一種柔性熱偶型測(cè)溫電纜的設(shè)計(jì)

魏小明 唐光明 徐麗艷 王劍星 趙彥 張忠模

1.重慶材料研究院有限公司，重慶400707; 2.國(guó)家儀表功能材料工程技術(shù)研究中心，重慶400707

關(guān)鍵字：過溫監(jiān)測(cè)；火災(zāi)報(bào)警；柔性；熱偶型；測(cè)溫電纜

一、前言

在現(xiàn)代生產(chǎn)中很多場(chǎng)所都面臨著局部溫度過高而引發(fā)火災(zāi)、爆炸的惡性事件，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡，其直接原因就是溫度過高，因此解決方法就是對(duì)其溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在事故發(fā)生前進(jìn)行報(bào)警，采取合理的應(yīng)對(duì)措施。

一般情況下，進(jìn)行過溫報(bào)警的作法是用“點(diǎn)溫式”溫度傳感器對(duì)被測(cè)區(qū)域的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)被監(jiān)測(cè)區(qū)域不大時(shí)，這是完全可行的。當(dāng)被監(jiān)測(cè)區(qū)域很大時(shí)，如高壓電纜溝、發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)油罐、隧道、通訊機(jī)房、倉(cāng)庫(kù)等，過溫點(diǎn)出現(xiàn)的位置和時(shí)間是隨機(jī)的，對(duì)于此類“線溫”和“面溫”監(jiān)測(cè)，點(diǎn)式測(cè)溫將變得極其復(fù)雜且昂貴[1]。

目前比較理想的作法是采用可以測(cè)量沿線溫度的新一代傳感器—過溫報(bào)警電纜。早期的過溫報(bào)警電纜是金屬鎧裝的電阻型報(bào)警電纜或融鹽型報(bào)警電纜。其中，電阻型溫度報(bào)警電纜只能檢測(cè)是否過熱，無法區(qū)分一段長(zhǎng)的不太高的溫升和一段短的較高的溫升這兩種截然不同的情況；融鹽型溫度報(bào)警電纜報(bào)警點(diǎn)精度較高，但它只能判明溫度是否越過報(bào)警點(diǎn)，不能了解報(bào)警前后溫度變化趨勢(shì)[2]。這兩種類型的溫度報(bào)警電纜一般只用于100℃以上的溫度范圍，共同的致命弱點(diǎn)是單支電纜不能太長(zhǎng)，否則誤差太大，失去實(shí)用意義。

很多情況下，人們不僅需要對(duì)溫度變化過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和過溫報(bào)警，而且要監(jiān)測(cè)的“線”很長(zhǎng)，“面”很大。美國(guó)XCO公司研制了一種熱偶型過溫報(bào)警電纜—柔性熱偶型測(cè)溫電纜[5]，非常適合用于解決上述場(chǎng)合過溫報(bào)警難題。它無固定測(cè)量端，利用填充材料的負(fù)溫度特性來形成“臨時(shí)測(cè)量端”，測(cè)量沿線上存在的最高溫度，輸出的是直流毫伏信號(hào)。

目前國(guó)內(nèi)還未見這方面研究的報(bào)道。為滿足技術(shù)國(guó)產(chǎn)化和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，重慶材料研究院有限公司自主研究了柔性熱偶型測(cè)溫電纜的制備及性能，用分解硝酸錳溶液法制備熱敏材料，制得的測(cè)溫電纜在測(cè)溫范圍、長(zhǎng)度、精度等主要指標(biāo)上接近進(jìn)口產(chǎn)品。

二、測(cè)溫電纜的工作原理

柔性熱偶型測(cè)溫電纜屬于特殊熱電偶，測(cè)溫時(shí)同樣使用的是熱電偶原理，它的測(cè)量端是不固定的，是依靠熱敏材料電阻變化形成熱接點(diǎn)，構(gòu)成臨時(shí)測(cè)量端[3-4]。臨時(shí)測(cè)量端起著普通K型熱電偶熱端的作用，與冷端之間形成的熱電動(dòng)勢(shì)就是電纜的測(cè)量值。

當(dāng)報(bào)警電纜上某一段L（也可以是小至某一點(diǎn)）的溫度T1高于纜線上其余部分溫度時(shí)（如圖1所示），該段電極間熱敏材料電阻會(huì)低于其余部位，溫度相差越大，阻值相差越大，該點(diǎn)就是臨時(shí)測(cè)量端，電纜輸出一個(gè)和該點(diǎn)溫度T1相對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)值。如果線纜上任何其它部位出現(xiàn)更高的溫度段T2（如圖2所示），此段電極間電阻會(huì)降的比T1段更低，臨時(shí)測(cè)量端就從T1處移動(dòng)到T2處，電纜輸出的熱電勢(shì)值與T2相對(duì)應(yīng)[3-4]。T1或T2處以外的隔離材料阻值實(shí)際是多少?zèng)]什么意義，因?yàn)橛幸饬x的是與溫度T1或T2線性的熱電勢(shì)值。

柔性熱偶型測(cè)溫電纜就是這樣一支臨時(shí)測(cè)量端隨線纜上最高溫度段不斷移動(dòng)的熱電偶，輸出的是與沿線上最高溫度相對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)值，通過測(cè)量熱電勢(shì)值就可知道沿線上的最高溫度。如果把它合理地安裝在一個(gè)待測(cè)區(qū)域內(nèi)（一條線或一個(gè)面），那么它反映出的溫度就被認(rèn)為是該區(qū)域內(nèi)存在的最高溫度。對(duì)于較長(zhǎng)線或較大面積可以用多支聯(lián)合使用。

三、測(cè)溫電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柔性熱偶型測(cè)溫電纜外觀同一般控制電纜，結(jié)構(gòu)采用多層，中間是一對(duì)電極，電極周圍是熱敏粉末材料和載體，載體外依次是絕緣層、屏蔽層、護(hù)套層。柔性因其外殼為塑料而得名。

過溫報(bào)警電纜一般采用金屬鎧裝工藝，外殼采用金屬材質(zhì)，外殼和電極之間填充熱敏材料。但是柔性測(cè)溫電纜是靠熱敏材料的電阻變化來形成臨時(shí)熱接點(diǎn)，輸出與溫度相對(duì)應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì)，工作時(shí)熱敏材料的電阻較小，一般在幾千歐以下，熱電動(dòng)勢(shì)在直流幾毫伏以內(nèi)，如果采用鎧裝結(jié)構(gòu)，外殼和電極之間的電阻會(huì)很小，一般小于10kΩ，此時(shí)外殼就會(huì)對(duì)電纜的弱熱電動(dòng)勢(shì)有明顯的分流，造成測(cè)溫存在較大誤差，所以，為提高測(cè)溫精度外殼選用絕緣材料。

測(cè)溫電纜使用環(huán)境非常復(fù)雜，周圍電磁干擾普遍存在，測(cè)溫電纜必須進(jìn)行屏蔽保護(hù)，否則將無法工作。屏蔽層均為導(dǎo)電性良好的金屬類材料，且使用時(shí)要接地，因而其與熱敏材料直接接觸同樣會(huì)將分流熱電動(dòng)勢(shì)，必須要對(duì)二者進(jìn)行絕緣隔離。

綜合以上分析，設(shè)計(jì)了如圖3所示的多層結(jié)構(gòu)，中間是一對(duì)平行或雙絞的電極，電極上編織玻纖網(wǎng)，玻纖網(wǎng)中均勻分布有熱敏材料，在玻纖網(wǎng)外依次包覆絕緣層、屏蔽層和護(hù)套層。結(jié)果表明由此結(jié)構(gòu)制測(cè)溫電纜的工藝可操作，制成的樣品性能優(yōu)良。

四、測(cè)溫電纜制作

電纜制作的關(guān)鍵是熱敏材料的成型，根據(jù)有關(guān)專利[5]介紹，熱敏材料的成型方法主要有導(dǎo)電膠粘接法、熱敏粉絲纏繞法、硝酸錳液體分解法，下面以硝酸錳分解法為例。

主要制備材料與設(shè)備：50%的分析純硝酸錳溶液，光亮、軟態(tài)、0.5mm2的K型偶絲，72捻玻璃纖維絲，聚四氟絕緣帶，鋁箔，0.5mm2的銅絲，聚四氟料，編織機(jī)，300℃試驗(yàn)箱，擠塑機(jī)等[6]。

以鎳鉻-鎳硅為電極，分別在電極上均勻編織玻纖網(wǎng)，清潔、烘干后在硝酸錳溶液中浸泡數(shù)小時(shí)，讓玻纖網(wǎng)完全浸透，取出陰干，直至沒有液體滴落，放入試驗(yàn)箱，加熱到指定溫度進(jìn)行熱處理，依次繞制絕緣層、屏蔽層和擠塑護(hù)套層，剝頭，在150℃下烘烤48小時(shí)以上以除去內(nèi)部潮氣，用環(huán)氧樹脂封口，完成電纜制作。

五、電纜的特點(diǎn)

（1）不同于普通熱電偶，兩熱電極始終是用熱敏材料隔開的，中間沒有接觸點(diǎn)；

（2）隔離材料是負(fù)溫度系數(shù)的氧化錳，非氧化鋁或塑料等高阻抗的絕緣材料；

（3）可測(cè)溫，能夠連續(xù)不斷地輸出直流毫伏信號(hào)，與沿線上存在的最高溫度相對(duì)應(yīng)[7]；

（4）信號(hào)可分度，輸出的毫伏值與溫度一一對(duì)應(yīng)，可參照K型熱電偶的方法制成分度表；

（5）與電阻型或融鹽型相比，其對(duì)溫度變化反應(yīng)靈敏，對(duì)低至2～3℃的溫度變化就有反應(yīng)，不僅能夠準(zhǔn)確的進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警，更能進(jìn)行火災(zāi)前的預(yù)警，提高了火災(zāi)報(bào)警的可靠性；

（6）安裝方便、簡(jiǎn)單易用，即裝即用，自身產(chǎn)生毫伏信號(hào)，無需外加電源。

六、主要技術(shù)性能

1、外形尺寸

外形尺寸是指測(cè)溫電纜的外徑和單支最大長(zhǎng)度。電纜保護(hù)層是按塑料外殼制備工藝加工而成的，其截面是橢圓形，平均外徑在0.96D0～1.16D0之間（D0為外徑設(shè)定值），電纜外徑范圍很寬，但測(cè)溫電纜需要考慮到響應(yīng)時(shí)間，電纜越粗響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，同時(shí)彎曲半徑加大，不利于安裝，太細(xì)強(qiáng)度又不夠，易破損和斷裂，一般電纜的外徑尺寸在3～5mm之間。

電纜的單支長(zhǎng)度制作上可達(dá)數(shù)百米，但測(cè)溫電纜反應(yīng)的是區(qū)域內(nèi)的最高溫度，如果單支太長(zhǎng)，容易覆蓋該區(qū)域內(nèi)的其它最高溫度點(diǎn)或次高溫度點(diǎn)，一般長(zhǎng)度在15～150m之間，距離再長(zhǎng)可用多支聯(lián)合使用。

2、測(cè)溫范圍和溫度特性

測(cè)溫范圍是指測(cè)溫電纜能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地輸出一個(gè)和其沿線上最高溫度相對(duì)應(yīng)的毫伏值的溫度區(qū)間，主要有熱敏材料和護(hù)套層決定，一般火災(zāi)報(bào)警區(qū)域的感溫范圍為室溫至200℃。電纜的極限耐溫可達(dá)-40℃～260℃。

溫度特性是指測(cè)溫范圍內(nèi)電纜穩(wěn)定輸出的熱電勢(shì)值與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于測(cè)溫電纜的臨時(shí)測(cè)量端不同于普通K型熱電偶的測(cè)量端，兩電極不是直接焊接的，而是通過熱敏材料電阻變化形成的臨時(shí)熱接點(diǎn)，存在著一定的電阻，所以電纜輸出的熱電勢(shì)與由同種材料制成的普通熱電偶相比，在同一溫度下要偏小一些，折算成溫度大約在幾度。在同一溫度下，測(cè)溫電纜的溫度一致性也不如普通熱電偶，偏差可達(dá)±10℃。

3、響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間由電纜的熱容量決定，取決于電極周圍的材料和質(zhì)量，測(cè)溫電纜有著塑料護(hù)套層和玻纖載體熱敏層，響應(yīng)時(shí)間是普通熱電偶的數(shù)倍，但當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)由于溫差較大，電纜會(huì)有較大的、快速的溫度上升反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間小于20s。

4、彎曲半徑

測(cè)溫電纜的彎曲半徑取決于護(hù)套材料和玻纖載體，彎曲半徑過小會(huì)造成護(hù)套層破裂，也會(huì)使編織的玻纖載體斷裂，影響電極間電阻，從而使電纜的熱電性能發(fā)生變化，一般的彎曲半徑不小于外徑的15～20倍。

七、應(yīng)用

柔性熱偶型測(cè)溫電纜因其有任一點(diǎn)感溫的特殊功能，具有本安、耐腐蝕、耐電壓、無需標(biāo)定、免維護(hù)等特點(diǎn)，目前在電力、儲(chǔ)油罐、機(jī)房、高壓電纜溝、發(fā)電機(jī)組等上已有大量應(yīng)用[8]，正在向隧道、倉(cāng)庫(kù)、機(jī)房等擴(kuò)展[9]。一個(gè)測(cè)溫區(qū)域可以使用一支，也可以是多支聯(lián)合使用。使用時(shí)，將電纜的輸出熱電勢(shì)連接到信號(hào)處理單元，可實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)顯示?？蛇M(jìn)行擴(kuò)展應(yīng)用，進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警和報(bào)警設(shè)置（溫升速率和絕對(duì)值）、信息遠(yuǎn)程傳輸?shù)?，接入火?zāi)報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的無人值守、自動(dòng)監(jiān)控。