在現(xiàn)代生產(chǎn)中很多場(chǎng)所都面臨著局部溫度過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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。
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-連續(xù)熱電偶。早期的過(guò)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(guò)熱，無(wú)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(guò)報(bào)警點(diǎn)，不能了解報(bào)警前后溫度變化趨勢(shì)。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(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和過(guò)溫報(bào)警，而且要監(jiān)測(cè)的“線”很長(zhǎng)，“面”很大。美國(guó)XCO公司研制了一種柔性熱偶型測(cè)溫電纜，非常適合用于解決上述場(chǎng)合過(guò)溫報(bào)警難題。它無(wú)固定測(cè)量端，利用填充材料的負(fù)溫度特性來(lái)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)。
為滿足技術(shù)國(guó)產(chǎn)化和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，昌暉儀表制造有限公司自主研究了連續(xù)熱電偶的制備及性能，用分解硝酸錳溶液法制備熱敏材料，制得的連續(xù)熱電偶(也稱為尋熱式熱電偶或特種測(cè)溫?zé)崦綦娎|)在測(cè)溫范圍、長(zhǎng)度、精度等主要指標(biāo)上接近進(jìn)口連續(xù)熱電偶。
連續(xù)熱電偶工作原理
連續(xù)熱電偶屬于特殊熱電偶，測(cè)溫時(shí)同樣使用的是熱電偶原理，連續(xù)熱電偶的測(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。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。
特種測(cè)溫?zé)崦綦娎|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，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)。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。
圖1 連續(xù)熱電偶的工作原理
連續(xù)熱電偶就是這樣一支臨時(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(guò)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。
測(cè)溫電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
連續(xù)熱電偶外觀同一般鎧裝熱電偶，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(護(hù)套層有Inconel 600耐熱合金和塑料兩種)。連續(xù)熱電偶使用塑料為因其外殼為塑料時(shí)也被大家稱為柔性熱電偶。
連續(xù)熱電偶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。但是連續(xù)熱電偶是靠熱敏材料的電阻變化來(lái)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)溫精度外殼或在金屬外殼與電極間選用絕緣材料。
連續(xù)熱電偶使用環(huán)境非常復(fù)雜，周圍電磁干擾普遍存在，連續(xù)熱電偶必須進(jìn)行屏蔽保護(hù)，否則將無(wú)法工作。連續(xù)熱電偶的外殼或屏蔽層均為導(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，昌暉儀表制造有限公司設(shè)計(jì)了如圖2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)制連續(xù)熱電偶的工藝可操作，制成的樣品性能優(yōu)良。
圖2 連續(xù)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖
連續(xù)熱電偶制作
特種測(cè)溫?zé)崦綦娎|制作的關(guān)鍵是熱敏材料的成型，根據(jù)有關(guān)專利介紹，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。
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(méi)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，完成特種測(cè)溫?zé)崦綦娎|制作。
連續(xù)熱電偶特點(diǎn)
①不同于普通熱電偶，連續(xù)熱電偶的兩熱電極始終是用熱敏材料隔開(kāi)的，中間沒(méi)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)；
④信號(hào)可分度，連續(xù)熱電偶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特殊的連續(xù)熱電偶分度表；
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(wú)需外加電源。
連續(xù)熱電偶主要技術(shù)性能
1、連續(xù)熱電偶外形尺寸
外形尺寸是指測(cè)溫電纜的外徑和單支最大長(zhǎng)度。連續(xù)熱電偶保護(hù)管采用Inconel 600耐熱合金，外徑為2-3mm，但特種測(cè)溫?zé)崦綦娎|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。
特種測(cè)溫?zé)崦綦娎|的單支長(zhǎng)度制作上可達(dá)數(shù)百米，但特種測(cè)溫?zé)崦綦娎|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、連續(xù)熱電偶測(cè)溫范圍和溫度特性
測(cè)溫范圍是指特種測(cè)溫?zé)崦綦娎|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)特種測(cè)溫?zé)崦綦娎|穩(wěn)定輸出的熱電勢(shì)值與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于特種測(cè)溫?zé)崦綦娎|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(guò)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℃。
圖4 連續(xù)熱電偶熱電勢(shì)-溫度特性
3、連續(xù)熱電偶響應(yīng)時(shí)間
響應(yīng)時(shí)間由連續(xù)熱電偶的熱容量決定，取決于電極周圍的材料和質(zhì)量，連續(xù)熱電偶有著護(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，連續(xù)熱電偶會(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、連續(xù)熱電偶彎曲半徑
連續(xù)熱電偶的彎曲半徑取決于護(hù)套材料和玻纖載體，彎曲半徑過(guò)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，從而使連續(xù)熱電偶的熱電性能發(fā)生變化，一般的彎曲半徑不小于外徑的15~20倍。
連續(xù)熱電偶的應(yīng)用
連續(xù)熱電偶因其有任一點(diǎn)感溫的特殊功能，具有本安、耐腐蝕、耐電壓、無(wú)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，正在向隧道、倉(cāng)庫(kù)、機(jī)房等擴(kuò)展。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)，將連續(xù)熱電偶的輸出熱電勢(shì)連接到信號(hào)處理單元(輸入阻抗＞10MΩ)，可實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)顯示。可進(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(wú)人值守、自動(dòng)監(jiān)控。
作者：魏小明，唐光明，徐麗艷，王劍星，趙彥，張忠模
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