一、前言
隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，溫度測(cè)量技術(shù)也得到了不斷地發(fā)展。測(cè)量控制一般采用各式各樣的溫度傳感器，常規(guī)的測(cè)量技術(shù)采用“點(diǎn)式”測(cè)溫方式，對(duì)于一些特殊場(chǎng)所的火災(zāi)探測(cè)要求并不能滿足需要。一些企業(yè)提出要測(cè)量一條線或一個(gè)面上的溫度，從而線式熱點(diǎn)探測(cè)器很快被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并以“線式”和“面式”的測(cè)溫方式替代了常規(guī)測(cè)量方式，線式熱點(diǎn)探測(cè)技術(shù)也越來(lái)越得到了人們的高度重視和快速發(fā)展。
二、線式熱點(diǎn)探測(cè)技術(shù)
線式熱點(diǎn)探測(cè)技術(shù)是為了滿足工業(yè)上溫度與火災(zāi)檢測(cè)的需要，并提供一種超溫與火災(zāi)早期預(yù)警，以降低工業(yè)資產(chǎn)和貴重設(shè)備的損失，而被開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種技術(shù)。線式熱點(diǎn)探測(cè)器與傳統(tǒng)溫度傳感器不同，它是一種能感知一條線上溫度狀況的線狀溫度傳感器。因?yàn)槠溟L(zhǎng)度的每一部分都是一個(gè)探測(cè)點(diǎn)，所以在不喪失其靈敏度的情況下，線式熱點(diǎn)探測(cè)器能夠?qū)σ粋€(gè)很大的范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)。特別是在工業(yè)地區(qū)普遍存在有腐蝕性的大氣環(huán)境，線式熱點(diǎn)探測(cè)器更能夠適應(yīng)其它類(lèi)型溫度傳感器所不適合應(yīng)用的地方。
線式熱點(diǎn)探測(cè)器推出以后，迅速擁有了很好的市場(chǎng)，并在很多領(lǐng)域得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。線型熱點(diǎn)探測(cè)器典型應(yīng)用是在需要做出可靠和快速警示，容易超溫或發(fā)生火災(zāi)的地方，如電纜架、煤礦傳送帶、冷卻塔、礦井、儲(chǔ)油罐、電源變壓器、運(yùn)輸隧道、地鐵站、電梯、氣化爐、隧道、儲(chǔ)煤倉(cāng)、某些動(dòng)力艙、電氣柜以及其它關(guān)鍵部位等。
三、常見(jiàn)的幾種線式感溫探測(cè)器
隨著現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)的發(fā)展和需要，陸續(xù)涌現(xiàn)出了多種類(lèi)型的溫度傳感器，并在一些時(shí)期得到了廣泛的應(yīng)用。從設(shè)計(jì)與工作原理上都有所不同，大致有幾種：線式定溫火災(zāi)探測(cè)器(數(shù)字型和模擬型)、鎧裝熱敏電纜(熱偶型、阻容型、電阻型、定點(diǎn)型)，線式熱點(diǎn)探測(cè)器(也稱(chēng)為連續(xù)熱電偶、尋熱式熱電偶和柔性熱電偶)、線型光纖感溫探測(cè)器。
1、數(shù)字型感溫探測(cè)器
線式定溫火災(zāi)探測(cè)器可分為模擬型和數(shù)字型兩大類(lèi)，目前，主要發(fā)展和應(yīng)用相對(duì)廣泛的是數(shù)字型感溫探測(cè)器，它也叫做開(kāi)關(guān)量線式感溫探測(cè)器。
這種探測(cè)器實(shí)際上是一條熱敏電纜，由兩根固定溫度系數(shù)的熱敏絕緣體包裹的高強(qiáng)度鋼導(dǎo)線構(gòu)成，這兩根鋼導(dǎo)線具有相應(yīng)的熱靈敏度，再把兩根絕緣的導(dǎo)線扭絞在一起，之間具有一定的彈性壓力。它的外層是一個(gè)耐用的保護(hù)套以抵抗化學(xué)制品、碳?xì)浠衔锖陀椭扔绊?。在正常的監(jiān)視狀態(tài)下，兩個(gè)金屬導(dǎo)線呈絕緣的狀態(tài)，在每一根熱敏電纜中有極微小的電流流動(dòng)。當(dāng)線路上任何一點(diǎn)的溫度上升達(dá)到其額定動(dòng)作溫度時(shí)，絕緣體熔化，在彈性壓力作用下，兩根導(dǎo)線相互接接觸，此時(shí)報(bào)警回路電流驟然增大，這一過(guò)程模擬了開(kāi)關(guān)的閉合，于是告警信號(hào)發(fā)出。探測(cè)器中起絕緣作用的熱敏聚合物決定了感溫電纜的報(bào)警溫度，一般有68.3℃、87.8℃、137.8℃、180℃等幾種溫度等級(jí)。
探測(cè)器在報(bào)警發(fā)生后，受熱部分的電纜必須用一個(gè)簡(jiǎn)單的連接器修復(fù)，替代被燒毀的那部分電纜。連接過(guò)程只需要幾分鐘，僅用簡(jiǎn)單的工具就能使其恢復(fù)正常。
模擬型的線型感溫探測(cè)器結(jié)構(gòu)為四根外層采用特殊負(fù)溫系統(tǒng)熱敏絕緣的導(dǎo)體兩個(gè)互相比較的檢測(cè)回路。當(dāng)感溫電纜所保護(hù)場(chǎng)所的現(xiàn)場(chǎng)溫度發(fā)生變化時(shí)，兩個(gè)監(jiān)測(cè)回路的電阻值就會(huì)發(fā)生明顯的變化，微機(jī)控制器通過(guò)檢測(cè)前端感溫電纜監(jiān)測(cè)回路的電阻值變化來(lái)設(shè)定報(bào)警值。
表1 數(shù)字型和模擬型線式感溫探測(cè)器比較表
2、鎧裝式熱敏電纜
鎧裝式熱敏電纜根據(jù)不同的填充物和芯線組合分主要有三種：電阻型、熱偶型(俗稱(chēng)連續(xù)熱電偶)、定點(diǎn)型(融鹽式)。隨著工業(yè)發(fā)展及社會(huì)需要，連續(xù)熱電偶(也稱(chēng)為線型熱點(diǎn)探測(cè)器、尋熱式熱電偶)得到了很好的發(fā)展，并一直受到青睞。
連續(xù)熱電偶可以檢測(cè)條連續(xù)路線上存在的最高溫度。鎧裝式熱點(diǎn)探測(cè)器由金屬保護(hù)管、K型熱電極和熱敏材料，經(jīng)鎧裝拉拔減徑工藝組裝制作而成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。
圖1 連續(xù)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖
當(dāng)連續(xù)熱電偶沿線某點(diǎn)(也可以是同溫度的多點(diǎn)或一段)的溫度T1超過(guò)沿線其余部分的溫度時(shí)，該點(diǎn)兩電極之間的熱敏材料之間的熱敏材料的電阻就會(huì)降低，從而在T1點(diǎn)形成一個(gè)“臨時(shí)”的測(cè)量端(圖2)。此時(shí)兩熱電極之間產(chǎn)生一個(gè)和溫度T1相對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)。
圖2 連續(xù)熱電偶(某點(diǎn)溫度高于感溫段其余部分溫度)
如果熱點(diǎn)探測(cè)器上有第二點(diǎn)出現(xiàn)更高的溫度T2(T2＞T1)，則T2點(diǎn)熱電極間熱敏材料的電阻就會(huì)降得比T1點(diǎn)更低，從而在T2點(diǎn)產(chǎn)生了一個(gè)新的“臨 時(shí)”測(cè)量端(圖3)，舊的“臨時(shí)”測(cè)量端被取代，同時(shí)熱電極之間就輸出一個(gè)和溫度T2相對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)。總之，連續(xù)熱電偶的輸出熱電勢(shì)總是和其沿線上存在的最高溫度相對(duì)應(yīng)。
圖3 連續(xù)熱電偶(更高的溫度點(diǎn)T2出現(xiàn))
目前，連續(xù)熱電偶在煤化工和石油化工領(lǐng)域的氣化爐上應(yīng)用最為廣泛，用于表面溫度監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣化爐表面溫度變化動(dòng)態(tài)，以判斷氣化爐內(nèi)襯耐火磚因沖刷變薄或脫落等的情況。另外，在儲(chǔ)煤倉(cāng)、電力行業(yè)的預(yù)熱器等地方也得到了應(yīng)用。目前，真正產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)連續(xù)熱電偶的廠家僅有重慶材料研究院有限公司和昌暉儀表制造有限公司，隨著我國(guó)制造業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)連續(xù)熱電偶市場(chǎng)需求越來(lái)越大，應(yīng)用領(lǐng)域也將得到不斷的開(kāi)拓。
連續(xù)熱電偶可以連續(xù)不斷傳遞某一區(qū)域的溫度信息。將連續(xù)熱電偶用于某些特殊場(chǎng)合的溫度監(jiān)測(cè)與報(bào)警，可具有其他溫度傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。表2為三種鎧裝熱敏電纜比較表。
3、阻容型線式溫度傳感器
阻容型線式溫度傳感器起源于英國(guó)Graviner公司，主要應(yīng)用于軍工、航空等重要領(lǐng)域。由于國(guó)外在相關(guān)技術(shù)上對(duì)我國(guó)進(jìn)行了嚴(yán)密封鎖，我國(guó)只有獨(dú)立開(kāi)發(fā)和研究，最終在重慶材料研究院有限公司成功開(kāi)發(fā)出來(lái)，并達(dá)到甚至由于國(guó)外的技術(shù)指標(biāo)。該傳感器被稱(chēng)為新一代線式溫敏超溫報(bào)警傳感器。
敏感元件能夠感知整條敏感線纜上的溫度狀況，其兩個(gè)參數(shù)(電阻和電容)都隨溫度穩(wěn)定、單調(diào)變化，形成以電阻、電容雙參數(shù)來(lái)反映溫度變化的新型線形火災(zāi)探測(cè)元件，其效果等同于1支電阻型線式溫度敏感元件加上1支電容型線式溫度敏感元件。這種特性在某些場(chǎng)合是非常有用的，用兩個(gè)參數(shù)聯(lián)合來(lái)對(duì)過(guò)溫情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警，可以大大提高報(bào)警的準(zhǔn)確性，降低誤警率和漏警率，保證報(bào)警的高可靠性。
它由一定長(zhǎng)度的線式同軸結(jié)構(gòu)火焰敏感電纜和端部的連接頭組成。其溫度敏感部分是一根同軸線纜。芯線和外管分別是元件的正極和負(fù)極，其間是壓實(shí)的敏感介質(zhì)材料，該介質(zhì)材料具有正的介電系統(tǒng)和負(fù)的電阻溫度系數(shù)。
圖4 6m容阻型線式溫度傳感器的溫度特性曲線
阻容型線式溫度傳感器能夠在可靠性要求很高的大空間溫度異常監(jiān)測(cè)報(bào)警領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如機(jī)車(chē)、輪船、飛機(jī)等。
4、柔性熱電偶
柔性熱電偶也稱(chēng)為線式熱點(diǎn)探測(cè)器，實(shí)際上是另一種結(jié)構(gòu)形式的連續(xù)熱電偶，解決了大面積溫度監(jiān)測(cè)與過(guò)溫報(bào)警的難題。柔性熱電偶它能夠探測(cè)一條連續(xù)路線上存在的最高溫度，輸出信號(hào)為與線上最高溫度相對(duì)應(yīng)的mV信號(hào)，并實(shí)時(shí)測(cè)溫。其最大特點(diǎn)是線纜是柔性的，易于安裝，最適合用于過(guò)溫報(bào)警和火災(zāi)報(bào)警。
柔性熱電偶具有多層纜繩式結(jié)構(gòu)：中間為一對(duì)K型熱電偶電極，熱電極周?chē)氖且圆ＡЮw維為載體的NTC熱敏粉體材料，再用耐高溫有機(jī)材料把熱電極和熱敏材料包緊，纏繞屏蔽層，最外塑包耐溫塑料，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。
圖5 柔性熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖
它屬于低溫型測(cè)溫電纜，正常工作溫度范圍：室溫至180℃，極限耐溫：-40℃~+200℃，最小彎曲半徑40mm。由于柔性熱電偶制備技術(shù)難度大，目前我國(guó)能生產(chǎn)柔性熱電偶(熱點(diǎn)探測(cè)器)的廠家有昌暉儀表制造有限公司和深圳電利通科技有限公司，最大長(zhǎng)度為100m。20m樣品實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在保證精度的前提下，最小受熱長(zhǎng)度約為10m，受熱長(zhǎng)度小于10m將不能保證測(cè)量精度。但受熱長(zhǎng)度達(dá)到5cm時(shí)可反映溫度的變化。
柔性熱電偶具有其它溫度傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，在電纜橋架(各行各業(yè))、化工(浮頂油罐的火災(zāi)與過(guò)熱探測(cè)及報(bào)警)、電力(電力變壓器)、交通(隧道內(nèi)的火災(zāi)探測(cè))、通訊(計(jì)算機(jī)房的異常溫度探測(cè)與報(bào)警)、倉(cāng)儲(chǔ)(紙張、石油、食品及其它物品儲(chǔ)藏)等行業(yè)，需要對(duì)某些特殊場(chǎng)合的溫度監(jiān)測(cè)與過(guò)溫報(bào)警，通常也都采用這種柔性熱電偶，也是目前隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的重要方案之一。
5、線型光纖感溫探測(cè)器
線型光纖感溫火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，即分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，是一種用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空間溫度場(chǎng)分布的新型技術(shù)，它利用光學(xué)傳播技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)溫光纜沿線溫度的目的，達(dá)到了火災(zāi)預(yù)警的功效。
它主要通過(guò)光纖拉曼散射效應(yīng)和光時(shí)域反射技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。拉曼散射指的是光通過(guò)介質(zhì)時(shí)，由于入射光與分子運(yùn)動(dòng)相互作用，而引起的波長(zhǎng)發(fā)生變化的一種散射。在拉曼散射光中，根據(jù)波長(zhǎng)變化方向的不同，分為斯托克斯光和反斯托克斯光。其中，較短波長(zhǎng)的反斯托克斯光對(duì)溫度非常敏感，而較長(zhǎng)波長(zhǎng)的斯托克斯光對(duì)溫度則相對(duì)不敏感，利用這一關(guān)系，反斯托克斯光強(qiáng)和斯托克斯光強(qiáng)的比值能準(zhǔn)確反射光線的溫度信息。光時(shí)域反射技術(shù)是指激光在光纖中向前傳播時(shí)，不同光纖位置的背向拉曼散射光返回光纖入射端的時(shí)間是不同的，通過(guò)區(qū)分該時(shí)間即可確定散射信號(hào)所對(duì)應(yīng)的光纖位置，從而實(shí)現(xiàn)物理參數(shù)的分布式測(cè)量。
整根光纖不僅用作信號(hào)傳輸，更全被用作溫度探測(cè)，感溫探測(cè)覆蓋范圍為其全長(zhǎng)的100%。目前其測(cè)量距離最長(zhǎng)可達(dá)30km，測(cè)量精度和定位精度高，測(cè)溫范圍是-40℃~150℃，屬于低溫探測(cè)器。
光纖傳感器具有絕緣、抗電磁干擾、耐高電壓、耐化學(xué)腐蝕，安全等特點(diǎn)。隨著光纖應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，光纖測(cè)溫系統(tǒng)是目前世界上最先進(jìn)、最有效的連續(xù)分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其在電力系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，利用其對(duì)電力電纜進(jìn)行在線實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，其連續(xù)、實(shí)時(shí)、分布式的溫度監(jiān)測(cè)可以準(zhǔn)確地捕捉電纜異常熱點(diǎn)，將電纜火災(zāi)消滅在萌芽狀態(tài)，保證整個(gè)系統(tǒng)安全健康的運(yùn)行。另外在電纜隧道，電纜夾溝、電纜豎井、電纜溝、高壓輸配電電纜變壓器繞組、高壓開(kāi)關(guān)柜等位置都得到了廣泛有效的應(yīng)用。
四、線式感溫探測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
線式感溫探測(cè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步開(kāi)拓了溫度監(jiān)控與火災(zāi)探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，也為人身和社會(huì)財(cái)產(chǎn)安全增加了一道強(qiáng)有力的防線。隨著社會(huì)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線式感溫探測(cè)技術(shù)也在朝著有利于人類(lèi)的方向發(fā)展。
火災(zāi)的早期預(yù)警越來(lái)越受到人們的關(guān)注。一般，火災(zāi)產(chǎn)生分為四個(gè)階段：預(yù)燃、悶燃、火焰燃燒和劇烈燃燒。傳統(tǒng)的火災(zāi)探測(cè)器一般都在火災(zāi)發(fā)展的后三個(gè)階段才能實(shí)現(xiàn)報(bào)警，此時(shí)，火勢(shì)已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重，難以控制了。必須要在火災(zāi)發(fā)生預(yù)燃期進(jìn)行報(bào)警并采取措施，才能將火災(zāi)抑制在萌芽狀態(tài)，因此未來(lái)需要進(jìn)一步加強(qiáng)早期探測(cè)功能。
隨著微處理器、集成電路技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展和完善，線式感溫探測(cè)技術(shù)中慢慢開(kāi)始引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，報(bào)警系統(tǒng)也變得更加智能化。探測(cè)器由傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量式變?yōu)槟M量式，體積更加小巧輕便，信號(hào)處理方式也日趨智能化，系統(tǒng)控制可以采用自動(dòng)控制方式，未來(lái)也將實(shí)現(xiàn)信號(hào)接受和發(fā)送無(wú)線化。
可靠性是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的一個(gè)重要特征之一，隨著信號(hào)處理技術(shù)的提升，系統(tǒng)算法也變得更加復(fù)雜，多參量多判據(jù)也能夠很好的保證傳感器報(bào)警的可靠性，同時(shí)，引入復(fù)合探測(cè)技術(shù)也會(huì)提高感溫探測(cè)的效率。
在一些特殊的領(lǐng)域，線式感溫探測(cè)技術(shù)具有傳統(tǒng)溫度探測(cè)技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的道路上，也具有良好的發(fā)展前景，線式熱點(diǎn)探測(cè)器的應(yīng)用領(lǐng)域也將得到進(jìn)一步拓展。
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