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；火災(zāi)報警；柔性；熱偶型；測溫電纜

一、前言

在現(xiàn)代生產(chǎn)中很多場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其溫度進(jìn)行實時監(jiān)控，在事故發(fā)生前進(jìn)行報警，采取合理的應(yīng)對措施。

一般情況下，進(jìn)行過溫報警的作法是用“點溫式”溫度傳感器對被測區(qū)域的溫度進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)被監(jiān)測區(qū)域不大時，這是完全可行的。當(dāng)被監(jiān)測區(qū)域很大時，如高壓電纜溝、發(fā)電機(jī)組、儲油罐、隧道、通訊機(jī)房、倉庫等，過溫點出現(xiàn)的位置和時間是隨機(jī)的，對于此類“線溫”和“面溫”監(jiān)測，點式測溫將變得極其復(fù)雜且昂貴[1]。

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

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

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

二、測溫電纜的工作原理

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

當(dāng)報警電纜上某一段L（也可以是小至某一點）的溫度T1高于纜線上其余部分溫度時（如圖1所示），該段電極間熱敏材料電阻會低于其余部位，溫度相差越大，阻值相差越大，該點就是臨時測量端，電纜輸出一個和該點溫度T1相對應(yīng)的熱電勢值。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），此段電極間電阻會降的比T1段更低，臨時測量端就從T1處移動到T2處，電纜輸出的熱電勢值與T2相對應(yīng)[3-4]。T1或T2處以外的隔離材料阻值實際是多少沒什么意義，因為有意義的是與溫度T1或T2線性的熱電勢值。

柔性熱偶型測溫電纜就是這樣一支臨時測量端隨線纜上最高溫度段不斷移動的熱電偶，輸出的是與沿線上最高溫度相對應(yīng)的熱電勢值，通過測量熱電勢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待測區(qū)域內(nèi)（一條線或一個面），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。對于較長線或較大面積可以用多支聯(lián)合使用。

三、測溫電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計

柔性熱偶型測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。但是柔性測溫電纜是靠熱敏材料的電阻變化來形成臨時熱接點，輸出與溫度相對應(yīng)的熱電動勢，工作時熱敏材料的電阻較小，一般在幾千歐以下，熱電動勢在直流幾毫伏以內(nèi)，如果采用鎧裝結(jié)構(gòu)，外殼和電極之間的電阻會很小，一般小于10kΩ，此時外殼就會對電纜的弱熱電動勢有明顯的分流，造成測溫存在較大誤差，所以，為提高測溫精度外殼選用絕緣材料。

測溫電纜使用環(huán)境非常復(fù)雜，周圍電磁干擾普遍存在，測溫電纜必須進(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，且使用時要接地，因而其與熱敏材料直接接觸同樣會將分流熱電動勢，必須要對二者進(jìn)行絕緣隔離。

綜合以上分析，設(shè)計了如圖3所示的多層結(jié)構(gòu)，中間是一對平行或雙絞的電極，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)制測溫電纜的工藝可操作，制成的樣品性能優(yōu)良。

四、測溫電纜制作

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，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

（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；

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

（4）信號可分度，輸出的毫伏值與溫度一一對應(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，其對溫度變化反應(yīng)靈敏，對低至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)報警，更能進(jìn)行火災(zāi)前的預(yù)警，提高了火災(zāi)報警的可靠性；

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

六、主要技術(shù)性能

1、外形尺寸

外形尺寸是指測溫電纜的外徑和單支最大長度。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，但測溫電纜需要考慮到響應(yīng)時間，電纜越粗響應(yīng)時間越長，同時彎曲半徑加大，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。

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

2、測溫范圍和溫度特性

測溫范圍是指測溫電纜能夠長期穩(wěn)定地輸出一個和其沿線上最高溫度相對應(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℃。

溫度特性是指測溫范圍內(nèi)電纜穩(wěn)定輸出的熱電勢值與溫度的對應(yīng)關(guān)系。由于測溫電纜的臨時測量端不同于普通K型熱電偶的測量端，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熱接點，存在著一定的電阻，所以電纜輸出的熱電勢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)時間

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

4、彎曲半徑

測溫電纜的彎曲半徑取決于護(hù)套材料和玻纖載體，彎曲半徑過小會造成護(hù)套層破裂，也會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

柔性熱偶型測溫電纜因其有任一點感溫的特殊功能，具有本安、耐腐蝕、耐電壓、無需標(biāo)定、免維護(hù)等特點，目前在電力、儲油罐、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、倉庫、機(jī)房等擴(kuò)展[9]。一個測溫區(qū)域可以使用一支，也可以是多支聯(lián)合使用。使用時，將電纜的輸出熱電勢連接到信號處理單元，可實現(xiàn)溫度實時顯示?？蛇M(jìn)行擴(kuò)展應(yīng)用，進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警和報警設(shè)置（溫升速率和絕對值）、信息遠(yuǎn)程傳輸?shù)龋尤牖馂?zāi)報警系統(tǒng)，實現(xiàn)火災(zāi)的無人值守、自動監(jiān)控。