线式热点探测器与线式感温探测技术的发展

2020/6/28 1:21:30 人评论 次浏览 分类:温度测量  文章地址:/tech/3175.html

文章对线式热点探测器进行介绍与分析,总结了当今线式感温探测技术的发展现状,并指出了今后的发展趋势和需要解决的问题,从而为我国消防领域的超温与火灾报警技术的发展提供参考。

、前言

随着科学技术水平的不断提高,温度测量技术也得到了不断地发展。测量控制一般采用各式各样的温度传感器,常规的测量技术采用“点式”测温方式,对于一些特殊场所的火灾探测要求并不能满足需要。一些企业提出要测量一条线或一个面上的温度,从而线式热点探测器很快被开发出来,并以“线式”和“面式”的测温方式替代了常规测量方式,线式热点探测技术也越来越得到了人们的高度重视和快速发展。

二、线式热点探测技术

线式热点探测技术是为了满足工业上温度与火灾检测的需要,并提供一种超温与火灾早期预警,以降低工业资产和贵重设备的损失,而被开发出来的一种技术。线式热点探测器与传统温度传感器不同,它是一种能感知一条线上温度状况的线状温度传感器。因为其长度的每一部分都是一个探测点,所以在不丧失其灵敏度的情况下,线式热点探测器能够对一个很大的范围进行监测。特别是在工业地区普遍存在有腐蚀性的大气环境,线式热点探测器更能够适应其它类型温度传感器所不适合应用的地方。

线式热点探测器推出以后,迅速拥有了很好的市场,并在很多领域得到了相当广泛的应用。线型热点探测器典型应用是在需要做出可靠和快速警示,容易超温或发生火灾的地方,如电缆架、煤矿传送带、冷却塔、矿井、储油罐、电源变压器、运输隧道、地铁站、电梯、气化炉、隧道、储煤仓、某些动力舱、电气柜以及其它关键部位等。


三、常见的几种线式感温探测器

随着现代社会工业的发展和需要,陆续涌现出了多种类型的温度传感器,并在一些时期得到了广泛的应用。从设计与工作原理上都有所不同,大致有几种:线式定温火灾探测器(数字型和模拟型)、铠装热敏电缆(热偶型、阻容型、电阻型、定点型),线式热点探测器(也称为连续热电偶、寻热式热电偶和柔性热电偶)、线型光纤感温探测器。

1、数字型感温探测器

线式定温火灾探测器可分为模拟型和数字型两大类,目前,主要发展和应用相对广泛的是数字型感温探测器,它也叫做开关量线式感温探测器。

这种探测器实际上是一条热敏电缆,由两根固定温度系数的热敏绝缘体包裹的高强度钢导线构成,这两根钢导线具有相应的热灵敏度,再把两根绝缘的导线扭绞在一起,之间具有一定的弹性压力。它的外层是一个耐用的保护套以抵抗化学制品、碳氢化合物和油脂等影响。在正常的监视状态下,两个金属导线呈绝缘的状态,在每一根热敏电缆中有极微小的电流流动。当线路上任何一点的温度上升达到其额定动作温度时,绝缘体熔化,在弹性压力作用下,两根导线相互接接触,此时报警回路电流骤然增大,这一过程模拟了开关的闭合,于是告警信号发出。探测器中起绝缘作用的热敏聚合物决定了感温电缆的报警温度,一般有68.3℃、87.8℃、137.8℃、180℃等几种温度等级。


探测器在报警发生后,受热部分的电缆必须用一个简单的连接器修复,替代被烧毁的那部分电缆。连接过程只需要几分钟,仅用简单的工具就能使其恢复正常。


模拟型的线型感温探测器结构为四根外层采用特殊负温系统热敏绝缘的导体两个互相比较的检测回路。当感温电缆所保护场所的现场温度发生变化时,两个监测回路的电阻值就会发生明显的变化,微机控制器通过检测前端感温电缆监测回路的电阻值变化来设定报警值。

表1 数字型和模拟型线式感温探测器比较表

2、铠装式热敏电缆

铠装式热敏电缆根据不同的填充物和芯线组合分主要有三种:电阻型、热偶型(俗称连续热电偶)、定点型(融盐式)。随着工业发展及社会需要,连续热电偶(也称为线型热点探测器、寻热式热电偶)得到了很好的发展,并一直受到青睐。

连续热电偶可以检测条连续路线上存在的最高温度。铠装式热点探测器由金属保护管、K型热电极和热敏材料,经铠装拉拔减径工艺组装制作而成,其结构示意图如图1。

连续热电偶结构示意图
图1 连续热电偶结构示意图


当连续热电偶沿线某点(也可以是同温度的多点或一段)的温度T1超过沿线其余部分的温度时,该点两电极之间的热敏材料之间的热敏材料的电阻就会降低,从而在T1点形成一个“临时”的测量端(图2)。此时两热电极之间产生一个和温度T1相对应的热电势。

连续热电偶(某点温度高于感温段其余部分温度)
图2 连续热电偶(某点温度高于感温段其余部分温度)


如果热点探测器上有第二点出现更高的温度T2(T2>T1),则T2点热电极间热敏材料的电阻就会降得比T1点更低,从而在T2点产生了一个新的“临
时”测量端(图3),旧的“临时”测量端被取代,同时热电极之间就输出一个和温度T2相对应的热电势。总之,连续热电偶的输出热电势总是和其沿线上存在的最高温度相对应。
连续热电偶(更高的温度点T2出现)
 图3 连续热电偶(更高的温度点T2出现)


目前,连续热电偶在煤化工和石油化工领域的气化炉上应用最为广泛,用于表面温度监控与报警系统,实时监测气化炉表面温度变化动态,以判断气化炉内衬耐火砖因冲刷变薄或脱落等的情况。另外,在储煤仓、电力行业的预热器等地方也得到了应用。目前,真正产业化生产连续热电偶的厂家仅有重庆材料研究院有限公司和999102com英皇手机版,随着我国制造业的快速发展,我国连续热电偶市场需求越来越大,应用领域也将得到不断的开拓。


连续热电偶可以连续不断传递某一区域的温度信息。将连续热电偶用于某些特殊场合的温度监测与报警,可具有其他温度传感器无法比拟的优点。表2为三种铠装热敏电缆比较表。


3、阻容型线式温度传感器

阻容型线式温度传感器起源于英国Graviner公司,主要应用于军工、航空等重要领域。由于国外在相关技术上对我国进行了严密封锁,我国只有独立开发和研究,最终在重庆材料研究院有限公司成功开发出来,并达到甚至由于国外的技术指标。该传感器被称为新一代线式温敏超温报警传感器。

敏感元件能够感知整条敏感线缆上的温度状况,其两个参数(电阻和电容)都随温度稳定、单调变化,形成以电阻、电容双参数来反映温度变化的新型线形火灾探测元件,其效果等同于1支电阻型线式温度敏感元件加上1支电容型线式温度敏感元件。这种特性在某些场合是非常有用的,用两个参数联合来对过温情况进行监测报警,可以大大提高报警的准确性,降低误警率和漏警率,保证报警的高可靠性。


它由一定长度的线式同轴结构火焰敏感电缆和端部的连接头组成。其温度敏感部分是一根同轴线缆。芯线和外管分别是元件的正极和负极,其间是压实的敏感介质材料,该介质材料具有正的介电系统和负的电阻温度系数。
6m容阻型线式温度传感器的温度特性曲线
图4 6m容阻型线式温度传感器的温度特性曲线

  
阻容型线式温度传感器能够在可靠性要求很高的大空间温度异常监测报警领域得到广泛应用,如机车、轮船、飞机等。


4、柔性热电偶

柔性热电偶也称为线式热点探测器,实际上是另一种结构形式的连续热电偶,解决了大面积温度监测与过温报警的难题。柔性热电偶它能够探测一条连续路线上存在的最高温度,输出信号为与线上最高温度相对应的mV信号,并实时测温。其最大特点是线缆是柔性的,易于安装,最适合用于过温报警和火灾报警。

柔性热电偶具有多层缆绳式结构:中间为一对K型热电偶电极,热电极周围包裹的是以玻璃纤维为载体的NTC热敏粉体材料,再用耐高温有机材料把热电极和热敏材料包紧,缠绕屏蔽层,最外塑包耐温塑料,其结构图如图5所示。

柔性热电偶结构示意图
图5 柔性热电偶结构示意图


它属于低温型测温电缆,正常工作温度范围:室温至180℃,极限耐温:-40℃~+200℃,最小弯曲半径40mm。由于柔性热电偶制备技术难度大,目前我国能生产柔性热电偶(热点探测器)的厂家有999102com英皇手机版和深圳电利通科技有限公司,最大长度为100m。20m样品实测结果表明,在保证精度的前提下,最小受热长度约为10m,受热长度小于10m将不能保证测量精度。但受热长度达到5cm时可反映温度的变化。


柔性热电偶具有其它温度传感器无法比拟的优点,在电缆桥架(各行各业)、化工(浮顶油罐的火灾与过热探测及报警)、电力(电力变压器)、
交通(隧道内的火灾探测)、通讯(计算机房的异常温度探测与报警)、仓储(纸张、石油、食品及其它物品储藏)等行业,需要对某些特殊场合的温度监测与过温报警,通常也都采用这种柔性热电偶,也是目前隧道火灾报警系统的重要方案之一。

5、线型光纤感温探测器

线型光纤感温火灾预警监测系统,即分布式光纤测温系统,是一种用于实时监测空间温度场分布的新型技术,它利用光学传播技术,实现了实时连续测温光缆沿线温度的目的,达到了火灾预警的功效。

它主要通过光纤拉曼散射效应和光时域反射技术来实现。拉曼散射指的是光通过介质时,由于入射光与分子运动相互作用,而引起的波长发生变化的一种散射。在拉曼散射光中,根据波长变化方向的不同,分为斯托克斯光和反斯托克斯光。其中,较短波长的反斯托克斯光对温度非常敏感,而较长波长的斯托克斯光对温度则相对不敏感,利用这一关系,反斯托克斯光强和斯托克斯光强的比值能准确反射光线的温度信息。光时域反射技术是指激光在光纤中向前传播时,不同光纤位置的背向拉曼散射光返回光纤入射端的时间是不同的,通过区分该时间即可确定散射信号所对应的光纤位置,从而实现物理参数的分布式测量。


整根光纤不仅用作信号传输,更全被用作温度探测,感温探测覆盖范围为其全长的100%。目前其测量距离最长可达30km,测量精度和定位精度高,测温范围是-40℃~150℃,属于低温探测器。


光纤传感器具有绝缘、抗电磁干扰、耐高电压、耐化学腐蚀,安全等特点。随着光纤应用技术的发展,光纤测温系统是目前世界上最先进、最有效的连续分布式温度监测系统。其在电力系统已经得到了广泛的应用,利用其对电力电缆进行在线实时温度监测,其连续、实时、分布式的温度监测可以准确地捕捉电缆异常热点,将电缆火灾消灭在萌芽状态,保证整个系统安全健康的运行。另外在电缆隧道,电缆夹沟、电缆竖井、电缆沟、高压输配电电缆变压器绕组、高压开关柜等位置都得到了广泛有效的应用。


四、线式感温探测技术的发展趋势

线式感温探测技术的发展进一步开拓了温度监控与火灾探测技术的应用领域,也为人身和社会财产安全增加了一道强有力的防线。随着社会与科学技术的发展,线式感温探测技术也在朝着有利于人类的方向发展。

火灾的早期预警越来越受到人们的关注。一般,火灾产生分为四个阶段:预燃、闷燃、火焰燃烧和剧烈燃烧。传统的火灾探测器一般都在火灾发展的后三个阶段才能实现报警,此时,火势已经相当严重,难以控制了。必须要在火灾发生预燃期进行报警并采取措施,才能将火灾抑制在萌芽状态,因此未来需要进一步加强早期探测功能。


随着微处理器、集成电路技术和信息技术的发展和完善,线式感温探测技术中慢慢开始引入物联网技术,报警系统也变得更加智能化。探测器由传统的开关量式变为模拟量式,体积更加小巧轻便,信号处理方式也日趋智能化,系统控制可以采用自动控制方式,未来也将实现信号接受和发送无线化。


可靠性是火灾报警系统的一个重要特征之一,随着信号处理技术的提升,系统算法也变得更加复杂,多参量多判据也能够很好的保证传感器报警的可靠性,同时,引入复合探测技术也会提高感温探测的效率。


在一些特殊的领域,线式感温探测技术具有传统温度探测技术无法比拟的优势,在科学技术快速发展的道路上,也具有良好的发展前景,线式热点探测器的应用领域也将得到进一步拓展。


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