專利名稱：用于環(huán)境傳感的傳感器系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于環(huán)境條件檢測的傳感器和方法，并且更特別地涉及用于物理和物理化學(xué)傳感應(yīng)用的傳感器和方法。
背景技術(shù)：
在嚴(yán)酷環(huán)境中使用的傳感器的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括承受極端環(huán)境條件的能力以及高選擇性和靈敏度。因此，傳感器材料的適當(dāng)選擇是傳感器性能和應(yīng)用中的考慮中之一。已經(jīng)用于耐嚴(yán)酷環(huán)境應(yīng)用的材料的非限制性示例是耐火復(fù)合材料。例如碳化硅等典型的耐火材料是通過粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)的已知耐熱材料。在一些情況下，該材料的劣勢是高孔隙率和形成裂紋的傾向性(特別在溫度循環(huán)后)。該材料在溫度循環(huán)(重復(fù)加熱到操作溫度并且在該操作后冷卻)期間和在急劇溫度變化條件下可以具有不足的穩(wěn)定性。常規(guī)用于在高溫環(huán)境中防護(hù)熱電偶和形成光纖傳感器的材料常常包括致密碳化硅(SiC)陶瓷材料，例如Hexalloy 等。這些材料能夠承受一些高溫環(huán)境，但可能不能承受在高溫設(shè)備和系統(tǒng)(例如，燃燒系統(tǒng)或氣化器系統(tǒng))中存在的熱機(jī)械或熱化學(xué)環(huán)境。因此，需要有能夠承受例如高溫、高壓和嚴(yán)酷熱機(jī)械或熱化學(xué)條件的嚴(yán)酷環(huán)境的傳感器。該傳感器還應(yīng)該展現(xiàn)對環(huán)境條件中的變化的足夠靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)提供用于通過使用該傳感器檢測環(huán)境條件的傳感器系統(tǒng)和方法。該傳感器系統(tǒng)包括傳感元件，其特別耐嚴(yán)酷環(huán)境條件。在一個(gè)實(shí)施例中，提供傳感器系統(tǒng)。該傳感器系統(tǒng)包括至少一個(gè)傳感器，其包括電傳感元件。該電傳感元件包括從由(a)和(b)構(gòu)成的組中選擇的復(fù)合材料；其中(a)包括碳化硅(SiC)、(Mo，W)5Si3C 禾口 (Mo，ff)Si2 ；并且(b)包括(Mo，W)5Si3C、(Mo，W)Si2 禾口 (Mo， W)5Si3。傳感器可以響應(yīng)于至少一個(gè)環(huán)境條件或環(huán)境事件。傳感器包括電阻傳感元件，其中該電阻傳感元件用如上文提到的復(fù)合材料形成，并且在下文進(jìn)一步描述。傳感器系統(tǒng)進(jìn)一步包括能夠傳遞電力給該電阻傳感元件的電源；以及電壓測量裝置以測量橫跨該電阻傳感元件的電壓差。在再另一個(gè)實(shí)施例中，傳感器包括電容傳感元件，其中該電容傳感元件包括兩個(gè)電極，并且用如本文描述的復(fù)合材料形成。傳感器系統(tǒng)進(jìn)一步包括能夠傳遞電力給該電容傳感元件的電源；以及電容測量裝置以測量橫跨該電容傳感元件的電容。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供氣化系統(tǒng)，其中該氣化系統(tǒng)包括氣化器和設(shè)置在該氣化器的至少一個(gè)壁上或內(nèi)的至少一個(gè)傳感器系統(tǒng)。該傳感器系統(tǒng)包括至少一個(gè)傳感器，其包括電傳感元件。該電傳感元件包括從由(a)和(b)構(gòu)成的組中選擇的復(fù)合材料；其中(a)包括碳化硅(SiC)、(Mo，W)5Si3C 和(Mo，W) Si2 ；并且(b)包括(Mo，W)5Si3C、(Mo，W) Si2 和(Mo， D5Si30該傳感器系統(tǒng)進(jìn)一步包括傳遞電力給該電傳感元件的電源，以及電測量裝置以測量橫跨該電傳感元件的電性質(zhì)。


當(dāng)下列詳細(xì)說明參照附圖(其中相似的符號在整個(gè)附圖中代表相似的部件)閱讀時(shí)，本發(fā)明的這些和其他的特征、方面和優(yōu)勢將變得更好理解，其中圖1是包括電阻傳感器元件的傳感器電路的實(shí)施例的頂視圖。圖2A和2B圖示分別在關(guān)聯(lián)基底的尺寸改變之前和之后的傳感器系統(tǒng)的傳感配置，其中該傳感器系統(tǒng)包括電阻傳感器。圖3A和;3B圖示分別在關(guān)聯(lián)基底的尺寸變化之前和之后的傳感器系統(tǒng)的傳感配置，其中該傳感器系統(tǒng)包括三個(gè)電阻傳感器。圖4是包括電容傳感器元件的傳感器電路的實(shí)施例的頂視圖。圖5A和5B圖示分別在關(guān)聯(lián)基底的尺寸變化之前和之后的傳感器系統(tǒng)的傳感配置，其中該傳感器系統(tǒng)包括電容傳感器。圖6A和6B圖示分別在關(guān)聯(lián)基底的尺寸變化之前和之后的傳感器系統(tǒng)的傳感配置，其中該傳感器系統(tǒng)包括三個(gè)電容傳感器。圖7A和7B是示出暴露于高溫熔融銅(Cu)的鑄鐵部件的照片。圖8是示出HeXalloyTM(商用碳化硅)試樣的照片，其不包括耐火硅化物涂層材料。圖9A和9B分別是示出在用耐火硅化物材料制作的塊體和涂覆有耐火硅化物材料的鑄鐵試樣的表面上的Cu熔融材料的沉積的照片。圖10示出在具有嚴(yán)酷環(huán)境傳感器(監(jiān)測磚的物理退化(degradation))分布的氣化腔中的磚壁。圖11示出圖示電阻作為耐火復(fù)合材料的溫度的函數(shù)的圖表。當(dāng)下列詳細(xì)說明參照附圖閱讀時(shí)，本發(fā)明的這些和其他的特征、方面和優(yōu)勢將變
得更好理解。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例包括傳感器系統(tǒng)(其包括電傳感元件，其中該電傳感元件是復(fù)合材料)，以及用于檢測環(huán)境條件的關(guān)聯(lián)方法。在下列說明書和權(quán)利要求中，單數(shù)形式“一”和“該”包括復(fù)數(shù)指示物，除非上下文另外明確指示。如本文使用的，術(shù)語“傳感器元件”或“傳感元件”指響應(yīng)于物理或化學(xué)刺激并且傳送作為該刺激的結(jié)果的可測量脈沖或信號的任何部件。從而，該傳感器元件可采用例如電導(dǎo)體的導(dǎo)體形式。這些導(dǎo)體可在裝置中的任何特征和任何附加部件(例如，電源、電檢測部件、信號處理器等)之間導(dǎo)電。(這些附加特征可直接附加到傳感元件，或它們可間接附加)。本發(fā)明提供包括耐嚴(yán)酷環(huán)境條件的傳感器材料的傳感器系統(tǒng)。如本文使用的，術(shù)語“嚴(yán)酷環(huán)境條件”指具有下列條件中的一個(gè)或多個(gè)的環(huán)境高溫(T > 2500C )、高壓(P > 0. 7MPa)、高電壓(> 1000V)、高電流(> 1000A)、高腐蝕性水溶液(pH > 10或pH < 4)、高伽瑪輻射(Y射線劑量> IOOOMgy)或熱中子通量(> 1018n/Cm2s)。嚴(yán)酷環(huán)境可進(jìn)一步包括例如高濕度(RH > 85% )、高振動(dòng)(f > IHz)、腐蝕性氣體(例如，H2S、HC1、C0、S02)或其的組合等條件。嚴(yán)酷環(huán)境的非限制性示例進(jìn)一步包括化學(xué)或熱化學(xué)反應(yīng)性環(huán)境，和暴露于機(jī)械應(yīng)力，例如振動(dòng)、應(yīng)變、侵蝕或由于系統(tǒng)內(nèi)的碎片的物理損傷等。化學(xué)反應(yīng)性環(huán)境包括氧化、還原或腐蝕性環(huán)境。氧化環(huán)境的示例包括但不限于水和氧氣。還原環(huán)境包括但不限于氫和碳?xì)浠衔?；并且腐蝕性環(huán)境包括但不限于硫化和鹵化物環(huán)境。嚴(yán)酷環(huán)境的特定示例是氣化系統(tǒng)的內(nèi)部環(huán)境，其中腐蝕可產(chǎn)生于在系統(tǒng)中存在的硫化氫、氯化物或氧化物殘?jiān)?例如，CaO-Al2O3-SiO2-FeO-MgO) 0在一個(gè)實(shí)施例中，機(jī)械應(yīng)力從由于熱循環(huán)或熱失配引起的材料應(yīng)變發(fā)展而來。當(dāng)殘?jiān)跉饣恢邢蛳乱苿?dòng)并且當(dāng)殘?jiān)?、灰、或大片碎片積累而形成涂層或使元件退化時(shí)發(fā)生侵蝕。另外，在氣化器環(huán)境中，熱化學(xué)反應(yīng)可以導(dǎo)致在經(jīng)受升高的溫度的同時(shí)基底(例如，耐火磚內(nèi)襯)的變化和/或耐火碳化硅傳感材料化學(xué)的變化。在傳感器元件中的熱致相變還可以改變電阻。如本文使用的術(shù)語“電阻變化”或“電容變化”指由于一個(gè)或多個(gè)環(huán)境變化引起的傳感元件中發(fā)生的變化。環(huán)境變化包括但不限于傳感器設(shè)置在其中的耐火磚內(nèi)襯的侵蝕。 通過內(nèi)襯的磨損、侵蝕、固態(tài)擴(kuò)散或腐蝕的尺寸變化導(dǎo)致傳感器電阻或傳感器電容的變化， 其可以測量。如本文使用的術(shù)語“基底”指耐火碳化硅傳感材料設(shè)置在其上的電絕緣材料。除提供電絕緣外，該基底可提供機(jī)械支撐并且可進(jìn)一步保護(hù)傳感器免受嚴(yán)酷環(huán)境影響。在一些情況下，術(shù)語基底也用于指傳感器設(shè)置在其內(nèi)或其頂上的基底。這可包括例如耐火磚(其用于形成氣化器系統(tǒng)的內(nèi)襯)、低合金鋼(其常常用于形成氣化器系統(tǒng)的壓力容器壁)和非含鐵金屬(non ferrous metal)(其常常用于構(gòu)建氣化器系統(tǒng)的熱交換器)。如本文使用的術(shù)語“基底的退化”指由傳感環(huán)境中的侵蝕、熱化學(xué)蝕刻或?yàn)?zāi)難性事件引起基底中的變化。環(huán)境事件導(dǎo)致基底材料的物理大小或形狀中的退化或變化，其可減小或增加和/或可引起基底中裂紋的形成?！澳屯嘶币馕吨蜕衔奶岬降淖兓?。如本文使用的術(shù)語“最佳操作電阻”指電阻值的范圍，其對于處理來自在正常操作條件下的傳感器系統(tǒng)的電信號是最佳的。典型地該最佳操作電阻值在大于0. OlOohms和小于10，OOOohms之間的范圍中。本發(fā)明的各種實(shí)施例描述傳感器系統(tǒng)，其包括至少一個(gè)傳感器(包括電傳感元件)，其中該電傳感元件包括復(fù)合材料。該傳感器系統(tǒng)可進(jìn)一步包括電源，其能夠傳遞電力給該電傳感元件；和測量裝置以測量橫跨該電傳感元件或其內(nèi)的電性質(zhì)中的至少一個(gè)變化。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器可在嚴(yán)酷環(huán)境中操作。復(fù)合材料的傳感特性可以通過部分基于“嚴(yán)酷環(huán)境”的特定類型改變材料中存在的硅化物組成的量和類型而修改和增強(qiáng)。具有各種成分、化學(xué)計(jì)量和相分?jǐn)?shù)的硅化物的添加導(dǎo)致具有不同微結(jié)構(gòu)特性(相的互相排布、它們的大小和形狀、晶體取向等)并且因此具有指出的有用性質(zhì)的不同組合的材料。硅化物合金元素的更高濃度可減小電阻。傳感器材料的一些成分預(yù)期提供優(yōu)異的耐熱震性。其他的成分也可承受從1500°C的多個(gè)水淬火 (water quench)而無可見退化。該傳感器成分還可提供良好的耐硫化性。材料常常耐由氣化器殘?jiān)那治g，并且可以具有比現(xiàn)有技術(shù)傳感器材料更高的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。傳感器的復(fù)合材料包括碳化硅(SiC)、(Mo, W) 5Si3C和(Mo，W) Si2 ；或(Mo，W) 5Si3C、(Mo，W)Si2* (Mo，W)5Si3&組合。在復(fù)合傳感器材料中，鎢對鉬的摩爾比可在從大約0 1 到大約9 1的范圍中。關(guān)于傳感器材料組成中的調(diào)節(jié)，以鉬為代價(jià)的鎢的相對含量增加通常增加耐熱性和耐熱震性和溫度循環(huán)特性。在一些特定實(shí)施例中，復(fù)合材料具有下列成分比(vol. % )
(Mo, W)5Si3 或(Mo，W)5Si3C大約15%至大約85%碳化硅大約2%至大約85%(Mo, W)Si2大約0.8%至大約55%在一個(gè)實(shí)施例中，(W,Mo)的元素代替物可從Nb、Ta或Re選擇(可高達(dá)大約30%)。 在另一個(gè)實(shí)施例中，(W，Mo)可由Hf、& 或Ti代替(可高達(dá)大約5%)。在備選實(shí)施例中， Si可由Ge代替高達(dá)大約100%。在一個(gè)實(shí)施例中，碳可以由硼代替高達(dá)大約20%。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，復(fù)合材料包括占用高達(dá)大約40%材料體積的孔隙。該多孔性對于增加電阻或增加材料的耐熱震性是有用的。現(xiàn)在參照附圖，傳感器系統(tǒng)的實(shí)施例在圖1至圖6A和6B中大體上示出并且參照此。在圖1中，傳感器系統(tǒng)包括傳感器，其包括電阻傳感元件2。傳感器系統(tǒng)進(jìn)一步包括測量裝置8，其可是例如電壓表。傳感器系統(tǒng)可進(jìn)一步包括基底4，并且該電阻傳感元件可直接設(shè)置在該基底上。在備選實(shí)施例中，該電阻傳感元件可設(shè)置在介入元件或其他材料層之上。在再另一個(gè)實(shí)施例中，該電阻傳感元件可設(shè)置在基底自身內(nèi)。電源6可用于提供交流(AC)或直流(DC)給傳感器電路，其包括電阻傳感元件2。 電阻傳感元件2可配置成以便得到最佳操作電阻。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感元件2可與基底4 聯(lián)合操作。在該示例的備選實(shí)施例中，當(dāng)傳感元件2作為整體特征存在而無單獨(dú)基底存在時(shí)，傳感元件2可是可操作的。在非限制性示例中，電阻傳感器可用于在高溫、嚴(yán)酷環(huán)境應(yīng)用中測量溫度或其他環(huán)境變化或事件。電阻傳感元件可適應(yīng)于具有曲折設(shè)計(jì)(例如，不規(guī)則，不具有特定方向或圖案)， 或蛇形設(shè)計(jì)或類似的，以提供對傳感元件的材料性質(zhì)中的任何變化的增加的傳感器響應(yīng)。 在一些實(shí)施例中電阻傳感元件可采用從蛇形、十字形、環(huán)形、矩形、正方形、線形、不規(guī)則或這些形狀的任意組合選擇的形狀配置。傳感器系統(tǒng)可進(jìn)一步包括測量裝置以實(shí)現(xiàn)電性質(zhì)中的至少一個(gè)變化的測量。該電性質(zhì)可以橫跨電傳感元件測量。例如，電壓表可在傳感器系統(tǒng)中存在，其中該電壓表在已知電流條件下測量電壓，使得傳感器的電阻可以通過使用公式V= IXR確定。電壓變化直接與電阻傳感器材料的電阻變化成比例。在一個(gè)示例中，環(huán)境條件的變化(例如溫度變化)將影響傳感器材料的電阻率，其將進(jìn)而由在已知電流條件下的測得的電壓變化反映。在另一個(gè)示例中，如通過在已知電流條件下測量橫跨元件的電壓降確定的電阻傳感元件的電阻可作為由于侵蝕、腐蝕、磨損或這些的組合引起的傳感器嵌入其中的材料的衰退(recession) 的結(jié)果而改變。當(dāng)電阻傳感元件隨它的基體(matrix)縮減(recede)時(shí)，測量的電阻增加。圖2A和2B示出傳感器系統(tǒng)，其中電阻傳感元件(1 設(shè)置在基底(10)上。該基底是耐火磚。傳感器包括電壓表14和電源16。該傳感元件12能夠傳感環(huán)境變化。在一個(gè)示例中，該環(huán)境變化可是溫度。例如，基底(10)可以從右向左侵蝕(如由箭頭示出的，在圖 2A和2B兩者中)，產(chǎn)生減小體積的基底(18)，如在圖2B中示出的。例如，體積變化可產(chǎn)生于長度、寬度或厚度變化。傳感元件(1 在圖2B中保持完好無損，并且電阻傳感元件能夠傳感環(huán)境中的變化，即使在基底侵蝕或退化后仍可以。在一個(gè)實(shí)施例中，基底可是氣化器耐火磚。在該情況下，當(dāng)隔熱磚在嚴(yán)酷氣化器環(huán)境中侵蝕時(shí)，傳感器可反映溫度增加。電阻傳感器12可作為整體件存在而沒有基底。在一個(gè)實(shí)施例中，電阻傳感器12可設(shè)置在比耐火磚更耐侵蝕的基底上。在再另一個(gè)實(shí)施例中，在圖2A中的電阻傳感器可隨磚一起侵蝕，從而通過電阻的急劇增加來指示磚的衰退。在一些實(shí)施例中傳感器系統(tǒng)可包括兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或更多傳感器，每個(gè)包括電傳感元件。作為一個(gè)圖示，圖3A和;3B示出包括三個(gè)分立傳感器Si、S2和S3的傳感器系統(tǒng)。 在圖3A中傳感器設(shè)置在基底20上。在一個(gè)實(shí)施例中，基底00)是在氣化器中存在的耐火磚。每個(gè)傳感器(S1、S2和S； )具有獨(dú)立電壓表(分別是2244和26)和電源(分別是觀、 30和3 。每個(gè)傳感器能夠測量傳感器電阻，其可產(chǎn)生于在至少一個(gè)環(huán)境條件中的變化。在一個(gè)非限制性示例中，傳感器能夠測量電阻變化，其可產(chǎn)生于溫度變化。在特定實(shí)施例中， 基底00)可易于受環(huán)境條件或環(huán)境事件影響，其引起體積減小或可引起從右側(cè)向左(如由圖3A和;3B中的箭頭示出的)的侵蝕，產(chǎn)生具有減小體積的基底(34)，如在圖;3B中示出的。 結(jié)果，Sl和S2已經(jīng)受損，引起電阻激增。該情況可導(dǎo)致開路。即使在基底的侵蝕或退化后保持完好無損的傳感器S3(如在圖;3B中示出的)可用于測量損傷強(qiáng)度。此外，橫跨傳感器 S3的電阻可用于檢測溫度變化。在圖4的實(shí)施例中，傳感元件是平行板電容器，包括由電絕緣基底38分開的一對平行導(dǎo)體，即傳感器元件板(35、36)，形成“夾層結(jié)構(gòu)”。由設(shè)置在基底上的電容傳感元件覆蓋的空間可描述為傳感區(qū)。電傳感電路可包括測量裝置。該測量裝置可是電容表GO)。傳感器系統(tǒng)還可包括用于傳遞電力給電傳感元件的電源0幻。當(dāng)該電源42激活時(shí)電勢差可在導(dǎo)體之間產(chǎn)生。該電源可是交流(AC)或直流(DC)電源。在一個(gè)示例中，基底材料具有介電常數(shù)、，其可作為環(huán)境條件的函數(shù)改變。在一個(gè)實(shí)施例中，電容傳感器元件測量作為溫度的函數(shù)的基于基底介電常數(shù)變化的電容變化。 在其他實(shí)施例中，環(huán)境事件可包括化學(xué)變化或熱化學(xué)變化。平行板傳感元件的電容由以下給出，C= ε r ε 0 A/d ；其中C是以法拉(F)計(jì)的電容，A是兩個(gè)板的重疊面積(按平方米測量)，d是板之間的間距(以米計(jì)來測量)，、是板之間的材料的相對靜態(tài)電容率(有時(shí)叫做介電常數(shù))， 并且ε。是自由空間的電容率，其中ε。= 8.8MX10_12F/m。如果板面積的變化由ΔΑ表示，并且電容變化由Δ C表示；那么AC= ε r ε 0 Δ A/d。因此，AC可以使用電容表測量。因?yàn)锳C與ΔA成比例，電容變化提供可產(chǎn)生于環(huán)境變化的板尺寸的變化的直接測量。在一個(gè)示例中，基底的面積變化可產(chǎn)生于基底的尺寸變化。基底尺寸的變化可產(chǎn)生于溫度變化。對于備選示例，即使處于恒定溫度條件，基底體積由于腐蝕或侵蝕而減小， 導(dǎo)致電容變化。因此，基底尺寸的變化與電容的變化成比例，如在圖5Α至6Β中圖示的。在一個(gè)實(shí)施例中，基底是在氣化器系統(tǒng)中的耐火磚，并且環(huán)境條件中的變化引起磚(基底)磨損，其導(dǎo)致基底的體積變化。在一個(gè)實(shí)施例中，基底的體積縮減，其中介電性質(zhì)保持沒有改變(如在圖5A和5B中示出的)。在備選實(shí)施例中，由于電極之間的介電層的衰退，介電性質(zhì)變化是可能的。在另一個(gè)備選實(shí)施例中，可存在電容傳感元件中的變化，而基底的體積保持不變。在圖6A和6B中，電容元件的物理劣化由磚的衰退引起。圖5A和5B示出設(shè)置在具有特征介電常數(shù)ε r的基底(44)(例如，耐火磚)上的電容傳感元件06)。在一個(gè)實(shí)施例中，該基底是氣化器中的耐火磚。該電容傳感元件連接到傳遞電力給該元件的電源(52)，和電容測量裝置以測量電容(電容表或CM) (50)。測量的初始電容C1可以由以下表示C1 = ε r ε 0 A/d其中，ε C1是自由空間的電容率，A1是平行電容器板的面積(如在圖5Α中示出的)， 并且d是平行板之間的距離。基底04)(具有面積A1)從右向左侵蝕，產(chǎn)生具有減小體積、具有所得面積A2的基底(48)，在圖5B中示出。即使在環(huán)境變化或事件后電容傳感元件G6) 保持完好無損。由電容傳感元件覆蓋的基底的面積現(xiàn)在是A2(如在圖5B中示出的)。因此，在電容傳感元件下不再存在的面積是(A1-A2)15基底的面積減小，其改變傳感器元件的電容。缺乏介電材料的電容Ctl由以下表示C0 = ε 0 ε 2 (ArA2) /d在其之間仍然具有基底的傳感器元件的部分的電容C2可以由以下表示C2 = ε r ε A2/d因此，在基底侵蝕后的等效電容Crai(其中基底部分填充平行電容傳感器元件之間的面積)是Ceq = C0+C2 = ε 0. ε 2. (ArA2) /d+ ε r ε 0A2/d因此，在基底侵蝕后，傳感器的電容Ctl將減小，使得CtlCC1。因此，等效電容Crai是面積變化的函數(shù)和面積的相對電容率、的函數(shù)。在另一個(gè)實(shí)施例中，在圖5A中的傳感器元件經(jīng)受與耐火磚一起的衰退，使得C0 = ε r ε 0 A/d并且C2 = ε r ε 0 A2/d因此，在傳感器元件和基底的侵蝕后的等效電容其中基底填充平行電容傳感器元件之間的面積)是Ceq = C2 = ε ε 0 A2/d使得Cetl < C0。圖6A和6B示出利用三個(gè)電容傳感元件CpC2和C3的傳感器系統(tǒng)。所有傳感器元件設(shè)置在基底(54)上。在一個(gè)實(shí)施例中，基底是氣化器耐火磚。每個(gè)傳感器(Cp C2和C3) 具有單獨(dú)電容電壓表(分別是56、58和60)和單獨(dú)電源(分別是62、64和66)。每個(gè)傳感器能夠測量傳感器電容，其可產(chǎn)生于在至少一個(gè)環(huán)境條件中的變化?；纂S環(huán)境變化從右向左侵蝕(如由圖6A和6B中的箭頭示出的)，產(chǎn)生具有減小體積(55)的基底。侵蝕可以例如導(dǎo)致C1和C2的破壞。C1和C2當(dāng)不能供應(yīng)任何電容信號并且C3保持完好無損時(shí)，在C3 中的電容信號可用于確定基底的侵蝕體積(在圖6B中的55)。
如上文提到的，例如腐蝕或侵蝕等嚴(yán)酷環(huán)境條件可影響基底的尺寸，其可導(dǎo)致傳感元件的電容變化。電容表可用于監(jiān)測由于基底尺寸變化引起的電容變化。在一個(gè)實(shí)施例中，基底可是耐火磚。耐火磚的面積或體積可隨環(huán)境條件中的變化或隨操作的嚴(yán)酷環(huán)境條件而改變。耐火磚延長暴露于熱化學(xué)環(huán)境引起磚退化。這些環(huán)境或操作條件可導(dǎo)致磚磨損，其導(dǎo)致基底材料的體積變化，如在圖6A和6B中示出的。因此，電容器的破壞可隨基底材料的面積或體積的變化而發(fā)生，導(dǎo)致磚磨損量的測量。傳感器系統(tǒng)的基底可以包括絕緣體材料。在一個(gè)實(shí)施例中，基底是不導(dǎo)電材料。在另一個(gè)實(shí)施例中，基底可包括耐火材料，例如耐火氧化物材料等。材料可從氧化物、氮化物或其的組合選擇。在特定實(shí)施例中，耐火材料是氮化鋁(AlN)。傳感器材料可通過熱噴涂、 物理氣相沉積、絲網(wǎng)印刷和本領(lǐng)域內(nèi)其他已知方法應(yīng)用于致密AlN基底。傳感器材料可以隨后圖案化為需要的傳感器幾何結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例中，AlN絕緣層可設(shè)置在耐火磚壁上或內(nèi)，其使用本領(lǐng)域內(nèi)已知的各種技術(shù)，包括漿料沉積工藝，例如絲網(wǎng)印刷等。因?yàn)榛滓才c傳感器聯(lián)合在嚴(yán)酷環(huán)境條件中使用，基底的材料也必須耐這樣的條件。例如，用于在氣化器應(yīng)用中使用的基底的材料必須耐受得住在至少大約1600°C的溫度和至少大約600PSIG的壓力時(shí)的退化。在一些實(shí)施例中，基底材料也耐受得住在至少大約 10%的水汽濃度時(shí)的退化。在許多實(shí)施例中，用于電容或電阻傳感元件的基底包括介電耐火材料。作為非限制性示例，氣化腔的壁典型地包括耐火磚，其可以充當(dāng)在氣化系統(tǒng)中使用的傳感器的基底。在一個(gè)示例中，傳感器系統(tǒng)可包含在腔壁的耐火磚內(nèi)部，使得該壁充當(dāng)傳感器元件的基底。設(shè)置在磚壁內(nèi)的傳感器可響應(yīng)于當(dāng)磚壁侵蝕時(shí)如上文描述的物理、電或化學(xué)性質(zhì)中的變化。在其他實(shí)例中，例如使用電阻傳感器元件實(shí)施例中，傳感器元件設(shè)置在耐火磚基底之上。用于選擇性地檢測在氣化腔中的至少一個(gè)環(huán)境條件的方法包括至少一個(gè)傳感器在該氣化腔的壁上的存放；其中至少一個(gè)傳感器包括電傳感元件。該傳感元件可設(shè)置在基底上。在一些實(shí)施例中，在該氣化腔的壁中的至少一個(gè)磚用作傳感元件的基底。該方法進(jìn)一步包括參數(shù)的測量和氣化腔中至少一個(gè)環(huán)境條件的檢測，其中這些條件是之前描述的那些。代表性傳感器材料的耐嚴(yán)酷環(huán)境性使用具有和沒有耐火復(fù)合材料涂層的鑄鐵樣品測試，并且結(jié)果分別在圖7A和7B中描繪。在另一個(gè)實(shí)例中，測試Hexalloy 材料(商用碳化硅)的殘?jiān)湍蜏匦?，并且結(jié)果在圖8至9A和9B中描繪?，F(xiàn)在參照附圖，圖10示出示范性系統(tǒng)包括氣化器單元和輻射合成氣冷卻器 (RSC)的氣化系統(tǒng)。該氣化系統(tǒng)是用于將含碳材料(例如煤、石油、石油焦炭、生物質(zhì)或甲烷、硫化氫或水汽)轉(zhuǎn)換成一氧化碳、氫和二氧化碳的設(shè)備。圖10描述氣化系統(tǒng)82，包括氣化器單元84，具有煤漿饋送注入器86。燃燒氣體(合成氣)、殘?jiān)⒒液兔簭臍饣鞒隹?90 引入RSC88，并且產(chǎn)生的合成氣通過管道傳遞到外部燃?xì)鉁u輪機(jī)。電信號電纜92和95用于傳遞分別來自氣化器單元和RSC中的傳感器100和101的電響應(yīng)以在接線盒94中終止。 傳感器可以設(shè)置在內(nèi)壁上，和/或沿RSC的臺板邊緣(platen edge)設(shè)置，而其他設(shè)計(jì)在輻射合成氣冷卻器的氣流中。傳感信號詢問系統(tǒng)96可以遠(yuǎn)程位于控制室中。數(shù)據(jù)用計(jì)算機(jī) 98處理和分析。
在氣化系統(tǒng)中的傳感器響應(yīng)可以用于維持氣化腔內(nèi)部的最佳條件。在氣化系統(tǒng)的特定實(shí)施例中，化學(xué)反應(yīng)環(huán)境包括氧化環(huán)境、還原環(huán)境或腐蝕性環(huán)境，如之前提到的。對于氣化系統(tǒng)，來自含硫化合物、氯化物、氨和殘?jiān)?CaO-Al2O3-SiO2-FeO-MgO)是常見的。在氣化系統(tǒng)中，來自由于熱循環(huán)和熱失配引起的材料應(yīng)變的機(jī)械應(yīng)力是必須解決的問題。在氣化腔中殘?jiān)谙蛳路较蛏系囊苿?dòng)和大片碎片的退化導(dǎo)致腔中的侵蝕。另外，在氣化器環(huán)境中， 熱化學(xué)相互作用是常見的，其中基底化學(xué)中的變化產(chǎn)生于易受環(huán)境中升高的溫度影響的化學(xué)反應(yīng)性物種。因此，系統(tǒng)內(nèi)部或任何特別反應(yīng)單元內(nèi)的參數(shù)的測量對于保證系統(tǒng)中的穩(wěn)定和最佳條件可是關(guān)鍵的。從而，氣化系統(tǒng)或腔可包括一個(gè)或多個(gè)電阻傳感器或電容傳感
ο示例1 傳感器材料的耐高溫性質(zhì)的確定在一個(gè)實(shí)例中，傳感器材料的環(huán)境耐受性在至少1085°C的溫度使用鑄鐵樣品(通過將該樣品在真空中暴露于熔融高反應(yīng)性銅(Cu))來測試。復(fù)合材料的成分(按體積百分比)^ 66. 9% SiC,8. 1% (Mo，W)5Si3C 禾口 (Mo, W) 5Si3>6. 9% (Mo，W) Si2 和 18.1%體積孔隙率。Novotnyi相(M0，W)5Si3(^P (Mo，W)5Si3使用掃描電子顯微鏡是不能區(qū)別的，并且因此當(dāng)報(bào)告成分時(shí)它們被包括在一起。(Mo, W)5Si3C和(Mo, D5Si3的鎢對鉬的原子比是0. 28 ； 并且(Mo，W) Si2的鎢對鉬的原子比是0. 19。硅化物全部是硅化學(xué)計(jì)量的。在對照設(shè)置(control set)中，未涂覆的鑄鐵部件暴露于融熔銅(74)，如在圖7B 中示出的。在測試樣品中，鑄鐵部件涂覆有復(fù)合材料(7 ，如在圖7A中示出的。在復(fù)合材料涂層存在的情況下，對于測試樣品沒有鑄鐵材料與熔融銅的混合。然而，對于對照設(shè)置 (其不具有該涂層)，鑄鐵材料不期望地與熔融銅(74)相互作用。因此，傳感器材料具有承受升高溫度條件的能力。示例2 在氣化器中的傳感器材料的耐熱化學(xué)性的確定在另一個(gè)實(shí)例中，Hexalloy (商用碳化硅)部件用作對照物，并且保持未涂覆(如在圖8中示出的)。該部件在真空中暴露于處于大約1400°C至1500°C范圍中的溫度的殘?jiān)?。該殘?jiān)谶@些高溫處于液體形式。Hexalloy 部件然后冷卻到室溫。部件的表面示出小潤濕角。因此，在熱化學(xué)環(huán)境中，殘?jiān)?76)(在圖8中)發(fā)現(xiàn)粘結(jié)并且容易在Hexalloy 部件的表面之上攤開，由此腐蝕該部件。為了確定在相似環(huán)境中的傳感器材料性質(zhì)，測試兩個(gè)不同的樣品部件。一個(gè)用耐火碳化硅復(fù)合材料的塊體厚板制成，具有與在示例1中描述的那個(gè)相似的成分(圖9A)。 另一個(gè)樣品用Hexalloy 材料形成，涂覆有與上文提到的相似的耐火碳化硅復(fù)合材料的膜 (圖9B)。該部件處于1400°C至1500°C之間的高溫在真空中暴露于氣化器殘?jiān)渲性摎堅(jiān)幱谝后w形式，并且樣品然后冷卻到室溫。部件的表面對于塊體耐火碳化硅復(fù)合物(80) 樣品和涂覆有耐火碳化硅復(fù)合物的Hexalloy 樣品(78)兩者都示出不潤濕行為。腐蝕性材料不潤濕耐火碳化硅復(fù)合物塊體和涂覆部件，導(dǎo)致減少的腐蝕。因此復(fù)合物傳感器材料具有承受代表氣化器的嚴(yán)酷環(huán)境條件的能力。示例3 對溫度變化的電阻傳感器響應(yīng)傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)成包括傳感器，其包括電阻傳感器材料、一對電極、基底和電壓測量裝置。使用的該電阻傳感器材料是具有與在示例1中提到的相同成分的耐火碳化硅復(fù)合材料。對于復(fù)合材料傳感器，鉬絲用于電路。鉬絲附著到傳感器的兩側(cè)。鉬漿用于建立鉬絲和耐火碳化硅材料之間的電接觸。該漿料被熱處理以在惰性氣氛中燒結(jié)鉬，產(chǎn)生如在圖 1中示出的用于電阻測量的設(shè)置。兩條另外的鉬絲附著到傳感器的一側(cè)。其中一條絲附著到電源，并且另一條絲附著到用于監(jiān)測橫跨傳感器的電壓的電壓表。傳感器的對側(cè)具有相同的配置，其中兩條鉬絲分別聯(lián)接到電源和電壓表。傳感器然后放置在爐中并且暴露于具有5% H2的He氣氛。爐的溫度增加到1090°C，并且供應(yīng)的電流是大約0. 4Amp。電壓表用于監(jiān)測作為溫度的函數(shù)的電壓，并且耐火SiC的電阻使用方程V =頂計(jì)算。上文提到的測試的傳感器響應(yīng)在圖11中示出的圖表中圖示。電阻值示出隨溫度增加而增加(如由在圖11中虛垂直線之前的粗向上劃線的曲線示出的)，其從大約200°c 開始到大約700°C。圖表還示出當(dāng)溫度進(jìn)一步增加到1100°C時(shí)測量的電阻的意外減小(如由在圖11中虛垂直線之后的細(xì)向下劃線的曲線示出的)。該電阻意外減小的可能原因是由于鉬絲到傳感器材料的燒結(jié)。該電阻減小的似乎可能的原因不表現(xiàn)為材料自身的限制，而可能是連接線的材料的限制。要求接觸材料的適當(dāng)優(yōu)化以解決該限制。預(yù)期更多適當(dāng)接觸材料的使用可減小該假象，并且可清楚地反映電阻率隨溫度遞增的連續(xù)增加。因此，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，高溫環(huán)境條件可以通過使用包括該電阻傳感元件的傳感器確定。盡管僅本發(fā)明的某些特征已經(jīng)在本文中圖示和描述，許多修改和改變將被本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員想到。因此，要理解附上的權(quán)利要求意在包含所有這樣的修改和改變，它們落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。部件列表
權(quán)利要求
1.一種包括至少一個(gè)傳感器的傳感器系統(tǒng)，所述傳感器包括電傳感元件，其包括從由以下構(gòu)成的組中選擇的復(fù)合材料(a)i)碳化硅(SiC)ii)(Mo，W)5Si3C;以及iii)(Mo, W) Si2 ；以及(b)i) (Mo,ff)5Si3C；ii)(Mo，W) Si2 以及iii)(Mo, W)5Si3。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器系統(tǒng)，進(jìn)一步包括能夠傳遞電力給所述電傳感元件的電源；以及測量裝置以測量由環(huán)境事件或由環(huán)境條件中的至少一個(gè)變化引起的橫跨所述電傳感元件或其內(nèi)的電性質(zhì)的至少一個(gè)變化。
3.一種傳感器系統(tǒng)，包括(I)至少一個(gè)傳感器，其包括電阻傳感元件，其中所述電阻傳感元件用從由以下構(gòu)成的組中選擇的復(fù)合材料形成(a)i)碳化硅(SiC)ii)(Mo，W)5Si3C;以及iii)(Mo, W) Si2 ；以及(b)i) (Mo,ff)5Si3C；ii)(Mo，W) Si2 以及iii)(Mo, W)5Si3。(II)能夠傳遞電力給所述電阻傳感元件的電源；以及(III)電壓測量裝置以測量橫跨所述電阻傳感元件的電壓差； 其中所述電壓差由環(huán)境事件或由環(huán)境條件中的至少一個(gè)變化引起。
4.如權(quán)利要求3所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述電阻傳感元件設(shè)置在基底上或嵌入其內(nèi)。
5.一種傳感器系統(tǒng)，包括(I)至少一個(gè)傳感器，其包括電容傳感元件，其中所述電容傳感元件包括兩個(gè)電極并且用從由以下構(gòu)成的組中選擇的復(fù)合材料形成(a)i)碳化硅(SiC)ii)(Mo，W)5Si3C;以及iii)(Mo, W) Si2 ；以及(b)i) (Mo,ff)5Si3C；ii)(Mo，W) Si2 以及iii)(Mo, W)5Si3。(II)能夠傳遞電力給所述電容傳感元件的電源；以及(III)電容測量裝置以測量橫跨所述電容傳感元件的電容；其中所述傳感器響應(yīng)于至少一個(gè)環(huán)境條件或環(huán)境事件。
6.如權(quán)利要求5所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述電容傳感元件是電容器的部件，并且所述電容器包括由不導(dǎo)電基底分開的一對導(dǎo)體，使得電勢差在所述導(dǎo)體之間存在，并且當(dāng)所述電源激活時(shí)，所述電勢差提供選擇的電容。
7.如權(quán)利要求5所述的傳感器系統(tǒng)，其中所述基底在所述導(dǎo)體之間具有選擇的體積， 并且至少一個(gè)環(huán)境條件或環(huán)境事件的變化引起所述選擇的體積的變化，和所述選擇的電容的隨之發(fā)生的變化，其能夠由所述電容測量裝置測量。
8.一種氣化系統(tǒng)包括 氣化器；以及設(shè)置在所述氣化器的至少一個(gè)壁上或內(nèi)的至少一個(gè)傳感器系統(tǒng)，其中所述傳感器系統(tǒng)包括(I)至少一個(gè)傳感器，其包括電傳感元件，其包括從由以下構(gòu)成的組中選擇的復(fù)合材料(a)i)碳化硅(SiC)ii)(Mo，W)5Si3C;以及iii)(Mo, W) Si2 ；以及(b)i) (Mo5W)5Si3C ；ii)(Mo，W) Si2 以及iii)(Mo, W)5Si3。(II)傳遞電力給所述電傳感元件的電源；以及(III)電性質(zhì)測量裝置以測量橫跨所述電傳感元件的電性質(zhì)。
9.如權(quán)利要求8所述的氣化系統(tǒng)，其中所述傳感器的所述電傳感元件與所述氣化器壁的選擇區(qū)域接觸，具有選擇的尺寸；并且至少一個(gè)環(huán)境條件或環(huán)境事件的變化引起所述選擇的尺寸的變化，其引起電性質(zhì)的隨之發(fā)生的變化，其能夠由所述電性質(zhì)測量裝置測量。
10.一種用于選擇性地檢測氣化腔中至少一個(gè)環(huán)境條件的方法，包括設(shè)置至少一個(gè)傳感器在所述氣化器的壁上或內(nèi)的步驟；其中所述傳感器包括(I)設(shè)置在基底上的電傳感元件，并且所述電傳感元件包括從由以下構(gòu)成的組中選擇的復(fù)合材料(a)i)碳化硅(SiC)ii)(Mo，W)5Si3C;以及iii)(Mo, W) Si2 ；以及(b)i) (Mo,ff)5Si3C；ii)(Mo，W) Si2 以及iii)(Mo, W)5Si3。(II)傳遞電力給所述電傳感元件的電源；以及(III)測量裝置以測量橫跨所述電傳感元件或其內(nèi)的電性質(zhì)中的至少一個(gè)差別；其中所述環(huán)境條件通過改變所述電傳感元件的所述電性質(zhì)產(chǎn)生傳感器響應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明名稱為用于環(huán)境傳感的傳感器系統(tǒng)和方法。提供傳感器系統(tǒng)和用于檢測嚴(yán)酷環(huán)境條件的關(guān)聯(lián)方法。該傳感器系統(tǒng)包括至少一個(gè)傳感器，其具有電傳感元件。該電傳感元件基于某些類別的復(fù)合材料(a)碳化硅(SiC)；(Mo，W)5Si3C；(Mo，W)Si2；或(b)(Mo，W)5Si3C；(Mo，W)Si2；(Mo，W)5Si3。該傳感器系統(tǒng)對于確定嚴(yán)酷環(huán)境條件是有用的。還描述包括傳感器系統(tǒng)中的至少一個(gè)的氣化系統(tǒng)。
文檔編號C04B35/52GK102249681SQ20111006465
公開日2011年11月23日 申請日期2011年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月11日
發(fā)明者D·M·利普金, J·A·弗倫黑澤, M·M·莫拉, P·M·桑維克, T·M·斯特里克 申請人:通用電氣公司