專利名稱：熱電偶型連續(xù)測溫電纜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱電偶型測溫傳感器技術(shù)，具體是能實(shí)時連續(xù)輸出被監(jiān)測區(qū)域的最高溫度信號和受熱點(diǎn)的位置信號的一種熱電偶型連續(xù)測溫電纜。
背景技術(shù)：
熱電偶由二根成分不同的金屬導(dǎo)線組成，把一對熱電偶的一端短路相接，另一端開路，當(dāng)短路節(jié)點(diǎn)受熱時，則可在開路端測出與受熱溫度相對應(yīng)的電壓信號?，F(xiàn)在熱電偶的合金成分已標(biāo)準(zhǔn)化，成為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的測溫傳感材料。
為了利用熱電偶進(jìn)行被監(jiān)測區(qū)域的沿線測溫報警，人們采用負(fù)溫度系數(shù)的半導(dǎo)體絕緣材料將熱電偶導(dǎo)線隔離，構(gòu)成測溫電纜。當(dāng)測溫電纜沿線某段受熱時，該處熱電偶導(dǎo)線之間的半導(dǎo)體絕緣介質(zhì)的電阻降低形成“臨時”熱電偶節(jié)點(diǎn)。制造這種測溫電纜的關(guān)鍵是選擇隔離熱電偶導(dǎo)線的負(fù)溫度系數(shù)熱敏半導(dǎo)體材料。人們曾償試了不同的負(fù)溫度系數(shù)熱敏半導(dǎo)體材料，例如，80年代研制的測溫電纜采用二氧化錳作為負(fù)溫度系數(shù)熱敏半導(dǎo)體材料(見美國專利4647710)。目前市場上有幾種由不同的負(fù)溫度系數(shù)熱敏半導(dǎo)體材料制成的測溫電纜。
現(xiàn)有的熱電偶型測溫電纜均采用一對熱電偶和不同的負(fù)溫度系數(shù)熱敏半導(dǎo)體材料制成。當(dāng)測量區(qū)域的溫度較低，如低于150℃，以及測溫電纜受熱長度較短時，測量誤差很大。其原因是負(fù)溫度系數(shù)熱敏半導(dǎo)體材料的電阻在受熱時并不能降到和金屬相當(dāng)?shù)暮苄‰娮?，“?jié)點(diǎn)”的電阻隨溫度變化，而熱電偶受熱時產(chǎn)生的電壓信號和“節(jié)點(diǎn)”處的電阻有關(guān)。
此外，傳統(tǒng)的測溫電纜無法確定受熱點(diǎn)的位置，即不能提供受熱點(diǎn)的位置信號。能夠提供受熱點(diǎn)的位置信號的熱電偶型連續(xù)測溫電纜至今未見有關(guān)文獻(xiàn)披露.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有測溫電纜存在的上述不足，提供一種熱電偶型連續(xù)測溫電纜，它能實(shí)時連續(xù)輸出被監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)的最高溫度信號，并提供受熱點(diǎn)的位置信號。
本發(fā)明熱電偶型連續(xù)測溫電纜是這樣實(shí)現(xiàn)的，它包括一對熱電偶導(dǎo)線，所述熱電偶導(dǎo)線之間由負(fù)溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料隔離，熱電偶導(dǎo)線對外包裹金屬屏蔽層和絕緣層、或絕緣層；還包括另一對普通金屬導(dǎo)線，所述普通金屬導(dǎo)線之間用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料隔離，普通金屬導(dǎo)線對外包裹絕緣層。
本發(fā)明的熱電偶型連續(xù)測溫電纜還可包括用于提供電纜受熱位置信號的三根功能導(dǎo)線，其中兩根為線性電阻率不同的高阻值導(dǎo)線，另一根為低阻值導(dǎo)線，所述三根功能導(dǎo)線之間用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料隔離，外圍包裹絕緣層、或金屬屏蔽層和絕緣層。
本發(fā)明同時提出了一種能提供受熱點(diǎn)位置信號的電纜，其包括兩根線性電阻率不同高阻值導(dǎo)線和一根低阻值導(dǎo)線，所述三根功能導(dǎo)線之間用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料隔離，外圍包裹絕緣層、或金屬屏蔽層和絕緣層。
本發(fā)明熱電偶型測溫電纜具有誤差校正和確定受熱區(qū)的位置功能，采用新型電纜結(jié)構(gòu)，能消除傳統(tǒng)熱電偶型測溫電纜在低溫區(qū)存在的測量誤差問題，測量信號不受電纜受熱長度的影響，并可提供電纜受熱點(diǎn)的位置信號。
在功能導(dǎo)線之間采用新型負(fù)溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料隔離，提高了測溫電纜在低溫區(qū)的敏感度和確定電纜受熱點(diǎn)位置的精確度。


圖1為本發(fā)明具有誤差校正功能的熱電偶型測溫電纜結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為與圖1的普通金屬導(dǎo)線對配接的校正電路圖；圖3a、b為本發(fā)明能提供受熱點(diǎn)位置信號的電纜結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為具有誤差校正和確定受熱點(diǎn)位置功能的熱電偶型測溫電纜結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合實(shí)施例附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
為了解決現(xiàn)有測溫電纜存在的誤差問題，本發(fā)明提供了圖1所示熱電偶型連續(xù)測溫電纜A。該電纜包括兩對功能導(dǎo)線，其中一對是熱電偶導(dǎo)線，所述熱電偶導(dǎo)線11、12之間由負(fù)溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料13隔離，熱電偶導(dǎo)線對外包裹金屬屏蔽層14和絕緣層15，或絕緣層15。金屬屏蔽層14可采用工業(yè)常規(guī)方法制備，如金屬風(fēng)套或金屬膜套等。此絕緣層15為普通電學(xué)絕緣層，可用常規(guī)工業(yè)方法制備，材料可用高分子絕緣材料，玻璃纖維等。
另一對為普通金屬導(dǎo)線，所述普通金屬導(dǎo)線21、22之間用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料23隔離，普通金屬導(dǎo)線對外包裹絕緣層25。
上述測溫電纜外加保護(hù)套4，保護(hù)套4可采用金屬管、玻璃纖維或塑料材料等。
當(dāng)上述測溫電纜某段受熱時，負(fù)溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料電阻降低產(chǎn)生臨時“短路節(jié)點(diǎn)”，兩根熱電偶導(dǎo)線產(chǎn)生與受熱溫度相對應(yīng)的電壓信號。一對普通金屬導(dǎo)線用于測量“短路節(jié)點(diǎn)”的電阻，從而對熱電偶信號進(jìn)行校正。
實(shí)際應(yīng)用時，其熱電偶導(dǎo)線的兩根導(dǎo)線連接測量電壓信號的儀表或報警系統(tǒng)的終端模塊。
校正用的一對普通金屬導(dǎo)線接圖2所示的電橋電路。該電橋電路包括兩阻值相等的電阻R1、R1′，以及電阻R0，電阻R1、R1′接于外接穩(wěn)壓電源VE的兩端，電阻R0的一端接外接穩(wěn)壓電源正極，實(shí)用電纜段中兩根普通金屬導(dǎo)線分別接到電阻R0的另一端與外接穩(wěn)壓電源負(fù)極之間，R0的阻值等于實(shí)用電纜段中普通金屬導(dǎo)線對回路在無受熱狀態(tài)下的電阻值，電阻R1、R1′的公共端與電阻R0的另一端輸出校正信號Vm。
校正熱電偶輸出信號的數(shù)學(xué)模型式(1)如下VTrue=VThermo×(VE-2Vm2Vm+VE×Rd×R0Rd+R0+R0VE-2Vm2Vm+VE×Rd×R0Rd+R0)···(1)]]>其中，VE為一外接穩(wěn)壓電源，R1、R1′為通用電阻元件，R1和R1′的阻值相等。
R0為電阻元件或串連電阻組，R0的阻值等于實(shí)用電纜段中普通金屬導(dǎo)線對回路在無受熱狀態(tài)下的電阻值，R0在系統(tǒng)安裝時可設(shè)定。
Vm為測量出的電壓信號，用此信號對熱電偶回路輸出的信號進(jìn)行校正。
VTrue為校正后的電壓信號，用此電壓信號確定電纜受熱溫度。
VThermo為電纜中熱電偶電路測得的電壓信號。
Rd為連接熱電偶回路的儀表或終端模塊的內(nèi)阻。
本校正系統(tǒng)簡單實(shí)用。式(1)中的VE、R0和Rd均在系統(tǒng)建立時設(shè)定，只需測量電壓信號Vm即可得出對熱電偶輸出電壓的校正系數(shù)，在電子系統(tǒng)中，電壓是最容易準(zhǔn)確測量的，而且電壓信號可輸入計算機(jī)或單板機(jī)進(jìn)行處理，經(jīng)校正的信號即可用于準(zhǔn)確監(jiān)測和報警。
需要說明一點(diǎn)，本發(fā)明電纜設(shè)計的校正電路和數(shù)學(xué)模型適用于任何熱敏半導(dǎo)體絕緣材料制成的測溫電纜，根據(jù)本設(shè)計制備的電纜可消除電纜受長度，受熱溫度導(dǎo)致的誤差，因此可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確報警。
為了確定受熱點(diǎn)位置，本發(fā)明提供了圖3a、b所示的能提供受熱點(diǎn)位置信號的電纜B1、B2。圖3a所示電纜B1包括三根功能導(dǎo)線，其中兩根為高阻值導(dǎo)線31、32，另一根為低阻值導(dǎo)線30，所述三根功能導(dǎo)線之間用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料33隔離，外圍包裹絕緣層35，該保護(hù)層可為普通高分子絕緣材料、或玻璃纖維、或金屬管等。
參照圖3b所示電纜B2，為了增加熱敏半導(dǎo)體材料33和導(dǎo)線30的接觸面積，以圖3a結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)在絕緣層35內(nèi)特加一層金屬膜或金屬網(wǎng)34，用以包裹熱敏材料并使之和低阻值導(dǎo)線30相接觸。
所述兩根高阻值導(dǎo)線31、32是由任何導(dǎo)電材料制成的，但要求阻值較高，且兩者的電阻率相差較大。具體實(shí)施例中所述兩根高阻值導(dǎo)線31、32可分別采用Ni75Cr20Al2.5Fe2.5和Ni60Cr16Fe24導(dǎo)線，或其它高阻值導(dǎo)線。所述低阻值導(dǎo)線30為普通金屬導(dǎo)線，如鋁或銅導(dǎo)線等，實(shí)用中可接地。
假設(shè)高阻值導(dǎo)線31的單位長度電阻率為ρ1，高阻值導(dǎo)線32的單位長度電阻率為ρ2，一根低電阻率的導(dǎo)線30接地，測量點(diǎn)和電纜受熱點(diǎn)之間的距離為L。
實(shí)用時，測量所述導(dǎo)線31、30回路的電阻，得出R11。測量所述導(dǎo)線32、30回路的電阻，得出R12。如果電纜某段受熱，測量點(diǎn)和電纜受熱點(diǎn)之間的距離可由下式算出L＝(R11-R12)/(ρ1-ρ2)………………………(2)需要說明一點(diǎn)，利用圖3a、b所示的電纜結(jié)構(gòu)和式(2)確定受點(diǎn)時，需要采用溫度系數(shù)較大的負(fù)溫度系數(shù)熱敏半導(dǎo)體材料。
為了確定受熱點(diǎn)位置和校正測量誤差，本發(fā)明提供了圖4所示電纜結(jié)構(gòu)。該電纜由圖1所示電纜A和圖3a所示電纜B1組合而成。其中包括一對熱電偶導(dǎo)線，所述熱電偶導(dǎo)線11、12之間由負(fù)溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料13隔離，熱電偶導(dǎo)線對外包裹金屬屏蔽層14和絕緣層15；一對普通金屬導(dǎo)線，所述普通金屬導(dǎo)線21、22之間用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料23隔離，普通金屬導(dǎo)線對外包裹絕緣層25；以及，用于確定電纜受熱位置的三根功能導(dǎo)線，如圖3所示，其中兩根為高阻值導(dǎo)線31、32，另一根為低阻值導(dǎo)線30，所述三根功能導(dǎo)線之間用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料33隔離，外圍包裹絕緣層35，該保護(hù)層可為普通高分子絕緣材料，玻璃纖維或金屬管。為了增加熱敏半導(dǎo)體材料33和導(dǎo)線30的接觸面積，可在絕緣層35內(nèi)特加一層金屬膜或金屬網(wǎng)34包裹熱敏材料并使之和導(dǎo)線30相接觸(見圖3b)。
所述兩根高阻值導(dǎo)線31、32是由任何導(dǎo)電材料制成的，但要求阻值較高，且兩者的電阻率相差較大。
圖4所示的測溫電纜，既可消除由于受熱長度和受熱溫度產(chǎn)生的誤差，又可提供電纜受熱點(diǎn)的位置信號，進(jìn)而確定電纜受熱點(diǎn)的位置。
本發(fā)明之上述各實(shí)施例不針對任何具體的熱敏半導(dǎo)體材料，對采用各種負(fù)溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料的電纜均可起到校正補(bǔ)償作用。但是熱敏半導(dǎo)體材料的性能影響測溫電纜的有效測溫范圍，靈敏度(即最小可測電壓信號)等。對于確定受熱點(diǎn)位置，尤其需要溫度系數(shù)較大的負(fù)溫度系數(shù)熱敏半導(dǎo)體材料。
負(fù)溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料的選擇是制備測溫電纜的關(guān)鍵之一，我們研究發(fā)現(xiàn)了一種性能較好的負(fù)溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料，其成分如下V+41-x-yV+5xMyOδ
其中M為過渡族金屬，如釹(Nd)、或鐵(Fe)、或鎳(Ni)、或錳(Mn)等，V+4為4價釩，V+5為5價釩，O為氧，0≤x≤0.8，0≤y≤0.3，0≤x+y≤0.8，2≤δ＜5.
本發(fā)明采用上述新型負(fù)溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料，可生產(chǎn)用于確定受熱點(diǎn)位置的電纜，并可提高測溫電纜的敏感度，尤其當(dāng)報警溫度小于100℃時。
權(quán)利要求
1.一種熱電偶型連續(xù)測溫電纜，包括一對熱電偶導(dǎo)線，其特征在于所述熱電偶導(dǎo)線之間由負(fù)溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料隔離，熱電偶導(dǎo)線對外包裹金屬屏蔽層和絕緣層、或絕緣層；還包括另一對普通金屬導(dǎo)線，所述普通金屬導(dǎo)線之間用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料隔離，普通金屬導(dǎo)線對外包裹絕緣層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述熱電偶型連續(xù)測溫電纜，其特征在于還包括用于確定電纜受熱位置信號的三根功能導(dǎo)線，其中兩根為高阻值導(dǎo)線，另一根為低阻值的導(dǎo)線，所述三根功能導(dǎo)線之間用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料隔離，外圍包裹絕緣層、或金屬屏蔽層和絕緣層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述熱電偶型連續(xù)測溫電纜，其特征在于所述兩根高阻值導(dǎo)線是由任何導(dǎo)電材料制成的，兩者的線性電阻率不同，所述低阻值導(dǎo)線為普通金屬導(dǎo)線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述熱電偶型連續(xù)測溫電纜，其特征在于測溫電纜外加保護(hù)套層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述熱電偶型連續(xù)測溫電纜，其特征在于所述一對普通金屬導(dǎo)線接到一個用于校正熱電偶回路輸出信號的電橋電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述熱電偶型連續(xù)測溫電纜，其特征在于所述電橋電路包括兩阻值相等的電阻R1、R1’，以及電阻R0，電阻R1、R1’串接于外接穩(wěn)壓電源的兩端，電阻R0的一端接外接穩(wěn)壓電源正極，實(shí)用電纜段中兩根普通金屬導(dǎo)線分別接到電阻R0的另一端與外接穩(wěn)壓電源負(fù)極之間，R0的阻值等于實(shí)用電纜段中普通金屬導(dǎo)線對回路在無受熱狀態(tài)下的電阻值，電阻R1、R1’的公共端和電阻R0的另一端為校正信號輸出端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述熱電偶型連續(xù)測溫電纜，其特征在于所述負(fù)溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料成分為V+41-x-yV+5xMyOδ其中，M為過渡族金屬，V+4為4價釩，V+5為5價釩，O為氧；0≤x≤0.8，0≤y≤0.3，0≤x+y≤0.8，2≤δ＜5。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述熱電偶型連續(xù)測溫電纜，其特征在于所述熱敏半導(dǎo)體材料中的過渡族金屬是釹、或鐵、或鎳、或錳。
9.一種能提供受熱點(diǎn)位置信號的電纜，其特征在于包括兩根高阻值導(dǎo)線和一根低阻值導(dǎo)線，所述三根功能導(dǎo)線之間用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏半導(dǎo)體材料隔離，外圍包裹絕緣層、或金屬屏蔽層和絕緣層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述能提供受熱點(diǎn)位置信號的電纜，其特征在于所述兩根高阻值導(dǎo)線是由任何導(dǎo)電材料制成的，兩者的線性電阻率不同，所述低阻值導(dǎo)線為普通金屬導(dǎo)線。
全文摘要
一種熱電偶型連續(xù)測溫電纜，包括一對熱電偶導(dǎo)線，所述熱電偶導(dǎo)線之間由熱敏半導(dǎo)體材料隔離，外包裹金屬屏蔽層和絕緣層；一對普通金屬導(dǎo)線，所述普通金屬導(dǎo)線之間用熱敏半導(dǎo)體材料隔離，外包裹絕緣層；還可包括用于提供電纜受熱位置信號的三根功能導(dǎo)線，其中兩根為線性電阻率不同的高阻值導(dǎo)線，另一根為低阻值導(dǎo)線，所述三根功能導(dǎo)線之間用熱敏半導(dǎo)體材料隔離，外包裹絕緣層。其具有誤差校正功能，能消除電纜低溫區(qū)存在的測量誤差問題，測量信號不受電纜受熱長度的影響；并可提供電纜受熱點(diǎn)的位置信號，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確報警。采用新型熱敏半導(dǎo)體材料，提高了測溫電纜的敏感度和測量范圍。
文檔編號G01K1/08GK1590977SQ0314032
公開日2005年3月9日 申請日期2003年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月29日
發(fā)明者邢力謙, 喬翼生 申請人:邢力謙, 喬翼生