一种柔性热偶型测温电缆的设计

魏小明 唐光明 徐丽艳 王剑星 赵彦 张忠模

1.重庆材料研究院有限公司，重庆400707; 2.国家仪表功能材料工程技术研究中心，重庆400707

关键字：过温监测；火灾报警；柔性；热偶型；测温电缆

一、前言

在现代生产中很多场所都面临着局部温度过高而引发火灾、爆炸的恶性事件，造成巨大经济损失，甚至人员伤亡，其直接原因就是温度过高，因此解决方法就是对其温度进行实时监控，在事故发生前进行报警，采取合理的应对措施。

一般情况下，进行过温报警的作法是用“点温式”温度传感器对被测区域的温度进行监测，当被监测区域不大时，这是完全可行的。当被监测区域很大时，如高压电缆沟、发电机组、储油罐、隧道、通讯机房、仓库等，过温点出现的位置和时间是随机的，对于此类“线温”和“面温”监测，点式测温将变得极其复杂且昂贵[1]。

目前比较理想的作法是采用可以测量沿线温度的新一代传感器—过温报警电缆。早期的过温报警电缆是金属铠装的电阻型报警电缆或融盐型报警电缆。其中，电阻型温度报警电缆只能检测是否过热，无法区分一段长的不太高的温升和一段短的较高的温升这两种截然不同的情况；融盐型温度报警电缆报警点精度较高，但它只能判明温度是否越过报警点，不能了解报警前后温度变化趋势[2]。这两种类型的温度报警电缆一般只用于100℃以上的温度范围，共同的致命弱点是单支电缆不能太长，否则误差太大，失去实用意义。

很多情况下，人们不仅需要对温度变化过程进行实时监控和过温报警，而且要监测的“线”很长，“面”很大。美国XCO公司研制了一种热偶型过温报警电缆—柔性热偶型测温电缆[5]，非常适合用于解决上述场合过温报警难题。它无固定测量端，利用填充材料的负温度特性来形成“临时测量端”，测量沿线上存在的最高温度，输出的是直流毫伏信号。

目前国内还未见这方面研究的报道。为满足技术国产化和国内市场需求，重庆材料研究院有限公司自主研究了柔性热偶型测温电缆的制备及性能，用分解硝酸锰溶液法制备热敏材料，制得的测温电缆在测温范围、长度、精度等主要指标上接近进口产品。

二、测温电缆的工作原理

柔性热偶型测温电缆属于特殊热电偶，测温时同样使用的是热电偶原理，它的测量端是不固定的，是依靠热敏材料电阻变化形成热接点，构成临时测量端[3-4]。临时测量端起着普通K型热电偶热端的作用，与冷端之间形成的热电动势就是电缆的测量值。

当报警电缆上某一段L（也可以是小至某一点）的温度T1高于缆线上其余部分温度时（如图1所示），该段电极间热敏材料电阻会低于其余部位，温度相差越大，阻值相差越大，该点就是临时测量端，电缆输出一个和该点温度T1相对应的热电势值。如果线缆上任何其它部位出现更高的温度段T2（如图2所示），此段电极间电阻会降的比T1段更低，临时测量端就从T1处移动到T2处，电缆输出的热电势值与T2相对应[3-4]。T1或T2处以外的隔离材料阻值实际是多少没什么意义，因为有意义的是与温度T1或T2线性的热电势值。

柔性热偶型测温电缆就是这样一支临时测量端随线缆上最高温度段不断移动的热电偶，输出的是与沿线上最高温度相对应的热电势值，通过测量热电势值就可知道沿线上的最高温度。如果把它合理地安装在一个待测区域内（一条线或一个面），那么它反映出的温度就被认为是该区域内存在的最高温度。对于较长线或较大面积可以用多支联合使用。

三、测温电缆结构设计

柔性热偶型测温电缆外观同一般控制电缆，结构采用多层，中间是一对电极，电极周围是热敏粉末材料和载体，载体外依次是绝缘层、屏蔽层、护套层。柔性因其外壳为塑料而得名。

过温报警电缆一般采用金属铠装工艺，外壳采用金属材质，外壳和电极之间填充热敏材料。但是柔性测温电缆是靠热敏材料的电阻变化来形成临时热接点，输出与温度相对应的热电动势，工作时热敏材料的电阻较小，一般在几千欧以下，热电动势在直流几毫伏以内，如果采用铠装结构，外壳和电极之间的电阻会很小，一般小于10kΩ，此时外壳就会对电缆的弱热电动势有明显的分流，造成测温存在较大误差，所以，为提高测温精度外壳选用绝缘材料。

测温电缆使用环境非常复杂，周围电磁干扰普遍存在，测温电缆必须进行屏蔽保护，否则将无法工作。屏蔽层均为导电性良好的金属类材料，且使用时要接地，因而其与热敏材料直接接触同样会将分流热电动势，必须要对二者进行绝缘隔离。

综合以上分析，设计了如图3所示的多层结构，中间是一对平行或双绞的电极，电极上编织玻纤网，玻纤网中均匀分布有热敏材料，在玻纤网外依次包覆绝缘层、屏蔽层和护套层。结果表明由此结构制测温电缆的工艺可操作，制成的样品性能优良。

四、测温电缆制作

电缆制作的关键是热敏材料的成型，根据有关专利[5]介绍，热敏材料的成型方法主要有导电胶粘接法、热敏粉丝缠绕法、硝酸锰液体分解法，下面以硝酸锰分解法为例。

主要制备材料与设备：50%的分析纯硝酸锰溶液，光亮、软态、0.5mm2的K型偶丝，72捻玻璃纤维丝，聚四氟绝缘带，铝箔，0.5mm2的铜丝，聚四氟料，编织机，300℃试验箱，挤塑机等[6]。

以镍铬-镍硅为电极，分别在电极上均匀编织玻纤网，清洁、烘干后在硝酸锰溶液中浸泡数小时，让玻纤网完全浸透，取出阴干，直至没有液体滴落，放入试验箱，加热到指定温度进行热处理，依次绕制绝缘层、屏蔽层和挤塑护套层，剥头，在150℃下烘烤48小时以上以除去内部潮气，用环氧树脂封口，完成电缆制作。

五、电缆的特点

（1）不同于普通热电偶，两热电极始终是用热敏材料隔开的，中间没有接触点；

（2）隔离材料是负温度系数的氧化锰，非氧化铝或塑料等高阻抗的绝缘材料；

（3）可测温，能够连续不断地输出直流毫伏信号，与沿线上存在的最高温度相对应[7]；

（4）信号可分度，输出的毫伏值与温度一一对应，可参照K型热电偶的方法制成分度表；

（5）与电阻型或融盐型相比，其对温度变化反应灵敏，对低至2～3℃的温度变化就有反应，不仅能够准确的进行火灾报警，更能进行火灾前的预警，提高了火灾报警的可靠性；

（6）安装方便、简单易用，即装即用，自身产生毫伏信号，无需外加电源。

六、主要技术性能

1、外形尺寸

外形尺寸是指测温电缆的外径和单支最大长度。电缆保护层是按塑料外壳制备工艺加工而成的，其截面是椭圆形，平均外径在0.96D0～1.16D0之间（D0为外径设定值），电缆外径范围很宽，但测温电缆需要考虑到响应时间，电缆越粗响应时间越长，同时弯曲半径加大，不利于安装，太细强度又不够，易破损和断裂，一般电缆的外径尺寸在3～5mm之间。

电缆的单支长度制作上可达数百米，但测温电缆反应的是区域内的最高温度，如果单支太长，容易覆盖该区域内的其它最高温度点或次高温度点，一般长度在15～150m之间，距离再长可用多支联合使用。

2、测温范围和温度特性

测温范围是指测温电缆能够长期稳定地输出一个和其沿线上最高温度相对应的毫伏值的温度区间，主要有热敏材料和护套层决定，一般火灾报警区域的感温范围为室温至200℃。电缆的极限耐温可达-40℃～260℃。

温度特性是指测温范围内电缆稳定输出的热电势值与温度的对应关系。由于测温电缆的临时测量端不同于普通K型热电偶的测量端，两电极不是直接焊接的，而是通过热敏材料电阻变化形成的临时热接点，存在着一定的电阻，所以电缆输出的热电势与由同种材料制成的普通热电偶相比，在同一温度下要偏小一些，折算成温度大约在几度。在同一温度下，测温电缆的温度一致性也不如普通热电偶，偏差可达±10℃。

3、响应时间

响应时间由电缆的热容量决定，取决于电极周围的材料和质量，测温电缆有着塑料护套层和玻纤载体热敏层，响应时间是普通热电偶的数倍，但当火灾发生时由于温差较大，电缆会有较大的、快速的温度上升反应，反应时间小于20s。

4、弯曲半径

测温电缆的弯曲半径取决于护套材料和玻纤载体，弯曲半径过小会造成护套层破裂，也会使编织的玻纤载体断裂，影响电极间电阻，从而使电缆的热电性能发生变化，一般的弯曲半径不小于外径的15～20倍。

七、应用

柔性热偶型测温电缆因其有任一点感温的特殊功能，具有本安、耐腐蚀、耐电压、无需标定、免维护等特点，目前在电力、储油罐、机房、高压电缆沟、发电机组等上已有大量应用[8]，正在向隧道、仓库、机房等扩展[9]。一个测温区域可以使用一支，也可以是多支联合使用。使用时，将电缆的输出热电势连接到信号处理单元，可实现温度实时显示。可进行扩展应用，进行火灾预警和报警设置（温升速率和绝对值）、信息远程传输等，接入火灾报警系统，实现火灾的无人值守、自动监控。