一、前言
隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，溫度測量技術(shù)也得到了不斷地發(fā)展。測量控制一般采用各式各樣的溫度傳感器，常規(guī)的測量技術(shù)采用“點式”測溫方式，對于一些特殊場所的火災(zāi)探測要求并不能滿足需要。一些企業(yè)提出要測量一條線或一個面上的溫度，從而線式熱點探測器很快被開發(fā)出來，并以“線式”和“面式”的測溫方式替代了常規(guī)測量方式，線式熱點探測技術(shù)也越來越得到了人們的高度重視和快速發(fā)展。
二、線式熱點探測技術(shù)
線式熱點探測技術(shù)是為了滿足工業(yè)上溫度與火災(zāi)檢測的需要，并提供一種超溫與火災(zāi)早期預(yù)警，以降低工業(yè)資產(chǎn)和貴重設(shè)備的損失，而被開發(fā)出來的一種技術(shù)。線式熱點探測器與傳統(tǒng)溫度傳感器不同，它是一種能感知一條線上溫度狀況的線狀溫度傳感器。因為其長度的每一部分都是一個探測點，所以在不喪失其靈敏度的情況下，線式熱點探測器能夠?qū)σ粋€很大的范圍進(jìn)行監(jiān)測。特別是在工業(yè)地區(qū)普遍存在有腐蝕性的大氣環(huán)境，線式熱點探測器更能夠適應(yīng)其它類型溫度傳感器所不適合應(yīng)用的地方。
線式熱點探測器推出以后，迅速擁有了很好的市場，并在很多領(lǐng)域得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。線型熱點探測器典型應(yīng)用是在需要做出可靠和快速警示，容易超溫或發(fā)生火災(zāi)的地方，如電纜架、煤礦傳送帶、冷卻塔、礦井、儲油罐、電源變壓器、運輸隧道、地鐵站、電梯、氣化爐、隧道、儲煤倉、某些動力艙、電氣柜以及其它關(guān)鍵部位等。
三、常見的幾種線式感溫探測器
隨著現(xiàn)代社會工業(yè)的發(fā)展和需要，陸續(xù)涌現(xiàn)出了多種類型的溫度傳感器，并在一些時期得到了廣泛的應(yīng)用。從設(shè)計與工作原理上都有所不同，大致有幾種：線式定溫火災(zāi)探測器(數(shù)字型和模擬型)、鎧裝熱敏電纜(熱偶型、阻容型、電阻型、定點型)，線式熱點探測器(也稱為連續(xù)熱電偶、尋熱式熱電偶和柔性熱電偶)、線型光纖感溫探測器。
1、數(shù)字型感溫探測器
線式定溫火災(zāi)探測器可分為模擬型和數(shù)字型兩大類，目前，主要發(fā)展和應(yīng)用相對廣泛的是數(shù)字型感溫探測器，它也叫做開關(guān)量線式感溫探測器。
這種探測器實際上是一條熱敏電纜，由兩根固定溫度系數(shù)的熱敏絕緣體包裹的高強(qiáng)度鋼導(dǎo)線構(gòu)成，這兩根鋼導(dǎo)線具有相應(yīng)的熱靈敏度，再把兩根絕緣的導(dǎo)線扭絞在一起，之間具有一定的彈性壓力。它的外層是一個耐用的保護(hù)套以抵抗化學(xué)制品、碳?xì)浠衔锖陀椭扔绊?。在正常的監(jiān)視狀態(tài)下，兩個金屬導(dǎo)線呈絕緣的狀態(tài)，在每一根熱敏電纜中有極微小的電流流動。當(dāng)線路上任何一點的溫度上升達(dá)到其額定動作溫度時，絕緣體熔化，在彈性壓力作用下，兩根導(dǎo)線相互接接觸，此時報警回路電流驟然增大，這一過程模擬了開關(guān)的閉合，于是告警信號發(fā)出。探測器中起絕緣作用的熱敏聚合物決定了感溫電纜的報警溫度，一般有68.3℃、87.8℃、137.8℃、180℃等幾種溫度等級。
探測器在報警發(fā)生后，受熱部分的電纜必須用一個簡單的連接器修復(fù)，替代被燒毀的那部分電纜。連接過程只需要幾分鐘，僅用簡單的工具就能使其恢復(fù)正常。
模擬型的線型感溫探測器結(jié)構(gòu)為四根外層采用特殊負(fù)溫系統(tǒng)熱敏絕緣的導(dǎo)體兩個互相比較的檢測回路。當(dāng)感溫電纜所保護(hù)場所的現(xiàn)場溫度發(fā)生變化時，兩個監(jiān)測回路的電阻值就會發(fā)生明顯的變化，微機(jī)控制器通過檢測前端感溫電纜監(jiān)測回路的電阻值變化來設(shè)定報警值。
表1 數(shù)字型和模擬型線式感溫探測器比較表
2、鎧裝式熱敏電纜
鎧裝式熱敏電纜根據(jù)不同的填充物和芯線組合分主要有三種：電阻型、熱偶型(俗稱連續(xù)熱電偶)、定點型(融鹽式)。隨著工業(yè)發(fā)展及社會需要，連續(xù)熱電偶(也稱為線型熱點探測器、尋熱式熱電偶)得到了很好的發(fā)展，并一直受到青睞。
連續(xù)熱電偶可以檢測條連續(xù)路線上存在的最高溫度。鎧裝式熱點探測器由金屬保護(hù)管、K型熱電極和熱敏材料，經(jīng)鎧裝拉拔減徑工藝組裝制作而成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。
圖1 連續(xù)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖
當(dāng)連續(xù)熱電偶沿線某點(也可以是同溫度的多點或一段)的溫度T1超過沿線其余部分的溫度時，該點兩電極之間的熱敏材料之間的熱敏材料的電阻就會降低，從而在T1點形成一個“臨時”的測量端(圖2)。此時兩熱電極之間產(chǎn)生一個和溫度T1相對應(yīng)的熱電勢。
圖2 連續(xù)熱電偶(某點溫度高于感溫段其余部分溫度)
如果熱點探測器上有第二點出現(xiàn)更高的溫度T2(T2＞T1)，則T2點熱電極間熱敏材料的電阻就會降得比T1點更低，從而在T2點產(chǎn)生了一個新的“臨 時”測量端(圖3)，舊的“臨時”測量端被取代，同時熱電極之間就輸出一個和溫度T2相對應(yīng)的熱電勢?？傊B續(xù)熱電偶的輸出熱電勢總是和其沿線上存在的最高溫度相對應(yīng)。
圖3 連續(xù)熱電偶(更高的溫度點T2出現(xiàn))
目前，連續(xù)熱電偶在煤化工和石油化工領(lǐng)域的氣化爐上應(yīng)用最為廣泛，用于表面溫度監(jiān)控與報警系統(tǒng)，實時監(jiān)測氣化爐表面溫度變化動態(tài)，以判斷氣化爐內(nèi)襯耐火磚因沖刷變薄或脫落等的情況。另外，在儲煤倉、電力行業(yè)的預(yù)熱器等地方也得到了應(yīng)用。目前，真正產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)連續(xù)熱電偶的廠家僅有重慶材料研究院有限公司和昌暉儀表制造有限公司，隨著我國制造業(yè)的快速發(fā)展，我國連續(xù)熱電偶市場需求越來越大，應(yīng)用領(lǐng)域也將得到不斷的開拓。
連續(xù)熱電偶可以連續(xù)不斷傳遞某一區(qū)域的溫度信息。將連續(xù)熱電偶用于某些特殊場合的溫度監(jiān)測與報警，可具有其他溫度傳感器無法比擬的優(yōu)點。表2為三種鎧裝熱敏電纜比較表。
3、阻容型線式溫度傳感器
阻容型線式溫度傳感器起源于英國Graviner公司，主要應(yīng)用于軍工、航空等重要領(lǐng)域。由于國外在相關(guān)技術(shù)上對我國進(jìn)行了嚴(yán)密封鎖，我國只有獨立開發(fā)和研究，最終在重慶材料研究院有限公司成功開發(fā)出來，并達(dá)到甚至由于國外的技術(shù)指標(biāo)。該傳感器被稱為新一代線式溫敏超溫報警傳感器。
敏感元件能夠感知整條敏感線纜上的溫度狀況，其兩個參數(shù)(電阻和電容)都隨溫度穩(wěn)定、單調(diào)變化，形成以電阻、電容雙參數(shù)來反映溫度變化的新型線形火災(zāi)探測元件，其效果等同于1支電阻型線式溫度敏感元件加上1支電容型線式溫度敏感元件。這種特性在某些場合是非常有用的，用兩個參數(shù)聯(lián)合來對過溫情況進(jìn)行監(jiān)測報警，可以大大提高報警的準(zhǔn)確性，降低誤警率和漏警率，保證報警的高可靠性。
它由一定長度的線式同軸結(jié)構(gòu)火焰敏感電纜和端部的連接頭組成。其溫度敏感部分是一根同軸線纜。芯線和外管分別是元件的正極和負(fù)極，其間是壓實的敏感介質(zhì)材料，該介質(zhì)材料具有正的介電系統(tǒng)和負(fù)的電阻溫度系數(shù)。
圖4 6m容阻型線式溫度傳感器的溫度特性曲線
阻容型線式溫度傳感器能夠在可靠性要求很高的大空間溫度異常監(jiān)測報警領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如機(jī)車、輪船、飛機(jī)等。
4、柔性熱電偶
柔性熱電偶也稱為線式熱點探測器，實際上是另一種結(jié)構(gòu)形式的連續(xù)熱電偶，解決了大面積溫度監(jiān)測與過溫報警的難題。柔性熱電偶它能夠探測一條連續(xù)路線上存在的最高溫度，輸出信號為與線上最高溫度相對應(yīng)的mV信號，并實時測溫。其最大特點是線纜是柔性的，易于安裝，最適合用于過溫報警和火災(zāi)報警。
柔性熱電偶具有多層纜繩式結(jié)構(gòu)：中間為一對K型熱電偶電極，熱電極周圍包裹的是以玻璃纖維為載體的NTC熱敏粉體材料，再用耐高溫有機(jī)材料把熱電極和熱敏材料包緊，纏繞屏蔽層，最外塑包耐溫塑料，其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。
圖5 柔性熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖
它屬于低溫型測溫電纜，正常工作溫度范圍：室溫至180℃，極限耐溫：-40℃~+200℃，最小彎曲半徑40mm。由于柔性熱電偶制備技術(shù)難度大，目前我國能生產(chǎn)柔性熱電偶(熱點探測器)的廠家有昌暉儀表制造有限公司和深圳電利通科技有限公司，最大長度為100m。20m樣品實測結(jié)果表明，在保證精度的前提下，最小受熱長度約為10m，受熱長度小于10m將不能保證測量精度。但受熱長度達(dá)到5cm時可反映溫度的變化。
柔性熱電偶具有其它溫度傳感器無法比擬的優(yōu)點，在電纜橋架(各行各業(yè))、化工(浮頂油罐的火災(zāi)與過熱探測及報警)、電力(電力變壓器)、交通(隧道內(nèi)的火災(zāi)探測)、通訊(計算機(jī)房的異常溫度探測與報警)、倉儲(紙張、石油、食品及其它物品儲藏)等行業(yè)，需要對某些特殊場合的溫度監(jiān)測與過溫報警，通常也都采用這種柔性熱電偶，也是目前隧道火災(zāi)報警系統(tǒng)的重要方案之一。
5、線型光纖感溫探測器
線型光纖感溫火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)，即分布式光纖測溫系統(tǒng)，是一種用于實時監(jiān)測空間溫度場分布的新型技術(shù)，它利用光學(xué)傳播技術(shù)，實現(xiàn)了實時連續(xù)測溫光纜沿線溫度的目的，達(dá)到了火災(zāi)預(yù)警的功效。
它主要通過光纖拉曼散射效應(yīng)和光時域反射技術(shù)來實現(xiàn)。拉曼散射指的是光通過介質(zhì)時，由于入射光與分子運動相互作用，而引起的波長發(fā)生變化的一種散射。在拉曼散射光中，根據(jù)波長變化方向的不同，分為斯托克斯光和反斯托克斯光。其中，較短波長的反斯托克斯光對溫度非常敏感，而較長波長的斯托克斯光對溫度則相對不敏感，利用這一關(guān)系，反斯托克斯光強(qiáng)和斯托克斯光強(qiáng)的比值能準(zhǔn)確反射光線的溫度信息。光時域反射技術(shù)是指激光在光纖中向前傳播時，不同光纖位置的背向拉曼散射光返回光纖入射端的時間是不同的，通過區(qū)分該時間即可確定散射信號所對應(yīng)的光纖位置，從而實現(xiàn)物理參數(shù)的分布式測量。
整根光纖不僅用作信號傳輸，更全被用作溫度探測，感溫探測覆蓋范圍為其全長的100%。目前其測量距離最長可達(dá)30km，測量精度和定位精度高，測溫范圍是-40℃~150℃，屬于低溫探測器。
光纖傳感器具有絕緣、抗電磁干擾、耐高電壓、耐化學(xué)腐蝕，安全等特點。隨著光纖應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，光纖測溫系統(tǒng)是目前世界上最先進(jìn)、最有效的連續(xù)分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)。其在電力系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，利用其對電力電纜進(jìn)行在線實時溫度監(jiān)測，其連續(xù)、實時、分布式的溫度監(jiān)測可以準(zhǔn)確地捕捉電纜異常熱點，將電纜火災(zāi)消滅在萌芽狀態(tài)，保證整個系統(tǒng)安全健康的運行。另外在電纜隧道，電纜夾溝、電纜豎井、電纜溝、高壓輸配電電纜變壓器繞組、高壓開關(guān)柜等位置都得到了廣泛有效的應(yīng)用。
四、線式感溫探測技術(shù)的發(fā)展趨勢
線式感溫探測技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步開拓了溫度監(jiān)控與火災(zāi)探測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，也為人身和社會財產(chǎn)安全增加了一道強(qiáng)有力的防線。隨著社會與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線式感溫探測技術(shù)也在朝著有利于人類的方向發(fā)展。
火災(zāi)的早期預(yù)警越來越受到人們的關(guān)注。一般，火災(zāi)產(chǎn)生分為四個階段：預(yù)燃、悶燃、火焰燃燒和劇烈燃燒。傳統(tǒng)的火災(zāi)探測器一般都在火災(zāi)發(fā)展的后三個階段才能實現(xiàn)報警，此時，火勢已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重，難以控制了。必須要在火災(zāi)發(fā)生預(yù)燃期進(jìn)行報警并采取措施，才能將火災(zāi)抑制在萌芽狀態(tài)，因此未來需要進(jìn)一步加強(qiáng)早期探測功能。
隨著微處理器、集成電路技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展和完善，線式感溫探測技術(shù)中慢慢開始引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，報警系統(tǒng)也變得更加智能化。探測器由傳統(tǒng)的開關(guān)量式變?yōu)槟M量式，體積更加小巧輕便，信號處理方式也日趨智能化，系統(tǒng)控制可以采用自動控制方式，未來也將實現(xiàn)信號接受和發(fā)送無線化。
可靠性是火災(zāi)報警系統(tǒng)的一個重要特征之一，隨著信號處理技術(shù)的提升，系統(tǒng)算法也變得更加復(fù)雜，多參量多判據(jù)也能夠很好的保證傳感器報警的可靠性，同時，引入復(fù)合探測技術(shù)也會提高感溫探測的效率。
在一些特殊的領(lǐng)域，線式感溫探測技術(shù)具有傳統(tǒng)溫度探測技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的道路上，也具有良好的發(fā)展前景，線式熱點探測器的應(yīng)用領(lǐng)域也將得到進(jìn)一步拓展。
相關(guān)閱讀
淺談尋熱式熱電偶應(yīng)用
連續(xù)熱電偶的設(shè)計與應(yīng)用
連續(xù)熱電偶在球罐上的安裝設(shè)計及計算方法
連續(xù)熱電偶在高溫設(shè)備表面溫度測量中的應(yīng)用
連續(xù)熱電偶在圓筒出煤倉實時溫度監(jiān)測中的應(yīng)用
