专利名称：热电偶型连续测温电缆的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及热电偶型测温传感器技术，具体是能实时连续输出被监测区域的最高温度信号和受热点的位置信号的一种热电偶型连续测温电缆。
背景技术：
热电偶由二根成分不同的金属导线组成，把一对热电偶的一端短路相接，另一端开路，当短路节点受热时，则可在开路端测出与受热温度相对应的电压信号。现在热电偶的合金成分已标准化，成为一种经济实用的测温传感材料。
为了利用热电偶进行被监测区域的沿线测温报警，人们采用负温度系数的半导体绝缘材料将热电偶导线隔离，构成测温电缆。当测温电缆沿线某段受热时，该处热电偶导线之间的半导体绝缘介质的电阻降低形成“临时”热电偶节点。制造这种测温电缆的关键是选择隔离热电偶导线的负温度系数热敏半导体材料。人们曾偿试了不同的负温度系数热敏半导体材料，例如，80年代研制的测温电缆采用二氧化锰作为负温度系数热敏半导体材料(见美国专利4647710)。目前市场上有几种由不同的负温度系数热敏半导体材料制成的测温电缆。
现有的热电偶型测温电缆均采用一对热电偶和不同的负温度系数热敏半导体材料制成。当测量区域的温度较低，如低于150℃，以及测温电缆受热长度较短时，测量误差很大。其原因是负温度系数热敏半导体材料的电阻在受热时并不能降到和金属相当的很小电阻，“节点”的电阻随温度变化，而热电偶受热时产生的电压信号和“节点”处的电阻有关。
此外，传统的测温电缆无法确定受热点的位置，即不能提供受热点的位置信号。能够提供受热点的位置信号的热电偶型连续测温电缆至今未见有关文献披露。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有测温电缆存在的上述不足，提供一种热电偶型连续测温电缆，它能实时连续输出被监测区域范围内的最高温度信号，并提供受热点的位置信号。
本实用新型热电偶型连续测温电缆是这样实现的，它包括一对热电偶导线，所述热电偶导线之间由负温度系数的热敏半导体材料隔离，热电偶导线对外包裹金属屏蔽层和绝缘层、或绝缘层；还包括另一对普通金属导线，所述普通金属导线之间用负温度系数的热敏半导体材料隔离，普通金属导线对外包裹绝缘层。
本实用新型的热电偶型连续测温电缆还可包括用于提供电缆受热位置信号的三根功能导线，其中两根为线性电阻率不同的高阻值导线，另一根为低阻值导线，所述三根功能导线之间用负温度系数的热敏半导体材料隔离，外围包裹绝缘层、或金属屏蔽层和绝缘层。
本实用新型同时提出了一种能提供受热点位置信号的电缆，其包括两根线性电阻率不同高阻值导线和一根低阻值导线，所述三根功能导线之间用负温度系数的热敏半导体材料隔离，外围包裹绝缘层、或金属屏蔽层和绝缘层。
本实用新型热电偶型测温电缆具有误差校正和确定受热区的位置功能，采用新型电缆结构，能消除传统热电偶型测温电缆在低温区存在的测量误差问题，测量信号不受电缆受热长度的影响，并可提供电缆受热点的位置信号。
在功能导线之间采用新型负温度系数的热敏半导体材料隔离，提高了测温电缆在低温区的敏感度和确定电缆受热点位置的精确度。
图1为本实用新型具有误差校正功能的热电偶型测温电缆结构示意图；图2为与图1的普通金属导线对配接的校正电路图；图3a、b为本实用新型能提供受热点位置信号的电缆结构示意图；图4为具有误差校正和确定受热点位置功能的热电偶型测温电缆结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例附图对本实用新型进一步说明。
为了解决现有测温电缆存在的误差问题，本实用新型提供了图1所示热电偶型连续测温电缆A。该电缆包括两对功能导线，其中一对是热电偶导线，所述热电偶导线11、12之间由负温度系数的热敏半导体材料13隔离，热电偶导线对外包裹金属屏蔽层14和绝缘层15，或绝缘层15。金属屏蔽层14可采用工业常规方法制备，如金属风套或金属膜套等。此绝缘层15为普通电学绝缘层，可用常规工业方法制备，材料可用高分子绝缘材料，玻璃纤维等。
另一对为普通金属导线，所述普通金属导线21、22之间用负温度系数的热敏半导体材料23隔离，普通金属导线对外包裹绝缘层25。
上述测温电缆外加保护套4，保护套4可采用金属管、玻璃纤维或塑料材料等。
当上述测温电缆某段受热时，负温度系数的热敏半导体材料电阻降低产生临时“短路节点”，两根热电偶导线产生与受热温度相对应的电压信号。一对普通金属导线用于测量“短路节点”的电阻，从而对热电偶信号进行校正。
实际应用时，其热电偶导线的两根导线连接测量电压信号的仪表或报警系统的终端�？�。
校正用的一对普通金属导线接图2所示的电桥电路。该电桥电路包括两阻值相等的电阻R1、R1’，以及电阻R0，电阻R1、R1’串接于外接稳压电源VE的两端，电阻R0的一端接外接稳压电源正极，实用电缆段中两根普通金属导线分别接到电阻R0的另一端与外接稳压电源负极之间，R0的阻值等于实用电缆段中普通金属导线对回路在无受热状态下的电阻值，电阻R1、R1’的公共端与电阻R0的另一端输出校正信号Vm。
校正热电偶输出信号的数学模型式(1)如下VTrue=VThermo×(VE-2Vm2Vm+VE×Rd×R0Rd+R0+R0VE-2Vm2Vm+VE×Rd×R0Rd+R0)....(1)]]>其中，VE为一外接稳压电源，R1、R1’为通用电阻元件，R1和R1’的阻值相等。
R0为电阻元件或串连电阻组，R0的阻值等于实用电缆段中普通金属导线对回路在无受热状态下的电阻值，R0在系统安装时可设定。
Vm为测量出的电压信号，用此信号对热电偶回路输出的信号进行校正。
VTruc为校正后的电压信号，用此电压信号确定电缆受热温度。
VThermo为电缆中热电偶电路测得的电压信号。
Rd为连接热电偶回路的仪表或终端�？榈哪谧�。
本校正系统简单实用。式(1)中的VE、R0和Rd均在系统建立时设定，只需测量电压信号Vm即可得出对热电偶输出电压的校正系数，在电子系统中，电压是最容易准确测量的，而且电压信号可输入计算机或单板机进行处理，经校正的信号即可用于准确监测和报警。
需要说明一点，本实用新型电缆设计的校正电路和数学模型适用于任何热敏半导体绝缘材料制成的测温电缆，根据本设计制备的电缆可消除电缆受长度，受热温度导致的误差，因此可实现准确报警。
为了确定受热点位置，本实用新型提供了图3a、b所示的能提供受热点位置信号的电缆B1、B2。图3a所示电缆B1包括三根功能导线，其中两根为高阻值导线31、32，另一根为低阻值导线30，所述三根功能导线之间用负温度系数的热敏半导体材料33隔离，外围包裹绝缘层35，该保护层可为普通高分子绝缘材料、或玻璃纤维、或金属管等。
参照图3b所示电缆B2，为了增加热敏半导体材料33和导线30的接触面积，以图3a结构为基础在绝缘层35内特加一层金属膜或金属网34，用以包裹热敏材料并使之和低阻值导线30相接触。
所述两根高阻值导线31、32是由任何导电材料制成的，但要求阻值较高，且两者的电阻率相差较大。具体实施例中所述两根高阻值导线31、32可分别采用Ni75Cr20Al2.5Fe2.5和Ni60Cr16Fe24导线，或其它高阻值导线。所述低阻值导线30为普通金属导线，如铝或铜导线等，实用中可接地。
假设高阻值导线31的单位长度电阻率为ρ1，高阻值导线32的单位长度电阻率为ρ2，一根低电阻率的导线30接地，测量点和电缆受热点之间的距离为L。
实用时，测量所述导线31、30回路的电阻，得出R11。测量所述导线32、30回路的电阻，得出R12。如果电缆某段受热，测量点和电缆受热点之间的距离可由下式算出L＝(R11-R12)/(ρ1-ρ2)………………………(2)
需要说明一点，利用图3a、b所示的电缆结构和式(2)确定受点时，需要采用温度系数较大的负温度系数热敏半导体材料。
为了确定受热点位置和校正测量误差，本实用新型提供了图4所示电缆结构。该电缆由图1所示电缆A和图3a所示电缆B1组合而成。其中包括一对热电偶导线，所述热电偶导线11、12之间由负温度系数的热敏半导体材料13隔离，热电偶导线对外包裹金属屏蔽层14和绝缘层15；一对普通金属导线，所述普通金属导线21、22之间用负温度系数的热敏半导体材料23隔离，普通金属导线对外包裹绝缘层25；以及，用于确定电缆受热位置的三根功能导线，如图3所示，其中两根为高阻值导线31、32，另一根为低阻值导线30，所述三根功能导线之间用负温度系数的热敏半导体材料33隔离，外围包裹绝缘层35，该保护层可为普通高分子绝缘材料，玻璃纤维或金属管。为了增加热敏半导体材料33和导线30的接触面积，可在绝缘层35内特加一层金属膜或金属网34包裹热敏材料并使之和导线30相接触(见图3b)。
所述两根高阻值导线31、32是由任何导电材料制成的，但要求阻值较高，且两者的电阻率相差较大。
图4所示的测温电缆，既可消除由于受热长度和受热温度产生的误差，又可提供电缆受热点的位置信号，进而确定电缆受热点的位置。
本实用新型之上述各实施例不针对任何具体的热敏半导体材料，对采用各种负温度系数的热敏半导体材料的电缆均可起到校正补偿作用。但是热敏半导体材料的性能影响测温电缆的有效测温范围，灵敏度(即最小可测电压信号)等。对于确定受热点位置，尤其需要温度系数较大的负温度系数热敏半导体材料。
负温度系数的热敏半导体材料的选择是制备测温电缆的关键之一，我们研究发现了一种性能较好的负温度系数的热敏半导体材料，其成分如下V+41-x-yV+5xMyOδ其中M为过渡族金属，如钕(Nd)、或铁(Fe)、或镍(Ni)、或锰(Mn)等，V+4为4价钒，V+5为5价钒，O为氧，0≤x≤0.8，0≤y≤0.3，0≤x+y≤0.8，2≤δ＜5。
本实用新型采用上述新型负温度系数的热敏半导体材料，可生产用于确定受热点位置的电缆，并可提高测温电缆的敏感度，尤其当报警温度小于100℃时。
权利要求1.一种热电偶型连续测温电缆，包括一对热电偶导线，其特征在于所述热电偶导线之间由负温度系数的热敏半导体材料隔离，热电偶导线对外包裹金属屏蔽层和绝缘层、或绝缘层；还包括另一对普通金属导线，所述普通金属导线之间用负温度系数的热敏半导体材料隔离，普通金属导线对外包裹绝缘层。
2.根据权利要求1所述热电偶型连续测温电缆，其特征在于还包括用于确定电缆受热位置信号的三根功能导线，其中两根为高阻值导线，另一根为低阻值的导线，所述三根功能导线之间用负温度系数的热敏半导体材料隔离，外围包裹绝缘层、或金属屏蔽层和绝缘层。
3.根据权利要求2所述热电偶型连续测温电缆，其特征在于所述两根高阻值导线是由任何导电材料制成的，两者的线性电阻率不同，所述低阻值导线为普通金属导线。
4.根据权利要求1所述热电偶型连续测温电缆，其特征在于测温电缆外加保护套层。
5.根据权利要求1所述热电偶型连续测温电缆，其特征在于所述一对普通金属导线接到一个用于校正热电偶回路输出信号的电桥电路。
6.根据权利要求5所述热电偶型连续测温电缆，其特征在于所述电桥电路包括两阻值相等的电阻R1、R1’，以及电阻R0，电阻R1、R1’串接于外接稳压电源的两端，电阻R0的一端接外接稳压电源正极，实用电缆段中两根普通金属导线分别接到电阻R0的另一端与外接稳压电源负极之间，R0的阻值等于实用电缆段中普通金属导线对回路在无受热状态下的电阻值，电阻R1、R1’的公共端和电阻R0的另一端为校正信号输出端。
7.根据权利要求1或2所述热电偶型连续测温电缆，其特征在于所述负温度系数的热敏半导体材料成分为V+41-x-yV+5xMyOδ其中，M为过渡族金属，V+4为4价钒，V+5为5价钒，O为氧；0≤x≤0.8，0≤y≤0.3，0≤x+y≤0.8，2≤δ＜5。
8.根据权利要求7所述热电偶型连续测温电缆，其特征在于所述热敏半导体材料中的过渡族金属是钕、或铁、或镍、或锰。
9.一种能提供受热点位置信号的电缆，其特征在于包括两根高阻值导线和一根低阻值导线，所述三根功能导线之间用负温度系数的热敏半导体材料隔离，外围包裹绝缘层、或金属屏蔽层和绝缘层。
10.根据权利要求9所述能提供受热点位置信号的电缆，其特征在于所述两根高阻值导线是由任何导电材料制成的，两者的线性电阻率不同，所述低阻值导线为普通金属导线。
专利摘要一种热电偶型连续测温电缆，包括一对热电偶导线，所述热电偶导线之间由热敏半导体材料隔离，外包裹金属屏蔽层和绝缘层；一对普通金属导线，所述普通金属导线之间用热敏半导体材料隔离，外包裹绝缘层；还可包括用于提供电缆受热位置信号的三根功能导线，其中两根为线性电阻率不同的高阻值导线，另一根为低阻值导线，所述三根功能导线之间用热敏半导体材料隔离，外包裹绝缘层。其具有误差校正功能，能消除电缆低温区存在的测量误差问题，测量信号不受电缆受热长度的影响；并可提供电缆受热点的位置信号，实现准确报警。采用新型热敏半导体材料，提高了测温电缆的敏感度和测量范围。
文档编号G01K3/00GK2645061SQ0327393
公开日2004年9月29日 申请日期2003年8月29日 优先权日2003年8月29日
发明者邢力谦, 乔翼生 申请人:邢力谦, 乔翼生
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