ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ДАТЧИК
POLYFUNCTIONAL SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах противопожарной безопасности для контроля и регулирования температуры в реакторах, сигнальных и противопожарных системах, а также в конструкциях катализаторов с автотермическим подогревом.
Из уровня техники [RU 2363053 C1 (ЖАНГ Вейше, ЛИ Гангджин) 27.07.2009] известны конструкции протяженных одноразовых противопожарных датчиков, содержащих две металлические жилы-электрода, изолированных полимерным материалом. При повышении температуры (аварийная ситуация) происходит плавление изоляции - полимера - и замыкание жил-электродов. Для повышения надежности (дублирования сигналов) добавляется слой полупроводникового материала, а фиксация аварийного нагрева осуществляется по сигналу короткого замыкания и изменению электросопротивления полупроводникового слоя. Недостатками конструкции являются однократное срабатывание, ограниченный температурный диапазон, низкая механическая прочность.
Известны также конструкции термочувствительных кабелей-датчиков для противопожарных систем с повышенной механической прочностью, сохраняющих работоспособность при неоднократных нагревах до 1000°C, содержащих металлические оболочки и жилы-электроды, разделенных полупроводниковым оксидным наполнителем [Сучков В.Ф., Светлова В.И., Финкель Э.Э. / Жаростойкие кабели с минеральной / Энергоатомиздат, 1984]. При повышении температуры общее электросопротивление кабеля-датчика уменьшается независимо от участка нагрева и по достижении заданных значений электросопротивления кабеля-датчика автоматически срабатывают противоаварийные системы сигнализации и тушения (Фиг. 1).
В последующие годы проводились разработки наполнителей с целью расширения диапазона рабочих температур и повышения чувствительности кабеля-датчика [Кабель марки КТЧС-390 ТУ 16.505.431.1978 (73)].
Термочувствительные кабели устанавливаются в труднодоступных отсеках самолетов, кораблей, в зонах взрывоопасных помещений и других объектах, где необходим контроль за температурным состоянием среды на значительном протяжении.
Ближайшим аналогом настоящего изобретения является термочувствительный кабель, известный из [Авторское свидетельство №1166181 (В.Н. Цыганков, В.Т. Долголенко) 07.07.1985], в конструкции которого имеется ряд жил-электродов различной длины, разделенных полупроводниковым оксидным наполнителем с отрицательным или положительным температурным коэффициентом электросопротивления, что позволяет определить не только изменение температуры, но и зоны, в которых происходит нагрев.
Существенным недостатком является фиксация заданной или аварийной температуры только по одному сигналу - при снижении или повышении электросопротивления до определенной величины. При этом кабель-датчик обладает ограниченной надежностью, так как в случае механического повреждения термочувствительного кабеля (например, смятие при взрыве или ударе), сильном изгибе, сопровождающемся касанием жил и оболочки кабеля-датчика, выдает ложный сигнал об аварийной температуре.
Для повышения надежности фиксации сигнала в процессе аварийного нагрева предложена конструкция термочувствительного кабеля, повышающая надежность путем дублирования сигналов об аварийном нагреве, а в случае применения кабеля в регулировании температуры контролируемого объема (реактора или ректификационной колонны) фиксируется не только определенная температура, но и заданный интервал температур, при возможности одновременного выполнения функций катализатора и нагревателя.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности сигнала аварийного нагрева путем его дублирования, а при применении термочувствительного кабеля в системах контроля и регулировки температуры фиксирование температуры в заданном интервале.
Техническим результатом заявленного изобретения также является расширение функциональных возможностей термочувствительного кабеля-датчика, т.е. совмещение функций датчика, катализатора и нагревателя.
Технический результат достигается тем, что конструкция термочувствительного кабеля дополнительно содержит между центральным электродом и внешней оболочкой по меньшей мере две внутренние оболочки, между которыми последовательно расположены слои полупроводниковых наполнителей с положительным и отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), обеспечивающие фиксирование заданной температуры или интервалов температур по температурным совпадениям электросопротивления слоев; и дополнительными возможностями поверхности кабеля проявлять каталитические свойства, а также быть нагревателем для поддержания заданного интервала температур.
На Фиг. 2 показана конструкция заявленного кабеля-датчика. Он содержит внешнюю оболочку (1), внутреннюю оболочку (1′) и центральный электрод (2), разделенные порошковым (поликристаллическим) полупроводниковым наполнителем с отрицательными (3) и положительными (4) температурными коэффициентами сопротивления.
Внешняя (1) и внутренние (1′) оболочки и электрод (2) выполняются из жаростойких металлов и сплавов.
Количество внутренних оболочек определяется числом зон контроля температур. Внутренние оболочки и центральный электрод, например, могут быть выполнены из жаростойкого сплава 1Х18Н10Т. Внешняя оболочка (когда она не выполняет роль катализатора) также может быть изготовлена из сплава 1Х18Н10Т.
При изменении температуры (Т) электросопротивление (R) слоя с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (-ТКС) уменьшается, а с положительным (+ТКС) возрастает. В зависимости от выбранных наполнителей при определенной температуре, которая может являться контрольной в противопожарной системе или рабочей в химическом реакторе, их сопротивление сравнивается, что фиксируется блоком контроля противопожарной системы или регулятором температуры (Фиг. 3).
2
3
3
Например, если контрольная температура 80-100°С, то в качестве полупроводникового наполнителя с отрицательным ТКС используются твердые растворы на основе InO, а с положительным ТКС - твердые растворы на основе BaTiO.
На Фиг. 4 показана конструкция протяженного кабеля-датчика с внешней оболочкой (1), центральным электродом (2), двумя внутренними оболочками (1′) и тремя слоями наполнителей, например, первый с отрицательным ТКС (3), второй (4) и третий (4′) - с положительным ТКС и разными зависимостями электросопротивление-температура (наполнители отличаются составами). В этом случае появляется возможность фиксировать не только точку, но и заданный интервал температур (Фиг. 5).
Для конструкции, содержащей наполнители: первый - с отрицательным ТКС, второй - с положительным ТКС, третий - с отрицательным ТКС, изменение электросопротивления (R) слоев наполнителей от температуры (Т) имеет вид, представленный на Фиг. 6.
В обоих последних случаях фиксируются по две точки с одинаковыми значениями электросопротивления слоев, что позволяет контрольным системам или фиксировать аварийные температуры, или при достижении границ заданных интервалов температур производить регулировку температуры объекта (например, реактора).
Такая конструкция исключает сигнал об аварийной температуре при механическом повреждении кабеля-датчика, т.к. электросопротивление слоев резко упадет: будут фиксироваться близкие низкие значения, которые дублируются и могут выделяться регистрирующим и исполнительным устройствами как механические повреждения. В этом случае температурные зависимости электросопротивление (R) - температура (Т) не пересекаются; отсутствует точка с равными значениями электросопротивления слоев.
При совмещении в термочувствительном кабеле-датчике функций датчика температуры и катализатора внешняя оболочка кабеля-датчика может быть выполнена из каталитически активного материала: платины, например, для процесса окисления аммиака при 700-800°С, или никеля - для процесса конверсии метана 750-850°С, или железа - для процесса синтеза аммиака при 400-500°С, или меди - для процессов дегидрирования и очистки газовых смесей от оксида углерода. В этом случае линейный кабель-датчик температуры входит в конструкцию катализатора в виде спирали или сетки.
Внешняя оболочка кабеля-датчика катализатора может подвергаться специальному окислению с формированием на поверхности каталитически активного оксидного слоя, а для увеличения поверхности внешняя оболочка может быть перфорирована. Примером кабеля-датчика с нанесенным слоем каталитически активного материала является кабель с внешней оболочкой из никеля, которая подвергается окислению, а образующийся на поверхности оксид никеля проявляет каталитические свойства в процессах очистки газовых смесей от окиси углерода. Для еще большего увеличения каталитически активной поверхности первый слой может состоять из наполнителя-катализатора, которым могут служить полупроводниковые оксиды, композиционные составы или твердые растворы на их основе. В этом случае конструкция будет содержать четыре слоя разных наполнителей.
Если датчик-катализатор применяется для эндотермических процессов (например, конверсия метана), то одна из коаксиальных оболочек (или несколько) могут выполнять функции электрода и нагревателя при пропускании по ним тока (непрерывно или периодически).
Полупроводниковые наполнители подбирают с учетом контролируемого температурного интервала и температур аварийных перегревов или пожаров.
В качестве наполнителей с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления могут использоваться оксиды марганца (Mn), кобальта (Со), никеля (Ni), хрома (Cr), индия (In) или редкоземельных элементов или их твердые растворы.
Наполнителями с положительными ТКС - твердые растворы на основе титаната бария, легированные лантаном (La), церием (Се), висмутом (Bi), сурьмой (Sb), танталом (Та), ниобием (Nb), или композиционные составы.
В тех случаях, когда необходимо определить зону перегрева, кабель-датчик содержит внутренние коаксиальные (соосные) оболочки (1′) разных размеров (Фиг. 7). При этом пространство между торцами укороченных коаксиальных оболочек заполняются диэлектриком - оксидом магния (5).