用于電容式溫度感測的組合物、設(shè)備及方法
【專利說明】用于電容式溫度感測的組合物、設(shè)備及方法
【背景技術(shù)】
[0001] 高電壓電力電纜的溫度可隨著線纜承載的電流的增加而升高。因此，監(jiān)測此類線 纜(特別是例如接頭和接點處）的溫度通常是有用的。然而，許多電力電纜及其接頭和接點 受到多個絕緣和/或半導(dǎo)體層的保護(hù)，并且常常埋于地下或懸于高空。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0002] 總的來講，本文公開了電容式感測組合物，該電容式感測組合物包含表現(xiàn)出低于 30°C的可測量的電居里溫度的鐵電陶瓷材料，并且其中所述電容式感測組合物的電容對溫 度在30 °C至150 °C的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出負(fù)斜率。本文還公開了包含此類組合物的元件和設(shè) 備及使用方法。在以下【具體實施方式】中，將顯而易見這些方面和其他方面。然而，在任何情 況下，都不應(yīng)將該廣泛的
【發(fā)明內(nèi)容】
理解為是對可受權(quán)利要求書保護(hù)的主題的限制，無論此 主題是在最初提交的專利申請的權(quán)利要求書中給出還是在修訂的專利申請的權(quán)利要求書 中呈現(xiàn)，或者另外是在申請過程中呈現(xiàn)。
【附圖說明】
[0003] 圖1示出了通用表示形式，示出了如本文所公開的包含電容式感測元件和組合物 的設(shè)備。
[0004] 圖2示出了實驗觀察的如本文所公開的示例性電容式感測組合物的相對電容作為 溫度的函數(shù)。
[0005] 圖3示出了實驗觀察的圖2的示例性電容式感測組合物在升高的溫度下的電容作 為保持時間的函數(shù)。
[0006] 圖4示出了實驗觀察的如本文所公開的示例性電容式感測組合物的電容作為溫度 的函數(shù)。
[0007] 圖5示出了實驗觀察的圖4的示例性電容式感測組合物的介電損耗角正切作為溫 度的函數(shù)。
[0008] 圖6示出了實驗觀察的如本文所公開的另一個示例性電容式感測組合物的電容作 為溫度的函數(shù)。
[0009] 圖7示出了實驗觀察的圖6的示例性電容式感測組合物的介電損耗角正切作為溫 度的函數(shù)。
【具體實施方式】
[0010]如上所述，可能有用的是監(jiān)測電纜(例如，高電壓(例如，>10kV)電力電纜)的溫度。 使用"無源"設(shè)備執(zhí)行此類監(jiān)測可能特別有用，所謂"無源"設(shè)備是指不需要內(nèi)部電源(例如， 電池)并且不需要物理連接至外部電源的設(shè)備。可發(fā)現(xiàn)用于此類應(yīng)用中的一種類型的無源 設(shè)備依賴于L-C電路（即，電感-電容電路）。采用適當(dāng)設(shè)計的L-C電路可表現(xiàn)出諧振頻率，該 諧振頻率可被監(jiān)測(無論是連續(xù)監(jiān)測還是不連續(xù)監(jiān)測），且不一定需要與設(shè)備建立任何物理 (例如，電)連接，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會知道的。如果此類設(shè)備使用對溫度敏感的電容元 件(本文中將其稱為"電容式感測元件"），并且該電容元件被放置成與高電壓電力電纜的一 部分熱連通，則那一部分高電壓電力電纜的溫度變化將引起電容式感測元件的溫度產(chǎn)生同 量的變化。這將改變L-C電路的諧振頻率，可檢測該諧振頻率并用于推斷那一部分高電壓電 力電纜的溫度。
[0011] 此類電容式感測元件21以通用表示形式示出于圖1中，其中還示出了與元件21保 持熱連通的高電壓電力電纜31的一部分。"熱連通"不僅涵蓋其中元件21與高電壓電力電纜 的導(dǎo)電材料保持直接、密切的熱接觸的情況，而且涵蓋其中元件21與一些中間層(例如，半 導(dǎo)體層)保持密切的熱接觸的情況，前提是該一個或多個中間層允許熱能穿過其中達(dá)到足 夠的程度，使得元件21的溫度足以用于確定或估計高電壓電力電纜的導(dǎo)電材料的溫度。至 少一個電容式感測元件21和電容式感測元件21與之電連接(例如，通過線路）以便提供L-C 電路的至少一個感應(yīng)元件41(在圖1的通用表示形式中示出），以及根據(jù)需要的任何其他輔 助部件(例如，放大器、振蕩器、連接器等），共同構(gòu)成設(shè)備1?？墒褂锚毩⒀b置(例如，包含感 應(yīng)天線的便攜式讀數(shù)器)啟動設(shè)備1和/或詢問設(shè)備1的L-C電路的諧振頻率。當(dāng)然，此類裝置 可不一定需要物理連接至L-C電路以便執(zhí)行該功能。
[0012] 電容式感測元件21包含電容式感測組合物11(一般性示出于圖1中），其可以提供 為任何合適的構(gòu)造或幾何形狀。電容式感測元件21還包含兩個或更多個電極（圖1中未示 出），該兩個或更多個電極彼此分開并且位于電容式感測組合物11的至少一部分的附近(例 如，通過其一部分彼此分開），并且可結(jié)合電容式感測組合物11起作用以形成電容式感測元 件21。此類電極可由任何合適的導(dǎo)電材料制成。在一些實施例中，此類電極可以提供為叉合 電極(例如，互相嚙合的梳齒形金屬涂層設(shè)置在一層電容式感測組合物11的表面上）。然而， 在許多實施例中，可能便利的是將電容式感測組合物11提供為電極之間的層以便形成平行 板電容器，如所熟知的那樣。在此類特定實施例中，可提供多層電容式感測組合物11，其交 替設(shè)置在導(dǎo)電材料(例如，金屬)層之間，以便提供所謂的多層陶瓷片狀電容器或MLCGMLCC 可通過任何便利的方式制備，例如，通過澆注合適的陶瓷顆粒的漿液以形成片材，將導(dǎo)電材 料(例如，導(dǎo)電墨)沉積到該片材上，堆疊片材并將其層合以形成多層疊層，以及在需要時焙 燒陶瓷顆粒。在一些實施例中，合適的陶瓷顆?？煞稚⒂诰酆衔锘w中（如本文后面所詳細(xì) 公開）以形成電容式感測組合物11。然后可將電容式感測組合物11定位于導(dǎo)電層（電極)之 間以形成電容式感測元件21。
[0013] 電容式感測組合物11依賴于極性/鐵電（為方便起見，本文中使用術(shù)語"鐵電"）陶 瓷材料?；谔囟ǖ碾姡ń殡姡┨匦?，鐵電材料可容易地與其他材料區(qū)別開。相比之下，當(dāng)某 些材料暴露于電場時，材料中產(chǎn)生的極化基本上與所施加的電場成比例。即，材料的介電常 數(shù)(相對介電常數(shù))是常數(shù)，使得材料中產(chǎn)生的極化為所施加電場的線性函數(shù)。此類材料包 括許多常用的介電材料。被稱為鐵電材料的其他材料顯示出更強(qiáng)的極化能力，使得極化成 為所施加電場的非線性函數(shù)。（即，在鐵電材料中，介電"常數(shù)"不再是常數(shù)，而是所施加電場 的函數(shù)。）此外，鐵電材料在不存在施加的電場時表現(xiàn)出自發(fā)電極化，其極化可通過施加外 部電場被反轉(zhuǎn)。然而，鐵電材料僅在特定溫度下表現(xiàn)出這一自發(fā)極化;具體地，是在低于該 材料的所謂電居里溫度的溫度下才表現(xiàn)出這一自發(fā)極化。（本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員都將 認(rèn)識到，電居里溫度與熟知的磁居里溫度類似，但兩者不一定相同）。即，根據(jù)定義，鐵電材 料將表現(xiàn)出可測量的居里溫度。在低于這一溫度時，材料表現(xiàn)出鐵電行為；高于這一溫度 時，材料將表現(xiàn)出順電行為。
[0014] 如本文所公開，電容式感測組合物11中使用的陶瓷鐵電材料表現(xiàn)出低于30°C的電 居里溫度。因此，此類材料非常適合用于監(jiān)測從例如30°C至例如150°C的范圍內(nèi)的溫度（即， 在監(jiān)測高電壓電纜的溫度時，通常感興趣的范圍）。
[0015] 除這一要求之外，如本文所公開的陶瓷鐵電材料使電容式感測組合物11的電容對 溫度在30 °C至150 °C的溫度范圍內(nèi)具有負(fù)斜率。所謂負(fù)斜率是指電容式感測組合物11表現(xiàn) 出作為溫度的函數(shù)的相對電容變化(Sc/C;即，電容變化與參比電容之比），該變化在30°C至 150°C的范圍內(nèi)的至少某處具有至少-1%/10°C的量值。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，此類組合物及由 其制成的電容式感測元件可表現(xiàn)出增強(qiáng)的耐高溫老化能力。即，當(dāng)例如電容相對于時間長 時間暴露于接近例如100 °C或更高的溫度時，電容相對于時間可表現(xiàn)出減少量的漂移，與例 如在此溫度范圍內(nèi)顯示正斜率的電容的組合物（如本文實例中的圖3所證實）形成對比。此 外，此類組合物及由其制成的電容式感測元件可在L-C電路中提供增強(qiáng)的性能（例如，可抵 抗老化的影響），甚至當(dāng)它們長時間被保持在高強(qiáng)度電場中時(諸如，當(dāng)用于監(jiān)測高電壓線 纜的溫度時)也是如此。（在監(jiān)測例如基本上不存在電場的機(jī)械部件和聯(lián)動裝置的溫度時當(dāng) 然不存在此類考慮）。
[0016]圖2示出了實驗觀察的材料(工作實例1)的相對電容，該材料的電容對溫度在約30 °C至150°C的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出負(fù)斜率(并且用于比較，顯示了在該溫度范圍內(nèi)具有正斜率 的比較例材料的相對電容）。應(yīng)當(dāng)理解，所計算的相對電容變化將基于用作基準(zhǔn)點的溫度和 電容而產(chǎn)生一定程度的變化(還應(yīng)注意到，電容隨