CN102112181A - 使用热电发电机的火焰检测和抑制系统 - Google Patents

使用热电发电机的火焰检测和抑制系统 Download PDF

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Abstract

提供用于阻止处理装置着火和/或爆炸的装置和方法。尤其，所述装置和方法利用塞贝克传感器或热电发电机来检测处理装置内的火焰前沿或爆燃波的传播。检测到爆燃波时，系统控制器激励化学抑制剂或隔离阀门形式的缓和装置以便防止损坏处理装置。

Description

使用热电发电机的火焰检测和抑制系统
有关申请
本申请要求2008年7月3日提交的美国临时专利申请61/078,131的权益，该申请全部引用在此作为参考。
技术领域
本发明一般涉及在灭火和防爆系统中使用塞贝克(Seebeck)设备。通常，把塞贝克设备设置在诸如容器和连接管道之类的处理装置中，并且用于检测爆炸的火焰前沿。在检测到火焰前沿时，系统激励灭火机构，例如，该灭火机构释放灭火剂或关闭阀门，防止火或爆炸传播到周围或互连的装置中。
背景技术
当处理易燃材料时，粉尘爆炸是一个不幸但很实际的问题。在许多情况中，爆炸缓和系统的功效取决于所涉及的粉尘的类型。
传统的爆炸抑制系统一般使用光学传感器“可见地”检测处理装置中的火焰。大多数通常检测红外辐射的光学传感器是十分简单和不昂贵的设备。光学传感器的优点在于它们给出很快的响应时间，然而，这些传感器还展现出一些显著的缺点。光学传感器可能会经受“杂散”辐射，因此在传感器可能暴露于环境光的风洞出口处或附近不能够使用它们。此外，传感器会由于处理装置中产生的粉尘而变成“失明”。
也可以使用压力传感器来检测爆炸产生的压力前沿。然而，与光学传感器极相像，压力传感器在不能够形成压力前沿的风洞出口处或附近也不能很好地工作。
已普遍用于各种类型的烟雾检测器的离子化检测器也表现出某些缺点。最显著地，离子化检测器不直接测量火焰，并且具有有限的生存能力。
发明内容
在一个实施例中，本发明针对与处理装置一起使用的火和/或爆炸保护系统。该系统包括至少一个检测器，用于发出在处理装置中检测到火焰的信号。至少一个检测器包括两个相对的基板以及位于这两个基板之间的成对的热电焊脚的阵列。至少一个检测器响应于由爆燃波在这两个基板之间形成的温度差，产生一电信号。该系统还包括：处理器，用于接收和分析来自至少一个检测器的电信号；以及缓和装置，处理器响应于来自至少一个检测器的电信号而驱动该缓和装置。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种用于检测处理装置内的爆燃波的方法。该方法包括在处理装置中设置至少一个检测器，所述检测器包括两个相对的基板以及位于这两个基板之间的成对的热电焊脚的阵列。至少一个检测器响应于爆燃波所形成的温度差，产生一电信号。
在根据本发明的再另一个实施例中，提供一种防止处理装置着火或爆炸的方法。该方法包括在处理装置中设置至少一个检测器，至少一个检测器包括两个相对的基板以及位于这两个基板之间的成对的热电焊脚的阵列。通过响应于由爆燃波在基板之间形成的温度差而产生一电信号，该检测器被用于检测爆燃波的存在。把该信号被发送到包括处理器的控制单元。处理器接收该信号，并且响应于该信号而驱动缓和装置。
附图说明
图1示出根据本发明可以使用的示例性塞贝克传感器；
图2是示出塞贝克效应的热电焊脚对的示意图；
图3是使用塞贝克传感器的示例性火焰/爆炸抑制系统的示意图；
图4是在火焰/爆炸抑制系统中使用的示例性塞贝克传感器设备的透视图；
图5是来自包括塞贝克传感器的图4的一部分的特写视图；
图6是示出可以与本发明一起使用的“标准的”TEG设备在层流条件下的响应时间的图；
图7是示出可以与本发明一起使用的“减少厚度的”TEG设备在层流条件下的响应时间的图；
图8是比较两个TEG设备与传统光学火焰检测器的响应时间的图；
图9是示出可以与本发明一起使用的“标准的”TEG设备在层流条件下的响应时间的图；
图10是示出可以与本发明一起使用的“减少厚度的”TEG设备在层流条件下的响应时间的图；
图11是比较层流条件下从TEG设备产生的信号的速率和量值的图；以及图12是比较湍流条件下从TEG设备产生的信号的速率和量值的图。
具体实施方式
已知与本发明一起使用的检测器有热电发电机(TEG)、塞贝克传感器或珀耳帖(Peltier)冷却器，下面互换地使用这些术语。根据本发明使用的TEG采用塞贝克效应的优点，该效应把温度差直接转换成电。在两个不同的金属或半导体之间存在温度差时建立了电压即热电EMF，并且可以用于建立连续的电流。塞贝克效应与珀耳帖效应相反，如果把电源提供给热电设备，则珀耳帖效应产生冷却。
在某些实施例中，TEG包括设置在两个相对基板之间的成百个微型热电偶(每个热电偶包括独立的热电焊脚对)。在图1中示出和在下面进一步描述示例性TEG设备。这些设备可操作而把上和下表面或基板之间的热差转换成电流。图2示意性地示出示例性热电焊脚对和由于设备的“热”和“冷”侧之间的温差引起的电压的产生。然后可以使用电压来产生通过负载的电流。
如图1所示，TEG设备2包括一对相对的硅基板3和4。夹在基板3和4之间的是多个负焊脚5和正焊脚6，它们包括从一个组中选择的材料，这个组包括铋(Bi)、锑(Sb)、碲(Te)、和硒(Se)。在某些实施例中，这些焊脚包括Bi2Te3材料。把这些焊脚分别连接到正接触点7或负接触点8。可从德国Frieburg市的Micropelt GmbH公司得到可以与本发明一起使用的示例性TEG设备。
在TEG设备上的热电焊脚对的密度也会影响设备检测爆燃波的效率。在某些实施例中，TEG包括每平方毫米上至少40对热电焊脚对。在其它实施例中，TEG包括至少75对焊脚对/毫米2，在再其它实施例中，至少100对焊脚/毫米2，在再有的其它实施例中，至少150对焊脚/毫米2。在一个特定的较佳实施例中，TEG包括约77对焊脚/毫米2。在本发明的另外的实施例中，TEG提供的密度在约40到约500对焊脚/毫米2之间，或在约50到约400对焊脚/毫米2之间，或在约70到约300对焊脚/毫米2之间。
在本发明的某些实施例中，TEG是极薄的小型的设备，其中每个基板提供小于25毫米2的检测平面面积(即，热电焊脚对占据的TEG的面积)。在一个特定的实施例中，每个基板的检测平面面积约为6.25毫米2。每个基板还具有小于600微米的厚度。在某些实施例中，这个厚度小于500微米，或小于250微米，或小于约200微米。在再其它的实施例中，基板厚度在约1到约600微米之间，或在约5到约500微米之间，或在约10到约250微米之间。因此，实际上在处理装置中的任何位置处，TEG都能够无障碍地使用。
TEG的物理尺寸对于所提供的极短响应时间有贡献。“响应时间”意味着TEG从零到达其峰值输出的时间。与本发明一起使用的TEG一般展现出小于10毫秒的响应时间。在某些实施例中，响应时间可以小于5毫秒，或甚至小于约2.5毫秒。在再其它的实施例中，响应时间可以在约0.01到约10毫秒之间，或在约0.1到约5毫秒之间，或在约0.5到约2.5毫秒之间。与本发明一起使用的TEG的一个特定实施例提供210微米的基板厚度以及约2.2毫秒的检测时间。这与许多传统的热流传感器相反，传统的热流传感器展现出10毫秒或更大数量级的响应时间。
图3示意性地描绘塞贝克传感器在示例性火焰/爆炸抑制系统中的使用。处理装置10位于建筑物12内，并且包括排放导管14(一般为管或管道)，以使处理装置排空到建筑物12周围的大气中。注意，在另外的实施例中，导管14可以可操作地使装置10连接附加的处理装置。示出火焰/爆炸抑制系统16包括安装在导管14的出口20附近的塞贝克传感器18以及安装在导管14的入口附近的传统的红外或光学检测器22。塞贝克传感器18和红外检测器22两者可操作地连接到控制器24。根据特定的应用，传感器18、检测器22和控制器24之间的连接可以是有线的或无线的。火焰/爆炸缓和装置26也位于导管14上，并且可操作地连接到控制器24。如图所示，缓和装置26是保持抑制剂(包括但是不局限于水、粉末和气体抑制剂或它们的混合物)的容器，并且耦合到导管14，为的是能够把抑制剂引入其中。然而，要理解，缓和装置26可以包括另外的设备，这些设备包括机械隔离阀门(包括但是不局限于高速闸阀、夹管阀或其它快动作阀)或化学隔离系统。还要注意，可以把附加的塞贝克型传感器和/或传统的光学或压力检测器安装在要保护的整个装置的各个位置处。此外，不需要与其它类型的检测器一起使用塞贝克传感器，因为抑制系统16只包括塞贝克传感器是在本发明的范围内的。
在操作中，塞贝克传感器18和光学检测器22为了表示即将来临的火焰/爆炸的迹象而连续地被动地监视导管14。主要使用光学检测器22，例如，在可以表示即将来临的火焰/爆炸的导管中的特定位置处，检测红外光的强度的存在或红外光的强度的变化。然而，如果把检测器22设置在接近出口20的位置处，则检测器22对这个功能会无效，因为从建筑物12外环境进入导管14的环境光以及可能的粉尘或碎片会干扰检测器22检测到正形成的火焰/爆炸的存在和对此发出信号的能力。然而，塞贝克传感器18没有与这些相同的缺点。而是，传感器18可操作而凭借在传感器的相对的基板之间产生的爆燃波的临时温度梯度来检测火焰前沿或爆燃波(基本上，火焰前沿的热分量)。
当火焰前沿或爆燃波通过并且接触导管14中的塞贝克传感器18时，在传感器的基板之间产生温度梯度，从而产生发送到控制器24的电流或信号。在到控制器24的途中，可以或可以不对电信号进行放大。
在检测到表示导管14中存在火焰前沿或爆燃波的信号时，控制器24可以激励缓和装置26从而把抑制剂释放到导管14中以灭火或抑制即将来临的爆炸。如上所述，还可以使用机械或化学隔离装置代替或附加于缓和装置26的抑制剂，以便阻止火焰或爆炸传播到其它的互连处理装置中。
TEG设备与用于测量热流的热点设备相反。不像热电那样，薄膜热电发电机只响应于动态温度差而产生电流。一旦设备的相对侧之间的温度差不再存在，设备就不再产生电压。当设备达到升高的温度处的热平衡时，TEG设备对于持续高温是不敏感的(传感器会忽略高的处理温度)，只有当温度快速改变时(像在爆炸或火焰通道的情况中)才会响应。这排除了对于在稳定环境条件和快速变化环境条件之间进行辨别的电子线路的需求。
由于通常由串联有线热电偶来构成塞贝克传感器，所以它们展示出作为热电偶的特征的EMI/RFI不敏感性的相同的有利水平。此外，TEG设备能够检测火焰的热签名特征而无需用于聚焦的透镜。不需要激励电流或电压，因为传感器从所检测的火焰得到的热产生它自己的电源。如上所述，TEG设备特别适用于检测没有建立显著的压力的、不密闭空间中的爆炸或火焰，诸如在排空的船只和管/管道出口中，以及在可能暴露于环境光(太阳、荧光灯、白炽灯等)的处理装置中的一些位置处。
在本发明的一个实施例中，如图4和5所示，根据本发明的传感器设备18包括附加到塞子30的末端28的TEG 2，塞子30提供基准热质以使TEG 2维持接近恒定的温度。配置塞子30，以致可以通过导管14的侧壁对它进行安装。当安装传感器设备18时，使末端28暴露在导管14内部，以致TEG 2处于检测表示即将来临的火焰或爆炸的火焰前沿或爆燃波的位置。可以用高热导率和电绝缘的环氧树脂覆盖没有暴露在导管14内部的TEG 2部分。环氧树脂提供塞子30和TEG 2之间的热和结构连接。塞子30还包括螺纹32，以便于把塞子30紧固到导管14上。还包括六角形段34，以致可以在扳手的帮助下把塞子30紧固到导管14上。电缆36从塞子30的远端38延伸，并且把TEG 2产生的电信号传送到，例如，控制器24。
在本发明的某些实施例中，由通过塞子30中的小孔并且连接到PCB(印刷电路板)的细导线传送TEG 2的电输出，例如，该PCB造成信号通过放大和/或转换成为4-20毫安的比例电流。如上所述，虽然来自TEG的信号强度是如此的，以致不必定需要信号的放大。
例子
在本例子中，测试两个大小的TEG设备的性能，并且与传统光学传感器进行比较。发现展现出优良响应时间的TEG设备极适用于火焰/爆炸抑制系统。
测试由德国Frieburg市的Micropelt GmbH公司提供的两个TEG设备。第一设备的每个基板具有520微米的厚度(20密尔，41密尔总高度)，指定的“标准MPG-602”，而第二设备的每个基板具有200微米的厚度(7.9密尔，16密尔总高度)，指定的“200微米MPG-602”。测试TEG设备的响应时间以确定它们在火焰/爆炸阻止系统中使用的适用性。把每个设备安装到1/8英寸NPT不锈钢塞子的末端以提供附加机构以及用于基准温度的热质。
在进行实验之前，在理论上考虑TEG基板的厚度是设备的响应时间的一个限制因素，考虑基板材料，硅，的热阻大大地大于检测平面材料(铋、锑、碲、硒)的热阻。通过减小元件基板的厚度，预期响应时间，或TEG从零的第一偏差到达其峰值输出的时间，将减少。然而，响应时间变化的量值是什么是不清楚的。还关心通过减少基板厚度还会伴随着最大信号输出的减小。为了测试这些理论，同时测试标准的TEG以及减小厚度的TEG，以保证对于每个TEG的相似的激励。
在4英寸直径聚碳酸酯管的相同的轴位置处把两个TEG设置成离开90度(每个离开垂直方向45度)。这个轴向站离开管道的出口大约一个直径。把甲烷和空气注入管道的相对的末端，在整个12英尺的管道中，建立空气中约5.3％甲烷的混合物(约0.56的等效比)。最初用玻璃纸密封这个末端以便于注入。在数秒延迟以允许管道中的任何湍流消散(注入过程的剩余物)之后，通过电产生的火花使混合物在注入位置处点火。来自这个点火的热以及通过然后的爆燃产生的初始热把玻璃纸密封烧穿，为燃烧气体提供了逃逸通路。这允许火焰前沿以不强迫的、接近层流的方式行进了管道的长度，产生了具有约1600K(1327℃)的绝热火焰温度的低发光度的火焰前沿。
以相同方式，用安装在包含TEG的测试部分的上游4英尺的小洗涤机测试湍流条件。当火焰前沿到达时，这个洗涤机在管道中产生湍流，通过在管道中建立的压力，对其前面的易燃混合物加压。这个湍流增加火焰通过测试部分的传播速率，减小每个TEG“看到”火焰的时间量。
层流爆燃
在层流燃烧配置中进行5次测试。使这些测试的结果归一化(到它们自己各自的最大值)，然后进行平均，以得到代表性响应波形。图6中示出标准TEG的响应波形以及它的伴随的变化率。可以从这个曲线中看到，标准TEG起初响应高的变化率。
减小厚度的TEG的图7的响应曲线(也是从5个不同的测试系列平均值产生的)在相同的激励下示出了惊人的响应。这个响应曲线示出最大响应率的增加为标准厚度TEG的最大响应率的2.2倍。在约3毫秒处到达峰值输出，并且在另一个3毫秒内返回。每个波形到达其峰值输出所采用的时间也是值得注意的。标准TEG在20毫秒内到达其峰值，而减小厚度的TEG在约3毫秒内到达其峰值。如果考虑这个为TEG的响应时间，则减小厚度的TEG的响应速率快约6.7倍。
更薄的TEG还示出在约7毫秒之后的热抑制的证明(在图上时间107毫秒处示出)，这可以表示作为爆燃波本身产生的湍流的结果的、TEG表面的燃烧后蒸发冷却和/或强制对流冷却的测量值。
然后对两个TEG设备的输出波形与Integra检测器检测元件(可从Fike公司得到的光学红外检测器，也称之为IREX或Integra传感器)的输出波形进行比较，如图8所示。这些波形之间存在数个不同的差异，最值得注意的是减小厚度TEG的尖锐的响应和返回到零值。在Integra检测器检测头在火焰实际上正在传感器前面之前和之后“看到”火焰前沿的同时，TEG不是这样的。它们仅在火焰实际接触TEG表面时才响应，这使得它们成为更敏感的火焰检测器。
图8中表示的数据是从一个测试到一个测试而时间对准的，以得到统计上重要的输出波形，而不管激励时间的差异。在层流测试中，发现从平均方面来说，减小厚度的TEG在标准TEG之前8毫秒开始响应于火焰前沿，因此确认了响应是TEG的热的加热要求的函数的理论。还发现，标准厚度TEG在Integra检测器检测元件之后8.4毫秒响应。相信这主要是由于Integra检测器的视角。
湍流爆燃
在湍流燃烧配置中重复这些测试，并且得到相似的结果。在图9和10的曲线图中示出这些结果。惊人地，减小厚度TEG的波形仅在2毫秒内就到达其峰值输出值，并且在2毫秒内返回到零之下，从而还展现出跟随火焰通道的冷却区域。这表现出与火焰宽度和传播速度的现象的一致性。平均地说，减小厚度TEG还在标准TEG之前约2毫秒就开始响应。
功率传送
为了确定厚度对峰值输出值和响应时间的作用，对所有测试的这些参数进行标绘。可以在图11和12中看到，厚度的减小不但增加了TEG的变化率(从而减小响应时间)，而且还不期望地增加输出值。相信可以通过TEG本身中存在的热梯度来说明这个现象。通过减小设备的总厚度，并且保持设备上相同的温度差，在TEG的检测平面上存在较大的温度差。由于TEG是通过把它的检测平面上存在的温度差转换成电压而工作的，所以这会增加输出信号电平。同样，由于在爆燃期间存在较少的热质进行加热，所以预期热梯度的建立和稳定要比较薄基板的情况快得多。

Claims (28)

1.一种与处理装置一起使用的火焰和/或爆炸保护系统，所述系统包括：
至少一个检测器，用于发出在处理装置中检测到火焰的信号，所述至少一个检测器包括两个相对的基板以及位于这两个基板之间的热电焊脚对的阵列，所述至少一个检测器响应于由爆燃波在这两个基板之间产生的温度差而产生一电信号；
处理器，用于接收和分析来自所述至少一个检测器的电信号；以及
缓和装置，所述处理器响应于来自所述至少一个检测器的电信号而驱动所述缓和装置。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个检测器具有至少40对焊脚/mm2的热电焊脚对密度。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述至少一个检测器具有至少75对焊脚/mm2的热电焊脚对密度。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个检测器对爆燃波的响应时间小于10毫秒。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述响应时间小于5毫秒。
6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述响应时间小于2.5毫秒。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述缓和装置包括：被引入到所述处理装置中以便抑制火焰或爆炸的化学抑制剂；用于隔离所述处理装置的多个部分的隔离阀门；或它们的组合。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每一个基板的厚度都小于600微米。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，每一个基板的厚度都小于500微米。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，每一个基板的厚度都小于250微米。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，来自所述传感器的所述信号在被所述处理器接收到之前不需要放大。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，来自所述传感器的所述信号被转换成比例电流输出以便传输到所述处理器，所述比例电流输出在被所述处理器接收到之前先被往回转换成一模拟电压。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一个检测器位于暴露在环境光中的所述处理装置的一个区域之内。
14.一种用于检测处理装置中的爆燃波的方法，所述方法包括：在所述处理装置中设置至少一个检测器，所述至少一个检测器包括两个相对的基板以及位于这两个基板之间的热电焊脚对的阵列，所述至少一个检测器响应于由爆燃波产生的温度差而产生一电信号。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述至少一个检测器具有至少40对焊脚/mm2的热电焊脚对密度。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述至少一个检测器对爆燃波的响应时间小于10毫秒。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，每一个基板的厚度都小于600微米。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述至少一个检测器位于暴露在环境光中的所述处理装置的一个区域之内。
19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述至少一个检测器位于通向所述处理装置外的环境的一个开口附近的所述处理装置的一个区域之内。
20.如权利要求14所述的方法，其特征在于，由所述至少一个检测器所产生的电信号被用于激励缓和装置。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述缓和装置包括：被引入到所述处理装置中以便抑制火焰或爆炸的化学抑制剂；用于隔离所述处理装置的多个部分的隔离阀门；或它们的组合。
22.一种保护处理装置以免着火和/或爆炸的方法，所述方法包括：
在处理装置中设置至少一个检测器，所述至少一个检测器包括两个相对的基板以及位于这两个基板之间的热电焊脚对的阵列；
使用所述至少一个检测器检测爆燃波的存在，所述至少一个检测器响应于由爆燃波在这两个基板之间产生的温度差而产生一电信号；以及
把所述电信号发送到包括处理器的控制单元，所述处理器接收所述信号并且响应于所述信号而驱动缓和装置。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述至少一个检测器具有至少40对焊脚/mm2的热电焊脚对密度。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述至少一个检测器对爆燃波的响应时间小于10毫秒。
25.如权利要求22所述的方法，其特征在于，每一个基板的厚度都小于600微米。
26.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述至少一个检测器位于暴露在环境光中的所述处理装置的一个区域之内。
27.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述至少一个检测器位于通向所述处理装置外的环境的一个开口附近的所述处理装置的一个区域之内。
28.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述缓和装置包括：被引入到所述处理装置中的化学抑制剂；隔离阀门；或它们的组合。
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