CN102249681A - 用于环境传感的传感器系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明名称为用于环境传感的传感器系统和方法。提供传感器系统和用于检测严酷环境条件的关联方法。该传感器系统包括至少一个传感器，其具有电传感元件。该电传感元件基于某些类别的复合材料：(a)碳化硅(SiC)；(Mo，W)₅Si₃C；(Mo，W)Si₂；或(b)(Mo，W)₅Si₃C；(Mo，W)Si₂；(Mo，W)₅Si₃。该传感器系统对于确定严酷环境条件是有用的。还描述包括传感器系统中的至少一个的气化系统。

Description

用于环境传感的传感器系统和方法

技术领域

本发明涉及用于环境条件检测的传感器和方法，并且更特别地涉及用于物理和物理化学传感应用的传感器和方法。

背景技术

在严酷环境中使用的传感器的关键性能指标包括承受极端环境条件的能力以及高选择性和灵敏度。因此，传感器材料的适当选择是传感器性能和应用中的考虑中之一。

已经用于耐严酷环境应用的材料的非限制性示例是耐火复合材料。例如碳化硅等典型的耐火材料是通过粉末冶金技术生产的已知耐热材料。在一些情况下，该材料的劣势是高孔隙率和形成裂纹的倾向性(特别在温度循环后)。该材料在温度循环(重复加热到操作温度并且在该操作后冷却)期间和在急剧温度变化条件下可以具有不足的稳定性。

常规用于在高温环境中防护热电偶和形成光纤传感器的材料常常包括致密碳化硅(SiC)陶瓷材料，例如Hexalloy^TM等。这些材料能够承受一些高温环境，但可能不能承受在高温设备和系统(例如，燃烧系统或气化器系统)中存在的热机械或热化学环境。

因此，需要有能够承受例如高温、高压和严酷热机械或热化学条件的严酷环境的传感器。该传感器还应该展现对环境条件中的变化的足够灵敏度。

发明内容

本发明的实施例中的一个或多个提供用于通过使用该传感器检测环境条件的传感器系统和方法。该传感器系统包括传感元件，其特别耐严酷环境条件。

在一个实施例中，提供传感器系统。该传感器系统包括至少一个传感器，其包括电传感元件。该电传感元件包括从由(a)和(b)构成的组中选择的复合材料；其中(a)包括碳化硅(SiC)、(Mo，W)₅Si₃C和(Mo，W)Si₂；并且(b)包括(Mo，W)₅Si₃C、(Mo，W)Si₂和(Mo，W)₅Si₃。

传感器可以响应于至少一个环境条件或环境事件。传感器包括电阻传感元件，其中该电阻传感元件用如上文提到的复合材料形成，并且在下文进一步描述。传感器系统进一步包括：能够传递电力给该电阻传感元件的电源；以及电压测量装置以测量横跨该电阻传感元件的电压差。

在再另一个实施例中，传感器包括电容传感元件，其中该电容传感元件包括两个电极，并且用如本文描述的复合材料形成。传感器系统进一步包括：能够传递电力给该电容传感元件的电源；以及电容测量装置以测量横跨该电容传感元件的电容。

在另一个实施例中，提供气化系统，其中该气化系统包括气化器和设置在该气化器的至少一个壁上或内的至少一个传感器系统。该传感器系统包括至少一个传感器，其包括电传感元件。该电传感元件包括从由(a)和(b)构成的组中选择的复合材料；其中(a)包括碳化硅(SiC)、(Mo，W)₅Si₃C和(Mo，W)Si₂；并且(b)包括(Mo，W)₅Si₃C、(Mo，W)Si₂和(Mo，W)₅Si₃。该传感器系统进一步包括传递电力给该电传感元件的电源，以及电测量装置以测量横跨该电传感元件的电性质。

附图说明

当下列详细说明参照附图(其中相似的符号在整个附图中代表相似的部件)阅读时，本发明的这些和其他的特征、方面和优势将变得更好理解，其中：

图1是包括电阻传感器元件的传感器电路的实施例的顶视图。

图2A和2B图示分别在关联基底的尺寸改变之前和之后的传感器系统的传感配置，其中该传感器系统包括电阻传感器。

图3A和3B图示分别在关联基底的尺寸变化之前和之后的传感器系统的传感配置，其中该传感器系统包括三个电阻传感器。

图4是包括电容传感器元件的传感器电路的实施例的顶视图。

图5A和5B图示分别在关联基底的尺寸变化之前和之后的传感器系统的传感配置，其中该传感器系统包括电容传感器。

图6A和6B图示分别在关联基底的尺寸变化之前和之后的传感器系统的传感配置，其中该传感器系统包括三个电容传感器。

图7A和7B是示出暴露于高温熔融铜(Cu)的铸铁部件的照片。

图8是示出Hexalloy^TM(商用碳化硅)试样的照片，其不包括耐火硅化物涂层材料。

图9A和9B分别是示出在用耐火硅化物材料制作的块体和涂覆有耐火硅化物材料的铸铁试样的表面上的Cu熔融材料的沉积的照片。

图10示出在具有严酷环境传感器(监测砖的物理退化(degradation))分布的气化腔中的砖壁。

图11示出图示电阻作为耐火复合材料的温度的函数的图表。

当下列详细说明参照附图阅读时，本发明的这些和其他的特征、方面和优势将变得更好理解。

具体实施方式

本发明的实施例包括传感器系统(其包括电传感元件，其中该电传感元件是复合材料)，以及用于检测环境条件的关联方法。

在下列说明书和权利要求中，单数形式“一”和“该”包括复数指示物，除非上下文另外明确指示。

如本文使用的，术语“传感器元件”或“传感元件”指响应于物理或化学刺激并且传送作为该刺激的结果的可测量脉冲或信号的任何部件。从而，该传感器元件可采用例如电导体的导体形式。这些导体可在装置中的任何特征和任何附加部件(例如，电源、电检测部件、信号处理器等)之间导电。(这些附加特征可直接附加到传感元件，或它们可间接附加)。

本发明提供包括耐严酷环境条件的传感器材料的传感器系统。如本文使用的，术语“严酷环境条件”指具有下列条件中的一个或多个的环境：高温(T＞250℃)、高压(P＞0.7MPa)、高电压(＞1000V)、高电流(＞1000A)、高腐蚀性水溶液(pH＞10或pH＜4)、高伽玛辐射(γ射线剂量＞1000Mgy)或热中子通量(＞1018n/cm2s)。严酷环境可进一步包括例如高湿度(RH＞85％)、高振动(f＞1Hz)、腐蚀性气体(例如，H₂S、HCl、CO、SO₂)或其的组合等条件。严酷环境的非限制性示例进一步包括化学或热化学反应性环境，和暴露于机械应力，例如振动、应变、侵蚀或由于系统内的碎片的物理损伤等。化学反应性环境包括氧化、还原或腐蚀性环境。氧化环境的示例包括但不限于水和氧气。还原环境包括但不限于氢和碳氢化合物；并且腐蚀性环境包括但不限于硫化和卤化物环境。

严酷环境的特定示例是气化系统的内部环境，其中腐蚀可产生于在系统中存在的硫化氢、氯化物或氧化物残渣(例如，CaO-Al₂O₃-SiO₂-FeO-MgO)。在一个实施例中，机械应力从由于热循环或热失配引起的材料应变发展而来。当残渣在气化腔中向下移动并且当残渣、灰、或大片碎片积累而形成涂层或使元件退化时发生侵蚀。另外，在气化器环境中，热化学反应可以导致在经受升高的温度的同时基底(例如，耐火砖内衬)的变化和/或耐火碳化硅传感材料化学的变化。在传感器元件中的热致相变还可以改变电阻。

如本文使用的术语“电阻变化”或“电容变化”指由于一个或多个环境变化引起的传感元件中发生的变化。环境变化包括但不限于传感器设置在其中的耐火砖内衬的侵蚀。通过内衬的磨损、侵蚀、固态扩散或腐蚀的尺寸变化导致传感器电阻或传感器电容的变化，其可以测量。

如本文使用的术语“基底”指耐火碳化硅传感材料设置在其上的电绝缘材料。除提供电绝缘外，该基底可提供机械支撑并且可进一步保护传感器免受严酷环境影响。在一些情况下，术语基底也用于指传感器设置在其内或其顶上的基底。这可包括例如耐火砖(其用于形成气化器系统的内衬)、低合金钢(其常常用于形成气化器系统的压力容器壁)和非含铁金属(non ferrous metal)(其常常用于构建气化器系统的热交换器)。

如本文使用的术语“基底的退化”指由传感环境中的侵蚀、热化学蚀刻或灾难性事件引起基底中的变化。环境事件导致基底材料的物理大小或形状中的退化或变化，其可减小或增加和/或可引起基底中裂纹的形成。“耐退化”意味着耐上文提到的变化。

如本文使用的术语“最佳操作电阻”指电阻值的范围，其对于处理来自在正常操作条件下的传感器系统的电信号是最佳的。典型地该最佳操作电阻值在大于0.010ohms和小于10,000ohms之间的范围中。

本发明的各种实施例描述传感器系统，其包括至少一个传感器(包括电传感元件)，其中该电传感元件包括复合材料。该传感器系统可进一步包括：电源，其能够传递电力给该电传感元件；和测量装置以测量横跨该电传感元件或其内的电性质中的至少一个变化。在一个实施例中，传感器可在严酷环境中操作。

复合材料的传感特性可以通过部分基于“严酷环境”的特定类型改变材料中存在的硅化物组成的量和类型而修改和增强。具有各种成分、化学计量和相分数的硅化物的添加导致具有不同微结构特性(相的互相排布、它们的大小和形状、晶体取向等)并且因此具有指出的有用性质的不同组合的材料。硅化物合金元素的更高浓度可减小电阻。传感器材料的一些成分预期提供优异的耐热震性。其他的成分也可承受从1500℃的多个水淬火(water quench)而无可见退化。该传感器成分还可提供良好的耐硫化性。材料常常耐由气化器残渣的侵蚀，并且可以具有比现有技术传感器材料更高的热导率和电导率。

传感器的复合材料包括碳化硅(SiC)、(Mo，W)₅Si₃C和(Mo，W)Si₂；或(Mo，W)₅Si₃C、(Mo，W)Si₂和(Mo，W)₅Si₃的组合。在复合传感器材料中，钨对钼的摩尔比可在从大约0∶1到大约9∶1的范围中。

关于传感器材料组成中的调节，以钼为代价的钨的相对含量增加通常增加耐热性和耐热震性和温度循环特性。

在一些特定实施例中，复合材料具有下列成分比(vol.％)：

在一个实施例中，(W，Mo)的元素代替物可从Nb、Ta或Re选择(可高达大约30％)。在另一个实施例中，(W，Mo)可由Hf、Zr或Ti代替(可高达大约5％)。在备选实施例中，Si可由Ge代替高达大约100％。在一个实施例中，碳可以由硼代替高达大约20％。

在本发明的一些实施例中，复合材料包括占用高达大约40％材料体积的孔隙。该多孔性对于增加电阻或增加材料的耐热震性是有用的。

现在参照附图，传感器系统的实施例在图1至图6A和6B中大体上示出并且参照此。在图1中，传感器系统包括传感器，其包括电阻传感元件2。传感器系统进一步包括测量装置8，其可是例如电压表。传感器系统可进一步包括基底4，并且该电阻传感元件可直接设置在该基底上。在备选实施例中，该电阻传感元件可设置在介入元件或其他材料层之上。在再另一个实施例中，该电阻传感元件可设置在基底自身内。

电源6可用于提供交流(AC)或直流(DC)给传感器电路，其包括电阻传感元件2。电阻传感元件2可配置成以便得到最佳操作电阻。在一个实施例中，传感元件2可与基底4联合操作。在该示例的备选实施例中，当传感元件2作为整体特征存在而无单独基底存在时，传感元件2可是可操作的。在非限制性示例中，电阻传感器可用于在高温、严酷环境应用中测量温度或其他环境变化或事件。

电阻传感元件可适应于具有曲折设计(例如，不规则，不具有特定方向或图案)，或蛇形设计或类似的，以提供对传感元件的材料性质中的任何变化的增加的传感器响应。在一些实施例中电阻传感元件可采用从蛇形、十字形、环形、矩形、正方形、线形、不规则或这些形状的任意组合选择的形状配置。

传感器系统可进一步包括测量装置以实现电性质中的至少一个变化的测量。该电性质可以横跨电传感元件测量。例如，电压表可在传感器系统中存在，其中该电压表在已知电流条件下测量电压，使得传感器的电阻可以通过使用公式V＝I×R确定。电压变化直接与电阻传感器材料的电阻变化成比例。在一个示例中，环境条件的变化(例如温度变化)将影响传感器材料的电阻率，其将进而由在已知电流条件下的测得的电压变化反映。在另一个示例中，如通过在已知电流条件下测量横跨元件的电压降确定的电阻传感元件的电阻可作为由于侵蚀、腐蚀、磨损或这些的组合引起的传感器嵌入其中的材料的衰退(recession)的结果而改变。当电阻传感元件随它的基体(matrix)缩减(recede)时，测量的电阻增加。

图2A和2B示出传感器系统，其中电阻传感元件(12)设置在基底(10)上。该基底是耐火砖。传感器包括电压表14和电源16。该传感元件12能够传感环境变化。在一个示例中，该环境变化可是温度。例如，基底(10)可以从右向左侵蚀(如由箭头示出的，在图2A和2B两者中)，产生减小体积的基底(18)，如在图2B中示出的。例如，体积变化可产生于长度、宽度或厚度变化。传感元件(12)在图2B中保持完好无损，并且电阻传感元件能够传感环境中的变化，即使在基底侵蚀或退化后仍可以。在一个实施例中，基底可是气化器耐火砖。在该情况下，当隔热砖在严酷气化器环境中侵蚀时，传感器可反映温度增加。电阻传感器12可作为整体件存在而没有基底。在一个实施例中，电阻传感器12可设置在比耐火砖更耐侵蚀的基底上。在再另一个实施例中，在图2A中的电阻传感器可随砖一起侵蚀，从而通过电阻的急剧增加来指示砖的衰退。

在一些实施例中传感器系统可包括两个、三个、四个或更多传感器，每个包括电传感元件。作为一个图示，图3A和3B示出包括三个分立传感器S1、S2和S3的传感器系统。在图3A中传感器设置在基底20上。在一个实施例中，基底(20)是在气化器中存在的耐火砖。每个传感器(S1、S2和S3)具有独立电压表(分别是22、24和26)和电源(分别是28、30和32)。每个传感器能够测量传感器电阻，其可产生于在至少一个环境条件中的变化。在一个非限制性示例中，传感器能够测量电阻变化，其可产生于温度变化。在特定实施例中，基底(20)可易于受环境条件或环境事件影响，其引起体积减小或可引起从右侧向左(如由图3A和3B中的箭头示出的)的侵蚀，产生具有减小体积的基底(34)，如在图3B中示出的。结果，S1和S2已经受损，引起电阻激增。该情况可导致开路。即使在基底的侵蚀或退化后保持完好无损的传感器S3(如在图3B中示出的)可用于测量损伤强度。此外，横跨传感器S3的电阻可用于检测温度变化。

在图4的实施例中，传感元件是平行板电容器，包括由电绝缘基底38分开的一对平行导体，即传感器元件板(35、36)，形成“夹层结构”。由设置在基底上的电容传感元件覆盖的空间可描述为传感区。电传感电路可包括测量装置。该测量装置可是电容表(40)。传感器系统还可包括用于传递电力给电传感元件的电源(42)。当该电源42激活时电势差可在导体之间产生。该电源可是交流(AC)或直流(DC)电源。

在一个示例中，基底材料具有介电常数ε_r，其可作为环境条件的函数改变。在一个实施例中，电容传感器元件测量作为温度的函数的基于基底介电常数变化的电容变化。在其他实施例中，环境事件可包括化学变化或热化学变化。

平行板传感元件的电容由以下给出，

C＝ε_r.ε_0.A/d；

其中C是以法拉(F)计的电容，A是两个板的重叠面积(按平方米测量)，d是板之间的间距(以米计来测量)，ε_r是板之间的材料的相对静态电容率(有时叫做介电常数)，并且ε₀是自由空间的电容率，其中ε₀＝8.854×10^-12F/m。如果板面积的变化由ΔA表示，并且电容变化由ΔC表示；那么：

                   ΔC＝ε_r.ε_0.ΔA/d。

因此，ΔC可以使用电容表测量。因为ΔC与ΔA成比例，电容变化提供可产生于环境变化的板尺寸的变化的直接测量。

在一个示例中，基底的面积变化可产生于基底的尺寸变化。基底尺寸的变化可产生于温度变化。对于备选示例，即使处于恒定温度条件，基底体积由于腐蚀或侵蚀而减小，导致电容变化。因此，基底尺寸的变化与电容的变化成比例，如在图5A至6B中图示的。在一个实施例中，基底是在气化器系统中的耐火砖，并且环境条件中的变化引起砖(基底)磨损，其导致基底的体积变化。在一个实施例中，基底的体积缩减，其中介电性质保持没有改变(如在图5A和5B中示出的)。在备选实施例中，由于电极之间的介电层的衰退，介电性质变化是可能的。在另一个备选实施例中，可存在电容传感元件中的变化，而基底的体积保持不变。在图6A和6B中，电容元件的物理劣化由砖的衰退引起。

图5A和5B示出设置在具有特征介电常数ε_r的基底(44)(例如，耐火砖)上的电容传感元件(46)。在一个实施例中，该基底是气化器中的耐火砖。该电容传感元件连接到传递电力给该元件的电源(52)，和电容测量装置以测量电容(电容表或CM)(50)。测量的初始电容C₁可以由以下表示：

                    C₁＝ε_r.ε_0.A₁/d

其中，ε₀是自由空间的电容率，A₁是平行电容器板的面积(如在图5A中示出的)，并且d是平行板之间的距离。基底(44)(具有面积A₁)从右向左侵蚀，产生具有减小体积、具有所得面积A₂的基底(48)，在图5B中示出。即使在环境变化或事件后电容传感元件(46)保持完好无损。由电容传感元件覆盖的基底的面积现在是A₂(如在图5B中示出的)。因此，在电容传感元件下不再存在的面积是(A₁-A₂)。基底的面积减小，其改变传感器元件的电容。缺乏介电材料的电容C₀由以下表示：

                 C₀＝ε_0.ε_2.(A₁-A₂)/d

在其之间仍然具有基底的传感器元件的部分的电容C₂可以由以下表示：

                       C₂＝ε_r.ε_0.A₂/d

因此，在基底侵蚀后的等效电容C_eq(其中基底部分填充平行电容传感器元件之间的面积)是：

         C_eq＝C₀+C₂＝ε_0.ε_2.(A₁-A₂)/d+ε_r.ε_0.A₂/d

因此，在基底侵蚀后，传感器的电容C₀将减小，使得C₀＜C₁。因此，等效电容C_eq是面积变化的函数和面积的相对电容率ε_r的函数。

在另一个实施例中，在图5A中的传感器元件经受与耐火砖一起的衰退，使得：

                     C₀＝ε_r.ε_0.A₁/d

并且：

                     C₂＝ε_r.ε_0.A₂/d

因此，在传感器元件和基底的侵蚀后的等效电容C_eq(其中基底填充平行电容传感器元件之间的面积)是：

                 C_eq＝C₂＝ε_r.ε_0.A₂/d

使得C_eq＜C₀。

图6A和6B示出利用三个电容传感元件C₁、C₂和C₃的传感器系统。所有传感器元件设置在基底(54)上。在一个实施例中，基底是气化器耐火砖。每个传感器(C₁、C₂和C₃)具有单独电容电压表(分别是56、58和60)和单独电源(分别是62、64和66)。每个传感器能够测量传感器电容，其可产生于在至少一个环境条件中的变化。基底随环境变化从右向左侵蚀(如由图6A和6B中的箭头示出的)，产生具有减小体积(55)的基底。侵蚀可以例如导致C₁和C₂的破坏。C₁和C₂当不能供应任何电容信号并且C₃保持完好无损时，在C₃中的电容信号可用于确定基底的侵蚀体积(在图6B中的55)。

如上文提到的，例如腐蚀或侵蚀等严酷环境条件可影响基底的尺寸，其可导致传感元件的电容变化。电容表可用于监测由于基底尺寸变化引起的电容变化。

在一个实施例中，基底可是耐火砖。耐火砖的面积或体积可随环境条件中的变化或随操作的严酷环境条件而改变。耐火砖延长暴露于热化学环境引起砖退化。这些环境或操作条件可导致砖磨损，其导致基底材料的体积变化，如在图6A和6B中示出的。因此，电容器的破坏可随基底材料的面积或体积的变化而发生，导致砖磨损量的测量。

传感器系统的基底可以包括绝缘体材料。在一个实施例中，基底是不导电材料。在另一个实施例中，基底可包括耐火材料，例如耐火氧化物材料等。材料可从氧化物、氮化物或其的组合选择。在特定实施例中，耐火材料是氮化铝(AlN)。传感器材料可通过热喷涂、物理气相沉积、丝网印刷和本领域内其他已知方法应用于致密AlN基底。传感器材料可以随后图案化为需要的传感器几何结构。在一个实施例中，AlN绝缘层可设置在耐火砖壁上或内，其使用本领域内已知的各种技术，包括浆料沉积工艺，例如丝网印刷等。

因为基底也与传感器联合在严酷环境条件中使用，基底的材料也必须耐这样的条件。例如，用于在气化器应用中使用的基底的材料必须耐受得住在至少大约1600℃的温度和至少大约600PSIG的压力时的退化。在一些实施例中，基底材料也耐受得住在至少大约10％的水汽浓度时的退化。

在许多实施例中，用于电容或电阻传感元件的基底包括介电耐火材料。作为非限制性示例，气化腔的壁典型地包括耐火砖，其可以充当在气化系统中使用的传感器的基底。在一个示例中，传感器系统可包含在腔壁的耐火砖内部，使得该壁充当传感器元件的基底。设置在砖壁内的传感器可响应于当砖壁侵蚀时如上文描述的物理、电或化学性质中的变化。在其他实例中，例如使用电阻传感器元件实施例中，传感器元件设置在耐火砖基底之上。

用于选择性地检测在气化腔中的至少一个环境条件的方法包括至少一个传感器在该气化腔的壁上的存放；其中至少一个传感器包括电传感元件。该传感元件可设置在基底上。在一些实施例中，在该气化腔的壁中的至少一个砖用作传感元件的基底。

该方法进一步包括参数的测量和气化腔中至少一个环境条件的检测，其中这些条件是之前描述的那些。

代表性传感器材料的耐严酷环境性使用具有和没有耐火复合材料涂层的铸铁样品测试，并且结果分别在图7A和7B中描绘。在另一个实例中，测试Hexalloy^TM材料(商用碳化硅)的残渣和耐温性，并且结果在图8至9A和9B中描绘。

现在参照附图，图10示出示范性系统：包括气化器单元和辐射合成气冷却器(RSC)的气化系统。该气化系统是用于将含碳材料(例如煤、石油、石油焦炭、生物质或甲烷、硫化氢或水汽)转换成一氧化碳、氢和二氧化碳的设备。图10描述气化系统82，包括气化器单元84，具有煤浆馈送注入器86。燃烧气体(合成气)、残渣、灰和煤从气化器出口90引入RSC88，并且产生的合成气通过管道传递到外部燃气涡轮机。电信号电缆92和95用于传递分别来自气化器单元和RSC中的传感器100和101的电响应以在接线盒94中终止。传感器可以设置在内壁上，和/或沿RSC的台板边缘(platen edge)设置，而其他设计在辐射合成气冷却器的气流中。传感信号询问系统96可以远程位于控制室中。数据用计算机98处理和分析。

在气化系统中的传感器响应可以用于维持气化腔内部的最佳条件。在气化系统的特定实施例中，化学反应环境包括氧化环境、还原环境或腐蚀性环境，如之前提到的。对于气化系统，来自含硫化合物、氯化物、氨和残渣(CaO-Al₂O₃-SiO₂-FeO-MgO)是常见的。在气化系统中，来自由于热循环和热失配引起的材料应变的机械应力是必须解决的问题。在气化腔中残渣在向下方向上的移动和大片碎片的退化导致腔中的侵蚀。另外，在气化器环境中，热化学相互作用是常见的，其中基底化学中的变化产生于易受环境中升高的温度影响的化学反应性物种。因此，系统内部或任何特别反应单元内的参数的测量对于保证系统中的稳定和最佳条件可是关键的。从而，气化系统或腔可包括一个或多个电阻传感器或电容传感器。

示例1：传感器材料的耐高温性质的确定

在一个实例中，传感器材料的环境耐受性在至少1085℃的温度使用铸铁样品(通过将该样品在真空中暴露于熔融高反应性铜(Cu))来测试。复合材料的成分(按体积百分比)是66.9％SiC、8.1％(Mo，W)₅Si₃C和(Mo，W)₅Si₃、6.9％(Mo，W)Si₂和18.1％体积孔隙率。Novotnyi相(Mo，W)₅Si₃C和(Mo，W)₅Si₃使用扫描电子显微镜是不能区别的，并且因此当报告成分时它们被包括在一起。(Mo，W)₅Si₃C和(Mo，W)₅Si₃的钨对钼的原子比是0.28；并且(Mo，W)Si₂的钨对钼的原子比是0.19。硅化物全部是硅化学计量的。

在对照设置(control set)中，未涂覆的铸铁部件暴露于融熔铜(74)，如在图7B中示出的。在测试样品中，铸铁部件涂覆有复合材料(72)，如在图7A中示出的。在复合材料涂层存在的情况下，对于测试样品没有铸铁材料与熔融铜的混合。然而，对于对照设置(其不具有该涂层)，铸铁材料不期望地与熔融铜(74)相互作用。因此，传感器材料具有承受升高温度条件的能力。

示例2：在气化器中的传感器材料的耐热化学性的确定

在另一个实例中，Hexalloy^TM(商用碳化硅)部件用作对照物，并且保持未涂覆(如在图8中示出的)。该部件在真空中暴露于处于大约1400℃至1500℃范围中的温度的残渣。该残渣在这些高温处于液体形式。Hexalloy^TM部件然后冷却到室温。部件的表面示出小润湿角。因此，在热化学环境中，残渣(76)(在图8中)发现粘结并且容易在Hexalloy^TM部件的表面之上摊开，由此腐蚀该部件。

为了确定在相似环境中的传感器材料性质，测试两个不同的样品部件。一个用耐火碳化硅复合材料的块体厚板制成，具有与在示例1中描述的那个相似的成分(图9A)。另一个样品用Hexalloy^TM材料形成，涂覆有与上文提到的相似的耐火碳化硅复合材料的膜(图9B)。该部件处于1400℃至1500℃之间的高温在真空中暴露于气化器残渣，其中该残渣处于液体形式，并且样品然后冷却到室温。部件的表面对于块体耐火碳化硅复合物(80)样品和涂覆有耐火碳化硅复合物的Hexalloy^TM样品(78)两者都示出不润湿行为。腐蚀性材料不润湿耐火碳化硅复合物块体和涂覆部件，导致减少的腐蚀。因此复合物传感器材料具有承受代表气化器的严酷环境条件的能力。

示例3：对温度变化的电阻传感器响应

传感器系统设计成包括传感器，其包括电阻传感器材料、一对电极、基底和电压测量装置。使用的该电阻传感器材料是具有与在示例1中提到的相同成分的耐火碳化硅复合材料。对于复合材料传感器，铂丝用于电路。铂丝附着到传感器的两侧。铂浆用于建立铂丝和耐火碳化硅材料之间的电接触。该浆料被热处理以在惰性气氛中烧结铂，产生如在图1中示出的用于电阻测量的设置。两条另外的铂丝附着到传感器的一侧。其中一条丝附着到电源，并且另一条丝附着到用于监测横跨传感器的电压的电压表。传感器的对侧具有相同的配置，其中两条铂丝分别联接到电源和电压表。传感器然后放置在炉中并且暴露于具有5％H₂的He气氛。炉的温度增加到1090℃，并且供应的电流是大约0.4Amp。电压表用于监测作为温度的函数的电压，并且耐火SiC的电阻使用方程V＝IR计算。

上文提到的测试的传感器响应在图11中示出的图表中图示。电阻值示出随温度增加而增加(如由在图11中虚垂直线之前的粗向上划线的曲线示出的)，其从大约200℃开始到大约700℃。图表还示出当温度进一步增加到1100℃时测量的电阻的意外减小(如由在图11中虚垂直线之后的细向下划线的曲线示出的)。该电阻意外减小的可能原因是由于铂丝到传感器材料的烧结。该电阻减小的似乎可能的原因不表现为材料自身的限制，而可能是连接线的材料的限制。要求接触材料的适当优化以解决该限制。预期更多适当接触材料的使用可减小该假象，并且可清楚地反映电阻率随温度递增的连续增加。因此，根据一个实施例，高温环境条件可以通过使用包括该电阻传感元件的传感器确定。

尽管仅本发明的某些特征已经在本文中图示和描述，许多修改和改变将被本领域内技术人员想到。因此，要理解附上的权利要求意在包含所有这样的修改和改变，它们落入本发明的范围内。

部件列表

Claims (10)

1.一种包括至少一个传感器的传感器系统，所述传感器包括电传感元件，其包括从由以下构成的组中选择的复合材料：

(a)  i)碳化硅(SiC)

     ii)(Mo，W)₅Si₃C；以及

     iii)(Mo，W)Si₂；

以及

(b)  i)(Mo，W)₅Si₃C；

     ii)(Mo，W)Si₂以及

     iii)(Mo，W)₅Si₃。

2.如权利要求1所述的传感器系统，进一步包括：能够传递电力给所述电传感元件的电源；以及测量装置以测量由环境事件或由环境条件中的至少一个变化引起的横跨所述电传感元件或其内的电性质的至少一个变化。

3.一种传感器系统，包括：

(I)至少一个传感器，其包括电阻传感元件，其中所述电阻传感元件用从由以下构成的组中选择的复合材料形成：

(a)  i)碳化硅(SiC)

     ii)(Mo，W)₅Si₃C；以及

     iii)(Mo，W)Si₂；

以及

(b)  i)(Mo，W)₅Si₃C；

     ii)(Mo，W)Si₂以及

     iii)(Mo，W)₅Si₃。

(II)能够传递电力给所述电阻传感元件的电源；以及

(III)电压测量装置以测量横跨所述电阻传感元件的电压差；

其中所述电压差由环境事件或由环境条件中的至少一个变化引起。

4.如权利要求3所述的传感器系统，其中所述电阻传感元件设置在基底上或嵌入其内。

5.一种传感器系统，包括：

(I)至少一个传感器，其包括电容传感元件，其中所述电容传感元件包括两个电极并且用从由以下构成的组中选择的复合材料形成：

(a)  i)碳化硅(SiC)

     ii)(Mo，W)₅Si₃C；以及

     iii)(Mo，W)Si₂；

以及

(b)  i)(Mo，W)₅Si₃C；

     ii)(Mo，W)Si₂以及

     iii)(Mo，W)₅Si₃。

(II)能够传递电力给所述电容传感元件的电源；以及

(III)电容测量装置以测量横跨所述电容传感元件的电容；

其中所述传感器响应于至少一个环境条件或环境事件。

6.如权利要求5所述的传感器系统，其中所述电容传感元件是电容器的部件，并且所述电容器包括由不导电基底分开的一对导体，使得电势差在所述导体之间存在，并且当所述电源激活时，所述电势差提供选择的电容。

7.如权利要求5所述的传感器系统，其中所述基底在所述导体之间具有选择的体积，并且至少一个环境条件或环境事件的变化引起所述选择的体积的变化，和所述选择的电容的随之发生的变化，其能够由所述电容测量装置测量。

8.一种气化系统包括：

气化器；以及

设置在所述气化器的至少一个壁上或内的至少一个传感器系统，其中所述传感器系统包括：

(I)至少一个传感器，其包括电传感元件，其包括从由以下构成的组中选择的复合材料：

(a)  i)碳化硅(SiC)

     ii)(Mo，W)₅Si₃C；以及

     iii)(Mo，W)Si₂；

以及

(b)  i)(Mo，W)₅Si₃C；

     ii)(Mo，W)Si₂以及

     iii)(Mo，W)₅Si₃。

(II)传递电力给所述电传感元件的电源；以及

(III)电性质测量装置以测量横跨所述电传感元件的电性质。

9.如权利要求8所述的气化系统，其中所述传感器的所述电传感元件与所述气化器壁的选择区域接触，具有选择的尺寸；并且至少一个环境条件或环境事件的变化引起所述选择的尺寸的变化，其引起电性质的随之发生的变化，其能够由所述电性质测量装置测量。

10.一种用于选择性地检测气化腔中至少一个环境条件的方法，包括设置至少一个传感器在所述气化器的壁上或内的步骤；其中所述传感器包括：

(I)设置在基底上的电传感元件，并且所述电传感元件包括从由以下构成的组中选择的复合材料：

(a)  i)碳化硅(SiC)

     ii)(Mo，W)₅Si₃C；以及

     iii)(Mo，W)Si₂；

以及

(b)  i)(Mo，W)₅Si₃C；

     ii)(Mo，W)Si₂以及

     iii)(Mo，W)₅Si₃。

(II)传递电力给所述电传感元件的电源；以及

(III)测量装置以测量横跨所述电传感元件或其内的电性质中的至少一个差别；其中所述环境条件通过改变所述电传感元件的所述电性质产生传感器响应。

Images