CN103814623A - 具有智能功能的智能加热电缆及制造该智能加热电缆的方法 - Google Patents
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Abstract
根据本发明，一种加热电缆具有混合结构，其中光缆传感器被结合到该加热电缆上以实现用于感知物体和该加热电缆温度的传感器的功能，从而提供能够随着温度的变化调整该加热电缆输出的积极的热量供应源。为此，本发明的智能加热电缆为伴热系统的使用提供智能加热。所述光缆包括加热元件和形成在加热元件外部表面的绝缘层和以光缆合并为温度传感器为特点。
Description
技术领域
本发明在一种或多种实施例中涉及提供智能加热的智能加热电缆以及制造该智能加热电缆的方法，更具体地，本发明涉及一种提供智能加热的智能加热电缆，其中，光缆传感器（optical cable sensor）嵌在伴热系统的加热电缆上，以至于所述加热电缆具有感知所述伴热系统温度的功能以精细地测量所述伴热系统中不易感知温度部分的温度，从而适当地控制所述加热电缆的输出，因此减少了不必要的能量消耗或防止了由于热量供应不足对所述加热系统的损害，以及一种制造所述智能加热电缆的方法。
背景技术
一般地，伴热系统是用来补偿由一个设备或物体，如管道或罐体，引起的热量损失的，或给物体提供均匀的热量，因此，可以防止物体因冻结而破裂或均匀地保持物体的温度。另外，伴热系统能够防止在混凝土板上形成霜冻或清除道路的积雪或者作为室内地板采暖系统被安装。
在伴热系统中，加热电缆是用来为安装有该系统的物体供应热量所必须的，加热电缆被构造成具有包括产生热量的加热元件的多层结构，用于保护加热元件的绝缘层和外部保护套，在该伴热系统中，加热电缆基于测量系统或物体的温度工作。例如，为了防止管道或罐体因冻结而破裂，当该系统的测量温度低于作为防止管道或者罐体因冻结而破裂的临界温度的基准温度时，接通伴热系统的电源以通过加热电缆给管道或罐体供应热量。
当测量的温度超过基准温度时，伴热系统断电从而中断加热电缆的工作，因此减少不必要的能量消耗。如果安装加热电缆以维持管道或罐体的温度，假如测量温度超过了预定温度范围的上限，加热电缆断电而中断供应热量。另一方面，如果测量温度低于预定温度范围的下限，加热电缆通电对物体供应热量。加热电缆的操作规则也适用于用于防止霜冻或冷冻或者加热房间。
为了有效和正确地操作伴热系统中的加热电缆，需要考虑加热能力适当地设计加热电缆，且需要及时并准确地测量伴热系统的温度。
常规的加热电缆包括加热元件、用于保护加热元件的绝缘层和外部外部保护套。基于通过外部温度传感器感知的温度变化以适当地调整加热电缆的输出，来控制加热电缆的供电。由于控制给加热电缆供电的必要温度被安装在物体上的温度传感器所测量，如罐体或者管道，所以，传感器的位置是至关重要的。
在常规的伴热系统中，测量该系统温度的传感器通常被安装在代表该系统温度的点上或暴露在严酷条件下的点上，测得的温度是用作控制加热电缆的操作的参考或用作检查该系统状态的基础数据。为此，该系统温度的测量是对系统有效的操作至关重要的以及，因此，在各个点上测量该系统的温度并基于此而操作系统是合理和适当的。
由于，在大多数情况下，温度传感器被安装在一个点上，例如代表物体的温度的点或暴露在严酷条件下的点，该温度传感器不能代表物体的整体温度。
虽然所描述的常规方法能够提供一种伴热系统的简单构造，但是它并没有考虑到测量整个物体的温度，而是将随后假定为整体温度的单个选定点作为用于控制系统的基础。通过这样做，能够实现简单的和常规的温度测量，然而不能提供物体的整体温度。然而，如果基于精确的物体的温度测量，必须控制热量供应，常规的方法提供这种适当的控制是无效的。
如果物体具有不均匀的温度分布，不能在所有的点配置传感器来测量物体的温度。因此，基于有限数量的点上测量的温度来调整加热电缆的热容量（thermal capacity）是低效和不恰当的。
在伴热系统的多个点上配置传感器并测量该伴热系统的点上的温度花费较高，另外，为了准确地测量整个系统的温度花费也较高。
发明内容
技术问题
因此，本发明致力于有效地解决上述缺陷并提供一种结合有光缆传感器的加热电缆，所述加热电缆能够该加热电缆本身的温度，这是常规的加热电缆无法实现的。因此，本发明提供了一种提供智能加热和对额外有效热量供应系统的自我诊断的智能加热电缆以及一种制造该智能加热电缆的方法。
技术方案
根据本发明的一些实施例，用在智能加热系统中的智能加热电缆包括加热元件和在所述加热元件外表面的绝缘外层。所述加热电缆具有与所述加热电缆相结合的光缆作为传感器的混合结构。
所述加热元件可以选自表现出电阻正温度系数（PTC）特性的聚合物加热元件（polymeric heating element），所述聚合物加热元件利用电能产生热量，金属电阻合金导体和铜导体中的任何一种。
所述聚合物加热元件可以包括，在组成所述加热元件的聚合物材料中，选自炭黑，金属粉末和碳纤维中的任何一种，作为表现出导电性的导电材料。
所述金属电阻合金导体可以包括选自铜-镍，镍-铬和铁-镍作为主要成分中的任何一种。
所述铜导体可以包括选自未电镀铜，镀锡铜，镀银铜和镀镍铜中的任何一种。
所述光缆可以由光纤，如玻璃光纤（glass optic fiber）或塑料光纤制备。
根据本发明的一些实施例，制造智能加热电缆的方法包括通过利用挤压成型形成，在加热电缆的加热元件的外部表面上，构造绝缘层以保护该加热电缆；在绝缘的加热元件上结合具有温度传感器作用的光缆传感器；通过铜丝编织或棉编织固定光缆传感器到绝缘的加热元件上，以及挤压外部保护套和实施后处理工艺。
有益效果
根据如上所述的本发明，提供智能加热的智能加热电缆被应用从而显著提高伴热系统的能量效率。另外，无法预料的严重危险，如火灾或爆炸，这些危险可能是在加热电缆使用过程中由加热电缆引起到系统的，能够被监控。此外，能够实时监控所述伴热系统的性能变化，这可能发生在安装在所述伴热系统中的所述加热电缆上，从而改善和保障所述伴热系统的稳定性。
根据如上所述的本发明，光缆被用作实时测量所述加热电缆或使用所述光缆的周围环境的温度变化和准确监控整个区域的温度变化和温度分布的传感器，所述加热电缆放置在所述光缆中。由于这种智能加热，所述伴热系统中不容易感知温度的部分的温度能够被精细地检查从而有效地供应设备必须的热量和减少能量消耗。
由于能够实时监控所述加热电缆的整个区域的温度变化，如上所述的本发明提供了所述加热电缆操作的方便和随时检查。基于随着时间推移的温度变化，发生在系统内的异常能够被观察和解决，由于不可预料的内部或外部情况或可能随着时间推移逐渐发生的降解现象而将在所述加热电缆设置在该系统内。另外，能够准确地检查和维修异常点从而实现简单的维修和进一步降低维修成本。
根据本发明所述的具有自我温度测量功能的所述智能加热电缆具有如下效果，这些效果是常规的加热电缆无法提供的。
1.能够准确地实时地检查整个系统的温度变化和温度分布；
2.实现高效节能；
3.能够准确观察由于热量过剩或热量不足而引起的异常点；以及
4.能够容易地发现异常点，从而降低维修成本。
同时，根据如上所述的本发明，除了智能加热，还能够实时测量设备和整个加热电缆的温度，从而优化所述伴热系统的能量效率。另外，如上所述的本发明具有通过实时跟踪所述加热电缆的温度变化监控所述伴热系统是否异常的有益效果。
附图说明
图1示出的是根据本发明至少一种实施例的具有安装在伴热系统中的提供智能加热的智能加热电缆的伴热系统的结构示意图；
图2示出的是根据本发明的至少一种实施例的提供智能加热的加热电缆的结构图；
图3示出的是根据本发明的至少一种实施例的使用提供智能加热的智能加热电缆来对整个长度加热电缆的温度测定的结果图。
图4到图6示出的是根据本发明的至少一种实施例的提供智能加热的智能加热电缆的说明类型图；以及
图7和图8是本发明至少一种实施例中使用的测量装置的示意图。
标号说明
10，20，30，40，70：加热电缆
21，32，41：加热元件 23，33，43：光缆传感器
50：温度控制单元 60：水浴
80：温度控制室
详细说明
本发明提供了一种具有在所述加热电缆内结合光缆传感器的混合结构的新加热电缆以通过使用所述光缆传感器来测定在其中安装有所述加热电缆的系统的温度和产生热量，从而基于测得的温度进行有效和适当的操作。
图1示出的是根据本发明至少一种实施例的具有安装在伴热系统中的提供智能加热的智能加热电缆的伴热系统的结构示意图。图1（b）示出的是本发明至少一种实施例的伴热系统的结构示意图；图1（a）示出的是与本发明至少一种实施例的所述伴热系统相比的常规伴热系统的结构示意图。
如图1所示，在新的伴热系统中，其中安装有根据本发明至少一种实施例的加热电缆，加热电缆10本身具有温度传感器的功能。因此，能够安装该温度传感器并能够测定加热电缆10的任何一点的温度，从而在该系统中准确地定位薄弱部分。
因此，基于该系统中的薄弱部分，能够控制该加热电缆的操作以实现高效操作和节能兼具的系统。
在图1（b）中，标号A表示温度测量区域而标号B表示该系统中的薄弱部分。
在一个常规伴热系统的例子中，如图1（a）所示，在安装有温度传感器的点5处测定温度，但是，点5可能与薄弱部分3不同，在一种情况下，安装有温度传感器的点5与薄弱部分3不同，所以很难有效地操作加热电缆1。标号7表示温度测量区域。
图2示出的是根据本发明的至少一种实施例的提供智能加热的加热电缆的结构图；
如图2所示，利用通过与加热电缆10a相结合的光缆（optical cable）10b传输的光信号的变化，根据本发明实施例的提供智能加热的加热电缆10具有作为用于测量温度的传感器的功能。
因此，能够连续实时地测量嵌有加热电缆10a的整个系统的温度。这种温度测定功能的一种典型例子如图3所示。
图3示出的是利用根据本发明的至少一种实施例的提供智能加热的加热电缆测得的温度分布图。
正如从图3可以看出的，能够测量该加热电缆的所有点的温度从而获得一个准确的温度分布曲线（temperature distribution profile）。因此，利用该温度分布曲线能够适当地控制加热电缆的操作。
同时，图4到图6示出的是根据本发明的至少一种实施例的提供智能加热的加热电缆的说明类型图。
图4是使用表现出电阻正温度系数（PTC）特性的聚合物加热元件的智能加热电缆的示例图。
图5示出的是使用金属电阻合金导体制得的加热元件的智能加热电缆的图。
图6示出的是使用合金导体或铜导体作为加热元件的智能加热电缆的图。
在图4的提供智能加热的加热电缆20和20’中，标号21表示表现出PTC特性的聚合物加热元件和标号23表示光缆传感器。
在图5的提供智能加热的加热电缆30和30’中，标号31表示由金属电阻合金导体制得的加热元件和标号33表示光缆传感器。
在图6的提供智能加热的加热电缆40中，标号41表示由金属电阻合金导体或铜导体制得的加热元件和标号43表示光缆传感器。
如上述附图所示，通过使用各种加热元件，如聚合物加热元件，由金属电阻合金导体制得的加热元件和由铜导体制得的加热元件，能够形成根据本发明实施例的提供智能加热的所述加热电缆。
在下文中，描述了根据本发明实施例的提供智能加热的智能加热电缆的制造方法。
所述加热电缆是通过如下的方法制造的。
通过挤压成型在加热电缆的加热元件的外部表面形成绝缘层用于保护该加热电缆，本文中所用的加热元件可以包括选自为特殊用途设计的加热元件中的任何一种，如表现出PTC特性的聚合物加热元件，由金属电阻合金导体制得的加热元件和由铜导体制得的加热元件，如上图所示。
光缆结合在绝缘的加热元件上，光缆具有温度传感器的功能。然后，通过铜丝编织或棉编织固定光缆传感器到绝缘的加热元件上。
在完成的编织上挤压外部保护套和实施后处理以获得具有智能加热特性的加热电缆。
通过使用如上所述的具有聚合物加热元件和金属电阻合金导体的加热电缆，现在描述该加热电缆的温度测定的实施例。
<实施例1>
首先，通过挤压在表现出PCT特性的聚合物加热元件上形成绝缘层，光缆传感器结合在绝缘的加热元件上，通过铜丝编织固定光缆传感器，以及挤压外部保护套以制造加热电缆的测试样品。
将制得的测试样品放置在如图7所示的具有不同温度区域的装置内，当改变测试样品的各个部分的温度时，测量光缆传感器的温度和该加热电缆的输出，其结果如下表1所示。
表1
具有表现出PCT特性的聚合物加热元件的加热电缆的温度变化
<实施例2>
通过挤压在由金属电阻合金导体制得的加热元件上形成绝缘层，光缆传感器结合在绝缘的加热元件上，通过铜丝编织固定光缆传感器，以及挤压外部保护套以制造加热电缆的测试样品。
将制得的测试样品放置在如图8所示的气温下具有均匀的空气流速的温度控制室内，当改变温度时，测量光缆传感器的温度和该测试样品的输出，其结果如下表2所示。
表2
使用金属电阻合金导体作为加热元件的加热电缆的温度变化
<对比例1>
在<实施例1>的加热电缆的测试样品的表面每温度区附着热电偶，按照<实施例1>的方法测定温度。
<对比例2>
在<实施例2>的加热电缆的测试样品的表面附着热电偶，按照<实施例2>的方法测定温度。
将实施例和对比例中所述加热电缆的测试样品放置在测试装置中，测量系统的温度和所述加热电缆的输出以评价各测试样品的性能。
图7和图8是用于<实施例1>和<实施例2>的测量装置的示意图。
如图7所示，对于<实施例1>和<对比例1>，测试装置具有不同温度状况的3个区域，如温度控制单元50，暴露在大气中的区域，以及装有预定量水的水浴60，温度控制单元50是一个以均匀的流速循环流动以维持用于测试设计的温度的装置。在该测试装置的3个区域中，根据各种条件测量光缆传感器的温度和附着在加热电缆表面的热电偶的温度，将它们进行了比较。
如图8所示，对于<实施例2>和<对比例2>，将加热电缆70以之字形图案附着到板上，将加热电缆70放置在温度控制室80内，在该温度控制室80内空气以均匀空气速度循环，在各种条件下将附着在加热电缆70表面的热电偶的温度和通过加热电缆中的光缆传感器测得的温度进行比较
通过使用变压器改变供应加热电缆的电压和测量通过加热电缆的电流来计算加热电缆的输出。
[根据<实施例1>的测量结果]
我们可以看出，安装在测试样品上的热电偶的测得温度与通过光缆传感器测得的温度之间没有差异。此外，显而易见的是，当改变测试样品各个部分的温度时，通过光缆传感器更高精度地感知每个部分的温度变化。可以看出通过光缆传感器更高精度地测量和展示加热电缆温度变化的分布和加热电缆每个点的温度。
我们可以看出，通过光缆传感器测得的浸在水浴中的那部分的温度比热电偶测得的温度更高，这是因为热电偶测量水浴中的水温，而光缆传感器只测量加热电缆的温度，这种差别表明，在实际的温度测定中，光缆传感器能够更直接和更精细地测量温度，根据传感器的位置测量的温度可能不同于实际温度。
[<实施例2>的测量结果]
我们可以看出，比较热电偶和光缆传感器测得的值时，根据加热电缆输出变化而引起的加热电缆的温度变化彼此是相等的。在实际情况下，基于光缆传感器测得的值，可以更详细地看到在加热电缆的长度方向出现的连续温度分布，而使用电热偶无法获得这种连续的温度分布。
Claims (7)
1.一种用于伴热系统中的智能加热电缆，所述智能加热电缆包括：
加热元件和在所述加热元件外部表面形成的绝缘层，其中，
所述加热电缆具有与所述加热电缆相结合的光缆作为传感器的混合结构。
2.根据权利要求1所述的智能加热电缆，其中，所述加热元件选自表现出电阻正温度系数（PTC）特性的聚合物加热元件，所述聚合物加热元件利用电能产生热量，金属电阻合金导体和铜导体中的任何一种。
3.根据权利要求2所述的智能加热电缆，其中，所述聚合物加热元件包括，在组成所述加热元件的聚合物材料中，选自炭黑，金属粉末和碳纤维中的任何一种，作为表现出导电性的导电材料。
4.根据权利要求2所述的智能加热电缆，其中，所述金属电阻合金导体包括选自铜-镍，镍-铬和铁-镍作为主要成分中的任何一种。
5.根据权利要求2所述的智能加热电缆，其中，所述铜导体包括选自未电镀铜，镀锡铜，镀银铜和镀镍铜中的任何一种。
6.根据权利要求1所述的智能加热电缆，其中，所述光缆由光纤，如玻璃光纤或塑料光纤制备。
7.一种制造智能加热电缆的方法，该方法包括：通过利用挤压成型形成，在加热电缆的加热元件的外部表面上，构造绝缘层以保护该加热电缆；
在绝缘的加热元件上结合具有温度传感器作用的光缆传感器；
通过铜丝编织或棉编织固定光缆传感器到绝缘的加热元件上；以及挤压外部保护套和实施后处理工艺。
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