CN107076621B - 导电体的电容温度感测 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种系统，该系统用于直接感测、测量或监测电力线缆(10)的导电体(31)的温度。温度敏感电容器(21C)被设置成与所述导电体(31)直接热接触。所述温度敏感电容器(21C)包括介电材料，所述介电材料具有可随所述导电体(31)的所述温度变化的介电常数。可通过测量所述温度敏感电容器(21C)的电容来感测、测量或监测所述导电体(31)的所述温度。

Description

导电体的电容温度感测
技术领域
本公开涉及用于监测导电体温度的系统，并且具体地，涉及用于监测包围在至少(半)导电层中的导电体，例如配电系统中的电力线缆的导电体的温度的系统。
背景技术
中高压配电系统在现代社会中扮演了重要的角色。对于配电系统的“健康”来说，安全和保障始终是重要的因素。因此，应存在能够监测配电系统的“健康”的技术。
在配电系统(诸如中压或高压配电系统)中，电缆的导体的温度可随着由线缆携载的电流的增加而增加。因此，在此类系统中，可通过例如在可为弱点的线缆接头或结点处，监视在线导电体的温度来评估此类系统的“健康”。通常，流经线缆接头或结点的正常电流可产生高达例如约90℃的温度。如果线缆接头或结点的温度超过该值，可表明该配电系统有可能出现问题。另一方面，知道现有配电系统是否处于最大载流容量、知道是否能够使用现有系统可靠地分配额外的电力或者知道是否需要额外的基础结构支出也是有用的。
发明内容
处于例如中压或高压配电系统中的在线电力线缆以及线缆接头和结点通常被多个绝缘和(半)导电层绝缘和保护，并且/或者常常被埋在地下或设置在高空。期望直接在例如线缆接头或结点处，监测或测量在线导电体的温度。
简单来说，在一个方面，本公开描述了用于直接感测、测量或监测电力线缆的导电体温度的系统和方法。本文所述的一些实施方案提供了与导电体直接热接触的温度敏感电容器。该温度敏感电容器包括介电材料，该介电材料的介电常数可随导电体的温度而变化。可通过测量该温度敏感电容器的电容来感测、测量或监测导电体的温度。
在一些实施方案中，温度敏感电容器具有围绕导电体的电容器主体，以使两者间的热接触面积最大化。这种布置方式这可为导电体提供更稳健、更可靠的温度测量。提供了呈叉合构造的电极，并且电容器对温度的灵敏度可通过改变电极的几何结构来控制。
在一个实施方案中，提供了用于感测包围在至少一个(半)导电层中的导电体的温度的温度感测设备。该设备包括温度敏感电容器。温度敏感电容器包括电容器主体和被布置成叉合构造的至少两个电极。电极由电容器主体支承。电容器主体的至少一部分包括具有随温度变化的介电常数的一种或多种温度敏感介电材料。电极设置在该温度敏感介电材料附近。电容器主体被设置成与导电体热接触，并且温度敏感电容器的电容可随导电体的温度而变化。
在另一个实施方案中，电缆组件包括包围在(半)导电层中的导电体和一个或多个温度感测设备，各温度感测设备用于感测导电体的温度。温度感测设备沿着导电体分布，并且被构造成感测导电体的温度分布。每个温度感测设备包括温度敏感电容器。温度敏感电容器包括电容器主体和被布置成叉合构造的至少两个电极。电极由电容器主体支承。电容器主体的至少一部分包括具有随温度变化的介电常数的一种或多种温度敏感介电材料。电极设置在该温度敏感介电材料附近。电容器主体被设置成与导电体热接触，并且温度敏感电容器的电容可随导电体的温度而变化。
在另一个实施方案中，电力线缆接头组件包括第一导电体和第二导电体、围绕并连接第一导电体和第二导电体的连接器，以及包围第一导电体和第二导电体和连接器的(半)导电层。温度感测设备包括设置在第一导电体或第二导电体与(半)导电层之间的温度敏感电容器。温度敏感电容器包括电容器主体和至少两个电极，所述至少两个电极被布置成叉合构造并且由电容器主体支承。电容器主体的至少一部分包括具有随温度变化的介电常数的一种或多种温度敏感介电材料。电极设置在该温度敏感介电材料附近。电容器主体被设置成与导电体热接触，并且温度敏感电容器的电容可随导电体的温度而变化。
在本公开的示例性实施方案中获得了各种意外的结果和优点。本公开的示例性实施方案的一个此类优点是，可以使温度敏感电容器和导电体之间的热接触表面积最大化。所测得的导电体温度可以是平均温度，而不是导电体表面上有限面积的局部温度。本文所述的实施方案可为导电体提供更稳健、更可靠的温度测量。此外，电容器对温度的敏感性可以通过改变布置成叉合构造的电极的几何结构来控制。
示例性实施方案列表
示例性实施方案作为以下方面列出。应当理解，实施方案A至O中的任一者可与P至X中的任一者相组合。
实施方案A：一种用于感测包围在至少一个(半)导电层中的导电体的温度的温度感测设备，该设备包括：
温度敏感电容器，该温度敏感电容器包括电容器主体和至少两个电极，该至少两个电极以叉合构造布置并由电容器主体支承，该电容器主体的至少一部分包括一个或多个温度敏感介电材料，该一个或多个温度敏感介电材料具有随温度变化的介电常数，并且电极设置在温度敏感介电材料附近，
其中，电容器主体被设置成与导电体热接触，并且温度敏感电容器的电容可随导电体的温度而变化。
实施方案B：根据实施方案A所述的设备，其中电容器主体具有带内表面和外表面的环形结构。
实施方案C：根据实施方案B所述的设备，其中电容器主体围绕导电体并且是柔性的，以使其内表面压贴导电体的周向表面并与之热接触，并且电极设置在电容器主体的外表面上或嵌入电容器主体中。
实施方案D：根据实施方案A至C中任一项所述的设备，其中电容器主体还包括与导电体直接接触的导热部分。
实施方案E：根据前述实施方案中任一项所述的设备，其中电极包括以叉合梳状构造布置的第一电极和第二电极。
实施方案F：根据前述实施方案中任一项所述的设备，其中电容器设置在导电体和(半)导电层之间，并被(半)导电层包围。
实施方案G：根据前述实施方案中任一项所述的设备，其中温度敏感介电材料包括一种或多种合成聚合物。
实施方案H：根据实施方案G所述的设备，其中合成聚合物包括尼龙-6和尼龙-6,6中的至少一者。
实施方案I：根据前述实施方案中任一项所述的设备，其中温度敏感介电材料包括分散在聚合物基体中的铁电陶瓷材料颗粒。
实施方案J：根据实施方案I所述的设备，其中所述聚合物基体包括聚合物，所述聚合物选自由硅酮、环氧树脂、乙烯-丙烯-二烯橡胶、聚烯烃、聚氨酯、表氯醇、含氟弹性体、聚烯烃、聚酰胺和聚酰亚胺构成的组。
实施方案K：根据实施方案I或J所述的设备，其中铁电陶瓷材料占电容式感测组合物的约15重量％和约90重量％之间。
实施方案L：根据实施方案I至K中任一项所述的设备，其中铁电陶瓷材料选自由掺杂的BaTiO3、BaSnTiO3、BaHfTiO3、BaSrTiO3、BaZrTiO3、SrTiO3、BaFe12O19、Pb[ZrxTi(1-x)]O3和x[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-(1-x)[PbTiO3]、以及它们的组合和混合物构成的组。
实施方案M：根据前述实施方案中任一项所述的设备，还包括电感器，所述电感器电连接到叉合电容器以形成无源LC电路。
实施方案N：根据实施方案M所述的设备，还包括电磁耦接到无源LC电路的收发器单元，并且该收发器单元被构造成在导电体的温度改变时发出信号，该信号表示叉合电容器的电容变化。
实施方案O：一种电缆组件，包括：
包围在(半)导电层中的导电体；以及
根据前述实施方案中任一项所述的温度感测设备中的一者或多者，
其中温度感测设备沿着导电体分布，并且被构造成感测导电体的温度分布。
实施方案P：一种电力线缆接头组件，包括：
第一导电体和第二导电体；
围绕并连接第一导电体和第二导电体的连接器；
包围第一导电体和第二导电体以及连接器的第一(半)导电层；和
一种温度感测设备，其包括设置在第一导电体或第二导电体与第一(半)导电层之间的温度敏感电容器，该温度敏感电容器包括电容器主体和至少两个电极，所述至少两个电极以交叉构造布置并由电容器主体支承，电容器主体的至少一部分包括具有随温度变化的介电常数的一种或多种温度敏感介电材料，并且电极设置在温度敏感介电材料附近，其中电容器主体被设置成与导电体热接触，并且温度敏感电容器的电容随导电体的温度而变化。
实施方案Q：根据实施方案P所述的组件，其中电容器主体具有带内表面和外表面的环形结构。
实施方案R：根据实施方案Q所述的组件，其中电容器主体围绕导电体，并且是柔性的，以使其内表面压贴导电体的周向表面并与之热接触，并且电极设置在电容器主体的外表面上或嵌入电容器主体中。
实施方案S：根据实施方案P至R中任一项所述的组件，其中电容器主体还包括与导电体直接接触的导热部分。
实施方案T：根据实施方案P至R中任一项所述的组件，其中电极包括以叉合梳状构造布置的第一电极和第二电极。
实施方案U：根据实施方案P至R中任一项所述的组件，其中温度敏感介电材料包括一种或多种合成聚合物。
实施方案V：根据实施方案U所述的组件，其中合成聚合物包括尼龙-6和尼龙-6,6中的至少一者。
实施方案W：根据实施方案P至R中任一项所述的组件，其中温度感测设备还包括电连接到电容器以形成无源LC电路的电感器。
实施方案X：根据实施方案W所述的设备，其中温度感测设备还包括电磁耦接到无源LC电路的收发器单元，并且该收发器单元被构造成在第一或第二导电体的温度改变时发出信号，该信号表示电容器的电容变化。
已对本公开的示例性实施方案的各个方面和优点进行了汇总。上文的发明内容并非旨在描述本公开的当前某些示例性实施方案的每个例示的实施方案或每种实施方式。下面的附图和具体实施方式更具体地举例说明使用本文所公开的原理的某些优选的实施方案。
附图说明
结合附图来考虑本公开的各种实施方案的以下详细描述可更完全地理解本公开，其中：
图1是根据一个实施方案的用于监测导电体的温度的系统的示意性框图。
图2是根据一个实施方案的用于监测导电体的温度的系统的LC回路的示意性电路图。
图3是根据一个实施方案的用于监测线缆接头组件中导电体温度的系统的应用的部分切除示意图。
图4是根据一个实施方案的用于监测导电体的温度的系统的示意性电路图。
图5是根据一个实施方案的线缆接头组件中的导电体的一部分的剖视图，无源感应单元被应用于该线缆接头组件。
图6是图5的线缆接头组件的一部分的局部横截面侧视图。
图7是根据一个实施方案的温度敏感电容器的透视侧视图。
图8是示出了根据实施例1的导电体的温度与温度敏感电容器的介电常数之间的关系的曲线图。
图9是示出了根据实施例1的导电体的温度与温度敏感电容器的损耗角正切之间的关系的曲线图。
在这些附图中，类似的附图标号表示类似的元件。虽然可能未按比例绘制的以上附图阐述了本公开的各种实施方案，但还可以设想如在具体实施方式中所指出的其它实施方案。在所有情况下，本公开都通过示例性实施方案的表示而非通过表述限制来描述当前公开的发明。应当理解，本领域的技术人员可设计出许多其它修改形式和实施方案，这些修改形式和实施方案均落在本公开的范围和实质内。
具体实施方式
本公开提供了用于监测例如中压或高压(例如>1kV或>10kV)电力线缆的导电体温度的系统和方法的实施方案。使用“无源”设备执行此类监测可能特别有用，所谓“无源”设备是指不需要内部电源(例如，电池)并且不需要物理连接至外部电源的设备。可发现用于此类应用中的一种类型的无源设备依赖于LC电路(即，电感-电容电路)。采用适当设计的LC电路可表现出谐振频率，该谐振频率可被监测(无论是连续地还是不连续地)，而不一定需要与设备建立任何电线连接，如本领域的技术人员将会知道的。当这种设备使用被放置成与电力线缆的一部分热连通或热接触的温度敏感电容器时，电力线缆该部分的温度变化可导致温度敏感电容器的温度发生相应改变。该温度变化可改变LC电路的谐振频率，可检测该谐振频率并用于推断那一部分电力电缆的温度。
图1是根据一个实施方案的用于监测导电体31的温度的系统100的示意图。系统100包括无源感应单元20、收发器单元40和控制单元50。无源感应单元20被构造成包括如下所述的至少一个温度敏感电容器。温度敏感电容器具有随温度变化的特征参数，并被构造成与导电体31热接触。在一些实施方案中，温度敏感电容器与导电体31的外表面直接接触。
在一些实施方案中，无源感应单元20可具有随着导电体31的温度而变化的谐振频率和/或Q值。收发器单元40可电磁耦接到无源感应单元20，并且发出表示感应单元20的谐振频率和/或Q值的信号。控制单元50可与收发器单元40通信以探知表示谐振频率和/或Q值的信号，并且基于所探知到的表示谐振频率和/或Q值的信号确定导电体31的温度值。在一些实施方案中，系统100还可以包括任选的中央监测单元。任选的中央监测单元可(例如，通过移动网络)无线地或通过电线与控制单元50进行通信，以接收所确定的导电体31的温度值，并作出相应的决定。
在一些实施方案中，在运行期间，如果存在监测导电体31的温度的需求，那么控制单元50可向收发器单元40发出指令信号S1。一旦收发器单元40接收到指令信号S1，其就向感应单元20发射激励信号S2。激励信号S2可引起感应单元20振荡。收发器单元40可检测来自感应单元20的振荡信号S3并且然后向控制单元50发出反馈信号S4。振荡信号S3和反馈信号S4包含表示可随导电体31的温度变化的感应单元20的谐振频率和/或Q值的信息。控制单元50可基于所探知到的反馈信号S4确定导电体31的温度值。
在一些实施方案中，系统100还可以包括任选的能量获取单元60。能量获取单元60可适于在AC电流流过导电体31时获取来自导电体31的电力，并且将所获取到的电力供应给收发器单元40和/或控制单元50。
在一个实施方案中，感应单元20可包括如图2所示的电感-电容(LC)回路21。LC回路21包括例如通过电线以串联方式电连接的温度敏感电容器21C和电感器21L。温度敏感电容器21C具有随温度而变化的电容。在这个实例中，在实际应用期间，这个温度敏感电容器21C可与图1的导电体31的外表面热接触或直接接触。电感器21L可以是任何类型的电感器，包括例如感应线圈，印刷天线等。可以理解，LC回路21可以包括一个或多个电容器和/或一个或多个电感器。
LC回路21的谐振频率fr可根据如下给出的公式(1)计算：
Figure BDA0001281295920000081
其中L表示电感的值，例如电感器21L的电感；C表示电容的值，例如电容器21C的电容。
实际上，LC回路21可具有一些电阻性、耗散性和/或吸收性损耗Rs，该损耗可被模式化为单个小型串联电阻。此种LC回路21的Q值可根据如下给出的公式(2)计算：
Figure BDA0001281295920000082
其中ω0＝2πfr，并且其中fr为谐振频率。
可以看到，如果LC回路21的电感或电容被改变，那么谐振频率fr和Q值将相应地改变。在图2所示的实施方案中，电容器21C是温度敏感电容器，并且被构造成与导电体31热接触。温度敏感电容器21C的温度可以随着导电体31温度的变化而变化，从而引起电容器21C的电容发生变化。因此，LC回路21的谐振频率fr和Q值可随着导电体31的不同温度而变化。
在一些实施方案中，一系列耦接的感应单元和收发器单元，例如图1的感应单元20和收发器单元40，可以沿着电力线缆的导电体(诸如导电体31)分布。每个耦接的感应单元和收发器单元可以测量与相应感应单元(例如，感应单元20)热接触的导电体的一部分的局部温度。所测量的局部温度可由控制单元50接收，以确定温度沿导电体的分布情况。
图3示出了根据一个实施方案的用于监视或测量例如包围在线缆接头组件30中的导电体31温度的图1中系统100的应用，其包括无源感应单元20、收发器单元40和控制单元50。
在线缆接头组件30中，电缆10的两段被拼接起来。每段电缆10包括导电体31、绝缘层33和(半)导电层35。绝缘层33和(半)导电层35包围导电体31。连接器12同心地围绕拼接的导电体31。第一(半)导电(或电极)层13(在这种情况下为金属层)同心地围绕拼接的导电体31和连接器12，从而围绕连接器12和导电体31形成屏蔽法拉第笼。在一些实施方案中，“(半)导电的”指根据特定构造，该层可为半导电的或导电的。绝缘层11(包含几何形的应力控制元件16)围绕第一(半)导电层13。上述构造被设置在用作屏蔽和接地层的第二(半)导电层14(在这种情况下为金属外壳)的内部。树脂可通过端口18中的一个被倾注到金属外壳14中，以填充围绕绝缘层11的区域。可收缩的套管层15充当最外层。
在该实施方案中，导电体31的部分被连接器12覆盖，并且然后被第一(半)导电层13、绝缘层11、第二(半)导电层14和可收缩的套管层15包围。在这个实施方案中，可收缩的套管层15包括两个重叠节段151和152，以在重叠部分之间留出通路153。通路153是从可收缩的套管层15的外部穿过第二(半)导电层14上的端口18到第二(半)导电层14的内部。
如图3所示，无源感应单元20被定位成与导电体31中的一个相邻，并且处于第一(半)导电层13内。优选地，导电体31的一部分被暴露在电缆10的绝缘层33和连接器12之间，并且无源感应单元20可被定位成围绕导电体31的暴露部分。将在下文中结合图6给出关于无源感应单元20的部分的更具体描述。
收发器单元40被定位在第一(半)导电层13的外部且在第二(半)导电层14的内部，即在第一(半)导电层13和第二(半)导电层14之间。在如图4所示的一个实施方案中，收发器单元40包括电感器44，其可以包括任何类型的电感器，例如感应线圈、印刷天线等。电感器44可被设置在图3的绝缘层11周围。在一些实施方案中，无源感应单元20的电感器44和电感器21L可位于相同的横截面中，以便改善电磁耦接。下文将参照图5提供关于收发器单元40的实施方案和其定位的更具体的描述。
在一些实施方案中，配对的无源感应单元20和收发器单元40可以位于组件30外部的电缆10的特定部分处。无源感应单元20可被设置成邻近导电体31，并且被电缆10的(半)导电层35和绝缘层33包围。收发器单元40可以位于(半)导电层35的外部，并且被配置为与无源感应单元20电磁耦接。一系列这样的配对可以沿着电缆10分布，以提供导电体31的温度分布。
再次参考图3所示，控制单元50被构造成通过电线51与收发器单元40进行通信。电线51可被容纳在通路153内，使得电线51可从收发器单元40穿过端口18延伸至控制单元50。包括电力感应线圈61的任选能量获取单元60可被定位在组件30的外部并且围绕线缆10，或定位在第二(半)导电层14和可收缩的套管层15之间。能量获取单元60可用于通过电线52向收发器单元40和/或控制单元50供应电力。在整个说明书，尽管电线51和电线52各自被称作“电线”，但应当理解，电线51和电线52中的任一者或两者可按系统起作用的需求包括多根电线。
在一些实施方案中，任选的能量获取单元60的感应线圈61可以包括例如铁芯电流互感器、空芯电流互感器或罗氏线圈。感应线圈61可被定位在第一(半)导电层13的外部，或者如果一个已被使用，则定位在第二(半)导电层的外部。优选地，能量获取单元60可主要用于将所获取到的电力提供给收发器单元40，所以能量获取单元60可被定位在收发器单元40所位于的层的外部。因此，能量获取单元60可通过一根或多根电线与收发器单元40电连接。在一些实施方案中，能量获取单元60可还包括任选的整流器电路，以便将所获取到的电力调整为适用于收发器单元40和/或控制单元50。
图5示出了设置在导电体31上邻近连接器12的图3感应单元20的更靠近的透视图。在图5的实施方案中，可收缩的套管层15是连续的，并且已在可收缩套管层15中切割出孔，以容纳端口18并允许电线51伸出。
图6是示出无源感应单元20的示例性位置的放大视图。例如，如图2所示，无源感应单元20包括电感器21L和温度敏感电容器21C。电感器21L和温度敏感电容器21C通过电线220电连接。提供夹具210来安装电感器21L和温度敏感电容器21C。在图6的实施方案中，夹具210包括主体2101和通道2102。通道2102适于容纳导电体31，以使导电体31穿过通道2102。主体2101具有室2103以容纳温度敏感电容器21C，并且室2103可与通道2102连通，这样，在运行中温度敏感电容器21C可与导电体31的外表面热接触或直接接触。电感器21L适于围绕主体2101卷绕。夹具210还包括盖2104，以包围主体2101。
图7示出了根据一个实施方案的温度敏感电容器21C的透视侧视图。温度敏感电容器21C包括电容器主体72和由电容器主体72支承的电极74a和74b。在图7的实施方案中，电容器主体72具有带内表面721和外表面722的环状结构。内表面721限定通道723。
电极74a和74b设置在电容器主体72的外表面722上，或嵌入在该外表面中。电容器主体72中与电极74a和74b相邻的至少一部分包括温度敏感介电材料。温度敏感介电材料可以设置在例如电极74a和74b之间、电极74a和74b的顶部和/或电极74a和74b的底部。电容器主体72的温度敏感介电材料将电极74a和74b隔开，并与电极74a和74b一起用以形成叉合状电容器。
在图7的实施方案中，电极74a和74b按叉合梳状构造进行布置。电极74a和74b中的每一者包括由相应端线742电连接的导电线或“指状物”741的布置形式。指状物741被布置成叉合构造。指状物741可以具有长度L、宽度W和厚度T。指状物741可按间隙G1彼此平行地间隔开。在一些实施方案中，长度L、宽度W和间隙G1可以是例如几微米到几厘米，并且厚度T可以是例如从几纳米到几毫米。应当理解，电极74a和74b的尺寸可以根据电容器主体72的尺寸和/或导电体31的直径来预先确定。还应当理解，指状物741可具有任何合适的几何形式或构造，以形成叉合状电容器。
在一些实施方案中，电极74a和74b可以设置在电容器主体72的外表面722上。在一些实施方案中，指状物741的至少一部分可以沿厚度方向嵌入电容器主体72的外表面722中。电极74a和74b可以由任何合适的导电材料制成，例如金属、金属合金、填充有金属的聚合物等。
在一些实施方案中，电极74a和74b可以完全嵌入电容器主体72中。在一个实施方案中，电极74a和74b可被设置成邻近外表面722。在另一个实施方案中，电极74a和74b可被设置成邻近内表面721。在另一个实施方案中，电极74a和74b的指状物可以设置在电容器主体72的内部并且位于外表面722和内表面721之间。
在一些实施方案中，电容器21C还可以包括任选的环形结构，该环形结构可以与电容器主体72同轴地设置，并且可以覆盖外表面722及其上的电极74a和74b。任选的环形结构可以包括一种或多种介电材料，这些材料与电容器主体72的材料相比，具有相同或不同的相对电容率(或介电常数)。
在一些实施方案中，可以通过改变电容器主体72的介电常数来改变电容器21C的电容。与常规平行板电容器的线性变化关系相比，该变化可以是非线性的。在一些实施方案中，通过改变电极74a和74b的几何参数，包括例如长度L、宽度W、厚度T、间隙G1等，可以获得电容器21C的所需电容。应当理解，电容器21C可以包括两个以上的电极。在一些实施方案中，电容器21C还可以包括任选的接地电极和可选的屏蔽电极。
在一些实施方案中，电容器21C的电容可根据其几何形状随着温度变化而变化。在一些实施方案中，电容器21C的电容器主体72可以在与导电体31的热接触时，随不同的温度而热膨胀或收缩。在一些实施方案中，电容器主体72可以具有例如在20℃下介于5×10-6K-1至50×10-6K-1之间的体积热膨胀系数。电容器主体72的热膨胀可引起电容器21C的电容发生变化D1。在一些实施方案中，电极74a和74b的几何结构、形状和/或相对位置可以随着温度而改变，这可引起电容器21C的电容发生变化D2。
在一些实施方案中，相比于由电容器主体72的材料随温度的介电常数变化引起的电容变化，上述电容变化D1和/或D2可低得多(例如，低一个数量级)，并且就确定导电体31的温度来说，电容变化D1和/或D2可忽略不计。在一些实施方案中，上述电容变化D1和D2可被预校准，并且可与电容器主体72的介电常数变化相关的电容变化分离。在合适的预校准之后，电容变化D1和/或D2可用于独立地或结合与介电常数随温度的变化相关的电容变化来确定导电体31的温度。
参见图6和图7，温度敏感电容器21C被设置成与导电体31热接触，其通道723适于使导电体31经此通过。导电体31可与电容器主体72的内表面721直接接触。虽然图7的实施方案中所示的电容器主体72具有环形结构，但应当理解，只要能够提供最大化的接触表面，以在电容器主体72和导电体31之间有效地交换热量，则电容器主体可以是任何合适的形状。
电容器主体72的内表面721可周向地围绕导电体31的外表面。可基于电容器21C的电容变化来测量导电体31中与电容器主体72热接触的一段的温度。测量的温度可以是热接触的该段的整个周向表面区域的平均温度，而不是导电体31的表面上的有限区域的局部温度。这可为导电体31提供更稳健、更可靠的温度测量。
在一些实施方案中，电容器主体72可以是单一一块介电材料，其具有随导电体31的温度而变化的介电常数。在其他实施方案中，电容器主体72可包括邻近外表面74b设置的外部部分，该外表面包含温度敏感介电材料，并包括邻近内表面74a设置的可选的导热部分，以支承温度敏感介电部分，并促进外部部分和导电体31之间的热交换。在一些实施方案中，电容器主体72的内表面721可包括导热材料，以促进电容器主体72和导电体31之间的热交换。
在一些实施方案中，电容器主体72可包括能够变形的弹性材料，使得电容器主体72的内表面721能够被压贴在导电体31上，从而在两者间提供紧密热接触。
在本文所述的一些实施方案中，温度敏感电容器21C包括一种或多种温度敏感介电材料，每种温度敏感介电材料具有随导电体31的温度而变化的相应介电常数。在一些实施方案中，所述温度敏感介电材料中的至少一种可在30℃至150℃的温度范围内具有介电常数与温度的正斜率。正斜率表示温度敏感介电材料的介电常数变化(δk/K；即介电常数变化与参考介电常数的比率)为温度的函数，至少在30℃到150℃的范围内其大小至少为每摄氏度0.1％。在各种示例性实施方案中，温度敏感介电材料在30℃到150℃的范围内可呈现大小至少为每摄氏度0.15％、0.2％、0.4％、0.8％、1.2％、1.6％或2.4％的介电常数变化。
在一些实施方案中，所述温度敏感介电材料中的至少一种可在30℃至150℃的温度范围内具有介电常数与温度的负斜率。负斜率表示温度敏感介电材料的介电常数变化(δk/K；即介电常数变化与参考介电常数的比率)为温度的函数，至少在30℃到150℃的范围内其大小至少为每摄氏度-0.1％。在各种示例性实施方案中，温度敏感介电材料在30℃到150℃的范围内可呈现大小至少为每摄氏度-0.15％、-0.2％、-0.4％、-0.8％、-1.2％、-1.6％或-2.4％的介电常数变化。
在一些实施方案中，温度敏感电容器21C的温度敏感介电材料的总体损耗角正切(tanδ)在30℃-150℃的温度范围内和1kHz至20MHz的频率下可为约0.3或更小。在具体实施方案中，可在1kHz至100kHz的频率下测量损耗角正切。
在一些实施方案中，温度敏感介电材料包括一种或多种合成聚合物。在一些实施方案中，合成聚合物可包括尼龙-6和尼龙-6,6中的至少一者。
在一些实施方案中，温度敏感电容器21C的温度敏感介电材料可包括铁电陶瓷材料颗粒。可使用具有低于30℃的可测量的电居里温度并且使电容式感测组合物的电容对温度在30℃至150℃的温度范围内具有负斜率的任何合适的陶瓷铁电材料。在各种实施方案中，可能合适的材料可选自掺杂和/或改性的BaTiO3、BaSnTiO3、BaHfTiO3、BaSrTiO3、BaZrTiO3、SrTiO3、BaFe12O19、Pb[ZrxTi(1-x)]O3和x[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-(1-x)[PbTiO3]、以及它们的组合和混合物。
在一些实施方案中，铁电陶瓷材料颗粒可分散在聚合物基体中。如果需要，聚合物基体(铁电陶瓷材料颗粒可分散于其中)可包括任何合适的聚合物材料。在一些实施方案中，聚合物基体可包括热塑性成分，该热塑性成分可例如升高至足够高的温度，以使得铁电陶瓷材料颗粒能够充分配混到其中，然后冷却以形成固体制品。或者，此类聚合物基体可包括热固性材料，例如液体或半固体材料，铁电陶瓷材料可分散到该液体或半固体材料中，并且然后可(通过任何合适的方法，例如热能、辐射、添加催化剂和/或引发剂等)固化以形成固体制品。所得组合物可以是坚硬且刚性的，或者可以是相对弹性体的。然而，可能不一定严格需要所得组合物是固体。相反，如果需要，其可以是半固体、油脂、凝胶、蜡、乳香或甚至粘合剂(例如，压敏粘合剂)。
在各种实施方案中，如果分散在聚合物基体中，铁电陶瓷材料颗粒可构成所得的组合物(即，聚合物基体和铁电陶瓷材料以及任何其他添加剂(如果存在)的总和)的至少约30重量％、40重量％、50重量％、60重量％、65重量％、或70重量％。在另外的实施方案中，铁电陶瓷材料颗粒可占组合物的最多约90重量％、80重量％、70重量％、60重量％、50重量％、40重量％、或30重量％。在特定实施方案中，铁电陶瓷材料颗粒在聚合物基体中的重量(和体积)百分比可接近或超出渗流阈值(在该阈值处，组合物的绝对电容和/或电容随温度的变化可大幅提高)。
在各种实施方案中，聚合物基体可包括例如：基于氨基甲酸酯的聚合物；基于有机硅的聚合物；基于EVA(乙烯-醋酸乙烯)的聚合物；EPDM(乙烯-丙烯-二烯橡胶)；烯属聚合物，诸如聚乙烯或聚丙烯；环氧树脂；含氟聚合物(例如，聚(四氟乙烯)，聚(偏二氟乙烯)，包含六氟丙烯单元的聚合物，以及它们的共聚物和共混物)，任何其他含卤聚合物(例如，氯化聚合物和/或溴化聚合物)；聚醚；基于(甲基)丙烯酸的聚合物等等。在一些实施方案中，聚合物基体可包括选自硅氧烷、环氧树脂、乙烯-丙烯-二烯橡胶、聚烯烃、聚氨酯、表氯醇、含氟弹性体、聚烯烃(例如，聚乙烯、聚丙烯等)、聚酰胺(例如，尼龙等)、聚酰亚胺(例如Kapton型材料)及其组合的聚合物。应当强调的是，这些仅是示例性的广泛类别，并且可以使用任何合适的聚合物材料、它们的共聚物或共混物。(然而，合适的聚合物材料可通常为非导电材料，并且通常性质可为基本上电绝缘)。所述组合物还可以包含任何其他合适的添加剂，例如以改善可加工性、耐候性等。因此可能可用的添加剂可以包括加工助剂、脱模剂、稳定剂、抗氧化剂和增塑剂等。
本文所述的一些实施方案提供了与导电体具有最大化的热接触表面的温度敏感电容器。一些温度敏感电容器具有环形结构，并且围绕导电体以使两者间的热接触面积最大化。这可为导电体提供更稳健、更可靠的温度测量。呈叉合构造的电极邻近电容器的外表面设置，电容器对温度的灵敏度可通过改变电极的几何结构来控制。
本说明书中通篇提及的“一个实施方案”、“某些实施方案”、“一个或多个实施方案”或“实施方案”，无论在术语“实施方案”前是否包括术语“示例性”，都意指结合该实施方案描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开的某些示例性实施方案中的至少一个实施方案中。因此，在本说明书通篇各处出现的表述，诸如“在一个或多个实施方案中”、“在某些实施方案中”、“在一个实施方案中”或“在实施方案中”，不一定是指本公开的某些示例性实施方案中的同一实施方案。此外，特定特征、结构、材料或特性可在一个或多个实施方案中以任何合适的方式组合。
实施例
实施例1—温度敏感电容器
制造示例性温度敏感电容器，用于感测导电体(例如，图1的导电体31)的温度。温度敏感电容器具有如图7所示的构造。电容器主体由尼龙-6材料制成。电极设置在电容器主体的外表面上，形成叉合电容器。通过使用介电谱仪，根据ASTM标准测试方法(包括ASTMD150“固体电绝缘的AC损耗特性和电容率(介电常数)的标准测试方法”)，来测量温度敏感电容器的介电特性。
图8是示出了导电体31的温度与电容器主体的介电常数之间的关系的曲线图。介电常数分别在133kHz、94.9kHz和67.8kHZ下测得。
图9是示出了导电体31的温度与电容器主体的损耗角正切之间的关系的曲线图。损耗角正切分别在133kHz、94.9kHz和67.8kHZ下测得。
虽然以某些示例性实施方案详细描述了说明书，但应当理解，本领域的技术人员在理解上述内容后，可以很容易地想到这些实施方案的更改、变型形式和等同形式。因此，应当理解，本公开不应不当地受限于以上给出的示例性实施方案。特别是，如本文所用，用端值表示的数值范围旨在包括该范围内所包含的所有数值(如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)。另外，本文所用的所有数字都被假设为被术语“约”修饰。此外，已描述了各种示例性实施方案。这些实施方案以及其他实施方案在以下权利要求书的范围内。

Claims (13)

1.一种温度感测设备，所述温度感测设备用于感测包围在至少一个导电或半导电层中的导电体的温度，所述设备包括：
温度敏感电容器，所述温度敏感电容器包括电容器主体和至少两个电极，所述至少两个电极以叉合构造布置并由所述电容器主体支承，所述电容器主体的至少一部分包括一个或多个温度敏感介电材料，所述一个或多个温度敏感介电材料具有随温度变化的介电常数，并且所述电极设置在所述温度敏感介电材料附近，
其中所述电容器主体被设置成与所述导电体热接触，并且所述温度敏感电容器的电容能够随所述导电体的所述温度变化；
其中，所述电容器主体具有带内表面和外表面的环形结构；并且
其中，所述电容器主体围绕所述导电体并且是柔性的，以使其所述内表面压贴所述导电体的周向表面并与之热接触，并且所述电极设置在所述电容器主体的所述外表面上或嵌入所述电容器主体中。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述电容器主体还包括与所述导电体直接接触的导热部分。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述电极包括以叉合梳状构造布置的第一电极和第二电极。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述电容器设置在所述导电体和所述导电或半导电层之间，并被所述导电或半导电层包围。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述温度敏感介电材料包括一种或多种合成聚合物。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述合成聚合物包括尼龙-6和尼龙-6,6中的至少一者。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述一种或多种温度敏感介电材料包括分散在聚合物基体中的铁电陶瓷材料颗粒。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述聚合物基体包括聚合物，所述聚合物选自由硅酮、环氧树脂、乙烯-丙烯-二烯橡胶、聚烯烃、聚氨酯、表氯醇、含氟弹性体、聚烯烃、聚酰胺和聚酰亚胺构成的组。
9.根据权利要求7所述的设备，其中所述铁电陶瓷材料占所述电容式感测组合物的重量百分比在15％和90％之间。
10.根据权利要求7所述的设备，其中所述铁电陶瓷材料选自由掺杂的BaTiO3、BaSnTiO3、BaHfTiO3、BaSrTiO3、BaZrTiO3、SrTiO3、BaFe12O19、Pb[ZrxTi(1-x)]O3和x[Pb(Mg1/ 3Nb2/3)O3]-(1-x)[PbTiO3]、以及它们的组合和混合物构成的组。
11.根据权利要求1所述的设备，还包括电感器，所述电感器电连接到所述叉合电容器以形成无源LC电路。
12.根据权利要求11所述的设备，还包括电磁耦接到所述无源LC电路的收发器单元，并且所述收发器单元被构造成在所述导电体的温度改变时发出信号，所述信号表示所述叉合电容器的电容变化。
13.一种电缆组件，包括：
包围在导电或半导电层中的导电体；以及
根据权利要求1所述的温度感测设备中的一者或多者，
其中所述温度感测设备沿着所述导电体分布，并且被构造成感测所述导电体的温度分布。
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