NO803157L - Feildetekterende foeler. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår følere for detektering av en feiltilstand, f.eks. for høy temperatur eller lekkasje av fluidum, og fremgangsmåter for benyttelse av slike følere.

US-PS 4 041 771 viser en føler for detektering og lokalisering av lekkasjer av cryogenisk materiale. Føleren omfatter et langstrakt, dielektrisk rør som inneholder en væske som vil fryse ved den reduserte temperatur i området for en sådan lekkasje, og som har vesentlig høyere motstands-evne eller spesifikk motstand når den er frosset enn når den er flytende. En leder er plassert utenfor det dielektriske rør, slik at det er dannet en kondensator hvis kapasitans eller kapasitet måles periodisk. Kapasiteten endres når en lekkasje inntreffer, og feilens beliggenhet kan bestemmes ut fra graden av endring.

Ifølge oppfinnelsen er det tilveiebrakt en feildetekterende føler som omfatter en elektrisk leder, et dielektrisk element og et element som er dannet av fast, ledende polymerkomposisjon (CPC = conductive polymer composition) som omfatter en massiv polymer og elektrisk ledende partikler som er dispergert i polymeren, og som øker i spesifikk motstand når den utsettes for feiltilstanden, idet lederen og det ledende polymerelement er adskilt av det dielektriske element og sammen med dette danner en elektrisk kondensator hvis kapasitet kan måles ved tilkopling av føleren til en kapasitetsmålende anordning.

Ifølge en annen side ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for overvåkning av en innretning for å detektere opptreden av en feiltilstand i denne, hvilken fremgangsmåte omfatter de trinn at innretningen forsynes med en feildetekterende føler som ovenfor angitt, og at følerens kapasitet måles periodisk.

CPC-elementet bør ha en sådan motstand at hele følerens kapasitet kan måles under normale, feilfrie driftsforhold. CPC-elementets spesifikke motstand og elementets dimensjoner bør velges tilsvarende. Når en feiltilstand inntreffer i ett eller annet punkt på føleren, bør CPC-elementets motstand i feilområdet øke i en slik grad at kapasiteten av bare en del av føleren kan måles. Når føleren, slik det foretrekkes, er i form av en kabel, er reduksjonen i kapasitet et mål for feilens avstand fra følerens ende. Når føleren er i form av en plate, er reduksjonen i kapasitet et mål for det areal over hvilket feiltilstanden eksi-sterer. Den ikke-feilpåvirkede føler har fortrinnsvis en i hovedsaken konstant kapasitet pr. lengdeenhet eller flate-enhet, og føleren vil vanligvis ha konstant tverrsnitt.

Den feiltilstand som detekteres, kan være hvilken som helst feil som forårsaker at i det minste en del av CPC-elementet øker i motstand til et slikt nivå at følerens kapasitet faller. En sådan feil er en for høy temperatur,

i hvilket tilfelle CPC-elementet bør være et element som oppviser PTC-oppførsel (positiv temperaturkoeffisient) med en omkoplingstemperatur (T ) i området for den høye temperatur eller overtemperatur som skal detekteres. Slike over-temperaturer kan oppstå for eksempel på lokale, varme steder i tørkere for landbruksprodukter, eller i elektriske høy-spenningskabler. En annen sådan feil er å utsette i det minste en del av CPC-elementet for et fluidum (f.eks. en væske, en fordampet væske eller en gass som har lekket ut fra en beholder eller et rør eller annen rørledning) som absorberes av CPC-elementet og som, når den absorberes, forårsaker at CPC-elementets spesifikke motstand stiger. En endring av trykket på føleren kan også være en feiltilstand. Uttrykket "feiltilstand" benyttes her i vid betydning for å omfatte en tilstand som ikke i seg selv er skadelig for den innretning som skal beskyttes, men som forårsakes av en skadelig tilstand og som bevirker den ønskede endring i CPC-elementets spesifikke motstand.

Føleren ifølge oppfinnelsen vil ofte omfatte et ytre beskyttelseslag som vanligvis består av dielektrisk materiale og vanligvis er i fysisk kontakt med CPC-elementet. Når føleren er innrettet til å detektere en lekkasje, bør det ytre lag være dannet av et materiale som er gjennomtrengelig for det fluidum som er til stede som et resultat av lekkas-jen, for eksempel polyethylen, polypropylen eller naturlig gummi for hydrocarbonlekkasjer, og polyvinylalkohol for vann-lekkasjer. Beskyttelseslaget kan også inneholde en metall- fletning eller et annet materiale for å forbedre følerens mekaniske egenskaper.

Ledende polymerkomposisjoner er velkjente. Komposisjoner eller sammensetninger med lav spesifikk motstand, f.eks. mindre enn 10 ohm.cm, fortrinnsvis mindre enn 1 ohm.cm, foretrekkes. Komposisjoner som oppviser PTC-oppførsel, er vesentlige når en overtemperatur skal detekteres, og foretrekkes ofte også når en annen feiltilstand skal detekteres. Det kan for eksempel henvises til DE-OS

(US-patentsøknad nr. 965 343).

De ledende partikler omfatter fortrinnsvis kjønrøk. Polymergrunnmassen omfatter fortrinnsvis en krystallinsk polymer, f.eks. en polyolefin eller en fluorpolymer. CPC-elementet er fortrinnsvis tverrbundet. Når en ledende PTC-polymer benyttes, vil CPC-elementets vekslings- eller omkoplingstemperatur (T ) bli valgt med henblikk på den temperatur som betraktes som overdreven (dersom altfor høy temperatur er den forventede feiltilstand), eller med henblikk på å sikre at CPC-elementets spesifikke motstand ikke øker vesentlig som et resultat av forventede tempera-turendringer (hvor en annen type av feiltilstand forventes). Omkoplingstemperaturen T kan for eksempel være minst 50° C, f.eks. 50 - 150° C eller høyere, f.eks. minst 120° C. Jo større økning i spesifikk motstand som forårsakes av feiltilstanden, jo bedre er nøyaktigheten av feilens lokalisering. Det foretrekkes derfor at CPC-elementet bør øke i spesifikk motstand med en faktor på minst 4, fortrinnsvis minst 8, over et temperaturområde på 10° C, fortrinnsvis 5° C. Avhengig av feilens beskaffenhet vil fjerning av feiltilstanden vanligvis tilbakestille føleren til dens opprinnelige tilstand .

Den elektriske leder vil vanligvis være dannet av et metall eller et annet materiale hvis spesifikke motstand er mindre enn CPC-elementets spesifikke motstand og fortrinnsvis er i hovedsaken uforanderlig under normale driftsforhold og under feiltilstandene.

Det dielektriske element kan for eksemel være dannet av en isolerende lakk eller et ekstrudert lag av en orga-nisk polymer.

Føleren er fortrinnsvis i form av en kabel, for eksempel en kabel i hvilken det dielekrriske element omgir lederen (vanligvis en metalltråd) og på sin side er omgitt av det ledende polymerelement, eller en kabel i hvilken lederen, det dielektriske element og det ledende polymerelement er langstrakte, flate lag.

Periodisk måling av følerens kapasitet, og sammenlikning av den målte kapasitet med den ikke-feilpåvirkede kapasitet, kan lettvint utføres ved benyttelse av konven-sjonell, elektronisk styrt utrustning. Et antall lednings-følere som er anordnet i et to- eller tredimensjonalt gitter, kan benyttes i kombinasjon for å lokalisere en feil i to eller tre dimensjoner. CPC-elementet vil normalt være plassert så nær som mulig til den forventede kilde for feiltilstanden.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med utførelseseksempler under henvisning til tegningene, der fig. 1 og 2 viser tverrsnittsbilder av følerkabler ifølge oppfinnelsen, og fig. 3 og 4 viser kop-lingsskjemaer av kretser for måling av en følers kapasitet.

Idet det henvises til fig. 1, omfatter føleren en rund metalltråd 10 som på sin side er omgitt av et konsen-trisk lag 12 av en isolerende lakk, et lag 14 av en ledende polymerkomposisjon (CPC) og et lav 16 av isolerende polymer.

Idet det henvises til fig. 2, viser denne figur

en føler som kan benyttes til å bestemme når det har skjedd et tap av trykk i et trykksystem. En leder 114 har ringfor-met tverrsnitt og avgrenser et indre rom 112. Et dielektrisk lag 116, et CPC-lag 118 og et beskyttende lag 12 0 omgir lederen 114. Komponentene 114, 116, 118 og 120 er slik at dersom det indre trykk i rommet 112 overskrider det ytre trykk med

et forutbestemt beløp, vil røret ekspandere slik at CPC-lagets motstand øker brått. Føleren plasseres i trykksystemet og trykket i rommet 112 økes deretter til samme nivå som trykksystemet. Dersom det opptrer et senere, lokalt tap av trykk i systemet, vil en utbuling fremkomme i føleren på dette sted, og den målte kapasitet av føleren vil falle.

På fig. 3 er vist et koplingsskjerna av en krets

for måling av kapasiteten av en plate- eller flatkabel-

føler som omfatter et ledende lag 18 og et CPC-lag 22 som er adskilt av et dielektrisk lag 20. Periodisk, for eksempel med noen få sekunders mellomrom, opplader et batteri 2 6 føleren via en motstand 28. En kondensator 30 med en kapasitet C er i begynnelsen uladet, idet den er blitt tappet via en belastningmotstand 32. Før kabelen oppnår hele batterispenningen til batteriet 26, bryter en fireskikts-diode 34 sammen til en spenning V^. I løpet av en kort tid utlades kabelen fullstendig inn i kondensatoren 3 0 (overdem-pet på grunn av lagets 22 motstand). Kondensatoren 3 0 kan ikke utlade seg i den motsatte retning på grunn av dioden 36. Kondensatorens 30 toppspenning V måles og sammenliknes elektronisk med den elektronisk lagrede toppspenning når systemet er feilfritt. Dersom verdiene er forskjellige, blir feilens beliggenhet beregnet elektronisk og fremvist.

Idet det nå henvises til fig. 4, viser denne figur et blokkdiagram av en kapasitetsmålende krets som måler tiden for ladning av føleren ved telling av klokkepulser. På fig. 4 er føleren vist som et antall seksjoner av motstander R og kondensatorer C. Føleren er koplet som vist som kapasitets-delen av et motstands- og kapasitetsnettverk (R, C) i den ene halvdel av en dobbel, monostabil multivibrator 40. Den så-ledes dannede RC-tidskonstant bestemmer den tidslengde som den monostabile multivibrator 40 er i sin "på"-tilstand. Et signal fra en klokkepulsgenerator 44 med konstant frekvens og signalet fra den monostabile multivibrator 40 adderes i en NAND-port 46. Utgangssignalet fra NAND-porten 4 6 er et tog av pulser hvis antall er bestemt av den monostabile multi-vibrators 40 "på"-tid. Disse pulser telles av en teller-anordning 48 og fremvises på en passende digital fremvisnings-anordning 52. Den andre halvdel av den doble, monostabile multivibrator bestemmer "av"- eller utladnignstiden mellom oppladningsperiodene.

Kretsen innstilles i begynnelsen slik at den frem-viser et sett sifre som svarer til følerens kjente -lengde eller areal uten noen feil. Når en feil inntreffer, fremvises den proporsjonale kapasitetsreduksjon som et mindre sett sifre som svarer til feilens beliggenhet eller areal.

Oppfinnelsen illustreres ytterligere ved hjelp av følgende Eksempel.

Eksempel 1

En overtemperaturføler ble fremstilt av en poly-olefinbasert, ledende polymerkomposisjon (CPC) med følgende sammensetning: 1633 g (54 vekts%) høytetthets polyethylen ("Marlex" 6003 fremstilt av Phillips Petroleum), 1331 g (44 vekts%) kjønrøk ("Furnex" N765 fremstilt av Cities Services Co.) og 60,5 g (2 vekts%) antioxyderingsmiddel

(en oligomer av 4,4-tiobis (3-metyl- 6-t-butyl-f enol) med en gjennomsnittlig grad av polymerisasjon på 3 - 4, slik som beskrevet i US-PS 3 986 981). Alle materialer ble tørket før blanding (50° C, 1 Torr i minst 16 timer). En Banbury-blander ble foroppvarmet av smeltende høytetthets-polyethylen i 5 minutter. Komposisjonens ingredienser ble tørr-blandet og innført i den foroppvarmede, vannkjølte Banbury-mikser. Etter blanding i 4,5 minutter for fullt ble sammen-setningen uttømt, avkjølt til romtemperatur, granulert og tørket (50° C, 1 Torr, 16 timer).

En følerkabel med en diameter på 0,25 cm ble dannet ved ekstrudering av dette CPC-materiale gjennom en 2,5 cm enkeltskrue-ekstruderer over en massiv kobbermagnettråd med en diameter på 0,08 cm, idet magnettrådens lakkisolasjon til-veiebrakte det dielektriske lag. Et isolerende lag av høy-tetthets polyethylen ble deretter ekstrudert på kabelen. Hele kabelen ble deretter bestrålt til 20 Mrad ved benyttelse av en elektronstråle på 1,0 MeV.

En lengde på 7,5 m av denne følerkabel ble benyttet i forbindelse med kapasitetsmåleutrustning som likner på den som er vist på fig. 4, først til å avføle og lokalisere en overtemperatur-feiltilstand som ble simulert ved å holde en tent fyrstikk under kabelen, og deretter til å avføle og lokalisere en hydrocarbon-lekkasjefeil som ble simulert ved å nedsenke en liten del av kabelen i varm toluen.

Claims (11)

1. Feildetekterende føler omfattende en første elektrisk leder, et dielektrisk element og en andre elektrisk leder som er innrettet til å danne en elektrisk kondensator hvis kapasitet endrer seg når fø leren utsettes for en feiltilstand som skal detekteres, karakterisert ved at den andre elektriske leder er dannet av en massiv, ledende polymerkomposisjon som omfatter en massiv polymer og elektrisk ledende partikler som er dispergert i polymeren, og som øker i spesifikk motstand når føleren utsettes for øket temperatur, slik at det frembringes en målbar endring i kapasitet.

2. Feildetekterende føler omfattende en elektrisk leder, et dielektrisk element og et element som er dannet av en elektrisk ledende komposisjon som øker i spesifikk motstand når føleren utsettes for en feiltilstand, idet lederen og det ledende element er adskilt av det dielektriske element for å danne en elektrisk kondensator hvis kapasitet kan måles ved tilkopling av føleren til en kapasitetsmålende anordning, karakterisert ved at det ledende element er dannet av en massiv, ledende polymerkomposisjon som omfatter en massiv polymer og elektrisk ledende partikler som er dispergert i polymeren.

3. Føler ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den ledende polymerkomposisjon er valgt slik at den gjennomgår en vesentlig økning i spesifikk motstand ved en forutbestemt terskel-omkoplingstemperatur.

4. Føler ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at det dielektriske element omgir den første elektriske leder, og den andre elektriske leder omgir det dielektriske element.

5. Føler ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at den elektriske leder, det dielektriske element og den andre elektriske leder er langstrakte, flate lag.

6. Føler ifølge ett av kravene 1-5, karakterisert ved at den omfatter et ytre beskyttelseslag som er dannet av et dielektrisk materiale og som er i fysisk kontakt med den ledende polymerkomposisjon.

7. Føler ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den ledende polymerkomposisjon og et eventuelt eller eventuelle ytre lag på denne er gjennomtrengelig/gjennomtrengelige for et fluidum som er til stede i feiltUstanden og som, når det absorberes av den ledende polymerkomposisjon, bringer denne til å øke sin spesifikke motstand.

8. Føler ifølge ett av kravene 1-6, karakterisert ved at den ledende polymerkomposisjon er innrettet til å strekkes fysisk på grunn av feiltilstanden, for derved å øke sin spesifikke motstand.

9. Føler ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den ledende polymerkomposisjon oppviser PTC-oppførsel med en omkoplingstemperatur mellom 50 og 150° C.

10. Føler ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den er i form av en kabel med i hovedsaken konstant tverrsnitt, slik at feilens beliggenhet kan bestemmes ved sammenlikning av de respektive kapasiteter av kabelen før og under feiltilstand.

11. Fremgangsmåte ved overvåkning av et sted for å detektere opptreden av en feiltilstand på dette, karakterisert ved at stedet forsynes med en feildetekterende føler ifølge ett av kravene 1-10, og at følerens kapasitet måles periodisk.