用于电容式温度感测的组合物、设备及方法
【专利说明】用于电容式温度感测的组合物、设备及方法
【背景技术】
[0001] 高电压电力电缆的温度可随着线缆承载的电流的增加而升高。因此，监测此类线 缆(特别是例如接头和接点处）的温度通常是有用的。然而，许多电力电缆及其接头和接点 受到多个绝缘和/或半导体层的保护，并且常常埋于地下或悬于高空。
【发明内容】
[0002] 总的来讲，本文公开了电容式感测组合物，该电容式感测组合物包含表现出低于 30°C的可测量的电居里温度的铁电陶瓷材料，并且其中所述电容式感测组合物的电容对温 度在30 °C至150 °C的温度范围内表现出负斜率。本文还公开了包含此类组合物的元件和设 备及使用方法。在以下【具体实施方式】中，将显而易见这些方面和其他方面。然而，在任何情 况下，都不应将该广泛的
【发明内容】
理解为是对可受权利要求书保护的主题的限制，无论此 主题是在最初提交的专利申请的权利要求书中给出还是在修订的专利申请的权利要求书 中呈现，或者另外是在申请过程中呈现。
【附图说明】
[0003] 图1示出了通用表示形式，示出了如本文所公开的包含电容式感测元件和组合物 的设备。
[0004] 图2示出了实验观察的如本文所公开的示例性电容式感测组合物的相对电容作为 温度的函数。
[0005] 图3示出了实验观察的图2的示例性电容式感测组合物在升高的温度下的电容作 为保持时间的函数。
[0006] 图4示出了实验观察的如本文所公开的示例性电容式感测组合物的电容作为温度 的函数。
[0007] 图5示出了实验观察的图4的示例性电容式感测组合物的介电损耗角正切作为温 度的函数。
[0008] 图6示出了实验观察的如本文所公开的另一个示例性电容式感测组合物的电容作 为温度的函数。
[0009] 图7示出了实验观察的图6的示例性电容式感测组合物的介电损耗角正切作为温 度的函数。
【具体实施方式】
[0010]如上所述，可能有用的是监测电缆(例如，高电压(例如，>10kV)电力电缆)的温度。 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L-C电路（即，电感-电容电路）。采用适当设计的L-C电路可表现出谐振频率，该 谐振频率可被监测(无论是连续监测还是不连续监测），且不一定需要与设备建立任何物理 (例如，电)连接，如本领域的技术人员将会知道的。如果此类设备使用对温度敏感的电容元 件(本文中将其称为"电容式感测元件"），并且该电容元件被放置成与高电压电力电缆的一 部分热连通，则那一部分高电压电力电缆的温度变化将引起电容式感测元件的温度产生同 量的变化。这将改变L-C电路的谐振频率，可检测该谐振频率并用于推断那一部分高电压电 力电缆的温度。
[0011] 此类电容式感测元件21以通用表示形式示出于图1中，其中还示出了与元件21保 持热连通的高电压电力电缆31的一部分。"热连通"不仅涵盖其中元件21与高电压电力电缆 的导电材料保持直接、密切的热接触的情况，而且涵盖其中元件21与一些中间层(例如，半 导体层)保持密切的热接触的情况，前提是该一个或多个中间层允许热能穿过其中达到足 够的程度，使得元件21的温度足以用于确定或估计高电压电力电缆的导电材料的温度。至 少一个电容式感测元件21和电容式感测元件21与之电连接(例如，通过线路）以便提供L-C 电路的至少一个感应元件41(在图1的通用表示形式中示出），以及根据需要的任何其他辅 助部件(例如，放大器、振荡器、连接器等），共同构成设备1。可使用独立装置(例如，包含感 应天线的便携式读数器)启动设备1和/或询问设备1的L-C电路的谐振频率。当然，此类装置 可不一定需要物理连接至L-C电路以便执行该功能。
[0012] 电容式感测元件21包含电容式感测组合物11(一般性示出于图1中），其可以提供 为任何合适的构造或几何形状。电容式感测元件21还包含两个或更多个电极（图1中未示 出），该两个或更多个电极彼此分开并且位于电容式感测组合物11的至少一部分的附近(例 如，通过其一部分彼此分开），并且可结合电容式感测组合物11起作用以形成电容式感测元 件21。此类电极可由任何合适的导电材料制成。在一些实施例中，此类电极可以提供为叉合 电极(例如，互相啮合的梳齿形金属涂层设置在一层电容式感测组合物11的表面上）。然而， 在许多实施例中，可能便利的是将电容式感测组合物11提供为电极之间的层以便形成平行 板电容器，如所熟知的那样。在此类特定实施例中，可提供多层电容式感测组合物11，其交 替设置在导电材料(例如，金属)层之间，以便提供所谓的多层陶瓷片状电容器或MLCGMLCC 可通过任何便利的方式制备，例如，通过浇注合适的陶瓷颗粒的浆液以形成片材，将导电材 料(例如，导电墨)沉积到该片材上，堆叠片材并将其层合以形成多层叠层，以及在需要时焙 烧陶瓷颗粒。在一些实施例中，合适的陶瓷颗粒可分散于聚合物基体中（如本文后面所详细 公开）以形成电容式感测组合物11。然后可将电容式感测组合物11定位于导电层（电极)之 间以形成电容式感测元件21。
[0013] 电容式感测组合物11依赖于极性/铁电（为方便起见，本文中使用术语"铁电"）陶 瓷材料。基于特定的电（介电）特性，铁电材料可容易地与其他材料区别开。相比之下，当某 些材料暴露于电场时，材料中产生的极化基本上与所施加的电场成比例。即，材料的介电常 数(相对介电常数)是常数，使得材料中产生的极化为所施加电场的线性函数。此类材料包 括许多常用的介电材料。被称为铁电材料的其他材料显示出更强的极化能力，使得极化成 为所施加电场的非线性函数。（即，在铁电材料中，介电"常数"不再是常数，而是所施加电场 的函数。）此外，铁电材料在不存在施加的电场时表现出自发电极化，其极化可通过施加外 部电场被反转。然而，铁电材料仅在特定温度下表现出这一自发极化;具体地，是在低于该 材料的所谓电居里温度的温度下才表现出这一自发极化。（本领域中的普通技术人员都将 认识到，电居里温度与熟知的磁居里温度类似，但两者不一定相同）。即，根据定义，铁电材 料将表现出可测量的居里温度。在低于这一温度时，材料表现出铁电行为；高于这一温度 时，材料将表现出顺电行为。
[0014] 如本文所公开，电容式感测组合物11中使用的陶瓷铁电材料表现出低于30°C的电 居里温度。因此，此类材料非常适合用于监测从例如30°C至例如150°C的范围内的温度（即， 在监测高电压电缆的温度时，通常感兴趣的范围）。
[0015] 除这一要求之外，如本文所公开的陶瓷铁电材料使电容式感测组合物11的电容对 温度在30 °C至150 °C的温度范围内具有负斜率。所谓负斜率是指电容式感测组合物11表现 出作为温度的函数的相对电容变化(Sc/C;即，电容变化与参比电容之比），该变化在30°C至 150°C的范围内的至少某处具有至少-1%/10°C的量值。本发明人已发现，此类组合物及由 其制成的电容式感测元件可表现出增强的耐高温老化能力。即，当例如电容相对于时间长 时间暴露于接近例如100 °C或更高的温度时，电容相对于时间可表现出减少量的漂移，与例 如在此温度范围内显示正斜率的电容的组合物（如本文实例中的图3所证实）形成对比。此 外，此类组合物及由其制成的电容式感测元件可在L-C电路中提供增强的性能（例如，可抵 抗老化的影响），甚至当它们长时间被保持在高强度电场中时(诸如，当用于监测高电压线 缆的温度时)也是如此。（在监测例如基本上不存在电场的机械部件和联动装置的温度时当 然不存在此类考虑）。
[0016]图2示出了实验观察的材料(工作实例1)的相对电容，该材料的电容对温度在约30 °C至150°C的温度范围内表现出负斜率(并且用于比较，显示了在该温度范围内具有正斜率 的比较例材料的相对电容）。应当理解，所计算的相对电容变化将基于用作基准点的温度和 电容而产生一定程度的变化(还应注意到，电容随