用于电容式温度感测的组合物、设备及方法技术

本发明专利技术公开了一种无源温度感测设备，所述无源温度感测设备包括电容式感测元件，所述电容式感测元件包含电容式感测组合物，所述电容式感测组合物包含表现出低于30℃的可测量电居里温度的铁电陶瓷材料。所述电容式感测组合物的电容对温度在30℃至150℃的温度范围内表现出负斜率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
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。
技术实现思路
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℃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℃至150℃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
技术实现思路
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。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。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。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。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。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。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。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。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MLCC。MLCC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。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。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℃的电居里温度。因此，此类材料非常适合用于监测从例如30℃至例如150℃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)。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℃至150℃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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无源温度感测设备，所述设备包括电容式感测元件，所述电容式感测元件包含电容式感测组合物，所述电容式感测组合物包含表现出低于30℃的可测量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℃至150℃的温度范围内表现出负斜率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.09.25 US 61/882,2811.一种无源温度感测设备，所述设备包括电容式感测元件，所述电容
式感测元件包含电容式感测组合物，所述电容式感测组合物包含表
现出低于30℃的可测量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℃至150℃的温度范围内表现
出负斜率。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述电容式感测元件包括多层陶
瓷电容器，所述多层陶瓷电容器包括所述电容式感测组合物与导电
材料的交替层。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述电容式感测组合物包含分散
于聚合物基体中的所述铁电陶瓷材料颗粒。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述聚合物基体选自由以下项组
成的组：热塑性材料和热固性材料。
5.根据权利要求3所述的设备，其中所述聚合物基体包括聚合物，所
述聚合物选自由以下项组成的组：有机硅；环氧化物；乙烯-丙烯-二
烯；聚烯烃；聚氨酯；表氯醇；含氟弹性体；以及它们的共聚物、
共混物和/或混合物。
6.根据权利要求3所述的设备，其中所述铁电陶瓷材料占所述电容式
感测组合物的约15重量％至约90重量％。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述铁电陶瓷材料选自由以下项
组成的组：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。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述铁电陶瓷材料选自由以下项
组成的组：BaMxTi1-xO3，其中M＝Zr或Sn并且其中0....

【专利技术属性】
技术研发人员：D·格霍施，姜明灿，金载源，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US