Погружной твердоэлектролитный датчик

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з С 01 N 27/416

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕН НОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4868460/25 (22). 25.09.90 (46) 30.12.92. Бюл. N 48 .(71) Всесоюзный. научно-исследовательский институт аналитического .приборостроения (72) Р.С.Станкевич, Л.В.Иельник, Э.B.Öåøêoâñêèé и П,.Б.Карев (56) Проспект фирмы Согп ing Glass. /

/Glass Furnace, Oxygen Sensors and

Monitors. Corning, N-. Y..U.S.А. t4830.

Авторское свидетельство СССР

У 1562828, кл. G 0 1 N 27/30, 1989. (54) ПОГРУЖНОЙ ТВЕРДОЭЛЕКТРОЛИТНЫИ.

ДАТЧИК . (57) Использование: контроль содержания кислорода в отходящих газах-печей в широком диапазоне изменения концентраций, контроль углеродного поИзобретение относится к области анализа горячих газов, в частности

:контроля углеродного потенциала атмосферы печей термообработки изделий машиностроения, йзмерения содержания кислорода в отходящих газах стекло.:варенных печей, а также при производстве керамики, кирпича и пр.

Известен.погружной электрохимический датчик на основе ионопроводящей керамики для определения содержания и включения в системы регулирования концентрации кислорода в дымовых газах стекловаренных печей, выпускаемый фир.- мой "Корнинг Гласс" США..

„,.Я2,, 1784906 А1

2 тенциала атмосферы печей термообработ- ки. Сущность изобретения: датчик содержит съемный чувствительный элемент и экран из жаропрочного материала для защиты керамической ячейки от абразивного воздействия среды. Чувст-вительный элемент содержит металлическую оправку с изоляционной проклад- кой и токосьемным кольцом, с которым соединен токоотвод внутреннего элект- рода, а токоотвод наружного электро-. да соединен с металлической оправкой. .Цля гальванического контакта со сменным узлом (чувствительным элементом) датчик также содержит токосъемное кольцо, установленное в изоляционной прокладке. Узел соединения чувствительного элемента с датчиком и узел соединения керамики с металлом непре", рывно охлаждаются водой. 1 ил.

Q0 фь датчик содержит керамический чув- сО ствительйый элемент из диоксида циркония стабилизировайного окисью иттрия, О вЫполненный. в виде закрытой с одной стороны трубки с платиновыми электродами с внутренней и наружной стороны закрытой части, термопару, защитную трубку, головку датчика, имеющую систему собственного воздушного принудительного охлаждения, в которой размещен штуцер подвода эталонного газа (воздуха) к внутреннему электроду и контакты токоотводов.

Датчик предназначен для работы при температурах газовых смесей

1784906 до 1600 С. Трубка из ионопроводящей керамики имеет длину погружной части до 600 мм и т.о. сама выполняет функцию держателя чувствительного элемента. Это позволяет перенести узел крепления чувствительного керамического элемента к металлическим . деталяи, к которому предъявляются требовайия высокой степени герметич- 1О но1" и "для разделения эталонного и анализируемого газов, в головку датчика, работающую вне печи, а следовательно в зоне более низких температур. Однако температура головки, рас- 1g полагаемой у стенки печи, может превышать 150 С, что приводит к окислению контактов и потере сигнала и увеличивает вероятность разгерметизации узла крепления керамики с металлом.

Это обстоятельство вызывает необхо" димость принудительного охлаждения головки воздухом до температуры ниже

150 С.

Недостатком датчика является низ- 25 кая механическая прочность керамической трубки большой длины. При контроле кислорода в стекловаренных печах в зонах низкого давления чувствительный элемент должен еыступать ; я() из стенки огнеупора на длййу около

160 мм (6 дюйиов) при толщине кладки

600-1000 мм, что требует применения датчиков с длиной погружной -части

7 1000 им. При контроле углеродного потенциала в печах термообработки средней и большой производительности требуется погружение датчика на глубину 800-1000 мм.

Датчик Фирмы Корнинг Гласс име- 4р ет предельную длину рабочеи части..

600 мм; что огранйчивает область его применения. В рабочем положении керамическая трубка представляет собой консольную балку, защемленную одним концом. Статические йагрузки; возникающие под действием собственной массы трубки, а i àéæå наг 1зузкй от вибраций вызывают разрушение керамики. При этом особенно неблагопри- . 0 ятно горизонтальное расположение датчика. Колебание температуры трубки, особенно при ее вводе и выводе из печи, способствуют выходу ее из" строя. Для избежания тепловогб удара датчик устанавливается в печь со скоростью не более 25 мм/мин, что только уменьшает, но не исключает вероятности его разрушения.

Для повышения механическои прочности и увеличения погружной части более благоприятным является выполнение держателя керамического чувствительного элемента из металла.

Наиболее близким к предлагаемому является погружной датчик, содержащий чувствительный элемейт в виде керамической ячейки .из ионопроводящего материала с внутренним и наружным электродами, держатель чувствительного элемента из жаропрочного токопро-водящего материала.

Недостаток датчика состоит в низ-. кой температурной устойчивости, Узел соединения кераиики с жаропрочным металлическим держателем (металлокерамический узел) располагается в зоне высокой термпературы (до 1200 С в печах термообработки, до 1600 С в стекловаренных печах). Керамика и иеталлы имеют" существенное различие коэффициентов термического расширения (TKP), причем TKP при изменении тем--йературы носйт различный характер. C . повышением температуры разность ТКР . металлов и керамики возрастает. Так, для диоксида циркония TKP в диапазоне температур от 70 до 1000 С изменяется мало и имеет зйачения 7, 7 .10, -6

1/ С. Для жаропрочных сплавов на никелевой основе ТКР при: изменении температуры от 20 до 1000 С составляет (15-17) 10, 1/ С,и в 1,5 раза превышает TKP в диапазоне температур

20-200 C. При различии величин ТКР и их различном температурном ходе в металлокераиическом узле неизбежно возникают усилия, разрушающие слой— высокотемпературного клея и как следствие этого приводящие к разгерметизации узла. C повышением теипературы свыше 900 С усилия разрыва возрастают, что делает датчик непригодным для работы в области высоких температур. В результате потери герметичности на сравнительный электрод поступает анализируемая смесь, что снижает точностные характеристики (падейие точности, чувствительности, стабильности) и в конечном счете приводит к разрушению чувствительного элеиейта. Этому явлению способствует также поджатие патрубка для подвода эталонного газа к внутреннеиу электроду с целью обеспечения контакта, т.к. усилие регулируется субъективно и работает на, отрыв элемента от держате5 1784906 6 ля. Отсутствие защитной трубы снйжа- ного элемента ячейки осуществляется

1 ет надежность,т.к. керамическая ячейк.-::. с помощью трубки, соединенной с подподвергается воздействию твердых водящим штуцером. Отвод воды произвочастиц анализируемых атмосфер. 5 дится через другой штуцер. Оба штуцеНедостаток датчика состоит в том, ра укреплены на непогружаемой в печь что его долговечность ограничивается части защитной трубы. сроком службы керамической ячейки и Введение воды в герметичную поузла ее крепления к металлическому лость позволяет поддерживать темпедержателю. Керамическая ячейка и 10 ратуру узла соединения керамики с узел крепления подвержены более металлической оправкой чувствительбыстрому износу по сравнению с други- ного элемента на уровне до 100-150 С ми элементами конструкции датчика в в зависимости от расхода охладителя силу указанных выше причин, Конструк- (в среднем около 10 мз/с). При ция погружаемой части датчика выпол- 15 таких значениях температур значения нена неразъемной, что делает невоз- TKP материалов узла практически не можным съем чувствйтельного элемента изменяются и близки друг к другу и приводит к необходимости замены (расхождение до 253), что существендатчика в целом. Это существенно ска- но упрощает технологию изготовления зывается на показателях надежности, ®О этого узла, снижает требования к сокращая срок службы датчика в 3- склеивающему материалу повышает ме4 раза. ханическую и температурную устойчиЦель изобретения состоит в по -. вость датчика в практически не огравышении верхнего предела рабочих тем- гиченном сверху диапазоне температур. ператур, стабильности показаний и >5 Охлаждение узла соединения кераувеличении срока службы погружного мики с металлом позволяет чувствительтвердоэлектролитного датчика. ный элемент датчика выполнить съемУказанная цель достигается тем, ным . Это повышает срок службы датчто между защитной трубой и держате- чика в целом. Экран чувствительного лем чувствительного элемента погруж- 30 элемента выполнен также съемным, что . ного твердоэлектролитного датчика об- облегчает крепление чувствительного, разована заполняемая проточной во- элемента и защищает чувствительный дой герметичная полость с помощью элемент от абразивного воздействия укрепленных в торцах защитной трубы анализируемой среды. фланца и внутренней перегородки го- 35 На чертеже показан погружной ловки датчйка"и втулки с полым йако-, электролитный: датчик. нечником, имеющим внутреннюю и наруж- Керамическая ячейка 1 чувствительную резьбу для крепления съемного ного элемента датчика представляет чувствительного элемента и экрана собой закрытую с одной стороны трубиз жаропрочного материала, в непогру- 40 ку из ионопроводящего керамического жаемой части защитной трубы располо- материала. С внутренней и внешней жены два штуцера, один из которых стороны ячейки 1 расположены электсоединен с установленной в герметич- роды 2 и 3. Ячейка 1 укреплена с поной полости трубкой для подачи воды мощью клея в металлической оправке 4, к месту крепления съемного чувстви-" 45 с наружной стороны которой нанесена тельного элемента, а второй служит резьба ° Оправка 4 соединяется с дердля отвода воды. жателем 5 через втулку 6 с полым наСущность изобретения состоит в конечником, имеющим внутреннюю и натом, что узел соединения керамичес- ружную резьбу. При этом оправка 4 кой ячейки с держателем чувствитель- щ ввинчивается внутрь полого наконецного элемента через. промежуточную" ника втулки 6. металлическую оправку подвергается, Защитная труба 7 соединяется с принудительному охлаждению водой, держателем g через фланец 8 и втулку для чего образована герметичная по 6 посредством сварки, что создает лость между держателем и защйтной 55 герметичную полость 9, в которую потрубой с помощью установленных в тор- дается вода для охлаждения датчика. цах защитной трубы фланца и втулки с Чувствительный элемент датчика закполым наконечником. Подача холодной . рыт экраном 10, который посредством воды к месту крепления чувствитель- внутренней резьбы соединяется с втул°,,7 . 178490 кой 6. Через держатель 5 в керамичес-, кую ячейку 1 вводится термопара 11.

B непогружаемой части датчика на защитной трубе укреплены с помощью сварки два штуцера. Бтуцер 12 служит для подачи воды через трубку 13

s полость 9, а штуцер 14 - для отвода воды.

В головке 15 укреплен разъем 16 для подключения вторичного прибора, на который выведены холодные спаи термопары 17 и токовывод 18 твердоэлектролитного датчика. В головке

15 расположен штуцер 19 для подачи эталонного газа (воздуха) чеоез трубку 20 во внутреннюю полость твердоэлектролитного датчика.

Для снятия потенциалов с электродов съемного чувствительного элемента 20 на втулке 6 и оправке 4 установлены изоляционные прокладки 21, на которых крепятся токосъемные кольца 22, . к одному из которых подводится токо" вывод 18, а к другому вывод 23 от 25 внутреннего электрода 2. Вывод 24 от наружного электрода 2 приварен к оправке, через которую посредством резьбы соедийяется с защитной трубой.

Датчик работает следующим образом. 3Q

С внутренней стороны твердоэлектролитная ячейка омывается эталонным газом (воздухом), а с наружнойанализируемым газом. В результате разности парциальных давлений кис-, лорода по обе стороны керамики на поверхности ячейки возникает электродвижущая сида (ЭДС) . ЗДС датчика при постояйном содержании кислорода в эталонном газе и постоянном значении 4О температуры определяется концентрацией кислорода в анализируемом газе.

Стабильйость метрологических харак - теристик достигается при строгом разделении эталонного и рабочего газов;"

Подача охлаждающей воды в полость приводит к уменьшению температуры в месте соединения ионопроводящей трубки из керамического материала с ме-; таллической оправкой, что несмотря на разные КТР у оправки и трубки, благодаря расположению контакта в зоне с температурой,(200 С, резко снижает возможность разгерметизации и тем самым увеличивает надежность работы и стабильность метрологических характеристик.

Резьбовые соединения на втулке с полым наконечником находятся в области значительно сниженных (< 200 C) по сравнению с рабочей областью керамической ячейки температур, поэтому не подвержены износу при расположе-. нии внутри печного пространства.

Наименее надежным узлом в датчике, является керамическая ячейка, которая при быстром перепаде температур имеет склонность к растрескиванию.

Поэтому чувствительный элемент датчика выполнен съемным, укрепляется в полом наконечнике втулки с помощью . резьбы на оправке и может быть заменен на новый.

Срок службы датчика в целом повышается в 3-4 раза.

Внедрение предполагаемого изобретения позволяет решать задачу контроля содержания кислорода в газовых смесях в широком диапазоне концентраций кислорода и широком диапазоне температур от 650 до 1600 С,без применения сложных систем пробоотбора горячего газа и пробоподготовки, что позволяет использовать датчик для контро- . ля углеродного потенциала в печах термообработки, определения содержания кислорода в дымовых газах-стекловаренных печей и других производств.

Применение легко сменяемого чувствительного элемента продлевает срок службы изделия в целом и снижает стоимость эксплуатации.

Зкономический эффект от применения датчика достигается за счет повышения качества металлических изделий при цементации, повышения качества стекла и экономии топлива.

Формула изобретения

Погружной твердоэлектролитный датчик, содержащий чувствительный элемент в виде керамической ячейки из ионопроводящего материала с внутренним и наружным электродами, токоотводы, держатель из токопроводящего материала, соединенный с керамической ячейкой, защитную трубу, головку датчика, отличающийся тем, что, с целью повышения верхнего предела рабочих температур, стабильности показаний и увеличения срока службы, мсжду защитной трубой и держателем образована заполняемая проточной водой герметичная полость с помощью укрепленных в .торцах защитной трубы фланца и внутренней перегород 10

1784906

Составитель P.Ñòàíêåâè÷

Техред M.Èoðãåíòàë!

<орректор С.Пекарь редактор

Подписное

Тираж

Заказ 4362

ВНИИПИ Государственного комитета .по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 ..

Производственно-иэдательский комбинат "Патент", r.Óærîðîä, ул. Гагарина,101 ки головки датчика и втулки с полым наконечником, имеющим внутреннюю и наружную резьбы для крепления съемного чувствительного элемента и экрана из жаропрочного материала, а в непогружаемой части защитной трубы расположены два штуцера, один из которых соединен с установленной в герметичной полости трубкой для подачи воды к месту крепления съемного чувствительного элемента, а второй слу жит для отвода воды.