Погружной твердоэлектролитный датчик

(5)5Е НТНОЕ б ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИ К АВТОРСКОМУ Е ИЗОБРЕТЕНИЯ ЬСТВУ сследова"ического Изобретение относится к области Датчик содержит керамический чув анализа горяцих газов, в частности " ствительйый элемент из диоксида цирко:контроля углеродного потенциала ат- ния) стабилизировайного окисью иттрия, мосферы печей термообработки изделийвыполненный. в виде закрытой с одной машиностроения, йзмерения содержания стороны трубки с платиновыми электро- кислорода в отходящих газах стекло- дами с внутренней и наружной сторо:вареннцх печей, а также при производ" нц закрытой части, термопару, защитстве керзмики, кирпича и пр.. ную трубку, головку датчика, имеющуюИзвестен.погружной электрохимичес- систему собственного воздушного при" кий датчик на основе ионопроводящей нудительного охлаждения, в которой керамики для определения содержания и размещен штуцер подвода эталонного включения в системы регулирования кон- газа (воздуха) к внутреннему электроцентрации кислорода в дымовых газах , . ду и контакты токоотводов.стекловаренныхпечей, выпускаемый фир.- . Датчик предназначен для р цмой "Корнинг Гласс" США., при температурах газовых сме аботсей(56) Проспект фирмы Согп 1 пВ С 1 азз./(57) Использование: контроль содержа"ния кислорода в отходящих газах печейв широком диапазоне изменения концентраций, контроль углеродного потенциала атмосферы печей термообработки. Сущность изобретения: датчик содержит съемный чувствительный элемент и экран из жаропроцного материала для защиты керамической ячейки отабразивного воздействия среды. Чувствительный элемент содержит металлическую оправку с изоляционной проклад-кой и токосьемным кольцом, с которымсоединен токоотвод внутреннего электрода, а токоотвод наружного электрода соединен с металлической оправкой.,Цля гальванического контакта со сменным узлом (чувствительным элементом)датчик также содержит токосъемноекольцо, установленное в изоляционнойпрокладке. Узел соединения чувствительного элемента с датчиком и узелсоединения керамики с металломнепре",рцвно охлаждаются водой. 1 ил.до 1600 зС, 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 кера" мического элемента к металлическим . деталям, к которому предъявляются требовайия высокой степени герметиц п ности"для разделения эталонного и анИлизируейого"газоВ, в головкудатчика, работающую вне печи, а следовательно в зоне более низких температур. Однако температура головки, рас в; полагаемой у стенки печи, может превышать 150 С, что приводит к окисле" нию контактов и потере сигнала и увелицивает вероятность разгерметизации узла крепления керамики с металлом. ( Это обстоятельство вызывает необхо"димость принудительного охлаждения головки воздухом до температуры ниже 150 дС.Недостатком датчика является низ кая механическая прочность керамической трубки большой длины. При контроле кислорода в стекловаренных пецах в зонах низкого давления чувствительный элемент должен выступать ; я из стенки огнеупора на длййу около 160 мм (6 дюймов) при толщине кладки 600-1000 мм, что требует применения датчиков с длиной погружнойчасти1000 мм. При контроле углеродного потенциала в печах термообработки средней и большой производительности требуется погружение датчика на глубину 800-1000 мм.Датчик Фирмы Корнинг Гласс име пмет предельную длину рабоцеи части.600 мм; цто огранйчивает область егоприменения. В рабочем положении керамицеская трубка представляет собой. консольную балку, защемленную однимконцом. Статические йагрузки; возникающие под действием собственной"массы трубки, а также на 31 узкй отвибраций вызывают разрушение керамики. При этом особенно неблагопри-.ятно горизонтальное расположение датчика, Колебание температуры трубки,особенно при ее вводе и выводе изпечи, способствуют выходу ееизстроя, Для избежания тепловогб ударадатчик устанавливается в печь со скоростью не более 25 мм/мин, цто только уменьшает, но не исключает веро"ятности его разрушения,ля повышения механицескои 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 наружнымэлектродами держатель чувствительного элемента из жаропрочного токопро-водящего материала. Недостаток датчика состоит в низкой температурной устойчивости, Узелсоединения керамики с жаропрочным металлицеским держателем (металлокерамический узел) располагается в зоне высокой термпературы (до 200 С в печах термообработки, до 1600 С встекловаренных печах). Керамика и металлы имеют" существенное различиекоэффициентов термического расширения (ТКР), причем ТКР при изменении тем- -йературы носйт различный характер. Сповышением температуры разность ТКР.,металлов и керамики возрастает, Так,для диоксида циркония ТКР в диапазонетемператур от 70 до 1000 С изменяется мало и имеет зйачения 7, 7 10 ,-6 1/ С. Для жаропроцных сплавов на никелевой основе ТКР при изменении тем" пературы от 20 до 1000 С составляет (15-17) 10 6, 1/ С,и в 1,5 раза пре" вышает ТКР в диапазоне температур 20-200 С. При различии величин ТКР и их различном температурном ходе в металлокерамическом узле неизбежно возникают усилия, разрушающие слой - высокотемпературного клея и как следствие этого приводящие к разгерметизации узла. С повышением температуры свыше 900 С усилия разрыва возрастают, что делает датчик непригодным для работы в области высоких темпера" тур. В результате потери герметичности на сравнительный электрод поступает анализируемая смесь, что снижает тоцностные характеристики (падейие точности, чувствительности, стабильности) и в конечном счете приводит к разрушению чувствительного элемейта. Этому явлению способствует также поджатие патрубка для подвода эталонного газа. к внутреннему электроду с целью обеспечения контакта, т.к. усилие регулируется субъективно и работает на, отрыв элемента от держате5 1784906 6ля. Отсутствие защитной трубы снйжа- ного элемента ячейки осуществляется1ет надежность,т.к. керамическая ячейк.-: . с помощью трубки, соединенной с подподвергается воздействию твердых водящим штуцером. Отвод воды произвочастиц анализируемых атмосфер. дится чеРез дРугой штуцер. Оба штуце"Недостаток датчика состоит в том, ра укреплены на непогружаемой в печьчто 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 сузел крепления подвержены более металлической оправкой чувствительбыстрому износу по сравнению с други- ного элемента на уровне до 100-150 Сми элементами конструкции датчика в в зависимости от расхода охладителясилу указанных выше причин, Конструк- (в среднем около 10-фмз/с). Приция погружаемой части датчика выпол таких значениях температур значениянена неразъемной, что делает невоз- ТКР материалов узла практически неможным съем чувствйтельного элемента изменяются и близки друг к другуи приводит к необходимости замены (расхождение до 253), что существендатчика в целом. Это существенно ска- но упрощает технологию изготовлениязывается на показателях надежности, 20 этого узла, снижает требования ксокращая срок службы датчика в 3- склеивающему материалу повышает ме 4 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 . 25 Охлаждение узла соединения кераувеличении срока службы погружного мики с металлом позволяет чувствитель.твердоэлектролитного датчика;" ный элемент датчика выполнить съемУказанная цель достигается тем, ным. Это повышает срок службы датчто между защитной трубой и держате- чика в целом. Экран чувствительноголем чувствительного элемента погруж элемента выполнен также съемным, что .ного твердоэлектролитного датчика об- облегчает крепление чувствительного,разована заполняемая проточной во- элемента и защищает чувствительныйдой герметичная полость с помощью элемент от абразивного воздействияукрепленных в торцах защитной трубы анализируемой среды,фланца и внутренней перегородки го- З 5 На чертеже показан погружнойловки датчйка"и"втулкис полым йако-. электролитный, датчик,нечником, имеющим внутреннюю и наруж- Керамическая ячейка 1 чувствительную резьбу для крепления съемного ного элемента датчика представляетчувствительного элемента и экрана собой закрытую с одной стороны трубиз жаропрочного материала, в непогру. 40 ку из ионопроводящего керамическогожаемой части защитной трубы располо- материала. С внутренней и внешнейжены 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 нанесенательного элемента, а второй служит. резьбаОправка 4 соединяется с дер"для отвода воды. жателем 5 через втулку б с полым наСущность изобретения состоит в конечником, имеющим внутреннюю и натом, что узел соединения керамичес- ружную резьбу. При этом оправка 4кой ячейки с держателем чувствитель ввинчивается внутрь полого наконечного элемента через. промежуточную" ника втулки б.металлическую оправку подвергается , Защитная труба 7 соединяется спринудительному охлаждению водой, держателемчерез фланец 8 и втулкудля чего образована герметичная поб посредством сварки, что создаетлость 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 посредствомводы к месту крепления чувствитель"внутренней резьбы соединяется с втул7 , 1 У 84 З 0 кой 6. Через держатель 5 в керамичес-, кую ячейку 1 вводится термопара 11. В непогружаемой части датчика на защитной трубе укреплены с помощью сварки два штуцера. Ятуцер 12 служит для подачи воды через трубку 13 в полость 9, аштуцер 14 - для отвода воды.В головке 15 укреплен разъем 16 для подключения вторичного прибора, на который выведены холодные спаи термопары 17 и токовывод 18 твердо- электролитного датчика. В головке 15 расположен штуцер 19 для подачи эталонного газа (воздуха) чеоез трубку 20 во внутреннюю полость твердо- электролитного 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 соединяется с защитной трубой.Датчик работает следующим образом, 30С внутренней стороны твердоэлектролитная ячейка омывается эталонным газом (воздухом), а с наружной- анализируемым газом. В результате разности парциальных давлений кис-, лорода по обе стороны керамики на поверхности ячейки возникает электро- движущая сида (ЭДС) . ЗДС датчика при постояйном содержании кислорода в эталонном газе и постоянной значении 40 температуры определяется концентрацией кислорода в анализируемом газе. Стабильйость метрологическиххарак-" теристик достигается при строгом разделении эталонного и рабочего газов;" 45Подача охлаждающей воды в полость приводит к уменьшению температурь 1 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 ( с 200 С)по сравнению с рабочей областью керамической ячейки температур, поэтомуне подвержены износу при расположении внутри печного пространства,Наименее надежным узлом в датчике,является керамическая ячейка, которая при быстром перепаде температуримеет склонность к растрескиванию.Поэтому чувствительный элемент датчика выполнен съемным, укрепляется вполом 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 газовыхсмесях в широком диапазоне концентраций кислорода и широком диапазоне тем"ператур от 650 до 1600 С,без применениясложных систем пробоотбора горячегогаза и пробоподготовки, что позволяет использовать датчик для контроля углеродного потенциала в печахтермообработки, определения содержания кислорода в дымовых газах стекловаренных печей и других производств.Применение легко сменяемого чувствительного элемента продлевает срокслужбы изделия в целом и снижает сто"имость 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, о т л и ч а ю щ и й с я 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 оставитель Р.Станкевичехред М.Иоргентал 1(орректор С.Пеиив й редактор 4362 писное ир а Государственного комитета .по 113035, Москва, Жобретениям и открытиямРаушская наб , д 4/5 КНТ твенно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,10 оизво ки головки датчика и втулки с полымнаконечником, имеющим внутреннююи наружную резьбы для креплениясъемного чувствительного элемента иэкрана из жаропрочного материала, ав непогружаемой части защитной трубы расположены два штуцера, один из ко"торых соединен с установленной в герметичной полости трубкой для подачиводы к месту крепления съемного чувствительного элемента, а второй служит для отвода воды.