HENNING JENSEN et SVEND AAGE MARKLAND
La présente invention concerne un dispositif de surveillance
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dans d'autres foyers semblables fermés, par mesure du taux d'oxygène libre dans les gaz de combustion à l'aide d'une sonde de mesure d'oxygène comportant de l'oxyde de zirconium ou de hafnium de grande pureté, conducteur, à l'état solide, d'ions oxygène,
et des électrodes pour recueillir une force électromotrice produite par conduction d'ions oxygène dans la sonde et formant tension de mesure vers un circuit électrique de surveillance afin d'enregistrer ledit taux d'oxygène ou une grandeur dérivée dudit taux.
Avec le besoin croissant de mesures propres à économiser l'énergie on a vu, ces dernières années, croître l'intérêt d'un
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zout ou autres foyers semblables fermés utilisés par des particuliers. Etant donné qu'un réglage correct de telles installations de chauffage au mazout implique des économies importantes dans la consommation de combustible, les autorités ont.elles-aussi tenté de faire croître l'intérêt pour un contrôle périodique afin de pouvoir., un jour, introduire un contr8le obligatoire.
Malgré tout, il n'y a que très peu d'installations de chauffage
<EMI ID=3.1> consommateurs n'ont pratiquement pas la possibilité de vérifier la valeur de tels contrôles et encore moins de procéder euxmêmes à une surveillance continue de l'efficacité de la combustion.
Dans ces dernières années les sondes de mesure d'oxygène du genre mentionné plus haut ont été utilisées pour la commande
de processus industriels de combustion et pour la surveillance de l'atmosphère dans des fours de traitement thermique. Le principe de mesure est le suivant : lorsqu'il y a pressions diffé-. rentes d'oxygène des deux cotés d'une paroi constituée d'un oxyde du type mentionné il y a conduction d'ions oxygène à travers cette paroi et il se produit alors une force électromotrice que l'on recueille à l'aide d'électrodes placées sur les deux cotés de la paroi pour obtenir ainsi une tension de mesure vers un circuit électrique. La conductibilité vis-à-vis des ions oxygène repose sur le fait que par exemple l'oxyde de zirconium, par addition de par exemple de l'oxyde de calcium, de l'oxyde de magnésium ou de l'oxyde d'yttrium, peut être stabilisé en forme cubique avec des places d'ion oxygène vacantes dans la structure cristalline.
Les conditions physiques du mécanisme de conduction et les applications antérieures du principe en vue de mesures font l'objet d'une analyse détaillée, en particulier dans un article
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und Energispeicher" dans BBC-Nachrichten, 1975, cahier 5/6,
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et pour les applications faites jusqu'à maintenant il a été recommandé de maintenir la sonde à une température supérieure à
600[deg.]C. L'emploi d'une sonde de mesure directement dans le mélange gazeux dont on souhaite mesurer le taux d'oxygène n'a pu donc avoir lieu que dans des processus de combustion ou de traitement thermique qui s'affectuent à une température très élevée et constante. Plus spécifiquement, la force électromotrice produite par conduction d'ions oxygène est définie par la relation bien connue de Nernst et elle ne dépend donc pas uniquement du
<EMI ID=6.1> sur les deux cotés de'la paroi constituée d'oxyde mais aussi
de la température absolue de la sonde si bien que pour assurer des résultats de mesure comparables il faut prendre soin que
le taux d'oxygène soit toujours enregistré sensiblement à la même température. Dans le cas d'une surveillance continue, ceci peut être obtenu de manière en soi connue en maintenant la sonde à température constante a l'aide d'un élément interne de chauffage comme on le trouvera expliqué par exemple dans un article de E. Neuberger intitulé : "Speeding up the on-line measurement of oxygen in proces gases", publié dans "Control and Instrumentation", Juin 1975, pages 24 et 25. Pour des mélanges gazeux
à température plus basse on a proposé de placer la sonde de mesu re dans un four séparé qui, à l'aide d'un thermostat, est main-
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échantillons de mélange gazeux.
La demande allemande DOS 24 61 565 propose un principe semblable pour une sonde de mesure d'oxygène dans une installation de chauffage domestique de moindre taille, un élément de chauffage électrique étant chargé de maintenir la sonde à la température de travail nécessaire qui, dans ce cas, est indiquée comme devant être de 500[deg.]C environ. En raison de cet élément supplémentaire de chauffage électrique et du circuit nécessaire de surveillance de la température le prix de cet arrangement devient si élevé qu'il n'attire guère les consommateurs ordinaires.
L'invention élimine cet inconvénient et on obtient un dispositif permettant un contrôle réel et constant de l'efficacité de la combustion et qui est suffisamment bon marché, à la fois en ce qui concerne la fabrication et le montage sur des installations de chauffage existantes, pour attirer les consommateurs ordinaires.-En accord avec l'invention, la sonde est constituée d'un tube fermé à une extrémité, prévu pour être placé dans les gaz de combustion et être chauffé par eux, et dont au moins une partie de la paroi est constituée par ledit oxyde avec électrodes sur la face interne et sur la face externe, une pression d'oxygène de référence régnant dans le tube dans lequel est placé un thermocouple dont les fils sont reliés au circuit de surveillance dans le but de n'enregistrer <EMI ID=8.1>
L'invention repose sur le fait qu'en pratique il s'est avéré possible de produire des oxydes stabilisés du genre en question, en particulier des oxydes de zirconium,avec un degré de pureté tel qu'avec la conception de sonde proposée on peut déjà obtenir une conduction d'ions oxygène, utilisable en pratique, pour des températures de sonde entre 200 et 500[deg.]C et même à des températures encore plus faibles. Ceci permet alors, en pratique, d'utiliser la méthode de mesure par exemple dans des installations ordinaires de chauffage au mazout en plapant la sonde par exemple directement dans la chambre de combustion.
Comme il n'est alors pas nécessaire d'avoir des équipements supplément:aires tels que par exemple un- four séparé ou un élément supplémentaire de chauffage pour faire fonctionner correctement la sonde, la mise en place du dispositif de surveillance selon la présente invention dans une chaudière à mazout en service sera particulièrement simple car il suffira de monter la partie tubulaire sensible de la sonde en un endroit convenable de la chambre de combustion, par exemple à l'aide d'un manchon de traversée dans le volet d'inspection habituel. La sonde pourra ainsi facilement être retirée en vue de son nettoyage ou de son remplacement.
Il n'est cependant pas nécessaire de placer la sonde dans la chambre de combustion elle-même et on peut la placer ailleurs, en contact direct avec les gaz chauds de combustion,
par exemple dans le collecteur ou dans le conduit de fumée.
En raison de la présence de son thermocouple la sonde pourra alors servir à une surveillance permanente de la température
de la fumée, cette température et le taux d'oxygène libre dans les gaz de combustion définissant l'efficacité de la combustion.
Sur la base des indications qui précèdent on voit que l'oxyde de zirconium ou de hafnium peut éventuellement ne former qu'une partie du tube fermé à une extrémité et pour des raisons de prix il y a avantage à ce que cette partie de tube en oxyde soit aussi petite que possible. Selon une forme avantageuse de réalisation l'oxyde forme la face terminale d'un tube constitué d'un matériau présentant une bonne tenue vis-à-minale peut par exemple être constituée par une pastille d'oxyde placée de façon étanche à l'extrémité du tube, par exemple avec un joint d'étanchéité dans un évidement de la paroi du tube. Pour constituer la paroi du tube on connait des matériaux présentant la tenue nécessaire mais on choisira de préférence un métal ou un matériau métallique conducteur, de préférence de l'acier, par exemple de l'acier inoxydable.
Sous cette forme de réalisation le matériau du tube convient alors pour former conducteur vers l'une des électrodes sur la pastille d'oxyde. De plus, un tube en métal ou en matériau métallique conducteur assure la meilleure conduction thermique entre l'intérieur du tube et les gaz de combustion en dehors du tube. Ceci est avantageux car il faut s'efforcer d'obtenir le plus rapidement possible une différence de température aussi faible que possible entre les deux cotés du tube, c'est-à-dire, en d'autres termes, d'obtenir que le milieu de référence dans le tube atteigne le plus rapidement possible sensiblement la même température que les gaz de combustion.
Pour le matériau du tube il est particulièrement avantageux d'utiliser de l'acier inoxydable qui n'est attaqué que lentement par les gaz de combustion corrosifs aux températures que l'on y trouve et qui montent jusqu'à environ 500[deg.]C.
Selon une forme particulièrement avantageuse l'intérieur du
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placement de la sonde si bien que cette atmosphère fournit la pression d'oxygène de référence.
L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description ci-après en regard des-dessins annexés.
La figure 1 montre, en coupe, une première forme de réalisation de la sonde de mesure d'oxygène prévue pour le dispositif selon l'invention. La figure 2 montre une sonde séparée à thermocouple pour la mesure de température de fumée. La figure 3 montre un exemple du principe de réalisation du circuit électrique de surveillance. La figure 4 montre un graphique exprimant l'efficacité de la combustion, exprimée en pourcentage des pertes à la cheminée, en fonction de la température de fumée et du taux de La figure 6 montre une forme de réalisation simple d'un panneau d'affichage. La figure 7 montre une autre forme particulièrement écononique de réalisation de la sonde de mesure d'oxygène.
La sonde de mesure d'oxygène selon la figure 1 comporte un manche tubulaire 1 constitué par exemple d'acier inoxydable et
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serré par un écrou 2, ledit manchon 3 comportant un filetage extérieur pour des écrous 4 et 5 qui servent à fixer la sonde dans la paroi 6 d'une chambre de combustion, ladite paroi comportant un trou 7 pour la mise en place du manchon de traversée
3.
Dans l'extrémité ouverte du manche tubulaire 1 située dans la chambre de combustion est insérée, de façon étanche, une cellule de mesure d'oxygène sous forme d'un tube 8 fermé à une extrémité et composé d'oxyde de zirconium qui par addition par exemple d'un corps contenant de l'yttrium a été stabilisé en structure cubique afin d'obtenir une conductibilité élevée vis-à-vis des ions oxygène.
Pour assurer une conductibilité vis-à-vis des ions oxygène suffisante aux températures auxquelles la sonde se trouve soumise dans des installations habituelles de chauffage au mazout il faut que le matériau de.la cellule tubulaire 8 de mesure d'oxygène présente une très grande pureté. Un matériau convenable sera par exemple de l'oxyde de zirconium contenant de
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obtenir une structure du réseau cristallin stable il est en particulier préférable que les taux d'impureté pour chaque
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n'y ait pas d'impuretés métalliques susceptibles de s'oxyder aux températures auxquelles la sonde sera soumise et par conséquent de provoquer une distorsion du résultat de mesure. En pratique, il s'est avéré possible de fabriquer des cellules
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La cellule tubulaire de mesure 8 comprend, aussi bien sur la face externe que sur la face interne, des électrodes qui ne sont pas montrées sur le dessin et qui se présentent par
<EMI ID=14.1> qui ne s'oxyde pas aux températures auxquelles la sonde se trouvera soumise et qui est appliqué de telle manière que l'oxyde de zirconium, sur une partie notable de la surface externe et de la surface interne du tube de mesure 8, est
à découvert vis-à-vis respectivement de l'atmosphère dans la chambre de combustion et d'un milieu présent dans le tube de
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rence constante. Pour le matériau des électrodes on peut par exemple utiliser du platine.
Comme milieu de référence on pourra dans la plupart des cas utiliser l'air atmosphérique dont le taux d'oxygène est bien défini et il suffira de prendre soin qu'il y ait accès de l'intérieur du tube de mesure 8 à l'air ambiant hors de la chambre de combustion par l'intermédiaire d'un passage convenable dans le manche 1 de la sonde.
Dans certain cas il pourra cependant être préférable d'utiliser comme milieu de référence dans le tube de mesure 8 un mélange pulvérulent de métal et d'oxyde de métal comme indiqué dans la zone hachurée 9 de la figure 1, par exemple un mélange de cuivre et d'oxyde cuivreux, ceci permettant d'obtenir une pression d'oxygène de référence un tant . soit peu plus basse que dans le cas où l'on utilise l'air atmosphérique et, par conséquent, une sensibilité un peu plus élevée vis-à-vis de faibles variations de taux d'oxygène dans le milieu où l'on effectue la mesure.
Pour pouvoir enregistrer la température de la sonde de mesure on trouve encore, à l'intérieur du tube de mesure 8,
un thermocouple 10 dont un des fils sert aussi de conducteur
à l'électrode recouvrant la face interne du tube 8 en oxyde
de zirconium , ledit fil servant ainsi de fil commun de référence pour les signaux de mesure de l'oxygène et du thermocouple, respectivement. Les trois fils d'électrode, affectés des repères 11, 12 et 13, sont réunis en un câble 14 qui relie la sonde à un circuit électrique de surveillance dont la structure sera expliquée plus loin.
Le fonctionnement de la sonde est le suivant : lorsqu'il
y a une différence de pression d'oxygène entre l'atmosphère
de combustion autour du tube de mesure 8 et le milieu de réfé-
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d'une force électromotrice dont la grandeur dépend du rapport logarithmique entre les deux pressions d'oxygène et de la température de la sonde. Pour une température de sonde élevée convenable cette force électromotrice donnera un signal de mesure par les fils 11 et 12, voir fig. 1.
Pour compléter la mesure d'oxygène à l'aide de la sonde
de la figure 1 le dispositif selon l'invention peut comporter, de plus, une sonde à thermocouple 15 (Fig. 2) destinée à être placée dans le conduit ou collecteur de fumée d'une chaudière à mazout, par exemple dans l'orifice existant qui sert au contr8le manuel de l'efficacité de la combustion, ceci permettant la mesure de la température des fumées. La sonde à thermocouple 15 peut comporter des fils 16 et 17 qui forment un câble
18 la reliant au circuit électrique de surveillance.
Selon le schéma de principe de la figure 3, le signal de mesure, résultant de la force électromotrice obtenue par mesure du taux d'oxygène est amené, par les fils 11 et 12, à un amplificateur 18, tandis que le signal de mesure provenant du thermocouple 10, par les fils 12 et 13, est amené à un amplifica-
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tecteur 20 qui, pour une valeur donnée du signal de sortie de l'amplificateur 19, indicatif de la température, fournit un signal de commande à une porte 21 qui s'ouvre alors pour laisser passer le signal de sortie de l'amplificateur 18, proportionnel au taux d'oxygène dans l'atmosphère que l'on mesure, vers un sélecteur d'affichage 22. En fonction de la grandeur du signal d'entrée le sélecteur d'affichage fournit-, sur un nombre de fils de commande 23, un signal de commande de l'une des lampes 24 dont chacune correspond à une valeur prédéterminée du taux-d'oxygène dans l'atmosphère que l'on examine, c'est-à-dire, dans le cas présent, les gaz de combustion dans la chambre de combustion où la sonde selon la figure 1 est placée.
De cette manière, l'utilisateur ordinaire qui n'a pas de prédispositions particulières saura, sans ambiguïté, si le taux d'oxygène ou une grandeur dérivée de ce taux, par exemple le taux de dioxyde de carbone dans les fumées provenant de la chaudière en question, se trouve à l'intérieur ou en dehors de la gamma de variation permise.
De manière analogue, on peut, en amenant le signal de mesure de la sonde à thermocouple 15 (fig. 2j à un amplificateur
25 puis à un sélecteur d'affichage 26, assurer la commande de l'une des lampes indicatrices 27 dont chacune correspond à une valeur -prédéterminée de la température de fumée.
En utilisant le signal de mesure de la température de la sonde de la figure 1, signal fourni par le thermocouple 10,, comme signal d'ouverture pour transférer le signal de mesure d'oxygène au sélecteur d'affichage 22 on évite de devoir prendre des dispositions particulières pour maintenir la sonde selon la figure 1 à une température de travail constante. La figure 4 représente la température dans la chambre de combustion en fonction du temps pendant un cycle de combustion. Le point A sur cette courbe représente une valeur convenable de la température de sonde pour actionner le détecteur 20 (Fig. 3) en vue de fournir un signal de commande de la porte 21. Il sera ainsi possible, pour chaque cycle de combustion, d'enregistrer, à l'aide de l'une des lampes 24, le taux d'oxygène existant précisément à cette valeur de température.
En liaison avec ceci, on peut concevoir le circuit de surveillance de telle manière (non précisée sur le dessin) que l'indication obtenue se trouve maintenue jusqu'au moment où l'actionnement a lieu dans le cycle de combustion suivant. La figure 5 est une représentation graphique de l'efficacité de la combustion dans une chaudière à mazout exprimée en pourcentage de pertes à la cheminée en fonction respectivement du taux de dioxyde de carbone dans les fumées et de la différence entre la température des fumées et la température de l'air.
En pratique, on considère que l'on obtient une efficacité de combustion et un'bilan de chauffage convenables lorsque le taux de dioxyde de carbone et la température des fumées se trouvent
à l'intérieur de la zone de variation délimitée par le rectangle B de la fig. 5.
Sous une forme de réalisation particulièrement simple du dispositif de surveillance selon l'invention les lampes indicatrices 24 et 27 (fig. 3) peuvent être placées sur un pupitre indicateur 28 et disposées de telle manière que les lampes correspondant à des valeurs de mesure situées hors du domaine de variation autorisé fournissent une indication qui se distingue clairement de l'indication fournie par les lampes correspondant
à des valeurs de mesure situées dans le domaine de variation autorisé, les premières lampes étant par exemple rouges alors
que les autres par exemple sont vertes. Ceci permet une surveillance aisée qui ne nécessite pas de prédispositions particulières chez l'utilisateur. Etant donné que les valeurs du taux . de dioxyde de carbone et de température des fumées, obtenues
à l'aide des lampes, en outre, se modifieront habituellement
de façon progressive, on sera averti, en temps utile, de la nécessité d'une révision et d'un réglage de la chaudière en question.
La forme de réalisation suggérée pour le circuit électrique de surveillance est une forme particulièrement économique et simple avec laquelle les dépenses d'achat et d'installation
du dispositif de surveillance pourront assez rapidement être compensées par les économies de combustible. Cette forme de réalisation ne limite cependant pas l'invention car le circuit de surveillance pourrait aussi être conçu pour d'autres formes d'affichage visuel, par exemple affichage numérique et rien n'empêche d'utiliser les signaux de mesure fournis par les sondes'pour effectuer un- asservissement de l'alimentation de
la chaudière en combustible et en air. Dans le cadre de l'invention, la forme de la sonde elle-même pourra aussi être modifiée par rapport aux formes de réalisation montrées.
La figure 7 montre une autre forme de réalisation d'une sonde de mesure d'oxygène. Cette sonde comporte un-tube 31 constitué, de préférence, en un métal de bonne tenue ou en un matériau métallique conducteur, par exemple de l'acier inoxydable. Le tube peut être fixé dans une paroi 36 en contact
avec les gaz chauds de combustion, de manière analogue à celle décrite plus haut. Un disque 32 d'oxyde de zirconium du type mentionné est placé dans une échancrure à l'extrémité du tube située dans les gaz de combustion. Un joint 33 convenable, par exemple en amiante, assure un montage étanche du disque. Sur la face externe du disque d'oxyde de zirconium et au contact avec le tube 31 il y a une couche 34, par exemple de platine, formant électrode, tandis que sur la face interne du disque
il y a une électrode semblable 35 à laquelle est relié un fil
37 de la cellule de mesure. A proximité du disque 32 d'oxyde il y a un thermocouple 40. Les fils 42 et 43 à ce thermocouple, le fil 37 à l'électrode et un fil 44 fixé au tube 31 peuvent être réunis en un câble de la même manière qu'expliqué plus haut.
La sonde de mesure peut naturellement être formée de bien d'autres façons que ce qui a été représenté ici. Ainsi, l'élément de paroi en oxyde peut ne pas être nécessairement la paroi terminale du tube car il peut par exemple former une partie annulaire de la paroi du tube, bien qu'une telle solution ne soit pas aussi simple. Au lieu d'acier inoxydable ou de tout autre métal de bonne tenue le tube pourrait être constitué par exemple de céramique métallisée ou contenant du métal ou bien d'un parmi les nombreux métaux bien connus renforcés par dispersion.
REVENDICATIONS
1. Dispositif de surveillance de l'efficacité de la combustion dans une chaudière à mazout ou dans d'autres foyers semblables fermés, par mesure du taux d'oxygène libre dans les
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portant de l'oxyde de zirconium ou de hafnium de grande pureté,
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pour recueillir une force électromotrice produite par conduction d'ions oxygène dans la sonde et formant tension de mesure vers
un circuit électrique de surveillance afin d'enregistrer ledit taux d'oxygène ou une grandeur dérivée dudit taux, caractérisé en ce que la sonde est constituée d'un tube fermé à une extrémité, prévu pour être placé dans les gaz de combustion et être chauffé par eux, et dont au moins'une partie de la paroi est constituée par ledit oxyde avec électrodes sur la face interne
et sur la face externe, une pression d'oxygène de référence régnant dans le tube dans lequel est placé un thermocouple dont les fils sont reliés au circuit de surveillance dans le but
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de correspondant à une température donnée à chaque cycle de combustion.