CN1125829A - 用于锅炉的氧传感器探头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于锅炉的氧传感器探头，包括：一个位于所述主体12上端的U形氧化锆元件11，所述元件的凹形开口端11′朝上以便与排出气体接触，凸形封闭端11′朝下以便与热电偶16相对，用于封接所述元件11的上端13和所述金属构架之间的空间，以便防止产生热应力的装置15，在所述金属构架的中部具有一个孔；位于拟订元件11的封闭端11″周围，用于加热元件11的装置17，以及位于所述金属构架14和所述加热装置17之间，用于保护电极接头并支承所述加热装置17的装置19。

Description

用于锅炉的氧传感器探头

本发明涉及一种用于锅炉的氧传感器探头，特别是涉及一种可以用来检测从小锅炉一类的热机中排放出的废气中的氧的氧传感器探头。

目前，由于大气层的空气污染已非常严重，控制从锅炉和汽车发动机一类的各种热机中排放出的废气中的有害气体和悬浮颗粒的含量变得极为重要。

人们主要是采用氧传感器来测试废气中的氧含量，以便控制和维持空气同燃料的比例，并将锅炉一类热机的运行控制在其最佳状态，同时还借助所述的氧传感器将氧的含量控制在一个适当的水平上。

目前，大多数用于锅炉的氧传感器一直是采用一种稳定的氧化锆作为氧传感器的一种元件。

如图3所示，常规的氧化锆氧传感器都具有这样一种模式，即一个U型的氧化锆氧传感器元件被插入在一个由具有强防腐性能的不锈钢材料制成的探头外壳内，这种传感器包括一个U型的氧化锆氧传感器元件31，一个加热器32，一个塞子33和一个探头壳34。

氧化锆元件31的封闭端31＇被做成凸圆形，以便与待测的排放气体接触，在其另一端的凹形开口部分31＂内插入一个热电偶36，从而暴露在作为参考气体的空气中。

U型氧化锆元件31的下端37固定在由具有强防腐性能的不锈钢材料制成的塞子33的内壁上。加热器32安装在探头壳34的内壁上，探头壳34的同排出气体接触的上部被保护性过滤片35覆盖。

因此，保护性过滤片和塞子将氧化锆元件同探头之间的空间与外界完全阻断，使得排出气体与空气在传感器中完全隔绝。

图4是另一种常规的氧传感器的结构。在这种氧传感器中，在探头壳34的内部有一个独立的加热器管32′，以此代替安装在探头壳内壁上的加热器。

如图3和4所示，常规的氧传感器是一种插入型的传感器，其中的元件被插入在不锈钢探头壳中。由于其尺寸较大，因而不能用于5吨或5吨以下的锅炉，这是它的一个缺点。

另外，为了安装如图3所示的加热器，必须将常规的氧传感器的氧化锆元件做成长形的，或者为了插入如图4所示的加热管，必须使探头壳的外径较大。而且，由于连接加热器导线或电极导线比较困难，整个传感器的尺寸就做得比较大。也难以接收到清晰的信号。

在用这种氧传感器测定排出气体中的氧含量时，不能使排出气体与空气接触。因此，为了使排出气体与空气在传感器中完全隔绝，就必须将氧化锆元件的下端与金属框架之间密封起来。

由于排出气体含有许多各种各样的腐蚀性气体，所以通常采用具有强防腐性能的不锈钢材料制造塞子和探头壳。但是，不锈钢材料的热膨胀系数非常之大，高达约19×10^-6，而氧化锆元件的热膨胀系数约为9×10^-6，因而很难将这种不锈钢与氧化锆元件粘合在一起。

其具体原因如下：具有不同的热膨胀系数的氧化锆元件与不锈钢塞子沿环向粘合在一起。在这种情况下，在它们之间不可避免地出现了高达10×10^-6的热膨胀系数差。如果氧化锆元件同不锈钢的粘合温度是800℃或高于800℃，就可能产生高达8×10^-3的变形差(从热膨胀系数差推导出来)。没有一种材料能够承受住这样的变形。而且，在采用圆柱形的氧化锆元件的情况下，随着氧化锆元件中的环向应力的产生，所述的元件还要承受比热膨胀系数的相当大的差异还要大的应力，并且在该元件的固定部分和其暴露在空气中的部分之间会产生剪应力，因而在这个部位容易发生断裂。

为了解决这一问题，曾有人偿试将氧化锆元件的形状从圆柱形改为圆盘形，把将要暴露在空气中的部分除去，并将该金属构架粘接成薄圆筒形以便容易变形。这么做并没多大问题，但是，由于是在700℃或700℃以上的温度下加热粘接部分来粘接，该粘接部分的粘接质量较差，而且在处理电极方面也存在问题，因而这一方法不理想。

由于不锈钢具有较强的防化学试剂性能和防腐性能，因而在恶劣条件下也能采用。因此，人们试图将陶瓷固定到不锈钢上，因为如果不锈钢可以与陶瓷固定在一起，它的应用范围就能扩大。如果只强调固定强度，不需要高水平的气密性能，是可以通过多种方法达到一定效果的。但是，目前还没有实现将U型氧化锆元件固定到不锈钢上并从而产生气密条件的技术。

尤其是，在采用用于锅炉的氧化锆氧传感器的情况下，由于所述元件是用加热器来加热的，传感器探头的总尺寸和形状将取决于它们的封接方法。

业已报导过下述封接方法：

1)方法之一：加大U型氧化锆元件的长度，在排出气体的排气端测试氧的含量，同时却通过降低封接部分的温度来进行封接，在这种情况下，所述封接部分暴露在空气中；

2)方法之二：用在U型氧化锆元件和金属构架之间填充滑石粉的方法代替将氧化锆元件固定到金属构架上的方法的气密方法；

3)方法之三：用玻璃或钎焊合金一类的材料将圆盘形的氧化锆元件封接到管形的金属构架上。

但是，在方法一中，由于加大了氧化锆元件的长度，使传感器的尺寸变得太大，并且很难选择出一种与封接端的温度相适合的封接材料。并且，如果锅炉内部与大气之间的压力差超过了500mmH₂O，就存在封接材料性能降低的问题。

方法二的优点是，封接端可以承受500℃或500℃以上的温度，并且传感器的尺寸减小到了一定程度。但是另一方面，为了得到可以承受由高压填充滑石粉产生的强大压力的气密封接条件，就要加大外围金属材料构架的尺寸和厚度，这就造成传感器的尺寸和重量增加。尤其是当大气与锅炉内部的压力差超过500mmH₂O时，由于气密封接不等同于固定连接，传感器无法使用。

方法三是将圆盘形的氧化锆元件固定到管形金属构架上，不存在封接的问题。但是，由于加热器将氧化锆元件和封接部分都加热，当加热到700℃以上时，封接处的寿命会缩短，而当在低于所述温度的情况下加热时，传感器的降解度会变差。由于在上述温度下是通过机械压力来连接电极的，电极的连接变得不稳定。并且，由于较多地注重了圆盘的强度和尺寸，圆盘元件的小型化就受到了限制。结果，由于探头重量增加，操作起来变得不方便，由于电极不稳，会出现电动势误差，并且产品的寿命也缩短了。

特别是在采用玻璃或钎焊合金的情况下，氧化锆元件一端要承受压应力，因而在其外表面和内面之间，即暴露在大气中的部分产生一个剪切应力，因而有可能在封接处发生断裂。

另一方面，氧传感器探头的使用寿命很重要。如果氧传感器探头的寿命变为两倍，就相当于有了两个氧传感器探头。影响寿命的最大问题是强腐蚀(由铂与排出气体中的SO₂在300℃至400℃的温度下起反应造成)和弱腐蚀(由铂与排出气体中的H₂SO₄在150℃至300℃的温度下起反应造成)。由于排出气体中的SO₂或H₂SO₄会通过上述腐蚀过程与铂起反应，电极将被侵蚀。为了防止这种腐蚀，迄今为止一直是采用尖晶石来进行等离子喷涂。

然而，由于尖晶石是多孔的，不能完全防止铂与排出气体接触。另外，上述喷涂会使传感器部件的反应速度下降。

本发明人为克服已有技术的这些问题进行过大量的研究，结果有了以下的意外发现：探头壳内部的U型氧化锆氧传感器元件的位置业已被改变为与常规的氧化锆氧传感器元件的位置相反。采用一种起缓冲作用的中间物来实现氧化锆元件和金属构架之间的封接。将该元件的低温暴露端加一涂层。这样就可能使传感器小型化，并易于操作，进而可以改善传感器的性能，并降低加热器的工作能耗。另外还能相应地延长氧传感器的使用寿命。基于以上发现，本发明人完成了这一发明。

本发明的目的是通过将U型氧化锆元件的位置朝着主体的上端移动，提供一种适用于小锅炉的氧传感器探头。

本发明的另一个目的是提供一种氧传感器探头，其中的不锈钢金属构架和氧化锆元件是采用由类似于氧化锆元件的金属或合金制成的中间物来封接的。

本发明的又一个目的是提供一种氧传感器探头，当用中间产物封接该探头以防止由排出气体造成的腐蚀时，在探头上形成一给定厚度的涂层。

本发明的又一个目的是提供一种氧传感器探头，为了防止铂电极被排出气体短路，该探头的元件的低温暴露端经过涂敷。

本发明还有一个目的是提供一种氧传感器探头，其电动势特性良好，防腐性能和使用寿命有所改进，能耗可以大幅度降低。

本发明提供了一种氧传感器探头，在该探头的圆筒形主体内将要与排出气体接触的U型氧化锆元件被固定在金属构架上，并与热电偶一起沿主体的纵向排列，用于加热该元件的加热器被设置在该元件的外周，在主体的顶端涂敷了一层保护性过滤层，其特征在于，所述的探头包括一个位于主体上端的U型氧化锆元件，该元件的凹形开口端朝上，以便与排出气体接触，而其凸形封闭端朝下，以便面对热电偶；所述探头还包括用于密封所述元件上端与金属构架(其中部有一孔)之间的空间。以便防止产生热应力的器件；还包括位于所述元件的闭合端周围。用来加热该元件的装置以及位于金属构架装置之间。用来保护电极接头并支承加热装置的装置。

本发明的密封装置由镍，钛或它们的合金构成，其热膨胀系数与所述元件相似，在7×10^-6/℃至13×10^-6/℃之间。用玻璃或钎焊合金来焊接封接装置与元件11顶端之间的空间。

另外，在封接装置的外壁表面和金属构架的内壁表面，以及金属构架的外表面和所述主体顶端的内表面上各自具有螺纹，以便将它们彼此接合。用由铜，铝或云母制成的O_环装置将封接装置的上表面与金属构架14的凸缘的下表面连接起来。

本发明的封接装置要经过600至1200℃温度范围内的热处理，以便在其表面形成50至200μ的氧化层，从而防止其腐蚀。在所述元件的除由所述加热装置加热的部分以外的部位涂上釉料，以防这些部分腐蚀。

参照下面的说明及附图，将很容易明白本发明的上述目的，特征及优点。

以下结合附图所作的说明将使上述目的和优点一目了然。

图1是本发明的用于锅炉的氧传感器探头的竖直纵剖面图；

图2是显示图1中的氧传感器探头的元件连接部分的放大了的竖直纵剖面图；

图3是常规的用于锅炉的氧传感器探头的竖直剖视图。

下面参照附图详细说明本发明。本发明涉及一种用于小锅炉的氧传感器探头，该探头的主体由不锈钢制成，一个小的U型氧化锆元件通过例如封接的方式插在所述主体内。图1是本发明的用于锅炉的氧传感器探头的竖直纵剖面图；图2是显示图1中的氧传感器探头的元件连接部分的放大了的竖直纵剖面图。

在图1中，本发明的氧传感器探头10的U型氧化锆元件11位于圆筒形探头主体12的顶端，该元件将沿纵轴与排出气体接触，所述元件的内凹开口端11＇朝上，外凸闭合端11＂朝下。

U型氧化锆元件11的顶端13与圆筒形探头壳14连接，探头壳14的中部有一孔。必须用一种填充材料15作为中间媒介来实现所述的连接，并用探头壳14将探头主体12的顶端封闭住。

另一方面，U型氧化锆元件11的封闭端11＇与热电偶16相对，并且位于一些彼此对称排列的加热器的中间。所述的加热器17由一个加热器支撑物19支撑，在支撑物19中插有用于检测电动势的导线18和电极。数字25代表加热器的加热线，数字26代表电极接头。

本发明的独到之处在于，U型氧化锆元件位于探头主体12的顶端，该元件将与排出气体接触，所述元件的开口端朝上，闭合端朝下。并且，借助于填充材料15将U型氧化锆元件11的顶端13充分紧密地封接在探头壳14上。

较为可取的填充材料是象镍，钛或它们的合金一类的金属材料，它们具有同氧化锆相似的热膨胀系数，例如7×10^-6/℃至13×10^-6/℃。这种填充材料有效地防止了在氧化锆元件和不锈钢探头壳之间出现热应力。

如图2所示，用热膨胀系数与U型氧化锆元件11相似的玻璃或钎焊合金将本发明的填充材料15连接到氧化锆元件的顶端13。借助于分别形成于填充材料15的外表面和不锈钢探头壳14的内表面上的螺纹21将填充材料15的外侧与探头壳14的内侧固定在一起。通过一个用铜、铝或云母一类材料制成的O形环介质将填充材料15的上侧与探头壳14的凸缘22的下侧也连接在一起，使填充材料15紧靠探头壳14，将圆周方向的密封转变成与圆筒形探头主体的截面垂直的密封。从而实现完全密封。

本发明的优点在于，通过采用带螺纹的填充材料15和具有良好弹性的环形垫片来封接氧化锆元件11和探头壳14，可以防止应力的形成。

根据本发明，为了避免铂电极的铂与排出气体中的SO₂和H₂SO₄发生反应造成高温腐蚀和低温腐蚀，进而造成电极短路，除了由加热器17加热的高温传感部分以外，电极暴露在排出气体中的其余部分都用由玻璃粉一类的釉料制成的釉层涂敷。这样，通过在排出气体与元件的低温部分之间加一阻挡层，可以防止高温腐蚀和低温腐蚀。

另一方面，如果本发明的填充材料14在排出气体的SO₂中暴露较长时间，也会出现腐蚀现象。这样的腐蚀现象也影响氧传感器的寿命。由于上述原因，可将用于本发明的填充材料14在600至1200℃的高温氧化环境下进行热处理，以便在其表面形成50到200μm的氧化层。

根据本发明，可以通过热处理同时进行三个步骤，即：利用玻璃或钎焊合金一类填充材料封接的步骤，在元件的低温部分涂釉的步骤和在填充材料上形成氧化层的步骤。

在本发明的氧传感器探头中，元件的内凹开口端与探头主体的顶端相连，使该开口端面向排出气体。因此，传感器的尺寸可以大幅度地减小，其外径为3至100mm，长度为20至100mm。这样，由于传感器本身可以小型化，制造成本也可降低。

并且，根据本发明，由于在大幅度减小传感器的尺寸之后又将该传感器固定到外壳的端部，使内凹开口端朝向排出气体，因而可以在传感器中装配一个小的加热器。这样就能做出细小的探头主体。

尤为重要的是，在安装了小型加热器后，使电极接头26的位置靠近排出气体，而不是象常规探头那样靠近加热器，并用支撑加热器支撑物保护电极接头，这样就能去掉两个用于清除信号的接地接点。

本发明的氧传感器探头比常规探头小得多，但其电动势性能很好，质量寿命和防腐性能也有改善。另外，本发明的传感器探头易于安装，成本也可降低。

参照以下的实施例，将能更清楚地阐明本发明的装置。

选用外径为6.0mm，长度为45mm的氧化锆元件和钛合金探头壳，所述钛合金探头壳的热膨胀系数与氧化锆元件近似，外径为9.0mm，内径与所述氧化锆元件的外径相同，在其外侧上具有螺纹。用填充材料将所述元件与所述探头壳封接起来。所采用的填充材料为含60％(重量百分比)SiO₂，10％(重量百分比)AL₂O₃，10％(重量百分比)K₂O，10％(重量百分比)NaO，9％(重量百分比)B₂O₃和1％(重量百分比)CaO的玻璃，其热膨胀系数与钛合金近似，熔点为800℃。

所采用的涂敷氧化锆元件的低温暴露端的材料是含50％(重量百分比))SiO₂，15％(重量百分比)AL₂O₃，20％(重量百分比)ZrO₂，10％(重量百分比)K₂O和5％(重量百分比)SnO₂的玻璃，其热膨胀系数与氧化元件近似，熔点为1000℃，与铂的粘接性能良好，对该涂敷材料在850℃的氧化环境下进行精选和热处理。

结果，在钛合金表面形成了一层60μ的致密氧化层，并实现了理想的封接。而且实现了对氧化锆元件的良好涂敷。

将这样制备出来的元件部分固定到不锈钢探头主体上，并把加热器同它们安装到一起。

将这样制备出的氧传感器探头的物理性能与三种常规产品的物理性能进行比较。

在表1中，已有产品1代表通过所述的封接方法1)制备出的产品，已有产品2代表通过所述的封接方法2)制备出的产品，已有产品3代表通过所述的封接方法3)制备出的产品。

表1物理性能    实施例      已有产品1   已有产品2    已有产品3适合的排  ±3000mmH₂O ±500mmH₂O ±500mmH₂O  ±3000mmH₂O出气体压力探头的尺寸 大约30mm     大约60mm    大约50mm     大约58mm探头的重量   1.7kg      约4kg       约4kg        约5kg电动势的容

许误差   ±0.1％    ±0.2％    ±0.2％       ±0.2％耐久性       很好       稍差        好             好加热器的能耗         很少       少          多             多

尽管前面以一些实施例的形式描述了本发明，但本领域的普通技术人员应该懂得，在不偏离本发明的权利要求书的精神和范围的前提下，还可对这些实施例进行各种改变或改进。

Claims (8)

1.一种用于锅炉的氧传感器探头，在该探头的圆筒形主体内，将要与排出气体接触的U型氧化锆元件固定在金属构架上，并与热电偶一起沿所述主体的纵向排列，用于加热所述元件的加热器被设置在该元件的外周，在所述主体的顶端涂敷了一层保护性过滤层，其特征在于，所述的探头包括：

一个位于所述主体(12)上端的U型氧化锆元件(11)，所述元件的凹形开口端(11＇)朝上以便与排出气体接触，而其凸形封闭端(11＂)朝下以便与热电偶(16)相对；

用于封闭所述元件(11)的上端(13)和所述中部具有一个孔的金属构架之间的空间，以便防止产生热应力的装置(15)，

位于所述元件(11)的封闭端(11＂)周围，用于加热元件(11)的装置(17)；以及

位于所述金属构架(14)和所述加热装置(17)之间，用于保护电极接头并支承所述加热装置(17)的装置(19)。

2.根据权利要求1所述的氧传感器探头，其特征在于所述的封接装置(15)由镍、钛或它们的合金构成，其热膨胀系数与所述元件(11)的相似。在7×10⁶/℃至13×10^-6/℃之间。

3.根据权利要求1或2所述的氧传感器探头，其特征在于，所述封接装置(15)和所述元件(11)的顶端(13)之间的空隙是用玻璃或钎焊合金来密封焊接的。

4.根据权利要求1.2或3所述的氧传感器探头，其特征在于在所述封接装置(15)的外表面和所述金属构架(14)的内表面上具有螺纹(21)，可将它们封接在一起。

5.根据前面任何一个权利要求所述的氧传感器探头，其特征在于，借助于用铜、铝或云母制成的环形垫片将所述封接装置(15)的上表面和所述金属构架(14)的凸缘(22)的下表面连接在一起。

6.根据前面任何一个权利要求所述的氧传感器探头，其特征在于，为了防腐，通过600至1200℃温度范围内的热处理，在所述的封接装置(15)上形成了一层50至200μ的氧化层。

7.根据前面任何一个权利要求所述的氧传感器探头，其特征在于，所述元件(11)上除去由所述加热装置(17)加热的部位以外的部位上涂敷了一层防腐釉料。

8.根据前面任何一个权利要求所述的氧传感器探头，其特征在于，在所述金属构架(14)的外表面和所述主体顶端的内表面上都带有螺纹，可将它们安装到一起。

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