PL79234B1 - - Google Patents

Description

Uprawniony z patentu: USS Engineers and Consultants, Inc., Pittsburgh (Stany Zjednoczone Ameryki) Ogniwo galwaniczne w czujniku tlenowym do okreslania zawartosci tlenu w plynie o wysokiej temperaturze 10 Przedmiotem wynalazku jest ogniwo galwa¬ niczne w czujniku tlenowym do okreslania za¬ wartosci tlenu w plynie o wysokiej temperatu¬ rze, zwlaszcza w plynnym metalu lub w gora¬ cym gazie, który to czujnik mierzy sile elektro¬ motoryczna pomiedzy strona zewnetrzna bloku elektrolitu tlenkowego w postaci stalej, osadzone¬ go w koncu ognioodpornej rurki podczas styku z plynem o nieznanej zawartosci tlenu. Strona wewnetrzna elektrolitu jest w styku z tlenowa elektroda odniesienia w postaci stalej, usytuowa¬ na wewnatrz rurki.W typowej konstrukcji taki czujnik tlenowy za¬ wiera rurke kwarcowa, w której na jednym kon¬ cu umieszczony jest blok tlenkowego elektrolitu 15 w postaci stalej, przy czym elektrolit ten zamy¬ ka szczelnie ten koniec rurki. Elektroda odnie¬ sienia w postaci stalej jest umieszczona wewnatrz rurki i styka sie z wewnetrznym koncem bloku elektrolitu, podczas gdy zawierajacy tlen plynny 20 metal lub gaz o wysokiej temperaturze styka sie z zewnetrzna strona cylindrycznego korpusu elek¬ trolitu i z zewnetrzna strona rurki kwarcowej.Korpus elektrolitu jest uszczelniony wzgledem rurki kwarcowej przez zatopienie kwarcu wokól 25 elektrolitu. Koniec rurki kwarcowej podgrzewa sie w tym celu do temperatury mieknienia, wów¬ czas kwarc oplywa wokól bloku elektrolitu. Po ochlodzeniu kwarc ponownie przechodzi w stan staly i tworzy dobre uszczelnienie. Uszczelnienie 30 2 mozna poprawic przez chlodzenie w wodzie bez¬ posrednio po tym jak kwarc rurki oplynie wokól bloku elektrolitu.Sposób taki wymaga starannego ogrzewania i chlodzenia tak, aby kwarc rzeczywiscie plynal ale jeszcze nie pekal po ochlodzeniu. Podobnie blok elektrolitu moze peknac po ogrzewaniu lub chlodzeniu przylegajacego don kwarcu poniewaz jest on równiez ogrzewany i chlodzony w tym samym czasie. Chociaz tak zmontowane czujniki sa sprawdzane i poddawane próbom nieniszcza¬ cym przed uzyciem, nie mozna uniknac tego, ze kilka cyklów termicznych spowoduje powstanie w czujniku niewykrytych mikropekniec cieplnych i na skutek tego powstana bledy w dzialaniu czujnika.Elektroda odniesienia wewnatrz rurki jest mie¬ szanina metalu i jego tlenku, mieszanina ta ma tendencje do spiekania sie i kurczenia gdy jest poddana temperaturze roboczej czujnika, na przy¬ klad w przypadku stali o temperaturze od 1500°C— 1600°C. Ponadto mieszanina elektrody ma tenden¬ cje do kurczenia sie wokól preta laczacego, który przechodzi przez te mieszanine az do styku z elek¬ trolitem. Kurczenie sie mieszaniny elektrody od¬ niesienia powoduje pogorszenie styku elektrycz¬ nego z elektrolitem, na skutek czego odczyty sily elektromotorycznej sa krótkie a czasami nawet niestabilne.Celem wynalazku jest opracowanie ogniwa gal- 79 23479 284 8 wanicznego w czujniku tlenowym, które nie wy¬ maga roztapiania lub ochladzania przy mocowa¬ niu elektrolitu w rurce.Cel ten osiagnieto wedlug wynalazku przerio, ze elektrolit jest osadzony w ognioodpornej rurze za pomoca warstwy ognioodpornego cementu po¬ miedzy blokiem elektrolitu a wnetrzem rury. Je¬ den koniec bloku elektrolitu jest umieszczony we wnetrzu rury ognioodpornej i otoczony jest na pewnym odcinku elektroda odniesienia, która jest lita mieszanina metalu i jego tlenku. Czesc sty¬ kajaca sie z elektroda odniesienia ma ksztalt scietego stozka, a blok elektrolitu jest czesciowo umieszczony w elektrodzie odniesienia. Pret sty¬ kowy jest osadzony równiez w elektrodzie odnie¬ sienia, przy czyni jego koniec jest oddalony od wystajacej czesci bloku elektrolitu. Mieszanina elektrody jest ustalona w swym polozeniu za po¬ moca krazka pasowanego suwliwie wewnatrz ru¬ ry ognioodpornej lub za pomoca warstwy ognio¬ odpornego cementu pokrywajacego mieszanine elektrody. Mieszanina elektrody stanowi odlew zawierajacy cement ognioodporny w takiej ilosci, która nie pogarsza wlasnosci przewodzenia pradu w czasteczkach metalu zawartego w elektrodzie, najkorzystniejszym jest cement wapniowo-glino- wy. Przez zastosowanie cementu ognioodpornego do mocowania cylindra elektrolitu w rurze ognio¬ odpornej wyeliminowano operacje stapiania i ochladzania. Ponadto sprawdzanie pekniec ciepl¬ nych mozna równiez wyeliminowac. Zastosowano nieorganiczny srodek cementujacy, który tworzy uszczelnienie nie bardziej przepuszczalne dla ga¬ zów niz typowy cylinder elektrolitu wykonany z gestego, spieczonego dwutlenku cyrkonu. We¬ wnetrzny koniec cylindra elektrolitu ma ksztalt scietego stozka, na skutek czego gdy material elektrody odniesienia zostaje ogrzany i spieka sie oraz kurczy, zachowany zostaje scisly pierscienio¬ wy styk z elektrolitem przez umieszczenie preta stykowego w odstepie od elektrolitu, przy czym styk elektryczny z elektrolitem zapewnia proszek metalu zawarty w materiale elektrody odniesie¬ nia, rozszerzalnosc cieplna preta stykowego wy¬ korzystuje sie do wspomozenia utrzymywania spieczonej elektrody odniesienia w styku z elek¬ trolitem przez spychanie elektrody odniesienia w kierunku do elektrolitu. Na skutek tego uzyski¬ wane odczyty sily elektromotorycznej sa bardziej stabilne i maja dluzszy czas trwania.Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia ogniwo galwaniczne w prze¬ kroju wedlug pierwszego przykladu wykonania, fig. 2 przedstawia ogniwo galwaniczne w prze¬ kroju wedlug drugiego przykladu wykonania wy¬ nalazku, fig. 3 — przedstawia wykres sily elektro¬ motorycznej w funkcji* czasu, pokazujac dziala¬ nie ogniwa galwanicznego bez scietego stozka elektrolitu, a fig. 4 przedstawia wykres sily elek¬ tromotorycznej w funkcji czasu, pokazujac dzia¬ lanie ogniwa galwanicznego ze scietym stozkiem elektrolitu.Ogniwo galwaniczne pokazane na fig. 1 za- 10 15 25 30 40 50 60 65 wiera rure ognioodporna 2, która wspiera korpus stalego elektrolitu 4. Rura 2 jest wykonana na przyklad z kwarcu i ma srednice wewnetrzna okolo .3,3 mm i srednice zewnetrzna okolo 5,8 mm.Elektrolit 4 jest wykonany na przyklad w postaci cylindra spieczonego z wapna stabilizowanego dwutlenkiem cyrkonu i ma przykladowo dlugosc okolo 7,5 mm oraz srednice okolo 3,0 mm. Sred¬ nica cylindra elektrolitu powinna byc w przybli¬ zeniu 0,2 mm mniejsza od srednicy wewnetrznej rury 2. Cylinder elektrolitu 4 jest zamocowany za pomoca ognioodpornego cementu 6. Elektroda odniesienia 8, która jest mieszanina metalu i jego tlenku, przykladowo mieszanina Cr — Cr20a, jest umieszczona wewnatrz rury 2 gdzie jest zamoco¬ wana krazkiem 10. Krazek 10 jest wykonany na przyklad z welny ognioodpornej, takiej jak welna o nazwie handlowej Kaowool, wytwarzana przez firme Babcock and Wilcox Co. Drazek stykowy 12, wykonany na przyklad z molibdenu, przecho¬ dzi przez krazek 10 i styka sie z elektroda 8.Górny koniec rury 2 i drazka stykowego 12 sa polaczone z odpowiednim, nie przedstawionym uchwytem, umozliwiajacym wkladanie w stopio¬ ny metal lub w goracy gaz, przy czym wykonane sa odpowiednio polaczenia elektryczne do przy¬ rzadu mierzacego sile elektromotoryczna.Przy montowaniu ogniwa wedlug fig. 1 cement przygotowuje sie przez mieszanie rzadkiej zawie¬ siny wodnej ognioodpornego cementu wapniowo- -glinowego, takiego jak cement typu CA-25 wy¬ twarzany przez firme Aluminium Company of America. Wielkosc czastek zawartych w cemencie powinna byc mniejsza od 0,1 mm. Inne podobne odpowiednie cementy znane sa pod znakami to¬ warowymi Lumin^te i Refcon i sa wytwarzane przez Universal Atlas Cement Division of the United Stated Steel Corporation. Boki ale nie konce bloku elektrolitu 4 sa pokrywane zawie¬ sina cementu 6, której nadmiar sciera sie, zwlasz¬ cza przy koncach boku elektrolitu 4, a po za¬ krzepnieciu cementu zmontowany zespól suszy sie w powietrzu przez kilka godzin w temperaturze 100°C, aby usunac nadmiar wody. Nastepnie w rurze 2 umieszcza sie mieszanine elektrody 8, ubija sie ja, oraz umieszcza sie drazek stykowy 12 i krazek 10. Zamiast stosowania krazka 10 po wlozeniu preta stykowego 12 mozna na wierzch elektrody 8 wokól preta stykowego 12 wlac war¬ stwe cementu tego samego typu jaki stosuje sie do uszczelnienia bloku elektrolitu 4 wzgledem ru¬ ry 2. Po utwardzeniu cementu ogniwo ponownie suszy sie w powietrzu w celu usuniecia nadmiaru wilgoci. Próby wykazuja ze warstwa cementu 6 jest przynajmniej tak gazoszczelna jak gesty, spie¬ czony dwutlenek cyrkonu stabilizowany wapnem i zapewnia szczelne spojenie zarówno z kwarcem jak i z dwutlenkiem cyrkonu.Gdy ogniwo takie jest zanurzone w plynnej stali na glebokosc wystarczajaca do szybkiego do¬ prowadzenia ogniwa do temperatury roboczej, elektrolit 4 i rura kwarcowa 2 rozgrzewaja sie i rozszerzaja cieplnie z róznymi predkosciami.Jednakze, poniewaz cement nie jest tak sztywny jak dwutlenek cyrkonu lub jak kwarc i jest po-5 79 284 6 rowaty, ale nieprzepuszczalny dziala on jako po¬ duszka pomiedzy rurka kwarcowa a elektrolitem, chroniac przez to skutecznie rure kwarcowa 2 lub elektrolit 4 przed peknieciami.Gdy elektroda 8 zaczyna sie spiekac i kurczyc styk z elektrolitem 4 jest zachowany poniewaz elektroda 8 kurczac sie zaciska sie wokól stozka 14 bloku elektrolitu 4. Chociaz na rysunku poka¬ zano stozek sciety o korzystnym kacie zbieznosci 30—45 stopni, mozna zastosowac dowolny wysta¬ jacy ksztalt korzystnie kolowy, dopóki kurczenie sie mieszaniny elektrody 8 ma tendencje do utrzy¬ mania lub poprawienia styku. Jak pokazano na fig. 1 korzystne jest by w przyblizeniu jedna trze¬ cia dlugosci bloku elektrolitu 4 byla odslonieta wzgledem plynnego metalu, a jedna trzecia dlu¬ gosci elektrolitu 4 byla zacementowana w rurze 2 i jedna trzecia stanowila stozek sciety, jednak stosunek ten nie jest krytyczny. Pret stykowy 12 powinien konczyc sie w przyblizeniu na polowie odleglosci pomiedzy koncem 16 bloku elektrolitu 4 a krazkiem 10 aby otrzymac maksymalny wplyw sily rozszerzenia termicznego preta 12 na popy¬ chanie elektrody 8 w dól w kierunku na stozek 14. Metal w mieszaninie elektrody 8 sluzy do utworzenia zadanego styku elektrycznego pomie¬ dzy pretem 12 a elektrolitem 4.W przykladzie wykonania pokazanym na fig. 2 elektrolit 4 jest zacementowany w rurze 2 za pomoca cementu 6 jak opisano poprzednio. Elek¬ troda 18 jest mieszanina metalu i jego tlenku zmieszanych z 10—209/o ognioodpornego cementu, na przyklad tego parnego typu co uprzednio opi¬ sany. Elektrode taka zalewa sie wokól preta sty¬ kowego 12 i stozka 14 i suszy sie w powietrzu po utwardzeniu cementu. Zawartosc cementu w mieszaninie musi byc odpowiednio mala aby nie pogarszala styku elektrycznego z elektrolitem i dzialania materialu elektrody odniesienia jako zródla tlenu.Na fig. 3 pokazano wykres sily elektromoto¬ rycznej na wyjsciu z typowego czujnika tlenowe¬ go, w którym nie ma czesci w ksztalcie stozka.Na osi odcietych odlozono czas. W miejscu ozna¬ czonym 20 sa zaklócenia w przebiegu sily elektro¬ motorycznej na wyjsciu z ogniwa, co tlumaczy sie zjawiskiem spiekania i kurczenia. Na fig. 4 pokazano podobny wykres dla przypadku zasto- ,¦ sfwaSiih^ozka i preta stykowego 12 oddalonego od erektrojlitu. W tym przypadku, w miejscu ozna¬ czonym 2j2, sygnal wyjsciowy czujnika wystepuje - wczesniejj i jest znacznie bardziej stabilny niz na _ wjjjkresie jz fig. 4. PL PL PL

Claims (4)

1. Zastrzezenia patentowe 1. Ogniwo galwaniczne w czujniku tlenowym do okreslania zawartosci tlenu w plynie o wy¬ sokiej temperaturze, posiadajace blok elektrolitu z tlenku w stanie stalym na jednym koncu rury ognioodpornej, przy czym jeden koniec tego blo¬ ku elektrolitu jest odsloniety dla styku z plynem o wysokiej temperaturze, a drugi koniec bloku elektrolitu jest usytuowany wewnatrz wymienio¬ nej rury w styku z elektroda odniesienia, w któ¬ rej jest umieszczony pret stykowy, znamienne tym, ze elektrolit (4) jest osadzony w ogniood¬ pornej rurze (2) za pomoca warstwy ognioodpor¬ nego cementu (6) pomiedzy blokiem elektrolitu (4) a wnetrzem rury ognioodpornej (2). 2. Ogniwo wedlug zastrz. 1, znamienne tym, ze drugi koniec bloku elektrolitu (4) ma czesc wy¬ stajaca (14), oddalona od wnetrza rury ogniood¬ pornej (2) i jest otoczona przez elektrode odnie¬ sienia (8, 18), która stanowi lita mieszanine me¬ talu i jego tlenku. 3. Ogniwo wedlug zastrz. 2, znamienne tym, ze wystajaca czesc (14) bloku elektrolitu (4) ma ksztalt scietego stozka. 4. Ogniwo wedlug zastrz. 2, znamienne tym, ze wystajaca czesc (4) bloku elektrolitu (4) jest umieszczona w czesci elektrody odniesienia (8, 18), a pret stykowy (12) jest osadzony w pozo¬ stala czesc tej elektrody odniesienia, przy czym koniec preta stykowego (12) jest oddalony od wy¬ stajacej czesci bloku elektrolitu, a metal zawarty w elektrodzie odniesienia tworzy polaczenie elek¬ tryczne pomiedzy blokiem elektrolitu (4) a pretem stykowym (12). 5. Ogniwo wedlug zastrz. 2, znamienne tym, ze lita mieszanina elektrody odniesienia (8) jest utrzy¬ mywana w swym polozeniu za pomoca krazka (10) spasowanego suwliwie wewnatrz rury ogniood¬ pornej (2). 6. Ogniwo wedlug zastrz. 2, znamienne tym, ze lita mieszanina elektrody odniesienia (8) jest utrzy¬ mywana w swym polozeniu za pomoca pokrywa¬ jacej te mieszanine warstwy ognioodpornego ce- 45 mentu umieszczonego we wnetrzu rury ogniood¬ pornej (2). 7. Ogniwo wedlug zastrz. 2, znamienne tym, ze lita mieszanina elektrody odniesienia (18) ma postac odlewu i zawiera cement ognioodporny 90 w ilosci dostatecznie malej, aby nie pogarszal przewodzenia metalu zawartego w elektrodzie od¬ niesienia (18). 8. Ogniwo wedlug zastrz. 1, 6 lub 7, znamienne tym, ze cement ognioodporny stanowi cement wa- 55 pniowo-glinowy. 15 20 25 90 35KI. 421,3/53 78 234 MKP GO In 33/20 FIG. I. FIG.

2. L FIG.

3. L FIG.

4. 22 CZYTELNIA1 Urredu Patentowego W.D.Kart. C/996/75, 125+15, A4 Cena 10 zl PL PL PL