RU2091783C1

RU2091783C1 - Gas-analysis device

Info

Publication number: RU2091783C1
Application number: RU93021664A
Authority: RU
Inventors: Сергей Иванович Ударцев
Original assignee: Сергей Иванович Ударцев
Priority date: 1993-04-26
Filing date: 1993-04-26
Publication date: 1997-09-27

Abstract

FIELD: analytical methods. SUBSTANCE: invention concerns gas-analysis devices with electrochemical cells on solid electrolyte for monitoring and controlling all-type fuel combustion. Device contains bearing tube, solid-electrolyte cell coupled with metal holder having expander on its end, heating cartridge, and insulated current-supply cables. Cell is connected with holder on the side of its narrowed end, whereas expanded part of holder is located beyond heating cartridge and is provided with small bottom with reference gas inlet and outlet pipes. Expanded part of holder may also be partitioned to prevent mixing gas streams being introduced and withdrawn. EFFECT: improved design. 3 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для анализа газа с помощью электрохимических ячеек на твердом электролите и может быть использовано для контроля и регулирования процесса сжигания всех видов топлива. The invention relates to devices for gas analysis using electrochemical cells on a solid electrolyte and can be used to control and regulate the combustion process of all types of fuel.

Известно устройство для анализа газа, содержащее несущую трубу, расположенную в ней твердоэлектролитную ячейку с электродами и токоотводами с изоляторами, соединенную с металлическим держателем, выполненным с расширением на конце, нагревательный патрон, питающий провода [Инструкция по сервисному обслуживанию датчика дымовых газов фирмы "CGRGMI" (Германия) от 21.09.84]
Указанный датчик имеет недостаточную точность измерения, обусловленную ненадежным разделением газовых пространств датчика; расположение термопары снаружи нагревательного патрона не позволяет точно учитывать температуру рабочей части электродов чувствительного элемента, что также влияет на точность измерений.A device for gas analysis containing a support pipe, a solid-electrolyte cell located in it with electrodes and down conductors with insulators, connected to a metal holder made with an extension at the end, a heating cartridge supplying wires [Service manual for flue gas sensor company "CGRGMI" (Germany) from 09.21.84]
The specified sensor has insufficient measurement accuracy due to unreliable separation of the gas spaces of the sensor; the location of the thermocouple outside the heating cartridge does not allow to accurately take into account the temperature of the working part of the electrodes of the sensing element, which also affects the accuracy of the measurements.

Задача изобретения повышение точности измерений и расширение эксплуатационных возможностей. The objective of the invention is improving the accuracy of measurements and expanding operational capabilities.

Для решения задачи в известном устройстве для анализа газа, содержащем несущую трубу, расположенную в ней твердоэлектролитную ячейку с электродами и токоотводами с изоляторами, соединенную с металлическим держателем, выполненным с расширением на конце, нагревательный патрон, питающие провода; твердоэлектролитная ячейка соединена с держателем со стороны его зауженной части, при этом расширенная часть держателя расположена вне нагревательного патрона и выполнена с донышком, к которому присоединены трубки для подвода и отвода эталонного газа. To solve the problem in a known device for gas analysis containing a support pipe, a solid-electrolyte cell located in it with electrodes and down conductors with insulators, connected to a metal holder made with an extension at the end, a heating cartridge, power wires; the solid electrolyte cell is connected to the holder on the side of its narrowed part, while the expanded part of the holder is located outside the heating cartridge and is made with a bottom to which tubes for supplying and discharging a reference gas are connected.

Расширенная часть держателя разделена перегородкой, обеспечивающей предотвращение смешивания подводимого и отводимого газовых потоков. The extended part of the holder is divided by a partition, which ensures the prevention of mixing of the supplied and discharged gas flows.

На наружных стенках трубчатых изоляторов питающих проводов, проходящих через стенку нагревательного патрона, выполнены выступы, расположенные противоположно друг другу, с возможностью зацепления за донышко нагревательного патрона, и пазы со вставленной в них пластинкой, закрепляемой на крышке нагревательного патрона, а токоотводы чувствительного элемента и выводы нагревательного патрона закреплены между металлическими пластинками, присоединенными к элементам разборного соединения или непосредственно к удлиняющим проводам. On the outer walls of the tubular insulators of the supply wires passing through the wall of the heating cartridge, protrusions are made, located opposite to each other, with the possibility of engagement on the bottom of the heating cartridge, and grooves with a plate inserted into them, fixed to the cover of the heating cartridge, and the collectors of the sensing element and conclusions the heating cartridge is fixed between metal plates attached to the elements of a collapsible connection or directly to the extension wires.

На фиг. 1 и 2 представлены варианты устройства с расширенной частью держателя, выведенной за пределы нагревательного патрона в полость защитной несущей трубы, с различной конфигурацией расширителя; на фиг. 3 вариант устройства с расширенной частью держателя, выведенной за пределы несущей трубы; на фиг. 4 то же устройство с трубкой для отвода эталонного газа, расположенной коаксиально держателю; на фиг. 5 показан изолятор выводов нагревательного патрона и его крепление к стенке патрона; на фиг. 6 и 7 - разборное соединение выводов с удлиняющими проводами. In FIG. 1 and 2 show variants of the device with an expanded part of the holder, extended beyond the limits of the heating cartridge into the cavity of the protective carrier pipe, with a different configuration of the expander; in FIG. 3 embodiment of the device with an expanded part of the holder, taken outside the bearing pipe; in FIG. 4 the same device with a tube for the removal of a reference gas, located coaxial to the holder; in FIG. 5 shows the insulator of the terminals of the heating cartridge and its fastening to the wall of the cartridge; in FIG. 6 and 7 - collapsible connection of leads with extension wires.

Устройство содержит защитную несущую трубу 1 с открытым концом 2, нагревательный патрон 3, чувствительный элемент 4, выполненный на основе твердоэлектролитной ячейки с электродами и токоотводами, соединенную с металлическим держателем 5, выполненным с расширением 6 на конце, противоположном чувствительному элементу, при этом расширенная часть 6 снабжена перегородкой 7 и донышком 8 и выведена за пределы нагревательного патрона 3 в полость 9 защитной несущей трубы 1. The device comprises a protective support pipe 1 with an open end 2, a heating cartridge 3, a sensing element 4, made on the basis of a solid-electrolyte cell with electrodes and down conductors, connected to a metal holder 5, made with an extension 6 at the end opposite to the sensitive element, while the expanded part 6 is provided with a partition 7 and a bottom 8 and is taken outside the heating cartridge 3 into the cavity 9 of the protective support pipe 1.

К донышку 8 присоединены трубки для подвода 10 и отвода 11 эталонного газа. To the bottom 8 are connected tubes for supplying 10 and removing 11 of the reference gas.

Расширенная часть 6 держателя может быть выполнена в виде коллектора (фиг. 2). The extended part 6 of the holder can be made in the form of a collector (Fig. 2).

Чувствительный элемент 4, выполненный на основе электрохимической твердоэлектролитной ячейки, имеет эталонный 12 и измерительный 13 электроды. The sensitive element 4, made on the basis of an electrochemical solid electrolyte cell, has a reference 12 and a measuring 13 electrodes.

В состав устройства входят питающие провода 14 нагревательного патрона 3, токоотводы 15 от электродов 12 и 13, крышка 16 нагревательного патрона 3, изоляторы 17 питающих проводов 14, термопара 18 и трубка подвода калибровочного газа 19. The device includes supply wires 14 of the heating cartridge 3, down conductors 15 from the electrodes 12 and 13, cover 16 of the heating cartridge 3, insulators 17 of the supply wires 14, a thermocouple 18 and a calibration gas supply tube 19.

Изоляторы 17 питающих проводов нагревательного патрона выполнены, например, в виде двухканальных металлических трубок. На наружных стенках этих трубок с одной стороны выполнены (например, путем выборки) выступы 20 (фиг. 5), зацепленные за крышку 16 нагревательного патрона, а с противоположной стороны имеются пазы 21, в которые вставлены пластики 22, прикрепленные к крышке 16 винтом 23 или сваркой. The insulators 17 of the supply wires of the heating cartridge are made, for example, in the form of two-channel metal tubes. On the outer walls of these tubes on one side are made (for example, by sampling) protrusions 20 (Fig. 5) engaged on the cover 16 of the heating cartridge, and on the opposite side there are grooves 21 into which plastics 22 are attached, attached to the cover 16 by a screw 23 or welding.

Концы токоотводов чувствительного элемента закреплены между металлическими пластинками 24 (фиг. 6), присоединенными к винту 25, имеющему паз, в который введены сомкнутые концы пластинок 24, контргайку 26 и гайку 27, которая также имеет паз 28. The ends of the down conductors of the sensing element are fixed between the metal plates 24 (Fig. 6) attached to a screw 25 having a groove into which the closed ends of the plates 24 are inserted, a lock nut 26 and a nut 27, which also has a groove 28.

Гайка 27 служит для подключения тонких проводов токоотводов 15 или толстых удлиняющих проводов для выводов 14 нагревательного патрона. Поэтому пазы в гайках используются для закрепления в них пластинок 24 и закрепления непосредственно провода 29. The nut 27 is used to connect the thin wires of down conductors 15 or thick extension wires for the findings 14 of the heating cartridge. Therefore, the grooves in the nuts are used to fix the plates 24 in them and fix the wires 29 directly.

Соединение провода 29 с гайкой 27 выполняется сваркой путем оплавления кромок паза 28. The connection of the wire 29 with the nut 27 is performed by welding by melting the edges of the groove 28.

Пластинки 24 служат для упрощения операции сварки проволочных выводов нагревателя и токоотводов чувствительного элемента с относительно массивными винтами 25 и гайками 27. The plates 24 serve to simplify the operation of welding the wire leads of the heater and the down conductors of the sensing element with relatively massive screws 25 and nuts 27.

Крепление проводов может быть выполнено при помощи двух пар пластинок 24, соединенных между собой заклепками 30 (фиг. 7). Соединяемые провода помещаются между разведенными концами пластинок 24 и свариваются с ними, если провода тонкие (например, выводы чувствительного элемента диаметром 0,5 1,0 мм), или расплющиваются и склепываются с пластинками, если провода толстые (например, удлиняющие провода выводов нагревательного патрона диаметром 2,5 мм). The fastening of the wires can be performed using two pairs of plates 24, interconnected by rivets 30 (Fig. 7). The connected wires are placed between the diluted ends of the plates 24 and welded with them if the wires are thin (for example, the terminals of the sensing element with a diameter of 0.5 to 1.0 mm), or they are flattened and riveted with the plates if the wires are thick (for example, the extension wires of the terminals of the heating cartridge diameter 2.5 mm).

Устройство для анализа газа располагают на стенке газохода топливосжигающего агрегата так, чтобы нагревательный патрон 3 с чувствительным элементом 4 был непосредственно установлен в потоке отходящих газов. A gas analysis device is placed on the gas duct wall of the fuel burning unit so that the heating cartridge 3 with the sensing element 4 is directly mounted in the exhaust gas stream.

Нагревательный патрон 3 служит для подогрева чувствительного элемента 4, если температура дымовых газов ниже рабочей температуры устройства. The heating cartridge 3 is used to heat the sensing element 4, if the temperature of the flue gas is lower than the operating temperature of the device.

Температура контролируется термопарой 18. Temperature is controlled by thermocouple 18.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

По трубке 10 в устройство подается стандартный газ-воздух, обмен которого происходит у эталонного электрода 12 затем сбрасывается воздух по трубке 11 в поток дымовых газов. A standard gas-air is supplied through the tube 10 to the device, the exchange of which occurs at the reference electrode 12, then air is discharged through the tube 11 into the flue gas stream.

Измерительный электрод 13 омывается анализируемым газом. The measuring electrode 13 is washed by the analyzed gas.

Сигнал с эталонного и измерительного электродов снимается токоотводами 15. The signal from the reference and measuring electrodes is removed by down conductors 15.

При проверке работоспособности устройства анализируемый газ вытесняется из полости чувствительного элемента 4 калибровочным газом, подаваемым по трубе 19. When checking the operability of the device, the analyzed gas is displaced from the cavity of the sensing element 4 by a calibration gas supplied through the pipe 19.

Конструкция предлагаемого устройства обеспечивает его компактность, надежность и технологичность изготовления. The design of the proposed device provides its compactness, reliability and manufacturability.

Выполнение конца держателя 5 с расширением 6 и выведение его вместе с донышком за пределы нагревательного патрона 3 в полость 9 защитной несущей трубы 1 позволяет уменьшить диаметр той части держателя, которая размещена в полости нагревательного патрона, и освободить тем самым место в полости нагревательного патрона, ввести туда термопару 18 со стороны рабочего конца защитной несущей трубы 1. The execution of the end of the holder 5 with the extension 6 and its removal together with the bottom outside the heating cartridge 3 into the cavity 9 of the protective support pipe 1 allows to reduce the diameter of the part of the holder that is placed in the cavity of the heating cartridge, and thereby free up space in the cavity of the heating cartridge, introduce there thermocouple 18 from the side of the working end of the protective support pipe 1.

У всех известных аналогов термопара выведена в нагревательный патрон со стороны свободного конца несущей трубы, что некомпактно и сложно в изготовлении, поскольку трубу, в которой размещена термопара, сначала пропускают через корпус нагревательного патрона, а затем, чтобы завести в полость нагревательного патрона, дважды изгибают с относительно большим, с точки зрения общей компоновки датчика, радиусом гиба. For all known analogues, the thermocouple is led out into the heating cartridge from the side of the free end of the carrier pipe, which is not compact and difficult to manufacture, since the pipe in which the thermocouple is placed is first passed through the housing of the heating cartridge, and then bent twice into the cavity of the heating cartridge with a relatively large, in terms of the overall layout of the sensor, bending radius.

Предотвращение возможного (под воздействием расширенной части держателя) смешения потоков воздуха, поступающего по трубке 10, с потоком воздуха, отводимого по трубке 11, служит несплошная перегородка 7. Prevention of the possible (under the influence of the expanded part of the holder) mixing of the air flows coming through the tube 10 with the air flow discharged through the tube 11 is a non-continuous partition 7.

Второй вариант устройства, в котором чувствительный элемент 4 направлен в сторону рабочего конца несущей трубы, а противоположный ему конец держателя 5 направлен в сторону свободного (открытого) конца 2 несущей трубы, также компактен, поскольку при такой компоновке устройства в полости нагревательного патрона 3 появляется возможность (освобождается место) для ввода туда по сторонам рабочего конца несущей трубы не только термопары, но и трубки подвода калибровочного газа 19. The second variant of the device, in which the sensitive element 4 is directed towards the working end of the carrier pipe, and the opposite end of the holder 5 is directed towards the free (open) end 2 of the carrier pipe, is also compact, since with this arrangement of the device in the cavity of the heating cartridge 3 there is the possibility (space is freed up) for introducing there not only thermocouples, but also calibration gas supply pipes 19 on the sides of the working end of the carrier pipe.

В известных аналогах трубка подвода калибровочного газа, так же как и термопара, заведена в полость нагревательного патрона со стороны незакрепленного конца несущей трубы с соответствующим количеством и формой гибов. In well-known analogues, the calibration gas supply tube, as well as the thermocouple, is inserted into the cavity of the heating cartridge from the side of the loose end of the carrier pipe with the corresponding number and shape of bends.

Коаксиальное расположение газоотводящей трубки 11 по отношению к держателю 5 позволяет уменьшить диаметр держателя и улучшить обмен воздуха у нагревательного электрода при направлении конца держателя в сторону свободного конца несущей трубы. The coaxial arrangement of the exhaust pipe 11 with respect to the holder 5 allows to reduce the diameter of the holder and to improve the air exchange at the heating electrode when the end of the holder is directed towards the free end of the carrier pipe.

Выступы 20 на наружных стенках изоляторов 17 и проводов 14, питающих нагревательный патрон 3, зацепляемые за крышку 16 нагревательного патрона, и пазы винта 25 со вставленными в них пластинками 24, тоже прикрепляемыми к крышке 16, обеспечивают надежность работы устройства в условиях вибрации. The protrusions 20 on the outer walls of the insulators 17 and the wires 14 supplying the heating cartridge 3, hooked to the cover 16 of the heating cartridge, and the grooves of the screw 25 with the inserted plates 24, also attached to the cover 16, ensure the reliability of the device under vibration conditions.

Описанные приемы соединения выводов чувствительного элемента и нагревательного патрона с удлиняющими проводами технологичны в изготовлении. The described techniques for connecting the terminals of the sensitive element and the heating cartridge with extension wires are technological in manufacture.

В предлагаемом техническом решении благодаря тому, что чувствительный элемент прикреплен к наружной части держателя удалось уменьшить размеры держателя и в зазор между внутренней стенкой нагревательного патрона и держателя и чувствительного элемента удалось установить термопару. In the proposed technical solution, due to the fact that the sensitive element is attached to the outer part of the holder, it was possible to reduce the size of the holder and a thermocouple was installed in the gap between the inner wall of the heating cartridge and the holder and the sensitive element.

В известном датчике-прототипе сброс стандартного газа недостаточно организован, а в предлагаемом решении газ выводится в полость несущей трубы или за пределами топки или несущей трубы, что значительно повышает точность измерений. In the known prototype sensor, the discharge of standard gas is not well organized, and in the proposed solution, the gas is discharged into the cavity of the carrier pipe or outside the furnace or carrier pipe, which significantly increases the accuracy of the measurements.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом более компактно, более точно и технологично в изготовлении. Thus, the proposed device in comparison with the prototype is more compact, more accurate and technologically advanced in manufacture.

Claims

1. A device for analyzing gas containing a supporting pipe, a solid electrolyte cell connected to a metal holder made with an extension at the end, a heating cartridge and power wires with insulators, characterized in that the solid electrolyte cell is connected to the holder on the side of its narrowed part, and the expanded part of the holder is removed beyond the heating cartridge and is made with a bottom, to which tubes for supplying and removing reference gas are attached.

2. The device according to claim 1, characterized in that the expanded part of the holder is equipped with a partition, which ensures the prevention of mixing of the supplied and discharged gas streams.

3. The device according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that on the outer walls of the tubular insulators of the supply wires passing through the wall of the heating cartridge, protrusions are arranged opposite to each other, with the possibility of engagement with the cover of the heating cartridge, and grooves with an inserted plate fixed to the cover of the heating cartridge the cartridge, and the down conductors of the sensing element and the conclusions of the heating cartridge are fixed between metal plates attached to the elements of a collapsible connection or directly to inyayuschim wires.