用于锅炉的氧传感器探头制造技术

本发明专利技术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。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。本专利技术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，本专利技术人完成了这一专利技术。本专利技术的目的是通过将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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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（１ ７）的装置（１９）。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：金基洙，宋翰植，廉根昌，高大镇，
申请(专利权)人：双龙洋灰工业株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]