專利名稱：用于鍋爐的氧傳感器探頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于鍋爐的氧傳感器探頭，特別是涉及一種可以用來檢測從小鍋爐一類的熱機中排放出的廢氣中的氧的氧傳感器探頭。
目前，由于大氣層的空氣污染已非常嚴重，控制從鍋爐和汽車發動機一類的各種熱機中排放出的廢氣中的有害氣體和懸浮顆粒的含量變得極為重要。
人們主要是采用氧傳感器來測試廢氣中的氧含量，以便控制和維持空氣同燃料的比例，并將鍋爐一類熱機的運行控制在其最佳狀態，同時還借助所述的氧傳感器將氧的含量控制在一個適當的水平上。
目前，大多數用于鍋爐的氧傳感器一直是采用一種穩定的氧化鋯作為氧傳感器的一種元件。
如圖3所示，常規的氧化鋯氧傳感器都具有這樣一種模式，即一個U型的氧化鋯氧傳感器元件被插入在一個由具有強防腐性能的不銹鋼材料制成的探頭外殼內，這種傳感器包括一個U型的氧化鋯氧傳感器元件31，一個加熱器32，一個塞子33和一個探頭殼34。
氧化鋯元件31的封閉端31＇被做成凸圓形，以便與待測的排放氣體接觸，在其另一端的凹形開口部分31＂內插入一個熱電偶36，從而暴露在作為參考氣體的空氣中。
U型氧化鋯元件31的下端37固定在由具有強防腐性能的不銹鋼材料制成的塞子33的內壁上。加熱器32安裝在探頭殼34的內壁上，探頭殼34的同排出氣體接觸的上部被保護性過濾片35覆蓋。
因此，保護性過濾片和塞子將氧化鋯元件同探頭之間的空間與外界完全阻斷，使得排出氣體與空氣在傳感器中完全隔絕。
圖4是另一種常規的氧傳感器的結構。在這種氧傳感器中，在探頭殼34的內部有一個獨立的加熱器管32′，以此代替安裝在探頭殼內壁上的加熱器。
如圖3和4所示，常規的氧傳感器是一種插入型的傳感器，其中的元件被插入在不銹鋼探頭殼中。由于其尺寸較大，因而不能用于5噸或5噸以下的鍋爐，這是它的一個缺點。
另外，為了安裝如圖3所示的加熱器，必須將常規的氧傳感器的氧化鋯元件做成長形的，或者為了插入如圖4所示的加熱管，必須使探頭殼的外徑較大。而且，由于連接加熱器導線或電極導線比較困難，整個傳感器的尺寸就做得比較大。也難以接收到清晰的信號。
在用這種氧傳感器測定排出氣體中的氧含量時，不能使排出氣體與空氣接觸。因此，為了使排出氣體與空氣在傳感器中完全隔絕，就必須將氧化鋯元件的下端與金屬框架之間密封起來。
由于排出氣體含有許多各種各樣的腐蝕性氣體，所以通常采用具有強防腐性能的不銹鋼材料制造塞子和探頭殼。但是，不銹鋼材料的熱膨脹系數非常之大，高達約19×10-6，而氧化鋯元件的熱膨脹系數約為9×10-6，因而很難將這種不銹鋼與氧化鋯元件粘合在一起。
其具體原因如下具有不同的熱膨脹系數的氧化鋯元件與不銹鋼塞子沿環向粘合在一起。在這種情況下，在它們之間不可避免地出現了高達10×10-6的熱膨脹系數差。如果氧化鋯元件同不銹鋼的粘合溫度是800℃或高于800℃，就可能產生高達8×10-3的變形差(從熱膨脹系數差推導出來)。沒有一種材料能夠承受住這樣的變形。而且，在采用圓柱形的氧化鋯元件的情況下，隨著氧化鋯元件中的環向應力的產生，所述的元件還要承受比熱膨脹系數的相當大的差異還要大的應力，并且在該元件的固定部分和其暴露在空氣中的部分之間會產生剪應力，因而在這個部位容易發生斷裂。
為了解決這一問題，曾有人償試將氧化鋯元件的形狀從圓柱形改為圓盤形，把將要暴露在空氣中的部分除去，并將該金屬構架粘接成薄圓筒形以便容易變形。這么做并沒多大問題，但是，由于是在700℃或700℃以上的溫度下加熱粘接部分來粘接，該粘接部分的粘接質量較差，而且在處理電極方面也存在問題，因而這一方法不理想。
由于不銹鋼具有較強的防化學試劑性能和防腐性能，因而在惡劣條件下也能采用。因此，人們試圖將陶瓷固定到不銹鋼上，因為如果不銹鋼可以與陶瓷固定在一起，它的應用范圍就能擴大。如果只強調固定強度，不需要高水平的氣密性能，是可以通過多種方法達到一定效果的。但是，目前還沒有實現將U型氧化鋯元件固定到不銹鋼上并從而產生氣密條件的技術。
尤其是，在采用用于鍋爐的氧化鋯氧傳感器的情況下，由于所述元件是用加熱器來加熱的，傳感器探頭的總尺寸和形狀將取決于它們的封接方法。
業已報導過下述封接方法
1)方法之一加大U型氧化鋯元件的長度，在排出氣體的排氣端測試氧的含量，同時卻通過降低封接部分的溫度來進行封接，在這種情況下，所述封接部分暴露在空氣中；2)方法之二用在U型氧化鋯元件和金屬構架之間填充滑石粉的方法代替將氧化鋯元件固定到金屬構架上的方法的氣密方法；3)方法之三用玻璃或釬焊合金一類的材料將圓盤形的氧化鋯元件封接到管形的金屬構架上。
但是，在方法一中，由于加大了氧化鋯元件的長度，使傳感器的尺寸變得太大，并且很難選擇出一種與封接端的溫度相適合的封接材料。并且，如果鍋爐內部與大氣之間的壓力差超過了500mmH2O，就存在封接材料性能降低的問題。
方法二的優點是，封接端可以承受500℃或500℃以上的溫度，并且傳感器的尺寸減小到了一定程度。但是另一方面，為了得到可以承受由高壓填充滑石粉產生的強大壓力的氣密封接條件，就要加大外圍金屬材料構架的尺寸和厚度，這就造成傳感器的尺寸和重量增加。尤其是當大氣與鍋爐內部的壓力差超過500mmH2O時，由于氣密封接不等同于固定連接，傳感器無法使用。
方法三是將圓盤形的氧化鋯元件固定到管形金屬構架上，不存在封接的問題。但是，由于加熱器將氧化鋯元件和封接部分都加熱，當加熱到700℃以上時，封接處的壽命會縮短，而當在低于所述溫度的情況下加熱時，傳感器的降解度會變差。由于在上述溫度下是通過機械壓力來連接電極的，電極的連接變得不穩定。并且，由于較多地注重了圓盤的強度和尺寸，圓盤元件的小型化就受到了限制。結果，由于探頭重量增加，操作起來變得不方便，由于電極不穩，會出現電動勢誤差，并且產品的壽命也縮短了。
特別是在采用玻璃或釬焊合金的情況下，氧化鋯元件一端要承受壓應力，因而在其外表面和內面之間，即暴露在大氣中的部分產生一個剪切應力，因而有可能在封接處發生斷裂。
另一方面，氧傳感器探頭的使用壽命很重要。如果氧傳感器探頭的壽命變為兩倍，就相當于有了兩個氧傳感器探頭。影響壽命的最大問題是強腐蝕(由鉑與排出氣體中的SO2在300℃至400℃的溫度下起反應造成)和弱腐蝕(由鉑與排出氣體中的H2SO4在150℃至300℃的溫度下起反應造成)。由于排出氣體中的SO2或H2SO4會通過上述腐蝕過程與鉑起反應，電極將被侵蝕。為了防止這種腐蝕，迄今為止一直是采用尖晶石來進行等離子噴涂。
然而，由于尖晶石是多孔的，不能完全防止鉑與排出氣體接觸。另外，上述噴涂會使傳感器部件的反應速度下降。
本發明人為克服已有技術的這些問題進行過大量的研究，結果有了以下的意外發現探頭殼內部的U型氧化鋯氧傳感器元件的位置業已被改變為與常規的氧化鋯氧傳感器元件的位置相反。采用一種起緩沖作用的中間物來實現氧化鋯元件和金屬構架之間的封接。將該元件的低溫暴露端加一涂層。這樣就可能使傳感器小型化，并易于操作，進而可以改善傳感器的性能，并降低加熱器的工作能耗。另外還能相應地延長氧傳感器的使用壽命。基于以上發現，本發明人完成了這一發明。
本發明的目的是通過將U型氧化鋯元件的位置朝著主體的上端移動，提供一種適用于小鍋爐的氧傳感器探頭。
本發明的另一個目的是提供一種氧傳感器探頭，其中的不銹鋼金屬構架和氧化鋯元件是采用由類似于氧化鋯元件的金屬或合金制成的中間物來封接的。
本發明的又一個目的是提供一種氧傳感器探頭，當用中間產物封接該探頭以防止由排出氣體造成的腐蝕時，在探頭上形成一給定厚度的涂層。
本發明的又一個目的是提供一種氧傳感器探頭，為了防止鉑電極被排出氣體短路，該探頭的元件的低溫暴露端經過涂敷。
本發明還有一個目的是提供一種氧傳感器探頭，其電動勢特性良好，防腐性能和使用壽命有所改進，能耗可以大幅度降低。
本發明提供了一種氧傳感器探頭，在該探頭的圓筒形主體內將要與排出氣體接觸的U型氧化鋯元件被固定在金屬構架上，并與熱電偶一起沿主體的縱向排列，用于加熱該元件的加熱器被設置在該元件的外周，在主體的頂端涂敷了一層保護性過濾層，其特征在于，所述的探頭包括一個位于主體上端的U型氧化鋯元件，該元件的凹形開口端朝上，以便與排出氣體接觸，而其凸形封閉端朝下，以便面對熱電偶；所述探頭還包括用于密封所述元件上端與金屬構架(其中部有一孔)之間的空間。以便防止產生熱應力的器件；還包括位于所述元件的閉合端周圍。用來加熱該元件的裝置以及位于金屬構架裝置之間。用來保護電極接頭并支承加熱裝置的裝置。
本發明的密封裝置由鎳，鈦或它們的合金構成，其熱膨脹系數與所述元件相似，在7×10-6/℃至13×10-6/℃之間。用玻璃或釬焊合金來焊接封接裝置與元件11頂端之間的空間。
另外，在封接裝置的外壁表面和金屬構架的內壁表面，以及金屬構架的外表面和所述主體頂端的內表面上各自具有螺紋，以便將它們彼此接合。用由銅，鋁或云母制成的O_環裝置將封接裝置的上表面與金屬構架14的凸緣的下表面連接起來。
本發明的封接裝置要經過600至1200℃溫度范圍內的熱處理，以便在其表面形成50至200μ的氧化層，從而防止其腐蝕。在所述元件的除由所述加熱裝置加熱的部分以外的部位涂上釉料，以防這些部分腐蝕。
參照下面的說明及附圖，將很容易明白本發明的上述目的，特征及優點。
以下結合附圖所作的說明將使上述目的和優點一目了然。
圖1是本發明的用于鍋爐的氧傳感器探頭的豎直縱剖面圖；圖2是顯示圖1中的氧傳感器探頭的元件連接部分的放大了的豎直縱剖面圖；圖3是常規的用于鍋爐的氧傳感器探頭的豎直剖視圖。
下面參照附圖詳細說明本發明。本發明涉及一種用于小鍋爐的氧傳感器探頭，該探頭的主體由不銹鋼制成，一個小的U型氧化鋯元件通過例如封接的方式插在所述主體內。圖1是本發明的用于鍋爐的氧傳感器探頭的豎直縱剖面圖；圖2是顯示圖1中的氧傳感器探頭的元件連接部分的放大了的豎直縱剖面圖。
在圖1中，本發明的氧傳感器探頭10的U型氧化鋯元件11位于圓筒形探頭主體12的頂端，該元件將沿縱軸與排出氣體接觸，所述元件的內凹開口端11＇朝上，外凸閉合端11＂朝下。
U型氧化鋯元件11的頂端13與圓筒形探頭殼14連接，探頭殼14的中部有一孔。必須用一種填充材料15作為中間媒介來實現所述的連接，并用探頭殼14將探頭主體12的頂端封閉住。
另一方面，U型氧化鋯元件11的封閉端11＇與熱電偶16相對，并且位于一些彼此對稱排列的加熱器的中間。所述的加熱器17由一個加熱器支撐物19支撐，在支撐物19中插有用于檢測電動勢的導線18和電極。數字25代表加熱器的加熱線，數字26代表電極接頭。
本發明的獨到之處在于，U型氧化鋯元件位于探頭主體12的頂端，該元件將與排出氣體接觸，所述元件的開口端朝上，閉合端朝下。并且，借助于填充材料15將U型氧化鋯元件11的頂端13充分緊密地封接在探頭殼14上。
較為可取的填充材料是象鎳，鈦或它們的合金一類的金屬材料，它們具有同氧化鋯相似的熱膨脹系數，例如7×10-6/℃至13×10-6/℃。這種填充材料有效地防止了在氧化鋯元件和不銹鋼探頭殼之間出現熱應力。
如圖2所示，用熱膨脹系數與U型氧化鋯元件11相似的玻璃或釬焊合金將本發明的填充材料15連接到氧化鋯元件的頂端13。借助于分別形成于填充材料15的外表面和不銹鋼探頭殼14的內表面上的螺紋21將填充材料15的外側與探頭殼14的內側固定在一起。通過一個用銅、鋁或云母一類材料制成的O形環介質將填充材料15的上側與探頭殼14的凸緣22的下側也連接在一起，使填充材料15緊靠探頭殼14，將圓周方向的密封轉變成與圓筒形探頭主體的截面垂直的密封。從而實現完全密封。
本發明的優點在于，通過采用帶螺紋的填充材料15和具有良好彈性的環形墊片來封接氧化鋯元件11和探頭殼14，可以防止應力的形成。
根據本發明，為了避免鉑電極的鉑與排出氣體中的SO2和H2SO4發生反應造成高溫腐蝕和低溫腐蝕，進而造成電極短路，除了由加熱器17加熱的高溫傳感部分以外，電極暴露在排出氣體中的其余部分都用由玻璃粉一類的釉料制成的釉層涂敷。這樣，通過在排出氣體與元件的低溫部分之間加一阻擋層，可以防止高溫腐蝕和低溫腐蝕。
另一方面，如果本發明的填充材料14在排出氣體的SO2中暴露較長時間，也會出現腐蝕現象。這樣的腐蝕現象也影響氧傳感器的壽命。由于上述原因，可將用于本發明的填充材料14在600至1200℃的高溫氧化環境下進行熱處理，以便在其表面形成50到200μm的氧化層。
根據本發明，可以通過熱處理同時進行三個步驟，即利用玻璃或釬焊合金一類填充材料封接的步驟，在元件的低溫部分涂釉的步驟和在填充材料上形成氧化層的步驟。
在本發明的氧傳感器探頭中，元件的內凹開口端與探頭主體的頂端相連，使該開口端面向排出氣體。因此，傳感器的尺寸可以大幅度地減小，其外徑為3至100mm，長度為20至100mm。這樣，由于傳感器本身可以小型化，制造成本也可降低。
并且，根據本發明，由于在大幅度減小傳感器的尺寸之后又將該傳感器固定到外殼的端部，使內凹開口端朝向排出氣體，因而可以在傳感器中裝配一個小的加熱器。這樣就能做出細小的探頭主體。
尤為重要的是，在安裝了小型加熱器后，使電極接頭26的位置靠近排出氣體，而不是象常規探頭那樣靠近加熱器，并用支撐加熱器支撐物保護電極接頭，這樣就能去掉兩個用于清除信號的接地接點。
本發明的氧傳感器探頭比常規探頭小得多，但其電動勢性能很好，質量壽命和防腐性能也有改善。另外，本發明的傳感器探頭易于安裝，成本也可降低。
參照以下的實施例，將能更清楚地闡明本發明的裝置。
選用外徑為6.0mm，長度為45mm的氧化鋯元件和鈦合金探頭殼，所述鈦合金探頭殼的熱膨脹系數與氧化鋯元件近似，外徑為9.0mm，內徑與所述氧化鋯元件的外徑相同，在其外側上具有螺紋。用填充材料將所述元件與所述探頭殼封接起來。所采用的填充材料為含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，其熱膨脹系數與鈦合金近似，熔點為800℃。
所采用的涂敷氧化鋯元件的低溫暴露端的材料是含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，其熱膨脹系數與氧化元件近似，熔點為1000℃，與鉑的粘接性能良好，對該涂敷材料在850℃的氧化環境下進行精選和熱處理。
結果，在鈦合金表面形成了一層60μ的致密氧化層，并實現了理想的封接。而且實現了對氧化鋯元件的良好涂敷。
將這樣制備出來的元件部分固定到不銹鋼探頭主體上，并把加熱器同它們安裝到一起。
將這樣制備出的氧傳感器探頭的物理性能與三種常規產品的物理性能進行比較。
在表1中，已有產品1代表通過所述的封接方法1)制備出的產品，已有產品2代表通過所述的封接方法2)制備出的產品，已有產品3代表通過所述的封接方法3)制備出的產品。
表1物理性能實施例 已有產品1 已有產品2已有產品3適合的排 ±3000mmH2O ±500mmH2O ±500mmH2O ±3000mmH2O出氣體壓力探頭的尺寸 大約30mm 大約60mm大約50mm 大約58mm探頭的重量 1.7kg 約4kg 約4kg約5kg電動勢的容許誤差 ±0.1％±0.2％±0.2％ ±0.2％耐久性 很好 稍差好 好加熱器的能耗 很少 少 多 多盡管前面以一些實施例的形式描述了本發明，但本領域的普通技術人員應該懂得，在不偏離本發明的權利要求書的精神和范圍的前提下，還可對這些實施例進行各種改變或改進。
權利要求
1.一種用于鍋爐的氧傳感器探頭，在該探頭的圓筒形主體內，將要與排出氣體接觸的U型氧化鋯元件固定在金屬構架上，并與熱電偶一起沿所述主體的縱向排列，用于加熱所述元件的加熱器被設置在該元件的外周，在所述主體的頂端涂敷了一層保護性過濾層，其特征在于，所述的探頭包括一個位于所述主體(12)上端的U型氧化鋯元件(11)，所述元件的凹形開口端(11＇)朝上以便與排出氣體接觸，而其凸形封閉端(11＂)朝下以便與熱電偶(16)相對；用于封閉所述元件(11)的上端(13)和所述中部具有一個孔的金屬構架之間的空間，以便防止產生熱應力的裝置(15)，位于所述元件(11)的封閉端(11＂)周圍，用于加熱元件(11)的裝置(17)；以及位于所述金屬構架(14)和所述加熱裝置(17)之間，用于保護電極接頭并支承所述加熱裝置(17)的裝置(19)。
2.根據權利要求1所述的氧傳感器探頭，其特征在于所述的封接裝置(15)由鎳、鈦或它們的合金構成，其熱膨脹系數與所述元件(11)的相似。在7×106/℃至13×10-6/℃之間。
3.根據權利要求1或2所述的氧傳感器探頭，其特征在于，所述封接裝置(15)和所述元件(11)的頂端(13)之間的空隙是用玻璃或釬焊合金來密封焊接的。
4.根據權利要求1.2或3所述的氧傳感器探頭，其特征在于在所述封接裝置(15)的外表面和所述金屬構架(14)的內表面上具有螺紋(21)，可將它們封接在一起。
5.根據前面任何一個權利要求所述的氧傳感器探頭，其特征在于，借助于用銅、鋁或云母制成的環形墊片將所述封接裝置(15)的上表面和所述金屬構架(14)的凸緣(22)的下表面連接在一起。
6.根據前面任何一個權利要求所述的氧傳感器探頭，其特征在于，為了防腐，通過600至1200℃溫度范圍內的熱處理，在所述的封接裝置(15)上形成了一層50至200μ的氧化層。
7.根據前面任何一個權利要求所述的氧傳感器探頭，其特征在于，所述元件(11)上除去由所述加熱裝置(17)加熱的部位以外的部位上涂敷了一層防腐釉料。
8.根據前面任何一個權利要求所述的氧傳感器探頭，其特征在于，在所述金屬構架(14)的外表面和所述主體頂端的內表面上都帶有螺紋，可將它們安裝到一起。
全文摘要
本發明涉及一種用于鍋爐的氧傳感器探頭，包括一個位于所述主體12上端的U形氧化鋯元件11，所述元件的凹形開口端11′朝上以便與排出氣體接觸，凸形封閉端11′朝下以便與熱電偶16相對，用于封接所述元件11的上端13和所述金屬構架之間的空間，以便防止產生熱應力的裝置15，在所述金屬構架的中部具有一個孔；位于擬訂元件11的封閉端11″周圍，用于加熱元件11的裝置17，以及位于所述金屬構架14和所述加熱裝置17之間，用于保護電極接頭并支承所述加熱裝置17的裝置19。
文檔編號G01N27/406GK1125829SQ9510029
公開日1996年7月3日 申請日期1995年1月5日 優先權日1994年1月6日
發明者金基洙, 宋翰植, 廉根昌, 高大鎮 申請人:雙龍洋灰工業株式會社