Brevet FR2597602A3 — publié le 19871023

FR 2597602 A3 19871023 FR 8705441 A 19870416 Sonde Dour la mesure de la pression partielle de l'oxvygène dans une atmosphère cazeuse, par rapport à une atmospheère de référence. s La présente invention a pour objet une sonde pour la mesure d'une pression partielle d'oxygène dans une atmosphère gazeuse par rapport à une atmosphère de référence, comprenant un boitier, un organe de réaction en électrolyte solide monté dans une tête de mesure à 10 une extrémité de la sonde, un support tubulaire qui porte cet organe et sépare l'atmosphère gazeuse de l'atmosphère de référence, une électrode de mesure en contact avec l'organe de réaction dans la zone de celui-ci qui est balayée par l'atmosphère gazeuse et une 15 électrode intérieure en contact avec l'organe de réaction dans la zone de celui-ci qui est balayée par l'atmosphère de référence, l'organe de réaction ayant une surface de révolution autour d'un axe, dont au moins une partie est sphérique ou conique. On connait déjà plusieurs types de sondes, dont l'organe de réaction est constitué par une pastille en zirconium et dont l'étanchéité, entre les deux atmosphères, est assurée par un joint amovible ou par le fait que la pastille est brasée sur son support. Cepen25 dant, la pastille reste coûteuse de par sa fabrication ou son entretien. En effet, à la fin de la durée de vie de la pastille, celle-ci doit être remplacée, ainsi que son support si ces deux organes sont brasés ensemble, ou avec son joint dans le cas o de tels joints sont 30 utilisés. Ces sondes sont utilisées pour le contrôle des atmosphères des fours de traitements thermiques dans lesquels on exécute des traitements d'austénitisition ou de cémentation contrôlés. L'organe de réaction est géné35 ralement en zirconium fritté et stabilisé à l'oxyde d'yttrium. Ces organes de réaction peuvent aussi être utilisés pour le contrôle de la combustion des chaudières à huile lourde et & gaz ou des moteurs & explosion, pour déterminer le rapport monoxyde/bioxyde de carbone dans les gaz de combustion ou les gaz d'échappement. Pour les traitements thermiques, ces sondes sont introduites directement dans l'enceinte de traitement et soumises à des températures très variables ainsi qu'à des chocs thermiques et mécaniques très importants, les variations de température allant de la température l'O ambiante à des températures moyennes comprises entre 800 et 1250'C. A ces températures, ce sont les systèmes céramiques qui résistent le mieux. Lorsqu'on utilise le platine pour le contact électrique de l'électrode extérieure ou le joint, on obtient une durée de vie limitée pour ces organes en raison de l'agressivité de la suie envers le platine, d'o l'intérêt de la suppression du À - joint et du platine dans l'électrode extérieure de mesure. Les conditions importantes pour le fonctionnement impeccable d'une telle sonde de mesure peuvent se résumer comme suit 1) Etanchéité au gaz entre les deux zones de l'organe de réaction, pour ne pas mélanger l'atmosphère à mesurer et l'atmosphère de référence. En cours de fonctionnement, il se peut que l'enceinte de traitement soit polluée par des vapeurs d'huile, de sel ou des résidus entraînés par les pièces à traiter, même après le lavage de ces dernières. De ce fait, des vapeurs peuvent se déposer sur l'organe de 30 réaction et provoquer une dérive de la mesure. Dans des cas de ce genre, il est nécessaire de brûler ces impuretés ou d'échanger rapidement l'organe de réaction et d'étanchéité, ce qui constitue une opération très coûteuse. 2) Réalisation de l'étanchéité au gaz sans employer ni joint, ni matière collante. 3) Isolation électrique entre les deux zones de l'organe de réaction (gaz à mesurer et gaz de référence) pour permettre la création d'une différence de Dtntiele éloetib et évit f u ot-circuit pr le i d'un xt rétaiqt 4) Interchangeabilité facile de l'organe de réaction. Les sondes connues sont loin de remplir ces conditions. La demande de brevet FR 77 14400 décrit une cellule de mesure permettant de déterminer la concentration en oxygène dans un mélange gazeux. Une plaquette 10 de forme tronconique est agencée en contact direct avec une enveloppe métallique et un manchon d'alumine. Cette cellule de mesure ne saurait fonctionner de façon satisfaisante, étant donné que les surfaces de contact entre la plaquette, d'une part, et l'enveloppe métalli15 que et le manchon d'alumine, d'autre part, ne peuvent pas assurer l'étanchéité requise. En effet, les dilatations différentes des parties mentionnées ci- dessus doivm-e u%-dme rnfix Eït. à la fn cie futes-c uiL- radait la oellule en qu inm;ls - Avec un:t fétaUiOe An pr e aumsi un oart-cirât 20 Le brevet US 4 339 318 concerne également un dispositif pour l'analyse d'un gaz contenant de l'oxygène. La plaquette en forme de disque cylindrique est agencée dans une épaule formant la transition entre deux alésages cylindriques de diamètre différent. L'étanchéi25 té requise ne peut apparemment être assurée que par l'utilisation d'un matériau collant; en outre, la plaquette n'est pas interchangeable. Le brevet US 3 616 407 montre un appareil pour la détermination de la teneur en oxygène de métaux à 30 l'état liquide. On y propose un électrolyte sphérique agencé dans un siège sphérique formé dans la partie frontale d'un tube. L'électrolyte sphérique, qui doit évidemment être monté à l'état malléable avant la cuisson de la céramique,n'est pas interchangeable et son 35 siège présentera des fuites de gaz, provoquées par différence des dilatations thermiques du tube et de l'électrolyte. De plus, le dispositif décrit ne peut pas se prêter à la mesure de la pression partielle de l'oxygène dans une atmosphère gazeuse. L'invention a pour but de faciliter l'échange de l'organe de réaction, tout en assurant une bonne 5 étanchéité sans l'emploi d'un joint ou d'un matériau de solidarisation. Ce but est atteint grâce à une sonde telle que définie précédemment qui, selon l'invention, se caractérise en ce que l'organe de réaction est disposé 10 entre, d'une part, une butée intérieure (5, 5a) de ladite électrode de mesure, qui est constituée par un fourreau tubulaire en acier réfractaire raccordé de façon amovible au boitier (28) et renfermant l'organe de réaction (1), et, d'autre part, un support tubulaire en 15 céramique dont le siège (2) est pressé, sous l'effet d'une force élastique constante (8), directement contre ladite partie sphérique ou conique de l'organe de réaction. Le dessin annexé représente, & titre 20 d'exemple, une forme d'exécution de la sonde et plusieurs variantes La figure 1 est une vue en coupe axiale, avec arrachement, d'une forme d'exécution de la sonde La figure 2 est une vue en coupe selon II-II 25 de la figure 1; et Les figures 3, 4 et 5 représentent des variantes de la tête de mesure. Les figures 1 et 2 représentent une sonde pour la mesure continue de la pression partielle d'oxygène 30 dans une atmosphère gazeuse par rapport à l'air choisi comme atmosphère de référence. Elle comprend un organe de réaction 1 sous la forme d'une bille en électrolyte solide constitué par de l'oxyde de zirconium fritté et 35 stabilisé. Cette bille repose sur le siège étanche 2 d'un support en céramique 3. Un fourreau 4 en acier réfractaire, agissant comme électrode extérieure, - 5 présente une saillie intérieure 5 formant butée tandis que l'autre extrémité du support 3 est solidaire d'une rondelle 6 coopérant avec une membrane 7 étanche à l'air et un ressort 8. Cette disposition permet le maintient en place de la bille 1 avec les pressions requises entre celle-ci d'une part et le siège 2 et la butée 5 d'autre part. Une tige 9, intérieure au support 3 et constituant une électrode intérieure, porte une rondelle 10 coopérant avec un ressort 11, l'autre extrémité de la tige 9 appuyant un 10 patin de contact 12 contre la bille 1. L'ensemble formé par la bille 1, le siège 2, la butée 5 et le patin 12 constitue la tête de mesure. L'extrémité du fourreau 4 présente des orifices 15 13 pour le passage du gaz à mesurer 14. On remarque sur la figure 1 que la surface de contact entre la bille 1 et le siège étanche2 du support 3 ne comprend aucun joint d'étanchéite. Comme on le voit le mieux à la figure 2, la tige intérieure 9 présente une chambre 15 dans laquelle est logé un thermoélément 16 relié à deux bornes correspondantes d'un connecteur 17 par deux fils 18, 19 traversant longitudinalement la tige 9, le long de deux canaux correspondant 20, 21. La tige intérieure 9 présente deux autres canaux longitudinaux 22, 23. Dans le canal 22 passe un fil 24 reliant le patin 12 au connecteur 17. Le canal 23 permet l'amenge d'air de référence qui vient balayer la face inférieure de la bille 1, s'échappe entre la tige intérieure 9 et le support 3 puis par un orifice de la rondelle 6 et un orifice 26 d'un bottier qui sera 30 décrit plus loin. L'extrémité du fourreau 4 renfermant la tête de la sonde, est destinée à être engagée dans l'enceinte de mesure d'un four de traitement thermique par exemple, dont on veut mesurer l'atmosphère, le fourreau pénétrant dans cette enceinte, à travers une paroi 27. -6 La sonde comprend également un bottier étanche 28 composé d'une enveloppe 29 portant une collerette 30 dans laquelle se visse le fourreau 4 et dun couvercle amovible 29'. La membrane étanche 7 déjà mentionnée est serrée entre deux bagues 31 et 32 tandis qu'une seconde membrane étanche 34 est serrée entre la bague 32 et un méplat 35 que présente l'intérieur de l'enveloppe 29 du boîtier. OuSre qu'il porte le connecteur 17 déjà mentionné, le couvercle 29' présente une entrée 36 pour l'air de réfé10 rence, laquelle entrée communique avec un débitmétre 37 ménagé dans la bague 31, lequel comprend un flotteur 38 et une vis à pointeau 39 de préréglage du débit. Cet air de référence pénètre dans l'enceinte délimitée sous la membrane 7, par un orifice 40 du débitmètre, pour suivre 15 le trajet décrit plus haut et qui se termine dans l'enceinte délimitée entre les deux membranes 7 et 34 et l'orifice 26 pratiqué dans la bague 32 et l'enveloppe 29. Cette dernière présente un orifice 41 coopérant avec une entrée d'air supjlémentaire représentée schématiquement en 42 et commandée par une vanne magnétique 43, ceci pour purger et brûler sporadiquement les éventuelles impuretés contenues dans la tête de mesure. L'enveloppe 29 présente également un orifice de sortie 44 coopérant avec une sortie représentée schématiquement en 45 et commandée par une vanne 46, ceci pour prélever des échantillons des gaz de traitement et les analyser. Le connecteur 17 est destiné à être relié directement à un appareil électronique de contrôle ou 30 de régulation non représenté. A cet effet il comprend quatre broches 47, 48, 49, 50 dont les deux premières sont reliées respectivement aux fils 18, 19 du thermocouple 16, la broche 49 au fil 24.polarisé négativement de l'électrode intérieure 9 et la broche positive 50 au - 7 bottier 28. Le fonctionnement de la sonde est le suivant: La tension développée par le thermocouple 16 aux bornes 47, 48 représente en millivolts la température du gaz 14 à mesurer. La tension développée entre les bornes 49 et 50, c'est-à-dire entre les électrodesextérieure et intérieure en contact direct avec l'organe de réaction 1, représente en millivolts la concentration d'oxygène selon l'équation de Nernst et en rapport direct avec le potentiel carbone, ceci pour la régulation des atmosphères de 10 traitements thermiques. L'expérience nous a montré que la précision de mesure obtenue par la sonde ci-dessus est supérieure à celle obtenue par les sondes conventionelles. Pour l'entretien ou l'échange de l'organe de réaction 1 il suffit de dévisser le fourreau 4 du boîtier 28, grâce au filetage non représenté et prévu dans la collerette 3o, et de retirer cet organe de réaction du support 3 pour mettre à nu l'ensemble de la tête de mesure. L'accessibilité et l'entretien s'en trouvent 20 simplifiés. La variante représentée à la figure 3, o les indices de référence déjà utilisés représentent des organes identiques à ceux de la forme d'exécution décrite ci-dessus, comprend un tube métallique 51 comme électrode intérieure et rempli de magnésie 52 et venant appuyer élastiquement, par son extrémité supérieure arrondie, contre la bille 1. Ce tube 51 renferme un thermoélément 53 relié par deux fils aux broches 47, 48 d'un connecteur non repré30 senté dans cette figure 3, mais identique à celui 17 de la figure 1, lequel thermoélément joue le même rôle que précédemment. Le tube métallique 51 est relié à la borne 49. -8 Ce tube 51 est logé concentriquement dans un tube 54 en ménageant entre les deux un passage 55 pour l'amenée de l'air de référence 56 contre la bille. La figure 4 représente une variante 5a de la butée 5 du fourreau 4 qui améliore le contact électrique entre ce dernier et l'organe de réaction 1. La figure 5 représente deux variantes possibles 1O la, lb, de l'organe de réaction 1 ainsi que les variantes correspondantes 3a, 3b, du support 3. Selon une autre variante les deux bouts du support tubulaire 3 peuvent être pourvus de siè,zes sphériques 15 2 (Fig. 1), de sorte que le support tubulaire 3, une fois endommagé ou usé, peut être inversé et présente donc une durée de vie remarquable. -9 R e v e n d i c at i o n s 1. Sonde pour la mesure de la pression partielle de l'oxygène dans une atmosphère gazeuse par rapport à une atmosphère de référence, comprenant un boîtier (28), 10 un organe de réaction en électrolyte solide (1) monté dans une tête de mesure à une extrémité de la sonde, un support tubulaire (3) qui porte cet organe et sépare l'atmosphère gazeuse de l'atmosphère de référence, une électrode de mesure (4, 5) en contact avec l'organe de réaction (1) dans la zone de celui-ci qui est balayée par l'atmosphère gazeuse et une électrode intérieure (12) en contact avec l'organe de réaction (1) dans la zone de celui-ci qui est balayée par l'atmosphère de référence, l'organe de réaction ayant une surface de 20 révolution autour d'un axe, dont au moins une partie est sphérique ou conique, caracterisée en ce quq4'organe de réaction est disposé entre, d'une part, une butée intérieure (5, 5a) de ladite électrode de mesure, qui est constituée par un fourreau tubulaire en acier réfrac25 taire raccordé de façon amovible au boîtier (28) et renfermant l'organe de réaction (1), etd'autre part, un support tubulaire en céramique dont le siège (2) est pressé, sous l'effet d'une force élastique constante (8), directement contre ladite partie sphérique ou conique 30 de l'organe de réaction. 2. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'organe de réaction est constitué par une bille (1) appuyant contre un bord terminal creux ou partielle35 ment spheérique (2) du support (3). 3. Sonde selon la revendication 1,caractérisée en ce que l'organe de réaction (1b) est de forme tronconique et appuye contre un bord terminal tronconique correspondant du support (3). 4. Sonde selon la revendication 1,caractérisée en ce que l'organe de réaction a la forme d'un corps de rotation et appuie contre un bord terminal correspondant du support (3) . 5. Sonde selon l'une quelconque des revendica10 tions 1 & 3 et selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'organe de réaction (1), par l'entremise dudit fourreau (4), est sollicité élastiquement contre une saillie intérieure (5) tenue d'une pièce avec le fourreau, l'électrode intérieure comprenant une tige (9) 15 logée dans le support tubulaire (3) et un patin conducteur (12) sollicité élastiquement contre l'organe de réaction (1) par une extrémité de la tige (9), la butée (5) et le patin (12) étant situés sur ledit axe, à l'opposé l'un de l'autre. 6. Sonde selon la revendication 5,caractérisée en ce que ladite butée (5a) est percée axialement de façon à former sur celle-ci un bord de contact circulaire avec l'organe de réaction. 7. Sonde selon la revendication 6, caractérisé 25 en ce qu'un espace délimité entre le fourreau (4) et le support tubulaire (3) est fermé, à l'extrémité opposée à l'organe de réaction (1), par une membrane (34) tandis que le fourreau présente des orifices (13) au niveau de l'organe de réaction (1) pour permettre le passage du 30 gaz à mesurer dans la zone de contact de l'organe de réaction (1) avec la butée (5). - Il 8. Sonde selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend un thermoélément (16) de mesure de la température de l'organe de réaction. 9. Sonde selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'électrode intérieure comprend un tube métallique (51) rempli de magnésie (52) et renfermant un thermoélément (53) dans l'extrémité fermée de ce tube qui est sollicitée élastiquement contre l'organe 10 de réaction. 10. Sonde selon la revendication 8, caractérisée en ce que ladite tige (9) de l'électrode intérieure est percée longitudinalement de plusieurs canaux 15 longitudinaux servant au passage de fils de connexion dudit thermoélément et dudit patin ainsi qu'à l'amenée d'un flux d'air de référence qui vient balayer l'organe de réaction dans la région dudit patin, cet air étant introduit par un débitmétre (37) assurant la constance 20 de débit et évacué par un passage délimité entre ledit support (3) et ladite tige (9). l1. Sonde selon l'une des revendications 1 à lO, caractérisée en ce que les deux extrémités du support tubu25 laire (3) sont pourvues de sièges sphériques (2), de sorte que le support tubulaire (3), une fois endommagé ou usé, peut être inversé.