Brevet FR2642170A1 — publié le 19900727

"Sonde d'analyse de fumées régénérable, en particulier pour la détermination de la valeur résiduelle de l'oxygène" L'inver.tion concerne une sonde d'analyse de fumées à base d'électrolyte solide, de préférence pour la détermination de la valeur résiduelle de 02 dans- des fumées dans le régime des températures élevées. On sait que les sondes d'analyse de fumées pour le service in situ dans le régime des iD temperatures élevées sont soumises à des attaques corrosives chimiques et thermiques extrêmement élevées de l'atmosphère des gaz de rejet. Par suite d'un petit nombre seulement de matériaux appropriés à l'application au régime des températures élevées, de solutions disponibles connues, par exemple pour les joints ou les liaisons démontables, provenant du régime des températures fiables, ne sont pas applicables au présent champ d'utilisation. Les problèmes de telles sondes résident dans la séparation de deux espaces gazeux voisins, séparés par un électrolyte solide, dans la suppression de condensations en provenance du gaz de rejet- se manifestant au niveau du détecteur et des électrodes, dans l'assemblage d'électrodes au niveau du détecteur, dans la stabilité mécanique de la sonde, dans les incompatibilités de matières dans le sens eutectique à bas point de fusion, dans le vieillissement du détecteur ainsi que dans l'exclusion de types de matières comme points faibles en ce qui concerne la résistance à températures élevées. Pour séparer les espaces gazeux, des détecteurs particulièrement longs ont déjà été proposés et réalisés. On résout dans ces cas-là le problème de l'étanchéité en vue de la séparation des espaces gazeux en le situant au niveau des températures basses. De tels détecteurs de surlongueur sont extrê.emement coûteux et donc peu praticables. D'autre part ont été proposés aussi des détecteurs courts, à dépenses réduites avantageusement comune par exemple dans le cas du document DE-OS 3 709 196 o ia liaison étanche au gaz avec le système des tubes de raccordement a été réalisée par l'utilisation de mortier et de colle. Dans ces solutions, il persiste, au niveau de l'étanchéité, des problèmes de fiabilité, de fissuration consécutive aux variations de température, de formation de masses eutectiques et de stabilité mécanique insuffisante. En même temps, la fabrication de tels détecteurs demande une haute précision en matière de technique de fabrication. D'autres méthodes connues telles que le soudage et le brasage à l'aide de verre de-brasage et analogue présentent ces risques et demandent des dépenses techniques allant croissantes. La même constatation est valable à l'application de matrices en platine comme fixation d'étanchéité. Avec le document DD-PS G 01 N/289 861 on connaît un autre joint concernant les gaz, qui déplace le problème de l'étanchéité d'une façon et en partie également au régime des températures basses. -Cette solution prévoit cependant des matériaux d'étanchéité par frittage ce qui compromet les matériaux céramiques à proximité du joint. Dans le cas de ces dispositions, de même que dans le cas d'une liaison résistant à des températures élevées de détecteurs céramiques à électrolyte solide avec un système de tubes de raccordement aux gaz suivant DD-PS 248 881, la liaison entre le détecteur et le tube de raccordement est inamovible et, par conséquent, ne permet pas la régénération de la sonde. Plusieurs solutions ont été proposées en vue de la suppression de la condensation et de la sublimation de vapeur en provenant des gaz de rejet qui ont un effet destructif et desserrent les contacts surtout au niveau du détecteur et des électrodes. On abandonne la situation de mesure in situ avantageuse et favorisée par la méthode d'analyse sensorielle pour la remplacer par une mesure s'effectuant à l'extérieur du four au moyen de sondes coûteuses chauffées le plus souvent par réglage et avec prise d'échantillon préjudiciable et sensible aux perturbations. Ceci constitue dans l'ensemb:e un recul technique. Par ailleurs, il a été proposé de mettre en place des filtres à gaz autour du détecteur suivant le document DD-PS 260 419, par exemple les filtres à gaz eux-mêmes sont particulièrement menacés par la condensation et se bouchent facilement. Ils constituent souvent un point faible de la résistance aux températures ou de la compatibilité des matériaux. En plus, même si le filtre est intact, il y a formation de condensats sur le détecteur o, le cas échéant, ils sont même retenus. L'installation en retrait des détecteurs ne résout pas non plus le problème étant donné que c'est uniquement le type des condensats qui varie en fonction de la température de condensation au niveau du détecteur. Souvent est pratiquée aussi l'installation suspendue de sondes in situ favorisant l'écoulement des condensats et supprimant de ce fait des détériorations prématurées par suite de condensation. Les traînées de condensation aboutissent cependant à la longue à une usure majeure du détecteur par les condensats. Il a été proposé en outre, dans le cas de DD-PS 252 243, d'utiliser un tube porteur et protecteur extérieur qui impose au gaz de fumée sur le chemin vers le détecteur au sein de la sonde et du trou de mesure un temps de température du type chaud- froid-chaud supprimant ainsi la condensation sur le détecteur chaud ainsi qu'à sa proximité. Cette solution offre en effet dans ce sens-là une protection efficace du détecteur et des électrodes et constitue donc un progrès pour ces éléments, mais elle entraîne une plus forte usure du tube extérieur de condensation porteur o se manifestent des incrustations et des fusions. Les éléments intérieurs de la sonde eux- mêmes non atteints ne se laissent pas délier et récupérer du tube protecteur et porteur extérieur qui se déforme et se vitrifie déjà au bout d'un court fonctionnement et qui peut être bloqué avec les éléments intérieurs de la sonde, de sorte que l'effet de protection obtenu pour le détecteur et les électrodes ne peut pas être transformé en une vie utile essentiellement plus longue de la sonde. De nombreuses propositions ont été présentées au sujet de l'assemblage d'électrode fiable. Dans la plupart des cas, une bonne fiabilité de contact, une grande surface de contact ou un nombre élevé de points de contact ont été obtenus par une dépense de matériaux accrus tels que le platine. Le 264-2170 but visé était des contacts fixe. La solution technique suivant le document DD-PS 260 420 constitue un progrès net quant à la sécurité des contacts et la réduction des dépenses par l'introduction d'une électrode poudre conductrice soit, d'ions ou d'électrons soit, d'un mélange. Cette invention prévoit pour la disposition de telles électrodes dans une gaine, un espace gazeux étanche par une matière de remplissage isolant électriquement, mais à enveloppe extérieur perméable au gaz et poreux, tel qu'un filtre. Des liaison amovibles pour le groupe détecteur ne sont cependant pas possibles. Un autre avantage paraît être l'assemblage d'électrode par pression de ressort depuis la partie froide de la sonde. Celui-ci demande des détecteurs longs et coûteux ou bien des liaisons très fiables, pouvant être soumises à des charges mécaniques, étanches au gaz et résistantes aux températures élevées. Les inconvénients que comportent de telles solutions sont les suivants: la liaison ou la butée ou en combinaison avec des détecteurs longs, cette dernière seulement, sont soumises en permanence à une pression de ressort relativement forte et l'effet de la pression dans le régime des températures élevées est également critique. De divers supports de contact ont fait leurs preuves dans la pratique. Parmi eux figurent des couches solides conductrices d'électrons disposées sur le détecteur conducteur d'ions qui favorisent le contact avec l'électrode de décharge conductrice d'électrons. Suivant l'état actuel connu, ce contact est exécuté d'une manière durable et fixe. Il s'agit d'autre part d'un recouvrement du détecteur en noir de platine, de platine glacé ou de couches massives ou à dépôts pour crépitement, ainsi que de la réduction de la résistance de la perte de tension au passage grâce à des filets de cuivre, des toronnages, des anneaux céramiques et autres. Ces mesures vont à l'encontre de la régénération de la sonde. Ceci concerne également la disposition des électrodes en poudre citée. On a connaissance de plusieurs solutions individuelles pour obtenir une bonne stabilité mécanique. A cet égard, la suspension de la sonde a fait ses preuves. Des incompatibilités de matériaux telles que des matériaux eutectiques à bas point de fusion aux surfaces de contact sont évitées grâce à la connaissance de la caractéristique du liquide correspondante et grâce à la limitation générale à peu de types de matériau. Le vieillissement du détecteur est fonction - abstraction faite des influences exercées par les gaz de rejet des fluides de référence, au niveau de la qualité et de la quantité, et du matériau du détecteur, notamment des stabilités. Etant donné les valeurs cptimales connues, il ne satisfait pas aux exigences allant croissant de la pratique et restera pour longtemps un point faible des sondes à électrolyte solide. But de l'invention: Le but de l'invention est une sonde d'analyse de fumées régénérable à base d'électrolyte solide, de préférence pour la détermination de la valeur résiduelle de O_ dans des-fumées en service in situ pour le régime des températures élevées et qui permet d'obtenir de longues périodes de fonctionnement et qui réduit les dépenses techniques pour le service permanenrt de points de mesure d'analyse correspondants. Le but de l'invention est d'autre part que la sonde met une régénération à faibles dépenses, nécessitant ni des connaissances spéciales ni un outillage spécial. Présentation de la nature de l'invention: L'invention est à la base de la tâche consistant à mettre au point une sonde d'analyse de fumées régénérable en service in situ, à base d'électrolyte solide, destinée au régime de température élevées, permettant de surmonter la pratique actuelle du remplacement complet forcé de sondes détériorées ou endommagées malgré les pièces principales intactes en soi de sondes d'analyse de fumées du type in situ et d'éviter le gaspillage insoutenable de matières et de dépenses en résultant. Selon l'invention, la tâche est résolue en composant une sonde d'analyse de fumées type in situ et à base d'électrolyte solide des groupes fonctionnels comme corps de base de la sonde, tube de protection contre la condensation et tube détecteur céramique fermé unilatéralement lesquels sont détachables à des limites définies. Le corps de base de la sonde groupant tous les élénents porteurs nécessaires, les éléments de fonctionnement à,froid ainsi que les éléments à températures élevées les plus coûteux, y compris les électrodes primaires. Le tube de protection contre la condensation constitue un élément sacrificiel alors- que le tube détecteur céramique unilatéralement fermé et comprenant deux électrodes poudre agit comme pièce d'usure. Entre les groupes fonctionnels sont disposés des éléments de liaison détachables. Un tel élément disposé entre le corps de base de la sonde et le tube de protection contre la condensation est constitué par des sections polies de segment en biais avec arèt'es d'arrêt sur le tube de protection contre la condensation fermé unilatéralement à proximité du bout de tube ouvert ainsi que par une butée à ressort de blocage avec sécurité avec chapeau et vis de serrage sur la tige métallique de la sonde. La butée à ressort de blocage se présente sous forme d'une éclisse de secteur de nappe d'une tige de maintien métallique extérieurs, verrouillée en position d'arrêt contre une bosse du ressort de blocage à l'aide d'une sécurité sous forme de chapeau cylindrique. Le tige de maintien présente une douille filetée coulissante intérieure en tant que butée pour le tube céramique de protection contre la condensation. Une liaison détachable disposée entre les groupes fonctionnels du corps de base de la sonde et Le tube détecteur fermé d'un côté se compose des éiéments connus en sol du tube porteur enveloppe, tube coulissant affleurant sur la face et des tubes capillaires en disposition connue à tube coulissant en retrait, et butée céramique sous forme d'un tube fermé d'un côté à fixation à queue d'aronde, logée sur le tube porteur intérieur. Le bout ouvert du détecteur est d'ailleurs placé directement sur le tube coulIssant, sans matériau d'étanchéité. Selon l'invention, les faces opposées du tube coulissant et du tube détecteur présentant une coupe polie du type cuvette rotule ainsi que deux fentes étroites pour le flux de gaz, situées aux surfaces latérales intérieures et extérieures des premières et qui débouchent dans les tubes porteur et coulissant. Une pompe aspirante est liée à ces espaces gazeux. Les éléments du tube coulissant et des tubes capillaires du groupe fonctionnels du corps de base sont supportés pour la position connectée de service et la position déconnectée de montage à l'aide de deux tubes filetés de réglage intercalés, disposés sur la tête de sonde et réglables de l'extérieur. La sonde d'analyse de fumées proposée est équipée d'électrodes intérieures et extérieures de détecteur connues en soi. Selon l'invention, et sont complétées chacune par une électrode poudre supplémentaire en tant que pièce d'usure amovible. Celles-ci sont positionnées par des espaces libres étroits entre la butée de détecteur ou les tubes capillaires et le-détecteur. La disposition selon l'invention des groupes fonctionnels assure la fixation du tube protecteur contre la condensation et du groupe de pièces d'usure y compris la butée sur le corps de base de la sonde sans qu'il y ait entre eux des contacts. D'autres avantages de l'invention sont caractérisés en ce que deux tubes filetés de réglage intercalés vissés dans la tête de la sonde en vue du réglage de la pression d'appui d'électrode et de la suppression d'adhérence dans le cas de mesures de régénération, sont disposés par effort de pression aux extrémités de tube, orientées vers la tête de la sonde, des éléments tube de protection et tube capillaire; des électrodes intérieures et extérieures de détecteur connues en soi ainsi que deux électrodes poudre supplémentaires complétant les premières en tant que pièces d'usure amovibles sont fixées dans espaces libres étroits entre détecteur et butée de détecteur de même qu'entre tube capillaire et détecteur du fait que les largeurs de fente sont - dimensionnées plus petites que les grosseurs de grains moyens; le tube de protection contre la condensation et le tube détecteur y compris le chapeau de la butée du détecteur sont disposés chacun sur le corps de base de la sonde sans contact entre eux. L'invention est expliquée ci-dessous à l'aide d'un exemple de réalisation, et des dessins dans lesquels: - la figure 1 montre le groupe fonctionnel tube détecteur céramique unilatéralement fermé, - la figure 2 montre le groupe fonctionnel tube de protection contre la condensation, - la figure 3 montre le groupe fonctionnel corps de base de la sonde (partie chaude), - la figure 4 montre la partie froide du corps de base de la sonde, la tête de sonde. L'exemple de réalisation est une sonde d'analyse de fumées à base d'électrolyte solide, destinée à être mise en place sur un four de fusion de verre, à proximité de la sortie des gaz de rejet du four, à des températures de fumées maximum légèrement supérieures à 1600 C. A noter l'importante émission de composants de gaz d'échappement capables de condenser qui caractérise le présent cas d'application. La sonde se compose des trois ensembles, tube détecteur 1, tube de protection contre la condensatior. 4 et corps de base 8 de la sonde. L'ensemble tube détecteur qui est un ensemble d'usure se compose d'un tube en oxyde de zircon à stabilisation d'yttrium et unilatéralement fermé et du tube détecteur dégrossi à la meule au bout ouvert comme rotule d'une liaison type rotule cuvette. La composition des électrodes en poudre supplémentaires 2 est identique à celle du tube à électrolyte solide. Grossièrement classées, elles sont versées dans le tube détecteur d'une part et dans le chapeau de la butée de détecteur 3 d'autre part. Le tube de protection contre la- condensation 4, conçu comme élément sacrificiel, est constitué par un tube corindon de frittage fermé unilatéralement et à ouverture d'entrée de gaz 5 située en direction chaud- froid nettement en aval du tube détecteur, lequel présente en outre du côté ouvert, trois sections polies de segment en biais 6 avec arête d'arrêt qui constituent une butée céramique. La liaison entre l'élément sacrificiel tube de protection contre.la condensation 4 et le corps de base de la sonde 8 se fait au moyen de trois éclisses de secteur de nappe cintrée axialement en dedans 9 de la tige de maintien métallique extérieure 10 du corps de base, lesquelles sont dirigées à la base d'une matière élastique contre la butée. Les éclisses présentent chacune au milieu, en dehors, une bosse 11 en tant que point de verrouillage de la sécurité du chapeau 12. Dans l'exemple, le tube coulissant d'étanchéité 13 proprement dit sert de sécurité. L'effet de protection ou de poussée du tube céramique de protection contre la condensation orienté vers la butée se réalise à l'aide d'une douille filetée coulissante 14 disposée dans la tige de maintien 10. Dans l'exemple, celui-ci est constitué par le bout chaud du tube porteur extérieur de la sonde 15. Dans l'exemple de réalisation les éléments (figures 3 et 4) sont réalisés en tubes corindon de frittage, à l'exception du tube détecteur 1. En vue de la fixation du détecteur par rapport au tube porteur intérieur entourant 17, le tube coulissant 16 se trouve réduit-au montant du diamètre extérieur du tube détecteur. Le tube capillaire intérieur 18 reçoit la décharge de l'électrode primaire intérieure et rentré dans le tube détecteur 1. En position de service, la fixation du tube détecteur est assurée axialement par la coupe polie du type cuvette à rotule à l'embase du tube détecteur 1 d'une part et par une adaptation convexe concave au bout fermé du tube détecteur avec le chapeau de la butée du détecteur 3, o se trouve encastrée l'électrode extérieure primaire 20, d'autre part ainsi que par la pression amenée par l'intermédiaire du raccord vissé depuis le bout froid de la sonde, grâce à la disposition d'un tube fileté de réglage extérieur 21. Le tube fileté de réglage intérieur 22 permet le retour du tube capillaire en position de montage. La position de ltinstallaz:on de la sonde est suspendue. La largeur de fente des espaces libres prévus entre les éléments pour la fixation des électrodes poudre supplémentaire 2 sont approximativement égales à la taille de tamisage inférieure de la poudre. Afin d'éviter -es mélanges de gaz à l'intérieur des deux espaces gazeux autour et à l'intérieur du tube détecteur et en rapport avec la liaison non étanche au gaz existant enzre les tubes détecteur et coulissant 1, 13, la disposition d'une pompe à disque en nutation non représentée sert de pompe aspirante aux espaces gazeux dans le tube porteur intérieur 17 et le tube coulissant 16. Dans l'exemple de réalisation la disposition de l'élément sacrificiel du tube de prczection contre la condensation 4 en vue du posi:_onnement sans contact par rapport aux pièces d'usure et. au chapeau de la butée du détecteur 3, grâce à un dimensionnement du tube de protection contre la condensation par rapport au chapeau de la butée -du détecteur a été réalisée de telle manière, que l'écartement de tube libre restant dépasse nettement -a somme des tolérances de fabrication des deux élénents céramiques ainsi que la somme de l'écart de l'axe du tube porteur et du tube de protection contre la condensation. Dans l'exemple, l'écart d'axe du tube de prctection contre la condensation dû principalement au support entre les groupes fonctionnels du corps de base de la sonde 8 et du tube de protection contre la condensation 4, apparaît comme le plus grand terme de la tolérance totale. Dans l'exemple il fallait assurer que celui- ci ne permettrait pas un écart supérieur à 0,3' entre le tube de protection contre la condensation et l'axe, de sorte que dans l'exemple, la réalisation du support du tube de protection contre la condensation comme fixation en trois points s'est montrée être utile. Etat des références utilisées 1 Tube détecteur 2 Electrodes en poudre supplémentaires 3 Chapeau de butée du détecteur 4 Tube de protection contre la condensation Ouverture d'entrée du gaz 6 Sections polies de segment en biais 7 Arète de blocage 8 Corps de base de la sonde 9 Eclisses de secteur de l'enveloppe Tige de maintien 11 Bcsse sur éclisse 9 12 Sécurité chapeau 13 Tube coulissant d'étanchéité 14 Dcuille filetée coulissante Tube porteur de la sonde extérieur 16 Tube coulissant 17 Tube porteur intérieur 18 Tube capillaire 19 Electrode primaire intérieure Electrode primaire extérieure 21 Tube fileté de réglage extérieur 22 Tube fileté de réglage intérieur R E V E N D I CATIONS 1- Sonde d'analyse de fumées régénérable à base d'électrolyte solide, de préférence pour la détermination de la valeur résiduelle de 02 dans des fumées dans le régime des températures élevées, caractérisée en ce que la sonde se compose de groupes fonctionnels détachables d'une manière non destructive sur des limites définies, à savoir le corps de base de la sonde (8), le tube de protection contre la condensation (4) fonctionnant comme élément sacrificiei, le tube détecteur (1) fermé unilatéralement, le corps de base de la sonde comprenant tous les éléments porteurs, les pièces de fonctionnement à froid et les éléments à température élevée les plus coûteux y compris les électrodes primaires (19), (20), le tube détecteur (1) y compris deux électrodes poudres supplémentaires (2) étant conçu comme pièce d'usure. 2- Sonde d'analyse de fumées régénérable, selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'il existe entre le corps de base de la sonde (8) et le tube de protection contre la condensation (4) une liaison détachable constituée par des sections polies de segment en biais (6) avec arêtes d'arrêt sur le tube de protection contre la condensation, fermé unilatéralement et à proximité du bout ouvert de celui-ci ainsi que par des butées intérieures et contre les arètes d'arrêt sous forme d'éclisses de secteur de nappe cintrée axialement (9) de la tige de maintien métallique extérieure (10), lesquelles de leur côté sont verrouillées chacune contre des bosses (11) en position d'arrêt à l'aide d'une sécurité sous forme de chapeau cylindrique (12), la tige de maintien étant pourvue d'une douille filetée coulissante intérie' re (14) en tant que butée pour l'extrémité du tube céramique de protection contre la condensation. 3- Sonde d'analyse de fumées régénérable, selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'il existe une liaison détachable entre le groupe fonctionnel du corps de base de la sonde (8) et le tube détecteur céramique fermé d'un côté (1) se composant des pièces connues en soi, à savoir tube porteur intérieur enveloppe (17), tube coulissant (16) affleurant sur la face et tube capillaire intérieur (18) en disposition connue, mais avec un tube coulissant en retrait et butée céramique sous forme de tube fermé d'un côté et avec fixation à queue d'aronde logée sur le tube porteur intérieur, caractérisée en ce que les faces opposées du tube coulissant (16) et du tube détecteur (1) présentent une coupe polie du type cuvette rotule ainsi que deux fentes étroites pour le flux de gaz situées aux surfaces latérales intérieures et extérieures des premières et qui débouchent dans les tubes porteur et coulissant, ces espaces gazeux étant liés à une pompe aspirante. 4- Sonde d'analyse de fumées régénérable, selon les revendications 1 et 3, caractérisée en ce que deux tubes filetés de réglage intercalés, vissés dans la tête de la sonde er. vue du réglage de la pression d'appui d'électrode et de la suppression d'adhérence dans le cas de mesures de régénération, sont disposés par effort de pression aux extrémités de tube, orientées vers la tête de la sonde, des éléments tube de protection (16) et tube capillaire (18). 5- Sonde d'analyse de fumées régénérable selon les revendications 1 et '3, caractérisée en ce que des électrodes intérieures et extérieures de détecteur (19, 20) connues en soi ainsi que deux électrodes poudre supplémentaires (2) complétant les premières en tant que pièces d'usure amovibles sont fixées dans espaces libres étroits entre détecteur et butée de détecteur de même qu'entre tube capillaire et détecteur du fait que les largeurs de fente sont dimensionnées plus petites que les grosseurs de grains moyens. 6Sonde d'analyse de fumées régénérable, selon les revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le tube de protection contre la condensation (4) et la tube détecteur (1) y compris le chapeau de la butée du détecteur (3) sont disposés chacun sur le corps de base de La sonde (8) sans contact entre eux.