专利名称：苛刻环境中的氧传感器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及氧传感器，特别涉及用于苛刻环境中的一种新型而有用的传感器。
美国专利Mo.5，037，761(“761专利”)描述了在工业生产过程分析仪里检测氧的一种自动化氧传感器的应用。
天然气燃烧过程中测量氧气浓度的氧传感器的应用已为人知。将这样的传感器用于煤或其它不纯燃料的燃烧过程时，因SO2、NOx及其它燃烧副产物而产生测量精度误差。SO2、NOx及其它燃烧副产物会污染氧传感器的敏感元件，导致刻度偏移、量程减小(多达35%)和其它问题。
为尽可能减少上述问题，可行的做法是提高传感器的工作温度，升高传感器工作温度的方法之一是增加传感器内加热器的电压。电压升高，虽可使上述问题极大地减少，但会严重缩短加热器的使用寿命，因此，采用既能提高传感器的工作温度，又不缩短加热器寿命的方法来改进氧传感器，才是令人满意的。
反按以前工艺方法制作的氧传感器，用在工业生产过程分析仪里时，若该生产过程易燃，则会产生不希望有的反闪回火，所以，氧传感器的改进，除考虑提高其工作温度而不损害其加热器的寿命外，还应使之具有反闪捕捉功能，以防止反闪回火。
根据本发明，自动化氧传感器的改进是弃其较厚的保护屏罩，代之以极薄的保护屏罩。此薄屏罩带有设定数量小孔，以控制气体进入传感器的扩散速度;在薄屏罩里面填装一定重量和密度的陶瓷保温材料，以提高传感器外表面的温度，薄屏罩有利于维持由传感器内的加热器提供的热量，从而有助于提高传感器外表面的工作温度。
我们已发现，上述改进能有效地防止传感器刻度偏移(偏离)，同时保持其较宽的量程和较长使用寿命。这些改进使传感器的输出稳定，并减少了由SO2、NOx及其它燃烧副产物引起的误差。我们相信，这些改进还能起到反闪捕捉器的功能，在易燃生产过程中防止反闪回火。
因此，本发明的一个目的是提供一种工业生产中气体氧含量分析仪，此分析仪由一个在分析腔里装有敏感元件的自动化氧传感器组成，自动化氧传感器配有敏感元件及电加热装置。改进包括保温或不保温的多孔薄壁屏罩，它构成氧传感器部件的外壁;与上述薄壁屏罩内壁有间隔，并与自动化氧传感器相连的敏感元件，从而避免了在工业生产中由SO2、NOx及其它燃烧副产物引起的刻度偏移。改进还包括在上述薄屏罩内及敏感元件周围设置保温材料。
本发明的另一目的是实现了对氧传感器的替换改进，即应用任何具有或不具有保温多孔材料如陶瓷，使敏感元件得以保护，从而避免了刻度偏移。
表征本发明新颖性的各种特点详述于后附的权利要求中，并形成本发明说明的一部分。为更好地理解本发明及其使用优点，以及通过应用获得的特殊功效，下面给出供理解参考的示意图及体现本发明特色的附加说明。
图1是一个与配套电源相连的自动化氧传感器在工业生产中进行气体里含氧量分析的应用示意图。
图2是自动化氧传感器局部剖视的侧视图。
图3是本发明中的敏感部件的薄壁屏罩切去一部分的俯视图。
图4是切去一部分的薄壁屏罩的侧视图。
图5是陶瓷屏罩的侧视图。
图6是陶瓷屏罩的俯视图。
图1是应用自动化氧传感器20分析工业生产中含氧量的系统10的示意图，此图与“761专利”的图1相同。在系统10中，气样通过试样探针12从被监测的工业生产过程中抽取，抽样是通过使用系统10中的一个受气动控制的抽吸器(图中未画出)来独特地完成的。气样直接经过分析腔16里的通道14，穿过自动化氧传感器20的敏感件而被消耗，再回流入工业生产过程中的气流内。分析腔16的温度基本恒定地控制在气体的露点以上，一般为300°-400°F(159°-204℃)，此受控腔的温度为自动化氧传感器20提供了基本稳定的温度环境。
分析腔16由加热器22加热，温度敏感元件24与温控电路26相连，该电路供给加热器22电压。自动化氧传感器20中的完整加热装置(图中未画出)与电源30相连，该电源通过手控调节供给自动化氧传感器20中的敏感部件18的所需工作温度。对于“761专利”中氧传感器的一般使用环境，敏感元件18的工作温度范围约为1300°-1400°F(704°-760℃)。有关分析仪操作的其它细节参见“761专利”所揭示的内容。
如前所述，“761专利”所描述的分析仪用于煤或其它不纯燃料的燃烧过程时，测量精度误差是SO2、NOx及其它燃烧副产物污染了敏感元件而致，此敏感元件如图2中所示的40，它是敏感部件18的一部分，又如前所及，将测量精度误差降至最小的一个途径是提高“761专利”描述的传感器里加热的电压，以使传感器工作温度升到约1450-1550°F(788°-843℃)范围。电压的增加和由此而引起的温度升高，虽极大地减小了测量精度误差，但却加速了加热器的失效。
本发明使得传感器更为有效，即可极大地减小测量精度误差，又允许降低加热器22的工作电压，从而延长传感器的使用寿命，具体体现在传感器10中，加热器22的工作电压可从“761专利”使用的18伏降至17伏。本发明允许工作电压的降低，而不引起敏感元件18的工作温度降低到工作温度范围1450°-1550°F的下限以下，最终结果是由SO2NOx和其它燃烧副产物所导致的误差小于2%。
根据本发明提供的设备，以往的敏感元件周围的保护屏罩被薄壁多孔屏罩42(见图2-4)所取代。保护屏罩呈圆筒形，外径为0.499-0.512英寸(12.67-13.00mm)，高约0.685-0.695英寸(17.4-17.65mm)。
图3和图4很好地显示了保护屏罩42的开孔结构，这些小孔使气体能自由地进出屏罩。屏罩的内部由纤维或其它具有渗透性保温材料44所包覆，如用Babcock公司和Wilcox公司所提供的KAOWOOL材料(硅酸铝合成纤维)。屏罩顶部壁厚约为0.015-0.020英寸(0.38-0.51mm)较佳，屏罩内径优选值约为0.467-0.470英寸(11.86-11.94mm)。
在图2-4所示设备中，屏罩共有21个孔，每孔直径约0.045英寸(1.14mm)孔列41按4个孔一列排成4列，这4个孔在屏罩42的外表面43呈对称分布，图4中可见3个孔列，在每一孔列41中，每两孔的垂直方向空间间距以大约0.1英寸(2.54mm)为佳。
在图3所示的屏罩42的顶部45上，四个孔围绕一个中心孔形成一个圆，该圆直径约为0.280英寸(7.11mm)。
保护屏罩采用303型号的不锈钢加工制作为好。自动化氧传感器20可以是由Boch公司提供的盘状物件，如9F-472型号，它最初是被用于FordMotor公司的汽车生产中。
如图2所示，在敏感部件里事先安置一个颈圈46，将其高度削至约0.140-0.150英寸(0.36-0.38mm)，以用来固定屏罩。屏罩从低端约0.250英寸(0.64mm)处开始设置第一圈孔。
本发明替换设置是通过不同的屏罩提供不同的数量的扩散孔，这些屏罩可以是由前述屏罩的相同材料或其它材料如陶瓷或其它非金属制成。屏罩可为不同于上述筒体型的形状，其小孔分布也可异于图2-4所示的排列。该屏罩还可由具有或不具有保温性的任何多孔性材料如陶瓷来制成。
陶瓷屏罩50即是本发明替换设备的一个实例，其内填装有如图5和图6所示的KAOWOOL材料44。
下表第一行显示了由“761专利”所描述的传感器(“标准传感器”)，在加热器22电压分别为18伏直流电(VDC)和19VDC时，得到的传感器和加热器的温度;表中第二行所列是加热器工作电压分别为17VDC、18VDC及19VDC时，如图2-4所示由体现按本发明设备提供了传感器得到的传感器及加热器的温度，该传感器有一个包覆约0.34-0.36克KAOWOOL材料的保护屏罩;表中第三行是图2-4所示由体现本发明设备提供的传感器，在设有包覆任何保温材料及加热器电压为18VDC时得到的传感器和加热器的温度。
权利要求
1.一种用于工业生产过程中的气体含氧量分析仪，此分析仪包括一个装于分析腔里的自动化氧传感器，该自动化氧传感器带有一个敏感元件及电加热装置，改进包括形成氧传感器部件外壁的薄壁多孔屏罩，与上述屏罩内壁有间隔，并与自动化氧传感器相接的敏感元件，上述屏罩内填装保温材料，且保温材料包覆上述敏感元件，从而避免在工业生产中由SO2、NOx及其它燃烧副产物污染而引起的刻度偏移。
2.根据权利要求1中所述的改进，其中保护屏罩呈圆筒形并开有许多小孔。
3.根据权利要求1中所述改进，其中屏罩侧面有许多垂直排列的小孔，且屏罩顶亦为一开孔构型。
4.一种用于工业生产过程中的气体含氧量分析仪，该分析仪包括分析腔中的自动化氧传感器，该自动化氧传感器带有一个敏感元件及电加热装置，改进如下一个形成氧传感器部件外壁的薄壁多孔保护屏罩，与上述屏罩内壁相隔，并与自动化氧传感器相接的敏感元件，从而避免工业生产过程中，由SO2、NOx及其它燃烧副产物污染而引起的刻度偏移。
5.根据权利要求4中所述的改进，进一步包括填装于上述屏罩内并包覆上述敏感元件的保温材料。
6.一种用于工业生产过程中气体含氧量的分析仪，该分析仪包括装于分析腔里的自动化氧传感器，此自动化氧传感器带有一个敏感元件及电加热装置，改进如下形成敏感元件的外壁且具有有限渗透性的屏罩，以及一个与上述屏罩内壁相隔的敏感元件。
7.根据权利要求6中所述的改进，进一步包括填装上述屏罩内并包覆上述敏感元件的保温材料。
全文摘要
一种用于工业生产过程中的氧分析仪里的自动化氧传感器，它带有一个敏感元件，而敏感元件带有一个薄壁外层屏罩，该屏罩填装保温材料，并包覆着自动化氧传感器敏感元件。
文档编号G01N27/406GK1081255SQ9310806
公开日1994年1月26日 申请日期1993年6月28日 优先权日1992年6月30日
发明者G·R·霍尔, D·C·巴尼特, R·A·史密斯, S·Y·朱伊特 申请人:国际控制自动化信贷公司