JP2014160005A - Sensor probe - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、センサプローブに関するものであり、たとえば溶融金属中のガス濃度を測定するセンサプローブに関する。 The present invention relates to a sensor probe, for example, a sensor probe for measuring a gas concentration in molten metal.
溶融（融解）金属中のガスに起因する鋳造時のピンホール等の欠陥を低減するために、溶融金属中の水素や酸素のガス成分濃度を測定するセンサが実用化されている。 In order to reduce defects such as pinholes at the time of casting caused by gas in the molten (molten) metal, a sensor for measuring the gas component concentration of hydrogen or oxygen in the molten metal has been put into practical use.
特許文献１や非特許文献１は、αアルミナを基材として二価のアルカリ土類金属を含有する固体電解質を用いた８００〜１７００Ｋでの測定が可能な濃淡電池型水素センサを開示している。このうち非特許文献１は基準ガスを空気とする水素センサを開示している。
これらの水素センサは、固体電解質の一端を溶融金属（溶湯）に漬け、他端を基準ガスにさらすことにより、プロトン（水素イオン）が固体電解質中を移動して電位差を生じ濃淡電池となる。この電圧を測定することにより水素濃度を検知するものである。 In these hydrogen sensors, one end of a solid electrolyte is immersed in a molten metal (molten metal) and the other end is exposed to a reference gas, whereby protons (hydrogen ions) move through the solid electrolyte to produce a potential difference, thereby forming a concentration cell. By measuring this voltage, the hydrogen concentration is detected.
濃淡電池型水素センサによる測定では、固体電解質（水素センサ）の一部を溶湯に漬け、他の部分が基準ガスに接するようにした状態で測定する必要がある。このため、たとえば外面形状を棒状として一部を溶湯に漬けた状態とし、他の部分を溶湯から露出した状態で測定する場合、固体電解質は溶湯面付近で大きな温度勾配をもつことになる。この温度勾配は固体電解質を溶湯につける瞬間にもっとも大きくなる。たとえば銅の融点は１０８３．４℃であるため、溶融金属の温度はこれより高く、固体電解質を室温から溶融金属に漬けると、熱衝撃により破壊されてしまう。すなわち一部が急激に温度上昇するため、固体電解質内部で熱膨張が異なり、応力が発生して破壊されてしまう。このような破壊を防ぐため、使用前に徐々に加熱して予熱しておくことが必要となっている。 In the measurement by the concentration cell type hydrogen sensor, it is necessary to measure in a state where a part of the solid electrolyte (hydrogen sensor) is immersed in the molten metal and the other part is in contact with the reference gas. For this reason, for example, when measurement is performed with the outer surface shape being rod-shaped and partly immersed in the molten metal and the other part is exposed from the molten metal, the solid electrolyte has a large temperature gradient in the vicinity of the molten metal surface. This temperature gradient is greatest at the moment when the solid electrolyte is applied to the molten metal. For example, since the melting point of copper is 1083.4 ° C., the temperature of the molten metal is higher than this, and if the solid electrolyte is immersed in the molten metal from room temperature, it is destroyed by thermal shock. That is, since a part of the temperature rises rapidly, the thermal expansion is different inside the solid electrolyte, and stress is generated and destroyed. In order to prevent such destruction, it is necessary to gradually heat and preheat before use.
また、溶融金属表層に浮遊する金属酸化物などからなるスラグが個体電解質の表面に付着し水素の測定を妨げていることから、固体電解質にスラグが付着することなく溶融金属に浸漬する方法も必要である。 Also, since slag composed of metal oxides floating on the surface of the molten metal adheres to the surface of the solid electrolyte and hinders the measurement of hydrogen, it is necessary to immerse in the molten metal without slag adhering to the solid electrolyte. It is.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、長時間かかる予熱を必要とせず、固体電解質を熱衝撃による破壊とスラグ付着による測定不良から守ることのできるセンサプローブを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a sensor probe that does not require preheating for a long time and can protect a solid electrolyte from damage due to thermal shock and measurement failure due to slag adhesion. With the goal.
上記目的を達成するため、本発明者はセンサプローブについて鋭意検討した結果、本発明に至った。本発明のセンサプローブは、先端部が溶融金属中に漬けられる棒状のセンサと、前記センサの前記先端部に保持され、前記溶融金属と同種の金属からなり、前記溶融金属に漬けられることにより前記溶湯金属に溶融して消失する熱衝撃緩和部と、からなることを特徴としている。 In order to achieve the above object, the present inventor has intensively studied the sensor probe, and as a result, has reached the present invention. The sensor probe of the present invention is a rod-shaped sensor whose tip is immersed in the molten metal, and is held by the tip of the sensor, is made of the same type of metal as the molten metal, and is immersed in the molten metal. It is characterized by comprising a thermal shock relaxation portion that melts and disappears in the molten metal.
この構成によれば、センサプローブの先端部が溶融金属中に漬けられた際、先端部に保持された熱衝撃緩和部が、棒状のセンサが直接溶融金属に接することを防ぎ、センサに熱を徐々に伝えて温度を少しずつ上昇させる。そして熱衝撃緩和部は、溶融金属に溶融して消失し、センサプローブの先端部が溶融金属に接触する。このように熱衝撃緩和部の熱容量と融解熱によりセンサの温度上昇がゆるやかとなり、センサが熱衝撃により破壊されることを防ぐことができる。熱衝撃緩和部が消失した後、ゆるやかに昇温したセンサは直接溶融金属に接して所定の測定をすることができる。また、熱衝撃緩和部は溶融金属と同種の金属からなるので、溶融した後に溶融金属の組成を変えず、不純物となることがない。また、測定終了後は、熱衝撃緩和部は消失しているため、センサが室温まで冷却される際も不要な荷重を受けることがなく、冷却時に破壊されることも防ぐことができる。 According to this configuration, when the tip of the sensor probe is immersed in the molten metal, the thermal shock reducing portion held by the tip prevents the rod-shaped sensor from coming into direct contact with the molten metal, and heats the sensor. Slowly increase the temperature little by little. And a thermal shock relaxation part melt | dissolves in a molten metal and lose | disappears, and the front-end | tip part of a sensor probe contacts a molten metal. In this way, the temperature rise of the sensor is moderated by the heat capacity and heat of fusion of the thermal shock relaxation portion, and the sensor can be prevented from being destroyed by the thermal shock. After the thermal shock relaxation portion disappears, the sensor whose temperature has been gradually increased can directly contact the molten metal and perform a predetermined measurement. Moreover, since the thermal shock relaxation part is made of the same kind of metal as the molten metal, the composition of the molten metal is not changed after melting and does not become an impurity. Moreover, since the thermal shock relaxation part has disappeared after the measurement is completed, the sensor is not subjected to an unnecessary load when it is cooled to room temperature, and can be prevented from being destroyed during cooling.
棒状のセンサとしては、形状が棒状であり、その先端部が溶融金属に漬けられ、熱衝撃により損傷を受けるものであれば良い。具体的には、セラミック製の固体電解質を先端部に持つ濃淡電池型水素センサ、先端が閉じたセラミックス外筒をもつ温度センサを挙げることができる。 Any rod-shaped sensor may be used as long as it has a rod shape and its tip is immersed in molten metal and is damaged by thermal shock. Specific examples include a concentration cell type hydrogen sensor having a ceramic solid electrolyte at the tip, and a temperature sensor having a ceramic outer cylinder with the tip closed.
センサプローブは、先端部に開口を有する筒状のスリーブを有し、前記センサは前記スリーブ内に保持され、前記熱衝撃緩和部は前記スリーブの前記開口を覆うように保持されていてもよい。 The sensor probe may include a cylindrical sleeve having an opening at a distal end portion, the sensor may be held in the sleeve, and the thermal shock relaxation portion may be held so as to cover the opening of the sleeve.
この構成によれば、熱衝撃緩和部と筒状のスリーブとがセンサを囲い込んでいるため、センサプローブの先端部を溶融金属に漬けても溶融金属はセンサと接触せず、センサは徐々に加熱され、熱衝撃による損傷を抑えることができる。熱衝撃緩和部が溶融金属に溶融して消失した後は、溶融金属が、スリーブの開口からスリーブ内に侵入してセンサに接するため測定が可能となる。また、センサはスリーブ内に保持されるため取り扱い等で破損することを避けられる。 According to this configuration, since the thermal shock reducing portion and the cylindrical sleeve surround the sensor, the molten metal does not come into contact with the sensor even if the tip of the sensor probe is immersed in the molten metal, and the sensor gradually It is heated and damage due to thermal shock can be suppressed. After the thermal shock relaxation portion melts and disappears in the molten metal, measurement is possible because the molten metal enters the sleeve through the opening of the sleeve and contacts the sensor. Further, since the sensor is held in the sleeve, it can be prevented from being damaged by handling or the like.
以下、本発明の電子装置の具体的な実施形態について図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, specific embodiments of the electronic device of the present invention will be described with reference to the drawings.
＜第１の実施形態＞
第１の実施形態のセンサプローブ１は、溶融金属（溶湯）を銅とする水素濃度センサであり、図１の縦断面図に示すように、全体形状として棒状を呈する固体電解質２と、固体電解質２の内面側に収容された熱電対３と、溶融金属と同種の銅製のキャップ状の保護部（熱衝撃緩和部）４とからなっている。
<First Embodiment>
The
固体電解質２は、水素濃度を検出するセンサとして作用する部分であって、図１に示すように断面Ｕ字状の、先端（図では下端）が閉じた管状のものであり、内面に電極を設けてある。固体電解質２の材質は、αアルミナを基材とし、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）９９．５質量％以上、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）０．２質量％以下、もしくは酸化カルシウム（ＣａＯ）０．０５質量％以下のアルカリ土類金属を含有するセラミック製のものを使用した。αアルミナを基材とする水素センサは酸素の影響を受けず、８００〜１７００Ｋの領域で正確な水素濃度の測定が可能である。
The
二価のアルカリ土類金属を含有したαアルミナは、高温においてプロトン導電性を示す固体電解質として作用するので、一方の面が水素を含有した溶湯に接すると、固体電解質中をプロトンが移動し、基準ガスに接した他方の面に達し、電位差が生じ濃淡電池となる。一方の面と他方の面との電位差を測定し、事前に校正しておいた値と対照することにより、溶湯の水素濃度とする。実施形態では、固体電解質２の外側の凸面が溶湯に接し、内側の凹面が基準ガスに接する。
Α-alumina containing a divalent alkaline earth metal acts as a solid electrolyte exhibiting proton conductivity at high temperatures, so that when one surface comes into contact with a molten metal containing hydrogen, protons move through the solid electrolyte, It reaches the other surface in contact with the reference gas, and a potential difference is generated, resulting in a density cell. The potential difference between one surface and the other surface is measured and compared with the value calibrated in advance to obtain the hydrogen concentration of the molten metal. In the embodiment, the outer convex surface of the
熱電対３は管状の固体電解質２の内部の空間に収容されている。熱電対３は、白金−白金ロジウムの熱電対であり、２穴のアルミナ製の保護管５に収容されている。先端の熱接点部が保護管５から露出されたタイプであり、固体電解質２の内面に固定され、電気的に接続されている。なお、当然に、他の種類の熱電対を使用しても良い。
The thermocouple 3 is accommodated in a space inside the tubular
αアルミナからなる固体電解質２の管の厚さは０．７５ｍｍであり、また比熱も大きくないため、管の内外での温度差は無視できる。熱電対３は溶湯に直接漬けられないため、熱電対３を保護することになる。固体電解質２の起電力は水素濃度の他、温度にも依存するため、水素濃度を確定するために温度の測定は必須である。従来は非特許文献１に示されるように、熱電対を窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の管内に収容して溶湯に漬けることにより、溶湯から保護するようにしていたが、本実施形態では固体電解質２の管内に熱電対３を収容することにより、熱電対用の管を省略し、また、固体電解質２のリード線を、熱電対３で兼用することにより省略し簡素な構成としている。
Since the thickness of the
熱電対３は、固体電解質２の内面に白金ペースト等を用いて、所定の焼結条件により接続される。白金ペーストは焼結後ポーラス状となり、基準ガスである空気を透過する。よって固体電解質２の内面のポーラス状の白金部が基準電極となる。
The thermocouple 3 is connected to the inner surface of the
保護部４は、固体電解質２の先端に無機接着剤６等によって固定されている。材質は溶湯に合わせて溶湯の組成を維持するものとし、溶湯が無酸素銅であれば、これに合わせ無酸素銅とし、溶湯がタフピッチ銅のときは、保護部４もタフピッチ銅とする。保護部４は、図１に示すように、少なくとも固体電解質２が溶湯に漬けられる範囲を覆うものとする。保護部４は厚さが１０ｍｍ以上のときに熱衝撃を緩和する効果が良好であったが、固体電解質２の熱容量等により変化する性質のものであるから、これに限定するものではない。接着後は、保護部４は重いので、固体電解質２に不要な力を与えないよう取り扱いに注意する。
The
保護部４は、水素濃度を測定するためにセンサプローブ１の先端が溶湯に漬けられる際に漬けられ、溶湯の熱により溶融して消失する。この過程において、保護部４は固体電解質２に熱を伝えながら溶けていくため、熱電対３で測定している固体電解質２の温度は比較的ゆるやかに上昇する。また、保護部４は固体電解質２のうち、特に温度の上昇する溶湯に漬けられる範囲を完全に覆っている。したがって、熱衝撃によりクラックが発生する可能性が減少する。保護部４が溶融した後、固体電解質２に溶湯が接触し水素濃度の測定が可能となる
保護部４が溶融して消失すると、固体電解質２は直接溶湯に接し測定が可能となるが、これは熱電対３により測定されている温度が平衡になったことをもって判断し、水素濃度測定を開始する。
The
保護部４は溶湯に完全に溶融して消失するため、測定終了後にセンサプローブ１を引き上げる際には先端の重量物がなくなっており、固体電解質２にかかる重量は減少している。したがって、固体電解質２にかかる負荷が小さい状態で室温まで冷却されるため、温度下降にともなう収縮時には大きな応力はかからず、固体電解質２の寿命に悪影響を与えることがない。
Since the
測定電極として図示しない電極棒を溶湯に漬けて回路を構成する。したがって、水素濃度の測定回路は、電圧計（−側）−電極棒（測定電極）−溶湯（銅）−固体電解質（水素センサ、αアルミナ）−電極（白金、基準電極）−熱電対（白金側）−電圧計（＋側）となる。また、電池図式（電池式）は、
（−、work．）、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｃｕ（Ｈ２）｜α−Ａｌ２Ｏ３｜Ｐｔ（air）、（ref.、＋） ……（１）
となる。なお、熱電対３による温度測定と、熱電対３の白金側を利用した水素濃度の測定とは、測定回路を切り替えて交互に行う。
A circuit is configured by immersing an electrode rod (not shown) as a measurement electrode in molten metal. Therefore, the measurement circuit for the hydrogen concentration includes a voltmeter (-side), an electrode rod (measurement electrode), a molten metal (copper), a solid electrolyte (hydrogen sensor, α-alumina), an electrode (platinum, a reference electrode), a thermocouple (platinum). Side)-voltmeter (+ side). In addition, the battery diagram (battery type)
(−, Work.), Ni—Cr, Cu (H 2 ) | α-Al 2 O 3 | Pt (air), (ref., +) (1)
It becomes. The temperature measurement by the thermocouple 3 and the hydrogen concentration measurement using the platinum side of the thermocouple 3 are alternately performed by switching the measurement circuit.
本実施形態の組立手順を説明する。管状の固体電解質２の内側に熱電対３を接続した後、外側に保護部４として銅キャップを接着する。まず、熱電対３を白金ペーストにより所定の熱処理を行い、固体電解質２と電気的接続をとるようにする。つづいて固体電解質２の先端に保護部４を嵌挿係合し、図１に示すような固体電解質２と保護部４との接触部に無機接着剤６を塗布し、所定の乾燥、硬化処理を行い接着する。接着後は、銅キャップは重いため、αアルミナでできた固体電解質に不要な付加を与えないよう、取り扱いには注意を払う。
The assembly procedure of this embodiment will be described. After connecting the thermocouple 3 to the inside of the tubular
以上、説明したことから明らかなように、第１の実施形態によれば、センサプローブ１は、先端部が溶融金属中に漬けられる棒状のセンサ（固体電解質２）と、センサの前記先端部に保持され、前記溶融金属と同種の金属からなり、前記溶融金属に漬けられることにより前記溶湯金属に溶融して消失する保護部（熱衝撃緩和部）４と、からなることを特徴とする。
As is apparent from the above description, according to the first embodiment, the
この構成によれば、センサプローブ１を溶湯に漬けた際、保護部４がセンサ（固体電解質２）に熱を伝えながら溶融するため、センサの温度上昇がゆるやかとなり、センサを熱衝撃から保護することができる。
According to this configuration, when the
また、センサ（固体電解質２）はセラミック製の固体電解質による濃淡電池型水素センサであることを特徴としている。この構成によれば、高温領域で水素濃度測定が可能となる。また、たとえばαアルミナを固体電解質とすれば、酸素の影響を受けず、８００〜１７００Ｋの領域で正確な水素濃度の測定が可能となる。 The sensor (solid electrolyte 2) is a concentration cell type hydrogen sensor using a ceramic solid electrolyte. According to this configuration, it is possible to measure the hydrogen concentration in a high temperature region. For example, if α-alumina is used as a solid electrolyte, it is possible to accurately measure the hydrogen concentration in the range of 800 to 1700K without being affected by oxygen.
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態のセンサプローブ１は、図２に示すように、全体形状として棒状を呈する固体電解質２と、固体電解質２の内面側に収容された熱電対３と、固体電解質２を取り囲むように設けられたスリーブ７と、スリーブ７の先端に設けられた、溶融金属と同種の銅製のキャップ状の保護部（熱衝撃緩和部）４とからなる。固体電解質２等は第１の実施形態と同様であるため説明は省略する。
<Second Embodiment>
As shown in FIG. 2, the
スリーブ７は、下端は閉じているが側面にスリット７ａが開口しており、溶湯に漬けられて保護部４が溶融した後に溶湯がスリーブ７内側に侵入し固体電解質２に接触するようにしている。固体電解質２とスリーブ７とは凹部と凸部（図示せず）とで機械的に係合させたのち無機接着剤にて接着されている。
The
スリーブ７の材質は耐熱ステンレスである。スリーブ７により、取り扱いによるセラミック製の固体電解質２の破損を防ぐことができる。また、スリーブ７は導電性なので、第１の実施形態で別に設けた電極棒の代わりに測定電極として機能させることができるため、別途電極棒を用意する必要がなくなる。
The material of the
水素濃度を測定するためにセンサプローブ１の先端が溶湯に漬けられる場合、まず保護部４が直接溶湯に接し、熱により溶融して消失する。この過程において、保護部４はスリーブ７に熱を伝えながら溶けていき、スリーブ７はスリーブ７と固体電解質２との間の空間の空気の温度を上昇させるので、固体電解質２の温度は上昇する。また、スリーブ７の内面からの放射熱によっても固体電解質２の温度は上昇する。しかしながら、これらによる温度上昇は直接接触することによる温度上昇ほど急激ではない。その後保護部４が消失すると、溶湯はスリーブ７内にスリット７ａを通って侵入し、直接固体電解質２に接し、溶湯の水素濃度が測定可能となる。したがって、熱電対３で測定している固体電解質２の温度は第１の実施形態よりさらにゆるやかに上昇する。よって、熱衝撃によりクラックが発生する可能性が減少する。
When the tip of the
以上のように、センサプローブ１が溶湯に漬けられた際、固体電解質２の温度は、保護部４の熱容量等によって保護部４がないときに比べ、ゆるやかに上昇し、熱衝撃により割れることがない。保護部４が溶解した後、固体電解質２に溶湯が接触し水素濃度の測定が可能となる
第１の実施形態と同様に、熱電対３により測定されている温度が平衡になったことをもって、水素濃度測定を開始する。
As described above, when the
測定電極としてステンレス製のスリーブ７を用いるため、水素濃度の測定回路は、電圧計（−側）−スリーブ（測定電極）−溶湯（銅）−固体電解質（水素センサ、αアルミナ）−電極（白金、基準電極）−熱電対（白金側）−電圧計（＋側）となる。また、電池図式は、
（−、work．）、Ｃｒ−Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｕ（Ｈ２）｜α−Ａｌ２Ｏ３｜Ｐｔ（air）、
（ref.、＋）……（２）
となる。なお、熱電対３による温度測定と、熱電対３の白金側を利用した水素濃度の測定とは、測定回路を切り替えて交互に行う。
Since the
(−, Work.), Cr—Ni—Fe, Cu (H 2 ) | α-Al 2 O 3 | Pt (air),
(Ref., +) …… (2)
It becomes. The temperature measurement by the thermocouple 3 and the hydrogen concentration measurement using the platinum side of the thermocouple 3 are alternately performed by switching the measurement circuit.
本実施形態の組立手順としては、まず第１の実施形態と同様に固体電解質２に熱電対３を接続する。次に治具を用いてスリーブ７を所定の位置にセットし、固体電解質２とスリーブ７の間に無機接着剤６を注入し、所定の乾燥、硬化処理を行い接着する。さらに、スリーブ７の先端に保護部４を嵌挿し、スリーブ７と保護部４は機械的係合により固定されている。保護部４はスリーブ７に係合固定されているため、保護部４の重量はスリーブ７により支えられ、固体電解質２に直接重量がかかることがない。また、他の物との軽微な接触からも保護される。
As an assembly procedure of the present embodiment, first, the thermocouple 3 is connected to the
以上、説明したことから明らかなように、第２の実施形態によれば、センサプローブ１は、端部に開口（スリット７ａ）を有する筒状のスリーブ７を有し、センサ（固体電解質２）はスリーブ７内に保持され、熱衝撃緩和部（保護部４）はスリーブ７の開口（スリット７ａ）を覆うように保持されていることを特徴とする。
As is apparent from the above description, according to the second embodiment, the
この構成によれば、熱衝撃緩和部４が溶ける際に直接センサ（固体電解質２）に熱が伝わることを避けることができ、センサの温度上昇がよりゆるやかとなる。熱衝撃緩和部４が溶融金属に溶融して消失した後は、溶融金属が、スリーブ７の開口７ａからスリーブ７内に侵入してセンサに接するため測定が可能となる。また、センサはスリーブ７内に保持されるため取り扱い等で破損することを避けられる。
According to this structure, when the thermal
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態のセンサプローブ１は、図３に示すように、全体形状として棒状を呈する固体電解質２と、固体電解質２の内面側に収容された熱電対３と、固体電解質２を取り囲むように設けられたスリーブ７と、スリーブ７の先端に設けられた、溶融金属と同種の銅製のキャップ状の保護部（熱衝撃緩和部）９と、固体電解質２とスリーブ７との間に充填された銅粉８とからなる。第２の実施形態とは、第２の実施形態で空間となっていた固体電解質２とスリーブ７との間の部分に銅粉８を充填することが異なっている。こうすることにより外寸を同じとして熱容量を増大させることができる。また、第２の実施形態ではスリーブ７の外部に設けられた保護部４が溶融して消失すると、溶湯がスリーブ内部に急激に流れこみ固体電解質２に接したが、第３の実施形態では、スリーブ７の外部の保護部９が溶融しても固体電解質２の周囲に銅粉８があるため、溶湯が急激に接することがない。したがって、熱容量の増大と、銅粉８による保護という二つの要因により、第２の実施形態よりさらに固体電解質２の温度上昇がゆるやかになる。
<Third Embodiment>
As shown in FIG. 3, the
製造方法について述べる。側面に穴を有する保護部９を第２の実施形態と同様にスリーブに固定した後、図４に示すように、保護部９にはスリーブ７の側面に設けられたスリット７ａに対応する位置に銅粉注入口９ａが開けられているので、全体を銅粉注入口９ａが上になるよう横にして、銅粉注入口９ａから銅粉８を充填する。これで、固体電解質２と保護部９の間の空間には銅粉８が満たされることになる。銅粉注入口９ａに保護部９と同じ材質で嵌合する径の栓９ｂをして木槌等で叩き固定する。
A manufacturing method will be described. After the
以上、説明したことから明らかなように、第３の実施形態によれば、センサプローブ１は、溶融金属を銅として、センサ（固体電解質２）と、熱電対３と、ステンレス製のスリーブ７と、溶融金属と同様の材質からなるキャップ状の保護部９と、スリーブ７と固体電解質２との空間に充填された銅粉８とからなることを特徴とする。
As is apparent from the above description, according to the third embodiment, the
この構成によれば、センサプローブ１を溶湯に漬けた際、保護部９が固体電解質に熱を伝えながら溶融、消失し、さらに銅粉８が溶融するため、センサ（固体電解質２）の温度上昇がさらにゆるやかとなり、センサを熱衝撃から保護する。使用後は新たな保護部９を接着し、銅粉８を再び充填することにより再使用できるため、長寿命のセンサプローブ１とすることができる。
According to this configuration, when the
＜第４の実施形態＞
本発明の第４の実施形態のセンサプローブ１は、図５に示すように、全体形状として棒状を呈する固体電解質２と、固体電解質２の内面側に収容された熱電対３と、固体電解質２を取り囲むように設けられたスリーブ７と、スリーブ７の先端に設けられた、溶融金属と同種の銅製のキャップ状の保護部（熱衝撃緩和部）４と、酸素センサ１０と、酸素センサ１０と固体電解質２との間を所定間隔保ち、またスリーブ７との間を所定間隔保つために介在するセラミックロープ１１とからなる。これにより、水素濃度と温度に加え、酸素濃度の測定も可能としている。
<Fourth Embodiment>
As shown in FIG. 5, the
酸素センサ１０は、すでに実用化されているもので、アルミノケイ酸塩からなる支持管１０ａ内に鉄からなるリード線（不図示）を収め、マグネシウムを含んだジルコニア（ＺｒＯ２）を主体とする固体電解質を先端に配置した濃淡電池型酸素センサである。各実施形態に示したαアルミナを用いた固体電解質２は、従来の水素センサと異なり、酸素濃度に影響されない測定が可能である。しかしながら、金属の溶湯としては、酸素量の管理が必要であり、酸素濃度の測定を行う必要があるため、センサプローブ１として一体化して、測定回路を切り替えることにより水素濃度、温度、酸素濃度の三種類の測定を可能とした。
The
セラミックロープ１１は溶湯温度で影響されないセラミック繊維からなるひもであり、二つのセンサに巻きつけて両者の間隔を保ち、またスリーブ７との間隔を保つために使用した。また、同時にセンサとスリーブ７との間を塞ぐので、基準ガスが溶湯面に達することを妨げるという効果もある。
The
組立方法を述べる。図６に示すように、固体電解質２と酸素センサ１０の支持管１０ａの周囲二箇所（図示は図５）にセラミックロープ１１を、ほぼ同じ太さになるよう巻きつけ、次に両者の間にスペーサとしてセラミックロープ１１を適宜配置して、さらに二つのセンサに巻きつけたセラミックロープ１１の上から全体の周りに、円形になるよう個別に巻いた上からセラミックロープ１１を巻きつけ、スリーブの内径とほぼ同じになるようにしスリーブ７に挿入する。なお、このとき図６にあるような隙間はセラミックロープ１１の切れ端で塞いでおく。
An assembly method will be described. As shown in FIG. 6, the
つづいて、上下を逆にし、先端のスリーブ７の側面に設けられたスリット７ａから、無機接着剤６をセラミックロープ層の上に、図５のような一様な層ができるまで充填し、所定条件で乾燥、硬化処理を行う。使用した無機接着剤６は粘性の高いものを使用したのでセラミックロープ層に少々の隙間があってもスリーブ７内に抜け落ちることはなかった。
Subsequently, the upper and lower sides are reversed, and the
このように二つのセンサとスリーブ７との間にはセラミックロープ１１と無機接着剤６が介在することになり、スリーブ７の上部から基準ガスとしての空気が溶湯面に接触し、空気の成分が溶湯内に入り込み水素濃度、酸素濃度の測定値に影響をあたえることを防ぐよう、空気の流入を防止している。
In this way, the
さらに、セラミックロープ１１で巻くことは、二つのセンサの距離を所定間隔として、互いに悪影響を及ぼさないようにすることや溶湯の動きを阻害しないようにする他、センサが局部的にスリーブに近接しすぎて、センサの周方向の温度が不均一にならないよう距離を保ち、均一に温度上昇させて熱衝撃から防ぐ機能がある。
Further, winding with the
酸素濃度の測定電極としては固体電解質２と同様にステンレス製のスリーブ７を用いることができる。したがって、酸素濃度の測定回路は、電圧計（−側）−スリーブ（測定電極）−溶湯（銅）−酸素センサ（ジルコニア）−リード線（鉄、基準電極）−電圧計（＋側）となる。また、電池図式は、
（−、work．）、Ｃｒ−Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｕ（Ｏ２）｜ＺｒＯ２（＋ＭｇＯ）｜
Ｆｅ、（ref.＋）……（３）
となる。水素濃度と温度と酸素濃度の測定は、回路を切り替えることにより任意の測定が可能である。たとえば、水素濃度を重点的に測定したい場合、水素濃度→酸素濃度→水素濃度→温度→水素濃度の順番とする等、注目するパラメータの測定頻度や順番を変更できる。
As the electrode for measuring the oxygen concentration, a
(−, Work.), Cr—Ni—Fe, Cu (O 2 ) | ZrO 2 (+ MgO) |
Fe, (ref. +) …… (3)
It becomes. The hydrogen concentration, temperature, and oxygen concentration can be measured arbitrarily by switching the circuit. For example, when the hydrogen concentration is to be measured intensively, the measurement frequency and order of the parameter of interest can be changed, such as the order of hydrogen concentration → oxygen concentration → hydrogen concentration → temperature → hydrogen concentration.
以上に述べたように第４の実施形態によれば、センサプローブ１は、溶融金属を銅として、固体電解質２と、熱電対３と、ステンレス製のスリーブ７と、溶融金属と同様の材質からなるキャップ状の保護部４と、酸素センサ１０と、セラミックロープ１１とからなることを特徴とする。この構成によれば、センサプローブ１により水素濃度、温度、酸素濃度を測定することが可能となる。
As described above, according to the fourth embodiment, the
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能である。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A various change is possible in the range which does not deviate from the main point of this invention.
各実施形態では溶融した銅の水素濃度をαアルミナの固体電解質で測定するものとしたが、他の金属の溶湯のガス濃度を測定する別のセンサであってもよい。このとき保護部の材質は溶湯に合わせた同種のものとする。また、第３の実施形態における銅粉もそれぞれの溶融金属と同種の金属の粉末とする。実施形態同様、センサは保護部により熱衝撃から保護される。 In each embodiment, the hydrogen concentration of the molten copper is measured by the solid electrolyte of α-alumina, but another sensor that measures the gas concentration of the molten metal of another metal may be used. At this time, the material of the protection part is the same type according to the molten metal. The copper powder in the third embodiment is also a metal powder of the same kind as each molten metal. As in the embodiment, the sensor is protected from thermal shock by the protection unit.
保護部は、溶湯の熱により溶融して消失するものとしたが、保護部が覆う範囲のうち、溶湯に漬からない部分の範囲を大きくして、一部が残るものとしても良い。このようにしても溶湯に漬けられる部位は溶融するため測定に影響は与えない。また、固体電解質のうち溶湯に漬からない部分の広い範囲に、保護部により熱を伝えるため、固体電解質内部の温度勾配を小さくすることができる。 Although the protective part melts and disappears due to the heat of the molten metal, a part of the range covered by the protective part that is not immersed in the molten metal may be enlarged to leave a part. Even if it does in this way, since the site | part immersed in molten metal melts | dissolves, it does not affect a measurement. In addition, since the heat is transferred by the protective portion to a wide range of the solid electrolyte that is not immersed in the molten metal, the temperature gradient inside the solid electrolyte can be reduced.
スリーブ７の材質は溶湯を銅として耐熱性ステンレスとしたが、溶湯に対する耐蝕性があり、機械強度があるものを選定すれば他の金属でもよい。また、導電性であれば金属とは限らず、たとえば炭化ケイ素（ＳｉＣ）等が利用できる。
The
スリーブ７は、側面にスリット７ａが設けられていたが、下方が開放していてもよい。
The
第４の実施形態では、セラミックロープを両センサの周りに周回させることと、セラミックロープに無機接着剤６を塗布しておくことにより、基準ガスが溶湯面に到達することをある程度防いでいる。しかし、気密性はないため、さらに防ぐために、軟化点の高いガラス（たとえば日本電気硝子製ＧＡ３３など）のガラス粉末の層を無機接着剤６の層でサンドイッチするようにつくっておき、溶湯に漬ける際、熱によりガラスが９００℃から１０００℃程度で軟化してガラス層を形成して、溶湯面のガスと基準ガスとを遮断して隔てるようにしてもよい。
In the fourth embodiment, the reference gas reaches the molten metal surface to some extent by circulating the ceramic rope around both sensors and applying the
各実施形態では、水素濃度、酸素濃度を測定するものとしたが、それ以外の溶湯等に接する熱衝撃を緩和したい熱電対等の棒状のセンサやその他の物体に適用することが可能である。 In each embodiment, the hydrogen concentration and the oxygen concentration are measured. However, the present invention can be applied to a rod-shaped sensor such as a thermocouple or other object that wants to alleviate the thermal shock in contact with other molten metal.
１ センサプローブ
２ 固体電解質（水素センサ）
３ 熱電対
４ 保護部（熱衝撃緩和部）
５ 保護管
６ 無機接着剤
７ スリーブ
７ａ スリット
８ 銅粉
９ 保護部（銅粉対応）
９ａ 銅粉注入口
９ｂ 栓
１０ 酸素センサ
１０ａ 支持管
１１ セラミックロープ
1
3
5
9a
Claims (4)
前記センサの前記先端部に保持され、前記溶融金属と同種の金属からなり、前記溶融金属に漬けられることにより前記溶湯金属に溶融して消失する熱衝撃緩和部と、
からなることを特徴とするセンサプローブ。 A rod-shaped sensor whose tip is immersed in molten metal;
A thermal shock relaxation part that is held at the tip of the sensor, is made of the same type of metal as the molten metal, and melts and disappears in the molten metal by being immersed in the molten metal;
A sensor probe comprising:
前記熱衝撃緩和部は前記スリーブの前記開口を覆うように保持されている請求項１又は２に記載のセンサプローブ。 A cylindrical sleeve having an opening at the tip, wherein the sensor is held in the sleeve;
The sensor probe according to claim 1, wherein the thermal shock relaxation part is held so as to cover the opening of the sleeve.
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| JP2013030330A JP2014160005A (en) | 2013-02-19 | 2013-02-19 | Sensor probe |
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- 2013-02-19 JP JP2013030330A patent/JP2014160005A/en active Pending
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