Притискний контактний пристрій для електричних вимірів у високотемпературному газовому середовищі

Реферат: Притискний контактний пристрій для електричних вимірів у високотемпературному (до 1000 °C) газовому середовищі містить зафіксовані у нижньому і верхньому тримачах відповідно нижній і верхній кільцевидні контакти зі встановленим між ними дисковим анодом керамічної паливної комірки. Тримач нижнього кільцевидного контакту своєю нижньою вгнутою сферичною поверхнею створює шарнірну пару з торцевою випуклою сферичною поверхнею на вертикально розміщеному керамічному опорному циліндрі, а до тримача верхнього кільцевидного контакту, який через триплечий пружний елемент центрується відносно осі опорного циліндра, закріплений на шарнірі вантаж, який за умови відхилення центру його маси від осі опорного циліндра приводить рухомі елементи пристрою в стан рівноваги з розміщенням їх вздовж осі опорного циліндра. Технічним результатом є забезпечення самоцентрування рухомих елементів уздовж осі опорного циліндра, що зумовлює дотикання контактних елементів всією контактною площею до плоских поверхонь анода, забезпечуючи необхідну точність вимірювання його електричного опору та інваріантність результатів експерименту. UA 108810 C2 UA 108810 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до фізико-механічних методів дослідження матеріалів, зокрема може бути використаний для вимірювання електричного опору (електропровідності) матеріалів анодів керамічних паливних комірок (КПК) під час їх обробки у високотемпературному газовому середовищі за одночасного прикладання до них механічного навантаження з метою формування структури анода КПК з покращеними фізико-механічними властивостями. Найвживанішим на сьогодні є метод визначення електропровідності матеріалів КПК за чотириточковою схемою, який полягає у вимірюванні за заданої сили постійного струму падіння потенціалу між заданими точками зразка у двох взаємно перпендикулярних напрямках [1]. Він не вимагає точного центрування зразка матеріалу відносно електричних контактів. Різноманіття приладів, у яких закладено цей метод, за рідкісними винятками не передбачає вимірювань за високої (до 800 °C) температури. Відомим є затискний пристрій для вимірювання електропровідності анодів КПК, у якому на плоску анодну поверхню дискової КПК високотемпературною золотовмісною електропровідною пастою прикріплюють за схемою квадратного масиву чотири золоті пластинчасті контакти, далі затискають комірку з плоских боків фланцевими відводами з кераміки для подачі середовища в робочу зону комірки [2]. Він дозволяє вимірювати електропровідність анодів КПК за високої (до 800 °C) температури. Недоліком відомого пристрою є непристосованість для прикладання механічного навантаження з метою дослідження ресурсу роботи (довговічності) анода. Відомим також є самоцентрувальний гідравлічний затискний пристрій для випробування кераміки на розтяг, у якому навантаження прикладається вздовж осі зразка без виникнення напружень згину [3]. Пристрій містить множину рівномірно розміщених по колу гідравлічних пістонів, до яких прикладається певний тиск від гідравлічної мережі і які своїми напівсферичними торцями тиснуть на циліндричний фланець із концентрично встановленим у ньому зразком. Завдяки врівноваженню гідравлічною системою моментів сил від пістонів у будьякій площині зразка, що проходить через його вісь, на етапі навантаження та множинності таких площин, утворених рівномірно розміщеними по колу пістонами, сума моментів сил від пістонів дорівнює нулю, що свідчить про розміщення рівнодійної сил від пари таких пристроїв уздовж осі зразка. Недоліком відомого пристрою є обмежений температурний діапазон роботи гідравлічної системи, що не дозволяє використовувати його за високої температури (до 800 °C), а також непристосованість для вимірювання електричного опору зразка. Найбільш близьким за технічною суттю до пропонованого технічного рішення є пристрій для дослідження міцності дискових зразків кераміки в умовах двовісного згину за схемою кільцекільце за високої (до 800 °C) температури в технологічному водневомісному середовищі КПК, який дає можливість безперервно вимірювати в часі фізичні характеристики матеріалу (питомий опір, електропровідність) [4]. Дисковий зразок утримують концентрично обмежувачі на нижньому опорному кільці й навантажує верхнє опорне кільце. Нижнє кільце зафіксоване у нижньому тримачі, а верхнє - через ізоляційну вкладку у верхньому тримачі, концентрично до нижнього. Дріт електричного кола проходить до тераомметра моделі Е6-13А з одного боку від верхнього опорного кільця через ізоляційну вкладку у верхньому тримачі, з іншого - від нижнього опорного кільця через нижній тримач. Торцеві поверхні опорних кілець під час навантаження зразка замикають контакти електричного кола, на які тераомметром подається напруга 100В. За таким принципом безперервно реєструють у часі поточні значення електроопору зразка. Пристрій встановлений усередині ніхромової спіралі, яка забезпечує нагрівання зразка до 800 °C за 5-10 хв. Завдяки виконанню основних конструктивних елементів із жаростійкої нержавіючої сталі й кераміки та прикладенню контактів за схемою кільце-кільце, порівняно з розглянутими вище аналогами технологічні можливості цього пристрою розширюються. Недоліком відомого пристрою є жорстке центрування нижнього і верхнього опорних кілець, яке передбачає певну систематичну похибку центрування. Крім цього, якщо плоскі поверхні дискового зразка непаралельні, внаслідок жорсткого закріплення опорних кілець одне з них контактує зі зразком тільки по лінії, а не по всій торцевій поверхні, що спричиняє суттєву похибку вимірювань електричного опору. Така конструкція пристрою не дозволяє прикладати до зразка постійне навантаження простим підвішуванням вантажу, чим унеможливлює дослідження ресурсу роботи (довговічності) зразка під експлуатаційним напруженням. Також матеріали конструктивних елементів пристрою не передбачають його застосування для досліджень за температури понад 800 °C у високоагресивних газових середовищах. Таким чином, відомий пристрій не забезпечує достатню точність вимірювання електричного опору зразка, повторюваність та інваріантність результатів експерименту, не забезпечує дослідження ресурсу роботи (довговічності) зразка під експлуатаційним напруженням. 1 UA 108810 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення вимірювання електричного опору дискового анода КПК, у якому нове конструктивне виконання контактних елементів забезпечує їхнє самоцентрування разом з анодом, що одночасно зумовлює їхнє дотикання всією контактною площею до його плоских поверхонь, а отже забезпечує необхідну точність вимірювання електричного опору анода, повторюваність та інваріантність результатів експерименту, забезпечує дослідження ресурсу роботи (довговічності) анода під експлуатаційним напруженням за температури понад 800 °C у високоагресивних газових середовищах, тобто ефективніше дослідження матеріалу за широкого спектра умов випробувань. Поставлена задача вирішується тим, що основні конструктивні елементи притискного контактного пристрою, розташованого всередині ніхромової спіралі електричного нагрівання, виготовлені з жаростійкої нержавіючої сталі. Пристрій містить зафіксовані у нижньому і верхньому тримачах відповідно нижній і верхній кільцевидні контакти зі встановленим між ними дисковим анодом, що послідовно замикають відводи електричного сигналу до приладу безперервної реєстрації в часі поточних значень електричного опору анода. Згідно з пропонованим винаходом новим є те, що тримач нижнього кільцевидного контакту своєю нижньою вгнутою сферичною поверхнею утворює шарнірну пару з торцевою випуклою сферичною поверхнею на вертикально розміщеному керамічному опорному циліндрі; тримач верхнього кільцевидного контакту через триплечий пружний елемент центрується відносно осі опорного циліндра; до цього тримача осесиметрично закріплений вантаж на шарнірі нижче точок контакту пружного елемента з опорним циліндром. Таке виконання пропонованого притискного контактного пристрою забезпечує за умови відхилення центру маси вантажу від осі опорного циліндра більший момент сил, ніж сума моментів сил дискового анода та тримачів нижнього і верхнього кільцевидних контактів із самими контактами, приводячи ці рухомі елементи пристрою в стан рівноваги з розміщенням їх вздовж осі опорного циліндра. Це забезпечує самоцентрування контактних елементів пристрою разом з анодом. Крім того, у варіанті прикладання вантажу до важеля результуюча сила діє на вилку, осесиметрично закріплену на шарнірі нижче точок контакту пружного елемента з опорним циліндром, і за умови відхилення її осі від осі опорного циліндра створює більший момент сил, ніж сума моментів сил рухомих елементів пристрою. Це приводить елементи пристрою в стан рівноваги з розміщенням їх вздовж осі опорного циліндра та викликає за схемою двовісного згину в оброблюваному дисковому аноді рівень напружень, еквівалентний експлуатаційному в серійній КПК. Це також зумовлює дотикання елементів всією контактною площею до плоских поверхонь анода, що забезпечує необхідну точність вимірювання електричного опору анода, повторюваність та інваріантність результатів експерименту. Після прикладання вантажу до важеля створюється можливість моніторингу електричного опору із одночасним дослідженням ресурсу роботи (довговічності) анода під експлуатаційним напруженням. Виготовлення елементів пристрою з жаростійких, малочутливих до впливу корозивних середовищ матеріалів дозволяє проводити випробування за температури до 1000 °C у високоагресивних газових середовищах. На фіг. 1 подано загальний вигляд притискного контактного пристрою для вимірювання електричного опору дискового анода КПК під час його обробки у високотемпературному газовому середовищі. На фіг. 2 подано варіант прикладання вантажу у притискному контактному пристрої для вимірювання електричного опору за одночасної дії механічного навантаження. На фіг. 3 подано кінематичні схеми розподілу сил і реакцій у основних вузлах пристрою для незрівноваженого (а) і зрівноваженого (б) стану. У запропонованому пристрої (фіг. 1) дисковий анод 1 встановлений своїми плоскими поверхнями між закріпленими осесиметрично на торцях нижнього 2 і верхнього 3 тримачів кільцевидних контактів пристрою нижнім 4 і верхнім 5 трубчастими кільцевидними контактами й центрується обмежувачами 6. Нижній тримач 2 припасований нижньою вгнутою сферичною поверхнею до верхньої випуклої сферичної торцевої поверхні вертикально розміщеного керамічного опорного циліндра 7. Верхній тримач 3 через триплечий пружний елемент 8 центрується відносно твірної поверхні опорного циліндра 7, жорстко встановленого у гнізді основи 9. До верхнього тримача 3 через перекладину 10, кульовий шарнір 11 і гвинт 12 нижче точок контакту пружного елемента 8 із опорним циліндром 7 осесиметрично закріплений вантаж 73. До нижнього 4 і верхнього 5 трубчастих кільцевидних контактів приєднані відповідно нижня 14 і верхня 15 пари пружних відводів електричних сигналів. Для одночасного моніторингу фізичних і механічних характеристик передбачено варіант прикладання вантажу (фіг. 2), у якому сила, що створюється важільною системою і збільшена з 2 UA 108810 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 певною кратністю від маси вантажу 13, який закріплений на стержні 16 до важеля 17 із циліндричною шарнірною опорою 18, осесиметрично прикладається до верхнього тримача 3 за допомогою циліндричного шарніра 19 і вилки 20 через кульовий шарнір 11 і перекладину 10. Пристрій діє наступним чином. Тримач 2 нижнього кільцевидного контакту своєю нижньою вгнутою сферичною поверхнею утворює шарнірну пару з торцевою випуклою сферичною поверхнею на вертикально розміщеному керамічному опорному циліндрі 7, а прикладений до тримача 3 верхнього кільцевидного контакту, що своєю внутрішньою циліндричною поверхнею через триплечий пружний елемент 8 центрується відносно осі опорного циліндра 7, осесиметрично закріплений на шарнірі 11 нижче точок контакту пружного елемента 8 з опорним циліндром 7 вантаж 13 створює за умови відхилення центру його маси від осі опорного циліндра 7 більший момент сил, ніж сума моментів сил дискового анода 1 та тримачів 2 і 3 нижнього і верхнього кільцевидних контактів із самими контактами 4 і 5, приводячи ці рухомі елементи пристрою в стан рівноваги з розміщенням їх вздовж осі опорного циліндра 7 (фіг. 1). Таким чином нижній 4 і верхній 5 кільцевидні контакти самоцентруються осесиметрично з дисковим анодом 1, що зумовлює їхнє дотикання всією контактною площею до плоских поверхонь анода 1. Для варіанта з важільною системою (фіг. 2) прикладена до вилки 20 сила, крім створення моменту сил для зрівноваження всіх рухомих елементів пристрою за умови відхилення осі вилки 20 від осі опорного циліндра 7, викликає за схемою двовісного згину в дисковому аноді 1 заданий рівень механічних напружень. Таким чином здійснюють моніторинг електричного опору дискового анода 1 за одночасної дії експлуатаційного напруження. Розглянемо принцип дії запропонованого пристрою на кінематичній схемі (фіг. 3). Стрілками, що прикладені в центах мас рухомих елементів і вузлів пристрою, схематично позначено вагу анода РА, нижнього тримача разом із контактом РН, верхнього тримача разом із контактом РВ, навантаження Рз та рівнодійної реакцій сил R. У незрівноваженому стані (а) вісь верхнього тримача разом із контактом відхилена від осі опорного циліндра на кут 0, Навантаження Рз створює відносно точки О (місця контакту верхнього тримача через триплечий пружний елемент із опорним циліндром) більший момент сил, ніж сума моментів від рухомих елементів і вузлів пристрою: MЗ > МА + МН + МВ, де Мз - момент сил від навантаження Рз; МА - момент сил від ваги анода РА; МН - момент сил від ваги нижнього тримача разом із контактом РH; Мв - момент сил від ваги верхнього тримача разом із контактом РВ. Тоді відбувається узгоджене переміщення рухомих елементів і вузлів пристрою до стану рівноваги (б), за якого рівнодійна сил розміщена на осі опорного циліндра, а сума моментів сил рівна нулю. Так само зрівноважуються рухомі елементи і вузли пристрою у варіанті з важільною системою для моніторингу електричного опору дискового анода за одночасної дії механічних напружень. Якщо потрібно здійснювати моніторинг електричного опору дискового анода 1 із неполірованими чи полірованими плоскими поверхнями за температури до 1000 °C у високоагресивних газових середовищах, зокрема сумішах водню з сірководнем і аміаком, то нижній 4 і верхній 5 трубчасті кільцевидні контакти виготовляють з платини і плоско зішліфовують їх до рівня, що становить 0,5-0,7 діаметра трубки. Відкриті порожнини кільцевидних контактів 4 і 5 заповнюють високотемпературною контактною пастою. Тримачі 2 і 3 кільцевидних контактів виготовляють з кераміки, а триплечий пружний елемент 8, обмежувачі 6 та нижню 14 і верхню 15 пари пружних відводів електричних сигналів - з платини (фіг. 1, 2). Використання винаходу дозволить перед нанесенням на анод функціональних шарів паливної комірки (електроліту і катода) дослідити кінетику його електричного опору в процесі як однократного відновлення, так і циклічної відновлювально-окиснювальної чи іншої високотемпературної обробки, на підставі цих результатів оптимізувати технологічні режими обробки анода й створити матеріал із оптимальним поєднанням фізико-механічних властивостей. Джерела інформації: 1. Van der Pauw L.J. A method of measuring specific resistivity and hall effect of discs of arbitrary shape //Philips Research Reports. - 1958. - 13. - P. 1-9. 2. Demircan О., Xu С, Zondlo J., and Finklea H. O. In situ Van der Pauw measurements of the Ni/YSZ anode during exposure to syngas with phosphine contaminant //Journal of Power Sources. 2009. - 194. - P. 214-219. 3 UA 108810 C2 5 3. US Patent. Self-aligning hydraulic piston assembly for tensile testing of ceramic /К. С. Liu. - № 4686860 A, Aug. 18, 1987. 4. Vasyliv B.D. A procedure for the investigation of mechanical and physical properties of ceramics under the conditions of biaxial bending of a disk specimen according to the ring-ring scheme //Materials Science. - 2009. - 45, № 4. - P. 571-575. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 1. Притискний контактний пристрій для електричних вимірів у високотемпературному газовому середовищі, який містить зафіксовані у нижньому і верхньому тримачах відповідно нижній і верхній трубчасті кільцевидні контакти зі встановленим між ними дисковим анодом керамічної паливної комірки, при цьому трубчасті кільцевидні контакти через пружні відводи електричних сигналів послідовно приєднані до приладу безперервної реєстрації в часі поточних значень електричного опору анода, який відрізняється тим, що оснащений вертикально розміщеним керамічним опорним циліндром з торцевою випуклою сферичною поверхнею, при цьому тримач нижнього трубчастого кільцевидного контакту має нижню увігнуту сферичну поверхню, що утворює шарнірну пару з торцевою випуклою сферичною поверхнею опорного циліндра, крім того тримач верхнього трубчастого кільцевидного контакту оснащений триплечим пружним елементом для центрування відносно осі опорного циліндра та закріпленим на ньому на кульовому шарнірі вантажем. 2. Притискний контактний пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що в кульовому шарнірі осесиметрично встановлена вилка, яка через циліндричний шарнір і важіль зв'язана з вантажем. 3. Притискний контактний пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що нижній і верхній трубчасті кільцевидні контакти виготовлені з платини, плоско зішліфовані до рівня, що становить 0,5-0,7 їх діаметра, а їхні відкриті порожнини заповнені високотемпературною контактною пастою, при цьому тримачі трубчастих кільцевидних контактів виготовлені з кераміки, а триплечий пружний елемент і пружні відводи електричних сигналів - з платини. 4 UA 108810 C2 5 UA 108810 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6