CN102735737B - 一种液态合金氧浓度传感器 - Google Patents

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Abstract

一种液态合金氧浓度传感器，主要包括信号导线，参比电极，工作电极，信号输出设备和固态电解质氧探头。固态电解质氧探头的上端与不锈钢管密封连接，下端插入到氧浓度待测液态合金中；固态电解质氧探头内有液态金属参比电极；有两根金属导线，其中一根金属导线的一端插入到液态金属参比电极中，另一根的一端插入到氧浓度待测液态合金中，两根金属导线的另一端分别与信号输出设备的正极和负极连接，两根金属导线外均套有陶瓷绝缘管，第一根金属导线的陶瓷绝缘管与不锈钢管密封连接。本发明可长时间在线实时测量各种液态合金环境下的氧浓度，同时适用于高温液态合金（如铅铋合金、纯铅等），为实现液态环境下的氧控提供重要的监控参数信息。

Description

一种液态合金氧浓度传感器
技术领域
本发明涉及一种氧传感器，主要用于在线实时检测液态合金中的氧浓度。
背景技术
随着科技水平的提高，液态合金已被广泛应用于核能领域。例如，液态合金已成为加速器驱动次临界系统（ADS）散裂靶兼冷却剂的主要候选结构材料，也是先进快中子反应堆冷却剂重要候选材料。液态合金中的氧浓度过高将使结构材料发生氧化腐蚀，而氧浓度过低又不足以在结构材料表面形成氧化膜起到保护作用反而会发生结构材料组分元素的溶解腐蚀或液态合金沿材料晶界渗透导致的晶间脆化。因此，需要将液态合金中的氧含量控制在一定浓度范围内，以有效减小液态合金对结构材料的腐蚀，延长结构材料的使用寿命。
高精度氧传感器是实现氧浓度精确测量的关键部件。本发明的氧传感器类型为浓差型氧化锆氧传感器，其核心部件为YSZ管，YSZ管内表面与氧浓度饱和的参比电极接触，外表面与氧浓度待测的液态合金接触，并用两根金属导线分别与内参比电极和待测液态合金接触，另一端分别接信号输出设备。氧传感器的工作原理是基于电化学原电池的原理，利用高温离子导电而无电子导电的特性，实验温度在350℃以上时，固态电解质两测的氧分压不同而产生浓差电势，由于氧传感器置于液态合金环境下测试，实验环境比较苛刻，所以氧传感器必须保证严格密封，并且需要较强的抗冲击性能和机械性能。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种液态合金氧浓度传感器，能够精确实时测量液态合金中的氧浓度，为控制液态合金中的氧浓度提供必要的实验条件。
本发明的技术方案如下：一种液态合金氧浓度传感器，包括固态电解质氧探头1，所述固态电解质氧探头1的上端与不锈钢管4密封连接，下端插入到氧浓度待测液态合金9中；固态电解质氧探头1内有液态金属参比电极2；有两根金属导线3，其中一根金属导线3的一端插入到液态金属参比电极2中，另一根金属导线3的一端插入到氧浓度待测液态合金9中，两根金属导线3的另一端分别与信号输出设备8的正极和负极连接，两根金属导线3外均套有陶瓷绝缘管5，插入到液态金属参比电极2中一根金属导线3的陶瓷绝缘管5与不锈钢管4密封连接。
所述固态电解质氧探头1底部呈圆弧型，在350℃以上只允许氧离子通过，材质类型为氧化钇稳定型氧化锆陶瓷管，即：YSZ管，其中掺杂氧化钇的范围为8wt％-18wt％。
所述液态金属参比电极2为金属铋，同时掺杂5wt％-15wt％的三氧化二铋。
所述金属导线3采用在300-550℃高温下具有抗氧化性的金属钼。
所述固态电解质氧探头1与不锈钢管4密封采用金属焊接密封，能够耐高温至550℃。
所述信号输出设备8采用伏特计，所述伏特计阻抗要求≥1012Ω。
所述液态合金氧浓度传感器需在零电流条件下进行测量液态合金中的氧浓度。
所述液态合金氧浓度传感器测量精度为10-10wt％；测量量程为10-4wt％-10-10wwt％。
所述液态合金氧浓度传感器内部与外界大气隔绝，以防止液态金属参比电极2中的金属铋过量氧化而大大缩短氧传感器的使用寿命。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）本发明采用电化学原电池原理，以氧浓度饱和的液态金属作为参比电极，氧浓度待测液态合金作为测量电极，氧化钇掺杂量为8wt％-18wt％的YSZ管作为固态电解质，350℃以上只允许氧离子通过，同时采用高阻抗的信号输出设备大大减小了电子参与电荷传导的几率；金属导线外套有陶瓷绝缘管以防止信号的泄露，可精确测量液态合金中的氧浓度，为控制液态合金中的氧浓度提供必要的实验条件，减小与液态合金相接触的结构材料的腐蚀作用。
（2）现有技术中因采用机械密封等其他密封技术使得仪器结构复杂、使用寿命短，本发明中的固态电解质氧探头与不锈钢管之间采用金属焊接密封技术，仪器结构简单，方便操作，同时延长了仪器的使用寿命，可以长时间在线实时测量液态合金（如铅铋合金、纯铅等）中的氧浓度，为实现液态合金环境下的氧控提供重要的监控参数信息。
附图说明
图1为本发明的结构剖视图；
图2为本发明在液态合金中的测试图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括固态电解质氧探头1，探头呈试管形状，在350℃以上只允许氧离子通过，类型为氧化钇稳定型氧化锆陶瓷管，底部呈圆弧型，其中掺杂氧化钇含量为8wt％-18wt％；位于固态电解质氧探头1内的液态金属参比电极2为金属铋，同时掺杂5wt％-15wt％的三氧化二铋；金属导线3是在300-550℃具有良好的抗氧化性的金属钼。固态电解质氧探头1的上端与不锈钢管4密封连接，采用金属焊接密封技术，可耐高温至550℃；金属导线外面的陶瓷绝缘管5，用于防止信号的泄露；与不锈钢管4相连接的环状金属塞6，环状金属塞内侧连有陶瓷绝缘塞7，使氧传感器内部与外界大气隔绝。
如图2所示，为氧传感器的测试示意图，包括固态电解质氧探头1和位于其内的液态金属参比电极2，金属导线3，与固态电解质相连接的不锈钢管4，固态电解质氧探头与不锈钢管之间采用金属焊接密封技术，两根金属导线外面的均套有陶瓷绝缘管5，信号输出设备8采用伏特计，所述伏特计阻抗要求≥1012Ω，以便在零电流条件下进行测量液态合金中的氧浓度；分别插入到液态金属参比电极2和待测液态铅铋合金9内的两根金属导线与信号输出设备8的正极和负极相连接。
如图1所示，测量时，先将待测液态合金9缓慢加热到350℃以上，然后将固态电解质氧探头1插入到液态合金9内部并保温一段时间后，根据固态电解质氧探头1内外两侧的氧浓度不同，氧离子将穿过固态电解质氧探头1从高氧浓度一侧迁移到低氧浓度一侧，达平衡后形成稳定的浓差电势，从而通过信号输出设备8可以读取稳定的电压信号，根据能斯特方程推算可得液态合金9中的氧浓度。
本发明氧传感器的主要性能参数为：氧传感器实验温度范围为：350-550℃；氧传感器测量精确度为：10-10wt％，测量量程为10-4wt％-10-10wt％。通过试验证明，本发明能够完全精确实时测量液态合金中的氧浓度。
本发明未详细阐述属于本领域公知技术。
以上所述仅是本发明的实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种液态合金氧浓度传感器，其特征在于：包括固态电解质氧探头(1)，所述固态电解质氧探头(1)的上端与不锈钢管(4)密封连接，下端插入到氧浓度待测液态合金(9)中；固态电解质氧探头(1)内有液态金属参比电极(2)；有两根金属导线(3)，其中一根金属导线(3)的一端插入到液态金属参比电极(2)中，另一根金属导线(3)的一端插入到氧浓度待测液态合金(9)中，两根金属导线(3)的另一端分别与信号输出设备(8)的正极和负极连接，两根金属导线(3)外均套有陶瓷绝缘管(5)，插入到液态金属参比电极(2)中一根金属导线(3)的陶瓷绝缘管(5)与不锈钢管(4)密封连接；
所述固态电解质氧探头(1)底部呈圆弧型，在350℃以上只允许氧离子通过，材质类型为氧化钇稳定型氧化锆陶瓷管，即：YSZ管，其中掺杂氧化钇的范围为8wt％-18wt％；
所述液态金属参比电极(2)为金属铋，同时掺杂5wt％-15wt％的三氧化二铋；
固态电解质氧探头(1的上端与不锈钢管(4)密封连接，采用金属焊接密封技术，耐高温至550℃；金属导线外面的陶瓷绝缘管(5)，用于防止信号的泄露；与不锈钢管(4)相连接的环状金属塞(6)，环状金属塞内侧连有陶瓷绝缘塞(7)，使氧传感器内部与外界大气隔绝；
所述金属导线(3)采用在300-550℃高温下具有抗氧化性的金属钼；、
所述液态合金氧浓度传感器内部与外界大气隔绝，以防止液态金属参比电极(2)中的金属铋过量氧化而大大缩短氧传感器的使用寿命。
2.根据权利要求1所述的液态合金氧浓度传感器，其特征在于：所述信号输出设备(8)采用伏特计，所述伏特计阻抗要求≥1012Ω。
3.根据权利要求1所述的液态合金氧浓度传感器，其特征在于：所述液态合金氧浓度传感器需在零电流条件下进行测量液态合金中的氧浓度。
4.根据权利要求1所述的液态合金氧浓度传感器，其特征在于：所述液态合金氧浓度传感器测量精度为10-10wt％。
5.根据权利要求1所述的液态合金氧浓度传感器，其特征在于：所述液态合金氧浓度传感器测量量程为10-4wt％-10-10wt％。
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