CN113030193B - 一种耐高温高压在线电导率传感器及测量系统 - Google Patents

一种耐高温高压在线电导率传感器及测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高温高压在线电导率传感器及测量系统，涉及电化学传感器技术领域，其技术方案要点是：包括电极套、电极芯体以及与电极套端部连接的电导池，电导池内设置有基座，基座穿设有横向导流孔，电极芯体设置在横向导流孔内；电极芯体包括两个电流电极、两个电压电极以及至少一个温度传感器电极，两个电压电极位于两个电流电极之间；电极套内穿设有与电极对应连接的引线，电极套两端均设有将引线与电极套端口密封的隔离板。本发明采用六电极结构，内置双测温度传感器电极，并实现电流电极和电压电极的分离，消除了杂散电流，避免极化阻抗的影响，电极不受电导池外界的干扰，可达到电导率传感器高灵敏度、长期、快速、高精度测量的要求。

Description

一种耐高温高压在线电导率传感器及测量系统
技术领域
本发明涉及电化学传感器技术领域，更具体地说，它涉及一种耐高温高压在线电导率传感器及测量系统。
背景技术
电导率作为水化学体系的重要指标，通过电导率仪表进行测量，是水化学监测体系中的重要组成，广泛应用于核电厂、火电厂、制药、化工、冶金、环保、水处理、科研等领域。在核反应堆水化学体系的水质监测中，通过对电导率的有效监测，可实现水化学指标的控制，从而降低核反应堆材料的腐蚀。
在电导率测量中，温高压条件下水溶液电导率受到多因素的影响，温度和压力对电导率的测量真实值的影响最为明显，尤其是针对反应堆一回路冷却剂，溶液电导率在高温时比常温时更为敏感，电导率的变化直接关系到核用材料的腐蚀和应力腐蚀行为，对核反应堆关键系统及设备的运行安全性和可靠性产生重要影响。目前，在非高温高压条件下使用的电导率传感器，普通电导率传感器电极的结构通常是将两片铂片烧结在两块平行玻璃片或圆形玻璃管的内壁上玻璃电极，导致电导率传感器承压、耐温能力有限，而现有技术中已设计生产的电导率电极仅可实现在高压低温条件下(压力15.5MPa、温度≤140℃)使用。为此，当前针对高温高压水化学体系中的水质指标(包括对电导率的监测)，通常采取经取样降温降压处理后进行测量，而此种监测方式无法有效保证核反应堆水质运行指标获取的即时性和准确性，从而对核反应堆水质运行的有效监测和控制带来挑战。
基于此，高温高压水环境对电导率传感器的设计和研制提出了更高的要求。目前，高温高压在线电导率传感器研制面临的主要困难表现在以下几个方面：1)电导率受温度影响较大，尤其在测量高温高压溶液电导率时，金属电极与溶液在二者交界面处容易产生电极极化效应，从而影响测量精度；2)在溶液电导率测量时，电压电极与溶液间形成双电层，降低了电导率测量灵敏；3)传感器材料在高温高压条件下稳定性差，降低了测量结果的可靠性和准确性；4)多电极电导池要求每对电极保持严格对称，并相对其他电极的距离固定,对电极基座的加工提出了很高的要求；5)传感器在高温高压条件下密封结构设计不合理或密封材料选择不合适，密封容易失效，并使得电导率传感器受损而造成电导率传感器使用寿命降低。因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的耐高温高压的在线电导率传感器是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种耐高温高压在线电导率传感器及测量系统，能够即时、有效进行电导率的测量，以提高电导率测量准确性，对反馈核反应堆水质运行的真实性及提升水质运行的有效监测和控制具有重要意义。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了一种耐高温高压在线电导率传感器，包括电极套、电极芯体以及与电极套端部连接的电导池，电导池内设置有基座，基座穿设有横向导流孔，电极芯体设置在横向导流孔内；电极芯体包括两个电流电极、两个电压电极以及至少一个温度传感器电极，两个电压电极位于两个电流电极之间；电极套内穿设有与电流电极、电压电极、温度传感器电极一一对应连接的引线，电极套两端均设有将引线与电极套端口密封的隔离板。
进一步的，所述引线突伸出隔离板的部分外设有绝缘层；所述绝缘层由绝缘耐温涂料层和外设的聚四氟乙烯热缩管组成。
进一步的，所述电导池的两端设有凹槽。
进一步的，所述电极套内设有将电导池、电极套密封的第一密封填料层，第一密封填料层位于隔离板背向电导池的一侧。
进一步的，所述第一密封填料层由氧化锆粘合剂、氧化锆砂经压实、烘干、密封形成。
进一步的，所述第一密封填料层背向隔离板的一侧设有第二密封填料层。
进一步的，所述第二密封填料层由普通陶瓷短管与硅酸盐类水泥浆密封填充形成。
进一步的，所述基座采用氧化钇稳定化氧化锆陶瓷材料YSZ，YSZ中的Y2O3掺杂量为9％-25％。
进一步的，所述电极套一端套设有法兰和石墨垫圈，另一端套设有两个锁紧螺母。
第二方面，提供了一种测量系统，包括温度测量模块、电导率测量模块、压力测量模块、转换电路模块、采集电路模块、多路控制模块、CPU模块、存储模块、通信模块，电导率测量模块采用如第一方面中任意一项所述的一种耐高温高压在线电导率传感器；温度测量模块、电导率测量模块、压力测量模块的信号输出端均与转换电路模块的信号输入端连接；转换电路的信号输出端与采集电路模块的信号输入端连接；采集电路模块的信号输出端与多路控制模块的信号输入端连接；CPU模块的信号输出端与多路控制模块、存储模块、通信模块的信号输入端连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用六电极结构，内置双测温度传感器电极，并实现电流电极和电压电极的分离，消除了杂散电流，避免极化阻抗的影响，电极不受电导池外界的干扰，可达到电导率传感器高灵敏度、长期、快速、高精度测量的要求；
2、本发明采用大孔径和短长度的三通式电导池结构设计使得六电极电导率传感器具有很好的冲水性能和频响特性，不需要外加动力，既能实现被测介质的充分交换，可以保证快速电导率测量和足够的空间分辨率；
3、本发明提供的电导池加工方面采用整体车工工艺一次成型六个电极圆环槽，直接制成六个镀铂膜电极，在保证了六个电极对称性的同时并提高了电导池的互换性，在准确度和稳定性方面均比较理想；
4、本发明提供的传感器采用四重密封结构，密封可靠，保证高温高压电导率传感器在高温高压水环境下服役可靠性，能够在300℃高温和15.5MPa高压下长期稳定工作。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例1中的整体结构示意图；
图2是本发明实施例1中的内部结构示意图；
图3是本发明实施例1中电极芯体的分布结构示意图；
图4是本发明实施例2中的系统框图。
附图中标记及对应的零部件名称：
101、电极套；102、法兰；103、石墨垫圈；104、锁紧螺母；105、隔离板；106、引线；107、第一密封填料层；108、第二密封填料层；109、流通池连接端；201、电导池；202、凹槽；203、基座；204、横向导流孔；205、底部导流孔；206、温度传感器电极；207、电流电极；208、电压电极；301、温度测量模块；302、电导率测量模块；303、压力测量模块；304、转换电路模块；305、采集电路模块；306、多路控制模块；307、CPU模块；308、存储模块；309、通信模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例1-2和附图1-4，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1：一种耐高温高压在线电导率传感器，如图1-图3所示，包括电极套101、电极芯体以及与电极套101端部连接的电导池201。电导池201内设置有基座203，基座203穿设有横向导流孔204，电极芯体镶嵌于横向导流孔204内壁。电极芯体包括两个对称设置的电流电极207、两个对称设置的电压电极208以及两个对称设置的温度传感器电极206，两个电压电极208位于两个电流电极207之间；电极套101内穿设有与电流电极207、电压电极208、温度传感器电极206一一对应连接的引线106，电极套101两端均设有将引线106与电极套101端口密封的隔离板105。在本实施例中，电导池201的轴线方向与电极套101的轴线方向相互垂直，基座203、电极芯体均与电导池201同轴设置。
本发明采用交流激励和六电极式的多电极测量体系，可有效减弱极化效应对电导率测量的影响，交流正弦波作为激励源可使电极上通过的电流密度近似为零，从而极大消除电极对溶液的电解作用。六电极测量法将电流电极207和电压电极208分开，并通过电极形状和外围电路的设计使得电压电极208上流过的电流近似为零，并用差分检测的方法除去了电压电极208与溶液间形成的双电层对电压测量的影响，可以得到被测溶液等效电阻两端的准确电压值。
如图2与图3所示，将电流电极207与电压电极208垂直地安装在电导池201的两侧，使电极所在的平面与水平面垂直，可避免杂质在电极表面的沉积及污染物对电导率测量的影响。内置的两个温度传感器电极206使得系统可以实时地对电导率测量进行温度补偿，以提高电导率测量的精度；电导池201两侧各设置一个温度传感器，通过取均值的方法，能更准确地感知整个电导池201的温度；此外，六电极电导率传感器几乎不需要任何维护，由于该传感器为固体电极结构，该结构非常牢固且使用寿命长。
如图2与图3所示，电流电极207、电压电极208、温度传感器电极206均为相邻之间间隔设置的环形电极，环形电极的内壁与横向导流孔204的内壁平滑连接。电压电极208和电流电极207均设计成环形，增强系统的抗污染能力，当有部分电压电极208被污物覆盖时，其他未被覆盖的部分均能感应到正常的电压信号。
如图2所示，电导池201底部设有贯穿基座203后与横向导流孔204连通的底部导流孔205。底部导流孔205与横向导流孔204连通构成开放式的三通结构设计，增加电导率电极在线测量时的通水能力，实现被测介质的充分交换，以保证快速响应和足够的空间分辨率。
为使电导池201具有一定的灵敏度并且便于与转换电路匹配，电导池201常数K值不能太小，六电极电导池201的几何形状和物理尺寸根据电导池201常数确定，包括电导池201长度、内径、外径。在本实施例中，电导池201长15-36mm，内径5-28mm，外径8-30mm，底部导流孔205直径为2-15mm，镶嵌电极的槽的深度为0.1-3mm。其优选的方式为：电导池201长26mm，内径8mm，外径12mm，底部导流孔205直径为3mm，镶嵌电极的槽的深度为0.2mm。
在本实施例中，两个电压电极208之间的中心距离为8.5mm，电压电极208槽宽为1.5mm。为防止外界环境的干扰，电流电极207槽宽设计为3mm，两个电流电极207之间的中心距离为15mm，两个温度传感器电极206之间的中心距离为20mm。每个电极顶端设置有一个供引线106穿过的引孔，采用铂丝作为引线106，6个引线106孔径为0.6mm，引线106上端穿出电极套101部分连接物理导线或直接作为物理导线使用。
引线106突伸出隔离板105的部分外设有绝缘层；绝缘层由绝缘耐温涂料层和外设的聚四氟乙烯热缩管组成。
如图2所示，电导池201的两端设有2mm深的凹槽202，以便把电导池201固定在专用对称模具里进行封装。
如图1与图2所示，在本实施例中，在线电导率传感器的采用四重密封结构设计：第一重密封，通过密封烧结材料及焊料实现电导池201、基座203与引线106之间的密封，并起到绝缘隔离作用，选取线膨胀系数为9.7×10-6(1/℃)的玻璃浆料作为专用的烧结材料，在高温加压下使其与金属材料熔合一体。第二重密封，电极套101内设有将电导池201、电极套101密封的第一密封填料层107，第一密封填料层107位于隔离板105背向电导池201的一侧；第一密封填料层107由氧化锆粘合剂、氧化锆砂经压实、烘干、密封形成。第三重密封，第一密封填料层107背向隔离板105的一侧设有第二密封填料层108，第二密封填料层108由普通陶瓷短管与硅酸盐类水泥浆密封填充形成，其中硅酸盐类水泥：水的比例约为1:1，陶瓷管和水泥浆的体积比约为1:1。在水泥将中加入陶瓷短管可以提高填充物的强度和坚实性。第四重密封，电极套101一端套设有法兰102和石墨垫圈103，法兰102与流通池连接端109之间共同挤压石墨垫圈103实现电极套101与外界环境间的密封，电极套101另一端套设有两个锁紧螺母104，方便对电极套101进行安装与固定。
基座203采用氧化钇稳定化氧化锆陶瓷材料YSZ，YSZ中的Y2O3掺杂量为9％-25％，具有膨胀系数小、高强度、耐高温、高化学稳定性、绝缘特性好，可以保证电导池201的几何尺寸保持不变，降低非金属材料和铂金材料的焊接密封难度。
经测试，本发明提供的耐高温高压在线电导率传感器在300℃、15.5MPa高温高压工况下持续工作1000小时以上。
实施例2：一种测量系统，如图4所示，包括温度测量模块301、电导率测量模块302、压力测量模块303、转换电路模块304、采集电路模块305、多路控制模块306、CPU模块307、存储模块308、通信模块309，电导率测量模块302采用如权利要求1-9任意一项所述的一种耐高温高压在线电导率传感器；温度测量模块301、电导率测量模块302、压力测量模块303的信号输出端均与转换电路模块304的信号输入端连接；转换电路的信号输出端与采集电路模块305的信号输入端连接；采集电路模块305的信号输出端与多路控制模块306的信号输入端连接；CPU模块307的信号输出端与多路控制模块306、存储模块308、通信模块309的信号输入端连接。
本发明在电导率传感器的转换电路上，采用双运放测量方式进行电导率的测量。此种测量方法将电压电极208接至运放的负输入端，电流电极207接至运放的输出端，由于运放工作在深度负反馈状态，因而负输入端的回路上没有电流通过，这样就可以通过控制运放正输入端的电压值来控制待测溶液电阻两端的电压值。再通过测量电流回路中采样电阻上的电压信号，就可以知道回路中流过的电流值，根据电流和电压值，由以下公式计算出溶液的电导率：
Figure BDA0002950947500000061
式中：λ为电导率,单位μS/cm；K为电导池201常数，与四个电极的形状、位置、大小等因素有关；R为电导池201的阻抗；V为R两端的固定压降(即电压电极208之间的电压)，I为通过电流电极207的电流。
此外，电导率传感器的测量精度需要温度与压力传感器测量数据，据此函数建立带有被测水质温度、电导率补偿的数学模式，编制相应的六电极传感器处理软件，存储在传感器内的单片机中，完成温度、压力和电导率的测量。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种耐高温高压在线电导率传感器，其特征是，包括电极套(101)、电极芯体以及与电极套(101)端部连接的电导池(201)，电导池(201)内设置有基座(203)，基座(203)穿设有横向导流孔(204)，电极芯体设置在横向导流孔(204)内；电极芯体包括两个电流电极(207)、两个电压电极(208)以及至少一个温度传感器电极(206)，两个电压电极(208)位于两个电流电极(207)之间；电极套(101)内穿设有与电流电极(207)、电压电极(208)、温度传感器电极(206)一一对应连接的引线(106)，电极套(101)两端均设有将引线(106)与电极套(101)端口密封的隔离板(105)；
电导池(201)底部设有贯穿基座(203)后与横向导流孔(204)连通的底部导流孔(205)。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温高压在线电导率传感器，其特征是，所述引线(106)突伸出隔离板(105)的部分外设有绝缘层；绝缘层由绝缘耐温涂料层和外设的聚四氟乙烯热缩管组成。
3.根据权利要求2所述的一种耐高温高压在线电导率传感器，其特征是，所述电导池(201)的两端设有凹槽(202)。
4.根据权利要求1所述的一种耐高温高压在线电导率传感器，其特征是，所述电极套(101)内设有将电导池(201)、电极套(101)密封的第一密封填料层(107)，第一密封填料层(107)位于隔离板(105)背向电导池(201)的一侧。
5.根据权利要求4所述的一种耐高温高压在线电导率传感器，其特征是，所述第一密封填料层(107)由氧化锆粘合剂、氧化锆砂经压实、烘干、密封形成。
6.根据权利要求4所述的一种耐高温高压在线电导率传感器，其特征是，所述第一密封填料层(107)背向隔离板(105)的一侧设有第二密封填料层(108)。
7.根据权利要求6所述的一种耐高温高压在线电导率传感器，其特征是，所述第二密封填料层(108)由普通陶瓷短管与硅酸盐类水泥浆密封填充形成。
8.根据权利要求1所述的一种耐高温高压在线电导率传感器，其特征是，所述基座(203)采用氧化钇稳定化氧化锆陶瓷材料YSZ，YSZ中的Y2O3掺杂量为9％-25％。
9.根据权利要求1所述的一种耐高温高压在线电导率传感器，其特征是，所述电极套(101)一端套设有法兰(102)和石墨垫圈(103)，另一端套设有两个锁紧螺母(104)。
10.一种测量系统，其特征是，包括温度测量模块(301)、电导率测量模块(302)、压力测量模块(303)、转换电路模块(304)、采集电路模块(305)、多路控制模块(306)、CPU模块(307)、存储模块(308)、通信模块(309)，电导率测量模块(302)采用如权利要求1-9任意一项所述的一种耐高温高压在线电导率传感器；温度测量模块(301)、电导率测量模块(302)、压力测量模块(303)的信号输出端均与转换电路模块(304)的信号输入端连接；转换电路的信号输出端与采集电路模块(305)的信号输入端连接；采集电路模块(305)的信号输出端与多路控制模块(306)的信号输入端连接；CPU模块(307)的信号输出端与多路控制模块(306)、存储模块(308)、通信模块(309)的信号输入端连接。
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