CN113390938A - 一种安全防护型液态金属氧传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种安全防护型液态金属氧传感器，利用陶瓷管防护罩的结构设计、保护电路设计等，对氧传感器薄弱部位‑陶瓷管完整性进行主动防护、对破裂情况实时监测并及时采取隔离措施以应对安全风险，从主动防御与风险应对两方面考虑避免引发的泄露带来的安全等事故。陶瓷管防护罩采用流线型交错设计，以防御高速流动的液态金属对陶瓷管的冲击破坏作用。在陶瓷管破裂的极端事故工况下，高压液态金属进入陶瓷管部分，防护电路导通，用于泄露事故报警的警示灯点亮，同时电磁体开始工作，保护罩在电磁力作用下移动并将陶瓷管与外部液态金属隔离，防止高温高压液态金属通过破裂陶瓷管上涌并喷射至外部区域的安全风险。

Description

一种安全防护型液态金属氧传感器
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其是一种用于液态金属中具有安全防护性能的氧传感器。
背景技术
液态金属作为第四代核能系统的主要候选冷却剂之一，在世界范围内得到广泛研究，例如金属钠作为钠冷快堆的冷却剂，铅/铅铋合金作为铅基堆的冷却剂材料，相关冷却剂关键技术研究为液态金属应用奠定了基础。其中冷却剂化学工艺作为一项关键技术需要对冷却剂化学成分进行有效控制，尤其是对冷却剂钠、铅、铅铋合金溶解氧浓度及氧化物杂质成分控制。实现氧浓度控制的前提是对氧浓度进行精确测量，目前发展的氧测量技术所用的氧传感器探头为氧化锆掺杂陶瓷，在高温高流速的冷却剂工作环境中存在冲击破裂而导致信号失效风险，并存在由于陶瓷破裂而导致高温液态金属喷溅、泄露和引发相应事故(如钠火、爆炸等)风险的概率。
目前国际上对冷却剂用氧传感器研发主要侧重在信号的准确性、稳定性等层面，在安全及阻断事故风险方面设计较少报道。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有安全防护性能的氧传感器。在主动防御方面，采用流线型交错设计的陶瓷管防护罩，以减缓高速液态金属对陶瓷管的冲击力，降低陶瓷管的破裂风险，提高氧传感器服役寿命；在风险应对方面，当出现陶瓷管破裂的极端事故工况下，高压液态金属进入陶瓷管部分，防护电路导通，警示灯点亮报警，同时电磁体工作，保护罩在电磁力作用下移动并将陶瓷管与外部液态金属隔离，防止高温、高压液态金属通过破裂陶瓷管上涌并喷射至外部区域。一种安全防护型液态金属氧传感器从主动防御与风险应对两方面有效避免了可能出现的泄露问题带来的安全等事故。
本发明解决上述的技术问题采用的技术方案是：一种安全防护型液态金属氧传感器，包括氧测量功能单元，安全防护单元；
所述氧测量功能单元包括氧传感器金属结构件、陶瓷管、氧传感器参比电极、氧传感器导线和第一引线接头，氧电压信号由氧传感器导线与氧传感器参比电极连接引出实现传导；
安全防护单元包括法兰、磁性金属块、导管、导磁体、电磁线圈、泄露报警电路导线、直流电源、警示灯、提示灯、保护提示电路导线、直流电源、第二引线接头、金属连接杆、陶瓷管防护罩、金属保护罩；
所述氧传感器金属结构件上端设置一圈环形导磁体，环形导磁体中设置有两个圆柱形凹槽，凹槽中放置由漆包线绕制的电磁线圈；所述环形导磁体下方连接有两个导管，磁性金属块与金属保护罩之间由金属连接杆刚性连接以实现整体上下移动；所述环形导磁体所用材料为同时具备导磁导电的金属材料。
进一步的，所述陶瓷管设置在氧传感器金属结构件下方，氧传感器参比电极设置在陶瓷管内部前端，氧传感器参比电极连接到氧传感器导线，氧传感器导线通过第一引线接头从氧传感器金属结构件上方引出。
进一步的，直流电源的一端通过金属导线穿过第一引线接头连接到氧传感器金属结构件内部，另一端连接到警示灯的一端，警示灯的的另一端通过导线连接到导磁体的凹槽中的电磁线圈的一个抽头；电磁线圈的另一端通过导磁体导电连接到氧传感器金属结构件的外壁；正常工作状态下，所述电磁线圈没有电流通过。
进一步的，直流电源的一端连接到导磁体外壁，另一端连接有提示灯，保护提示电路导线的一端连接到所述提示灯，保护提示电路导线的另一端通过第二引线接头引出到导管内部且悬空，用于当磁性金属块进行接触或断开。
进一步的，金属保护罩为上端开口的桶状体，磁性金属块与金属保护罩之间由金属连接杆连接，在电路断开状态下磁性金属块与导磁体处于分离状态。
进一步的，陶瓷管防护罩采用流线型交错设计，陶瓷防护罩包括多个导流叶片，导流叶片之间设置有导流通道，叶片截面形状由流畅的弧线组合而成，靠近陶瓷管的部分为加厚设计以加强自身抗冲击应力避免叶片变形而影响防护效果。
进一步的，陶瓷管破裂出现液态金属泄漏时，液态金属进入陶瓷管内部，泄露警示与电磁功能电路导通，由氧传感器金属结构件、导磁体、电磁线圈、泄露报警电路导线、直流电源、警示灯、泄露到陶瓷管中的液态金属以及相连的外部液态金属组成闭合回路；警示灯亮并报警，电磁线圈与导磁体形成稳定电磁场，磁性金属块受到电磁力作用在导管内与导磁体相连，同步带动金属保护罩提升，金属保护罩与氧传感器金属结构件衔接，隔离金属保护罩外部的液态金属。
进一步的，磁性金属块受到电磁力作用与导磁体相连后，保护提示电路导线磁性金属块接触导通，防护提示电路导通，由导磁体、磁性金属块、提示灯、保护提示电路导线、直流电源组成闭合回路，提示灯亮，保护工作完成。
进一步的，第二引线接头安装在导管侧面，起到隔绝保护提示电路导线与导管的电导通作用。
进一步的，在发生陶瓷管破裂的极端事故工况下，液态金属进入陶瓷管内部，设计的保护电路导通后在电与磁的综合作用下实现液态金属泄露的报警提示与主动隔离，避免出现高温高压液态金属由于压力差作用下向上喷出带来安全问题。陶瓷管防护罩采用流线型交错设计，以对高速流动的液态金属在流经陶瓷管之前进行充分减速，从而对流体冲击陶瓷管而带来的破裂风险起到主动防御作用。
本发明与现有技术相比具有的优势如下：
1)该装置采用主动防御与风险应对两方面考虑避免引发的泄露带来的安全等事故。其中主动防御利用对陶瓷防护罩的流线型交错设计对高流速液态进行减速，以避免冲击力对陶瓷的破坏风险；风险应对方面，在陶瓷管破裂事故工况下电路导通后电与磁的综合作用实现液态金属泄露的报警提示与主动隔离，避免液态金属在压力差作用下喷出导致的安全问题。
2)电路导通后，电磁体启动与磁性金属块连接，磁性金属块通过金属连杆带动金属保护罩提升，从而实现陶瓷管部分密封，与液态金属隔离。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明中陶瓷管防护罩的俯视图；
图3为本发明中陶瓷管防护罩的立体图。
其中：氧传感器参比电极1、陶瓷管2、氧传感器金属结构件3、氧传感器导线4、法兰5、磁性金属块6、导管7、导磁体8、电磁线圈9、第一引线接头10、泄露报警电路导线11、直流电源12、警示灯13、提示灯14、保护提示电路导线15、直流电源16、第二引线接头17、金属连接杆18、陶瓷管防护罩19、金属保护罩20。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明提出一种安全防护型液态金属氧传感器，利用结构设计、保护电路设计等，对陶瓷管完整性进行主动防护、对破裂情况实时监测并及时采取隔离措施以应对安全风险等，从主动防御与风险应对两方面采取有效措施以避免泄露带来的安全等事故，同时可有效提高氧传感器服役寿命。
如图1所示，一种安全防护型液态金属氧传感器，包括氧测量功能单元，安全防护单元；
所述氧测量功能单元包括氧传感器金属结构件3、陶瓷管2、氧传感器参比电极1、氧传感器导线4和第一引线接头10，氧电压信号由氧传感器导线4与氧传感器参比电极1连接引出实现传导；
安全防护单元包括法兰5、磁性金属块6、导管7、导磁体8、电磁线圈9、泄露报警电路导线11、直流电源12、警示灯13、提示灯14、保护提示电路导线15、直流电源16、第二引线接头17、金属连接杆18、陶瓷管防护罩19、金属保护罩20；
所述氧传感器金属结构件3上端设置一圈环形导磁体8，环形导磁体中设置有两个圆柱形凹槽，凹槽中放置由漆包线绕制的电磁线圈9；所述环形导磁体8下方连接有两个导管7，磁性金属块6与金属保护罩20之间由金属连接杆18刚性连接以实现整体上下移动；所述环形导磁体8所用材料为同时具备导磁导电的金属材料。
所述陶瓷管2设置在氧传感器金属结构件3下方，氧传感器参比电极1设置在陶瓷管2内部前端，氧传感器参比电极1连接到氧传感器导线4，氧传感器导线4通过第一引线接头10从氧传感器金属结构件3上方引出。
直流电源12的一端通过金属导线穿过第一引线接头10连接到氧传感器金属结构件3内部，另一端连接到警示灯13的一端，警示灯13的另一端通过导线连接到导磁体8的凹槽中的电磁线圈9的一个抽头；电磁线圈9的另一端通过导磁体8导电连接到氧传感器金属结构件3的外壁；正常工作状态下，所述电磁线圈9没有电流通过。
直流电源16的一端连接到导磁体8外壁，另一端连接有提示灯14，保护提示电路导线15的一端连接到所述提示灯14，保护提示电路导线15的另一端通过第二引线接头17引出到导管7内部且悬空，用于当磁性金属块6进行接触或断开。
陶瓷管2破裂出现液态金属泄漏时，液态金属进入陶瓷管2内部，泄露警示与电磁功能电路导通，由氧传感器金属结构件3、导磁体8、电磁线圈9、泄露报警电路导线11、直流电源12、警示灯13、泄露到陶瓷管2中的液态金属以及相连的外部液态金属组成闭合回路；警示灯13亮并报警，电磁线圈9与导磁体8形成稳定电磁场，磁性金属块6受到电磁力作用在导管7内与导磁体8相连，同步带动金属保护罩20提升，金属保护罩20与氧传感器金属结构件3衔接，隔离金属保护罩20外部的液态金属。
磁性金属块6受到电磁力作用与导磁体8相连后，防护提示电路导通，由导磁体8、磁性金属块6、提示灯14、保护提示电路导线15、直流电源16组成闭合回路，提示灯14亮，保护工作完成。第二引线接头17安装在导管7侧面，起到隔绝保护提示电路导线15与导管7的电导通作用。
在发生陶瓷管破裂的极端事故工况下，液态金属进入陶瓷管2内部，设计的保护电路导通后在电与磁的综合作用下实现液态金属泄露的报警提示与主动隔离，避免出现高温高压液态金属由于压力差作用下向上喷出带来安全问题。
如图1所示，金属保护罩20为上端开口的桶状体，磁性金属块6与金属保护罩20之间由金属连接杆18连接，在电路断开状态下磁性金属块6与导磁体8处于分离状态；泄露报警电路导线11所在电路导通后电磁线圈9产生磁场，磁性金属块6与导磁体8连接后，带动金属保护罩20提升，并将氧传感器金属结构件3下端的陶瓷管2封住，与外部液态金属隔离。
如图2和图3所示，陶瓷管防护罩19采用流线型交错设计，陶瓷防护罩包括多个导流叶片，导流叶片之间设置有导流通道，叶片截面形状由流畅的弧线组合而成，靠近陶瓷管的部分为加厚设计以加强自身抗冲击应力避免叶片变形而影响防护效果。陶瓷管防护罩19对高速流动的液态金属在流经陶瓷管之前进行充分减速，从而对流体冲击陶瓷管而带来的破裂风险起到主动防御作用，同时提高氧传感器的服役寿命。
综上所述，本发明一种安全防护型液态金属氧传感器的设计解决了氧传感器在液态金属中应用的安全性问题，可降低由氧传感器失效诱发的安全事故风险，进而有效提高氧传感器服役寿命，为氧测量在反应堆工程中的长期安全、稳定应用提供了技术保障。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
以上所述仅是发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域普通技术人员来说，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 (10)

1.一种安全防护型液态金属氧传感器，其特征在于，包括氧测量功能单元，安全防护单元；
所述氧测量功能单元包括氧传感器金属结构件、陶瓷管、氧传感器参比电极、氧传感器导线和第一引线接头，氧电压信号由氧传感器导线与氧传感器参比电极连接引出实现传导；
安全防护单元包括法兰、磁性金属块、导管、导磁体、电磁线圈、泄露报警电路导线、直流电源、警示灯、提示灯、保护提示电路导线、直流电源、第二引线接头、金属连接杆、陶瓷管防护罩、金属保护罩；
所述氧传感器金属结构件上端设置一圈环形导磁体，环形导磁体中设置有两个圆柱形凹槽，凹槽中放置由漆包线绕制的电磁线圈；所述环形导磁体下方连接有两个导管，磁性金属块与金属保护罩之间由金属连接杆刚性连接以实现整体上下移动；所述环形导磁体所用材料为同时具备导磁导电的金属材料。
2.根据权利要求1所述的一种安全防护型液态金属氧传感器，其特征在于，
所述陶瓷管设置在氧传感器金属结构件下方，氧传感器参比电极设置在陶瓷管内部前端，氧传感器参比电极连接到氧传感器导线，氧传感器导线通过第一引线接头从氧传感器金属结构件上方引出。
3.根据权利要求1所述的一种安全防护型液态金属氧传感器，其特征在于，
直流电源的一端通过金属导线穿过第一引线接头连接到氧传感器金属结构件内部，另一端连接到警示灯的一端，警示灯的另一端通过导线连接到导磁体的凹槽中的电磁线圈的一个抽头；电磁线圈的另一端通过导磁体导电连接到氧传感器金属结构件的外壁；正常工作状态下，所述电磁线圈没有电流通过。
4.根据权利要求1所述的一种安全防护型液态金属氧传感器，其特征在于，
直流电源的一端连接到导磁体外壁，另一端连接有提示灯，保护提示电路导线的一端连接到所述提示灯，保护提示电路导线的另一端通过第二引线接头引出到导管内部且悬空，用于当磁性金属块进行接触或断开。
5.根据权利要求1所述的一种安全防护型液态金属氧传感器，其特征在于，
金属保护罩为上端开口的桶状体，磁性金属块与金属保护罩之间由金属连接杆连接，在电路断开状态下磁性金属块与导磁体处于分离状态。
6.根据权利要求1所述的一种安全防护型液态金属氧传感器，其特征在于，
陶瓷管防护罩采用流线型交错设计，陶瓷防护罩包括多个导流叶片，导流叶片之间设置有导流通道，叶片截面形状由流畅的弧线组合而成，靠近陶瓷管的部分为加厚设计以加强自身抗冲击应力避免叶片变形而影响防护效果。
7.根据权利要求1所述的一种安全防护型液态金属氧传感器，其特征在于，
陶瓷管破裂出现液态金属泄漏时，液态金属进入陶瓷管内部，泄露警示与电磁功能电路导通，由氧传感器金属结构件、导磁体、电磁线圈、泄露报警电路导线、直流电源、警示灯、泄露到陶瓷管中的液态金属以及相连的外部液态金属组成闭合回路；警示灯亮并报警，电磁线圈与导磁体形成稳定电磁场，磁性金属块受到电磁力作用在导管内与导磁体相连，同步带动金属保护罩提升，金属保护罩与氧传感器金属结构件衔接，隔离金属保护罩外部的液态金属。
8.根据权利要求1所述的一种安全防护型液态金属氧传感器，其特征在于，
磁性金属块受到电磁力作用与导磁体相连后，保护提示电路导线磁性金属块接触导通，防护提示电路导通，由导磁体、磁性金属块、提示灯、保护提示电路导线、直流电源组成闭合回路，提示灯亮，保护工作完成。
9.根据权利要求1所述的一种安全防护型液态金属氧传感器，其特征在于，
第二引线接头安装在导管侧面，起到隔绝保护提示电路导线与导管的电导通作用。
10.根据权利要求1所述的一种安全防护型液态金属氧传感器，其特征在于，
在发生陶瓷管破裂的极端事故工况下，液态金属进入陶瓷管内部，设计的保护电路导通后在电与磁的综合作用下实现液态金属泄露的报警提示与主动隔离，避免出现高温高压液态金属由于压力差作用下向上喷出带来安全问题。
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