CN113984864A - 一种一体式密封型液态铅铋合金氧浓度传感器 - Google Patents

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梁瑞仙
李小波
盛振华
王译锋
杨凌峰
祁睦然
朱卉平
刘芳
刘洋
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Abstract

本发明公开了一种一体式密封型液态铅铋合金氧浓度传感器，主要包括信号单元、仪器支撑单元和核心测氧元件。核心测氧元件中装有参比电极的固体氧化物电解质陶瓷探头固定安装在保护钢套内，保护钢套与不锈钢支撑筒机械连接；而电极丝下端部分插入参比电极内，上端与信号快接头相连接，信号快接头通过连接导线与信号单元正极连接；不锈钢支撑筒上端由绝缘封头的不锈钢密封外接头螺纹机械密封，不锈钢密封外接头一端通过信号连接导线与电动势信号显示仪表负极连接，不锈钢密封外接头另一端接地。当氧浓度传感器的核心测氧元件插入待测的液态铅铋合金中时，信号单元直观获得电动势，根据电动势和氧浓度的关系式求解得到液态铅铋合金中的氧浓度。

Description

一种一体式密封型液态铅铋合金氧浓度传感器
技术领域
本发明涉及第四代核反应堆铅基冷却剂氧浓度传感器领域，具体属于一种一体式密封型液态铅铋合金氧浓度传感器。
背景技术
作为第四代反应堆铅基快堆冷却剂和加速器驱动的次临界系统中散裂靶首选材料的液态铅铋合金在高温下对反应堆结构材料具有较强的腐蚀性，而其腐蚀性受氧浓度的影响，氧浓度过低会加速液态铅铋合金对铁基金属材料的腐蚀，氧浓度过高会造成液态铅铋合金本身氧化物的污染。研究表明，不同温度下液态铅铋合金中氧浓度存在一个氧会在铁基金属材料表面形成致密均匀氧化层的区域，而氧化层能够阻止液态铅铋合金对结构钢材的进一步腐蚀。因此准确测量液态铅铋合金中氧含量对控制液态铅铋合金氧浓度是至关重要的。利用固体氧化物电解质陶瓷的离子导电功能，制备出能够测量液态铅铋合金冷却剂系统中溶解的极低氧浓度的电化学原电池组件，冷却剂系统稳定在200℃以上时，固体氧化物电解质两侧的氧分压不同而产生浓差电动势，通过连接的电压表读出实时的电动势，实现在线监测液态铅铋合金冷却剂系统中溶解氧含量。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一体式密封型液态铅铋合金氧浓度传感器，能够精确在线监测200℃以上液态铅铋合金冷却剂系统中溶解氧含量，为液态铅铋合金氧浓度控制提供上游数据。
本发明解决上述的技术问题采用的技术方案如下：一种一体式密封型液态铅铋合金氧浓度传感器，包括信号单元、仪器支撑单元和核心测氧元件；所述信号单元包括电压表（14）、正极连接导线（15）、负极连接导线（13）、接地导线（16）、信号快接头（4）和电极丝（10）；所述仪器支撑元件包括带散热肋片的不锈钢支撑筒（1）、密封法兰（5）、内绝缘管（6）、绝缘封头（3）、不锈钢密封外接头（2）；所述核心测氧元件包括固体氧化物电解质陶瓷探头（12）、参比电极（11）、保护钢套（9）、内石墨密封圈（8）、石墨垫圈（7）；所述核心测氧元件中装有定量参比电极（11）的固体氧化物电解质陶瓷探头（12）固定安装在保护钢套（9）内，由内石墨密封圈（8）进行密封，保护钢套（9）与不锈钢支撑筒（1）下端通过螺纹机械连接，由石墨垫圈（7）密封；所述由内绝缘管（6）部分包裹的电极丝（10）下端裸露部分插入参比电极（11）内，上端与信号快接头（4）相连接；所述信号快接头（4）由绝缘封头（16）包裹固定，通过正极连接导线（15）与电压表（14）正极连接；所述不锈钢支撑筒（1）上端由绝缘封头（3）的不锈钢密封外接头（2）螺纹机械密封，不锈钢密封外接头（2）一端通过负极连接导线（13）与电压表（14）负极连接，不锈钢密封外接头（2）另一端接地，电压表直观获得原电池组件电动势。
所述氧浓度传感器的核心测氧元件插入待测氧浓度的液态铅铋合金中时，液态铅铋合金与固体氧化物电解质陶瓷探头（12）、参比电极（11）、电极丝（10）、信号快接头（4）、正极连接导线（15）、电压表（14）、负极连接导线（13）、不锈钢密封外接头（2）、不锈钢支撑筒（1）、保护钢套（9）形成一个完整的原电池回路。。
所述固体氧化物电解质陶瓷探头（12）采用底端封闭的坩埚状，材料类型为氧化钇部分稳定氧化锆（YPSZ），采用的是5.5mol%的氧化钇，氧浓度传感器工作时只有氧离子能够穿过固体氧化物电解质陶瓷探头（12）进行迁移。
其中，所述参比电极（11）采用的材料为Cu/Cu2O，呈粉末状，粒径为5~10μm，纯度为99.9%，Cu和Cu2O质量比为1:1。
其中，所述电极丝（10）采用的材料为钽，纯度为99.9%。
其中，所述1号电极丝和2号电极丝采用的材料为钽或钼。
其中，信号显示仪表是电压表（14），采用的是高输入电阻(>10GΩ)电压表。
其中，固体氧化物电解质陶瓷探头（12）和保护钢套（9）由内石墨密封圈（8）密封，而保护钢套（9）与不锈钢支撑筒（1）由石墨垫圈（7）密封，使用石墨密封的目的是防止液态铅铋合金进入不锈钢支撑筒（1）和固体氧化物电解质陶瓷探头（12）内造成氧浓度传感器损坏。
其中，所述一体式密封型液态铅铋合金氧浓度传感器的固体氧化物电解质陶瓷探头（12）需要在300℃以上进行激活，最低工作温度为200℃。
其中，所述不锈钢支撑筒（1）上部带有散热肋片。
其中，所述1号电极丝在不锈钢外壳内的部分使用内绝缘管包裹，能够避免与不锈钢外壳接触造成短路。
其中，所述电极丝（10）在不锈钢支撑筒（1）的部位使用内绝缘管（6）包裹，能够避免与不锈钢支撑筒（1）接触造成短路。
其中，所述固体氧化物电解质陶瓷探头（12）固定安装在保护钢套（9）内，由内石墨密封圈（8）进行密封，保护钢套（9）与不锈钢支撑筒（1）下端通过螺纹机械连接，由石墨垫圈（7）密封；不锈钢支撑筒（1）上端由绝缘封头（3）和不锈钢密封外接头（2）组合密封，氧浓度传感器密封性良好，能够隔绝外部环境。
其中，所述不锈钢支撑筒（1）设置了密封法兰（5），能够很方便地调整氧浓度传感器的安装位置，有利于测量冷却剂系统不同位置不同温度下液态铅铋合金的氧浓度。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明采用电化学原电池原理，以已知氧浓度的Cu/Cu2O为参比电极，待测氧浓度的液态铅铋合金冷却剂作为测量电极，5.5mol%的氧化钇部分稳定氧化锆（YPSZ）作为固体氧化物电解质，能够测量的最低温度为200℃，能够精确非等温液态铅铋合金冷却剂系统的溶解氧浓度，为液态铅铋合金氧浓度控制提供必要的上游数据，有利于液态铅铋合金冷却剂系统的长期运行。
附图说明
图1为本发明中电化学原电池原理示意图；图2为本发明工作示意图；图3为本发明结构示意图；
其中：带散热肋片的不锈钢支撑筒（1）、不锈钢密封外接头（2）、绝缘封头（3）、信号快接头（4）、密封法兰（5）、内绝缘管（6）、石墨垫圈（7）、内石墨密封圈（8）、保护钢套（9）、电极丝（10）、参比电极（11）、固体氧化物电解质陶瓷探头（12）、负极连接导线（13）、电压表（14）、正极连接导线（15）、接地导线（16）。
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。
如图1所示，在本发明实施例中，电化学原电池原理是由于固体氧化物电解质两侧的阴极、阳极的氧浓度不同，氧离子通过固体氧化物电解质迁移而产生电动势。
如图2中的本发明工作示意图所示，以已知氧浓度的Cu/Cu2O为参比电极，待测氧浓度的液态铅铋合金冷却剂作为测量电极，5.5mol%的氧化钇部分稳定氧化锆（YPSZ）作为固体氧化物电解质，当固体氧化物电解质陶瓷探头插入待测氧浓度的液态铅铋合金时，通过高输入电阻(>10GΩ)电压表直观获得氧离子电动势，由能斯特方程求解得到液态铅铋合金系统溶解氧浓度。
如图3中的本发明结构示意图所示，一种一体式密封型液态铅铋合金氧浓度传感器，包括信号单元、仪器支撑单元和核心测氧元件；所述信号单元包括电压表（14）、正极连接导线（15）、负极连接导线（13）、接地导线（16）、信号快接头（4）和电极丝（10）；所述仪器支撑元件包括带散热肋片的不锈钢支撑筒（1）、密封法兰（5）、内绝缘管（6）、绝缘封头（3）、不锈钢密封外接头（2）；所述核心测氧元件包括固体氧化物电解质陶瓷探头（12）、参比电极（11）、保护钢套（9）、内石墨密封圈（8）、石墨垫圈（7）。
工作时液态铅铋合金与固体氧化物电解质陶瓷探头（12）、参比电极（11）、电极丝（10）、信号快接头（4）、正极连接导线（15）、电压表（14）、负极连接导线（13）、不锈钢密封外接头（2）、不锈钢支撑筒（1）、保护钢套（9）形成一个完整的原电池回路。
本发明氧浓度传感器的固体氧化物电解质陶瓷探头（12）需要在300℃以上进行激活，最低工作温度为200℃。
通过高输入电阻(>10GΩ)电压表直观获得氧离子电动势，由能斯特方程求解得到液态铅铋合金系统溶解氧浓度，能够实时监测液态铅铋合金冷却剂系统的溶解氧浓度。
如图3所示，不锈钢支撑筒（1）设置了密封法兰（5），能够很方便地调整氧浓度传感器的安装位置，有利于测量冷却剂系统不同位置不同温度下液态铅铋合金的氧浓度
综上所述，本发明一种一体式密封型液态铅铋合金氧浓度传感器，能够在线实时监测液态铅铋合金冷却剂系统的溶解氧浓度，为液态铅铋合金冷却剂系统氧浓度控制提供必要的上游数据，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一种优选实施方式，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，还可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.本发明公开了一种一体式密封型液态铅铋合金氧浓度传感器，其特征在于，包括信号单元、仪器支撑单元和核心测氧元件；所述信号单元包括电压表(14)、正极连接导线(15)、负极连接导线(13)、接地导线(16)、信号快接头(4)和电极丝(10)；所述仪器支撑元件包括带散热肋片的不锈钢支撑筒(1)、密封法兰(5)、内绝缘管(6)、绝缘封头(3)、不锈钢密封外接头(2)；所述核心测氧元件包括固体氧化物电解质陶瓷探头(12)、参比电极(11)、保护钢套(9)、内石墨密封圈(8)、石墨垫圈(7)；所述核心测氧元件中装有定量参比电极(11)的固体氧化物电解质陶瓷探头(12)固定安装在保护钢套(9)内，由内石墨密封圈(8)进行密封，保护钢套(9)与不锈钢支撑筒(1)下端通过螺纹机械连接，由石墨垫圈(7)密封；所述由内绝缘管(6)部分包裹的电极丝(10)下端裸露部分插入参比电极(11)内，上端与信号快接头(4)相连接；所述信号快接头(4)由绝缘封头(16)包裹固定，通过正极连接导线(15)与电压表(14)正极连接；所述不锈钢支撑筒(1)上端由绝缘封头(3)的不锈钢密封外接头(2)螺纹机械密封，不锈钢密封外接头(2)一端通过负极连接导线(13)与电压表(14)负极连接，不锈钢密封外接头(2)另一端接地，电压表直观获得原电池组件电动势。
2.根据权利要求1所述的一种一体式密封型液态铅铋合金氧浓度传感器，其特征在于，氧浓度传感器的核心测氧元件插入待测氧浓度的液态铅铋合金中时，液态铅铋合金与固体氧化物电解质陶瓷探头(12)、参比电极(11)、电极丝(10)、信号快接头(4)、正极连接导线(15)、电压表(14)、负极连接导线(13)、不锈钢密封外接头(2)、不锈钢支撑筒(1)、保护钢套(9)形成一个完整的原电池回路。
3.根据权利要求1所述的一种一体式密封型液态铅铋合金氧浓度传感器，其特征在于，固体氧化物电解质陶瓷探头(12)采用底端封闭的坩埚状，材料类型为氧化钇部分稳定氧化锆(YPSZ)，采用的是5.5mol％的氧化钇，氧浓度传感器工作时只有氧离子能够穿过固体氧化物电解质陶瓷探头(12)进行迁移。
4.根据权利要求1所述的一种一体式密封型液态铅铋合金氧浓度传感器，其特征在于，参比电极(11)采用的材料为Cu/Cu2O，呈粉末状，粒径为5～10μm，纯度为99.9％，Cu和Cu2O质量比为1:1。
5.根据权利要求1所述的一种一体式密封型液态铅铋合金氧浓度传感器，其特征在于，电极丝(10)采用的材料为钽，纯度为99.9％。
6.根据权利要求1所述的一种一体式密封型液态铅铋合金氧浓度传感器，其特征在于，信号显示仪表是电压表(14)，采用的是高输入电阻(>10GΩ)电压表。
7.根据权利要求1所述的一种一体式密封型液态铅铋合金氧浓度传感器，其特征在于，固体氧化物电解质陶瓷探头(12)和保护钢套(9)由内石墨密封圈(8)密封，而保护钢套(9)与不锈钢支撑筒(1)由石墨垫圈(7)密封，使用石墨密封的目的是防止液态铅铋合金进入不锈钢支撑筒(1)和固体氧化物电解质陶瓷探头(12)内造成氧浓度传感器损坏。
8.根据权利要求1所述的一种一体式密封型液态铅铋合金氧浓度传感器，其特征在于，需要在300℃以上进行激活30分钟，最低工作温度为200℃。
9.根据权利要求1所述的一种一体式密封型液态铅铋合金氧浓度传感器，其特征在于，不锈钢支撑筒(1)上部带有散热肋片。
10.根据权利要求1所述的一种一体式密封型液态铅铋合金氧浓度传感器，其特征在于，电极丝(10)在不锈钢支撑筒(1)的部位使用内绝缘管(6)包裹，能够避免与不锈钢支撑筒(1)接触造成短路。
11.根据权利要求1所述的一种一体式密封型液态铅铋合金氧浓度传感器，其特征在于，固体氧化物电解质陶瓷探头(12)固定安装在保护钢套(9)内，由内石墨密封圈(8)进行密封，保护钢套(9)与不锈钢支撑筒(1)下端通过螺纹机械连接，由石墨垫圈(7)密封；不锈钢支撑筒(1)上端由绝缘封头(3)和不锈钢密封外接头(2)组合密封，氧浓度传感器密封性良好，能够隔绝外部环境。
12.根据权利要求1所述的一种一体式密封型液态铅铋合金氧浓度传感器，其特征在于，不锈钢支撑筒(1)设置了密封法兰(5)，能够很方便地调整氧浓度传感器的安装位置，有利于测量冷却剂系统不同位置不同温度下液态铅铋合金的氧浓度。
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