CN114371207B - 碳传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例公开了一种碳传感器。碳传感器用于测量碱金属中的碳含量。碳传感器包括碳电池，用于根据电压信号的变化检测碳含量。碳电池包括：碳渗透膜，电解质以及碳参比电极。碳渗透膜限定形成有测量腔，碳渗透膜配置成仅允许液态碱金属中的碳进入测量腔。电解质填充于测量腔内，碳参比电极插设于电解质中。电解质用于通过发生氧化还原反应将碳从高浓度向低浓度转移，从而引起碳参比电极的电压信号发生相应变化。本发明的实施例提供了一种能够检测液态碱金属中的碳含量的碳传感器。

Description

碳传感器
技术领域
本发明的实施例涉及碳含量检测技术领域，具体涉及一种用于测量碱金属中的碳含量的碳传感器。
背景技术
快中子堆通常选择液态碱金属作为冷却剂。碱金属在其生产和使用过程中均会引入杂质。碱金属中存在的碳杂质会对运输管道造成不良影响。为保证反应堆运行的安全性和长期运行的经济性，需要对碱金属中的碳杂质进行测量。
目前，现有技术中存在用于检测气体中的CO或CO2的传感器。由于液态碱金属的温度通常较高，并且液态碱金属中的碳杂质主要以碳化合物或游离碳的形式存在，用于检测气体中的CO或CO2的传感器，并不适用于检测碱金属中的碳杂质。因此，需要开发出一种能够直接应用于高温液态碱金属中以检测碳的碳传感器。
发明内容
本发明的实施例提供了一种碳传感器，用于测量碱金属中的碳含量，碳传感器包括：碳电池，用于根据电压信号的变化检测碳含量，所述碳电池包括：
碳渗透膜，限定形成有测量腔，所述碳渗透膜配置成仅允许液态碱金属中的碳进入所述测量腔；
电解质，填充于所述测量腔内；以及
碳参比电极，插设于所述电解质中，
其中，所述电解质用于通过发生氧化还原反应将碳从高浓度向低浓度转移，从而引起所述碳参比电极的电压信号发生相应变化。
附图说明
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
图1是根据本发明实施例提供的碳传感器的结构示意图；
图2是图1所示碳传感器的放大图；
图3是图1所示碳传感器的杆部的结构示意图；
图4是图1所示碳传感器的安装件的结构示意图；
图5是根据本发明另一个实施例提供的碳传感器的结构示意图；以及
图6示出了碳传感器安装于测量装置的示意性结构图。
需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。
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，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
本申请实施例提供了一种碳传感器，用于测量碱金属中的碳含量。
参见图1和图2，碳传感器包括碳电池，用于根据电压变化检测碳含量。
碳电池包括：碳参比电极21，电解质22以及碳渗透膜23。
碳渗透膜23限定形成有测量腔，碳渗透膜23配置成仅允许液态碱金属中的碳进入测量腔。换言之，当将碳渗透膜23放置于液态碱金属中时，液态碱金属中的碳能够通过碳渗透膜23进入探测腔内，而液态碱金属中的其他成分如碱金属、氧杂质等则不能通过碳渗透膜23进入测量腔。
电解质22填充于测量腔内，碳参比电极21插设于电解质22中。电解质22用于通过发生氧化还原反应将碳从高浓度向低浓度转移，从而引起碳参比电极21的电压信号发生相应变化。
容易理解，碳参比电极21的电压信号的变化情况与碳浓度相关，根据电压信号的变化即可确定碱金属中的碳含量。
本领域技术人员也容易理解，利用公式还可根据电压信号、温度计算碱金属中的碳活度。
本申请实施例通过设置碳渗透膜23，将碳引入测量腔，能够消除液态碱金属的影响，对碱金属中的碳进行测量。
本申请实施例利用电化学碳浓差电池原理测量碳含量，可实现在碱金属流动状态下测量碱金属中的碳含量。由此，本申请实施例的碳传感器可用于在线测量碱金属回路中的碳含量。碱金属回路例如可为碱金属实验回路、快堆碱金属冷却剂回路及其他碱金属设备回路。
碳渗透膜23由允许碳通过的不锈钢薄膜制成。作为优选，碳渗透膜23由022Cr19Ni10不锈钢薄膜制成。022Cr19Ni10不锈钢薄膜的厚度可为0.15mm左右。
当然，本领域技术人员可以理解，对于其他能够允许碳通过但不允许碱金属通过的不锈钢薄膜也适用于作为本申请实施例中的碳渗透膜23。
碳渗透膜23可以为圆筒状。可将多个碳渗透膜23焊接形成圆筒状。例如，可以采用激光焊接技术将碳渗透膜23焊接形成圆筒状。
碳参比电极21可以由石墨制成。碳参比电极21例如为石墨棒。
为了避免短路，碳参比电极21与碳渗透膜23的径向距离可大于等于2mm。碳参比电极21与碳渗透膜23的径向距离例如可为2-6mm。
电解质22包括碳酸钠。碳酸钠在高温下熔融，分解成钠离子和碳酸根离子，从而能够导电。
除了碳酸钠之外，电解质22还包括碳酸锂、碳酸钡、碳酸钙中的一种或多种。碳酸钠与碳酸锂、碳酸钡、碳酸钙中的一种或多种通过固溶热处理制成。
其中，碳酸锂能够降低碳酸钠的熔点，以降低碳传感器的工作温度。碳酸钡能够消除碳酸钠的歧化反应。碳酸钙能够防止高温结块等。
对于同时包括碳酸钠、碳酸锂、碳酸钡、碳酸钙的电解质22而言，既具有较低的熔点，又具有响应度快、准确度高等优点。因此，在本申请优选实施例中，电解质22选用碳酸钠、碳酸锂、碳酸钡以及碳酸钙。
在将电解质22的原料进行混合时，优选按照以下配比进行混合：
Na2CO3与Li2CO3的摩尔比为0.8：1至1：1，BaCO3与CaCO3的摩尔比为0.9：1至1.1：1，Na2CO3与Li2CO3的总量与BaCO3与CaCO3的总量的摩尔比为96：4至98：2。
在将电解质22的各原料充分机械混合2-4h后，在二氧化碳气氛下，温度为650-1000℃，充分固溶热处理60-240min后制成电解质22粉末。
可以采用研磨的方法制成电解质22粉末。例如可以利用研钵捣碎以及球磨机磨碎。电解质22粉末例如可以为-325目，但不以此为限。
电解质22粉末可以在惰性气体气氛下，填充进碳渗透膜23的测量腔内，以保证测量腔内的无氧环境。惰性气体可以为高纯度氩气。
碳传感器还包括导线30。导线30与碳参比电极21电连接，用于传输碳参比电极21的电压信号。
在一些实施例中，碳电池可以采用无机胶密封。在碳电池的电解质22、碳渗透膜23以及碳参比电极21装配完成后，可采用无机胶密封碳电池，防止外界环境影响碳电池的性能。
碳传感器还包括杆部10，内部限定有容纳腔11，用于布置导线30。杆部10将导线30与高温液态金属隔离开来，一方面用于保护导线30，另一方面避免导线30与高温液态金属电连接而短路。
碳电池设置于杆部10的一侧端部。
杆部10可以由不锈钢制成。例如，可以选择316H不锈钢制成杆部10。可根据实际情况选择不同的不锈钢材料。杆部10可以为不锈钢圆管。
碳渗透膜23可通过焊接的方式与杆部10固定且密封地连接。
容纳腔11为密封腔。碳传感器在惰性气体气氛中组装，因此容纳腔11内填充有惰性气体。
碳传感器还包括：绝缘部43，设置于容纳腔11内，用于将导线30与杆部10绝缘。绝缘部43由绝缘材料制成。绝缘部43例如可以由氧化铝制成。
绝缘部43形成有绝缘腔，导线30在绝缘腔内延伸。绝缘部43例如可以为绝缘管。绝缘部43与杆部10的容纳腔相适配，以使绝缘部43与杆部10无相对运动。
导线30在绝缘腔内的部分线段形成螺旋段。螺旋段由导线30呈螺旋状缠绕而成，其结构类似于一个弹簧。导线30除螺旋段以外的其他线段基本处于拉直状态，即不处于松弛状态。
螺旋段可以随着温度的变化进行伸缩，同时保持导线30不处于松弛的状态，以使导线30保持位于绝缘腔的中部，以尽量防止导线30与杆部10的内壁接触。此外，在组装过程中，螺旋段的存在便于导线30在杆部10内由于受到外力拉伸而伸长至伸出杆部外，从而与碳参比电极21电连接；同时在外力消失后(即与碳参比电极21完成电连接之后)会自动收缩回杆部10内。
碳传感器还包括：电接头50，设置于杆部10的另一侧端部，与导线30电连接。
电接头50可以与另一电接头可拆卸地电连接，从而将电压信号传输至其他设备。例如，电接头50可以与处理器的电接头电连接，将电压信号传输至处理器，以根据电压信号获得碳含量。
参见图3，杆部10设置有碳渗透膜23的一端形成开口。碳渗透膜23朝向杆部10的方向形成开口。碳渗透膜23可具有一端开口的圆筒形结构。
容纳腔11与测量腔通过各自的开口连通。碳参比电极21的一部分经由容纳腔11与测量腔各自的开口伸入容纳腔11内部。容易理解，为了避免短路，碳参比电极21需与杆部10绝缘。换言之，碳参比电极21与杆部10不直接接触。
杆部10设置有碳渗透膜23的一端形成开口槽12，开口槽12通过细通道13与容纳腔11连通。碳渗透膜23部分伸入开口槽12中，与杆部10密封连接。
碳参比电极21经由细通道13进入容纳腔11中。碳参比电极21与细通道13之间存在间隙，即，碳参比电极21与杆部10的形成细通道13的管壁不接触。
碳传感器还包括绝缘固定部40，设置于容纳腔11内部，用于固定碳参比电极21，以及将碳参比电极21与杆部10绝缘。
绝缘部43与绝缘固定部40沿容纳腔11的轴向相接，导线30经由绝缘固定部40进入绝缘部43中。
在一些实施例中，细通道13的径向尺寸小于开口槽12的径向尺寸。绝缘固定部40和碳渗透膜23分别抵接于细通道13的两端。
绝缘固定部40可以包括固定腔，用于固定碳参比电极21，碳参比电极21远离碳渗透膜23的一端收容于固定腔内。
绝缘固定部40还可以包括密封腔42，其与固定腔连通，密封腔42内填充中吸附单元，用于吸附密封腔42中的氧，保证碳传感器的检测环境稳定。
吸附单元可以为钙粒，但不以此为限，可以根据实际情况做出改变。
绝缘固定部40可以为整体结构。即形成密封腔42的管段与形成固定腔的管段一体成型。
绝缘固定部40也可为分体结构。即形成密封腔42的管段与形成固定腔的管段可以为相互独立的两个管段，以便于组装。
导线30经由密封腔42延伸至绝缘部43中。
具体地，绝缘固定部40可以为管体，管体远离碳参比电极21的一端可通过塞子41密封，导线30穿过塞子41延伸至绝缘部43的绝缘腔中。
碳传感器还包括：安装件60，设置于电接头50与杆部10相接的部位，用于将杆部10可拆卸地密封安装于测量装置上，测量装置用于容装液态碱金属。
参见图4，安装件60具有相对的第一表面和第二表面，第一表面向内凹陷形成第一凹槽62，第二表面向内凹陷形成第二凹槽63，第一凹槽62与第二凹槽63连通。
电接头50密封地安装于第一凹槽62内。杆部10相应一侧的端部密封地安装于与第二凹槽63内。
第一凹槽62与第二凹槽63通过通道64连通。通道64的内径小于第一凹槽62和第二凹槽63的内径。
安装件60还包括安装法兰61，第一凹槽62形成在安装法兰61内。安装件60还包括插入件611，用于插入测量装置的安装口处，以便于密封安装。
安装件60可以与杆部10的端部焊接。
图5是根据本发明另一个实施例提供的碳传感器的结构示意图。图5所示实施例与图1所示实施例的区别在于杆部10由分开的两段前端部14和主体部15形成。图5所示的结构更有利于碳传感器的组装。
具体地，在进行组装碳传感器时，可将安装件60、电接头50、绝缘部43、绝缘固定部40的形成密封腔42的管段、导线30与主体部15组装好，再将绝缘固定部40的形成固定腔的管段、碳参比电极21，电解质22、碳渗透膜23以及前端部14组装好，之后将导线30向外拉伸与碳参比电极21电连接，之后向密封腔42中添加钙粒，再将前端部14与主体部15组装(此时，由于螺旋段的存在，导线30自动收缩回杆部10内)。前端部14可以通过螺纹与主体部15相接，或者前端部14与主体部15焊接。
图6示出了碳传感器安装于测量装置100的示意性结构图。测量装置具有测量腔110。测量腔110具有进液口111和出液口112。进液口111用于供液态碱金属流入测量腔110。出液口112用于供测量腔110内的液态碱金属流出。碳传感器的碳电池伸入液面以下，用于采集测量腔110中的液态碱金属的碳信号。
测量装置100还包括温度传感器(图中未示出)和处理器200。温度传感器用于检测测量腔110的温度。
处理器200通过导线201与电接头202相接。电接头202与碳传感器的电接头50插接，从而可将采集的电压信号(即碳信号)发送至处理器200。处理器200根据电压信号和温度信号确定液态碱金属的碳含量。
进液口111可以设置于测量腔110的底部，出液口112可以设置于测量腔110的侧部。在液态碱金属持续流入测量腔110以及从测量腔110持续向外流出的过程中，测量腔110内始终保留有液面不低于出液口112的液态碱金属。如此，可保证碳传感器的碳电池始终处于液面下方，能够实时采集相应的碳信号。
本申请实施例通过设置电接头50和安装件60，方便将碳传感器从测量装置中拆卸，从而便于碳传感器的更换和维修。
本发明的实施例还提供了一种制造碳传感器的方法。具体包括以下步骤S1至S3。
S1、配置电解质22。
S2、组装碳电池。
S3、将碳电池与杆部10组装。
在步骤S1中，按照比例配制并混合电解质22的原料，并将混合后的原料进行固溶热；之后，采用研磨的方法制成粉末状电解质22。
具体地，按照以下配比将Na2CO3、Li2CO3、BaCO3以及CaCO3混合。
Na2CO3与Li2CO3的摩尔比为0.8：1，BaCO3与CaCO3的摩尔比为1：1，Na2CO3与Li2CO3的总量与BaCO3与CaCO3的总量的摩尔比为98：2。
各原料在机械混合后，在二氧化碳气氛下，800℃固溶热处理2h，采用玛瑙研钵捣碎，并球磨机机械磨碎2h，100℃干燥处理2h，获得-325目的粉末状的电解质22。
步骤S2和步骤S3均在封闭的操作箱内操作。操作箱内充满惰性气体如氩气。
在步骤S2中，将电解质22加入碳渗透膜23，并将碳参比电极21插入碳渗透膜23容纳的电解质22中。保持碳参比电极与碳渗透膜23最短极间距离为3mm。组装后，可以对碳电池进行密封处理。密封处理可以通过高温无机胶进行密封。高温无机胶可以保证在高温环境下碳电池的密封。
在步骤S3中，组装绝缘固定部40和碳参比电极21，将碳参比电极21插入绝缘固定部40的固定腔中。再次用高温无机胶进行密封处理绝缘固定部40和碳参比电极21相接的部位。之后，在绝缘固定部40中添加钙粒，用于除氧。然后，将绝缘固定部40和绝缘部43分别安装于杆部10内，安装导线30。之后，将碳渗透膜23和安装件60分别与杆部10焊接；将电接头50安装于安装件60上。
将安装好的碳传感器与处理器连接，进行静态钠液信号测试试验。测试温度500℃，测试时间为30h，平衡电势95.26mV。测试结果表明碳传感器测量的信号波动偏差较小，测量精度高。
对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种碳传感器，用于测量碱金属中的碳含量，其特征在于，包括：碳电池，用于根据电压信号的变化检测碳含量，所述碳电池包括：
碳渗透膜，限定形成有测量腔，所述碳渗透膜配置成仅允许液态碱金属中的碳进入所述测量腔；
电解质，填充于所述测量腔内，以及
碳参比电极，插设于所述电解质中，
其中，所述电解质用于通过发生氧化还原反应将碳从高浓度向低浓度转移，从而引起所述碳参比电极的电压信号发生相应变化；
所述碳传感器还包括：
导线，与所述碳参比电极电连接，用于传输所述碳参比电极的电压信号；和
杆部，内部限定有容纳腔，用于布置所述导线，
其中，所述碳电池设置于所述杆部的一侧端部；
所述碳传感器还包括：绝缘部，设置于所述容纳腔内，用于将所述导线与所述杆部绝缘；
所述绝缘部形成有绝缘腔，所述导线在所述绝缘腔内延伸；
所述导线在所述绝缘腔内的部分线段形成螺旋段；
所述碳传感器还包括：电接头，设置于所述杆部的另一侧端部，与所述导线电连接。
2.根据权利要求1所述的碳传感器，其特征在于，所述测量腔与所述容纳腔连通，
所述碳参比电极的一部分伸入所述容纳腔内部，且与所述杆部绝缘。
3.根据权利要求2所述的碳传感器，其特征在于，所述杆部设置有所述碳电池的一端形成开口槽，所述开口槽通过细通道与所述容纳腔连通；
所述碳渗透膜部分伸入所述开口槽中，与所述杆部密封连接；
所述碳参比电极经由所述细通道进入所述容纳腔中；且所述碳参比电极与所述细通道之间存在间隙。
4.根据权利要求3所述的碳传感器，其特征在于，还包括：
绝缘固定部，设置于所述容纳腔内部，用于固定所述碳参比电极，以及将所述碳参比电极与所述杆部绝缘；
其中，所述绝缘部与所述绝缘固定部沿所述容纳腔的轴向相接，所述导线经由所述绝缘固定部进入所述绝缘部中。
5.根据权利要求4所述的碳传感器，其特征在于，所述绝缘固定部包括：
用于固定碳参比电极的固定腔，所述碳参比电极远离所述碳渗透膜的一端收容于所述固定腔内；和
密封腔，其与所述固定腔连通，所述密封腔内填充中吸附单元，用于吸附所述密封腔中的氧，
其中，所述导线经由所述密封腔延伸至所述绝缘部中。
6.根据权利要求1所述的碳传感器，其特征在于，还包括：
安装件，设置于所述电接头与所述杆部相接的部位，用于将所述杆部可拆卸地密封安装于测量装置上，所述测量装置用于容装所述液态碱金属。
7.根据权利要求6所述的碳传感器，其特征在于，所述安装件具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面向内凹陷形成第一凹槽，所述第二表面向内凹陷形成第二凹槽，所述第一凹槽与所述第二凹槽连通；
所述电接头密封地安装于所述第一凹槽内；
所述杆部相应一侧的端部密封地安装于与所述第二凹槽内。
8.根据权利要求1所述的碳传感器，其特征在于，所述容纳腔为密封腔，所述容纳腔内填充有惰性气体。
9.根据权利要求1所述的碳传感器，其特征在于，所述杆部由不锈钢制成。
10.根据权利要求1所述的碳传感器，其特征在于，所述碳渗透膜由允许碳通过的不锈钢薄膜制成。
11.根据权利要求1所述的碳传感器，其特征在于，所述电解质包括碳酸钠。
12.根据权利要求11所述的碳传感器，其特征在于，所述电解质还包括碳酸锂、碳酸钡、碳酸钙中的一种或多种。
13.根据权利要求1所述的碳传感器，其特征在于，
所述碳参比电极为石墨棒。
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