CN115144445A - 一种氧含量分析仪及其分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氧含量分析仪及其分析方法，其中氧含量分析仪设有多组氧含量采样组件、信号采集模块、处理器；所述信号采集模块同时与所述多组氧含量采样组件和所述处理器连接，所述多组氧含量采样组件，用于获取多组待处理的氧含量分析信号，所述待处理的氧含量分析信号用于标识液态金属的氧含量参数；所述信号采集模块，用于将采集到的多组氧含量分析信号传输至处理器；所述处理器，用于基于所述多组组氧含量分析信号进行处理，以得到所述液态金属中的氧含量的多个实时数值。本申请实施例能够提高测量液态金属中氧浓度测量的精准度。

Description

一种氧含量分析仪及其分析方法

技术领域

本发明涉及第四代核反应堆铅基技术领域，更具体的说是涉及一种氧含量分析仪及其分析方法。

背景技术

目前的氧含量分析仪主要是用于分析气体中的氧含量，并且，通过实时监测烟气中的氧含量调节空气和燃料的最佳配比，实现燃料优化燃烧。氧含量分析仪可以是氧化锆氧分析仪，但是氧化锆氧分析仪测量范围有限。目前来说，当氧含量低于10ppm的时候，氧化锆氧分析仪测量时会出现错误代码，对微量的氧含量无法进行测量；并且只适用于测量气体中的氧含量，而且测量使用寿命较短，从介质适用性、寿命、测量精度、测量范围等方面，氧化锆氧分析仪并不适用于测量的氧含量。

但是，液态金属中氧含量是影响四代铅基反应堆冷却剂设备及管路材料性能的关键。液态金属中的氧含量的浓度过高将使管道、设备等结构材料发生氧化腐蚀，同时氧化腐蚀会产生氧化铅(PbO)等颗粒，颗粒沉积造成管道堵塞；而液态金属中的氧含量的浓度过低，又不足以在结构材料表面形成氧化膜起保护作用，因而会发生结构材料组分元素溶解腐蚀或铅铋合金沿材料晶界渗透导致的晶间脆化。

由于氧含量的浓度对结构材料有较大影响，为此，需要对氧含量进行检测。

因此，如何提高测量液态金属中氧浓度测量的精准度，成为了本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种氧含量分析仪及其分析方法，以提高测量液态金属中氧浓度测量的精准度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了一种氧含量分析仪，包括：

设有多组氧含量采样组件、信号采集模块、处理器；所述信号采集模块同时与所述多组氧含量采样组件和所述处理器连接，

所述多组氧含量采样组件，用于获取多组待处理的氧含量分析信号，所述待处理的氧含量分析信号用于标识液态金属的氧含量参数；

所述信号采集模块，用于将采集到的多组氧含量分析信号传输至处理器；

所述处理器，用于基于所述多组组氧含量分析信号进行处理，以得到所述液态金属中的氧含量的多个实时数值。

可选的，所述多组氧含量采样组件中氧含量采样组件为多组，一组氧含量采样组件中至少包括：一个氧传感器探头和一个热电偶，所述氧传感器探头用于至少测量液态金属中的电动势，热电偶用于测量所述液态金属中的温度。

可选的，所述多组氧含量采样组件中的氧传感器探头的参比电极包括Bi/Bi₂O₃、In/In₂O₃、Pt/air中的至少一种。

可选的，信号变送器，与所述多组氧含量采样组件连接，用于将所述多组待处理的氧含量分析信号进行信号变换。

可选的，还包括：人机界面，所述人机界面用于显示氧含量的多个实时数值，其中，人机界面至少显示所述多个氧传感器探头对应的温度、电动势以及氧含量，其中氧含量基于所述多个氧传感器探头对应的温度以及电动势处理得到。

可选的，所述人机界面还显示：参数设置、温度趋势、电动势趋势、历史分析趋势，其中，所述参数设置，用于对所述氧含量的浓度以及所述电动势之间的比例设置，所述温度趋势用于表示在预设时间内所述液态金属的温度变化，所述电动势趋势用于表示在预设时间内所述液态金属的电动势变化，所述历史分析趋势用于至少表示历史存储的温度趋势、电动势趋势、氧含量分析趋势中的至少一种。

可选的，所述人机界面采用触摸屏进行显示，以使得用户对所述人机界面的显示调整。

可选的，所述氧含量分析仪还可以包括：多个插口，用于与所述多组氧含量采样组件之间连接。

第二方面，本发明实施例提供了一种氧含量分析方法，包括：

获取多组待处理的氧含量分析信号，所述氧含量分析信号用于标识液态金属的氧含量参数；

将采集到的所述多组氧含量分析信号传输至处理器；

基于所述多组氧含量分析信号进行处理，以得到所述液态金属中氧含量的多个实时数值。

基于以上，本申请实施例中采用的技术方案为获取多组待处理的氧含量分析信号，进而将采集到的所述多组氧含量分析信号传输至处理器；最后，基于所述多组氧含量数字信号进行处理，以得到所述液态金属中的氧含量的多个实时数值。可见，本申请实施例在多组氧含量分析信号的基础上，能够得到对应的氧含量的多个实时数值，且氧含量的多个实时数值之间可以相互修正，提高了测量液态金属的精准度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种氧含量分析仪的可选示意图；

图2为本申请实施例提供的人机界面的界面示意图；

图3为本申请实施例提供的电动势趋势的示意图；

图4为本申请实施例提供的对参比电极选取的界面示意图；

图5为本申请实施例提供的氧含量分析仪中插口的示意图；

图6为本申请实施例提供的氧含量分析仪的总装图；

图7为本申请实施例提供的氧含量分析仪的封装后的示意图；

图8为本申请实施例提供的氧含量分析方法的流程图；

图9为本申请实施例提供的氧含量分析方法的编程示意图。

具体实施方式

基于前述背景技术，目前液态金属在测量过程中，只会对液态金属测量得到一种氧传感器信号，进而根据一种氧传感器信号测量得到氧含量，通常来说，在测量过程中通常会有不同的影响因素，为此，只通过一种氧传感器信号，对液态金属中的氧含量进行测量的方式其精准度并不高。

基于此，发明人研究发现，根据液态金属的原理，可以同步测量多组氧含量分析信号，进而得到液态金属中氧含量的多个实时数值，多个实时数值之间可以相互修正，提高了测量液态金属的精准度。

下面将结合本发明的实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

图1为本申请实施例提供的一种氧含量分析仪的可选示意图。参考图1所示，本申请实施例中的氧含量分析仪100具体包括多组氧含量采样组件110(例如氧含量采样组件111、氧含量采样组件112)、信号采集模块120、处理器140；所述信号采集模块120同时与多组氧含量采样组件110和处理器140连接。

具体的，多组氧含量采样组件110(氧含量采样组件111、氧含量采样组件112)，用于获取多组待处理的氧含量分析信号，所述待处理的氧含量分析信号用于标识液态金属的氧含量参数。

所述多组氧含量采样组件110中氧含量采样组件为多组，一组氧含量采样组件中至少包括：一个氧传感器探头和一个热电偶，所述氧传感器探头用于至少测量液态金属中的电动势，热电偶用于测量所述液态金属中的温度。

可选的，氧传感器探头中的参比电极包括Bi/Bi₂O₃、In/In₂O₃、Pt/air中的至少一种。在多组氧含量采样组件中，氧传感器探头的数量为多个，多个氧传感器探头中的参比电极可以相同也可以不同。示例的，当氧传感器探头的数量为三个时，三个氧传感器探头中的参比电极可以均采用Bi/Bi₂O₃这一参比电极，或者是，三个氧传感器探头中一个氧传感器探头采用Bi/Bi₂O₃这一参比电极，一个氧传感器探头采用In/In₂O₃这一参比电极，一个氧传感器探头采用Pt/air这一参比电极，当然，在本申请实施例中还可以有其他的组合方式，只要能够采用氧传感器探头对液态金属中的氧含量实现测量即可，这里不再展开描述。

进一步的，在本申请实施例中的一种实现场景中，液态金属可以是液态铅铋合金，在此场景下，可以采用氧传感器探头中的参比电极包括Bi/Bi₂O₃、In/In₂O₃、Pt/air中的至少一个对液态铅铋合金进行检测，从而得到液态铅铋合金对应的多组待处理的氧含量分析信号。

需要说明的是，氧传感器探头是利用氧浓差电池原理来测定液态铅铋合金中的氧含量。具体检测过程为：氧传感器探头中包括为氧含量饱和且已知的参比电极，把氧传感器探头放置氧含量待测的液态铅铋合金中，两侧氧含量的浓度不同，会产生浓度差，氧离子将穿过陶瓷管高氧浓度一侧迁移到低氧浓度一侧，同时形成浓差电势EMF。

在一种实施例中，以氧化锆为氧传感器中的固体电介质，液态金属为液态铅铋合金进行说明。液态铅铋合金中氧传感器的电动势信号与氧含量的浓度的关系如下所示：

当氧传感器中使用Bi/Bi₂O₃为参比电极时：

E＝-218+0.462T-0.0431T·lnC_O(ppm) 公式(1)

当氧传感器中使用In/In₂O₃为参比电极时：

E＝-812+0.525T-0.0431T·lnC_O(ppm) 公式(2)

当氧传感器中使用Pt/air为参比电极时：

E＝790.7-0.071T-0.043T·lnC_O(ppm) 公式(3)

其中，公式(1)、公式(2)和公式(3)中，E为液态铅铋合金中的电动势，T为当前时间，C_o(ppm)为当前氧含量的浓度。

需要说明的是，氧含量分析信号可以具体包括温度信号以及电动势信号，从而在温度信号以及电动势信号的基础上，可以得到液态金属的氧含量的实时数值。

可选的，在本申请实施例中，还可以包括信号变送器120，所述信号变送器与所述多组氧含量采样组件连接，用于将所述待处理多组氧含量分析信号进行信号变换。

信号采集模块130，用于将采集到的多组氧含量分析信号传输至处理器。

多组氧含量数字信号可以为电压信号或者热电偶信号。需要说明的是，当本申请实施例中存在信号变送器120时，可以采集经过信号变送器120进行信号变换后的多组氧含量分析信号，进而将其传输到处理器中。

在一种实施例中，信号采集模块的测量范围为-1400mV～1400mV；选用的AI 8xU/I/RTD/TC ST模块，产品编号为6ES7531-7KF00-0AB0，电压测量范围可实现±50mV、±80mV、±250mV、±500mV、±1V、±2.5V等多种测量范围；可通过对氧含量分析仪的程序进行相应的调整，以满足对应的氧含量传感器的测量范围。

通过本申请实施例中的信号采集模块，能够适应多种信号，适用范围广，并且能够对多种信号均进行转化，方案的可实施性高。

处理器140，用于基于所述多组氧含量数字信号进行处理，以得到所述液态金属中氧含量的多个实时数值。

可选的，本申请实施例中氧含量分析仪中的处理器可以采用S7-1500 PLC CPU模块。当然本申请实施例中的处理器还可以为其他模块，这里不再赘述。

在一种实施例中，所述氧含量分析仪还包括电源模块和通信模块，电源模块150用于为所述氧含量分析仪供电；通信模块(图中未示出)，用于完成各个模块之间的信息交互，实现了高效率的通信效率。可见，本申请实施例中，能够在提高氧含量的检测精度的同时，保证了各个模块的通信效率。

进一步的，氧含量分析仪还可以包括：人机界面160，所述人机界面160用于显示氧含量的多个实时数值。

基于以上，本申请实施例中采用的技术方案为获取待处理的多组氧含量分析信号，进而将采集到的所述多组氧含量分析信号传输至处理器；最后，基于所述多组氧含量数字信号进行处理，以得到所述液态金属中的氧含量的多个实时数值。可见，本申请实施例在多组氧含量分析信号的基础上，能够得到对应的氧含量的多个实时数值，且氧含量的多个实时数值之间可以相互修正，提高了测量液态金属的精准度。

再进一步的实施例中，图2为本申请实施例提供的人机界面的界面示意图。具体的，参考图2所示，人机界面至少显示所述多个氧传感器探头对应的温度、电动势以及氧含量，其中氧含量基于所述多个氧传感器探头对应的温度以及电动势处理得到。

进一步的，人机界面还可以显示参数设置，参数设置用于对所述氧含量以及所述电动势之间的比例设置。

具体的，本申请实施例中还可以通过修改参数设置的方式，得到修订后的氧含量。继续以液态金属为液态铅铋合金进行说明，修改参数设置的公式如下：

E＝A+BT+CT·lnC_O(ppm) 公式(4)

如前所述，E为液态铅铋合金中的电动势，T为当前时间，C_o(ppm)为当前氧含量的浓度。本申请实施例中A的取值范围为-220～800，B的取值范围为-0.07～0.50，C的取值范围为-0.043～-0.05。

可见，本申请实施例中提供了根据用户需求或者试验数据调整电动势和氧含量的浓度之间的关系，使分析仪表更加的个性化，更加的符合用户需求。

继续参考图2所示，在本申请中的一种实施例中，还可以包括温度趋势，所述温度趋势用于表示在预设时间内所述液态金属的温度变化。所述电动势趋势用于表示在预设时间内所述液态金属的电动势变化。

图3为本申请实施例提供的的电动势趋势的示意图。参考图3所示，电动势趋势呈上下波动的形式，当然，在本申请实施例中的其他可选实现中，还可以是逐步上升的形式，这里不做限定。

进一步的，所述历史分析趋势用于至少表示历史存储的温度趋势、电动势趋势、氧含量分析趋势中的至少一种。当历史分析趋势中包含有电动势趋势时，所述电动势趋势的示意图可以具体参考图3所示，这里不再赘述。

可选的，所述人机界面还可以采用触摸屏进行显示，以使得用户对所述人机界面的显示调整。用户可通过直接点击或者触摸的方式，对人机界面所展示的数值进行更改或者调整。

具体的，图4为本申请实施例提供的对参比电极选取的界面示意图。参考图4所示，为三组氧含量采样组件，如图中所示的1#氧含量，2#氧含量和3#氧含量，可以采用下拉的方式分别对1#氧含量，2#氧含量和3#氧含量进行参比电极的选择，进而基于不同的参比电极，显示当前氧含量采样组件所测量氧含量的实时数值。

在本申请的进一步的可选实现中，氧含量分析仪还可以包括：多个插口，用于与所述多组氧含量采样组件之间通过航空插头连接。图5为本申请实施例提供的氧含量分析仪中插口的示意图。

如图5所示，图5中具体包括的插口为：MODBUS接口51、热电偶接口52、氧传感器接口53、以太网接口54、USB存储接口55、USB存储接口55、预留接口57、电源接口58。

具体的，本申请实施例中可通过热电偶接口52与多组氧含量采样组件中的热电偶连接，通过氧传感器接口53与多组氧含量采样组件中的氧传感器探头连接。

可见，采用上述的连接方式，能够实现快速插拔，使用方便、维修简单；并且，与上游控制系统通讯的接口采用网线插口，使数据传输形式更加的通用、接线更加的快捷、方便。

基于上述，图6为本申请实施例提供的氧含量分析仪的总装图。图7为本申请实施例提供的氧含量分析仪的封装后的示意图。参考图6和图7所示图6中具体包括：人机界面61、负载电源62、系统电源63、处理器64、通信模块65、信号采集模块66、高精度变送器67、风扇68、端子69。

其中，人机界面61、处理器64、通信模块65、信号采集模块66以及高精度变送器67均可参照图1中的描述，负载电源62、系统电源63可以为电源模块130中的具体实现，这里也不再赘述。

风扇68用于对氧含量分析仪中的各个部件散热，端子69作为连接器的一种实现方式，用于实现电气连接。

如图7所示，将上述的多个模块集成在同一个氧含量分析仪中，节省了空间，且能够实现对液态金属中的氧含量的测量与分析。

另外，根据图6中所示出的氧含量分析仪，能够实现了在350℃～550℃高温下测量氧含量的目的，而且性能稳定，至少满足液态金属测量氧含量的基本要求。

另外，本申请实施例还提供一种氧含量分析方法，可应用于上述氧含量分析仪。图8为本申请实施例提供的氧含量分析方法的流程图，具体的：

步骤S81、获取多组待处理的氧含量分析信号，所述氧含量分析信号用于标识液态金属的氧含量参数；

步骤S82、将采集到的多组氧含量分析信号传输至处理器；

步骤S83、基于所述多组氧含量分析信号进行处理，以得到所述液态金属中氧含量的多个实时数值。

可选的，氧含量分析信号可以采用多组氧含量采样组件获取得到。其中，多组氧含量采样组件中氧含量采样组件为多组，一组氧含量采样组件中至少包括：一个氧传感器探头和一个热电偶，所述氧传感器探头用于至少测量液态金属中的电动势，热电偶用于测量所述液态金属中的温度。

可选的，多组氧含量采样组件中的氧传感器探头的参比电极包括Bi/Bi₂O₃、In/In₂O₃、Pt/air中的至少一种。

可选的，在一种实施例中，还可以将所述多组待处理的氧含量分析信号进行信号变换，以便于后续对氧含量分析信号进行处理。

可选的，在一种实施例中，还可以将液态金属中氧含量的多个实时数值进项显示，至少显示与多个氧传感器探头对应的温度、电动势以及氧含量，其中氧含量基于所述多个氧传感器探头对应的温度以及电动势处理得到。

可选的，在一种实施例中，还可以还显示：参数设置、温度趋势、电动势趋势、历史分析趋势，其中，所述参数设置，用于对所述氧含量的浓度以及所述电动势之间的比例设置，所述温度趋势用于表示在预设时间内所述液态金属的温度变化，所述电动势趋势用于表示在预设时间内所述液态金属的电动势变化，所述历史分析趋势用于至少表示历史存储的温度趋势、电动势趋势、氧含量分析趋势中的至少一种。

可选的，还可以采用触摸的方式对显示的氧含量的多个实时数值进行调整。

采用本申请实施例中的氧含量分析方法，能够获取多组氧含量分析信号，进而得到对应的氧含量的多个实时数值，而氧含量的多个实时数值之间可以相互修正，提高了测量液态金属的精准度。

进一步的，本申请中采用与氧含量分析仪适配的西门子自带的FC105功能模块进行组态处理，并且通过FB或FC功能块实现对氧含量分析方法的编程。图9为本申请实施例提供的氧含量分析方法的编程示意图，具体可参考图9所示，这里不再展开描述。

需要说明的是，本申请中代码中所采用的TIA Portal组态形式灵活，不拘泥于固定编程模式，且TIA Portal编程环境功能更加完善，其集成了以往的step7编程环境及触摸屏组态环境，使组态过程更加简便快捷。

采用TIA Portal集成的触摸屏组态软件对其进行用户界面组态，在标准画面和用户组态画面上，汇集和显示有关的运行和操作信息，供运行人员据此对机组的运行进行监视和控制。并同时具备历史趋势和报警事件查询功能，以供操作人员掌握系统历史运行及故障报警情况。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种氧含量分析仪，其特征在于，包括：

设有多组氧含量采样组件、信号采集模块、处理器；所述信号采集模块同时与所述多组氧含量采样组件和所述处理器连接，

所述多组氧含量采样组件，用于获取多组待处理的氧含量分析信号，所述待处理的氧含量分析信号用于标识液态金属的氧含量参数；

所述信号采集模块，用于将采集到的多组氧含量分析信号传输至处理器；

所述处理器，用于基于所述多组组氧含量分析信号进行处理，以得到所述液态金属中的氧含量的多个实时数值。

2.根据权利要求1所述的氧含量分析仪，其特征在于，所述多组氧含量采样组件中氧含量采样组件为多组，一组氧含量采样组件中至少包括：一个氧传感器探头和一个热电偶，所述氧传感器探头用于至少测量液态金属中的电动势，热电偶用于测量所述液态金属中的温度。

3.根据权利要求2所述的氧含量分析仪，其特征在于，所述多组氧含量采样组件中的氧传感器探头的参比电极包括Bi/Bi₂O₃、In/In₂O₃、Pt/air中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的氧含量分析仪，其特征在于，还包括：信号变送器，与所述多组氧含量采样组件连接，用于将所述多组待处理的氧含量分析信号进行信号变换。

5.根据权利要求1所述的氧含量分析仪，其特征在于，还包括：人机界面，所述人机界面用于显示氧含量的多个实时数值，其中，人机界面至少显示所述多个氧传感器探头对应的温度、电动势以及氧含量，其中氧含量基于所述多个氧传感器探头对应的温度以及电动势处理得到。

6.根据权利要求5所述的氧含量分析仪，其特征在于，所述人机界面还显示：参数设置、温度趋势、电动势趋势、历史分析趋势，其中，所述参数设置，用于对所述氧含量的浓度以及所述电动势之间的比例设置，所述温度趋势用于表示在预设时间内所述液态金属的温度变化，所述电动势趋势用于表示在预设时间内所述液态金属的电动势变化，所述历史分析趋势用于至少表示历史存储的温度趋势、电动势趋势、氧含量分析趋势中的至少一种。

7.根据权利要求6所述的氧含量分析仪，其特征在于，所述人机界面采用触摸屏进行显示，以使得用户对所述人机界面的显示调整。

8.根据权利要求1所述的氧含量分析仪，其特征在于，所述氧含量分析仪还可以包括：多个插口，用于与所述多组氧含量采样组件之间连接。

9.一种氧含量分析方法，其特征在于，包括：

获取多组待处理的氧含量分析信号，所述氧含量分析信号用于标识液态金属的氧含量参数；

将采集到的所述多组氧含量分析信号传输至处理器；

基于所述多组氧含量分析信号进行处理，以得到所述液态金属中氧含量的多个实时数值。

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