JP2878603B2 - Sensor for measuring dissolved amount of hydrogen in molten metal - Google Patents

Sensor for measuring dissolved amount of hydrogen in molten metal

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JP2878603B2
JP2878603B2 JP6160339A JP16033994A JP2878603B2 JP 2878603 B2 JP2878603 B2 JP 2878603B2 JP 6160339 A JP6160339 A JP 6160339A JP 16033994 A JP16033994 A JP 16033994A JP 2878603 B2 JP2878603 B2 JP 2878603B2
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measurement electrode
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保 矢嶋
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  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、プロトン導電性を有す
る固体電解質部材を使用して溶融金属中の水素濃度を測
定する溶融金属中の水素溶解量測定用センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sensor for measuring the amount of dissolved hydrogen in molten metal, which measures the concentration of hydrogen in the molten metal using a solid electrolyte member having proton conductivity.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、溶融金属中の水素濃度を測定する
方法としては、以下に示す方法がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, there are the following methods for measuring the hydrogen concentration in a molten metal.

【0003】イニシャルバブル法 先ず、溶融金属をサンプリングし、この溶融金属をヒー
ターを内蔵した測定室内に配置する。その後、前記測定
室内を減圧状態にして溶融金属の表面から最初に気泡が
発生したときの測定室内の温度及び圧力から水素量を算
出する。
Initial Bubble Method First, a molten metal is sampled, and the molten metal is placed in a measurement room having a built-in heater. Thereafter, the pressure in the measurement chamber is reduced, and the amount of hydrogen is calculated from the temperature and the pressure in the measurement chamber when bubbles are first generated from the surface of the molten metal.

【0004】減圧凝固法 サンプリングした溶融金属を減圧下で凝固させ、凝固後
の試料内の気泡の状態観察、標準試料の比重との比較及
び試料断面の気泡の状態から水素ガス量を求める。
Vacuum Solidification Method The sampled molten metal is solidified under reduced pressure, the state of bubbles in the sample after solidification is observed, compared with the specific gravity of a standard sample, and the amount of hydrogen gas is determined from the state of bubbles in the cross section of the sample.

【0005】分圧平衡法 少量の不活性ガスを溶湯に注入しこれを循環させて、水
素ガスが不活性ガス中に拡散し平衡状態になったところ
で前記不活性ガスを回収し、熱伝導度式検出器、ガスク
ロマトグラフ又は質量分析器等で不活性ガス中の水素濃
度を分析し、その分析結果及び溶融金属の温度から溶融
金属中の水素濃度を求める。
Partial pressure equilibrium method A small amount of inert gas is injected into a molten metal and circulated. When the hydrogen gas diffuses into the inert gas and reaches an equilibrium state, the inert gas is recovered and the thermal conductivity is measured. The hydrogen concentration in the inert gas is analyzed by a type detector, gas chromatograph, mass spectrometer, or the like, and the hydrogen concentration in the molten metal is determined from the analysis result and the temperature of the molten metal.

【0006】真空抽出法 溶融金属をサンプリングし、急冷して凝固させた試料を
真空中で加熱して、試料から放出される水素ガスの量を
熱伝導度式検出器、ガスクロマトグラフ、質量分析器又
は赤外線分析器等を用いて定量する。
Vacuum extraction method A sample obtained by sampling a molten metal, rapidly cooling and solidifying the sample is heated in a vacuum, and the amount of hydrogen gas released from the sample is measured by a thermal conductivity detector, a gas chromatograph, and a mass spectrometer. Alternatively, the amount is determined using an infrared analyzer or the like.

【0007】しかし、これらの従来の溶融金属中の水素
濃度測定方法においては、測定に長時間を要するという
欠点、測定精度が悪いという欠点又は高価な測定装置が
必要であるという欠点等があり、いずれも実際の鋳造現
場での水素溶解量の測定には適していない。
However, these conventional methods for measuring the hydrogen concentration in molten metal have the disadvantage that the measurement takes a long time, the measurement accuracy is poor, or an expensive measuring device is required. Neither is suitable for measuring the amount of hydrogen dissolved at the actual casting site.

【0008】これらの問題点を解決すべく開発された測
定方法に、プロトン導電性固体電解質を用いたガス濃淡
電池式の水素センサがある。この種のセンサは、プロト
ン導電性を有する固体電解質からなる部材の一方の面側
に多孔性導電体からなる基準極及びこの基準極に接触し
濃淡電池の起電力の基準となる基準物質を配設し、他方
の面に設けられた測定極を溶融金属に接触させて、基準
極側の水素分圧と溶融金属中の水素濃度との間の水素活
量の差によって生じる起電力から溶融金属中の水素濃度
を検出するものである。このセンサは、溶融金属中の水
素濃度を直接測定することが可能であり、応答速度が速
く、高い精度を得ることができるという利点を有してい
る。
As a measuring method developed to solve these problems, there is a gas concentration cell type hydrogen sensor using a proton conductive solid electrolyte. In this type of sensor, a reference electrode made of a porous conductor and a reference substance which comes into contact with this reference electrode and serves as a reference for electromotive force of a concentration cell are arranged on one surface side of a member made of a solid electrolyte having proton conductivity. The measurement electrode provided on the other surface is brought into contact with the molten metal, and the molten metal is generated from the electromotive force generated by the difference in hydrogen activity between the hydrogen partial pressure on the reference electrode side and the hydrogen concentration in the molten metal. It detects the hydrogen concentration inside. This sensor has the advantages that it can directly measure the hydrogen concentration in the molten metal, has a high response speed, and can obtain high accuracy.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のプロトン導電性固体電解質を用いたセンサは、
長時間使用すると、溶融金属との接触により測定極が溶
融金属中の成分と反応して水素濃度の測定が不可能にな
ってしまうという問題点がある。また、フラックス等を
溶湯処理に多量に使用していると、測定極が短時間で腐
食されてセンサが作動しなくなるという問題点がある。
However, the sensor using the above-mentioned conventional proton conductive solid electrolyte is
When used for a long time, there is a problem that the measurement electrode reacts with a component in the molten metal due to contact with the molten metal, and it becomes impossible to measure the hydrogen concentration. In addition, when a large amount of flux or the like is used in the molten metal processing, there is a problem that the measurement electrode is corroded in a short time and the sensor does not operate.

【0010】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、溶融金属及び溶湯処理フラックスによる電
極の腐食を防止できてセンサ寿命が長く、長時間に亘っ
て溶融金属中の水素溶解量を安定して測定できる溶融金
属中の水素溶解量測定用センサを提供することを目的と
する。
The present invention has been made in view of the above problems, and it is possible to prevent corrosion of an electrode due to a molten metal and a molten metal processing flux, thereby extending the life of a sensor and dissolving hydrogen in the molten metal for a long time. It is an object of the present invention to provide a sensor for measuring the amount of dissolved hydrogen in molten metal which can stably measure the amount of hydrogen.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明に係る溶融金属中
の水素溶解量測定用センサは、プロトン導電性を有する
固体電解質材料により形成された固体電解質部材と、こ
の固体電解質部材に設けられた基準極及び測定極と、前
記基準極に対して濃淡電池の起電力の基準を与える基準
物質と、前記固体電解質部材に固定され前記測定極に接
続した空間を形成する絶縁性スリーブと、前記空間の前
記測定極側に充填されたセラミックスの粉末又はファイ
バーにより構成された第1の充填層と、前記空間の前記
測定極と反対の側の端部に充填された導電性を有する粉
末又はファイバーにより構成され前記測定極に電気的に
接続された第2の充填層とを有することを特徴とする。
According to the present invention, there is provided a sensor for measuring the amount of hydrogen dissolved in a molten metal according to the present invention, comprising a solid electrolyte member formed of a solid electrolyte material having proton conductivity, and a solid electrolyte member provided on the solid electrolyte member. A reference electrode and a measurement electrode, a reference substance for giving a reference of electromotive force of the concentration cell to the reference electrode, an insulating sleeve fixed to the solid electrolyte member to form a space connected to the measurement electrode, and the space A first filling layer composed of ceramic powder or fiber filled on the measurement electrode side, and a conductive powder or fiber filled on an end of the space on the side opposite to the measurement electrode. And a second filling layer that is configured and electrically connected to the measurement electrode.

【0012】[0012]

【作用】本発明においては、固体電解質部材に絶縁性ス
リーブが固定されており、この絶縁性スリーブにより形
成され測定極に接続する空間内に第1の充填層及び第2
の充填層が設けられている。この第1の充填層は、アル
ミナ、ジルコニア、マグネシア及び炭化ケイ素等のセラ
ミックスの粉末又はファイバーにより構成されており、
第2の充填層は、カーボン又は金属等の粉末又はファイ
バーにより構成されているため、これらの充填層は通気
性を有している。即ち、本発明に係る水素溶解量測定用
センサにおいては、スリーブ内側の空間をガス室とし、
このガス室を測定極と溶融金属との間に介在させて、固
電解質部材と溶融金属とが直接接触することを防止す
る。これにより、測定極と溶融金属との反応及びフラッ
クス等による測定極の腐食を防止することができる。
In the present invention, an insulating sleeve is fixed to a solid electrolyte member, and a first filling layer and a second filling layer are provided in a space formed by the insulating sleeve and connected to a measurement electrode.
Is provided. The first packed layer is made of ceramic powder or fiber such as alumina, zirconia, magnesia and silicon carbide,
Since the second filling layer is made of powder or fiber of carbon or metal, these filling layers have air permeability. That is, in the hydrogen dissolved amount measurement sensor according to the present invention, the space inside the sleeve is a gas chamber,
This gas chamber is interposed between the measuring electrode and the molten metal to
It prevents the body electrolyte member and the molten metal from coming into direct contact. This can prevent the reaction between the measurement electrode and the molten metal and the corrosion of the measurement electrode due to flux or the like.

【0013】本発明に係るセンサは、測定時にはスリー
ブ側を溶融金属に浸漬する。そうすると、第2の充填層
が溶融金属に接触し、この第2の充填層を介して溶融金
属と測定極とが電気的に接続される。従って、溶融金属
は測定極と同電位になり、例えば溶融金属中に導電体部
材を浸漬して、この導電体部材と基準極との間の電位差
を測定することにより、ガス濃淡電池の起電力を測定す
ることができる。
In the sensor according to the present invention, the sleeve side is immersed in the molten metal during measurement. Then, the second filling layer comes into contact with the molten metal, and the molten metal and the measuring electrode are electrically connected via the second filling layer. Therefore, the molten metal has the same potential as the measuring electrode. For example, by immersing the conductive member in the molten metal and measuring the potential difference between the conductive member and the reference electrode, the electromotive force of the gas concentration cell is measured. Can be measured.

【0014】このとき、溶融金属が第2の充填層内に侵
入することが考えられる。しかし、本発明においては、
測定極側に配置された第1の充填層がセラミックスの粉
末又はファイバーにより構成されており、セラミックス
の粉末又はファイバーは溶融金属の侵入を阻止する能力
が大きいため、第1の充填層内に溶融金属が侵入するこ
とを確実に防止することができる。これにより、溶融金
属が測定極に直接接触することはない。従って、充填層
は、セラミックスの粉末又はファイバーにより構成され
た第1の充填層と、導電性を有する粉末又はファイバー
により構成された第2の充填層との2層構造とすること
が必要である。
At this time, it is conceivable that the molten metal invades the second filling layer. However, in the present invention,
The first filling layer arranged on the measurement electrode side is made of ceramic powder or fiber. Since the ceramic powder or fiber has a large ability to prevent the intrusion of molten metal, the first filling layer is melted in the first filling layer. It is possible to reliably prevent metal from entering. Thereby, the molten metal does not come into direct contact with the measuring electrode. Therefore, the filling layer needs to have a two-layer structure of a first filling layer composed of ceramic powder or fiber and a second filling layer composed of conductive powder or fiber. .

【0015】[0015]

【実施例】次に、本発明の実施例について、添付の図面
を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施例に係
る溶融金属中の水素溶解量測定用センサを示す断面図で
ある。固体電解質部材1は、CaZr0.9In0.13-x
(但し、xは0〜0.05)、SrCe0.95Yb0.05
3-x 及びBaCe0.9Nd0.13-x 等のようにプロトン
導電性を有する組成のセラミックス又はガラスにより一
端が閉塞された管状に形成されており、固体電解質部材
1の内面及び外面には、夫々測定極及び基準極として、
例えば、Pt、Ni又は酸化物導電体等からなる多孔質
電極2a,2bが焼き付け形成されている。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a sensor for measuring the amount of dissolved hydrogen in molten metal according to a first embodiment of the present invention. The solid electrolyte member 1 is made of CaZr 0.9 In 0.1 O 3-x
(However, x is 0 to 0.05 ), SrCe 0.95 Yb 0.05 O
3-x and BaCe 0.9 Nd 0.1 O 3-x are formed in a tubular shape whose one end is closed by ceramic or glass having a composition having proton conductivity, such as BaCe 0.9 Nd 0.1 O 3-x, and the inner surface and the outer surface of the solid electrolyte member 1 As the measurement pole and the reference pole respectively
For example, porous electrodes 2a and 2b made of Pt, Ni, an oxide conductor, or the like are formed by baking.

【0016】この固体電解質部材1の閉塞端側の端部に
はセラミックス製パイプ4が嵌合しており、このパイプ
4と固体電解質部材1とは無機接着剤により接合されて
いる。また、固体電解質部材1とパイプ4との接合部分
は、ガラスシール材6により気密的に封止されている。
このガラスシール材6は、その熱膨張係数がセンサの使
用温度域である300乃至1000℃における固体電解
質部材1の熱膨張率に近く、更に流動点が前記センサの
使用温度以上である緻密質ガラスシール材であることが
好ましい。
A ceramic pipe 4 is fitted to the closed end of the solid electrolyte member 1, and the pipe 4 and the solid electrolyte member 1 are joined by an inorganic adhesive. The joint between the solid electrolyte member 1 and the pipe 4 is hermetically sealed with a glass sealing material 6.
The glass sealing material 6 is a dense glass whose coefficient of thermal expansion is close to the coefficient of thermal expansion of the solid electrolyte member 1 in the temperature range of 300 to 1000 ° C., which is the operating temperature range of the sensor, and whose pour point is higher than the operating temperature of the sensor. It is preferably a sealing material.

【0017】また、このガラスシール材6は、セラミッ
クスからなるコーティング材7によりコーティングされ
ている。このコーティング材7は、ガラスシール材6と
溶融金属との反応を防ぐためのものである。
The glass sealing material 6 is coated with a coating material 7 made of ceramics. This coating material 7 is for preventing the reaction between the glass sealing material 6 and the molten metal.

【0018】セラミックス製パイプ4の内側にはステン
レスからなる金属製パイプ9が挿入されており、この金
属製パイプ9の先端部分は多孔質電極2bに接合されて
いる。この金属製パイプ9を介して、固体電解質部材1
に、基準物質として、水素ガス分圧が一定に調整された
基準ガス8を供給する。また、この金属製パイプ9は、
多孔質電極2bのリードとしても作用する。
A metal pipe 9 made of stainless steel is inserted into the inside of the ceramic pipe 4, and the tip of the metal pipe 9 is joined to the porous electrode 2b. The solid electrolyte member 1 is connected via the metal pipe 9.
Then, a reference gas 8 whose hydrogen gas partial pressure is adjusted to be constant is supplied as a reference substance. Also, this metal pipe 9
It also acts as a lead for the porous electrode 2b.

【0019】一方、固体電解質部材1の開放端側にはセ
ラミックス製スリーブ3が嵌合している。このスリーブ
3の内面の固体電解質部材1の端部近傍には、多孔質電
極2aに電気的に接続された引出電極2cが設けられて
いる。また、固体電解質部材1の内側には、第1の充填
層12として、アルミナ、ジルコニア、マグネシア及び
炭化ケイ素からなる群から選択された少なくとも1種の
セラミックス粉末が充填されており、固体電解質部材1
の開放端側の端部とスリーブ3の先端部との間には、第
2の充填層13として、カーボン又は金属により形成さ
れた導電性ファイバーが充填されている。この第2の充
填層13は、引出電極2cを介して多孔質電極2aに電
気的に接続されている。
On the other hand, a ceramic sleeve 3 is fitted on the open end side of the solid electrolyte member 1. An extraction electrode 2c electrically connected to the porous electrode 2a is provided near the end of the solid electrolyte member 1 on the inner surface of the sleeve 3. Further, at least one type of ceramic powder selected from the group consisting of alumina, zirconia, magnesia and silicon carbide is filled as a first filling layer 12 inside the solid electrolyte member 1.
A conductive fiber made of carbon or metal is filled as a second filling layer 13 between the end on the open end side and the tip of the sleeve 3. The second filling layer 13 is electrically connected to the porous electrode 2a via the extraction electrode 2c.

【0020】本実施例に係る水素溶解量測定用センサ
は、スリーブ3側を溶融金属に浸漬する。この場合に、
スリーブ3内の充填層12,13により、溶融金属がス
リーブ3内に侵入することを防止でき、スリーブ3の内
側がガス室となって、溶融金属と固体電解質部材1とが
直接接触することを防止できる。また、測定極である多
孔質電極2aは、引出電極2c及び第2の充填層13を
介して溶融金属に電気的に接続される。
In the sensor for measuring the amount of dissolved hydrogen according to the present embodiment, the sleeve 3 is immersed in the molten metal. In this case,
The filling layers 12 and 13 in the sleeve 3 can prevent the molten metal from entering the sleeve 3, and the inside of the sleeve 3 serves as a gas chamber to prevent direct contact between the molten metal and the solid electrolyte member 1. Can be prevented. Further, the porous electrode 2a serving as the measurement electrode is electrically connected to the molten metal via the extraction electrode 2c and the second filling layer 13.

【0021】次に、金属製パイプ9を介して固体電解質
部材1の多孔質電極2b側に基準ガス8として所定濃度
の水素又は水蒸気を含有するガスを供給する。そうする
と、溶融金属と基準ガス8との水素活量の差により、固
体電解質部材1の両側の多孔質電極2a,2bの間に起
電力が発生する。この起電力を測定することにより、溶
融金属中の水素濃度を測定する。この測定原理は、プロ
トン導電性固体電解質物質を用いたガス濃淡電池の起電
力を測定することにより行うものである。
Next, a gas containing a predetermined concentration of hydrogen or water vapor is supplied as a reference gas 8 to the porous electrode 2b side of the solid electrolyte member 1 through a metal pipe 9. Then, an electromotive force is generated between the porous electrodes 2 a and 2 b on both sides of the solid electrolyte member 1 due to the difference in the hydrogen activity between the molten metal and the reference gas 8. By measuring this electromotive force, the hydrogen concentration in the molten metal is measured. This measurement principle is performed by measuring the electromotive force of a gas concentration cell using a proton conductive solid electrolyte substance.

【0022】プロトン導電性を示す固体電解質を用いる
ガス濃淡電池式の水素センサは高温で安定に作動し、下
記数式1で与えられる理論値に近い起電力を示す。
A gas concentration cell type hydrogen sensor using a solid electrolyte exhibiting proton conductivity operates stably at a high temperature and shows an electromotive force close to the theoretical value given by the following equation (1).

【0023】[0023]

【数1】 E=(RT/2F)ln[PH1(1)/PH2(2)] 但し、Eは起電力(V)、Rは気体定数、Fはファラデ
ー定数、Tは絶対温度、PH1(1)及びPH2(2)は夫
々測定極側及び基準極側の水素分圧である。
E = (RT / 2F) ln [P H1 (1) / P H2 (2)] where E is electromotive force (V), R is gas constant, F is Faraday constant, T is absolute temperature, P H1 (1) and P H2 (2) are hydrogen partial pressures on the measurement electrode side and the reference electrode side, respectively.

【0024】溶融金属中の水素濃度とその溶湯上の水素
分圧との間には平衡関係が成り立ち、下記数式2のシー
ベルトの(Sieverts)の規則に従う。
An equilibrium relationship is established between the hydrogen concentration in the molten metal and the hydrogen partial pressure on the molten metal, and follows the Sieverts rule of Equation 2 below.

【0025】[0025]

【数2】S=K(PH21/2 但し、Sは水素の平衡溶解度、Kは定数、PH2は溶湯上
の水素分圧である。
S = K (P H2 ) 1/2 where S is the equilibrium solubility of hydrogen, K is a constant, and P H2 is the partial pressure of hydrogen on the molten metal.

【0026】この数式2からわかるように、溶湯に接し
た気相中の水素分圧を測定できれば、溶湯中に溶解して
いる水素濃度を求めることができる。
As can be seen from Equation 2, if the hydrogen partial pressure in the gas phase in contact with the molten metal can be measured, the concentration of hydrogen dissolved in the molten metal can be determined.

【0027】一般的に溶融金属中の水素濃度は、その溶
湯と接した気相中の水素分圧と溶湯温度とに依存し、そ
の水素分圧及び溶湯温度の依存性はシーベルト則とヘン
リー(Henry )則に従う。このため、水素濃度Sは下記
数式3で表すことができる。
In general, the hydrogen concentration in a molten metal depends on the hydrogen partial pressure in the gas phase in contact with the molten metal and the temperature of the molten metal. The dependence of the hydrogen partial pressure and the temperature of the molten metal depends on the Sievert rule and Henry's law. (Henry) rules. For this reason, the hydrogen concentration S can be expressed by the following equation (3).

【0028】[0028]

【数3】 logS=A−(B/T)+(1/2)log(PH2) 但し、A及びBは金属の組成に依存した定数である。LogS = A− (B / T) + (1 /) log (P H2 ) where A and B are constants depending on the metal composition.

【0029】そこで、図1に示すセンサのスリーブ3側
を溶融金属中に浸漬して、溶湯中の水素濃度を測定す
る。即ち、基準極と測定極との間に発生する起電力か
ら、前記数式1を用いて水素分圧PH2を求め、この水素
分圧を数式3に代入することにより、溶湯中の水素濃度
Sを求めることができる。
Then, the sleeve 3 side of the sensor shown in FIG. 1 is immersed in the molten metal, and the hydrogen concentration in the molten metal is measured. That is, from the electromotive force generated between the reference electrode and the measurement electrode, the hydrogen partial pressure P H2 is obtained by using the above-described equation (1), and this hydrogen partial pressure is substituted into the equation (3) to obtain the hydrogen concentration S in the molten metal. Can be requested.

【0030】例えば、溶融金属中にカーボンの棒を挿入
して、このカーボンの棒と金属製パイプ9との間の電位
差を測定し、その結果に基づいて溶融金属中の水素溶解
量を検出することができる。
For example, a carbon rod is inserted into the molten metal, the potential difference between the carbon rod and the metal pipe 9 is measured, and the amount of hydrogen dissolved in the molten metal is detected based on the result. be able to.

【0031】この場合に、本実施例においては、固体電
解質部材1にセラミックス製スリーブ3が嵌合してお
り、このスリーブ3内の充填層12,13により溶融金
属と測定極である多孔質電極2aとが直接接触すること
を防止できるので、溶融金属又はフラックスによる多孔
質電極2aの変質及び腐食を抑制することができる。従
って、本実施例に係る水素溶解量測定用センサは、セン
サ寿命が長く、溶融金属中の水素溶解量を長期間に亘っ
て測定することができる。なお、使用時に第2の充填層
13内に溶融金属が侵入することも考えられるが、仮に
第2の充填層13内に溶融金属が侵入したとしても、第
1の充填層12がセラミックス粉末により構成されてお
り、溶融金属の侵入を防止する能力が大きいため、第1
の充填層13内に溶融金属が侵入することを確実に防止
できる。
In this case, in this embodiment, a ceramic sleeve 3 is fitted to the solid electrolyte member 1 and the molten metal and the porous electrode serving as a measuring electrode are filled by the filling layers 12 and 13 in the sleeve 3. Since direct contact with 2a can be prevented, deterioration and corrosion of the porous electrode 2a due to molten metal or flux can be suppressed. Therefore, the sensor for measuring the amount of dissolved hydrogen according to the present embodiment has a long sensor life and can measure the amount of dissolved hydrogen in the molten metal over a long period of time. It is conceivable that molten metal may enter the second filling layer 13 during use. However, even if the molten metal enters the second filling layer 13, the first filling layer 12 may be formed of ceramic powder. Because of its high ability to prevent the intrusion of molten metal,
Of the molten metal can be reliably prevented from entering the filled layer 13 of the first embodiment.

【0032】図2は本発明の第2の実施例に係る溶融金
属中の水素溶解量測定用センサを示す断面図である。本
実施例が第1の実施例と異なる点は、基準物質として固
体基準物質18を使用した点にあり、その他の構成は基
本的には第1の実施例と同様であるので、同一物には同
一符号を付してその詳しい説明は省略する。
FIG. 2 is a sectional view showing a sensor for measuring the amount of dissolved hydrogen in molten metal according to a second embodiment of the present invention. This embodiment is different from the first embodiment in that a solid reference material 18 is used as a reference material, and other configurations are basically the same as those in the first embodiment. Are denoted by the same reference numerals, and their detailed description is omitted.

【0033】本実施例においては、固体電解質部材1の
閉塞端側に嵌合するセラミックス製パイプ4の内側に、
固体基準物質18として、例えば、燐酸アルミニウムと
電子導電性酸化物との混合物又は金属と金属水素化物と
の混合物等が装入されている。これらの物質は、水素又
は水蒸気活量が常に一定に維持されるという性質を有し
ている。パイプ4の固体電解質部材1と反対の側の端部
には、アルミナセメント11及びセラミックス充填材1
4が外側からこの順で充填されており、固体基準物質1
8はこれらのアルミナセメント11及び充填材14によ
り密閉されている。なお、リード1は、基準極である
多孔質電極2bに電気的に接続され、固体基準物質1
8、充填材14及びアルミナセメント15を挿通して外
部に導出されている。本実施例においても、第1の実施
例と同様の効果を得ることができる。
In this embodiment, the inside of the ceramic pipe 4 fitted to the closed end side of the solid electrolyte member 1 is
As the solid reference material 18, for example, a mixture of aluminum phosphate and an electronic conductive oxide or a mixture of a metal and a metal hydride is charged. These substances have the property that the hydrogen or steam activity is always kept constant. At the end of the pipe 4 on the side opposite to the solid electrolyte member 1, alumina cement 11 and ceramic filler 1
4 are filled in this order from the outside, and the solid reference material 1
8 is hermetically sealed by the alumina cement 11 and the filler 14. Incidentally, the lead 1 0 are electrically connected to the porous electrode 2b is a reference electrode, a solid reference material 1
8, the filler 14 and the alumina cement 15 are inserted and led out. In this embodiment, the same effects as in the first embodiment can be obtained.

【0034】以下、本発明の第1の実施例に係る溶融金
属中の水素溶解量測定用センサを実際に製造し、その初
期応答特性を調べた結果について説明する。
A description will now be given of the result of actually manufacturing the sensor for measuring the amount of dissolved hydrogen in molten metal according to the first embodiment of the present invention and examining the initial response characteristics thereof.

【0035】先ず、ペロブスカイト型プロトン導電性酸
化物であるCaZr0.9In0.13- x (但し、xは0〜
0.05)により、一端が閉塞した管状の固体電解質部
材1を形成した。そして、この固体電解質部材1の内側
及び外側の面に、測定極及び基準極として、夫々多孔質
Pt電極2a,2bを900℃の温度で焼き付けた。
First, CaZr 0.9 In 0.1 O 3- x which is a perovskite-type proton conductive oxide (where x is 0 to 0)
0.05), a tubular solid electrolyte member 1 having one end closed was formed. Then, porous Pt electrodes 2a and 2b were baked at a temperature of 900 ° C. on the inner and outer surfaces of the solid electrolyte member 1 as a measurement electrode and a reference electrode, respectively.

【0036】次に、この固体電解質部材1の閉塞端側に
アルミナ製のパイプ4(外径が6.5mm、内径が4.
5mm、長さが500mm)をアルミナ質のセラミック
ス接着剤を用いて固定し、その接着部分をガラスシール
材6で気密的にシールした。更に、このガスシール材6
をアルミナ質のセラミックスコーティング材7により被
覆した。また、固体電解質部材1の開放端側にアルミナ
製スリーブ3を嵌合して固定した。そして、このスリー
ブ3の内側の面に、多孔質電極2aに電気的に接触する
引出電極2cを形成した。
Next, a pipe 4 made of alumina (having an outer diameter of 6.5 mm and an inner diameter of 4.0 mm) was placed on the closed end side of the solid electrolyte member 1.
5 mm and a length of 500 mm) were fixed using an alumina ceramic adhesive, and the bonded portion was hermetically sealed with a glass sealing material 6. Further, the gas sealing material 6
Was coated with an alumina ceramic coating material 7. Further, an alumina sleeve 3 was fitted and fixed to the open end side of the solid electrolyte member 1. Then, on the inner surface of the sleeve 3, an extraction electrode 2c electrically contacting the porous electrode 2a was formed.

【0037】その後、固体電解質部材1の内側に、約1
重量%の黒鉛粉末を含有し残部がアルミナ粉末からなる
充填材12を充填した。この場合に、スリーブ内側の空
間のガス体積を小さくするために、充填材12の充填率
は75%とした。また、黒鉛粉末は、水素溶解量を測定
する際に溶融金属の熱により加熱され、スリーブ3内に
存在する酸素と反応して酸素を迅速に除去し、センサの
初期応答時間を短縮するという作用がある。
Thereafter, about 1
A filler 12 containing graphite powder in a percentage by weight and the balance being alumina powder was filled. In this case, the filling rate of the filler 12 was set to 75% in order to reduce the gas volume in the space inside the sleeve. Further, the graphite powder is heated by the heat of the molten metal when measuring the amount of dissolved hydrogen, reacts with the oxygen present in the sleeve 3 to quickly remove the oxygen, thereby shortening the initial response time of the sensor. There is.

【0038】次いで、スリーブ3内の固体電解質部材1
の開放端部とスリーブ3の先端部との間に、導電性ファ
イバー13として、カーボンファイバーを充填した。ま
た、アルミナ製のパイプ4の内側にステンレス製のパイ
プ9を挿入し、このパイプ9の先端部を多孔質電極2b
に電気的に接触させて固定した。
Next, the solid electrolyte member 1 in the sleeve 3
A carbon fiber was filled as the conductive fiber 13 between the open end of the sleeve 3 and the tip of the sleeve 3. Also, a stainless steel pipe 9 is inserted inside the alumina pipe 4, and the tip of the pipe 9 is connected to the porous electrode 2b.
And was fixed in electrical contact.

【0039】このようにして実施例に係る同一構造のセ
ンサを4本製造し、これらのセンサを、黒鉛るつぼ内で
溶解した温度が700℃のアルミニウム合金中に挿入
し、センサの起電力応答を測定した。測定時には、ステ
ンレス製パイプ9を介して基準極側に1体積%の水素を
含んだアルゴンガスを導入した。また、溶融金属中の水
素濃度は、黒鉛るつぼ内で溶解したアルミニウム合金上
の気相の水素ガス濃度を変化させることにより調整し
た。更に、溶融金属中にカーボン製の棒を挿入し、この
カーボン棒とステンレス製のパイプ9との間の電位差を
測定することにより、固体電解質部材1の基準極と測定
極との間の起電力測定を行った。なお、溶融金属中の温
度は、クロメル−アルメル熱電対(K熱電対)にて測定
した。そして、センサ寿命を調べた。
In this way, four sensors having the same structure according to the embodiment were manufactured, and these sensors were inserted into an aluminum alloy having a temperature of 700 ° C. dissolved in a graphite crucible, and the electromotive force response of the sensors was measured. It was measured. At the time of measurement, an argon gas containing 1% by volume of hydrogen was introduced into the reference electrode side through a stainless steel pipe 9. Further, the hydrogen concentration in the molten metal was adjusted by changing the gaseous hydrogen gas concentration on the aluminum alloy dissolved in the graphite crucible. Furthermore, by inserting a carbon rod into the molten metal and measuring the potential difference between the carbon rod and the stainless steel pipe 9, the electromotive force between the reference electrode and the measurement electrode of the solid electrolyte member 1 is measured. A measurement was made. The temperature in the molten metal was measured with a chromel-alumel thermocouple (K thermocouple). Then, the sensor life was examined.

【0040】また、比較のために、測定極を溶融金属に
直接接触させるタイプの従来の水素溶解量測定用センサ
を4本製造し、実施例と同様にして、センサ寿命も調べ
た。その結果を、下記表1に示す。
For comparison, four conventional sensors for measuring the amount of dissolved hydrogen of the type in which the measuring electrode was brought into direct contact with the molten metal were manufactured, and the sensor life was examined in the same manner as in the examples. The results are shown in Table 1 below.

【0041】[0041]

【表1】 [Table 1]

【0042】この表1から明らかなように、従来例1〜
4のセンサのセンサ寿命がいずれも13時間以下と短い
のに対し、実施例1〜4のセンサはいずれもセンサ寿命
が65時間以上であり、従来例に比してセンサ寿命が極
めて長いものであった。
As is clear from Table 1, Conventional Examples 1 to
The sensor life of each of the sensors of Example 4 is as short as 13 hours or less, whereas the sensor life of each of the sensors of Examples 1 to 4 is 65 hours or more, and the sensor life is extremely long as compared with the conventional example. Was.

【0043】なお、上述の実施例においては、いずれも
固体電解質部材に予めセラミックス製パイプが取り付け
られている場合について説明したが、使用時に固体電解
質部材にセラミックス製パイプを無機接着剤により固定
してもよい。この場合は、固体電解質部材とセラミック
ス製パイプとの接合部を封止するシール材として、その
軟化点がセンサの使用温度以下であり、流動点がセンサ
の使用温度以上の緻密質ガラスシール材を使用すること
が好ましい。
In each of the above embodiments, a case was described in which a ceramic pipe was previously attached to the solid electrolyte member. However, the ceramic pipe was fixed to the solid electrolyte member with an inorganic adhesive during use. Is also good. In this case, as a sealing material for sealing the joint between the solid electrolyte member and the ceramic pipe, a dense glass sealing material whose softening point is equal to or lower than the operating temperature of the sensor and whose pour point is equal to or higher than the operating temperature of the sensor is used. It is preferred to use.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る溶融金
属中の水素溶解量測定用センサは、絶縁性スリーブを有
し、このスリーブ内側の測定極に接続した空間内にセラ
ミックスの粉末又はファイバーにより構成される第1の
充填層と、導電性の粉末又はファイバーにより構成され
測定極に電気的に接続された第2の充填層とが設けられ
ているため、測定極が溶融金属に直接接触することを防
止でき、溶融金属と測定極との反応及びフラックスによ
る測定極の腐食を抑制できる。このため、本発明に係る
水素溶解量測定用センサは、溶融金属中の水素溶解量を
長時間に亘って安定して測定することができるという効
果を奏する。
As described above, the sensor for measuring the amount of dissolved hydrogen in molten metal according to the present invention has an insulating sleeve, and a ceramic powder or fiber is placed in the space connected to the measuring electrode inside the sleeve. And the second filling layer made of conductive powder or fiber and electrically connected to the measuring electrode, so that the measuring electrode directly contacts the molten metal. Can be prevented, and the reaction between the molten metal and the measuring electrode and the flux
Corrosion of measuring Teikyoku can be suppressed that. Therefore, the sensor for measuring the amount of dissolved hydrogen according to the present invention has an effect that the amount of dissolved hydrogen in the molten metal can be stably measured over a long period of time.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例に係る溶融金属中の水素
溶解量測定用センサを示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a sensor for measuring the amount of dissolved hydrogen in molten metal according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2の実施例に係る溶融金属中の水素
溶解量測定用センサを示す断面図である。
FIG. 2 is a sectional view showing a sensor for measuring the amount of dissolved hydrogen in molten metal according to a second embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1;固体電解質部材 2a,2b;多孔質電極 3;スリーブ 4;セラミックス製パイプ 6;ガラスシール材 7;コーティング材 8;基準ガス 9;金属製パイプ 12;充填材 18;固体基準物質 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Solid electrolyte member 2a, 2b; Porous electrode 3: Sleeve 4: Ceramic pipe 6; Glass sealing material 7; Coating material 8; Reference gas 9; Metal pipe 12;

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 27/406 G01N 27/416 Continuation of front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G01N 27/406 G01N 27/416

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 プロトン導電性を有する固体電解質材料
により形成された固体電解質部材と、この固体電解質部
材に設けられた基準極及び測定極と、前記基準極に対し
て濃淡電池の起電力の基準を与える基準物質と、前記固
体電解質部材に固定され前記測定極に接続した空間を形
成する絶縁性スリーブと、前記空間の前記測定極側に充
填されたセラミックスの粉末又はファイバーにより構成
された第1の充填層と、前記空間の前記測定極と反対の
側の端部に充填された導電性を有する粉末又はファイバ
ーにより構成され前記測定極に電気的に接続された第2
の充填層とを有することを特徴とする溶融金属中の水素
溶解量測定用センサ。
1. A solid electrolyte member formed of a solid electrolyte material having proton conductivity, a reference electrode and a measurement electrode provided on the solid electrolyte member, and a reference of an electromotive force of the concentration cell with respect to the reference electrode. And a first insulating material that is fixed to the solid electrolyte member to form a space connected to the measurement electrode, and a ceramic powder or fiber filled on the measurement electrode side of the space. And a second electrically conductive powder or fiber filled at the end of the space opposite to the measurement electrode and electrically connected to the measurement electrode.
A sensor for measuring the amount of dissolved hydrogen in molten metal, comprising:
【請求項2】 プロトン導電性を有する固体電解質材料
により一端が閉塞された管状に形成された固体電解質部
材と、この固体電解質部材の外面上に設けられた基準極
と、この基準極に対して濃淡電池の起電力の基準を与え
る基準物質と、前記固体電解質部材の内面上に設けられ
た測定極と、前記固体電解質部材の開放端側を嵌合し前
記測定極に接続した空間を形成する絶縁性スリーブと、
前記空間の前記測定極側に充填されたセラミックスの粉
末又はファイバーにより構成された第1の充填層と、前
記空間の前記測定極と反対の側の端部に充填された導電
性を有する粉末又はファイバーにより構成され前記測定
極に電気的に接続された第2の充填層とを有することを
特徴とする溶融金属中の水素溶解量測定用センサ。
2. A solid electrolyte member formed in a tubular shape, one end of which is closed by a solid electrolyte material having proton conductivity; a reference electrode provided on an outer surface of the solid electrolyte member; A reference substance that provides a reference for the electromotive force of the concentration cell, a measurement electrode provided on the inner surface of the solid electrolyte member, and an open end side of the solid electrolyte member are fitted to form a space connected to the measurement electrode. An insulating sleeve;
A first filling layer made of ceramic powder or fiber filled on the measurement electrode side of the space, and a powder having conductivity filled at an end of the space on the side opposite to the measurement electrode or A sensor for measuring the amount of dissolved hydrogen in molten metal, comprising: a second filling layer made of fiber and electrically connected to the measurement electrode.
【請求項3】 前記セラミックスの粉末又はファイバー
は、アルミナ、ジルコニア、マグネシア及び炭化ケイ素
からなる群から選択された少なくとも1種からなり、前
記導電性を有する粉末又はファイバーは、カーボン及び
金属のいずれか一方からなることを特徴とする請求項1
又は2に記載の溶融金属中の水素溶解量測定用センサ。
3. The ceramic powder or fiber is at least one selected from the group consisting of alumina, zirconia, magnesia and silicon carbide, and the conductive powder or fiber is any one of carbon and metal. 2. The method as claimed in claim 1, wherein said one side comprises one side.
Or the sensor for measuring the amount of dissolved hydrogen in molten metal according to 2.
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