JPH07119729B2 - Sensor probe for measuring the amount of hydrogen dissolved in molten metal - Google Patents

Sensor probe for measuring the amount of hydrogen dissolved in molten metal

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JPH07119729B2
JPH07119729B2 JP3347388A JP34738891A JPH07119729B2 JP H07119729 B2 JPH07119729 B2 JP H07119729B2 JP 3347388 A JP3347388 A JP 3347388A JP 34738891 A JP34738891 A JP 34738891A JP H07119729 B2 JPH07119729 B2 JP H07119729B2
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molten metal
hydrogen
measuring
electrode
sensor probe
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邦博 小出
保 矢嶋
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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、溶融金属中の水素濃度
を測定するための水素溶解量測定用センサプローブに関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sensor probe for measuring the amount of dissolved hydrogen for measuring the hydrogen concentration in molten metal.

【0002】[0002]

【従来の技術】溶融金属中の水素濃度を測定する方法と
しては、減圧下のサンプルの表面に最初に気泡が発生
したときの圧力とサンプルの温度とから水素ガス量を算
出するイニシャルバブル法、減圧下で凝固させたサン
プル中の気泡の状態観察、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測定する減圧凝
固法、並びに少量のガスを溶湯に注入し、これを溶湯
中で循環させた後、回収し、このガス中に水素ガスが拡
散し、平衡状態になったところで、ガスクロマトグラフ
ィ法により前記排出ガス中の水素ガスを分析するテレガ
ス法等がある。
2. Description of the Related Art As a method for measuring the hydrogen concentration in a molten metal, an initial bubble method for calculating the amount of hydrogen gas from the pressure when a bubble is first generated on the surface of a sample under reduced pressure and the temperature of the sample, Observation of the state of bubbles in a sample solidified under reduced pressure, comparison with the specific gravity of a standard sample and the reduced pressure solidification method for measuring the amount of hydrogen gas from the state of bubbles in the sample cross section, as well as injecting a small amount of gas into the melt, Is circulated in the molten metal and then recovered, and when the hydrogen gas diffuses into this gas and becomes in an equilibrium state, there is a telegas method or the like in which the hydrogen gas in the exhaust gas is analyzed by a gas chromatography method.

【0003】しかし、これらの方法では、実際の鋳造現
場で使用するには測定時間がかかりすぎたり、精度が悪
かったり、装置が大がかりになったり、測定に多大のコ
ストがかかるという問題点がある。
However, these methods have the problems that it takes too much measuring time to be used in an actual casting site, the accuracy is poor, the size of the apparatus becomes large, and the cost is very high. .

【0004】本願発明者等は、これまでに高温でプロト
ン導電性を示す固体電解質SrCe0.95Yb0.053-x
を用いてガルバニ電池式の水素センサを構成し、センサ
の基準極側の水素分圧と溶融金属中の水素濃度との間の
水素活量差によって生じる起電力から溶融金属中の水素
濃度を測定する方法を提案している。この方法は、測定
にかかる費用も少なく、短時間に測定ができ、溶融金属
内の水素濃度の変化を連続的に起電力として測定するこ
とができる等の利点がある。
The inventors of the present application have so far developed a solid electrolyte SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3-x which exhibits proton conductivity at high temperatures.
A hydrogen sensor of galvanic cell type is constructed by using and the hydrogen concentration in the molten metal is measured from the electromotive force generated by the hydrogen activity difference between the hydrogen partial pressure on the reference electrode side of the sensor and the hydrogen concentration in the molten metal. Suggesting a way to do it. This method has advantages that the measurement cost is low, the measurement can be performed in a short time, and the change in the hydrogen concentration in the molten metal can be continuously measured as an electromotive force.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、溶融金
属、特にアルミニウムのように平衡酸素分圧が極めて低
い金属中では、固体電解質が還元されて、固体電解質と
溶融金属との界面に絶縁性の酸化物膜ができてしまい、
長時間の測定が困難であるという難点がある。即ち、プ
ロトン導電性固体電解質を用いた溶融金属中の水素濃度
を測定する際に、直接センサプローブを溶融金属中に浸
漬すると、センサの使用温度400〜1100℃で溶融
金属と固体電解質との界面に絶縁性の酸化物膜が生じ、
これにより水素濃度の測定が不能になってしまう。
However, in a molten metal, particularly in a metal having an extremely low equilibrium oxygen partial pressure such as aluminum, the solid electrolyte is reduced, and an insulating oxidation is caused at the interface between the solid electrolyte and the molten metal. A physical film is created,
It is difficult to measure for a long time. That is, when measuring the hydrogen concentration in the molten metal using the proton conductive solid electrolyte, if the sensor probe is directly immersed in the molten metal, the interface between the molten metal and the solid electrolyte at the sensor operating temperature of 400 to 1100 ° C. An insulating oxide film is formed on the
This makes it impossible to measure the hydrogen concentration.

【0006】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、センサ素子を構成する固体電解質の還元を
防止するために、センサ素子を直接溶湯中に浸漬するこ
となく溶融金属中の水素濃度を測定することができる溶
融金属中の水素溶解量測定用センサプローブを提供する
ことを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and in order to prevent the reduction of the solid electrolyte constituting the sensor element, the hydrogen in the molten metal is not directly immersed in the sensor element but directly in the molten metal. An object of the present invention is to provide a sensor probe for measuring the amount of dissolved hydrogen in molten metal, which can measure the concentration.

【0007】[0007]

【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プローブは、ペロブスカイト
型プロトン導電性固体電解質からなる一端閉塞形の素子
と、この素子の内面に形成された多孔質電極からなる基
準極と、前記素子の外面に形成された多孔質電極からな
る測定極と、前記基準極と測定極とを隔離するシール材
と、前記基準極と接触して配置されガルバニ起電力の基
準となる固体基準物質と、ガスは透過するが溶融金属は
透過させない多孔質セラミックからなり前記素子を囲み
前記素子との間に空間を形成する多孔質セラミック製キ
ャップとを有することを特徴とする。
A sensor probe for measuring the amount of dissolved hydrogen in a molten metal according to the present invention is formed of a perovskite-type proton conductive solid electrolyte element having a closed end and an inner surface of the element. A reference electrode composed of a porous electrode, a measurement electrode composed of a porous electrode formed on the outer surface of the element, a sealing material separating the reference electrode and the measurement electrode, and a galvanic element arranged in contact with the reference electrode. The solid reference material, which is the reference for electromotive force, and the gas permeate but the molten metal
And a cap made of a porous ceramic which is made of a non-permeable porous ceramic and surrounds the element to form a space between the element and the element.

【0008】前記ペロブスカイト型プロトン導電性固体
電解質は、SrCe0.95Yb0.053-x、BaCe0.9
Nb0.13-x、CaZr0.9In0.13-x等の組成を有
する。また、前記カップ状のセンサホルダはガス非透過
性の緻密なセラミックス製の材料で形成されている。ま
た、前記シール材は、センサ使用前にシール処理をする
場合は、前記固体電解質、例えばSrCe0.95Yb0.05
3-x,CaZr0.9,In0.13-x及びBaCe0.95
0.053-x等のセンサ使用温度域300〜1100℃
間における熱膨張係数8.5×10-6〜9.8×10-6
(/℃)に近い熱膨張係数8.0×10-6〜10.0×
10-6(/℃)をもち、流動点がセンサ使用温度以上で
ある緻密質ガラスシール材を使用するか、又はセンサ使
用時にシールする場合は、使用温度以下の軟化温度を持
ち、且つ、使用温度以上の流動点を持つ緻密質ガラスシ
ール材を使用することが好ましい。
The perovskite type proton conductive solid electrolyte is SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3-x , BaCe 0.9.
It has a composition such as Nb 0.1 O 3-x , CaZr 0.9 In 0.1 O 3-x, or the like. The cup-shaped sensor holder is formed of a gas-impermeable dense ceramic material. Further, when the sealing material is subjected to a sealing treatment before using the sensor, the sealing material may be, for example, SrCe 0.95 Yb 0.05.
O 3-x , CaZr 0.9 , In 0.1 O 3-x and BaCe 0.95
Y 0.05 O 3-x sensor operating temperature range 300 to 1100 ° C
Coefficient of thermal expansion between 8.5 × 10 -6 and 9.8 × 10 -6
Thermal expansion coefficient close to (/ ° C) 8.0 x 10 -6 to 10.0 x
Use a dense glass sealing material having a temperature of 10 -6 (/ ° C) and a pour point above the sensor usage temperature, or if you seal when using the sensor, have a softening temperature below the usage temperature and use It is preferable to use a dense glass sealing material having a pour point above the temperature.

【0009】前記多孔質セラミック製キャップは、溶融
金属は透過させず、ガスは透過する材料で成形されてい
る。このような材料としては、溶融金属との間の濡れ性
が悪い炭化珪素質のものがある。この溶融金属との間の
濡れ性が悪いものは、溶融金属がキャップに付着してキ
ャップ内に侵入するということが少ないため好ましい。
そして、前述の如く溶融金属の侵入を確実に防止するた
め、キャップには、その気孔径が30μm以下の多孔質
材料を使用することが好ましい。
The porous ceramic cap is formed of a material that does not allow the permeation of molten metal but allows the passage of gas. As such a material, there is a silicon carbide material having poor wettability with molten metal. A material having poor wettability with the molten metal is preferable because the molten metal rarely adheres to the cap and penetrates into the cap.
Then, in order to surely prevent the invasion of the molten metal as described above, it is preferable to use a porous material having a pore diameter of 30 μm or less for the cap.

【0010】[0010]

【作用】本発明においては、多孔質セラミック製キャッ
プを溶融金属中に浸漬する。これにより、前記キャップ
とセンサ素子との間に空間を形成する。前記キャップは
溶融金属を透過させず、ガスを透過する。このため、前
記キャップに囲まれた空間内の水素ガス分圧は、溶融金
属中の水素濃度と平衡になる。そこで、キャップに囲ま
れた空間内の水素ガスの量を空間内ガス中の水素分圧と
して測定する。この測定原理は、プロトン導電性固体電
解質を用いたガルバニ電池の起電力を測定することによ
り行うものである。このようにして、この水素溶解量測
定用センサプローブで溶融金属の表面と接触する高温の
空間内の水素濃度を測定し、この空間内の水素濃度が平
衡値に達したときの水素濃度から溶融金属中の水素濃度
を決定することができる。
In the present invention, the porous ceramic cap is immersed in the molten metal. As a result, a space is formed between the cap and the sensor element. The cap is impermeable to molten metal but permeable to gas. Therefore, the partial pressure of hydrogen gas in the space surrounded by the cap is in equilibrium with the hydrogen concentration in the molten metal. Therefore, the amount of hydrogen gas in the space surrounded by the cap is measured as the hydrogen partial pressure in the space gas. This measurement principle is carried out by measuring the electromotive force of a galvanic cell using a proton conductive solid electrolyte. In this way, the sensor probe for measuring the amount of dissolved hydrogen measures the hydrogen concentration in the high-temperature space that contacts the surface of the molten metal, and the hydrogen concentration when the hydrogen concentration in this space reaches the equilibrium value The hydrogen concentration in the metal can be determined.

【0011】プロトン導電性を示す固体電解質を用いる
水素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 hydrogen concentration cell type hydrogen sensor using a solid electrolyte exhibiting proton conductivity operates stably at high temperatures and exhibits an electromotive force close to the theoretical value given by the following mathematical formula 1.

【0012】[0012]

【数1】 E=(RT/2F)ln[PH2(1)/PH2(2)][Equation 1] E = (RT / 2F) ln [P H2 (1) / P H2 (2)]

【0013】但し、Eは起電力(V)、Rは気体定数、
FはFaraday 定数、Tは絶対温度、PH2(1)、P
H2(2)は夫々測定極側の水素分圧及び基準極側の水素
分圧である。
However, E is an electromotive force (V), R is a gas constant,
F is Faraday constant, T is absolute temperature, P H2 (1), P
H2 (2) is the hydrogen partial pressure on the measurement electrode side and the hydrogen partial pressure on the reference electrode side, respectively.

【0014】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Siev
erts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
Follow the rules of erts.

【0015】[0015]

【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。
## EQU2 ## 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 melt.

【0016】この数式2から分かるように、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 the 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 obtained.

【0017】一般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Sieverts則と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。
Generally, the hydrogen concentration in the molten metal depends on the hydrogen partial pressure and the melt temperature in the vapor phase in contact with the melt, and the dependence of the hydrogen partial pressure and the melt temperature follows the Sieverts rule and the Henry rule. Therefore, the hydrogen concentration S can be expressed by Equation 3 below.

【0018】[0018]

【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。Equation 3] logS = A- (B / T) + (1/2) log (P H2) where, A and B are constants which depend on the composition of the metal.

【0019】そこで、図1に示すような形状のセンサを
組み、これを溶湯中に浸漬させてタンマン管状の電解質
センサ素子内に溶湯と接触した気相が占める空間を形成
し、この気相中に溶湯から放出される水素ガスの分圧を
本発明の水素溶解量測定用センサプローブを用いて測定
する。このセンサプローブの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
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。
Therefore, a sensor having a shape as shown in FIG. 1 is assembled, and this is immersed in the molten metal to form a space occupied by the vapor phase in contact with the molten metal in the Tamman tubular electrolyte sensor element. The partial pressure of hydrogen gas released from the molten metal is measured using the sensor probe for measuring the amount of dissolved hydrogen according to the present invention. From the electromotive force generated between the reference electrode and the measurement electrode of this sensor probe, the hydrogen partial pressure P H2 is obtained by using the above-mentioned mathematical formula 1, and this hydrogen partial pressure is substituted into the mathematical formula 3 to obtain the hydrogen in the molten metal. The concentration S can be obtained.

【0020】このように本発明によれば、固体電解質か
らなるセンサ素子が直接溶湯金属と接触せずに、溶湯中
の水素濃度を長時間測定することができる。
As described above, according to the present invention, the hydrogen concentration in the molten metal can be measured for a long time without the sensor element made of the solid electrolyte coming into direct contact with the molten metal.

【0021】[0021]

【実施例】次に、本発明の実施例について添付の図面を
参照して具体的に説明する。
Embodiments of the present invention will now be specifically described with reference to the accompanying drawings.

【0022】図1は本発明の第1の実施例に係る水素溶
解量測定用センサプローブを示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a sensor probe for measuring the amount of dissolved hydrogen according to the first embodiment of the present invention.

【0023】センサ素子1はペロブスカイト型プロトン
導電性固体電解質(例えば、SrCe0.95Yb0.05
3-x、CaZr0.9In0.13-x、BaCe0.950.05
3-x等)からなる一端閉塞形状をなし、そのセンサ素子
1の内面と外面に多孔質の例えば、Pt,Ni、又は酸
化物導電体等からなる夫々基準極2及び測定極3が焼付
けにより形成されている。
The sensor element 1 is a perovskite type proton conductive solid electrolyte (for example, SrCe 0.95 Yb 0.05 O).
3-x , CaZr 0.9 In 0.1 O 3-x , BaCe 0.95 Y 0.05 O
3-x etc.) having a closed shape at one end, and the reference electrode 2 and the measurement electrode 3 made of porous material such as Pt, Ni, or an oxide conductor are formed on the inner surface and the outer surface of the sensor element 1 by baking. Has been formed.

【0024】センサ素子1の上半部には、センサ素子保
持用のセラミック絶縁管4の一端部が挿入され、セラミ
ック接着剤7によりセンサ素子1とセラミック絶縁管4
とが固定されている。この絶縁管4の中心孔内には、P
t線又はNi線等のリード線5が挿入されている。この
リード線5はPt又はNi等の金属ペースト6によりセ
ンサ素子1の内面の基準極2と電気的に接続されてい
る。絶縁管4の外面には導電性ペースト9が塗布されて
いて、この導電性ペースト9はセンサ素子1の外面の測
定極3に導通している。これにより、この導電性ペース
ト9を介して測定極3が外部の信号処理装置に導出され
るようになっている。
One end of a ceramic insulating tube 4 for holding the sensor element is inserted in the upper half of the sensor element 1, and the sensor element 1 and the ceramic insulating tube 4 are bonded by a ceramic adhesive 7.
And are fixed. In the center hole of this insulating tube 4, P
A lead wire 5 such as a t wire or a Ni wire is inserted. The lead wire 5 is electrically connected to the reference electrode 2 on the inner surface of the sensor element 1 by a metal paste 6 such as Pt or Ni. A conductive paste 9 is applied to the outer surface of the insulating tube 4, and the conductive paste 9 is conducted to the measuring electrode 3 on the outer surface of the sensor element 1. As a result, the measuring electrode 3 is led out to the external signal processing device via the conductive paste 9.

【0025】センサ素子1内の絶縁管4により封入され
る空間には、ガルバニ起電力の基準となる固体基準物質
10が基準極2と接触して充填されている。この固体基
準物質10としては、ハイドロキシアパタイト及びリン
酸アルミニウム等がある(特開昭63-269053号公報)。
The space enclosed by the insulating tube 4 in the sensor element 1 is filled with a solid reference substance 10 serving as a reference of galvanic electromotive force in contact with the reference electrode 2. Examples of the solid reference substance 10 include hydroxyapatite and aluminum phosphate (Japanese Patent Laid-Open No. 63-269053).

【0026】また、炭化珪素質の多孔質セラミック製キ
ャップ11は、一端閉塞型の形状をなし、その開放端側
をセンサ素子1に外嵌して取り付けられている。そし
て、このキャップ11の開放端とセンサ素子1の開放端
には、ガラスシール材8が配設されており、これにより
基準極2と測定極3及び外界とが気密的にシールされて
いる。そして、キャップ11がセンサ素子1に固定され
た状態で、キャップ11とセンサ素子1の閉塞端側外面
との間には適宜の空間が形成される。このキャップ11
は溶融金属に濡れにくい炭化珪素質(SiC質)の多孔
質材料で成形されている。キャップ11を構成する多孔
質材料は、溶融金属の浸透を確実に防止するため、その
気孔径が30μmのものを使用することが好ましい。
The silicon carbide-based porous ceramic cap 11 has a closed end shape, and the open end side of the cap 11 is externally fitted to the sensor element 1. A glass sealing material 8 is provided at the open end of the cap 11 and the open end of the sensor element 1, whereby the reference electrode 2, the measuring electrode 3 and the outside are hermetically sealed. Then, in a state where the cap 11 is fixed to the sensor element 1, an appropriate space is formed between the cap 11 and the outer surface of the sensor element 1 on the closed end side. This cap 11
Is formed of a silicon carbide (SiC) porous material that is difficult to wet with molten metal. As the porous material forming the cap 11, it is preferable to use one having a pore diameter of 30 μm in order to reliably prevent the permeation of the molten metal.

【0027】次に、このように構成されたセンサプロー
ブの動作について説明する。先ず、炭化珪素質の多孔質
キャップ11を溶湯(図示せず)内に浸漬し、センサ素
子1とキャップ11との間に形成される空間を溶湯湯面
よりも下方に位置させる。これにより、キャップ11に
囲まれた空間、即ちキャップ11とセンサ素子1との間
の空間が、キャップ11を介して溶湯と接触する。そし
て、センサ素子1の測定極3はこの空間と接触する。
Next, the operation of the sensor probe thus constructed will be described. First, the silicon carbide porous cap 11 is immersed in a molten metal (not shown), and the space formed between the sensor element 1 and the cap 11 is positioned below the molten metal surface. As a result, the space surrounded by the cap 11, that is, the space between the cap 11 and the sensor element 1 contacts the molten metal via the cap 11. Then, the measuring electrode 3 of the sensor element 1 comes into contact with this space.

【0028】そうすると、溶湯内に溶解している水素
が、キャップ11に囲まれた空間内の水素ガスと平衡に
なり、溶湯中の水素溶解度Sと前記空間内の水素分圧P
H2との間には、前記数式3にて示す関係が成立する。そ
こで、この空間内の水素分圧PH2を、センサ素子1によ
り、ガルバニ起電力を利用して測定する。即ち、前記空
間内のガスに接触する測定極3と、センサ素子1内で固
体基準物質10と接触する基準極2との間に発生する起
電力Eを検出し、この起電力から前記数式1に従って溶
湯上の水素分圧PH2を求める。そして、この水素分圧P
H2から、前記数式3により、溶湯中の水素溶解度Sを求
める。このようにして、溶湯中の水素溶解度を、センサ
素子1を溶湯中に接触させずに測定することができる。
このため、溶湯によるセンサ素子1の浸食が回避され、
長時間に亘って水素溶解量を測定することができる。
Then, the hydrogen dissolved in the molten metal becomes in equilibrium with the hydrogen gas in the space surrounded by the cap 11, and the hydrogen solubility S in the molten metal and the hydrogen partial pressure P in the space.
The relationship expressed by the above-mentioned mathematical expression 3 is established between H2 and H2 . Therefore, the hydrogen partial pressure P H2 in this space is measured by the sensor element 1 using the galvanic electromotive force. That is, the electromotive force E generated between the measurement electrode 3 in contact with the gas in the space and the reference electrode 2 in contact with the solid reference material 10 in the sensor element 1 is detected, and from the electromotive force E, Then, the hydrogen partial pressure P H2 on the molten metal is obtained in accordance with. And this hydrogen partial pressure P
From H2 , the solubility S of hydrogen in the molten metal is calculated by the above-mentioned formula 3. In this way, the hydrogen solubility in the molten metal can be measured without bringing the sensor element 1 into contact with the molten metal.
Therefore, the erosion of the sensor element 1 by the molten metal is avoided,
The amount of dissolved hydrogen can be measured over a long period of time.

【0029】次に、図1に示す実施例のセンサプローブ
を製造し、溶湯中の水素溶解量の測定試験をした結果に
ついて説明する。先ず、ペロブスカイト型プロトン導電
性固体電解質であるCaZr0.9ln0.13-xからなる
一端閉塞型センサ素子1の内面及び外面に、白金多孔質
電極を900℃の温度で焼き付けた。
Next, the results obtained by manufacturing the sensor probe of the embodiment shown in FIG. 1 and conducting a measurement test of the amount of hydrogen dissolved in the molten metal will be described. First, a platinum porous electrode was baked at a temperature of 900 ° C. on the inner and outer surfaces of the one-end closed sensor element 1 made of CaZr 0.9 ln 0.1 O 3−x which is a perovskite type proton conductive solid electrolyte.

【0030】次に、固体基準物質10としてAlPO4
とLa0.4Sr0.6CoO9-xの混合粉末を充填し、Pt
リード線5を通したアルミナ絶縁管4をその先端部にP
tペースト6を塗布してセンサ素子1に挿入し、セラミ
ック接着剤7により固定した。その後、センサ素子1の
全体を覆うように、平均気孔径が15μmの炭化珪素質
多孔質セラミックキャップ11をかぶせ、アルミナ絶縁
管4と共に、粉末ガラスシール材8(組成;Na23
23・SiO2、熱膨張係数:9.5×10-6、軟化
点;695℃、流動点;880℃)によりシールを施し
た。このようにして組み立てたものを、電気炉にて加熱
(昇温・降温速度5℃/分、850℃で10分保持)
し、粉末ガラスシール材8を融着し、セラミック接着剤
を固化させた。次に、このセンサプローブを使用して、
図2に示すように、黒鉛坩堝30内で溶融させたアルミ
ニウム溶湯31中の水素溶解量を測定した。センサ素子
1の基準ガスは、水素濃度が1%である。アルミニウム
溶湯31上の水素ガス分圧は、Arガス源37と水素ガ
ス源36とに連結されたガス混合器35から、これらの
ガスの配合量を種々設定して得た混合ガスを坩堝30内
に導入することにより、調節した。そして、この種々の
水素分圧雰囲気下におくことにより、溶湯中の水素濃度
を種々の値に制御し、その条件でセンサ素子1(又は2
0)の起電力を測定した。溶湯温度及び起電力の測定値
はレコーダ33に記録した。なお、坩堝30内の溶湯は
ヒータ34により加熱して所定の温度に保持した。
Next, AlPO 4 is used as the solid reference material 10.
And a mixed powder of La 0.4 Sr 0.6 CoO 9-x are filled, and Pt is added.
Insert the alumina insulation tube 4 through the lead wire 5 at the tip
The t paste 6 was applied, inserted into the sensor element 1, and fixed by the ceramic adhesive 7. Thereafter, a silicon carbide based porous ceramic cap 11 having an average pore diameter of 15 μm is covered so as to cover the entire sensor element 1, and the powdery glass sealing material 8 (composition: Na 2 O 3 ·.
Sealing was performed using B 2 O 3 .SiO 2 , thermal expansion coefficient: 9.5 × 10 −6 , softening point: 695 ° C., pour point: 880 ° C.). The thus assembled product is heated in an electric furnace (heating / cooling rate: 5 ° C / min, 850 ° C: 10 minutes)
Then, the powdery glass sealing material 8 was fused and the ceramic adhesive was solidified. Then using this sensor probe,
As shown in FIG. 2, the amount of hydrogen dissolved in the aluminum melt 31 melted in the graphite crucible 30 was measured. The reference gas of the sensor element 1 has a hydrogen concentration of 1%. The partial pressure of hydrogen gas on the molten aluminum 31 is the gas mixture 35 connected to the Ar gas source 37 and the hydrogen gas source 36, and the mixed gas obtained by setting various blending amounts of these gases in the crucible 30. It was adjusted by introducing Then, the hydrogen concentration in the molten metal is controlled to various values by placing it under various hydrogen partial pressure atmospheres, and the sensor element 1 (or 2) is controlled under the conditions.
The electromotive force of 0) was measured. The measured values of the molten metal temperature and the electromotive force were recorded in the recorder 33. The molten metal in the crucible 30 was heated by the heater 34 and kept at a predetermined temperature.

【0031】本実施例のセンサプローブの測定値の精度
を見積もるため、ガスクロマトグラフィ分析装置38を
使用して、アルミニウム溶湯31内の水素濃度をTelega
s(テレガス法)法により測定した。この場合に、窒素
ガス源40から窒素ガスを溶湯中に吹き込み、溶湯中で
窒素ガスをバブリングさせて、循環させ、溶湯湯面上の
雰囲気窒素ガス中の水素濃度が溶湯内の水素濃度と平衡
に達したときの窒素ガス中の水素濃度を、ガスクロマト
グラフ分析装置38に導き、このガスクロマトグラフィ
分析装置38により水素濃度を測定した。また、測定対
象の溶湯31の温度はK熱電対32により測定した。な
お、溶湯の温度は700〜800℃であった。なお、こ
のテレガス法は、溶湯中の水素濃度を高精度で測定でき
る方法として知られているものである。
In order to estimate the accuracy of the measurement value of the sensor probe of this embodiment, the hydrogen concentration in the molten aluminum 31 was Telega using the gas chromatography analyzer 38.
It was measured by the s (telegas method) method. In this case, nitrogen gas is blown into the molten metal from the nitrogen gas source 40, the nitrogen gas is bubbled in the molten metal and circulated, and the hydrogen concentration in the atmospheric nitrogen gas on the surface of the molten metal is balanced with the hydrogen concentration in the molten metal. The hydrogen concentration in the nitrogen gas when reaching the temperature was introduced into the gas chromatograph analysis device 38, and the hydrogen concentration was measured by the gas chromatography analysis device 38. The temperature of the molten metal 31 to be measured was measured by the K thermocouple 32. The temperature of the molten metal was 700 to 800 ° C. The telegas method is known as a method capable of measuring the hydrogen concentration in a molten metal with high accuracy.

【0032】図3は、横軸にテレガス法により測定した
水素濃度をとり、縦軸にセンサ素子の起電力をとってそ
の測定値を○で示すグラフ図である。但し、このデータ
は、99重量%の純度のアルミニウム溶湯を750℃に
加熱した場合のものである。この図3に示すように、テ
レガス法により測定した溶湯中の水素濃度とセンサ素子
の起電力との間には、極めて良好な相関関係が存在す
る。他の温度条件等においても同様の関係が得られる。
FIG. 3 is a graph showing the hydrogen concentration measured by the telegas method on the horizontal axis and the electromotive force of the sensor element on the vertical axis, and the measured value is indicated by ◯. However, this data is for a case where a 99% by weight pure aluminum melt is heated to 750 ° C. As shown in FIG. 3, there is a very good correlation between the hydrogen concentration in the molten metal measured by the telegas method and the electromotive force of the sensor element. The same relationship can be obtained under other temperature conditions.

【0033】図4はテレガス法により求めた溶湯中の水
素濃度測定値を横軸にとり、本実施例のセンサ素子を用
いて測定した水素濃度の測定値を縦軸にとって、両者を
比較したグラフ図である。この図4から明らかなよう
に、テレガス法で求めた値と本発明に係るセンサを用い
て測定した値は極めてよく一致した。従って、本実施例
のセンサプローブの測定値の精度が極めて高いことがわ
かる。
FIG. 4 is a graph comparing the measured values of hydrogen concentration in the molten metal obtained by the telegas method on the horizontal axis and the measured values of hydrogen concentration measured using the sensor element of the present embodiment on the vertical axis. Is. As is apparent from FIG. 4, the value obtained by the telegas method and the value measured using the sensor according to the present invention were in very good agreement. Therefore, it is understood that the accuracy of the measurement value of the sensor probe of this example is extremely high.

【0034】[0034]

【発明の効果】本発明によれば、溶融金属(溶湯)中に
センサプローブのキャップを浸漬するだけで、この溶湯
中に溶解している水素濃度を測定することができ、セン
サプローブのセンサ素子自体はキャップに保護されて溶
湯に接触しないので、長時間にわたる連続測定が可能で
ある。また、センサプローブのセンサ素子の起電力を測
定するだけで、溶湯中の水素濃度を測定できるので、測
定装置の小型化が可能であり、実際の鋳造工程で使用す
るに当たり、操作性が向上する。また、テレガス法のよ
うにガスを循環させる必要がないため、測定に必要なラ
ンニングコストも低減できる。このため、本発明によ
り、小型で測定精度が高く、信頼性が高い溶融金属中の
水素濃度測定装置を提供することができる。
According to the present invention, the concentration of hydrogen dissolved in the molten metal (molten metal) can be measured simply by immersing the cap of the sensor probe in the molten metal (molten metal), and the sensor element of the sensor probe can be measured. Since it is protected by the cap and does not come into contact with the molten metal, continuous measurement over a long period of time is possible. In addition, since the hydrogen concentration in the molten metal can be measured simply by measuring the electromotive force of the sensor element of the sensor probe, it is possible to downsize the measuring device and improve the operability when it is used in the actual casting process. . Further, unlike the telegas method, it is not necessary to circulate the gas, so the running cost required for measurement can be reduced. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a device for measuring hydrogen concentration in molten metal that is small in size, has high measurement accuracy, and has high reliability.

【0035】また、従来、測定精度が優れているとされ
るテレガス法による場合は、脱ガス処理行程のときのよ
うに溶湯の流れが速いような場合には使用することがで
きない。しかし、本発明に係るセンサプローブは、溶湯
に流れがあっても何ら支障なく水素濃度を測定すること
ができるので、その測定対象が著しく拡大され、本発明
は水素濃度測定を必要とする技術分野において、極めて
有益である。
Further, in the case of the telegas method, which has been conventionally considered to have excellent measurement accuracy, it cannot be used in the case where the flow of the molten metal is fast as in the degassing process. However, since the sensor probe according to the present invention can measure the hydrogen concentration without any trouble even if there is a flow in the molten metal, the measurement target is remarkably expanded, and the present invention requires a hydrogen concentration measurement. Is extremely useful in

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

【図1】本発明の実施例に係る水素溶解量測定用センサ
プローブを示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a sensor probe for measuring the amount of dissolved hydrogen according to an embodiment of the present invention.

【図2】本実施例のセンサプローブの測定精度を試験す
る装置を示す模式図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an apparatus for testing the measurement accuracy of the sensor probe of this embodiment.

【図3】テレガス法による水素濃度測定値と、本実施例
のセンサ素子の起電力との関係を示すグラフ図である。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the hydrogen concentration measurement value by the telegas method and the electromotive force of the sensor element of this example.

【図4】テレガス法による水素濃度測定値と、本実施例
のセンサ素子の起電力との関係を示すグラフ図である。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the hydrogen concentration measurement value by the telegas method and the electromotive force of the sensor element of this example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1;センサ素子 2;基準極 3;測定極 4;セラミック絶縁管 5;リード線 7;セラミック接着剤 8;ガラスシール材 10;固体基準物質 1; Sensor element 2; Reference electrode 3; Measurement electrode 4; Ceramic insulating tube 5; Lead wire 7; Ceramic adhesive 8; Glass sealing material 10; Solid reference material

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ペロブスカイト型プロトン導電性固体電
解質からなる一端閉塞形の素子と、この素子の内面に形
成された多孔質電極からなる基準極と、前記素子の外面
に形成された多孔質電極からなる測定極と、前記基準極
と測定極とを隔離するシール材と、前記基準極と接触し
て配置されガルバニ起電力の基準となる固体基準物質
と、ガスは透過するが溶融金属は透過させない多孔質セ
ラミックからなり前記素子を囲み前記素子との間に空間
を形成する多孔質セラミック製キャップとを有すること
を特徴とする溶融金属中の水素溶解量測定用センサプロ
ーブ。
1. A perovskite-type proton conductive solid electrolyte, which is a one-end closed type element, a reference electrode which is a porous electrode formed on the inner surface of the element, and a porous electrode which is formed on the outer surface of the element. A measuring electrode, a sealant separating the reference electrode and the measuring electrode, a solid reference substance that is placed in contact with the reference electrode and serves as a reference for galvanic electromotive force, and gas is permeable but molten metal is not permeable. Porous cell
A sensor probe for measuring the amount of hydrogen dissolved in a molten metal, comprising a porous ceramic cap that surrounds the element and forms a space between the element and the element.
【請求項2】 前記多孔質セラミック製キャップは、炭
化珪素質であることを特徴とする請求項1に記載の溶融
金属中の水素溶解量測定用センサプローブ。
2. The sensor probe for measuring the amount of hydrogen dissolved in a molten metal according to claim 1, wherein the porous ceramic cap is made of silicon carbide.
【請求項3】 前記多孔質セラミック製キャップは、そ
の気孔径が30μm以下であることを特徴とする請求項
1又は2に記載の水素溶解量測定用センサプローブ。
3. The sensor probe for hydrogen dissolution amount measurement according to claim 1, wherein the porous ceramic cap has a pore diameter of 30 μm or less.
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