專利名稱：一種液態(tài)合金氧濃度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氧傳感器，主要用于在線實時檢測液態(tài)合金中的氧濃度。
背景技術(shù)：
隨著科技水平的提高，液態(tài)合金已被廣泛應(yīng)用于核能領(lǐng)域。例如，液態(tài)合金已成為加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)(ADS)散裂靶兼冷卻劑的主要候選結(jié)構(gòu)材料，也是先進(jìn)快中子反應(yīng)堆冷卻劑重要候選材料。液態(tài)合金中的氧濃度過高將使結(jié)構(gòu)材料發(fā)生氧化腐蝕，而氧濃度過低又不足以在結(jié)構(gòu)材料表面形成氧化膜起到保護(hù)作用反而會發(fā)生結(jié)構(gòu)材料組分元素的溶解腐蝕或液態(tài)合金沿材料晶界滲透導(dǎo)致的晶間脆化。因此，需要將液態(tài)合金中的氧含量控制在一定濃度范圍內(nèi)，以有效減小液態(tài)合金對結(jié)構(gòu)材料的腐蝕，延長結(jié)構(gòu)材料的使用壽命。
高精度氧傳感器是實現(xiàn)氧濃度精確測量的關(guān)鍵部件。本發(fā)明的氧傳感器類型為濃差型氧化鋯氧傳感器，其核心部件為YSZ管，YSZ管內(nèi)表面與氧濃度飽和的參比電極接觸，外表面與氧濃度待測的液態(tài)合金接觸，并用兩根金屬導(dǎo)線分別與內(nèi)參比電極和待測液態(tài)合金接觸，另一端分別接信號輸出設(shè)備。氧傳感器的工作原理是基于電化學(xué)原電池的原理，利用高溫離子導(dǎo)電而無電子導(dǎo)電的特性，實驗溫度在350°C以上時，固態(tài)電解質(zhì)兩測的氧分壓不同而產(chǎn)生濃差電勢，由于氧傳感器置于液態(tài)合金環(huán)境下測試，實驗環(huán)境比較苛刻，所以氧傳感器必須保證嚴(yán)格密封，并且需要較強的抗沖擊性能和機(jī)械性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種液態(tài)合金氧濃度傳感器，能夠精確實時測量液態(tài)合金中的氧濃度，為控制液態(tài)合金中的氧濃度提供必要的實驗條件。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種液態(tài)合金氧濃度傳感器，包括固態(tài)電解質(zhì)氧探頭1，所述固態(tài)電解質(zhì)氧探頭I的上端與不銹鋼管4密封連接，下端插入到氧濃度待測液態(tài)合金9中；固態(tài)電解質(zhì)氧探頭I內(nèi)有液態(tài)金屬參比電極2 ;有兩根金屬導(dǎo)線3，其中一根金屬導(dǎo)線3的一端插入到液態(tài)金屬參比電極2中，另一根金屬導(dǎo)線3的一端插入到氧濃度待測液態(tài)合金9中，兩根金屬導(dǎo)線3的另一端分別與信號輸出設(shè)備8的正極和負(fù)極連接，兩根金屬導(dǎo)線
3外均套有陶瓷絕緣管5，插入到液態(tài)金屬參比電極2中一根金屬導(dǎo)線3的陶瓷絕緣管5與不銹鋼管4密封連接。所述固態(tài)電解質(zhì)氧探頭I底部呈圓弧型，在350°C以上只允許氧離子通過，材質(zhì)類型為氧化釔穩(wěn)定型氧化鋯陶瓷管，即=YSZ管，其中摻雜氧化釔的范圍為8wt% -18wt%。所述液態(tài)金屬參比電極2為金屬鉍，同時摻雜5wt% _15 七％的三氧化二鉍。所述金屬導(dǎo)線3米用在300_550°C高溫下具有抗氧化性的金屬鑰。所述固態(tài)電解質(zhì)氧探頭I與不銹鋼管4密封采用金屬焊接密封，能夠耐高溫至550。。。
所述信號輸出設(shè)備8采用伏特計，所述伏特計阻抗要求> IO12 Q。所述液態(tài)合金氧濃度傳感器需在零電流條件下進(jìn)行測量液態(tài)合金中的氧濃度。所述液態(tài)合金氧濃度傳感器測量精度為IO-icVt % ;測量量程為
ICT4Wt -ICr10WWt1^所述液態(tài)合金氧濃度傳感器內(nèi)部與外界大氣隔絕，以防止液態(tài)金屬參比電極2中的金屬鉍過量氧化而大大縮短氧傳感器的使用壽命。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(I)本發(fā)明采用電化學(xué)原電池原理，以氧濃度飽和的液態(tài)金屬作為參比電極，氧濃度待測液態(tài)合金作為測量電極，氧化釔摻雜量為8wt% -18wt%的YSZ管作為固態(tài)電解質(zhì)， 350°C以上只允許氧離子通過，同時采用高阻抗的信號輸出設(shè)備大大減小了電子參與電荷傳導(dǎo)的幾率；金屬導(dǎo)線外套有陶瓷絕緣管以防止信號的泄露，可精確測量液態(tài)合金中的氧濃度，為控制液態(tài)合金中的氧濃度提供必要的實驗條件，減小與液態(tài)合金相接觸的結(jié)構(gòu)材料的腐蝕作用。(2)現(xiàn)有技術(shù)中因采用機(jī)械密封等其他密封技術(shù)使得儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用壽命短，本發(fā)明中的固態(tài)電解質(zhì)氧探頭與不銹鋼管之間采用金屬焊接密封技術(shù)，儀器結(jié)構(gòu)簡單，方便操作，同時延長了儀器的使用壽命，可以長時間在線實時測量液態(tài)合金(如鉛鉍合金、純鉛等)中的氧濃度，為實現(xiàn)液態(tài)合金環(huán)境下的氧控提供重要的監(jiān)控參數(shù)信息。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖視圖；圖2為本發(fā)明在液態(tài)合金中的測試圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發(fā)明包括固態(tài)電解質(zhì)氧探頭1，探頭呈試管形狀，在350°C以上只允許氧離子通過，類型為氧化釔穩(wěn)定型氧化鋯陶瓷管，底部呈圓弧型，其中摻雜氧化釔含量為8wt%-18wt% ;位于固態(tài)電解質(zhì)氧探頭I內(nèi)的液態(tài)金屬參比電極2為金屬鉍，同時摻雜5wt% -15wt%的三氧化二鉍；金屬導(dǎo)線3是在300-550°C具有良好的抗氧化性的金屬鑰。固態(tài)電解質(zhì)氧探頭I的上端與不銹鋼管4密封連接，采用金屬焊接密封技術(shù)，可耐高溫至550°C;金屬導(dǎo)線外面的陶瓷絕緣管5，用于防止信號的泄露；與不銹鋼管4相連接的環(huán)狀金屬塞6，環(huán)狀金屬塞內(nèi)側(cè)連有陶瓷絕緣塞7，使氧傳感器內(nèi)部與外界大氣隔絕。如圖2所示，為氧傳感器的測試示意圖，包括固態(tài)電解質(zhì)氧探頭I和位于其內(nèi)的液態(tài)金屬參比電極2，金屬導(dǎo)線3，與固態(tài)電解質(zhì)相連接的不銹鋼管4，固態(tài)電解質(zhì)氧探頭與不銹鋼管之間采用金屬焊接密封技術(shù)，兩根金屬導(dǎo)線外面的均套有陶瓷絕緣管5，信號輸出設(shè)備8采用伏特計，所述伏特計阻抗要求> IO12 Q，以便在零電流條件下進(jìn)行測量液態(tài)合金中的氧濃度；分別插入到液態(tài)金屬參比電極2和待測液態(tài)鉛鉍合金9內(nèi)的兩根金屬導(dǎo)線與信號輸出設(shè)備8的正極和負(fù)極相連接。如圖I所示，測量時，先將待測液態(tài)合金9緩慢加熱到350°C以上，然后將固態(tài)電解質(zhì)氧探頭I插入到液態(tài)合金9內(nèi)部并保溫一段時間后，根據(jù)固態(tài)電解質(zhì)氧探頭I內(nèi)外兩側(cè)的氧濃度不同，氧離子將穿過固態(tài)電解質(zhì)氧探頭I從高氧濃度一側(cè)遷移到低氧濃度一側(cè)，達(dá)平衡后形成穩(wěn)定的濃差電勢，從而通過信號輸出設(shè)備8可以讀取穩(wěn)定的電壓信號，根據(jù)能斯特方程推算可得液態(tài)合金9中的氧濃度。本發(fā)明氧傳感器的主要性能參數(shù)為氧傳感器實驗溫度范圍為350-550°C ;氧傳感器測量精確度為io_lcVt%，測量量程為I0_4wt% -io_lcVt%。通過試驗證明，本發(fā)明能夠完全精確實時測量液態(tài)合金中的氧濃度。本發(fā)明未詳細(xì)闡述屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。以上所述僅是本發(fā)明的實施例，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改 進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種液態(tài)合金氧濃度傳感器，其特征在于包括固態(tài)電解質(zhì)氧探頭(I)，所述固態(tài)電解質(zhì)氧探頭(I)的上端與不銹鋼管(4)密封連接，下端插入到氧濃度待測液態(tài)合金(9)中；固態(tài)電解質(zhì)氧探頭(I)內(nèi)有液態(tài)金屬參比電極(2);有兩根金屬導(dǎo)線(3),其中一根金屬導(dǎo)線(3)的一端插入到液態(tài)金屬參比電極(2)中，另一根金屬導(dǎo)線(3)的一端插入到氧濃度待測液態(tài)合金(9)中，兩根金屬導(dǎo)線(3)的另一端分別與信號輸出設(shè)備(8)的正極和負(fù)極連接，兩根金屬導(dǎo)線(3)外均套有陶瓷絕緣管(5)，插入到液態(tài)金屬參比電極(2)中一根金屬導(dǎo)線(3 )的陶瓷絕緣管(5 )與不銹鋼管(4)密封連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液態(tài)合金氧濃度傳感器，其特征在于所述固態(tài)電解質(zhì)氧探頭(I)底部呈圓弧型，在350°C以上只允許氧離子通過，材質(zhì)類型為氧化釔穩(wěn)定型氧化鋯陶瓷管，S卩YSZ管，其中摻雜氧化釔的范圍為8wt% -18wt%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液態(tài)合金氧濃度傳感器，其特征在于所述液態(tài)金屬參比電極(2)為金屬鉍，同時摻雜5wt% _15被％的三氧化二鉍。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液態(tài)合金氧濃度傳感器，其特征在于所述金屬導(dǎo)線(3)采用在300-550°C高溫下具有抗氧化性的金屬鑰。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液態(tài)合金氧濃度傳感器，其特征在于所述固態(tài)電解質(zhì)氧探頭(I)與不銹鋼管(4)密封采用金屬焊接密封，能夠耐高溫至550°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液態(tài)合金氧濃度傳感器，其特征在于所述信號輸出設(shè)備(8)采用伏特計，所述伏特計阻抗要求> IO12Q。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液態(tài)合金氧濃度傳感器，其特征在于所述液態(tài)合金氧濃度傳感器需在零電流條件下進(jìn)行測量液態(tài)合金中的氧濃度。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液態(tài)合金氧濃度傳感器，其特征在于所述液態(tài)合金氧濃度傳感器測量精度為
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的液態(tài)合金氧濃度傳感器，其特征在于所述液態(tài)合金氧濃度傳感器測量量程為10_4wt% -io_1(Vt%。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的液態(tài)合金氧濃度傳感器，其特征在于所述液態(tài)合金氧濃度傳感器內(nèi)部與外界大氣隔絕，以防止液態(tài)金屬參比電極(2)中的金屬鉍過量氧化而大大縮短氧傳感器的使用壽命。
全文摘要
一種液態(tài)合金氧濃度傳感器，主要包括信號導(dǎo)線，參比電極，工作電極，信號輸出設(shè)備和固態(tài)電解質(zhì)氧探頭。固態(tài)電解質(zhì)氧探頭的上端與不銹鋼管密封連接，下端插入到氧濃度待測液態(tài)合金中；固態(tài)電解質(zhì)氧探頭內(nèi)有液態(tài)金屬參比電極；有兩根金屬導(dǎo)線，其中一根金屬導(dǎo)線的一端插入到液態(tài)金屬參比電極中，另一根的一端插入到氧濃度待測液態(tài)合金中，兩根金屬導(dǎo)線的另一端分別與信號輸出設(shè)備的正極和負(fù)極連接，兩根金屬導(dǎo)線外均套有陶瓷絕緣管，第一根金屬導(dǎo)線的陶瓷絕緣管與不銹鋼管密封連接。本發(fā)明可長時間在線實時測量各種液態(tài)合金環(huán)境下的氧濃度，同時適用于高溫液態(tài)合金(如鉛鉍合金、純鉛等)，為實現(xiàn)液態(tài)環(huán)境下的氧控提供重要的監(jiān)控參數(shù)信息。
文檔編號G01N27/406GK102735737SQ20121021313
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月26日
發(fā)明者冉光明, 王改英, 高勝, 黃群英 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院