测量液态金属中溶解氧活度的固相参比电极氧传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种测量液态金属中溶解氧活度的固相参比电极氧传感器，包括固态电解质氧探头、固相参比电极、以及导线。固态电解质氧探头包括感测端，感测端用于浸入到待感测液态金属内，固态电解质氧探头上的引出口与固态电解质氧探头内部连通。固相参比电极为设置在感测端内的固相金属/金属氧化物纳米复合粉末。导线由引出口插入到固态电解质氧探头内，一端与固相参比电极连接，另一端由引出口引出固态电解质陶瓷管，导线与引出口之间密封配合。固相参比电极为固相金属/金属氧化物纳米复合粉末，增加感测的面积，提高了参比电极的低温反应活性以及化学平衡灵敏度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及氧传感器，更具体地说，涉及一种测量液态金属中溶解氧活度的固相参比电极氧传感器。
技术介绍
加速器驱动核嬗变系统是目前世界上公认的处理高放射性核废料最有效的技术途径之一，也是我国未来先进核裂变技术发展的重要战略方向。该系统采用液态铅铋做冷却剂和散裂靶材。液态铅铋中溶解氧含量对于反应堆安全运行具有决定性作用。当铅铋中氧含量过高时，铅将以氧化铅的形式析出。此外，铅铋中溶解的铁，铬，镍以及其他杂质元素也能与氧反应生成复杂化合物。氧化铅和这些化合物会在反应堆第一回路的冷端析出和沉积，最终可能导致管道阻塞，致使堆芯热量无法及时被冷却剂带走而可能引起堆芯熔化事故。此外，氧含量过高也会造成结构钢表面形成过厚的氧化层，这些氧化层会阻碍包壳传热；氧化层脱落也会导致结构件横截面减小，载荷承载能力下降。如果溶解氧溶度过低，则可能导致结构钢表面保护性氧化膜处于热力学不稳定状态而逐渐溶解于液态铅铋中。氧化膜保护作用的丧失会导致钢基体元素溶解于铅铋，造成严重腐蚀。因此，氧控是维护反应堆安全的重要手段。而要实现氧控，最重要的前提是开发能在反应堆运行温度窗口内实时监控并测量液态铅铋中溶解氧活度的传感器。现有氧传感器技术一般采用液态Bi/Bi2O3(铋/三氧化二铋)作为参比电极，工作温度必须在Bi的熔点(约270℃)以上，且仅在350℃以上才能实现精确测量。当温度低于Bi的熔点，Bi凝固成固相，参比电极失去热力学平衡状态且反应活性大大降低，测量值开始出现重大误差。因此为了确保测量精度，该参比电极测氧传感器工作温度一般为350℃以上。但是，为了减轻铅铋腐蚀，反应堆运行温度窗口需要尽可能降低，一般下边界为200℃。这样，该型传感器无法满足反应堆运行温度窗口内所有温度下的测氧需求。此外，参比电极需要跟外界大气隔绝以获得稳定的化学平衡状态，这就对密封技术提出了很高要求。Bi/Bi2O3型传感器一般采用陶瓷与不锈钢的焊接技术实现密封。但是这种密封技术存在致命弱点，也就是陶瓷和不锈钢膨胀系数的本征差异导致焊接界面表现出较差的抗热震性能。在服役过程中，周期热载在焊接界面形成循环热应力容易导致界面脱粘开裂，最终使传感器失效。更重要的是，焊接界面开裂导致的测量误差不易察觉，因而测量数据对后续氧控过程造成严重误导，引起难以预料的安全隐患。所以，有必要研制新的密封技术替代传统的陶瓷不锈钢焊接密封技术，以提高氧传感器工作稳定性和可持续性并延长服役寿命。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，提供一种测量液态金属中溶解氧活度的固相参比电极氧传感器。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种测量液态金属中溶解氧活度的固相参比电极氧传感器，包括固态电解质氧探头、固相参比电极、以及导线；所述固态电解质氧探头包括感测端，所述感测端用于浸入到待感测液态金属内，所述固态电解质氧探头上还设有引出口，所述引出口与所述固态电解质氧探头的内部连通；所述固相参比电极为设置在所述固态电解质陶瓷管感测端内的固相金属/金属氧化物纳米复合粉末；所述导线由所述引出口插入到所述固态电解质氧探头内，一端与所述固相参比电极连接，另一端由所述引出口引出所述固态电解质陶瓷管，所述导线与所述引出口之间密封配合。优选地，所述固态电解质氧探头为固态电解质陶瓷管。优选地，所述固态电解质陶瓷管的材质是摩尔分数为3-8％氧化钇掺杂氧化锆陶瓷管。优选地，所述固态电解质氧探头内还设有将所述固相参比电极隔离在所述感测端端部的隔离件。优选地，还包括信号输出设备，所述信号输出设备的一极与引出的所述导线连接，另一极接地。优选地，所述导线包括相互连接的金属导线和信号导线，所述金属导线与所述固相参比电极连接，所述信号导线引出所述引出口。优选地，所述金属导线为金属钨。优选地，所述信号导线包括位于中心的导电丝、包覆在所述导电丝外的氧化镁绝缘陶瓷粉末以及包覆在外层的镍基合金保护层。优选地，所述固相金属/金属氧化物纳米复合粉末为Cu/Cu2O纳米复合粉末、Ni/NiO纳米复合粉末、Fe/Fe2O3纳米复合粉末中的一种。优选地，所述固相金属和所述金属氧化物的质量比为3：1至5：1。优选地，所述固态电解质陶瓷管一端封闭，作为感测端，另一端开口，作为引出口；所述氧传感器还包括将所述固态电解质氧探头内部与外界隔离密封的密封机构；所述密封机构包括套设在所述固态电解质氧探头外的套环、第一密封环、第二密封环、第一套管、第二套管，所述第一密封环、第二密封环位于所述套环的两端；所述第一套管套设在所述第一密封环外，所述第一套管的一端套设到所述套环上，另一端设有将所述第一密封环向所述套环抵压的第一抵压部；所述第二套管套设在所述第二密封环外，所述第二套管的一端套设到所述套环上，另一端设有将所述第二密封环向所述套环抵压的第二抵压部。优选地，所述第一套管、第二套管相互螺接。优选地，所述第一套管、第二套管的内径不同，所述套环包括外径不同的两段，所述第一套管、第二套管中的内径大的一个套设到所述套环的外径大的一段上，所述第一套管、第二套管中的内径小的一个套设到所述套环的外径小的一段上。优选地，所述第一抵压部呈喇叭口状，所述第一抵压部的小头端远离所述套环设置，所述第一抵压部的内侧面对所述第一密封环抵压；所述第二抵压部呈喇叭口状，所述第二抵压部的小头端远离所述套环设置，所述第二抵压部的内侧面对所述第二密封环抵压。优选地，所述第一密封环、第二密封环为石墨密封环。优选地，所述第一密封环位于所述套环远离所述感测端一端，所述密封机构还包括第三套管，所述第三套管的一端与所述第一套管连接且密封配合，所述第三套管的另一端向远离所述感测端的方向延伸，所述导线穿设所述第三套管并由所述第三套管伸出的端部引出，且所述第三套管与所述导线之间密封。优选地，所述第二密封环位于所述套环靠近所述感测端一端，所述第二套管上还设有向所述感测端伸出设置的第四套管，所述第四套管套设在所述固态电解质氧探头外。优选地，所述第四套管的内壁面与所述固态电解质氧探头的外壁面之间留有间隙。优选地，所述第四套管外设有卡箍件，所述卡箍件卡合所述第四套管外圈，盛放所述待感测液态金属的测试容器上设有供所述感测端插入的插入口，所述卡箍件与所述插入口对应配合。实施本专利技术的测量液态金属中溶解氧活度的固相参比电极氧传感器，具有以下有益效果：本专利技术的氧传感器的固相参比电极为固相金属/金属氧化物纳米复合粉末，颗粒比较小，增加感测的面积，有效提高了参比电极的低温反应活性以及化学平衡灵敏度。此外，金属与金属氧化物粉末在熔点以下不存在固-液相变，这些特征使氧传感器最低工作温度达到150℃，能有效满足反应堆中铅铋等各种液态金属运行温度窗口内所有温度点下溶解氧活度的精确测量。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例中的测量液态金属中溶解氧活度的固相参比电极氧传感器对待感测液态金属测量溶解氧活度时结构示意图；图2是本专利技术的固相参比电极氧传感器对待感测液态金属测量溶解氧活度的等效电动势的测量数据与理论数据对比示意图。具体实施方式为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本专利技术的具体实施方式。如图1所示，本专利技术一个优选实施例中的固相参比电极氧传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量液态金属中溶解氧活度的固相参比电极氧传感器，其特征在于，包括固态电解质氧探头（1）、固相参比电极（2）、以及导线（3）；所述固态电解质氧探头（1）包括感测端（11），所述感测端（11）用于浸入到待感测液态金属（5）内，所述固态电解质氧探头（1）上还设有引出口（12），所述引出口（12）与所述固态电解质氧探头（1）的内部连通；所述固相参比电极（2）为设置在所述固态电解质陶瓷管感测端（11）内的固相金属/金属氧化物纳米复合粉末；所述导线（3）由所述引出口（12）插入到所述固态电解质氧探头（1）内，一端与所述固相参比电极（2）连接，另一端由所述引出口（12）引出所述固态电解质陶瓷管，所述导线（3）与所述引出口（12）之间密封配合。

【技术特征摘要】
1.一种测量液态金属中溶解氧活度的固相参比电极氧传感器，其特征在于，包括固态电解质氧探头（1）、固相参比电极（2）、以及导线（3）；所述固态电解质氧探头（1）包括感测端（11），所述感测端（11）用于浸入到待感测液态金属（5）内，所述固态电解质氧探头（1）上还设有引出口（12），所述引出口（12）与所述固态电解质氧探头（1）的内部连通；所述固相参比电极（2）为设置在所述固态电解质陶瓷管感测端（11）内的固相金属/金属氧化物纳米复合粉末；所述导线（3）由所述引出口（12）插入到所述固态电解质氧探头（1）内，一端与所述固相参比电极（2）连接，另一端由所述引出口（12）引出所述固态电解质陶瓷管，所述导线（3）与所述引出口（12）之间密封配合。2.根据权利要求1所述的固相参比电极氧传感器，其特征在于，所述固态电解质氧探头（1）为固态电解质陶瓷管。3.根据权利要求2所述的固相参比电极氧传感器，其特征在于，所述固态电解质陶瓷管的材质是摩尔分数为3-8%氧化钇掺杂氧化锆陶瓷管。4.根据权利要求1所述的固相参比电极氧传感器，其特征在于，所述固态电解质氧探头（1）内还设有将所述固相参比电极（2）隔离在所述感测端（11）端部的隔离件。5.根据权利要求1所述的固相参比电极氧传感器，其特征在于，还包括信号输出设备（4），所述信号输出设备（4）的一极与引出的所述导线（3）连接，另一极接地。6.根据权利要求1所述的固相参比电极氧传感器，其特征在于，所述导线（3）包括相互连接的金属导线（31）和信号导线（32），所述金属导线（31）与所述固相参比电极（2）连接，所述信号导线（32）引出所述引出口（12）。7.根据权利要求6所述的固相参比电极氧传感器，其特征在于，所述金属导线（31）为金属钨。8.根据权利要求6所述的固相参比电极氧传感器，其特征在于，所述信号导线（32）包括位于中心的导电丝、包覆在所述导电丝外的氧化镁绝缘陶瓷粉末以及包覆在外层的镍基合金保护层。9.根据权利要求1至8任一项所述的固相参比电极氧传感器，其特征在于，所述固相金属/金属氧化物纳米复合粉末为Cu/Cu2O纳米复合粉末、Ni/NiO纳米复合粉末、Fe/Fe2O3纳米复合粉末中的一种。10.根据权利要求9所述的固相参比电极氧传感器，其特征在于，所述固相金属和所述金属氧化物的质量比为3：1至5：1。11.根据权利要求9所述的固相参比电极氧传感器，其特征在于，所述固态电解质陶瓷管一端封闭，作为感测端（11），另一端开口，作为引出口（12）；所述氧传感器还包括将所述固态电解质氧探头（1）内部与外界隔离密封的密封机构（7）；所述密封机构（7）包括套设在所述固态电解质氧探头（1）外的套环（71）、第一密封环（72）、第二密封环（73）、第一套管（74）、...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚星，刘彤，李锐，刘洋，任啟森，黄恒，李雷，严俊，薛佳祥，黄华伟，
申请(专利权)人：中广核研究院有限公司，中国广核集团有限公司，中国广核电力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44