一种原位测量高温高压水pH传感器及测量方法技术

本发明专利技术公开了一种原位测量高温高压水pH传感器及测量方法，涉及传感器技术领域，其技术方案要点是：包括陶瓷管，陶瓷管由氧化钇稳定化的氧化锆陶瓷制备而成；陶瓷管内布设有铜导线，陶瓷管的封闭端内填充有与铜导线接触的Cu/Cu

【技术实现步骤摘要】
一种原位测量高温高压水pH传感器及测量方法
本专利技术涉及传感器
，更具体地说，它涉及一种原位测量高温高压水pH传感器及测量方法。
技术介绍
pH作为高温高压水化学体系的重要指标之一，直接关系到核用材料的腐蚀和应力腐蚀行为，对关键系统及设备的运行安全性和可靠性产生重要影响。同时，在核能工程和其它工业生产
，原位获得高温高压水化学体系的pH值也是工程科研人员认识高温高压水化学体系和控制高温高压水化学参数的基础性工作。因此，测量高温高压水环境的pH值备受关注。由于受到高温高压、材料制备、结构设计等技术难题的限制，国内技术水平无法满足相应高温高压水环境下pH的监测和控制要求。目前，国内各pH传感器的使用环境均限制在低温低压条件下。由于常规的pH传感器通常由石英玻璃材料制成的泡状玻璃作为电极，因此其只能在150℃以下的试验溶液中使用。此外，因pH传感器与测试溶液接触的玻璃传感端壁厚较薄(小于0.5mm)，导致pH传感器承压能力非常有限。高温高压pH传感器研制面临的主要困难体现在以下两方面：第一，pH传感器材料在高温高压条件下稳定性差，降低了测量结果的准确性；第二，pH传感器密封材料在高温高压条件下容易因老化并失效，使得pH传感器受损而降低pH传感器的可靠性和使用寿命。因此，如何研究设计一种能够在高温高温条件下长期稳定工作的pH传感器是我们目前急需解决的问题。
技术实现思路
为解决现有技术中的不足，本专利技术的目的是提供一种原位测量高温高压水pH传感器及测量方法。本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：第一方面，提供了一种原位测量高温高压水pH传感器，包括一端开口的陶瓷管，陶瓷管由氧化钇稳定化的氧化锆陶瓷制备而成；陶瓷管内布设有铜导线，陶瓷管的封闭端内填充有与铜导线接触的Cu/Cu2O混合物。进一步的，所述陶瓷管中含有质量分数为9％-25％的Y2O3稳定剂。进一步的，所述Cu/Cu2O混合物的重量比范围为1-1.5。进一步的，所述陶瓷管的开口端内填充有由普通陶瓷短管与硅酸盐类水泥浆组成的填料压实层，普通陶瓷短管的直径为2-4mm；所述硅酸盐类水泥浆中水泥与水的比例为1:1，普通陶瓷短管与硅酸盐类水泥浆的体积比为1:1。进一步的，所述陶瓷管外壁套设有保护套管。进一步的，所述保护套管套接有电极帽；电极帽背向保护套管的开口端一侧内设有与保护套管套接的不锈钢垫圈，不锈钢垫圈内设有与保护套管套接的混合垫圈以及与混合垫圈、保护套管端面接触的密封压紧套，混合垫圈由石墨和PTFE组成；电极帽背向保护套管的开口端螺纹配合有不锈钢卡套，不锈钢卡套与电极帽的凸台接触面之间设有不锈钢卡环，不锈钢卡套的端面设有与不锈钢垫圈端面接触的第一石墨垫圈，第一石墨垫圈与保护套管套接。进一步的，所述电极帽朝向保护套管的开口端一侧内插接有密封螺帽，密封螺帽与电极帽的内端面之间设有与铜导线套接的第二石墨垫圈，密封螺帽与电极帽之间通过螺钉固定连接。进一步的，所述电极帽外壁套设有冷却水套，冷却水套与电极帽之间留有间隙，冷却水套侧壁设有两个与间隙连通的通水口，一个为进水口，另一个为出水口。进一步的，该传感器还包括流通管体，陶瓷管的封闭端突伸入流通管体内；陶瓷管螺纹配合有套管法兰，套管法兰与流通管体的内端面之间设有第三石墨垫圈，套管法兰、第三石墨垫圈均与保护套管套接。第二方面，提供了一种实现如第一方面中任意一项所述的一种原位测量高温高压水pH传感器的测量方法，所述铜导线、Cu/Cu2O混合物和陶瓷管共同构成pH传感器中的工作电极，高温高压水溶液中的pH值根据工作电极相对于参比电极的电位差进行计算，具体计算公式为：其中，E(T)为工作电极相对于参比电极的电极电位，单位V；E0Cu/Cu20为工作电极的标准平衡电位，单位V；R为气体常数，取值8.314J·K-1·mol-1；F为法拉第常数，取值96480C·mol-1；T为高温高压水溶液温度，单位K。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术提供的pH传感器中的陶瓷管具有高强度、高化学稳定性和强耐蚀能力，可显著提升高温高压pH传感器的使用寿命；当高温水溶液温度高于185℃时，氧化钇稳定化的氧化锆陶瓷(YSZ)的陶瓷膜作为氧离子导体，溶液与氧化锆陶瓷界面上的H+离子的活性(pH值)影响陶瓷的氧空位浓度，进而影响在pH传感器陶瓷膜内填充材料电极反应的平衡状态，测量结果准确且使用寿命长的优点；2、本专利技术提供的pH传感器采用三重密封，具有结构简单、密封可靠、维护便利等优点，能够在300℃高温以及15.5MPa高压下长期稳定工作；3、本专利技术通过由铜导线、Cu/Cu2O混合物和陶瓷管共同构成pH传感器中的工作电极相对于参比电极的电位差进行计算pH值，整体结构为固态结构、温度，且测量结果准确可靠。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：图1是本专利技术实施例中的整体结构示意图；图2是本专利技术实施例中保护套管的密封结构示意图；图3是本专利技术实施例中保护套管与流通管体的结构示意图。附图中标记及对应的零部件名称：101、陶瓷管；102、填料压实层；103、Cu/Cu2O混合物；104、保护套管；105、铜导线；201、流通管体；202、套管法兰；203、第三石墨垫圈；301、电极帽；302、不锈钢卡套；303、不锈钢卡环；304、第一石墨垫圈；305、不锈钢垫圈；306、混合垫圈；307、密封压紧套；308、第二石墨垫圈；309、密封螺帽；310、螺钉；401、冷却水套；402、通水口。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图1-3，对本专利技术作进一步的详细说明，本专利技术的示意性实施方式及其说明仅用于解释本专利技术，并不作为对本专利技术的限定。需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本专利技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。实施例：一种原位测量高温高压水pH传感器，如图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原位测量高温高压水pH传感器，其特征是，包括一端开口的陶瓷管(101)，陶瓷管(101)由氧化钇稳定化的氧化锆陶瓷制备而成；陶瓷管(101)内布设有铜导线(105)，陶瓷管(101)的封闭端内填充有与铜导线(105)接触的Cu/Cu

【技术特征摘要】
1.一种原位测量高温高压水pH传感器，其特征是，包括一端开口的陶瓷管(101)，陶瓷管(101)由氧化钇稳定化的氧化锆陶瓷制备而成；陶瓷管(101)内布设有铜导线(105)，陶瓷管(101)的封闭端内填充有与铜导线(105)接触的Cu/Cu2O混合物(103)。


2.根据权利要求1所述的一种原位测量高温高压水pH传感器，其特征是，所述陶瓷管(101)中含有质量分数为9％-25％的Y2O3稳定剂。


3.根据权利要求1所述的一种原位测量高温高压水pH传感器，其特征是，所述Cu/Cu2O混合物(103)的重量比范围为1-1.5。


4.根据权利要求1所述的一种原位测量高温高压水pH传感器，其特征是，所述陶瓷管(101)的开口端内填充有由普通陶瓷短管与硅酸盐类水泥浆组成的填料压实层(102)，普通陶瓷短管的直径为2-4mm；所述硅酸盐类水泥浆中水泥与水的比例为1:1，普通陶瓷短管与硅酸盐类水泥浆的体积比为1:1。


5.根据权利要求1所述的一种原位测量高温高压水pH传感器，其特征是，所述陶瓷管(101)外壁套设有保护套管(104)。


6.根据权利要求5所述的一种原位测量高温高压水pH传感器，其特征是，所述保护套管(104)套接有电极帽(301)；
电极帽(301)背向保护套管(104)的开口端一侧内设有与保护套管(104)套接的不锈钢垫圈(305)，不锈钢垫圈(305)内设有与保护套管(104)套接的混合垫圈(306)以及与混合垫圈(306)、保护套管(104)端面接触的密封压紧套(307)，混合垫圈(306)由石墨和PTFE组成；
电极帽(301)背向保护套管(104)的开口端螺纹配合有不锈钢卡套(302)，不锈钢卡套(302)与电极帽(301)的凸台接触面之间设有不锈钢卡环(303)，不锈钢卡套(302)的端面设有与不锈钢垫圈...

【专利技术属性】
技术研发人员：王家贞，张军平，王宏庆，姜峨，傅晟伟，邱添，夏小娇，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：四川;51