華北電力大學先進堆關鍵技術研究室(NCEPU ART Lab)成員梁瑞先，在Annals of Nuclear Energy發表題為"Annals of Nuclear Energy"的文章。該文章氧傳感器是用于液態鉛鉍共晶(LBE)體系的活性氧控制系統(OCS)的主要組成部分。在靜態氧飽和LBE中，采用LSCF(鑭鍶鈷鐵氧體)/空氣參比電極，利用氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)固體電解質傳感器測量電動勢(EMF)，得到電動勢與溫度的關系。氧傳感器的電動勢輸出是確定的和可預測的。


在本研究中，氧傳感器采用LSCF作為參比電極材料，YSZ作為固體電解質。將LSCF/空氣氧傳感器應用于液體LBE回路，并評價其性能。


實驗原理


氧傳感器的工作原理如圖1所示，YSZ作為探頭插入液體LBE中，LBE必須浸入YSZ的高度對應于含有參比電極粉末的內表面部分。

圖1氧傳感器原理圖


試驗設備為強制循環回路，稱為UPBEAT回路。UPBEAT回路用于進行氧氣控制，材料和熱工實驗。管道和容器的材料都是316L不銹鋼鋼。設備主要包括LBE儲罐、電磁泵、永磁電磁流量計和膨脹罐?；芈饭苌显O置有熱段加熱器和冷段散熱器，如圖2所示。

圖2 UPBEAT回路原理圖

圖3 UPBEAT回路內部圖


氧傳感器性能的測試


氧傳感器物理示意圖如圖3(a)所示，傳感器在膨脹罐中的安裝位置如圖3(b)所示。膨脹罐上方設有若干安裝孔。傳感器從安裝孔插入膨脹罐內的液體LBE，并通過密封法蘭連接。

圖4氧傳感器結構及安裝位置


結果分析


對氧傳感器#3(LSCF/空氣參比)和氧傳感器#10(LSM/空氣參比)進行了測試。實驗溫度從500℃逐漸降低到350℃，溫度階梯為50℃，同時采集兩個傳感器的電勢。實驗結果如圖5所示。紅色曲線為3號氧傳感器的電動勢，藍色曲線為10號氧傳感器的電動勢。


這兩條電動勢曲線基本重合。結果表明，兩種傳感器測得的從空氣到LBE的電化學氧勢相同，證明了LSCF/空氣傳感器的可靠性。

圖5氧飽和LBE下的校準試驗


分別對傳感器4、傳感器7、傳感器8和傳感器9在氧飽和LBE下進行低溫試驗。四個氧傳感器的具體信息如表1所示，低溫極限測試結果如圖6所示。從圖8中深黃色的電動勢曲線可以看出，當溫度低于270℃時，傳感器9開始偏離理論值。亮綠色曲線顯示，傳感器8在整個測試溫度范圍內都能正常工作，其最低測試溫度為210℃。藍色曲線和紅色曲線分別代表傳感器7和傳感器4的工作電動勢。兩條曲線的變化趨勢表明，當兩個氧傳感器的溫度低于200℃時，電動勢偏離理論值。根據四種氧傳感器的低溫極限溫度測試結果，可以認為LSCF/空氣傳感器在低溫區域仍能穩定準確地輸出LBE與參考側氧濃度之差所產生的電動勢。本實驗的溫度范圍基本覆蓋了非等溫LBE體系的低溫區域，實驗數據為氧傳感器的應用提供了重要的參考價值。

表1用于測試的氧傳感器信息

圖6氧傳感器4、7、8、9的低溫極限試驗


總結


對于用于測量液體LBE中氧濃度的氧傳感器，現有文獻表明，大多數氧傳感器具有較高的應用溫度范圍。因此，本文的目的是開發能在低溫LBE流動環境下穩定工作的氧傳感器?；陔娀瘜W原理，研制了以YSZ為固體電解質，LSCF/空氣為參比電極的氧傳感器。根據氧傳感器在校準平臺和UPBEAT回路的實驗結果得出以下結論:


1)當Ta線作為傳感器參考側的電信號提取線時，會影響傳感器的電動勢信號，而316L線和Mo線對傳感器的電動勢信號沒有影響。


2)在高溫區域測試中，LSCF/空氣參考傳感器與LSM/空氣參考傳感器具有相同的電勢，LSCF/空氣參考傳感器在500℃的高溫環境下具有優異的工作性能。


3)下限溫度測試表明，LSCF/空氣參考傳感器在低至200℃時仍能正常工作。


4)在低溫和高溫環境下對氧傳感器進行短路試驗，電動勢均能恢復到初始值，證明了LSCF/空氣傳感器具有良好的動態和響應特性。


5)LSCF/空氣參比傳感器可以在流動的液態鉛鉍環境中正常工作，具有優異的瞬態響應特性。


一般來說，本文研制的LSCF/空氣參考傳感器的有效工作溫度范圍為200℃~500℃。它可用于監測液體LBE流動環境中的氧濃度，具有良好的動力學和響應性。