一種基于催化反應電化學原理的氫氣濃度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型設及氨氣濃度測量技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于催化反應電化學原理的 氨氣濃度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在日本福島核電站事故后，國家核安全局要求在氨氣控制系統(tǒng)中增加嚴重事故條 件下氨氣濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)，用于嚴重事故下氨氣濃度連續(xù)在線監(jiān)測。目前核電站中的氨 氣濃度主要采用離線監(jiān)測的技術(shù)。AP1000和CAP1400第S代核電站的安全殼氨控制系統(tǒng)要 求W在線監(jiān)測的氨氣濃度值作為控制氨氣點火器啟動的條件，該就要求實現(xiàn)氨氣濃度在線 實時監(jiān)測的功能。目前國內(nèi)外的氨氣濃度傳感器普遍基于熱導法工作原理實現(xiàn)，該些傳感 器主要適用于取樣式測量，測量高溫、復雜組分的氣體時測量精度低，且無法對環(huán)境中氨氣 實現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測。顯然，現(xiàn)有的氨氣濃度傳感在AP1000和CAP1400第S代核電站的安全 殼氨控制系統(tǒng)中不適用，設計出一種能對環(huán)境中氨氣實現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測的傳感器，該成為 目前人們普遍關(guān)注的問題，然而，現(xiàn)今沒有相應的器件，也未見相關(guān)的報道。 【實用新型內(nèi)容】
[0003] 本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于催化反應電化學原 理的氨氣濃度傳感器，其能實現(xiàn)環(huán)境中氨氣濃度的在線連續(xù)監(jiān)測，進而能滿足AP1000和 CAP1400第S代核電站的安全殼氨控制系統(tǒng)的需求。
[0004] 本實用新型解決上述問題主要通過W下技術(shù)方案實現(xiàn)；一種基于催化反應電化學 原理的氨氣濃度傳感器，包括壓力平衡膜、內(nèi)層殼體、對電極、工作電極、濃硫酸電解質(zhì)、氨 氣半透膜及信號接頭，所述內(nèi)層殼體上下兩端均開口，所述壓力平衡膜和氨氣半透膜分別 固定于內(nèi)層殼體上下兩端且封閉內(nèi)層殼體上下兩端的開口，壓力平衡膜、內(nèi)層殼體及氨氣 半透膜=者之間的區(qū)域構(gòu)成電解質(zhì)容腔，所述濃硫酸電解質(zhì)填充于電解質(zhì)容腔內(nèi)；所述對 電極、工作電極及信號接頭=者均有一端穿過內(nèi)層殼體且嵌入電解質(zhì)容腔內(nèi)，對電極和工 作電極兩者位于內(nèi)層殼體外的一端通過輸電線連接，信號接頭位于電解質(zhì)容腔內(nèi)的一端與 工作電極連接；所述對電極的基材表面涂覆有二氧化銷層，工作電極的基材表面鍛有銷黑 層。本實用新型中連接對電極和工作電極的輸電線上串接有電阻或負載，本實用新型產(chǎn)生 的電流信號由信號接頭輸出。本實用新型的壓力平衡膜主要用于平衡外界大氣的壓力和電 解質(zhì)容腔中壓力，使得大氣和電解質(zhì)容腔中的壓力保持一致，消除壓力對測量結(jié)果的影響， W保證氨氣通過氨氣半透膜的動力主要來源于氨氣濃度差，氨氣半透膜主要作用為隔離電 解質(zhì)容腔和測量氣體，并使得測量氣體中的氨氣經(jīng)過氨氣半透膜進入電解質(zhì)容腔。
[0005] 本實用新型應用時基于催化反應電化學分析原理，利用氨氣在涂有催化劑的工作 電極上的化學反應W及電解質(zhì)作用下產(chǎn)生的電流測量氨氣的分壓。測量樣氣經(jīng)氨氣半透膜 進入電解池，并在與工作電極接觸時立即發(fā)生電離反應①，工作電極表面的銷黑層作為使 氨氣發(fā)生電離的催化劑。對電極含有Pt〇2 (反應②)，對電極浸在酸性濃硫酸電解質(zhì)中，此 電解質(zhì)在210°C高溫條件下不沸騰，且具備導電功能。濃硫酸電解質(zhì)提供了離子導電通路， 連接兩個電極間的電阻或負載提供了電子導電通路。氨氣半透膜將濃硫酸電解質(zhì)與環(huán)境大 氣中分離。氨氣進入電解質(zhì)容腔后，使電解質(zhì)容腔分壓為零。因此，氨氣半透膜大氣一側(cè)的 氨分壓是傳輸氨氣使其通過氨氣半透膜的驅(qū)動力。外部電阻或負載電壓為可將感測大氣氨 分壓轉(zhuǎn)換為電流信號，與驅(qū)動力成正比。
[000引抵-> 2且+ + 2e- 工作電極反應①
[0007] 2且+ + 2e- +Pt〇2->PtO+亞0 對電極反應②
[000引 電流一-分壓比為特定電極配置常數(shù)和恒溫常數(shù)，就溫度變換而言，氨氣半透膜 對氨氣的透氣率不相同，從而使得傳感器的感應電流也隨之發(fā)生變化。透氣率的變化，之后 轉(zhuǎn)化為電流的變化隨著溫度升高而增加。
[0009] 進一步的，所述對電極和工作電極均采用貴金屬為基材。
[0010] 進一步的，所述對電極和工作電極均采用銷片或銷網(wǎng)為基材。
[0011] 進一步的，一種基于催化反應電化學原理的氨氣濃度傳感器，還包括測溫元件，所 述測溫元件穿過內(nèi)層殼體且其感溫端與濃硫酸電解質(zhì)接觸。本實用新型應用時通過測溫元 件對電解質(zhì)容腔內(nèi)的溫度進行監(jiān)測，便于對電解質(zhì)容腔內(nèi)的氨氣濃度進行校準。因本實用 新型產(chǎn)生的信號與溫度有關(guān)，設置溫度校準可滿足不同溫度下氨氣濃度監(jiān)測的要求。
[0012] 進一步的，所述壓力平衡膜采用聚四氣己締薄膜，所述氨氣半透膜采用PET半透 膜。如此，本實用新型的壓力平衡膜和氨氣半透膜具有耐硫酸腐蝕、耐220°C高溫、耐福照等 特性，壓力平衡膜在大氣壓力變化時，能平衡電解質(zhì)容腔與外界壓力，而氨氣半透膜具備氨 分子透過功能。
[0013] 進一步的，一種基于催化反應電化學原理的氨氣濃度傳感器，還包括圓環(huán)狀的上 密封蓋板和下密封蓋板，所述內(nèi)層殼體為圓筒狀，內(nèi)層殼體上下兩端均外凸構(gòu)成有環(huán)形的 定位平臺，所述壓力平衡膜周向邊緣均與內(nèi)層殼體上端定位平臺的上端面接觸且由上密封 蓋板下壓固定，所述氨氣半透膜周向邊緣與內(nèi)層殼體下端定位平臺的下端面接觸且由下密 封蓋板上壓固定。如此，本實用新型在上密封蓋板的作用下能將壓力平衡膜牢固定位，并在 下密封蓋板的作用下對氨氣半透膜進行牢固定位。
[0014] 因聚四氣己締具有耐高溫、耐腐蝕的性能，為了滿足內(nèi)層殼體耐高溫條件下的濃 硫酸的腐蝕及絕緣要求，進一步的，所述內(nèi)層殼體的材質(zhì)為聚四氣己締。
[0015] 進一步的，一種基于催化反應電化學原理的氨氣濃度傳感器，還包括外層殼體，所 述內(nèi)層殼體設于外層殼體內(nèi)。本實用新型應用時內(nèi)層殼體為濃硫酸電解質(zhì)提供壓力邊界， 外層殼體提供校準時的壓力邊界。
[0016] 進一步的，所述外層殼體的材質(zhì)為銅或31化不誘鋼。
[0017] 綜上所述，本實用新型具有W下有益效果；（〇本實用新型的傳感器是一種自供 電化學裝置，可產(chǎn)生與大氣中氨分壓成正比的電流信號，本實用新型應用時選擇性強，測量 誤差受背景氣體組分影響較小，可W消除水蒸氣對測量結(jié)果的影響，測量時無須對樣氣進 行預處理，可實現(xiàn)連續(xù)在線測量，進而能滿足AP1000和CAP1400第S代核電站的安全殼氨 控制系統(tǒng)的需求。
[0018] (2)本實用新型具備在220°C、福照、高濃度水蒸氣等苛刻條件下連續(xù)穩(wěn)定工作能 力。
[0019] (3)本實用新型的應用時響應時間快，小于180s。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本實用新型一個具體實施例的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 附圖中附圖標記所對應的名稱為；1、外層殼體，2、上密封蓋板，3、壓力平衡膜，4、 內(nèi)層殼體，5、對電極，6、安裝底座，7、測溫元件，8、工作電極，9、濃硫酸電解質(zhì)，10、氨氣半透 膜，11、下密封蓋板，12、信號接頭。
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合實施例及附圖，對本實用新型做進一步地的詳細說明，但本實用新型的 實施方式不限于此。
[0023] 實施例1;
[0024] 如圖1所示，一種基于催化反應電化學原理的氨氣濃度傳感器，包括壓力平衡膜 3、內(nèi)層殼體4、對電極5、工作電極8、濃硫酸電解質(zhì)9、氨氣半透膜10及信號接頭12,其中， 內(nèi)層殼