一种玻璃熔体高温电导率测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种玻璃熔体高温电导率测量装置，包括：带有炉温控制系统的高温炉，在高温炉内放置耐高温且绝缘的坩埚，坩埚内侧底部设有用于放置待测玻璃样品的凹槽，熔融的玻璃熔体体积大于凹槽容积；凹槽内部相对的两侧分别连接一个电极片，两个电极片均电连接电化学工作站；凹槽上方设有耐高温且绝缘的压盖，压盖上方设有升降装置，通过升降装置挤压或松开压盖，实现压盖与凹槽的贴合或分离，确保凹槽、电极片和压盖共同构成的封闭电导池内充满玻璃熔体。本发明的测量装置具有准确度高、稳定性强、且能够实现不同种类的玻璃熔体在不同温度下的电导率测试等优点。本发明还公开了玻璃熔体高温电导率测量方法，实现玻璃熔体电导率的稳定精准测量。

说明书

技术领域

本发明属于玻璃生产测试技术领域，具体涉及一种玻璃熔体高温电导率测量装置及方法，该装置适合不同粘度玻璃熔体电导率的快速测量。

背景技术

通常，玻璃在常温下是很好的绝缘体，在高温状态下，由于其中所含的碱金属离子的迁移率较常温下大大提高，故呈现出较低的电阻率。但国际上尚无测定高温熔融玻璃电导率的标准方法。

在现有的高温熔融玻璃电导率测试装置中，在高温炉上设有观察窗，在透明石英坩埚的锅壁上刻有刻度线，在透明石英坩埚内部的两侧分别连接一个电极，两个电极均连接电化学工作站。工作过程中，通过高温炉正面的透明观察窗观察不同温度下熔融玻璃液在透明石英坩埚内的高度，观察玻璃液面在刻度线所在位置便可知道玻璃液的准确高度，通过计算机记录炉体的温度即在各温度条件下待测玻璃的电阻值。利用公式σ＝L/RA计算出待测玻璃在各温度条件下的电导率。σ为待测玻璃的电导率，R为待测玻璃在不同温度下电化学工作站测量的玻璃电阻，L为两个电极片之间的距离，A为两个电极片之间的相对面积，其中A＝h*b，h是透明石英坩埚中熔融玻璃液的高度，b是透明石英坩埚的纵向宽度。

上述现有技术存在的不足主要包括：(1)、通过高温炉上的观察窗及透明石英坩埚上所标刻度来得到玻璃熔体的横截面积，在读数方面存在较大的主观性，具有一定的误差，而且不同材质的玻璃和不同温度下的玻璃熔体的粘度也会存在差异，导致玻璃熔体在透明石英坩埚内的流动性存在差异，最终难以准确读数；(2)部分玻璃熔体是不透明的，一般带有其他颜色(如含有铁、铜等金属离子的玻璃熔体)，又由于高温下玻璃熔体容易飞溅，导致难以准确判断玻璃熔体液面位置，从而无法精确读数；(3)常用透明石英坩埚的使用温度一般不超过1100℃，即使是高纯度石英坩埚，在高温下也会因晶型转变导致开裂，或发生析晶行为而使得透明坩埚变为白色，导致无法读数，当使用温度超过1450℃时，石英坩埚相对较脆，容易破碎；(4)对于玻璃熔体高温电导率测量技术而言，其测试温度一般不低于1200℃，若采用特制的透明坩埚，价格一般较高，造成测试成本增加。

另外，测量熔融玻璃电导率的常用方法还包括电位探针直接测量电阻法和用容器系数间接测量电阻法。前者准确性较高，但需要专门的一次性测试容器槽，成本高。后者可通过容器系数与熔体电导率之间的关系，间接得到高温下的玻璃熔体电导率。但目前所采取的测量方法中，受玻璃熔体粘度和毛细作用的影响，玻璃熔体液面和电极位置的再现精度普遍不高，从而影响测量结果的准确性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术中存在的两个电极片之间的相对面积的数据测量不准确，导致熔融玻璃电导率测量结果的精确度低、再现性差，以及测量装置的通用性差的缺点，提供一种结构紧凑、原理简单、准确度高、稳定性强、且能够实现不同种类的玻璃熔体在不同温度下的电导率测试的玻璃熔体高温电导率测量装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种玻璃熔体高温电导率测量装置，包括：带有炉温控制系统的高温炉，在高温炉内放置耐高温且绝缘的坩埚，所述坩埚内侧底部设有用于放置待测玻璃样品的凹槽，且熔融的玻璃熔体体积大于凹槽的容积；所述凹槽内部相对的两侧分别连接一个电极片，两个电极片均电连接电化学工作站；所述凹槽上方设有耐高温且绝缘的压盖，所述压盖上方设有升降装置，通过升降装置挤压或松开压盖，实现压盖与凹槽的贴合或分离，以确保凹槽、电极片和压盖共同构成的封闭电导池内充满玻璃熔体。

作为本发明的进一步改进，所述升降装置包括螺杆、连接杆和耐高温且绝缘的压杆，所述压杆的一端与连接杆固定连接，压杆的另一端穿过高温炉顶部并设置在压盖上方，所述连接杆与螺杆连接，所述螺杆与伺服电机连接。

作为本发明的进一步改进，所述升降装置还包括支撑杆，所述支撑杆的设置方向与螺杆的设置方向相同，在螺杆的带动下，连接杆沿着支撑杆上下移动。

作为本发明的进一步改进，所述坩埚、压盖和压杆均采用刚玉或氧化锆制成。

作为本发明的进一步改进，所述压盖的横截面为圆形，所述凹槽的横截面为方形；所述压盖的直径小于坩埚的直径，且大于凹槽横截面的对角线长度。

作为本发明的进一步改进，所述电极片镶嵌在凹槽的内侧壁上，且电极片的表面积与凹槽的内侧壁面积相等。

作为本发明的进一步改进，每个所述电极片均通过导线连接所述电化学工作站。

作为本发明的进一步改进，所述电极片为铂金电极片，所述导线为铂金导线。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种玻璃熔体高温电导率测量方法，包括以下步骤：

1)将待测玻璃样品加工成所需大小，以确保待测玻璃样品熔融后的体积大于凹槽的容积；

2)将加工好的待测玻璃样品放置于坩埚内侧底部的凹槽内，凹槽内部相对的两侧分别镶嵌一个电极片，两个电极片均与导线连接，将压盖放置在待测玻璃样品上；

3)将坩埚放置于高温炉内，调节压杆位于压盖上方，并通过伺服电机调节压杆下降并接触压盖上表面；

4)将导线与电化学工作站连接，通过炉温控制系统设置高温炉的加热程序，对待测玻璃样品进行加热；

5)到达预设温度后，继续保温，以确保待测玻璃样品完全熔融并充满坩埚的凹槽；通过伺服电机调节压杆下降，给压盖施加压力，使得压盖与凹槽紧密贴合；通过电化学工作站检测玻璃熔体的电阻值；

6)通过伺服电机调节压杆上升，移除压盖上的压力，并使得压杆接触压盖上表面；继续调节高温炉内的温度，重复步骤4)和步骤5)，得到玻璃熔体在不同温度下的电阻值；

7)将检测得到的玻璃熔体在不同温度下的电阻值带入下列公式，计算得到玻璃熔体在不同温度下的电导率：

公式中，σ为待测玻璃熔体的电导率，R为待测玻璃熔体的电阻，L为两个电极片之间的距离，A为电极片的表面积。

作为本发明的进一步改进，所述步骤5)中，保温时间≥30min。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的玻璃熔体高温电导率测量装置，通过在坩埚内部设置专门用于放置待测玻璃样品的凹槽，并且在凹槽相对的两内侧壁上镶嵌了电极片，电极片通过导线与电化学工作站连接，即可快速测定出玻璃熔体在相应温度下的电阻值，进而求得玻璃熔体的电导率，具有原理简单、可操作性强的优点。与此同时，还在凹槽上方设置了压盖，通过凹槽、电极片和压盖共同构成一个封闭的电导池，也就使得玻璃熔体在高温下形成稳定电导池。玻璃熔体受温度和热膨胀系数影响，在高温下由固态逐渐向液态转变，体积逐渐膨胀，通过伺服电机控制压盖紧密贴在凹槽上，将多余的玻璃熔体排出在凹槽之外，而且溢出的玻璃熔体仍存储于坩埚内，既有效控制了电导池液面，又不会因玻璃熔体溢出而损坏高温炉的内部构件。同时，由于压盖的隔绝作用，凹槽内所含玻璃熔体的长度和横截面积是固定的，且与电极片形成密闭电导池，有效保证了电导池的长度和横截面积始终稳定，并且可以消除玻璃熔体的粘度对测试结果的影响，大大减少了测量误差，从而准确测定出不同种类的玻璃熔体在不同温度下的电导率，具有精准度高、稳定性强、适用范围广等优点，可在玻璃软化点至1600℃的范围内，方便、准确地测量玻璃熔体的电导率。

2、本发明的玻璃熔体高温电导率测量方法，通过将待测玻璃样品制成所需尺寸的小样品后放入凹槽内，并确保玻璃熔体的体积大于凹槽的容积，通过压盖将多余的玻璃熔体挤出凹槽，确保玻璃熔体在高温下形成稳定电导池，而且凹槽起到了良好的定位作用，确保了电导池的形状、两电极之间的距离保持恒定，因此，所测玻璃熔体的电导率仅与测量得到的玻璃熔体电导率相关，完全避免了人工读取电导池的液位数据而造成的检测误差，有效确保了测量结果的精准性，并且很好地满足了不同种类的玻璃熔体的检测需求。进一步地，高温下因热膨胀而溢出的玻璃熔体存储于坩埚内，可以连续测量同一玻璃熔体在不同温度下的电导率，既提高了检测结果的可靠性，又有效节约了检测成本。

附图说明

图1为本发明的玻璃熔体高温电导率测量装置的结构原理示意图。

图例说明：

1、高温炉；2、坩埚；21、凹槽；3、导线；4、电极片；5、压盖；6、压杆；7、支撑杆；8、电化学工作站；9、螺杆；10、连接杆。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例

如图1所示，本发明的玻璃熔体高温电导率测量装置，包括：带有炉温控制系统的高温炉1，在高温炉1内放置耐高温且绝缘的坩埚2，坩埚2内侧底部设有用于放置待测玻璃样品的凹槽21，且熔融的玻璃熔体体积大于凹槽21的容积。通过调节高温炉1的升温速率和炉膛温度，即可对待测玻璃样品进行加热，并获得相应温度下的玻璃熔体。凹槽21内部相对的两侧分别连接一个电极片4，两个电极片4均电连接电化学工作站8。凹槽21上方设有耐高温且绝缘的压盖5，压盖5上方设有升降装置，通过升降装置挤压或松开压盖5，以实现压盖5与凹槽21的贴合或松开，以确保凹槽21、电极片4和压盖5共同构成的封闭电导池内充满玻璃熔体。可以理解，电导池的大小可以根据实际需要进行设计，在测量过程中，通过压盖5将多余的玻璃熔体挤出凹槽21，以确保玻璃熔体始终充满电导池，形成一个稳定的电导体系。

本实施例中，电极片4镶嵌在凹槽21的内侧壁上，且电极片4的表面积与凹槽21的内侧壁面积相等。凹槽21的存在起到了良好的定位作用，确保了电导池的形状、两电极片4之间的距离保持恒定，即电导率公式σ＝L/RA中的L、A不易受外界干扰而发生改变，因此，所测玻璃熔体的电导率仅与测量得到的玻璃熔体电阻值R相关，大大提高了测试结果的精准度。

本实施例中，每个电极片4均通过导线3连接电化学工作站8，通过电化学工作站8检测出对应温度下玻璃熔体的电阻值，即可计算出玻璃熔体在对应温度下的电导率。进一步地，为提高检测的精准度，电极片4为铂金电极片，导线3为铂金导线，铂金导线的直径可优选为0.3mm～1.0mm。

本实施例中，通过在坩埚1内部设置专门用于放置待测玻璃样品的凹槽21，并且在凹槽21相对的两内侧壁上设置了电极片4，电极片4通过与电化学工作站电连接，即可快速测定出玻璃熔体在相应温度下的电阻值，进而求得玻璃熔体的电导率，具有原理简单、可操作性强的优点。与此同时，还在凹槽21上方设置了压盖5，通过凹槽21、电极片4和压盖5共同构成一个封闭的电导池，也就使得玻璃熔体在高温下形成稳定电导池。玻璃熔体受温度和热膨胀系数影响，在高温下由固态逐渐向液态转变，体积逐渐膨胀，通过升降装置控制压盖5紧密贴合在凹槽21上，将多余的玻璃熔体排出在凹槽21之外，而且溢出的玻璃熔体仍存储于坩埚2内，既有效控制了电导池液面，又不会因玻璃熔体溢出而损坏高温炉1的内部构件。同时，由于压盖5的隔绝作用，凹槽21内所含玻璃熔体的长度和横截面积是固定的，且与电极片4形成密闭电导池，有效保证了电导池的长度和横截面积始终稳定，并且可以消除玻璃熔体的粘度对测试结果的影响，大大减少了测量误差，从而准确测定出不同种类的玻璃熔体在不同温度下的电导率，具有精准度高、稳定性强、适用范围广等优点，可在玻璃软化点至1600℃的范围内，方便、准确地测量玻璃熔体的电导率。

本实施例中，升降装置包括螺杆9、连接杆10和耐高温且绝缘的压杆6，压杆6的一端与连接杆10固定连接，压杆6的另一端穿过高温炉1顶部并设置在压盖5上方，连接杆10与螺杆9连接，螺杆9与带有压力传感器的伺服电机(图中未示出)连接。进一步地，升降装置还包括支撑杆7，支撑杆7的设置方向与螺杆9的设置方向相同，在螺杆9的带动下，连接杆10沿着支撑杆7上下移动。通过支撑杆7与螺杆9的配合作用，提高了压杆6上下移动的稳定性，也就提高了压盖5与凹槽21之间的接触稳定性，提高了整个测量装置的使用稳定性。

本实施例中，坩埚2、压盖5和压杆6均采用刚玉制成。刚玉的绝缘性能和耐高温性能都很好，热膨胀系数小，在高温下形成的电导池不发生变形，达到了原料易得、性价比高的效果。此外，本实施例中所用坩埚2、压盖5和压杆6也可以采用氧化锆等耐高温且绝缘的材料制成，以利于实现更高温度的玻璃熔体电导率测量，拓宽本实施例测量装置的适用范围。

本实施例中，压盖5的横截面为圆形，凹槽21的横截面为方形；压盖5的直径小于坩埚2的直径，且大于凹槽21横截面的对角线长度。将凹槽21设置为方形结构，既有利于电极片4的安装固定，又确保了两个电极片4之间的距离保持恒定。压盖5的横截面积大于凹槽21的横截面积，以确保多余的玻璃熔体被挤出凹槽21，确保电导池的运行稳定性。可以理解，本实施例中，凹槽21中的玻璃熔体在升温过程中，压盖5处于未受力状态，此过程中的玻璃熔体会因体积膨胀而溢出凹槽21，造成压盖5的偏移。到达预设的温度并开始保温过程后、电导率测量之前，压盖5才会受力压紧凹槽21。因此，在本发明中，压盖5的直径足够大，即使压盖5不在凹槽21的中心位置，仍可以完全覆盖凹槽21上表面。

与此同时，本发明还提供了一种玻璃熔体高温电导率测量方法，包括以下步骤：

选用内径为45mm、外径为55mm、高度为60mm(上部30mm挖空)的坩埚2，凹槽21位于坩埚2的中心位置，大小为25*20*15mm(长*宽*高)；压盖5的直径为40mm、厚度为4mm；铂金电极片大小为20*15*0.3mm，铂金导线的直径为0.5mm。由上述参数可知，在本实施例中，L/A为83.3m

1)根据所制备玻璃的密度(2.63g/cm

2)将加工好的待测玻璃样品放置于坩埚2内侧底部的凹槽21内，凹槽21内部相对的两侧分别镶嵌一个电极片4，两个电极片4均与导线3连接，将压盖5放置在待测玻璃样品上。压盖5位于凹槽21正上方，确保待测玻璃样品熔融后，压盖5能够完全覆盖在凹槽21上。在测量过程中，通过凹槽21、电极片4和压盖5共同构成一个封闭的电导池，也就使得玻璃熔体在高温下形成稳定电导池。

3)将坩埚2放置于高温炉1内，调节压杆6位于压盖5上方，并通过伺服电机(图中未示出)调节压杆6下降并接触压盖5上表面。可以理解，为了提高测量的精准度，压杆6应尽量位于压盖5的中心位置，而且此时压杆6仅仅是抵在压盖5上，压盖5与凹槽21并未紧密接触，以便于升温过程中，玻璃熔体膨胀而溢出凹槽21。同时，通过压杆6可以对压盖5进行定位，避免玻璃熔体升温膨胀的过程中将压盖5顶偏，进而影响电导池的稳定性。在测试过程中，通过压杆6对压盖5施加的压力，实现压盖5对凹槽21的压紧效果，而压杆6受到带有压力传感器的伺服电机的控制，通过压杆6所受压力的大小，可有效判断压盖5是否与凹槽21紧密贴合。

4)将导线3与电化学工作站8连接，通过炉温控制系统设置高温炉1的加热程序，以5℃/min的速率对待测玻璃样品进行加热。可以理解，本实施例中，不需要对测量过程中的升温速率进行特别要求，满足高温炉1的升温规定即可。

5)到达1200℃后，继续保温30min，以确保待测玻璃样品完全熔融并充满坩埚2的凹槽21；通过伺服电机调节压杆6下降，给压盖5施加压力，使得压盖5与凹槽21紧密贴合，将多余的玻璃熔体挤出凹槽21，以确保玻璃熔体在凹槽21内形成的稳定电导池；通过电化学工作站8检测到玻璃熔体的电阻值为378.64Ω。可以理解，为了提高测量结果的精准度，确保玻璃熔体电导率的测试是在指定温度下进行的，高温炉1的温度到达预设温度后，继续保温的时间应不少于30分钟，再进行玻璃熔体电导率的测试，以更准确地反映出玻璃熔体在该温度下的电阻率。

6)通过伺服电机调节压杆6上升，移除压盖5上的压力，并使得压杆6接触压盖5上表面，可以理解，此时压盖5与凹槽21并未紧密接触，以便于再次升温的过程中，玻璃熔体继续膨胀而溢出凹槽21；继续调节高温炉1内的温度，重复步骤4)和步骤5)，得到玻璃熔体在1300℃和1400℃下的电阻值分别为100.36Ω和12.49Ω。

7)将检测得到的玻璃熔体在不同温度下的电阻值带入下列公式，计算得到玻璃熔体在不同温度下的电导率：

公式中，σ为待测玻璃熔体的电导率，R为待测玻璃熔体的电阻值，L为两个电极片4之间的距离，也就是电导池的长度，A为电极片4的表面积，也就是电导池的面积。本实施例中，当温度为1200℃时，该玻璃熔体电导率σ为0.22s/m；当温度为1300℃时，该玻璃熔体电导率σ为0.83s/m；当温度为1400℃时，该玻璃熔体电导率σ为6.67s/m。可以理解，随着温度的升高，玻璃熔体的电导率发生变化，通过测量玻璃熔体的电阻值，即可通过公式计算出玻璃熔体的电导率；本实施例可测试不同种类的玻璃熔体在不同温度下的电导率，电导池的长度和面积不易受其他因素影响而发生改变，测试结果的精准度高、再现性好。

本实施例中，通过将待测玻璃样品制成所需尺寸的小样品后放入凹槽21内，并确保玻璃熔体的体积大于凹槽21的容积，通过压盖5将多余的玻璃熔体挤出凹槽21，确保玻璃熔体在高温下形成稳定电导池，而且凹槽21起到了良好的定位作用，确保了电导池的形状、两电极之间的距离保持恒定，因此，所测玻璃熔体的电导率仅与测量得到的玻璃熔体电导率相关，完全避免了人工读取电导池的液位数据而造成的检测误差，有效确保了测量结果的精准性，并且很好地满足了不同种类的玻璃熔体的检测需求。进一步地，高温下因热膨胀而溢出的玻璃熔体存储于坩埚2内，可以连续测量同一玻璃熔体在不同温度下的电导率，既提高了检测结果的可靠性，又有效节约了检测成本。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。