南京昌暉自動(dòng)化儀表有限公司ZrO₂-Ⅱ增強(qiáng)型直插式氧化鋯氧量自動(dòng)分析儀是在原產(chǎn)品的基礎(chǔ)上總結(jié)國內(nèi)外多年研究和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)后，***新研制成功的新型氧量分析儀，適用于分析各種工業(yè)鍋爐、窯爐及加熱爐中煙氣的含氧量。它的主要特點(diǎn)是氧探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鉑電極的化學(xué)配方、制作工藝充分考慮了被測爐氣組分復(fù)雜這一特點(diǎn)，可保證氧探頭在水平直插條件下應(yīng)用時(shí)具有足夠長的壽命。而其信號(hào)轉(zhuǎn)換部分以單片微處理器為核心，通過軟件實(shí)現(xiàn)儀表大部分功能，硬件配置要點(diǎn)強(qiáng)化儀表的抗干擾措施。

從提高氧量測量值可靠性入手，延長氧探頭的連續(xù)使用壽命，并使儀表具備與氧探頭要求相適應(yīng)的自診斷功能及抗干擾能力。本儀表在改進(jìn)氧化鋯的配方和完善氧化鋯頭金屬化工藝及儀表信號(hào)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)智能化等方面有較大改進(jìn)，具體內(nèi)容如下：

⑴ 改進(jìn)氧化鋯的配方和燒制工藝，使其具有較高的電導(dǎo)率和致密度。

⑵ 多孔性鉑電極的化學(xué)配方及制作工藝可保證氧化鋯探頭在鍋爐煙氣氛中有足夠的使用壽命。

（3）儀表具有多種線性量程選擇。

（4）儀表溫度控制系統(tǒng)所給出的升溫曲線能滿足氧化鋯材料對升溫速度的要求。

（5）儀表信號(hào)具有必要的自診斷功能。

1. 工作原理

本儀器依據(jù)濃差電池原理構(gòu)成，和其它電池一樣，它具有兩個(gè)半電池，而在兩電極之間，用氧化鋯作固體電介質(zhì)。

在高溫下，當(dāng)氧化鋯兩側(cè)有氧濃差時(shí)，就形成了氧濃差電池，電池電動(dòng)勢的大小可根據(jù)Nernst公式計(jì)算，即：

式中：  E—濃差電池輸出，mV;                   n—電子轉(zhuǎn)移數(shù)，在此為 4；

R—理想氣體常數(shù)，8.314 W·S／mol；     F—法拉第常數(shù)，96500 C；

T—******溫度，K；  P″O₂—高濃度側(cè)氧分壓；  P′O₂—低濃度側(cè)氧分壓。

當(dāng)電池工作溫度固定于700℃時(shí)，上式為：

由上式可知，在溫度700℃時(shí)，當(dāng)固體電介質(zhì)一側(cè)氧分壓為空氣(20.6%)時(shí)，由濃差電池輸出電動(dòng)勢E，就可以計(jì)算出固體電介質(zhì)另一側(cè)氧分壓，這就是氧化鋯氧量自動(dòng)分析儀的測氧原理。

2.主要技術(shù)參數(shù)

2.1 測量范圍

顯示：0～25.0 %O₂：(三位數(shù)字顯示)

模擬量輸出(線性)：0～5.00 %O₂，0～10.0 %O₂、0～25.0 %O₂

2.2 測量精度：3% (滿量程)

2.3 響應(yīng)時(shí)間：＜5S(90%測量值)

2.4 溫度精度：700±1℃

2.5 顯示內(nèi)容：氧濃(O₂%)、氧勢(mV)、爐溫(℃)、加熱電壓（V）、

              量程上、下限（O₂%）、報(bào)警上、下限（O₂%）

2.6 鍵盤設(shè)定：探頭零電勢校正, 報(bào)警上、下限設(shè)定，

2.7 自診斷內(nèi)容及故障類別符號(hào)：

E—0 氧量上限      E—1 氧量下限      E—2 溫度異常(高)

E—3 溫度異常(低)  E—4 升溫異常(快)  E—5 升溫異常(停)

E—6 氧勢異常      E—7 斷偶

2.8 輸出： 0—10mA 或 4—20mA

2.9 負(fù)載電阻：0-1.0 kΩ(0-10mA輸出), 0-500Ω(4-20mA輸出)

2.10 氧探頭長度為0.2m、0.4m、0.6m、0.8m、1.0m、1.2m。

3. 使用條件

3.1信號(hào)轉(zhuǎn)換器的使用條件

3.1.1儀器安裝環(huán)境應(yīng)無易燃、易爆和強(qiáng)腐蝕性氣體，并要求通風(fēng)良好。

3.1.2 工作環(huán)境溫度：0-50℃

3.1.3 工作環(huán)境濕度：＜90%

3.1.4 供電電壓：220V.AC±10% 50Hz

3.1.5 功率消耗：＜200W

3.2 氧探頭的現(xiàn)場安裝條件

    氧探頭的現(xiàn)場安裝場所須***滿足下列條件：

3.2.1 避開震動(dòng)場合；

3.2.2要有足夠的工作空間。

3.2.3 煙氣溫度和壓力要在儀器規(guī)定范圍內(nèi)。(煙氣溫度<700℃)

4. 儀器的組成

整套儀器由氧探頭、信號(hào)轉(zhuǎn)換器及有關(guān)附件組成。

4.1 氧探頭

    氧探頭由防塵裝置、氧化鋯管、加熱電爐、測溫?zé)犭娕肌⒔泳€盒以及殼體等主要部件組成。整個(gè)裝置采用全封閉型結(jié)構(gòu)，以增加整個(gè)裝置的密封性能，提高使用壽命。

    氧化鋯管是該檢測器的核心，由它產(chǎn)生氧濃差電勢信號(hào)，使用時(shí)應(yīng)注意避免劇烈震動(dòng)，以免損壞。

    氧探頭內(nèi)加熱電爐的作用是提供氧化鋯元件正常工作所需的溫度，為延長加熱電爐的壽命，在工藝上做了特殊的處理。由于氧探頭本身帶有加熱裝置，因而在低于700℃的環(huán)境中仍能正常工作。

4.2信號(hào)轉(zhuǎn)換器

   ZrO₂-Ⅱ型氧化鋯氧量自動(dòng)分析儀的信號(hào)轉(zhuǎn)換器實(shí)際上是一個(gè)小型的測控系統(tǒng)，由單片機(jī)作為控制系統(tǒng)。

將來自氧探頭的模擬信號(hào)(氧勢、熱電勢)分別轉(zhuǎn)換成0-10KHz調(diào)頻信號(hào)，經(jīng)光電隔離后送至計(jì)算機(jī)，采用調(diào)頻方式能將儀表輸入、輸出相互隔離，這樣就消除了諸如大電流跳變所引起的干擾，能夠克服高共模電壓，因而大大提高了儀表的抗干擾能力。應(yīng)用程序主要由主程序和子程序組成，所有的程序都采用模塊結(jié)構(gòu)編制，便于修改、增加軟件功能，以滿足不同用戶的特殊需要。程序運(yùn)算采用了三位浮點(diǎn)數(shù)，保證了運(yùn)算的精度，對氧濃、爐溫的計(jì)算，采用查表線性插值法，對爐溫的控制采用增量式PID算式控制。信號(hào)轉(zhuǎn)換器的電氣原理框圖見圖1

  斷偶檢測

ZrO₂       放大    V/F    光隔    整形                      十位鍵盤 

電爐     固態(tài)繼電器     光隔過零檢測                 光隔   F/ I    

                                       報(bào)警

氧探頭            信號(hào)轉(zhuǎn)換器

圖1  信號(hào)轉(zhuǎn)換器電氣原理框圖

5. 儀器的安裝

5.1取樣點(diǎn)位置的選擇

 選擇取樣點(diǎn)的原則有:

5.1.1 所取的氣樣能快速反映工藝狀態(tài)的變化情況，即氣體要具有代表性；

5.1.2 取樣點(diǎn)的溫度、壓力、流量等參數(shù)不應(yīng)變化太大；

5.1.3氧探頭插入深度應(yīng)達(dá)到煙道氣流部位，避免死區(qū)；

5.1.4 切忌在管道、煙道底部開口取樣；

5.1.5 取樣點(diǎn)附近爐堂、煙道應(yīng)無泄漏，否則將造成測量誤差；

5.1.6 要選擇在易于維護(hù)、檢修的地方。

5.2 氧探頭的安裝

氧探頭的安裝參照圖3、 圖4、進(jìn)行  

預(yù)先加工好帶法蘭的Φ76mm設(shè)備短節(jié)，按要求選好取樣位置(爐壁或管道)，開一個(gè)Φ76的孔，將短節(jié)以水平方式焊接到設(shè)備上，焊接時(shí)要保證焊接處不漏氣。對帶余熱鍋爐流程，在選定取樣點(diǎn)位置后，Φ76mm設(shè)備短節(jié)應(yīng)根據(jù)保溫厚度適當(dāng)加長穿過爐體保溫磚，與爐體鋼殼焊牢，露出部分長度約60mm。須***注意：應(yīng)保證設(shè)備短節(jié)與爐體保溫磚之間的密封，******不能泄漏。把氧探頭插入短節(jié)，在短節(jié)法蘭與氧探頭法蘭間墊上2-4mm厚的石棉墊，旋緊4個(gè)螺栓，使其不漏氣即可。

注意:由于探頭的參比氣是靠空氣自然對流提供的,探頭須***水平安裝, 參比氣和標(biāo)準(zhǔn)氣接口相應(yīng)朝下.探頭端部防護(hù)套管的缺口位置(可調(diào)整方向)也應(yīng)垂直向下,以防積灰.

5.3 信號(hào)轉(zhuǎn)換器的安裝

信號(hào)轉(zhuǎn)換器的外形尺寸：水平×垂直×深   160×80×250mm

儀表盤面的開孔尺寸：水平×垂直      152⁺¹×76⁺¹mm

  信號(hào)轉(zhuǎn)換器用隨機(jī)配備的安裝夾板及螺絲安裝在儀表盤上，亦可安裝在現(xiàn)場儀表保

護(hù)箱內(nèi)。

5.3.1 信號(hào)轉(zhuǎn)換器與氧探頭之間的連接

信號(hào)轉(zhuǎn)換器盤裝于控制室,氧探頭安裝于現(xiàn)場,它們之間連接線有：氧勢信號(hào)線兩根采用RVVP2×1.5帶屏蔽二芯電纜線敷設(shè)、電偶冷端補(bǔ)償導(dǎo)線兩根，采用K分度號(hào)KX-G型2×1.5帶屏蔽二芯補(bǔ)償導(dǎo)線敷設(shè)、電爐加熱線兩根，采用RVV2×2.5二芯電纜線敷設(shè)。信號(hào)轉(zhuǎn)換器與氧探頭之間的接線見圖3。

       電 偶  AD590 報(bào)警  電 爐                                        

                                                鋯 頭   電 偶   電 爐      

           氧 勢  4-20mA 報(bào)警 220VAC                                       

圖6  信號(hào)轉(zhuǎn)換器與氧探頭接線圖

5.3.2 接線時(shí)應(yīng)注意下列要求:

5.3.2.1 加熱線與信號(hào)線應(yīng)分開穿管；

5.3.2.2 鋯管的氧勢、熱電偶溫度補(bǔ)償信號(hào)線都是具有極性的信號(hào)線，安裝時(shí)應(yīng)注意極性的正確連接。

6. 使用方法

6.1 信號(hào)轉(zhuǎn)換器的使用

6.1.1 開機(jī)及狀態(tài)說明

置信號(hào)轉(zhuǎn)換器于“測量”狀態(tài)（出廠時(shí)，信號(hào)轉(zhuǎn)換器已置于測量狀態(tài)），開機(jī)后，顯示屏顯示“―――”符號(hào)，表示開機(jī)正常，2S后進(jìn)入程序升溫狀態(tài)，顯示屏交叉顯示“∪∪∪”及溫度，溫度鍵對應(yīng)指示燈亮，經(jīng)1 h爐溫到達(dá)700℃，并自動(dòng)退出程序升溫狀態(tài)轉(zhuǎn)入氧量測量程序，氧量鍵對應(yīng)指示燈亮，LED窗口顯示當(dāng)時(shí)氧量，輸出通道給出與所選擇的測量范圍及當(dāng)時(shí)氧量有關(guān)的模擬量(0-10mA或4-20mA).

開機(jī)后各狀態(tài)說明如表1

表1  開機(jī)后狀態(tài)說明

6.1.2在線查詢參數(shù)

在線查詢參數(shù)的具體按鍵操作說明如表2

表2  測量狀態(tài)下按鍵操作詳細(xì)說明

  在“程序升溫”狀態(tài)下，儀表顯示升溫符號(hào)及當(dāng)時(shí)溫度值，在正常“測量”狀態(tài)下，儀表顯示當(dāng)時(shí)“氧量”值，當(dāng)要查詢“溫度”或“氧量”以外的其它參數(shù)時(shí)，只要按下面板對應(yīng)鍵，在顯示窗口立即顯示對應(yīng)參數(shù)值，但按鍵動(dòng)作不影響程序升溫時(shí)溫度或測量狀態(tài)時(shí)氧量所對應(yīng)的模擬輸出量，且在10S后顯示內(nèi)容自動(dòng)返回，恢復(fù)顯示程序升溫狀態(tài)時(shí)的溫度或測量狀態(tài)時(shí)的氧量值。總之，在測量時(shí)，任何按鍵動(dòng)作不影響與氧量相對應(yīng)的模擬量輸出，僅僅是顯示內(nèi)容的改變，且在10S后返回。

6.1.3儀器的校正

由于氧化鋯元件參數(shù)的離散性，由于氧化鋯元件在使用過程中的老化，由于安裝點(diǎn)參比氣的流通情況不盡相同，可能使氧化鋯元件的測量產(chǎn)生較大誤差。因此，不僅對新安裝的氧化鋯探頭需要進(jìn)行在線校準(zhǔn)，而且須***定期（3-6個(gè)月）對運(yùn)行中的探頭進(jìn)行校準(zhǔn)。

    在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場,把氧探頭和轉(zhuǎn)換器按圖6正確連接好并接通電源,一小時(shí)后溫度達(dá)到700℃. 旋開探頭上的標(biāo)準(zhǔn)氣螺栓,將瓶裝5%含量的氮中氧標(biāo)準(zhǔn)氣體通過減壓器將其流量控制在100ml/分鐘,用無味乳膠管送入探頭的標(biāo)氣口內(nèi).觀察轉(zhuǎn)換器的氧量顯示值,若氧量偏差較大則需按一下“氧勢校正鍵”,再通過按“加”或“減”鍵使顯示值增加或減少一些,再按“氧量”鍵,查看氧量是否在5%左右,若未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)請重復(fù)此步驟調(diào)整.若無法調(diào)到標(biāo)準(zhǔn),說明鋯管已老化,需換新鋯管.

無標(biāo)氣現(xiàn)場校準(zhǔn):旋開探頭上的標(biāo)準(zhǔn)氣螺栓,使空氣進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)氣導(dǎo)管,按一下轉(zhuǎn)換器面板上的“氧勢校正鍵”,通過按“加”或“減”鍵使顯示值為±0.1mv以內(nèi).再按下“氧量” 鍵應(yīng)顯示20.6即可, 校準(zhǔn)結(jié)束應(yīng)將標(biāo)準(zhǔn)氣螺栓重新旋緊即可正常使用.

6.1.4上下限報(bào)警設(shè)定值的改變

按上限報(bào)警(或下限報(bào)警)鍵，此時(shí)顯示上限報(bào)警(或下限報(bào)警)設(shè)定值，如需進(jìn)行改變，按“加”或“減”鍵，直至符合要求為止。

6.1.5異常報(bào)警說明

在發(fā)生異常時(shí)，LED窗口顯示故障類別，并將報(bào)警接點(diǎn)接通，此時(shí)，輸出不自鎖。詳細(xì)說明如表3。

表3    異常報(bào)警功能說明

仔細(xì)檢查氧探頭是否符合第5節(jié)所述安裝要求后，在氧探頭電爐溫度達(dá)到700℃后，儀表應(yīng)顯示系統(tǒng)當(dāng)時(shí)氧含量，并輸出與氧量對應(yīng)的模擬量。

 7. 故障判別及排除方法

    注：表4不包括由于儀器信號(hào)故障所造成的氧量測量值偏高、偏低或不穩(wěn)定，其故障排除方法可參考6.1.3儀器校正的步驟進(jìn)行.

7.1 故障處理步驟

7.1.1將氧探頭從取樣口抽出，在現(xiàn)場與信號(hào)轉(zhuǎn)換器按說明書要求正確接線，并使氧化鋯探頭升溫至700℃。測量鋯管的零電勢及高溫內(nèi)阻，應(yīng)分別小于±5mV及500Ω（出廠時(shí)，鋯管零電勢及高溫內(nèi)阻分別小于±3mV及100Ω），如能符合要求，說明氧化鋯管性能良好。若零電勢及高溫內(nèi)阻分別大于±5mV及500Ω以上, 需換新鋯管.然后按照6.1.3節(jié)說明的方法進(jìn)行校準(zhǔn).

7.1.2在氧探頭“氧勢”端子處卸下內(nèi)部探頭連線，將手動(dòng)電位差計(jì)輸出信號(hào)由“氧勢”端子輸入，不同的毫伏輸入，信號(hào)轉(zhuǎn)換器應(yīng)顯示不同的氧量，其關(guān)系參見附錄A“氧濃度—濃差電勢對照表”。

7.1.3確認(rèn)氧化鋯探頭性能，氧量測量及溫度控制系統(tǒng)均正常后，重新將氧探頭裝回取樣口。

8. 儀表成套性

全套儀表裝箱清單：

附錄A  氧濃度—濃差電勢對照表（0.1—15%O₂）

(計(jì)算條件：參比氣氧濃度為20.6%，工作溫度700℃)。

附錄B：高溫型檢測器的原理及系統(tǒng)組成

   高溫型檢測點(diǎn)的氣體溫度可達(dá)0-1400℃，高溫型是采取抽氣或正壓自噴的方式，將爐氣引入減溫器裝置內(nèi)，經(jīng)擴(kuò)容、減壓、降溫后使其實(shí)際溫度降至600℃以下，從而實(shí)現(xiàn)對高溫

氣體的檢測。

高溫型檢測器的原理圖

由于高溫型檢測器的特殊結(jié)構(gòu)，在安裝時(shí)請注意以下幾方面：

1      當(dāng)待測氣體溫度在800℃以上時(shí)，高溫型檢測器的取樣管應(yīng)呈垂直形式安裝，以防高溫取樣管因自重產(chǎn)生彎曲變形。

2 如果爐氣壓力為負(fù)壓或?yàn)楹稣鲐?fù)時(shí)，應(yīng)選用負(fù)壓型高溫型檢測器。以50-100Kpa壓力的壓縮風(fēng)接入抽氣系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制閥，將被測氣體抽入采樣裝置中。

3如果爐氣壓力為正壓時(shí)，應(yīng)選用正壓型高溫型檢測器。利用正壓自噴使待測氣體進(jìn)入采樣裝置，并通過調(diào)節(jié)閥控制噴出氣體的壓力保持在微正壓狀態(tài)（50Kpa以下）。

4 如果減溫器內(nèi)溫度過低（＜150℃時(shí)），由于硫化物結(jié)露會(huì)造成噴射泵堵塞，應(yīng)采用保溫材料將減溫器進(jìn)行保溫。必要時(shí)，可將壓縮風(fēng)金屬管道鋪在爐體高溫處，加蓋保溫材料，使壓縮風(fēng)加熱到＞150℃再接入噴射泵，只要樣氣出口的氣體溫度＞150℃噴射泵就不會(huì)堵塞。


ZrO2-Ⅱ型微機(jī)化氧量自動(dòng)分析儀的信號(hào)轉(zhuǎn)換器實(shí)際上是一個(gè)小型的測控系統(tǒng)，由單片機(jī)作為控制系統(tǒng)。
    將來自氧量檢測器的模擬信號(hào)(氧勢、熱電勢)分別調(diào)制成調(diào)頻信號(hào)，經(jīng)光電隔離后送至計(jì)算機(jī)，采用調(diào)頻方式能將儀表輸入、輸出相互隔離，這樣就消除了諸如大電流跳變所引起的干擾，能夠克服高共模電壓，因而大大提高了儀表的抗干擾能力。應(yīng)用程序主要由主程序和子程序組成，所有的程序都采用模塊結(jié)構(gòu)編制，便于修改、增加軟件功能，以滿足不同用戶的特殊需要。程序運(yùn)算采用了三位浮點(diǎn)數(shù)，保證了運(yùn)算的精度，對氧濃、爐溫的計(jì)算，采用查表線性插值法，對爐溫的控制采用增量式PID算式控制。信號(hào)轉(zhuǎn)換器的電氣原理框圖見圖1

 1 測量范圍0～25.0 %O2：(三位數(shù)字顯示)
 2 輸出： 0—10mA 或 4—20mA  負(fù)載電阻： 0-800Ω
 3 測量精度：3%
 4 溫控精度（PID控溫）：700±1℃
 5 工作環(huán)境溫度：0-50℃
 6 顯示內(nèi)容：氧濃(O2%)、氧勢(mV)、爐溫(℃)、加熱電壓（V）、
              量程上、下限（O2%）、報(bào)警上、下限（O2%）
 7 鍵盤設(shè)定：報(bào)警上、下限設(shè)定，探頭零電勢校正
 8 自診斷內(nèi)容及故障類別符號(hào)：
  E—0 氧量上限      E—1 氧量下限      E—2 溫度異常(高)
  E—3 溫度異常(低)  E—4 溫升異常(快)  E—5 溫升異常(停)
  E—6 氧勢異常      E—7 斷偶
 9 工作環(huán)境濕度：≤90%
 10 供電電壓：220V.AC±10% 50Hz
 11 功率消耗：150W
 12 外形尺寸：水平×垂直×深  橫式 160×80×250mm，豎式 80×160×250mm，壁掛式 220×280×120mm