中国原子能科学研究院氧化锆氧量分析仪说明书

1、1 概述12仪器测量原理23仪器主要技术参数34仪器简介44.1仪器组成44.2 各部分简介44.2.1 探头简介44.2.2 变送器简介54.2.2.1 基本结构54.2.2.2 基本操作64.2.2.3 基本设置75 仪器检验76 仪器安装96.1 安装前的准备96.1.1 探头安装位置的选择 96.1.2 炉体法兰的焊接 1.0.6.1.3 现场布线116.2 安装126.2.1变送器的安装12Word文档622探头的安装126.3现场连线1.37仪器校准13.7.1校准前的准备137.2校准方法1.48仪器日常维护与常见故障排除15.8.1仪器日常维护158.2常见故障的分析与排除16

2、1概述氧化锆氧分析仪主要用于测定锅炉烟气中的氧分压即氧气的体积百分数含 量（简称氧含量或氧量），对于保障锅炉运行安全、提高燃料燃烧效率及减少环 境污染将起到重要作用。其应用场所主要有：火电厂锅炉；炼油厂加热炉和输油管道加热炉；冶炼厂加热炉和均热炉；化工、轻纺、食品加工、制药、水泥和采暖等企业的工业锅炉。燃料燃烧效率与空气过剩系数密切相关。在燃烧过程中，当空气过剩系数太 小即氧量不足时，由于燃料未充分燃烧而导致热效率降低， 且排出的未完全燃烧 气体也将对导致环境污染；而当空气过剩系数太大即氧量过多时，虽然能使燃料 充分燃烧，但过剩空气带走的热量多， 也导致热效率降低，同时过量氧气使烟气 中硫化物

3、和氮氧化物含量增大，同样导致环境污染。因此，通过安装氧化锆氧分 析仪，在线实时监测烟气中的氧含量， 调节空气和燃料的最佳配比，实现优化燃 烧，在节能减排与安全环保等方面具有重要意义。中国原子能科学研究院始建于1950年，是中国核科学技术的发祥地，是以 核科学为主、多学科并存的综合性大型科研基地，是我国“两弹一艇”事业的摇篮 氧化锆开发研究室是院下属的集科研、产品开发和市场营销为一体的综合性实 体，从事氧化锆测氧技术的研究已30余年，编写了国内本行业第一本专著：氧 离子固体电解质浓差电池与测氧技术。该技术曾先后多次荣获国家发明奖及部 科技成果奖。在这一系列科研成果的基础上，成功研制出 ZO系列氧

4、化锆氧分析 仪。该产品曾在北京国际博览会上获同类产品最高质量奖，并在全国氧化锆氧分析仪行业质量评比中荣获一等奖。2001年，该产品通过IS09001国际质量体系 认证。此后，我院开发并推出了防硫型、高温型等多种型号的氧化锆氧分析仪， 以满足不同用户的需求。中氧含量的电2仪器测量原理Z0系列氧化锆氧分析仪是利用氧浓差电池原理来测定气体化学分析仪器。在理想状态下，当氧化锆元件达到工作温度且内外电极表面的氧含量不相等时，便构成一个氧浓差电池，产生电池电动势，电池电动势与电极表面氧浓度关系符合能斯特（Nernst）方程：E RTlnPO4F P式中:E 浓差电池电动势，V；R 气体常数，8.3145J

5、mo1 K_1;F 法拉第常数，96485.309C mol-1 ;T 绝对温度，K;P0 参比气体氧分压，%P 被测气体氧分压，%由于受各种因素的影响，实际测量并非在理想状态下进行， 因此需要对（1） 式进行校正，校正后得到新的方程：PoEm kl n Eo（2）P本设计中Po为空气中氧含量（20.6%）, k和Eo值均可以通过校正得到。通过 测定氧化锆电池电势信号Em，并将其输送至变送器，变送器将根据（2）式，计 算出被测气体的氧含量P值。 严格地说，氧化锆氧分析仪测量的是惰性气体中的氧含量，当烟气中含有可 燃性气体时，测得的氧含量值将偏小。3仪器主要技术参数 测量范围：020.6Vol%

6、Q;测量精度：1级； 量程选择：010Vol%Q或020Vol%Q2; 工作温度：750 C5C； 响应时间：3秒（达到90%; 输出方式：DC 010mA或DC 4mA20mA电流线性输出; 探头长度：500mm1200mm ;变送器箱体尺寸（高x宽X深）：墙挂式（Q型）：320mm X240mm X110mm ;盘装式（P型）：160mm X160mm X400mm ;80mm xi60mm X320mm （卧式）;160mm X80mm X320mm （立式）；探头安装点烟气温度：w 600 C（ 350 C450 C为最佳）；安装点允许最大压差：2KPa；环境温度：变送器-20 C55

7、C,探头-40 Cv 70C； 工作电源：AC 220V+22V, 50Hz。 对于不同型号探头，其值可能略有不同，本文均以工作温度为750 C 的ZO-12B探头为例说明。若工作温度不同，将文中涉及温度750 C改为对应工作温度值即可。 不同型号探头长度不同。4仪器简介4.1仪器组成该仪器主要由探头和变送器两大部分组成。探头实际上是一种装有氧化锆电池的氧传感器，其主要作用就是输出被测氧量所对应的电势信号值。变送器主要有两大功能：一是稳定控制探头的工作温度；二是将从探头输入的电势信号值 转换为对应的氧量值，并将氧量值转化为对应的电流值输出。4.2各部分简介4.2.1探头简介探头由氧化锆元件、加

8、热炉、K型热电偶、过滤器、信号引线、接线盒及不锈钢壳体等组成，其结构如图1所示：1过滤器2氧化锆元件3加热炉4外壳 5信号引线6标气管 7元件法兰8.K型热电偶 9.法兰 10.接线盒各主要部件作用：氧化锆元件是探头的核心部件，由其产生电势信号；加热炉将氧化锆元件加热到设定的工作温度； 热电偶作为温度传感器，用来测量加热 炉的温度；信号引线将氧化锆元件所产生的电势信号输送到变送器。4.2.2变送器简介4.2.2.1 基本结构变送器主要由主电路板、操作显示面板、接线端子和机箱等组成。主电路由 氧浓差电势信号放大器、热电偶电势信号放大器、电源单元、中央处理单元、温 控单元、显示单元及输出单元等部分

9、组成。图2 变送器电路原理框图从图2可见，探头产生的氧浓差电势信号、热电偶电势信号经分别放大后，由多路选择开关将其输入A/D转换器，经A/D转换后由CPU根据能斯特方程计算出氧量值，再经D/A转换、光电隔离及V/I转换，最后得到DC 010mA或DC 4mA 20mA的电流信号输出4.222 基本操作变送器的基本操作都在操作显示 面板上完成。变送器操作显示面板如 图3所示。各部分功能：中央为LED数码显示 管（以下简称LED）,显示相关的参数值。 左侧为参数显示状态指示灯，LED显示 的数值为指示灯亮者所对应的参数值。 右侧分别为空气校准和标气校准电位氧化锆氧分析仪:%0口口口 口 Cal令空

10、气校准令标气校准自检）电势j卜温度门（测孝（标定*v*wTestEmTmpTestCal图3变送器操作显示面板图器，用来校准仪器，以提高测量精度 。下方为操作按钮，由其决定 LED显示内容。具体操作：将变送器电源开关拨至“开”后，探头加热炉开始升温，“C”指示灯亮，LED显示探头加热炉温度值。当加热炉温度达到600C时，“O2”指示灯亮，变送器电路将自动运算并显示测得的氧量值。此后，LED显示内容由操作按钮决定。如：当按住匝时，“ 02”指示灯亮，LED显示自检氧量值；当按住电 势时，mv”指示灯亮，LEC显示电池电势信号值；当按住温度时,“C”指示灯亮, LED显示加热炉温度值；当按下标定时

11、，Cal”指示灯亮，此时可以校准仪器；校 准以后按下测量，LED显示被测氧量值，仪器进入测量状态。仪器校准的具体操作详见第 7章“仪器校准”部分。 如果安装的是新探头，开机后可能出现mV”指示灯亮、LED显示为HHHH ”并闪烁的现象，这是由于新探头内保温材料含水分过多造成氧电势信号过大而超出量程，一般情况下，开机后 1小时左右仪器将正常工作。 自检功能是为诊断变送器运算电路是否正常而设置的，其自检氧量值不代表探头所测氧量值。4.223 基本设置量程设置：变送器主电路板上设置了量程转换跳线开关。 当把跳线插在左边 两个并排的引脚上即靠近电路板S1位置时，选择氧量量程为020%此时电流输 出值D

12、C 010mA或DC 4mA20mA都是分别与该量程对应的值；当把跳线插在 右边两个并排的引脚上即远离S1位置时，选择氧量量程为010%此时电流输出 值DC 010mA或DC 4mA20mA都是分别与该量程对应的值。初始量程设置为020%如需010%量程，将跳线插在右边两个引脚上即可 。电流输出设置：变送器设有两档电流输出：DC 010mA和DC 4mA20mA 1111图13 仪器校准示意图应先进行空气校准，再进行标气校准。应先调好标气流量，再将连接软管与探头“标气入口”相连，否则可能因气体流量过大而导致氧化锆元件破裂。校准过程中，应保证不漏气，以免影响校准的准确性。校准完毕时，一定要先从“

13、标气入口”拔下连接软管，再关闭减压阀和气瓶阀。校准完毕后，应拧紧“标气入口”螺帽，否则空气进入将使氧量测量值偏大8仪器日常维护与常见故障排除8.1仪器日常维护仪器日常维护应注意以下几个方面：变送器在发货前已调试好，用户不应调节其内部电位器，以免影响测量 线性及精度；探头安装24小时以后应校准，以后可根据实际情况用标气校准；仪器安装后，应在开炉前送电，停炉后不应断电。探头氧化锆元件为陶瓷产品，高温时遇水即炸裂，使用时切忌淋水。否则, 由此造成损失将由用户承担。8.2常见故障的分析与排除氧化锆氧分析仪产品故障易出现在探头部分，下表列举了常见故障现象、原 因及排除方法。Word文档故障现象原因分析排

14、除方法对于刚安装的探头来说，可能属于正常现象，一般情况下开变送器mv”指 示灯亮，LED显 示为“HHHH ”并 闪烁是因保温材料内残存水分过 多，造成电势信号超量程。机后1小时左右仪器将正常工 作。变送器与探头之间“信号”连线空接、虚接或正负极反接。将对应端子正确连接。氧化锆元件信号引线断。更换氧化锆元件。探头内部信号引线断。更换探头内信号引线。变送器“C”指示灯亮，LED显示为“HHHH ”并闪烁变送器与探头之间“热电偶”连线空接、虚接或正负极反 接。将对应端子正确连接。若连接正确，则探头热电偶 断。更换热电偶。变送器“C”指示灯亮，LED显示为常温若探头“加热炉”两端有电压 输入或者“加热炉”两端