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 各局部简介 44.2.1 探头简介 44.2.2 变送器简介 54.2.2.1 根本结构 54.2.2.2 根本操作 64.2.2.3 根本设置 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 1.16.2 安装 1.26.2.1 变送器的安装 1.26.2.2 探头的安装 1.26.3 现场连线 1.37 仪器校准 1.37.1 校准前的准备 1.37.2 校准方法 1.48 仪器日常维护与常

2、见故障排除 1.5.8.1 仪器日常维护 1.58.2 常见故障的分析与排除 1.6.1 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 ，对于保障锅炉运行平安、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 小即氧量缺乏时， 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

3、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正确配比， 实现优化 燃烧，在节能减排与平安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

4、解质浓差电池与测氧技术? 。该技术曾先后屡次荣获国家创造奖 及部科技成果奖。 在这一系列科研成果的根底上， 成功研制出 ZO 系列氧化锆氧 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。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中氧含量的电化学分析仪器。在理想状态下，当氧化锆元件到达工作温度且内外电极外表的氧含量不相等时，便构成一个氧浓差电池，产生电池电动势，电池电

5、动势与电极外表氧浓度关系符合能斯特Nernst方程：RTEln4FP0P(1)式中:E 浓差电池电动势,V ；R -气体常数，8.3145 Jmol 1 K 1 ；F 法拉第常数，96485.309 C mol -1 ;T 绝对温度，K;Po -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:Porc、Em kin Eo 2P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丨式，计 算出被测气体的氧含量P值。 严

6、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%0 2;测量精度：1级；量程选择：010Vol%O 2或020Vol%O 2;工作温度：750 C5 C；响应时间：3秒到达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；

7、探头安装点烟气温度：w 600 C 350 C450 C为最正确；安装点允许最大压差：2KPa;环境温度：变送器-20 C55 C ,探头-40 Cv 70 C；工作电源：AC 220V 22V , 50Hz。护 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。假设工作温度不同，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局部组成。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

8、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 各局部简介4.2.1 探头简介探头由氧化锆元件、加热炉、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：图1探头结构示意图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.

9、1 根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局部组成。电源图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 4mA20mA的电流信号输出。4.222 根本操作变送器的根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。各局部功能：中央为LED数码显示管以

10、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。TestO VC Cal二电势Em氧化锆氧分析仪BBBR-标气校准Tmp温度Test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。当加热炉温度到达600 C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：当按住自检时，“O2指示灯亮，LED显示自检氧

11、量值; 当按住电势时，“mV 指示灯亮，LED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， “ 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。 如果安装的是新探头，开机后可能出现mV 指示灯亮、LED显示为仪器校准的具体操作详见第 7章“仪器校准局部。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4 2探头所测氧量值。2.3 根本设置量程设置：变送器主

12、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DC 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 4mA 20mA。初始电流设置为DC 4mA20mA信号输出，如用户需要DC 010mA信号输出，需在订货

13、时注明5 仪器检验仪器在发货前已经过严格的质量检验， 并附合格证，但运输过程中可能因碰撞使其损坏。因此，用户在使用仪器前，应先进行开箱检验，判断仪器正常前方可上炉安装。具体操作步骤如下:1翻开探头接线盒，用万用表分别测量加热炉及热电偶两端的电阻值，判断在运输中有无造成断线或接触不良现象 。2丨判断无故障后，用符合要求的三组导线参考节分别将探头“加 热炉 “热电偶和“信号接线端子与变送器对应接线端连接好参考图4、图5。3将外接电源接在变送器“ AC220V 端子上。4接通电源，加热炉开始升温，当到达 600 C后，仪器自动转为氧量值 显示。按住操作面板上的自检键，假设显示为“ 5.00 0.20

14、 ，说明变送器氧量 转换系统正常。0量程转换只影响对应电流输出值，而与变送器本身的氧量值显示无关。 对于ZO 12B型探头，加热炉阻值一般为 150 Q20 Q，热电偶阻值一般为3.5 Q3.5 Q。对于不同型号产品，其值略有不同。 详见“ 4.222根本操作局部。(5稳定一段时间后，测量探头信号线两端的电阻及电势值，假设电阻小于1K Q、电势绝对值逐渐减小且稳定后小于10mV，说明探头完好，可以进行现场安装。将探头与变送器相应端连接时，注意不要错接、虚接或正负极反接。请勿将外接电源接入变送器或探头的“信号、“热电偶或 “加热炉接线 端，否那么，将造成仪器损坏，损失由用户承当。墙挂式变送器接线

15、端子探头接线端子图4墙挂式变送器与探头接线图盘式变送器接线端子探头接线端子图5盘装式变送器与探头接线图6仪器安装6.1安装前的准备6.1.1 探头安装位置的选择正确选择探头安装点，对于提高测量准确性和延长探头使用寿命有着重要意义。选择安装点的原那么：安装点的烟气温度不宜过高，否那么会缩短探头的使用寿命，推荐安装点烟气温度在350 C450 C范围内；安装点应选在烟气流动性好的位置，切忌安装在炉内侧、死角、涡流或缩口处。因为炉内侧和死角处氧量变化响应滞缓，涡流处氧量波动大，而缩口处冲刷大易灰堵；安装点处应有操作平台，有利于探头的安装、校准和维护；安装点负压不能过大，一般应w 2KPa，以免产生测

16、量偏差；安装点附近应绝对密封，不应出现漏气现象，否那么会使氧量测量值偏高；探头安装位置应符合锅炉结构特点。对于电厂锅炉和工业炉来说，推荐 安装点如图6所示。旁路烟道安装图如图7所示。推荐安装选点区域过热器 再热器省煤器空气 预热器除尘器烟气流向焊接密封炉体法兰图6电厂锅炉和工业炉推荐安装点图7旁路烟道安装图6.1.2 炉体法兰的焊接的密封性，用户需自备一段长度等炉墙ZO系列氧化锆氧分析仪的 炉体法兰大小相同，但长度不同。 炉体法兰结构示意图如图8所示。 为了保证炉体法兰在焊接后有良好于炉壁厚的102mm X5mm的炉墙管和一块约5mm厚的方形钢板大小视现场情况而定。在方板中心开一个图8炉体法兰

17、90mm的圆孔，将炉体法兰焊在该孔中，方板再与炉墙管焊接在一起参考图 9。图9炉体法兰的焊接6.1.3 现场布线变送器与探头之间用3组导线连接，分别为：氧电势信号线：1.0mm 21.5mm 2，双芯金属屏蔽电缆；热 电 偶 线：1.0mm 21.5mm 2，双芯镍铬-镍硅补偿导线;加 热炉 线：1.2mm 21.5mm 2，双芯普通电缆。6.2 安装6.2.1 变送器的安装墙挂式即Q丨型变送器是 靠四个M6 X20的螺栓用户自 备安装在现场的适宜位置图 10。盘装式即P型变送器有 三种，均安装在仪表盘上，其开 孔尺寸咼X宽分别为153mmX153mm、76mm X153mm卧LOO式和 15

18、3mm X76mm 立式。6.2.2 探头的安装探头可在停炉状态下安装，也可以在开炉状态下安装，其安图10墙挂式变送器安装图6装示意图如图11所示。由图可见，安装时将探头用4个螺栓固定在炉体法兰上即 可，探头法兰标准尺寸如图12所示。图11 探头安装示意图图12 探头法兰尺寸图Q型变送器安装点环境温度为 一5 C55 C,并注意防水、防尘探头安装操作十分简单，但要注意以下环节：探头内的核心部件为陶瓷易碎品，搬运时应轻拿轻放，防止 剧烈振动，以免损坏；假设在开炉状态下安装，应将探头在插入炉内 1/3长度时，停留23分 钟，再缓缓插入，以防骤热损坏氧化锆元件；探头过滤器的金属面必须对着烟气流向，以

19、防过滤器陶瓷因受冲刷而被 损坏；两法兰之间应放置石棉垫圈，并拧紧4个螺栓，以防漏气。6.3 现场连线待变送器和探头分别安装完毕后，按要求用三组导线将变送器与探头相连。7 仪器校准7.1 校准前的准备确认仪器连线准确无误后，翻开变送器电源开关，探头加热炉开始升温，此时变送器LED显示其温度值。当温度到达600 C时，变送器自动显示氧量值。 当温度到达750 C并稳定后，仪器进入测量状态。虽然仪器进入测量状态，但在运行前期测量值可能有较大偏差或波动， 这属 于正常情况。一般探头大约需要运行 24小时后，显示值才能趋于平稳，虽然此 时指示正常，但测量结果并不一定十分准确，应该进行校准工作。7.2 校

20、准方法本仪器采用两点校准法，即空气校准和标气校准。第一步为空气校准，操作步骤如下：1将探头“标气入口翻开，使空气自动进入探头；2待显示稳定后，调节变送器操作显示面板上“空气校准电位器，使显示为“ 20.60 0.20 。上详见“ 4.222根本操作局部。第二步为标气校准，操作步骤如下：1将标气校准装置按图13所示与气瓶连接好；2确认减压阀处于关闭状态后，翻开气瓶阀；3缓缓翻开减压阀，将标气流量调节为 300ml/min500ml/min ；4将连接软管与探头“标气入口相连，将标气通入探头，此过程应保证 不漏气；5通气约1分钟后，调节变送器面板上“标气校准电位器，将氧量显示 值调为标准气体氧量值即可。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，否那么可能因气 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“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，否那么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