中國原子能科學(xué)研究院氧化鋯氧量分析儀說明書綜述

1、彳2中國原子能科學(xué)研究院ZO系列氧化鋯氧分析儀1概述 12儀器測量原理 23儀器主要技術(shù)參數(shù) 34儀器簡介 44.1 儀器組成 44.2 各部分簡介 44.2.1 探頭簡介 44.2.2 變送器簡介 54.2.2.1 基本結(jié)構(gòu) 54.2.2.2 基本操作 64.2.2.3 基本設(shè)置 75 儀器檢驗(yàn) 76 儀器安裝 96.1 安裝前的準(zhǔn)備 96.1.1 探頭安裝位置的選擇 96.1.2 爐體法蘭的焊接 106.1.3 現(xiàn)場布線 116.2 安裝 12621 變送器的安裝 12622 探頭的安裝 126.3 現(xiàn)場連線 137 儀器校準(zhǔn) 137.1 校準(zhǔn)前的準(zhǔn)備 137.2 校準(zhǔn)方法 148儀器日常

2、維護(hù)與常見故障排除 158.1 儀器日常維護(hù) 158.2 常見故障的分析與排除 16#彳2中國原子能科學(xué)研究院ZO系列氧化鋯氧分析儀1概述氧化鋯氧分析儀主要用于測定鍋爐煙氣中的氧分壓即氧氣的體積百分?jǐn)?shù)含 量（簡稱氧含量或氧量），對于保障鍋爐運(yùn)行安全、提高燃料燃燒效率及減少環(huán) 境污染將起到重要作用。其應(yīng)用場所主要有：火電廠鍋爐；煉油廠加熱爐和輸油管道加熱爐；冶煉廠加熱爐和均熱爐；化工、輕紡、食品加工、制藥、水泥和采暖等企業(yè)的工業(yè)鍋爐。燃料燃燒效率與空氣過剩系數(shù)密切相關(guān)。在燃燒過程中，當(dāng)空氣過剩系數(shù)太 小即氧量不足時，由于燃料未充分燃燒而導(dǎo)致熱效率降低， 且排出的未完全燃燒 氣體也將對導(dǎo)致環(huán)境污染

3、；而當(dāng)空氣過剩系數(shù)太大即氧量過多時，雖然能使燃料 充分燃燒，但過?？諝鈳ё叩臒崃慷?， 也導(dǎo)致熱效率降低，同時過量氧氣使煙氣 中硫化物和氮氧化物含量增大，同樣導(dǎo)致環(huán)境污染。因此，通過安裝氧化鋯氧分 析儀，在線實(shí)時監(jiān)測煙氣中的氧含量， 調(diào)節(jié)空氣和燃料的最佳配比，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化燃 燒，在節(jié)能減排與安全環(huán)保等方面具有重要意義。中國原子能科學(xué)研究院始建于1950年，是中國核科學(xué)技術(shù)的發(fā)祥地，是以 核科學(xué)為主、多學(xué)科并存的綜合性大型科研基地，是我國“兩彈一艇”事業(yè)的搖籃 氧化鋯開發(fā)研究室是院下屬的集科研、產(chǎn)品開發(fā)和市場營銷為一體的綜合性實(shí) 體，從事氧化鋯測氧技術(shù)的研究已30余年，編寫了國內(nèi)本行業(yè)第一本專著：氧

4、離子固體電解質(zhì)濃差電池與測氧技術(shù)。該技術(shù)曾先后多次榮獲國家發(fā)明獎及部 科技成果獎。在這一系列科研成果的基礎(chǔ)上，成功研制出ZO系列氧化鋯氧分析 儀。該產(chǎn)品曾在北京國際博覽會上獲同類產(chǎn)品最高質(zhì)量獎，并在全國氧化鋯氧分析儀行業(yè)質(zhì)量評比中榮獲一等獎。2001年，該產(chǎn)品通過IS09001國際質(zhì)量體系 認(rèn)證。此后，我院開發(fā)并推出了防硫型、高溫型等多種型號的氧化鋯氧分析儀， 以滿足不同用戶的需求。2儀器測量原理Z0系列氧化鋯氧分析儀是利用氧濃差電池原理來測定氣體中氧含量的電化學(xué)分析儀器。在理想狀態(tài)下，當(dāng)氧化鋯元件達(dá)到工作溫度且內(nèi)外電極表面的氧含量不相等時，便構(gòu)成一個氧濃差電池，產(chǎn)生電池電動勢，電池電動勢與電

5、極表RT4F面氧濃度關(guān)系符合能斯特（Nernst）方程：Po ln -P式中:E 濃差電池電動勢，V；R 氣體常數(shù)，8.3145 J mol -1 K-1;F 法拉第常數(shù)，96485.309 C mol-1;T 絕對溫度，K;P0 參比氣體氧分壓，% ;P 被測氣體氧分壓，%。由于受各種因素的影響，實(shí)際測量并非在理想狀態(tài)下進(jìn)行，因此需要對（1） 式進(jìn)行校正，校正后得到新的方程：(2)PoEm = k In EoP本設(shè)計(jì)中Po為空氣中氧含量（20.6%）,k和Eo值均可以通過校正得到。通過 測定氧化鋯電池電勢信號Em,并將其輸送至變送器，變送器將根據(jù)（2）式，計(jì) 算出被測氣體的氧含量P值 嚴(yán)格地

6、說，氧化鋯氧分析儀測量的是惰性氣體中的氧含量，當(dāng)煙氣中含有可 燃性氣體時，測得的氧含量值將偏小。3儀器主要技術(shù)參數(shù)測量范圍：020.6Vol%0 2;測量精度：1級；量程選擇：010VoI%O2或020VoI%O 2；工作溫度：750 C5C；響應(yīng)時間：3秒（達(dá)到90% ）;輸出方式：DC 010mA或DC 4mA20mA電流線性輸出;探頭長度：500mm1200mm ;變送器箱體尺寸（高x寬X深）：墻掛式（Q型）：320mm X240mm X110mm ;盤裝式（P型）：160mm X160mm X400mm ;3彳2中國原子能科學(xué)研究院ZO系列氧化鋯氧分析儀80mm xi60mm X320

7、mm （臥式）；160mm 80mm X320mm （立式）；探頭安裝點(diǎn)煙氣溫度：w 600 C（ 350 C450 C為最佳）；安裝點(diǎn)允許最大壓差：2KPa ;環(huán)境溫度：變送器-20 C55 C,探頭-40 Cv 70 C；工作電源：AC 220V i22V, 50Hz。 對于不同型號探頭，其值可能略有不同，本文均以工作溫度為750 C的ZO-12B探頭為例說明。若工作溫度不同，將文中涉及溫度750 C改為對應(yīng)工作溫度值即可。 不同型號探頭長度不同。4儀器簡介4.1儀器組成該儀器主要由探頭和變送器兩大部分組成。探頭實(shí)際上是一種裝有氧化鋯電池的氧傳感器，其主要作用就是輸出被測氧量所對應(yīng)的電勢信

8、號值。變送器主要有兩大功能：一是穩(wěn)定控制探頭的工作溫度；二是將從探頭輸入的電勢信號值 轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的氧量值，并將氧量值轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電流值輸出。4.2各部分簡介4.2.1 探頭簡介探頭由氧化鋯元件、加熱爐、K型熱電偶、過濾器、信號引線、接線盒及不銹鋼殼體等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：圖1探頭結(jié)構(gòu)示意圖1.過濾器 2.氧化鋯元件3.加熱爐 4.外殼 5.信號引線6.標(biāo)氣管 7.元件法蘭8.K型熱電偶 9.法蘭10.接線盒各主要部件作用：氧化鋯元件是探頭的核心部件，由其產(chǎn)生電勢信號；加熱爐將氧化鋯元件加熱到設(shè)定的工作溫度； 熱電偶作為溫度傳感器，用來測量加熱 爐的溫度；信號引線將氧化鋯元件所產(chǎn)生的電勢信號

9、輸送到變送器。4.2.2 變送器簡介4.2.2.1 基本結(jié)構(gòu)變送器主要由主電路板、操作顯示面板、接線端子和機(jī)箱等組成。主電路由 氧濃差電勢信號放大器、熱電偶電勢信號放大器、電源單元、中央處理單元、溫 控單元、顯示單元及輸出單元等部分組成。圖2 變送器電路原理框圖從圖2可見，探頭產(chǎn)生的氧濃差電勢信號、熱電偶電勢信號經(jīng)分別放大后,由多路選擇開關(guān)將其輸入A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后由CPU根據(jù)能斯特方程計(jì)算 出氧量值，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、光電隔離及 V/I轉(zhuǎn)換，最后得到DC 010mA或DC 4mA20mA的電流信號輸出。4.222 基本操作氧化鋯氧分析儀:%O口口口口 Cal尋空氣校準(zhǔn)&標(biāo)氣校準(zhǔn);自檢

10、1 電勢）溫度片:測與11標(biāo)定TestEmTmpTestCal變送器的基本操作都在操作顯示 面板上完成。變送器操作顯示面板如 圖3所示。各部分功能：中央為LED數(shù)碼顯示管（以下簡稱LED），顯示相關(guān)的參數(shù)值。左側(cè)為參數(shù)顯示狀態(tài)指示燈，LED顯示的數(shù)值為指示燈亮者所對應(yīng)的參數(shù)值。右側(cè)分別為空氣校準(zhǔn)和標(biāo)氣校準(zhǔn)電位圖3變送器操作顯示面板圖器，用來校準(zhǔn)儀器，以提高測量精度 。下方為操作按鈕，由其決定LED顯示內(nèi) 容。具體操作：將變送器電源開關(guān)撥至“開”后，探頭加熱爐開始升溫，“C”指示燈 亮，LED顯示探頭加熱爐溫度值。當(dāng)加熱爐溫度達(dá)到600 C時，“）2”指示燈亮， 變送器電路將自動運(yùn)算并顯示測得的

11、氧量值。 此后，LED顯示內(nèi)容由操作按鈕決 定。女口：當(dāng)按住自檢時,“知2”指示燈亮,LED顯示自檢氧量值；當(dāng)按住電勢時, mV”指示燈亮,LED顯示電池電勢信號值；當(dāng)按住溫度時,“C”指示燈亮,LED 顯示加熱爐溫度值；當(dāng)按下標(biāo)定時,“al”指示燈亮，此時可以校準(zhǔn)儀器；校準(zhǔn)以 后按下測量,LED顯示被測氧量值，儀器進(jìn)入測量狀態(tài)。 儀器校準(zhǔn)的具體操作詳見第 7章“儀器校準(zhǔn)”部分。 如果安裝的是新探頭，開機(jī)后可能出現(xiàn)mV”指示燈亮、LED顯示為HHHH ”并閃爍的現(xiàn)象，這是由于新探頭內(nèi)保溫材料含水分過多造成氧電勢信號過大而超出量程，一般情況下，開機(jī)后 1小時左右儀器將正常工作。 自檢功能是為診斷

12、變送器運(yùn)算電路是否正常而設(shè)置的，其自檢氧量值不代表4 2探頭所測氧量值。2.3 基本設(shè)置量程設(shè)置：變送器主電路板上設(shè)置了量程轉(zhuǎn)換跳線開關(guān)。當(dāng)把跳線插在左邊兩個并排的引腳上即靠近電路板S1位置時，選擇氧量量程為020%，此時電流 輸出值DC 010mA或DC 4mA20mA都是分別與該量程對應(yīng)的值；當(dāng)把跳線 插在右邊兩個并排的引腳上即遠(yuǎn)離 S1位置時，選擇氧量量程為010%，此時電 流輸出值DC 010mA或DC 4mA20mA都是分別與該量程對應(yīng)的值。初始量程設(shè)置為020%，如需010%量程，將跳線插在右邊兩個引腳上即可 。電流輸出設(shè)置：變送器設(shè)有兩檔電流輸出：DC 010mA和DC 4mA2

13、0mA。初始電流設(shè)置為DC 4mA20mA信號輸出，如用戶需要DC 010mA信 號輸出，需在訂貨時注明。5儀器檢驗(yàn)儀器在發(fā)貨前已經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)， 并附合格證，但運(yùn)輸過程中可能因碰撞使其損壞。因此，用戶在使用儀器前，應(yīng)先進(jìn)行開箱檢驗(yàn)，判斷儀器正常后方 可上爐安裝。具體操作步驟如下：(1 )打開探頭接線盒，用萬用表分別測量加熱爐及熱電偶兩端的電阻值，判斷在運(yùn)輸中有無造成斷線或接觸不良現(xiàn)象 。(2) 判斷無故障后，用符合要求的三組導(dǎo)線(參考6.1.3節(jié))分別將探頭“加 熱爐” “熱電偶”和“信號”接線端子與變送器對應(yīng)接線端連接好(參考圖、圖5)。(3) 將外接電源接在變送器“ AC220V ”

14、端子上。(4) 接通電源，加熱爐開始升溫，當(dāng)達(dá)到 600 C后，儀器自動轉(zhuǎn)為氧量值 顯示。按住操作面板上的自檢鍵，若顯示為“ 5.00 ).20 :說明變送器氧量轉(zhuǎn)換 系統(tǒng)正常。4-量程轉(zhuǎn)換只影響對應(yīng)電流輸出值，而與變送器本身的氧量值顯示無關(guān)。 對于ZO 12B型探頭，加熱爐阻值一般為150 Q0 Q,熱電偶阻值一般為3.5 Q).5 Q。對于不同型號產(chǎn)品，其值略有不同。 詳見4.222基本操作”部分。(5)穩(wěn)定一段時間后，測量探頭信號線兩端的電阻及電勢值，若電阻小于1K Q、電勢絕對值逐漸減小且穩(wěn)定后小于10mV，表明探頭完好，可以進(jìn)行現(xiàn)場安裝。將探頭與變送器相應(yīng)端連接時，注意不要錯接、虛接

15、或正負(fù)極反接。請勿將外接電源接入變送器或探頭的“信號”、“熱電偶”或“加熱爐”接線端，否 則，將造成儀器損壞，損失由用戶承擔(dān)。9彳2中國原子能科學(xué)研究院ZO系列氧化鋯氧分析儀420mA 010mA 熱電偶 溫補(bǔ) 氧信號加熱爐220V電源接地開 也關(guān)4-+加熱爐熱電偶信號探頭接線端子墻掛式變送器接線端子13圖4墻掛式變送器與探頭接線圖盤式變送器接線端子探頭接線端子圖5盤裝式變送器與探頭接線圖6儀器安裝6.1安裝前的準(zhǔn)備6.1.1 探頭安裝位置的選擇正確選擇探頭安裝點(diǎn)，對于提高測量準(zhǔn)確性和延長探頭使用壽命有著重要意義。選擇安裝點(diǎn)的原則：安裝點(diǎn)的煙氣溫度不宜過高，否則會縮短探頭的使用壽命，推薦安裝點(diǎn)

16、煙氣溫度在350 C450 C范圍內(nèi)；安裝點(diǎn)應(yīng)選在煙氣流動性好的位置， 切忌安裝在爐內(nèi)側(cè)、死角、渦流或縮 口處。因?yàn)闋t內(nèi)側(cè)和死角處氧量變化響應(yīng)滯緩，渦流處氧量波動大， 而縮口處沖 刷大易灰堵；安裝點(diǎn)處應(yīng)有操作平臺，有利于探頭的安裝、校準(zhǔn)和維護(hù)；安裝點(diǎn)負(fù)壓不能過大，一般應(yīng)w 2KPa，以免產(chǎn)生測量偏差；安裝點(diǎn)附近應(yīng)絕對密封，不應(yīng)出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，否則會使氧量測量值偏高；探頭安裝位置應(yīng)符合鍋爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 對于電廠鍋爐和工業(yè)爐來說，推薦安 裝點(diǎn)如圖6所示。旁路煙道安裝圖如圖7所示。過熱器 再熱器圖7旁路煙道安裝圖推薦安裝選點(diǎn)區(qū)域省煤器空氣 預(yù)熱器除塵器圖6電廠鍋爐和工業(yè)爐推薦安裝點(diǎn)6.1.2 爐體法蘭的

17、焊接于爐壁厚的102mm Wmm的爐墻管和一塊約5mm厚的方形鋼板（大小視現(xiàn)場情況而定）。在方板中心開一個圖8爐體法蘭90mm的圓孔，將爐體法蘭焊在該孔中，方板再與爐墻管焊接在一起（參考圖9）爐墻圖9爐體法蘭的焊接6.1.3 現(xiàn)場布線變送器與探頭之間用3組導(dǎo)線連接，分別為：氧電勢信號線：1.0mm21.5mm2，雙芯金屬屏蔽電纜；熱 電偶 線：1.0mm21.5mm2，雙芯鎳鉻-鎳硅補(bǔ)償導(dǎo)線;加 熱爐 線：1.2mm21.5mm2，雙芯普通電纜。彳2中國原子能科學(xué)研究院ZO系列氧化鋯氧分析儀6.2 安裝6.2.1 變送器的安裝墻掛式即（Q）型變送器是靠四個M6 X20的螺栓（用戶自備） 安裝在

18、現(xiàn)場的合適位置（圖10 ）。盤裝式即（P）型變送器有 三種，均安裝在儀表盤上，其開孔尺寸（高X寬）分別為153mm X153mm、76mm X153mm （臥式） 和 153mm X76mm （立式）。6.2.2 探頭的安裝100埠F7a探頭可在停爐狀態(tài)下安裝，也可以在開爐狀態(tài)下安裝，其安圖10墻掛式變送器安裝圖裝示意圖如圖11所示。由圖可見，安裝時將探頭用4個螺栓固定在爐體法蘭上即 可，探頭法蘭標(biāo)準(zhǔn)尺寸如圖12所示。圖11探頭安裝示意圖圖12 探頭法蘭尺寸圖Q型變送器安裝點(diǎn)環(huán)境溫度為 一5C55 C,并注意防水、防塵探頭安裝操作十分簡單，但要注意以下環(huán)節(jié)：探頭內(nèi)的核心部件為陶瓷易碎品，搬運(yùn)時

19、應(yīng)輕拿輕放，避免 劇烈振動，以免損壞；若在開爐狀態(tài)下安裝，應(yīng)將探頭在插入爐內(nèi)1/3長度時，停留23分鐘， 再緩緩插入，以防驟熱損壞氧化鋯元件；探頭過濾器的金屬面必須對著煙氣流向，以防過濾器陶瓷因受沖刷而被 損壞；兩法蘭之間應(yīng)放置石棉墊圈，并擰緊4個螺栓，以防漏氣。6.3 現(xiàn)場連線待變送器和探頭分別安裝完畢后，按要求用三組導(dǎo)線將變送器與探頭相連。7儀器校準(zhǔn)7.1校準(zhǔn)前的準(zhǔn)備確認(rèn)儀器連線準(zhǔn)確無誤后，打開變送器電源開關(guān)，探頭加熱爐開始升溫，此 時變送器LED顯示其溫度值。當(dāng)溫度達(dá)到600 C時，變送器自動顯示氧量值。 當(dāng)溫度達(dá)到750 C并穩(wěn)定后，儀器進(jìn)入測量狀態(tài)。雖然儀器進(jìn)入測量狀態(tài)，但在運(yùn)行前期

20、測量值可能有較大偏差或波動， 這屬于正常情況。一般探頭大約需要運(yùn)行 24小時后，顯示值才能趨于平穩(wěn)，雖然此時指示正常，但測量結(jié)果并不一定十分準(zhǔn)確，應(yīng)該進(jìn)行校準(zhǔn)工作。7.2 校準(zhǔn)方法本儀器采用兩點(diǎn)校準(zhǔn)法，即空氣校準(zhǔn)和標(biāo)氣校準(zhǔn)。第一步為空氣校準(zhǔn)，操作步驟如下：（1）將探頭“標(biāo)氣入口”打開，使空氣自動進(jìn)入探頭；（2）待顯示穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)變送器操作顯示面板上“空氣校準(zhǔn)”電位器，使顯示為 20.60 ）.20 ”詳見4.222基本操作”部分。第二步為標(biāo)氣校準(zhǔn)，操作步驟如下：（1）將標(biāo)氣校準(zhǔn)裝置按圖13所示與氣瓶連接好；（2）確認(rèn)減壓閥處于關(guān)閉狀態(tài)后，打開氣瓶閥；（3）緩緩打開減壓閥，將標(biāo)氣流量調(diào)節(jié)為 30

21、0ml/min500ml/min ；（4）將連接軟管與探頭“標(biāo)氣入口”相連，將標(biāo)氣通入探頭，此過程應(yīng)保證不 漏氣；（5）通氣約1分鐘后，調(diào)節(jié)變送器面板上“標(biāo)氣校準(zhǔn)”電位器，將氧量顯示值 調(diào)為標(biāo)準(zhǔn)氣體氧量值即可。17彳2中國原子能科學(xué)研究院ZO系列氧化鋯氧分析儀圖13 儀器校準(zhǔn)示意圖應(yīng)先進(jìn)行空氣校準(zhǔn)，再進(jìn)行標(biāo)氣校準(zhǔn)。應(yīng)先調(diào)好標(biāo)氣流量， 再將連接軟管與探頭“標(biāo)氣入口”相連，否則可能因氣體流 量過大而導(dǎo)致氧化鋯元件破裂。校準(zhǔn)過程中，應(yīng)保證不漏氣，以免影響校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。校準(zhǔn)完畢時，一定要先從“標(biāo)氣入口”拔下連接軟管，再關(guān)閉減壓閥和氣瓶閥。校準(zhǔn)完畢后，應(yīng)擰緊“標(biāo)氣入口”螺帽，否則空氣進(jìn)入將使氧量測量值偏大。8 儀器日常維護(hù)與常見故障排除8.1 儀器日常維護(hù)儀器日常維護(hù)應(yīng)注意以下幾個方面：變送器在發(fā)貨前已調(diào)試好，用戶不應(yīng)調(diào)節(jié)其內(nèi)部電位器，以免影響