ZO-12B型氧化鋯氧量分析儀說明書

1、中國原子能科學研究院 ZO系列氧化鋯氧分析儀目 錄16 1 概述12 儀器測量原理23 儀器主要技術參數34 儀器簡介34.1 儀器組成34.2 各部分簡介44.2.1 探頭簡介44.2.2 變送器簡介44.2.2.1 基本結構44.2.2.2 基本操作54.2.2.3 基本設置65 儀器檢驗66 儀器安裝86.1 安裝前的準備86.1.1 探頭安裝位置的選擇86.1.2 爐體法蘭的焊接96.1.3 現場布線96.2 安裝106.2.1 變送器的安裝106.2.2 探頭的安裝106.3 現場連線117 儀器校準117.1 校準前的準備117.2 校準方法118 儀器日常維護與常見故障排除138

2、.1 儀器日常維護138.2 常見故障的分析與排除131 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數含量（簡稱氧含量或氧量），對于保障鍋爐運行安全、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密切相關。在燃燒過程中，當空氣過剩系數太小即氧量不足時，由于燃料未充分燃燒而導致熱效率降低，且排出的未完全燃燒氣體也將對導致環(huán)境污染；而當空氣過剩系數太大即氧量過多時，雖然能使燃料充分燃燒，但過?？諝鈳ё叩臒崃?/p>

3、多，也導致熱效率降低，同時過量氧氣使煙氣中硫化物和氮氧化物含量增大，同樣導致環(huán)境污染。因此，通過安裝氧化鋯氧分析儀，在線實時監(jiān)測煙氣中的氧含量，調節(jié)空氣和燃料的最佳配比，實現優(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。 中國原子能科學研究院始建于1950年，是中國核科學技術的發(fā)祥地，是以核科學為主、多學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、產品開發(fā)和市場營銷為一體的綜合性實體，從事氧化鋯測氧技術的研究已30余年，編寫了國內本行業(yè)第一本專著：氧離子固體電解質濃差電池與測氧技術。該技術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

4、成果的基礎上，成功研制出ZO系列氧化鋯氧分析儀。該產品曾在北京國際博覽會上獲同類產品最高質量獎，并在全國氧化鋯氧分析儀行業(yè)質量評比中榮獲一等獎。2001年，該產品通過ISO9001國際質量體系認證。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ZO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分析儀器。在理想狀態(tài)下，當氧化鋯元件達到工作溫度且內外電極表面的氧含量不相等時，便構成一個氧濃差電池，產生電池電動勢，電池電動勢與電極表面氧濃度關系符合能斯特(Nernst)方程： (1)式中：E 濃差電池電動勢，V；R 氣體常數

5、，8.3145J·mol1·K1；F 法拉第常數，96485.309C·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，實際測量并非在理想狀態(tài)下進行，因此需要對（1）式進行校正，校正后得到新的方程： （2） 本設計中P0為空氣中氧含量（21），k和E0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（2）式，計算出被測氣體的氧含量P 值。 嚴格地說，氧化鋯氧分析儀測量的是惰性氣體中的氧含量，當煙氣中含有可燃性氣體時，測得的氧含量值將偏小。 3 儀器主要技術參數 測量范圍：0

6、21Vol%O2； 測量精度：1級； 量程選擇：010Vol%O2或020Vol%O2； 工作溫度：750±5； 響應時間：<3秒（達到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×寬×深）：墻掛式（Q型）：320mm×240mm×110mm；盤裝式（P型）：160mm×160mm×400mm；80mm×160mm×320mm（臥式）；160mm×80mm×320mm（立式）； 探頭安裝點煙氣溫

7、度：600（350500為最佳）； 安裝點允許最大壓差：2KPa； 環(huán)境溫度：變送器-555, 探頭70； 工作電源：AC 220V±22V，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的ZO-12B探頭為例說明。若工作溫度不同，將文中涉及溫度750改為對應工作溫度值即可。 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的電勢信號值。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換為對應的氧量值，并將氧量值

8、轉化為對應的電流值輸出。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，其結構如圖1所示： 圖1 探頭結構示意圖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，由其產生電勢信號；加熱爐將氧化鋯元件加熱到設定的工作溫度；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生的電勢信號輸送到變送器。4.2.2 變送器簡介4.2.2.1 基本結構變送器主要由主電路板、操作顯示面板、接線端

9、子和機箱等組成。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，探頭產生的氧濃差電勢信號、熱電偶電勢信號經分別放大后，由多路選擇開關將其輸入A/D轉換器，經A/D轉換后由CPU根據能斯特方程計算出氧量值，再經D/A轉換、光電隔離及V/I轉換，最后得到DC 010mA或DC 4mA20mA的電流信號輸出。4.2.2.2 基本操作 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數碼顯示管(以下簡稱LED)，顯示相關的參數值。左側為參數顯示狀態(tài)

10、指示燈，LED顯示的數值為指示燈亮者所對應的參數值。右側分別為空氣校準和標氣校準電位 圖3 變送器操作顯示面板圖器，用來校準儀器，以提高測量精度。下方為操作按鈕，由其決定LED顯示內容。 具體操作：將變送器電源開關撥至“開”后，探頭加熱爐開始升溫，“”指示燈亮，LED顯示探頭加熱爐溫度值。當加熱爐溫度達到600時，“O2”指示燈亮，變送器電路將自動運算并顯示測得的氧量值。此后，LED顯示內容由操作按鈕決定。如：當按住自檢時，“O2”指示燈亮，LED顯示自檢氧量值；當按住電勢時，“mV”指示燈亮，LED顯示電池電勢信號值；當按住溫度時，“”指示燈亮，LED顯示加熱爐溫度值；當按下標定時，“cal

11、” 指示燈亮，此時可以校準儀器；校準以后按下測量，LED顯示被測氧量值，儀器進入測量狀態(tài)。 儀器校準的具體操作詳見第7章“儀器校準”部分。 如果安裝的是新探頭，開機后可能出現 “mV”指示燈亮、LED顯示為“HHHH”并閃爍的現象，這是由于新探頭內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，開機后1小時左右儀器將正常工作。 自檢功能是為診斷變送器運算電路是否正常而設置的，其自檢氧量值不代表探頭所測氧量值。4.2.2.3 基本設置量程設置：變送器主電路板上設置了量程轉換跳線開關。當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 0

12、10mA或DC 4mA20mA都是分別與該量程對應的值；當把跳線插在右邊兩個并排的引腳上即遠離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的值。初始量程設置為020%，如需010%量程，將跳線插在右邊兩個引腳上即可。電流輸出設置：變送器設有兩檔電流輸出：DC 010mA和DC 4mA20mA。初始電流設置為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 儀器檢驗儀器在發(fā)貨前已經過嚴格的質量檢驗，并附合格證，但運輸過程中可能因碰撞使其損壞。因此，用戶在使用儀器前，應先進行開箱檢驗，判斷儀器正常后

13、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，判斷在運輸中有無造成斷線或接觸不良現象。（2）判斷無故障后，用符合要求的三組導線（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接線端連接好（參考圖4、圖5）。（3）將外接電源接在變送器“AC220V”端子上。（4）接通電源，加熱爐開始升溫，當達到600后，儀器自動轉為氧量值顯示。按住操作面板上的自檢鍵，若顯示為“5.00±0.20”，說明變送器氧量轉換系統(tǒng)正常。 量程轉換只影響對應電流輸出值，而與變送器本身的氧量值顯示無關。 對于ZO12B型探頭，加

14、熱爐阻值一般為150±20，熱電偶阻值一般為3.5±0.5。對于不同型號產品，其值略有不同。 詳見“4.2.2.2 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、電勢絕對值逐漸減小且穩(wěn)定后小于10mV，表明探頭完好，可以進行現場安裝。 將探頭與變送器相應端連接時，注意不要錯接、虛接或正負極反接。 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。 圖4 墻掛式變送器與探頭接線圖 圖5 盤裝式變送器與探頭接線圖6 儀器安裝6.1 安裝前的準備6.1.1 探頭安裝位置的選擇

15、正確選擇探頭安裝點，對于提高測量準確性和延長探頭使用壽命有著重要意義。選擇安裝點的原則： 安裝點的煙氣溫度不宜過高，否則會縮短探頭的使用壽命，推薦安裝點煙氣溫度在350500范圍內； 安裝點應選在煙氣流動性好的位置，切忌安裝在爐內側、死角、渦流或縮口處。因為爐內側和死角處氧量變化響應滯緩，渦流處氧量波動大，而縮口處沖刷大易灰堵； 安裝點處應有操作平臺，有利于探頭的安裝、校準和維護； 安裝點負壓不能過大，一般應2KPa，以免產生測量偏差； 安裝點附近應絕對密封，不應出現漏氣現象，否則會使氧量測量值偏高； 探頭安裝位置應符合鍋爐結構特點。對于電廠鍋爐和工業(yè)爐來說，推薦安裝點如圖6所示。旁路煙道安裝

16、圖如圖7所示。 圖6 電廠鍋爐和工業(yè)爐推薦安裝點 圖7 旁路煙道安裝圖6.1.2 爐體法蘭的焊接 ZO系列氧化鋯氧分析儀的 爐體法蘭大小相同，但長度不同。爐體法蘭結構示意圖如圖8所示。為了保證爐體法蘭在焊接后有良好的密封性，用戶需自備一段長度等于爐壁厚的102mm×5mm的爐墻管和一塊約5mm厚的方形鋼板（大小視現場情況而定）。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）。 圖9 爐體法蘭的焊接6.1.3 現場布線變送器與探頭之間用3組導線連接，分別為： 氧電勢信號線：1.0mm21.5mm2，雙芯金屬屏蔽電纜； 熱 電

17、偶 線：1.0mm21.5mm2，雙芯鎳鉻-鎳硅補償導線； 加 熱 爐 線：1.2mm21.5mm2，雙芯普通電纜。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M6×20的螺栓（用戶自備）安裝在現場的合適位置（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×寬）分別為153mm×153mm、76mm×153mm（臥式）和153mm×76mm（立式）。6.2.2 探頭的安裝探頭可在停爐狀態(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

18、4個螺栓固定在爐體法蘭上即可，探頭法蘭標準尺寸如圖12所示。 圖11 探頭安裝示意圖 圖12 探頭法蘭尺寸圖 Q型變送器安裝點環(huán)境溫度為555，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)： 探頭內的核心部件為陶瓷易碎品，搬運時應輕拿輕放，避免 劇烈振動，以免損壞； 若在開爐狀態(tài)下安裝，應將探頭在插入爐內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； 兩法蘭之間應放置石棉墊圈，并擰緊4個螺栓，以防漏氣。 6.3 現場連線待變送器和探頭分別安裝完畢后，按要求用三組導線將變送器與探頭相連。 7 儀器

19、校準7.1 校準前的準備確認儀器連線準確無誤后，打開變送器電源開關，探頭加熱爐開始升溫，此時變送器LED顯示其溫度值。當溫度達到600時，變送器自動顯示氧量值。當溫度達到750并穩(wěn)定后，儀器進入測量狀態(tài)。雖然儀器進入測量狀態(tài)，但在運行前期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，但測量結果并不一定十分準確，應該進行校準工作。7.2 校準方法本儀器采用兩點校準法，即空氣校準和標氣校準。第一步為空氣校準，操作步驟如下：（1）將探頭“標氣入口”打開，使空氣自動進入探頭；（2）待顯示穩(wěn)定后，調節(jié)變送器操作顯示面板上“空氣校準”電位

20、器，使顯示為“21±0.20”。 詳見“4.2.2.2 基本操作”部分。第二步為標氣校準，操作步驟如下：（1）將標氣校準裝置按圖13所示與氣瓶連接好；（2）確認減壓閥處于關閉狀態(tài)后，打開氣瓶閥；（3）緩緩打開減壓閥，將標氣流量調節(jié)為300ml/min500ml/min；（4）將連接軟管與探頭“標氣入口”相連，將標氣通入探頭，此過程應保證不漏氣；（5）通氣約1分鐘后，調節(jié)變送器面板上“標氣校準”電位器，將氧量顯示值調為標準氣體氧量值即可。 圖13 儀器校準示意圖 應先進行空氣校準，再進行標氣校準。 應先調好標氣流量，再將連接軟管與探頭“標氣入口”相連，否則可能因氣體流量過大而導致氧化鋯元件破裂。 校準過程中，應保證不漏氣，以免影響校準的準確性。 校準完畢時，一定要先從“標氣入口”拔下連接軟管，再關閉減壓閥和氣瓶閥。 校準完畢后，應擰緊“標氣入口”螺帽，否則空氣進入將使氧量測量值偏大。8 儀器日常維護與常見故障排除8.1 儀器日常維護儀器日常維護應注意以下幾個方面： 變送器在發(fā)貨前已調試好，用戶不應調節(jié)其內部電位器，以免影響測量