氧化鋯分析儀原理以及常見故障處理方法

1、關于氧化鋯分析儀原理及常見故障處理方法第一張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月摘 要 重點闡述氧化鋯氧分析儀表的工作原理，介紹了幾種常用氧化鋯分析儀的結構，簡要分析了氧化鋯分析儀常見故障產生的原因，并針對這些故障現象提出了相應的處理方法。 關鍵詞 氧化鋯 氧含量 常見故障 處理方法第二張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月前言 氧化鋯分析儀是控制爐窯經濟燃燒不可缺少的重要在線儀表，通過它對鍋爐中氧含量的檢測，可有效地控制鍋爐燃燒的熱效率，實現節(jié)能降耗，減少環(huán)境污染和延長爐齡的作用。本文通過對氧化鋯分析儀工作原理的介紹，闡明了氧化鋯分析儀使用過程中常見故障的原因及相應的處理方法。第三張

2、，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1.氧化鋯檢測原理綜述 1.1檢測原理按照窯爐煙氣溫度的不同，氧化鋯氧分析儀可分為：中低溫型和高溫型兩種，它們分別適用在煙氣溫度為0650和700900的煙氣環(huán)境中，雖然這兩種氧化鋯氧分析儀的工作溫度不同，但它們的工作原理是一樣的，它們都采用電化學中的電位分析法來進行檢測，同樣遵循能斯特方程（Nernst）即：式中：E：氧濃差電勢R（摩爾氣體常數）=8.315F（法拉第常數）=96500T（熱力學溫度）：KPO：空氣氧含量P：待測氧含量n：參加反應物質的電子數，對氧而言為4。也就是說，氧化鋯氧分析儀是依據氧濃差電勢的大小來測量氧含量的。其電勢是由氧電池提

3、供的，該電池可以表示為：（+）PO，Pt | ZrO2 | Y2O3 | Pt，P（-）在上式中，ZrO2 | Y2O3表示一根氧化鋯管或一片氧化鋯片。氧化鋯管是一端開口一端封閉的管子，在管子的內外壁各涂有一條鉑電極測量電極和參比電極，其結構如圖1：第四張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月圖1 氧化鋯測氧電池結構原理圖第五張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月這里，我們注意到氧化鋯管的材質并非純的氧化鋯（ZrO2）而是氧化鋯和氧化釔（Y2O3）的混合物。這是因為純氧化鋯晶體屬單斜晶體在高溫下要發(fā)生相變，它是不穩(wěn)定并且也不導電的。只有在氧化鋯中摻入10%的氧化釔（Y2O3），原純氧化鋯

4、中的四價鋯離子被三價釔離子取代形成了具有氧離子空穴的立方體晶格形式的晶體結構，從而使新的氧化鋯在高溫下穩(wěn)定并且不發(fā)生相變，這種新的氧化鋯叫穩(wěn)定氧化鋯，俗稱氧化鋯。第六張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月這樣，在氧化鋯的參比電極邊（圖一中管內PO側）流過參比空氣；在測量電極邊（圖一中管外P側）流過待測氣體，例如煙氣。當測氧電池處于高溫時（650）電池導通，便形成了一個氧濃差電池。此時，如果參比側（空氣）的氧分壓PO大于待測氣體氧分壓P，則PO側的氧分子滲入多孔鉑電極，在鉑電極的催化作用下奪取電子變成氧離子，在氧化鋯中一個氧離子進入離子空穴并通過離子空穴迅速遷移到測量邊，放出電子變成氧分子，

5、從另一側鉑電極中放出來。其過程如圖2所示。第七張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2 氧化鋯氧濃差電池工作原理圖 第八張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月在此過程中， PO側的氧分子在鉑電極上將發(fā)生如下反應： O2 + 4e 2O2-即氧分子從電極上奪取4個電子形成2個氧離子，進入氧化鋯管的氧離子空穴，結果使參比電極帶正電。氧離子通過空穴迅速遷移到測量變P側，將4個電子交于測量電極，變成一個氧分子，使測量電極帶負電，其反應為：2O2- O2 + 4e顯然，上述電極反應在兩電極間產生了一個電勢。在該電勢作用下，又將促使部分O2-作反向運動，當氧濃差引起的氧離子正向遷移量等于電勢引起

6、的反向遷移量時，該電池達到平衡狀態(tài)。于是，在兩電極間便形成了一個與氧濃差有關的電勢即氧濃差電勢，該電勢的大小可由能斯特方程求出。第九張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月由此，在已知RFn和PO以及固定T的情況下，只要檢測出氧濃差電勢就可以利用能斯特方程計算出待測煙氣中的氧含量了。在實際工作中為了計算的方便，將計算式中的自然對數換算成常用對數，則能斯特方程變形為：（1）如果將溫度選定在750（絕對溫度T為1023K），則（1）式簡化為：（2） 根據（2）式就可以計算得到750（絕對溫度T為1023K）時，氧化鋯氧濃差電勢與待測氧含量的對照表。同理，利用（1）式也可以求出不同工作溫度下的氧化

7、鋯氧濃差電勢與待測氧含量的對照表，其表如下：第十張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第十一張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月由上表我們便可以非常方便地根據氧濃差電勢求得待測氣體中的氧含量了。由此得到這樣的結論：即在氧化鋯工作溫度下隨著待測氣體中的氧含量的增加氧濃差電勢也隨之呈常用對數關系逐漸增加，當待測氣體中的氧含量低于空氣中的氧含量（20.6）時，氧濃差電勢為負值，當待測氣體中的氧含量等于空氣中的氧含量（20.6）時，氧濃差電勢為為零，當待測氣體中的氧含量高于空氣中的氧含量（20.6）時，氧濃差電勢為正值。其關系曲線見（圖3）。由（圖3）可以看出在氧化鋯工作溫度下，當待測氣體中

8、的氧含量低于空氣中的氧含量（20.6）時，隨著待測氣體中的氧含量的逐漸增大，溫度的變化對氧濃差電勢大小的影響逐漸減小，同樣，在此情況下隨著待測氣體中的氧量的逐漸降低，溫度的變化對氧濃差電勢大小的影響逐漸增大，因此氧化鋯工作溫度的嚴格控制是氧化鋯氧分析儀準確測量的重要條件之一。第十二張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第十三張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1.2氧化鋯氧分析儀轉換器工作原理 氧化鋯氧分析儀轉換器是將氧化鋯檢測器檢測到的氧濃差電勢轉換成與待測氣體中的氧含量呈線性關系的420mA標準信號輸出至顯示儀表或控制儀表。同時，對氧化鋯的工作溫度進行檢測和嚴格的恒溫控制。氧化鋯

9、氧分析儀轉換器一般由：恒溫控制部分氧濃差電勢轉換部分和電源部分組成。其作用如下： 第十四張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1.2.1恒溫控制部分連續(xù)檢測氧化鋯鋯頭溫度，對氧化鋯的工作溫度進行嚴格的恒溫控制，使之恒定在2（氧化鋯鋯頭工作溫度一般選定在750）范圍內。同時設置保護電路，對氧化鋯鋯頭進行超溫保護。第十五張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1.2.2氧濃差電勢轉換部分將氧化鋯鋯頭檢測到的氧濃差電勢轉換成與待測氣體中的氧含量呈線性關系的420mA標準信號輸出至顯示儀表或控制儀表，同時在轉換器上顯示待測氣體中的氧含量。第十六張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1.2.3

10、電源部分超溫保護溫控輸出過零觸發(fā)放大器加法器電流輸出氧探頭放大器A/D轉換數碼顯示查表D/A轉換顯示冷端補償比較器比較器加熱器為氧化鋯氧分析儀轉換器各部分提供電源。第十七張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 圖4 氧化鋯氧分析儀轉換器基本工作原理簡圖 超溫保護溫控輸出過零觸發(fā)放大器加法器電流輸出氧探頭放大器A/D轉換數碼顯示查表D/A轉換顯示冷端補償比較器比較器加熱器第十八張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月氧化鋯氧分析儀轉換器一般采用模擬電路和數字電路以及單片機等集成電路組成，電路相對簡化，并且盡量壓縮阻容元件的使用，從而使調整點減少，基本實現了免維護的功能。它與不同結構的氧化鋯

11、檢測器結合可以組成適用于不同條件下的各種類型的氧化鋯氧分析儀。第十九張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1.3氧化鋯氧分析儀檢測器的結構 按照氧化鋯氧分析儀使用環(huán)境的不同，氧化鋯氧分析儀檢測器可以分成如下幾種結構：1.3.1中低溫直插型氧化鋯氧分析儀中低溫直插型氧化鋯氧分析儀其檢測器直接插入爐窯中，適用于煙氣溫度為0650的環(huán)境下，其檢測器自帶加熱器，是目前使用量最大的一種。其結構如下圖：第二十張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1氧化鋯元件；2加熱器；3標氣入口；4熱電偶；5過濾器；6接線板；7安裝法蘭；8外殼；9密封圈圖5 直插形氧化鋯檢測器結構原理圖612538479標氣入口

12、第二十一張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1.3.2高溫直插型氧化鋯氧分析儀高溫直插型氧化鋯氧分析儀其檢測器直接插入爐窯中，其檢測器本身不帶加熱器，靠高溫煙氣加熱檢測探頭，適用于煙氣溫度為700900的環(huán)境下，其結構同中低溫直插型氧化鋯氧分析儀檢測器大致相同，只是沒有加熱器而已。2.3.3導流式直插型氧化鋯氧分析儀導流式直插型氧化鋯氧分析儀是利用一根長導流管將煙氣導流到爐壁處，利用一只短探頭進行測量的方式，它主要適用于低粉塵燃油或燃氣型鍋爐的煙氣分析，其探頭維護方便更換簡單，基本結構如下圖： 第二十二張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1導流管；導流隔板；爐壁安裝法蘭；4探頭安裝

13、法蘭5標氣入口；6檢測探頭；7電纜接口圖6 導流式直插型氧化鋯氧分析儀結構原理圖 第二十三張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1.3.4抽吸式垂直插入型氧化鋯氧分析儀抽吸式垂直插入型氧化鋯氧分析儀是一種利用一根耐高溫抽吸管和空氣射流抽提器將煙氣抽吸到爐壁外，然后再進行測量的結構方式，它主要適用于低粉塵燃油或燃氣型高溫鍋爐的煙氣分析，其基本結構如下圖：第二十四張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月圖7 抽吸式垂直插入型氧化鋯氧分析儀結構原理圖 1空氣射流器；2抽提器法蘭；3檢測探頭；4標氣入口5電纜接口；6安裝法蘭；7耐高溫導氣管；8壓力表；9針型閥72干燥壓縮空氣1469385第二十

14、五張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月通過對氧化鋯實際檢測用能斯特方程的推導，明確了氧濃差電勢與氧含量之間的關系并列出了測量過程中影響氧濃差電勢的相關因素，簡化了測量出現偏差時的驗證工作。同時，運用推導出的簡化方程分別計算并做出了不同工作溫度下氧濃差電勢與待測氧含量的對照表和相應的變化曲線圖，闡明了氧化鋯檢測過程中工作溫度恒定的重要性。依據氧化鋯檢測原理說明了氧化鋯轉換器的結構組成，介紹了幾種常用氧化鋯檢測器的結構特點和相應的使用環(huán)境，為各種類型氧化鋯使用過程中遇到的共性問題的分析提供了理論依據。 第二十六張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2.氧化鋯氧分析儀常見故障及處理方法氧化

15、鋯氧分析儀常見故障主要有以下幾種:1.檢測器恒溫故障，造成氧化鋯工作池溫異常。2.檢測器鋯頭故障，導致測量不準。3.外部原因造成的故障。當氧化鋯氧分析儀出現第一種故障時，首先通過溫度顯示和超溫保護指示來確認是否故障。如果溫度顯示為常溫或爐溫，則是加熱器出現斷路。如果出現溫度超溫保護，則是檢測器溫控功率輸出元件擊穿造成溫度失控所致。具體檢查方法和步驟如下圖：第二十七張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十八張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月對于第二種故障，也就是檢測器鋯頭出現故障引起的測量不準現象，則要觀察氧含量測量值的偏差方向來判斷故障產生的原因，進而加以解決。具體方法可以參考下表。第二十九張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月表2 氧化鋯示值偏差故障速查表第三十張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月而因外部原因造成的測量不準現象，則要依據氧化鋯氧分析儀的工作原理和結構以及故障現象還有安裝地點、方式等因素，來確定故障產生的原因。以下列出了幾種常見的故障現象以及產生的原因：第三十一張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 氧含量測量值指示偏低。其原因是爐內燃燒不完全，可能存在可燃及還原性氣體如：CO、H2、CH4等，這些氣體在高溫下會消耗一部分氧，從而使氧含量測量值指示偏低。2.煙氣中存在SO2、SO3