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氧化锆氧分析仪

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直插式微机化氧量自动分析仪

详细说明:

概述
直插式微机化氧量自动分析仪是在总结氧化锆氧量分析仪多年研究和应用经验后，研制成功的新型氧量分析仪，适用于各种工业锅炉、窑炉及加热炉中烟气的含氧量。它的主要特点是氧量检测器的结构设计及铂电极的化学配方、制作工艺充分考虑了被测炉气组分极端复杂这一特点，可保证检测器在水平直插条件下应用时具体足够长的寿命。而其信号转换部分以单片微处理器为核心，通过软件实现仪表大部分功能，硬件配置重点强化仪表的抗干扰措施。
从提高氧量测量可靠性入手，延长氧量检测器的持续使用寿命，并使仪表具备与检测器要求相适应的自诊断功能及抗干扰能力。本仪表在完善氧化锆头金属化工艺及仪表信号转换器实现智能化等方面较大改进，具体内容如下：

（1）多孔性铂电极的化学配方及制作工艺可保证氧量检测器氧化锆探头在锅炉烟气氛中有足够的使用寿命。
（2）仪表具有多种线性量程选择。
（3）仪表温度控制系统所给出的升温曲线能满足氧化锆材料对升温速度的要求。
（4）仪表信号具有必要的自诊断功能。
1、工作原理
本仪器依据浓差电池原理构成，和其他电池一样，它具有两个半电池，而在两电极之间，用固体电介质氧化锆联结。
在高温下，当氧化锆两侧有氧浓差时，就形成了氧浓差电池，电池电动势的大小可依据Nernst公式计算，即：

式中：E-浓差电池输出，mV; n-电子转移数，在此为4;
R-理想气体常数，9.314 W*S/mol; F-法拉第常数,96500 C;
T-绝对温度,K; P"Q-高浓度侧氧分压; P’Q-低浓度侧氧分压。
当电池工作温度固定于700℃时，上式为：

由上式可知，在温度700℃时，当固体电介质一侧氧分压为空气（20.6%）时，由浓差电池输出电动势E，就可以计算出固体电介质一侧氧分压，这就是氧化锆氧量自动分析仪的测氧原理。
2.主要技术参数
2.1 测量范围
显示：0~25.0%？：（三位数字显示）
模拟量输出（线性）：0~5.00%？，0~10.0%？，0~25.0%？
2.2 测量精度：3%
2.3 响应时间：≤5S（90%测量值）
2.4 温度精度：700±1℃
2.5 显示内容：氧浓（）、氧势（mV）、炉温（℃）、加热电压（V）、量程上、下限（）、报警上、下限（）
2.6 键盘设定：报警上、下限设定，探头零电势校正
2.7 自诊断内容及故障类别符号：
E-0 氧量上限　　　　E-1 氧量下限　　　E-2 温度异常（高）
E-3 温度异常（低）　 E-4 温度异常（快）　E-5 温度异常（停）
E-6 氧势异常 E-7 断偶
2.8 输出：0-10mA 或 4-20mA
2.9 负载电阻：0-1.6kΩ（0-10mA输出），0-800Ω（4-20mA输出）
2.10 检测器长度为0.2m、0.4m、0.8m、1.0m、1.2m。
3 使用条件
3.1 信号转换器的使用条件
3.1.1 仪器安装环境应无易燃、易爆和强腐蚀性气体，并要求通风良好。
3.1.2 工作环境温度：0-50℃
3.1.3 工作环境温度：≤90%
3.1.4 供电电压：220V.AC±10%Hz
3.1.5 功率消耗：150W
3.2 氧量检测器的现场按装条件
检测器的现场按装场所必须满足下列条件：
3.2.1 避开震动场合；
3.2.2 要有足够的工作空间。
3.2.3 烟气温度和压力要在仪器规定范围内。（烟气温度＜650℃）
4 仪器的组成
整套仪器由氧量检测器、信号转换器及有关附件组成。
4.1 氧量检测器
氧量检测器由防尘装置、氧化锆管、加热电炉、测温热电偶、接线盒以及壳体等主要部件组成。整个装置采用全封闭型结构，以增加整个装置的密封性能，提高使用寿命。
氧化锆管是该检测器的核心，由它产生氧浓差电势信号，使用时应注意避免剧烈震动，以免损坏。
检测器内加热电炉的作用是提供氧化锆元件正常工作所需的温度，为延长加热电炉的寿命，在工艺上做了特殊的处理。由于检测器本身带有加热装置，因而在低于600℃的环境中仍能正常工作。
4.2 信号转换器
微机化氧量自动分析仪的信号转换器实际上是一个小型的测控系统，由单片机作为中央控制系统。
将来自氧量检测器的模拟信号（氧势、热电势）分别调制成0-10KNz调频信号，经光电隔离后送至计算机，采用调频方式能将仪表输入、输出相互隔离，这样就消除了诸如大电流跳变所引起的干扰，能够克服高共模电压，因而大大提高了仪表的抗干扰能力。应用程序主要由主程序和子程序组成，所有的程序都采用模块结构编制，便于修改、增加软件功能，以满足不同用户的特殊需要。程序运算采用了三位浮点数，保证了运算劳动精度，对氧浓、炉温的计算，采用查表线性插值法，对炉温的控制采用增量式PID算式控制。信号转换器的电气原理框图见图1

5 仪器的安装
5.1 取样点位置的选择
选择取样点的原则有：
5.1.1 所取的气样能快速反映工艺的变化情况，即气体要具有代表性；
5.1.2 取样点的温度、压力、流量等参数不应变化太大；
5.1.3 氧检测器插入深度应达到烟道气流部位，避免死区；
5.1.4 切忌在管道、烟道底部开口取样；
5.1.5 取样点附近炉膛、烟道应无、泄漏，否则将造成测量误差；
5.1.6 要选择在易于维护、检修的地方。
5.2 氧量检测器的安装
氧量检测器的安装参照图3、图4、进行

预先加工好带法兰的φ76mm设备短节，按要求选好取样位置（炉壁或管道），开一个φ76的孔，将短节以水平方式焊接到设备上，焊接时要保证焊接处不漏气。对带余热锅炉流程，在选定取样点位置后，φ76mm设备短节应根据保温厚度适当加长穿过炉体保温砖，与炉体钢壳焊牢，露出部分长度约60mm。必须注意：应保证设备短节与炉体保温砖之间的密封，绝对不能泄漏。把检测器插入短节，在短节法兰与检测器法兰间垫上2-4mm厚的石棉垫，旋紧4个螺栓，使其不漏气即可。
注意：由于探头的参比气是靠空气自然对流提供的，探头必须水平安装，参比气和标准气接口相应朝下。探头端部防护套管的缺口位置（可调整方向）也应垂直向下，以防积灰。
5.3 信号转换器的安装
信号转换器的外形尺寸：水平×垂直×深 160×80×250mm
信号转换器的开口尺寸：水平×垂直 152－1×76－1mm
信号转换器用随机配备的安装夹板及螺丝安装在仪表盘上，亦可安装在现场仪表保护箱内。
5.3.1 信号转换器与检测器之间的连接
信号转换器盘装于控制室，氧量检测器安装于现场，它们之间连接线有：氧势信号线两根采用RVVP2×1.5带屏蔽二芯电缆线敷设、电偶冷端补偿导线两根，采用K分度KX-G型2×1.5带屏蔽二芯补偿导线敷设、电炉加热线两根，采用RVVP2×2.5二芯电缆线敷设。信号转换器与氧量检测器之间的接线见图3。

5.3.2 接线时应注意下列要求：
5.3.2.1 加热线与信号线分开穿管；
5.3.2.2 锆管的氧势、热电偶温度补偿信号线都是具有极性的信号线，安装时应注意极性的正确连接。
6 使用方法
6.1 信号转换器的使用
6.1.1 开机及状态说明
置信号转换器于“测量”状态（出厂时，信号转换器已置于测量状态），开机后，显示屏显示“———”符号，表示开机正常，2S后进入程序升温状态，显示屏交叉显示“UUU”及温度，温度键对应指示灯亮，经1h炉温达700℃，并自动退出程序升温状态转入氧量测量程序，氧量键对应指示灯亮，LED窗口显示当时氧量，输出通道给出与所选择的测量范围及当时氧量有关的模拟量（0-10mA或4-20mA）。
开机后各状态说明表1

表1 开机后各状态说明

状态	显示	输出	说明
开机	———		开机后稳定约2S
程序升温	升温符“UUU”、温度值1S	0-1000℃对应为0-10mA或4-20mA	按键不影响输出
氧量测量	氧量	由数字开关“2”“3”的位置决定	按键不影响输出

6.1.2 在线查询参数
在线查询参数的具体按键操作说明如表2

表2 测量状态下按键操作详细说明

按键	显示内容
氧量	氧量（）
温度	炉温（℃）
加热电压	电炉加热电压（V）
氧势	经零电势校正后的氧探头电势（mV）
氧势、氧量零点（同时按）	显示氧探头输出电势（mV）
氧量零点	显示测量范围下限设定值（）
氧量量程	显示测量范围上限设定值（）
上限报警	显示氧量上限报警设定值（）
下限报警	显示氧量下限报警设定值（）

在“程序升温”状态下，仪表显示升温符号及当时温度值，在正常“测量”状态下，仪表显示当时“氧量”值，当要查询“温度”或“氧量”以外的其它参数时，只要按下列板对应键，在显示窗口立即显示对应参数值，但按键动作不影响程序升温时温度或测量状态时氧量所对应的模拟输出量，且在10S后显示内容自动返回，恢复显示程序升温状态时温度或测量状态时的氧量值。总之，在测量时，任何按键动作不影响与氧量相对应的模拟量输出，仅仅是显示内容的改变，且在10S后返回。
6.1.3 仪器的校正
由于氧化锆元件的离散性，由于氧化锆元件在使用过程中的老化，由于安装点比气的流通情况不尽相同，可能是氧化锆元件的测量产生较大误差。因此，不仅对新安装的氧化锆探头需要进行在线校准，而且必须定期对运行中的探头进行校准。
在实验室或现场，把氧探头和转换器按图6正确连接好并接通电源，一小时后温度达到700℃。旋开探头上的标准气螺栓，将瓶装5%含量的氮中氧标准气体通过减压器将其流量控制在300ml/分钟，用无味乳胶管送入探头的标气口内，观察转换器的氧量显示值，若氧量偏差较大则需按一下“氧势校正键”，再通过按“加”或“减”键使显示值增加或减少一些，再按“氧量”键，查看氧量是否在5%左右，若未达到标准请重复此步骤调整，若无法调到标准，说明锆管已老化，需换新锆管。
无标气现场标准：旋开探头上的标准气螺栓，使空气进入标准气导管，按一下转换器面板上的“氧势校正键”，通过按“加”或“减”键使显示值为±0.1mv以内，再按下“氧量”键应显示20.6即可，校准结束应将标准气螺栓重新旋紧即可正常使用。
6.1.4 上下限报警设定值的改变
按上限报警（或下限报警）键，此时显示上限报警（或下限报警）设定值，如需进行改变，按“加”或“减”键，直至符合要求为止。
6.1.5 异常报警说明
在发生异常时，LED窗口显示故障类别，并将报警接点接通，此时，输出不自锁。详细说明如表3。
表3 异常报警功能说明

显示	报警内容	可能故障
E-0	氧量上限
E-1	氧量下限
E-2	温度异常（高）炉温高于750℃
E-3	温度异常（低）炉温低于650℃
E-4	温升异常（快）程序升温时，温度上升太快，不受控制。	固态继电器击穿
E-5	温升异常（停）程序升温时，停止升温。	电炉丝断固态继电器截止
E-6	氧势异常检测到氧电势高于120mV
E-7	断偶	断偶或电偶极性接反

仔细检查氧量检测器是否符合第5节所述安装要求后，在检测器电炉温度达到700℃后，仪表应显示系统当时含氧量对应的模拟量。
7 故障判别及排除方法
注：表4包括由于仪器信号故障所造成的氧量测量值偏高、偏低或不稳定，其故障排除方法可参考6.1.3仪器校正的步骤进行。
7.1 故障处理步骤
7.1.1 将氧量检测器从取样口抽出，在现场与信号转接器按说明书要求正确接线，并使氧量　　检测器氧化锆探头升温至700℃。测量锆管的零电势及高温内阻，应分别小于±5mV及500Ω（出厂时，锆管的零电势及高温内阻分别小于±3mV及50Ω），如能符合要求，说明氧化锆探头性能良好。若零电势及高温内阻分别大于±5mV及500Ω以上，需换新锆管，然后按照6.1.3节说明的方法进行校准。
7.1.2 在氧量检测器“氧势”端子处卸下内部探头连线，将手动电位差计输出信号由“氧势”端子输入，不同的毫伏输入，信号转换器应显示不同的氧量，其关系参见附录A“氧浓度-浓差电势对照表”。
7.1.3 确认氧化锆探头性能，氧量测量及温度控制系统均正常后，重新将氧量检测器装回取样口，按表4所列现象按先后次序检查、排除。
表4 故障现象、原因、排除方法

现象	原因	排除方法
氧量偏高	a.氧检测器安装法兰漏气	拧紧检测器法兰
	b.氧检测器锆管压盖未拧紧	拧紧锆管压盖
	c.工艺操作负压太大或取样装置前设备泄漏严重	改变操作压力及堵漏
	d.取样点温度低，造成过滤器堵塞	改变取样点位置
氧量偏低	a.焙烧用矿源含碳或磁性氧化铁（）
氧量偏低	b.焙烧冷却水箱漏水	堵漏
氧量指标不稳定或周期性波动	a.原料含硫波动太大	适当拌矿
	b.加料皮带转速不匀或空转	拉紧加料皮带或检查加料电机
	c.工艺管道局部堵塞，系统阻力不稳定	消除工艺道管堵塞现象
升温过快	固态继电器故障	更换继电器
检测器不能升温	固态继电器故障	同上
检测器不能升温	电炉加热丝断	更换电炉

8 仪表成套性
全套仪表装相清单：

信号转换器	1台	转换器安装螺丝	2 套
氧量检测器	1台	检验合格证	1件
碳化硅过滤器（备件）	1台	使用说明书	1本

附录A 氧浓度-浓差电势对照表（0.1-12%）
（计算条件：参比气氧浓度为20.6%，工作温度700℃）。

氧浓度%（V/V）	0.10	0.20	0.30	0.40	0.50	0.60	0.70	0.80	0.90	1.00
电势mV	111.7	97.14	88.64	82.67	77.93	74.11	70.88	68.03	65.62	63.41
氧浓度%（V/V）	1.50	2.00	2.50	3.00	3.50	4.00	4.50	5.00	6.00	7.00
电势mV	54.91	48.88	44.20	40.38	37.15	34.35	31.88	29.67	25.85	22.62
氧浓度%（V/V）	8.00	9.00	10.0	11.0	12.0	13.0	14.0	15.0
电势mV	19.82	17.36	15.15	13.15	11.33	9.65	8.10	6.65

高温型氧量仪补充说明
1、被测烟气温度600℃~800℃。
2、氧化锆管电极的铂丝与不锈钢探头引线采用点焊技术，电极接触电阻小，增强了检测器可靠性。
3、由烟气直接给氧化锆管加热，所以探头内没有电炉。探头与变送器之间的连线为一根六芯屏蔽电缆（RVVP）接法同？？型，一对加热电炉线不用了。
4、温度＜600℃（热电偶两端＜24mV）加热发光管闪亮，数码管显示被测点温度值，仪器不能正常工作。
温度600℃~800℃（热电偶两端24mV~32.46mV）加热发光管不亮，数码管显示被测点含氧量。仪器正常工作。
温度700℃以上（热电偶两端32.46mV以上）加热发光管闪亮，数码管显示被测点含氧量，仪器正常工作。此时应检查热电偶两端mV值，严格控制被测点温度不要超过850℃（35mV以上）以免大大影响氧化锆管寿命。
5、由于氧化锆管输出电势受温度影响，即当烟气温度变化时，锆管电势略有变化。由此可知，若烟气温度波动大，则氧量变化波动也大。
6、高温型探头工作一定时间后，需要更换锆管时，须更换高温型氧化锆管。

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