氧化鋯氧量分析儀

呂 楠

（1．國電太原第一熱電廠，山西 太原 030021；2．太原理工大學 控制工程系，山西 太原 030024）

0 引言

在火力發(fā)電廠中，有效而及時地控制燃料的完全燃燒，提高鍋爐的燃燒效率，減少鍋爐排泄煙氣所造成的空氣污染已成為亟待解決的問題。分析燃燒系統(tǒng)成分，對于保證熱力生產(chǎn)過程的安全性和經(jīng)濟性有著重要的意義。本文將對氧化鋯氧含量分析儀的測量過程做一簡單介紹。

1 氧化鋯氧含量分析儀工作原理

氧化鋯氧量分析儀主要用于測量燃燒過程中煙氣的含氧濃度（同樣也適用于非燃燒氣體氧濃度測量），其檢測傳感器的工作原理就是濃差電池原理，它將被測氣體中的含氧量轉(zhuǎn)換成電壓，在傳感器內(nèi)溫度恒定的電化學電池（氧濃差電池，也稱鋯頭）產(chǎn)生一個毫伏電勢，該電勢直接反映出被測氣體中的氧含量值，從而可以判斷出燃料是否得到充分利用，被測氣體是否對大氣造成污染。

氧傳感器的關鍵部件是氧化鋯，氧化鋯材料是一種氧化鋯固體電解質(zhì)（它是在純氧化鋯中摻入雜質(zhì)，在高溫下燒結(jié)成的穩(wěn)定氧化鋯）。氧化鋯固體電解質(zhì)材料的內(nèi)外兩側(cè)用燒結(jié)的方法涂有多孔鉑電極，在一定高溫下，當氧化鋯的鋯管兩邊氣體氧含量不同時，氧化鋯管便成為了一個氧濃差電池（氧濃差電池位于傳感器的頂端，在此電池中，空氣為參比氣，空氣與煙氣分別位于內(nèi)、外電極），在空氣側(cè)（參比側(cè)）電極上和低氧側(cè)（被測側(cè)）電極上將分別發(fā)生如下反應：

即空氣中一個氧分子奪取電極上4個電子而變?yōu)?/p>

其中：R為氣體常數(shù)；F為法拉第常數(shù)；T為絕對溫度，K；P0為參比氣體的氧含量（空氣中氧的體積分數(shù)為20．6%）；P為被測氣體的氧含量。

如果把氧化鋯管加熱到大于600℃的穩(wěn)定溫度，則在鋯管兩側(cè)分別流過被測氣體與參比氣體，此時所產(chǎn)生的電勢與鋯管的工作環(huán)境溫度與兩側(cè)氧濃度有固定關系。若知道參比氣體濃度，便可依據(jù)鋯管兩側(cè)氧電勢與鋯管工作溫度算出被測氣體氧含量。

2 氧化鋯氧量分析儀的組成

氧化鋯氧量分析儀是由安裝在煙氣道內(nèi)的氧化鋯檢測器（探頭）、氧化鋯轉(zhuǎn)換器（二次儀表）和變壓器3部分組成。

圖1為氧化鋯檢測器結(jié)構(gòu)示意圖 ，為直插式結(jié)構(gòu)，氧傳感器安裝在檢測器頭部。檢測器由陶瓷過濾器、氧化鋯管元件、加熱器、測溫熱電偶及殼體等主要部件組成。整個裝置采用全封閉型結(jié)構(gòu)，氧化鋯管元件置于加熱器內(nèi)，由它產(chǎn)生氧濃差電勢信號；陶瓷過濾器的主要作用是過濾煙氣中的灰塵，防止污染電極；加熱器由加熱絲、爐管、保護套管等組成；熱電偶用來檢測電極元件部分的溫度，與加熱器溫控電路配合實現(xiàn)氧化鋯元件的恒溫控制。

氧化鋯轉(zhuǎn)換器主要由氧量輸入及轉(zhuǎn)換單元、盤顯兩個氧離子，氧離子在氧濃差電勢驅(qū)動之下通過氧化鋯管遷移到低氧側(cè)電極上，留給電極4個電子而復原為氧分子，這兩種遷移達到平衡后，兩極間電勢值E恒定不變。這個氧電勢值E（mV）符合“能斯特”方程：示及控制單元、檢測器爐溫控制單元、氧量對應電流輸出單元等組成，它采用微處理器控制，使儀表系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及安全性都大為提高，運算程序采用模糊控制算法的恒溫（750℃）控制、浮溫計算的方式，配合計算機數(shù)字調(diào)校功能，保證了儀表準確、可靠地運行。

變壓器用于檢測器內(nèi)部電爐供電，一般接次級抽頭80V位置，通過轉(zhuǎn)換器內(nèi)部控制電路變成可控電源后送加熱電爐，次級抽頭位置可組成60V、70V、80 V、90V、100V、110V電源，以保證鋯管工作端溫度能控制在750℃，冗余功率越少越好，即全功率加于電爐，最高溫升不超過850℃。

圖1 氧化鋯檢測器結(jié)構(gòu)示意圖

3 氧化鋯探頭的安裝及檢修

3．1 氧化鋯探頭的安裝

氧化鋯探頭在安裝投運中需要注意的問題如下：

（1）采樣氣體溫度和壓力均在標準規(guī)格之內(nèi)，且爐體密封好，檢測器盡量向煙氣下游裝以降低檢測氣體溫度。

（2）測頭處應避免高輻射熱和高輻射熱蒸汽的影響。

（3）應避免強烈振動以免振裂鋯頭取樣管路，且提供充足的維護空間。

（4）周圍環(huán)境溫度在標準范圍之內(nèi)（多為600℃～800℃）。

（5）避免灰塵及腐蝕氣體。

3．2 氧化鋯頭檢測器檢查

3．2．1 檢測器冷態(tài)檢查

打開檢測器接線盒，用萬用表歐姆檔測量，氧電池端子之間為開路狀態(tài)，阻值超量程，熱電偶端子之間阻值只有幾歐姆為正常，電爐絲端子之間阻值約80Ω為正常，注意測量電爐絲阻值只能在斷電狀態(tài)下進行，熱電偶補償端子之間采用目檢。

3．2．2 熱態(tài)檢查

檢查接線無誤后，通電，升溫過程中前面板顯示溫度，當溫度升到600℃時，若儀表處于測量狀態(tài)，程序?qū)⒆詣愚D(zhuǎn)換到氧含量顯示狀態(tài)，其數(shù)值應在空氣氧含量20．6%（體積分數(shù)）附近，若使用前儀表處于維護狀態(tài)，則可以操作面板所有按鍵。

3．2．3 定性檢查

（1）實測的熱電偶mV值加上室溫對應的mV值，查對照表對應的溫度值應是750℃±2℃（一般熱電勢約為30mV）。

（2）用萬用表歐姆檔測量氧電勢內(nèi)阻，正反方向（即測量表筆調(diào)換）各測量一次，取其平均值，新探頭電池內(nèi)阻一般小于100Ω，舊探頭檢修后應控制在800Ω以內(nèi)。

采用上述方法測量電池內(nèi)阻時，儀表應與自控系統(tǒng)脫開，因萬用表是有源的，有信號疊加于氧電勢上，將干擾被測氧量。

3．3 轉(zhuǎn)換器檢查

（1）通電前檢查連線是否有誤。

（2）加熱爐（HTR）絲連線與檢測器外殼之間電阻應≥2MΩ。

（3）檢查氧電勢信號正極與熱電偶信號任一端是否有短路之處。

（4）啟動接通轉(zhuǎn)換器電源開關，應確認電源端是否為220VAC，變壓器所接的次級抽頭端是否為80 VAC，接通電源后顯示溫度值。

4 氧化鋯校驗

校驗設備有標氣瓶和mV發(fā)生器。校驗項目及方法如下：

（1）校溫度零點：先用導線將熱電偶輸入端短路，在CJ端接溫度傳感器，觀察顯示應為室溫，否則調(diào)整電位器RW2直到與室內(nèi)溫度一致。

（2）校溫度量程：按“測量維護”鍵進入維護狀態(tài)，再按溫度鍵顯示溫度，在熱電偶端子上接一電位差計，用電位差計給出30mV應顯示750℃，如不是則按“選擇”鍵兩次，然后按“寫入”鍵，顯示“0．000”，再按“給定”鍵輸入密碼，最后按“寫入”即可。

（3）校氧電勢：在維護狀態(tài)下，按“氧電勢”鍵，并在氧電勢輸入端用電位差計給出50mV的信號，則前面板應顯示50．00。如不是，則按“給定”鍵兩次，確認后按“寫入”鍵顯示“0．000”，再按“給定”鍵輸入密碼，最后按“寫入”鍵即可，用“空氣校準”鍵校氧電勢零點。

（4）氧含量在線校準操作：氧化鋯傳感器在制作過程中，由于受材料的純度和制作工藝的影響會存在數(shù)值不等的零點電勢，為保證測量精度，轉(zhuǎn)換器可對檢測器進行在線校準操作，修正零點電勢和曲線斜率。具體操作如下：在完成儀表調(diào)校前幾步（校溫度零點、溫度量程、氧電勢）后，檢查氧化鋯傳感器與轉(zhuǎn)換器接線無誤后接通電源，顯示器顯示“□□□□”，稍后顯示溫度值，直到溫度上升到600℃，則自動轉(zhuǎn)到正常測量階段，開始顯示被測氣體的氧含量，然后把儀表置入維護狀態(tài)進行調(diào)校。

空氣校準（即修正零點電勢）：首先將檢測器“標準氣入口”打開，通入空氣，然后按下“空氣校準”鍵，顯示器顯示20．6，即空氣中氧含量。按“寫入”鍵，顯示“0．000”，再按“給定”鍵輸入密碼，最后按“寫入”鍵即可。

斜率修正：將檢測器“標準氣入口”打開，通入氧含量為0．5%～2．5%（體積分數(shù)）的標準氣體，待顯示值穩(wěn)定后（約5s），如果顯示值為輸入標準氣體標稱值，則不需修正斜率參數(shù)，如果超差較大，就要進行斜率校正。先按“給定”鍵，使顯示值增到所通標氣瓶標識的氧含量值0．5%～2．5%（體積分數(shù)），然后按“寫入”鍵，顯示“0．000”再按“給定”鍵輸入密碼，最后按“寫入”鍵即可。

正常工作或校準操作完畢后，應將儀器檢測器的“標準氣入口”用螺釘擰緊密封好，不得有空氣從此口泄漏進去。

（5）輸出電流信號的調(diào)校：在輸出端子上接一數(shù)字萬用表，監(jiān)視輸出電流的大小，用RW3電位器調(diào)節(jié)零點電流，用RW4調(diào)電流輸出的量程，反復調(diào)校直到測量值與實際值相比小于基本誤差為合格。

為避免誤操作，本儀表設置了寫入操作密碼，即對校準好的數(shù)據(jù)，每次按“寫入”鍵后將等待用戶輸入密碼9．000，用“給定”鍵加相應的密碼值，再按一次“寫入”鍵則才正式將該校準數(shù)據(jù)存入。

5 氧化鋯分析儀應用中的典型故障判斷

（1）漏氣：當探頭漏氣時氧量偏高 。當用標氣校準正常，而氧量明顯偏高時可判斷為漏氣。

（2）堵灰：當儀器安裝在煙速過大處時，不僅探頭易磨損，而且易產(chǎn)生堵灰。堵灰后，氧量變化緩慢。

（3）氧化鋯探頭老化：大多數(shù)探頭老化時，內(nèi)阻會大于1kΩ，小于這個值時表示鋯頭完好。

6 結(jié)束語

氧化鋯氧分析儀主要用于測定爐內(nèi)煙氣中的氧含量，它對于保障鍋爐的運行安全、提高燃料燃燒效率、保護環(huán)境、減少大氣污染起著重要作用。

［1］ 厲玉鳴．化工儀表及自動化［M］．北京：化學工業(yè)出版社，1999．