原子能科學(xué)研究院氧化鋯氧量分析儀說(shuō)明書.doc

中國(guó)原子能科學(xué)研究院 ZO系列氧化鋯氧分析儀目 錄18 1 概述12 儀器測(cè)量原理23 儀器主要技術(shù)參數(shù)34 儀器簡(jiǎn)介34.1 儀器組成34.2 各部分簡(jiǎn)介44.2.1 探頭簡(jiǎn)介44.2.2 變送器簡(jiǎn)介44.2.2.1 基本結(jié)構(gòu)44.2.2.2 基本操作54.2.2.3 基本設(shè)置65 儀器檢驗(yàn)66 儀器安裝86.1 安裝前的準(zhǔn)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(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)場(chǎng)連線117 儀器校準(zhǔn)117.1 校準(zhǔn)前的準(zhǔn)備117.2 校準(zhǔn)方法118 儀器日常維護(hù)與常見(jiàn)故障排除138.1 儀器日常維護(hù)138.2 常見(jiàn)故障的分析與排除131 概述氧化鋯氧分析儀主要用于測(cè)定鍋爐煙氣中的氧分壓即氧氣的體積百分?jǐn)?shù)含量（簡(jiǎn)稱氧含量或氧量），對(duì)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(chǎng)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(guò)剩系數(shù)密切相關(guān)。在燃燒過(guò)程中，當(dāng)空氣過(guò)剩系數(shù)太小即氧量不足時(shí)，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(duì)導(dǎo)致環(huán)境污染；而當(dāng)空氣過(guò)剩系數(shù)太大即氧量過(guò)多時(shí)，雖然能使燃料充分燃燒，但過(guò)?？諝鈳ё叩臒崃慷啵矊?dǎo)致熱效率降低，同時(shí)過(guò)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(guò)安裝氧化鋯氧分析儀，在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(guó)原子能科學(xué)研究院始建于1950年，是中國(guó)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(guó)“兩彈一艇”事業(yè)的搖籃。氧化鋯開(kāi)發(fā)研究室是院下屬的集科研、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)營(yíng)銷為一體的綜合性實(shí)體，從事氧化鋯測(cè)氧技術(shù)的研究已30余年，編寫了國(guó)內(nèi)本行業(yè)第一本專著：氧離子固體電解質(zhì)濃差電池與測(cè)氧技術(shù)。該技術(shù)曾先后多次榮獲國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng)及部科技成果獎(jiǎng)。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(guó)際博覽會(huì)上獲同類產(chǎn)品最高質(zhì)量獎(jiǎng)，并在全國(guó)氧化鋯氧分析儀行業(yè)質(zhì)量評(píng)比中榮獲一等獎(jiǎng)。2001年，該產(chǎn)品通過(guò)ISO9001國(guó)際質(zhì)量體系認(rèn)證。此后，我院開(kāi)發(fā)并推出了防硫型、高溫型等多種型號(hào)的氧化鋯氧分析儀，以滿足不同用戶的需求。 2 儀器測(cè)量原理ZO系列氧化鋯氧分析儀是利用氧濃差電池原理來(lái)測(cè)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(shí)，便構(gòu)成一個(gè)氧濃差電池，產(chǎn)生電池電動(dòng)勢(shì)，電池電動(dòng)勢(shì)與電極表面氧濃度關(guān)系符合能斯特(Nernst)方程： (1)式中：E 濃差電池電動(dòng)勢(shì)，V；R 氣體常數(shù)，8.3145Jmol1K1；F 法拉第常數(shù)，96485.309Cmol-1；T 絕對(duì)溫度，K；P0 參比氣體氧分壓，%；P 被測(cè)氣體氧分壓，%。由于受各種因素的影響，實(shí)際測(cè)量并非在理想狀態(tài)下進(jìn)行，因此需要對(duì)（1）式進(jìn)行校正，校正后得到新的方程： （2） 本設(shè)計(jì)中P0為空氣中氧含量（20.6），k和E0值均可以通過(guò)校正得到。通過(guò)測(cè)定氧化鋯電池電勢(shì)信號(hào)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(cè)氣體的氧含量P 值。 嚴(yán)格地說(shuō)，氧化鋯氧分析儀測(cè)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(shí)，測(cè)得的氧含量值將偏小。 3 儀器主要技術(shù)參數(shù) 測(cè)量范圍：020.6Vol%O2； 測(cè)量精度：1級(jí)； 量程選擇：010Vol%O2或020Vol%O2； 工作溫度：7505； 響應(yīng)時(shí)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(zhǎng)度：500mm1200mm； 變送器箱體尺寸（高寬深）：墻掛式（Q型）：320mm240mm110mm；盤裝式（P型）：160mm160mm400mm；80mm160mm320mm（臥式）；160mm80mm320mm（立式）； 探頭安裝點(diǎn)煙氣溫度：600（350450為最佳）； 安裝點(diǎn)允許最大壓差：2KPa； 環(huán)境溫度：變送器-2055, 探頭-4070； 工作電源：AC 220V22V，50Hz。 對(duì)于不同型號(hào)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(shuō)明。若工作溫度不同，將文中涉及溫度750改為對(duì)應(yīng)工作溫度值即可。 不同型號(hào)探頭長(zhǎng)度不同。4 儀器簡(jiǎn)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(cè)氧量所對(duì)應(yīng)的電勢(shì)信號(hào)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(shì)信號(hào)值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的氧量值，并將氧量值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電流值輸出。4.2 各部分簡(jiǎn)介 4.2.1 探頭簡(jiǎn)介探頭由氧化鋯元件、加熱爐、K型熱電偶、過(guò)濾器、信號(hào)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(guò)濾器 2.氧化鋯元件 3.加熱爐 4.外殼 5. 信號(hào)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(shì)信號(hào)；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(lái)測(cè)量加熱爐的溫度；信號(hào)引線將氧化鋯元件所產(chǎn)生的電勢(shì)信號(hào)輸送到變送器。4.2.2 變送器簡(jiǎn)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(shì)信號(hào)放大器、熱電偶電勢(shì)信號(hào)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(jiàn)，探頭產(chǎn)生的氧濃差電勢(shì)信號(hào)、熱電偶電勢(shì)信號(hào)經(jīng)分別放大后，由多路選擇開(kāi)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(hào)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L(zhǎng)ED數(shù)碼顯示管(以下簡(jiǎn)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(duì)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(lái)校準(zhǔn)儀器，以提高測(cè)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(kāi)關(guān)撥至“開(kāi)”后，探頭加熱爐開(kāi)始升溫，“”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時(shí)，“O2”指示燈亮，變送器電路將自動(dòng)運(yùn)算并顯示測(cè)得的氧量值。此后，LED顯示內(nèi)容由操作按鈕決定。如：當(dāng)按住自檢時(shí)，“O2”指示燈亮，LED顯示自檢氧量值；當(dāng)按住電勢(shì)時(shí)，“mV”指示燈亮，LED顯示電池電勢(shì)信號(hào)值；當(dāng)按住溫度時(shí)，“”指示燈亮，LED顯示加熱爐溫度值；當(dāng)按下標(biāo)定時(shí)，“cal” 指示燈亮，此時(shí)可以校準(zhǔn)儀器；校準(zhǔn)以后按下測(cè)量，LED顯示被測(cè)氧量值，儀器進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。 儀器校準(zhǔn)的具體操作詳見(jiàn)第7章“儀器校準(zhǔn)”部分。 如果安裝的是新探頭，開(kāi)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(guò)多造成氧電勢(shì)信號(hào)過(guò)大而超出量程，一般情況下，開(kāi)機(jī)后1小時(shí)左右儀器將正常工作。 自檢功能是為診斷變送器運(yùn)算電路是否正常而設(shè)置的，其自檢氧量值不代表探頭所測(cè)氧量值。4.2.2.3 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(kāi)關(guān)。當(dāng)把跳線插在左邊兩個(gè)并排的引腳上即靠近電路板S1位置時(shí)，選擇氧量量程為020%，此時(shí)電流輸出值DC 010mA或DC 4mA20mA都是分別與該量程對(duì)應(yīng)的值；當(dāng)把跳線插在右邊兩個(gè)并排的引腳上即遠(yuǎn)離S1位置時(shí)，選擇氧量量程為010%，此時(shí)電流輸出值DC 010mA或DC 4mA20mA都是分別與該量程對(duì)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(gè)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 4mA20mA。初始電流設(shè)置為DC 4mA20mA信號(hào)輸出，如用戶需要DC 010mA信號(hào)輸出，需在訂貨時(shí)注明。5 儀器檢驗(yàn)儀器在發(fā)貨前已經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)，并附合格證，但運(yùn)輸過(guò)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(kāi)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(kāi)探頭接線盒，用萬(wàn)用表分別測(cè)量加熱爐及熱電偶兩端的電阻值，判斷在運(yùn)輸中有無(wú)造成斷線或接觸不良現(xiàn)象。（2）判斷無(wú)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(hào)”接線端子與變送器對(duì)應(yīng)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(kāi)始升溫，當(dāng)達(dá)到600后，儀器自動(dòng)轉(zhuǎn)為氧量值顯示。按住操作面板上的自檢鍵，若顯示為“5.000.20”，說(shuō)明變送器氧量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)正常。 量程轉(zhuǎn)換只影響對(duì)應(yīng)電流輸出值，而與變送器本身的氧量值顯示無(wú)關(guān)。 對(duì)于ZO12B型探頭，加熱爐阻值一般為15020，熱電偶阻值一般為3.50.5。對(duì)于不同型號(hào)產(chǎn)品，其值略有不同。 詳見(jiàn)“4.2.2.2 基本操作”部分。 (5）穩(wěn)定一段時(shí)間后，測(cè)量探頭信號(hào)線兩端的電阻及電勢(shì)值，若電阻小于1K、電勢(shì)絕對(duì)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(chǎng)安裝。 將探頭與變送器相應(yīng)端連接時(shí)，注意不要錯(cuò)接、虛接或正負(fù)極反接。 請(qǐng)勿將外接電源接入變送器或探頭的“信號(hào)”、“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)。 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(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(duì)于提高測(cè)量準(zhǔn)確性和延長(zhǎng)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(guò)高，否則會(huì)縮短探頭的使用壽命，推薦安裝點(diǎn)煙氣溫度在350450范圍內(nèi)； 安裝點(diǎn)應(yīng)選在煙氣流動(dòng)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(dòng)大，而縮口處沖刷大易灰堵； 安裝點(diǎn)處應(yīng)有操作平臺(tái)，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(guò)大，一般應(yīng)2KPa，以免產(chǎn)生測(cè)量偏差； 安裝點(diǎn)附近應(yīng)絕對(duì)密封，不應(yīng)出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，否則會(huì)使氧量測(cè)量值偏高； 探頭安裝位置應(yīng)符合鍋爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。對(duì)于電廠鍋爐和工業(yè)爐來(lái)說(shuō)，推薦安裝點(diǎn)如圖6所示。旁路煙道安裝圖如圖7所示。 圖6 電廠鍋爐和工業(yè)爐推薦安裝點(diǎn) 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(zhǎng)度不同。爐體法蘭結(jié)構(gòu)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(zhǎng)度等于爐壁厚的102mm5mm的爐墻管和一塊約5mm厚的方形鋼板（大小視現(xiàn)場(chǎng)情況而定）。在方板中心開(kāi)一個(gè) 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(xiàn)場(chǎng)布線變送器與探頭之間用3組導(dǎo)線連接，分別為： 氧電勢(shì)信號(hào)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。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(gè)M620的螺栓（用戶自備）安裝在現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)孔尺寸（高寬）分別為153mm153mm、76mm153mm（臥式）和153mm76mm（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(kāi)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(jiàn)，安裝時(shí)將探頭用4個(gè)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555，并注意防水、防塵。探頭安裝操作十分簡(jiǎn)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(shí)應(yīng)輕拿輕放，避免 劇烈振動(dòng)，以免損壞； 若在開(kāi)爐狀態(tài)下安裝，應(yīng)將探頭在插入爐內(nèi)1/3長(zhǎng)度時(shí)，停留23分鐘，再緩緩插入，以防驟熱損壞氧化鋯元件； 探頭過(guò)濾器的金屬面必須對(duì)著煙氣流向，以防過(guò)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(gè)螺栓，以防漏氣。 6.3 現(xiàn)場(chǎng)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(wú)誤后，打開(kāi)變送器電源開(kāi)關(guān)，探頭加熱爐開(kāi)始升溫，此時(shí)變送器LED顯示其溫度值。當(dāng)溫度達(dá)到600時(shí)，變送器自動(dòng)顯示氧量值。當(dāng)溫度達(dá)到750并穩(wěn)定后，儀器進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。雖然儀器進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)，但在運(yùn)行前期測(cè)量值可能有較大偏差或波動(dòng)，這屬于正常情況。一般探頭大約需要運(yùn)行24小時(shí)后，顯示值才能趨于平穩(wěn)，雖然此時(shí)指示正常，但測(cè)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(kāi)，使空氣自動(dòng)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“20.600.20”。 詳見(jiàn)“4.2.2.2 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(kāi)氣瓶閥；（3）緩緩打開(kāi)減壓閥，將標(biāo)氣流量調(diào)節(jié)為300ml/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(guò)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。 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(guò)大而導(dǎo)致氧化鋯元件破裂。 校準(zhǔn)過(guò)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(shí)，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(cè)量值偏大。8 儀器日常維護(hù)與常見(jiàn)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(gè)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，以免影響測(cè)量線性及精度； 探