ZO系列氧化锆氧量分析仪使用说明指导书.doc

目 录

1 概述 1
2 仪器测量原理 2
3 仪器关键技术参数 3
4 仪器介绍 3
4.1 仪器组成 3
4.2 各部分介绍 4
4.2.1 探头介绍 4
4.2.2 变送器介绍 4
4.2.2.1 基础结构 4
4.2.2.2 基础操作 5
4.2.2.3 基础设置 6
5 仪器检验 6
6 仪器安装 8
6.1 安装前准备 8
6.1.1 探头安装位置选择 8
6.1.2 炉体法兰焊接 9
6.1.3 现场布线 9
6.2 安装 10
6.2.1 变送器安装 10
6.2.2 探头安装 10
6.3 现场连线 11
7 仪器校准 11
7.1 校准前准备 11
7.2 校准方法 11
8 仪器日常维护和常见故障排除 13
8.1 仪器日常维护 13
8.2 常见故障分析和排除 13

1 概述
氧化锆氧分析仪关键用于测定锅炉烟气中氧分压即氧气体积百分数含量（简称氧含量或氧量），对于保障锅炉运行安全、提升燃料燃烧效率及降低环境污染将起到关键作用。其应用场所关键有：
● 火电厂锅炉；
● 炼油厂加热炉和输油管道加热炉；
● 冶炼厂加热炉和均热炉；
● 化工、轻纺、食品加工、制药、水泥和采暖等企业工业锅炉。
燃料燃烧效率和空气过剩系数亲密相关。在燃烧过程中，当空气过剩系数太小即氧量不足时，因为燃料未充足燃烧而造成热效率降低，且排出未完全燃烧气体也将对造成环境污染；而当空气过剩系数太大即氧量过多时，即使能使燃料充足燃烧，但过剩空气带走热量多，也造成热效率降低，同时过量氧气使烟气中硫化物和氮氧化物含量增大，一样造成环境污染。所以，经过安装氧化锆氧分析仪，在线实时监测烟气中氧含量，调整空气和燃料最好配比，实现优化燃烧，在节能减排和安全环境保护等方面含相关键意义。
中国原子能科学研究院始建于1950年，是中国核科学技术发祥地，是以核科学为主、多学科并存综合性大型科研基地，是中国“两弹一艇”事业摇篮。氧化锆开发研究室是院下属集科研、产品开发和市场营销为一体综合性实体，从事氧化锆测氧技术研究已30余年，编写了中国本行业第一本专著：《氧离子固体电解质浓差电池和测氧技术》。该技术曾前后数次荣获国家发明奖及部科技结果奖。在这一系列科研结果基础上，成功研制出ZO系列氧化锆氧分析仪。该产品曾在北京国际博览会上获同类产品最高质量奖，并在全国氧化锆氧分析仪行业质量评选中荣获一等奖。，该产品经过ISO9001国际质量体系认证。以后，我院开发并推出了防硫型、高温型等多个型号氧化锆氧分析仪，以满足不一样用户需求。

2 仪器测量原理
ZO系列氧化锆氧分析仪是利用氧浓差电池原理来测定气体①中氧含量电化学分析仪器。在理想状态下，当氧化锆元件达成工作温度且内外电极表面氧含量不相等时，便组成一个氧浓差电池，产生电池电动势，电池电动势和电极表面氧浓度关系符合能斯特(Nernst)方程：

(1)
式中：
E — 浓差电池电动势，mV；
R — 气体常数，8.3145J·mol－1·K－1；
F — 法拉第常数，96485.309C·mol-1；
T — 绝对温度，K；
P0 — 参比气体氧分压，%；
P — 被测气体氧分压，%。
因为受多种原因影响，实际测量并非在理想状态下进行，所以需要对（1）式进行校正，校正后得到新方程：

（2）
本设计中P0为空气中氧含量（21.00％），k和E0值均能够经过校正得到。经过测定氧化锆电池电势信号Em，并将其输送至变送器，变送器将依据（2）式，计算出被测气体氧含量P 值。
① 严格地说，氧化锆氧分析仪测量是惰性气体中氧含量，当烟气中含有可燃性气体时，测得氧含量值将偏小。

3 仪器关键技术参数
● 测量范围：0～25.00Vol%O2；
● 测量精度：1级；
● 量程选择：0～10Vol%O2或0～20Vol%O2；
● 工作温度①：750℃±5℃；
● 响应时间：<3秒（达成90%）；
● 输出方法：DC 0～10mA或DC 4mA～20mA电流线性输出；
● 探头长度②：500mm～1200mm；
● 变送器箱体尺寸（高×宽×深）：
墙挂式（Q型）：320mm×240mm×110mm；
盘装式（P型）：160mm×160mm×400mm；
80mm×160mm×320mm（卧式）；
160mm×80mm×320mm（立式）；
● 直插式探头安装点烟气温度：≤600℃（300-500℃最好）；
● 安装点许可最大压差：2KPa；
● 环境温度：变送器-5℃～55℃, 探头＜70℃；
● 工作电源：AC 220V±22V，50Hz。
① 对于不一样型号探头，其值可能略有不一样，本文均以工作温度为750℃ZO-12B探头为例说明。若工作温度不一样，将文中包含温度750℃改为对应工作温度值即可。
② 不一样型号探头长度不一样。

4 仪器介绍
4.1 仪器组成
该仪器关键由探头和变送器两大部分组成。探头实际上是一个装有氧化锆电池氧传感器，其关键作用就是输出被测氧量所对应电势信号值。变送器关键有两大功效：一是稳定控制探头工作温度；二是将从探头输入电势信号值转换为对应氧量值，并将氧量值转化为对应电流值输出。
4.2 各部分介绍
4.2.1 探头介绍
探头由氧化锆元件、加热炉、K型热电偶、过滤器、信号引线、接线盒及不锈钢壳体等组成，其结构图1所表示：

图1 探头结构示意图
1.过滤器 2.氧化锆元件 3.加热炉 4.外壳 5. 信号引线
6.标气管 7.元件法兰 8.K型热电偶 9.法兰 10.接线盒
各关键部件作用：氧化锆元件是探头关键部件，由其产生电势信号；加热炉将氧化锆元件加热到设定工作温度；热电偶作为温度传感器，用来测量加热炉温度；信号引线将氧化锆元件所产生电势信号输送到变送器。
4.2.2 变送器介绍
4.2.2.1 基础结构
变送器关键由主电路板、操作显示面板、接线端子和机箱等组成。主电路由氧浓差电势信号放大器、热电偶电势信号放大器、电源单元、中央处理单元、温控单元、显示单元及输出单元等部分组成。

图2 变送器电路原理框图
从图2可见，探头产生氧浓差电势信号、热电偶电势信号经分别放大后，由多路选择开关将其输入A/D转换器，经A/D转换后由CPU依据能斯特方程计算出氧量值，再经D/A转换、光电隔离及V/I转换，最终得到DC 0～10mA或DC 4mA～20mA电流信号输出。
4.2.2.2 基础操作
变送器基础操作全部在操作显示面板上完成。变送器操作显示面板图3所表示。
各部分功效：中央为LED数码显示管(以下简称LED)，显示相关参数值。左侧为参数显示状态指示灯，LED显示数值为指示灯亮者所对应参数值。右侧分别为空气校准和标气校准电位 图3 变送器操作显示面板图
器，用来校准仪器，以提升测量精度①。下方为操作按钮，由其决定LED显示内容。
具体操作：将变送器电源开关拨至“开”后，探头加热炉开始升温，“℃”指示灯亮，LED显示探头加热炉温度值②。当加热炉温度达成600℃时，“％O2”指示灯亮，变送器电路将自动运算并显示测得氧量值。以后，LED显示内容由操作按钮决定。如：当按住自检时，“％O2”指示灯亮，LED显示自检氧量值③；当按住电势时，“mV”指示灯亮，LED显示电池电势信号值；当按住温度时，“℃”指示灯亮，LED显示加热炉温度值；当按下标定时，“cal” 指示灯亮，此时能够校准仪器；校准以后按下测量，LED显示被测氧量值，仪器进入测量状态。
① 仪器校准具体操作详见第7章“仪器校准”部分。
② 假如安装是新探头，开机后可能出现 “mV”指示灯亮、LED显示为“HHHH”并闪烁现象，这是因为新探头内保温材料含水分过多造成氧电势信号过大而超出量程，通常情况下，开机后1小时左右仪器将正常工作。
③ 自检功效是为诊疗变送器运算电路是否正常而设置，其自检氧量值不代表探头所测氧量值。

4.2.2.3 基础设置
量程设置：变送器主电路板上设置了量程转换跳线开关。当把跳线插在左边两个并排引脚上即靠近电路板S1位置时，选择氧量量程为0～20%，此时电流输出值DC 0～10mA或DC 4mA～20mA全部是分别和该量程对应值；当把跳线插在右边两个并排引脚上即远离S1位置时，选择氧量量程为0～10%，此时电流输出值
DC 0～10mA或DC 4mA～20mA全部是分别和该量程对应值。初始量程设置为0～20%，如需0～10%量程，将跳线插在右边两个引脚上即可①。
电流输出设置：变送器设有两档电流输出：DC 0～10mA和DC 4mA～20mA。初始电流设置为DC 4mA～20mA信号输出，如用户需要DC 0～10mA信号输出，需在订货时注明。

5 仪器检验
仪器在发货前已经过严格质量检验，并附合格证，但运输过程中可能因碰撞使其损坏。所以，用户在使用仪器前，应优异行开箱检验，判定仪器正常后方可上炉安装。具体操作步骤以下：
（1）打开探头接线盒，用万用表分别测量加热炉及热电偶两端电阻值，判定在运输中有没有造成断线或接触不良现象②。
（2）判定无故障后，用符合要求三组导线（参考6.1.3节）分别将探头“加热炉”、“热电偶”和“信号”接线端子和变送器对应接线端连接好（参考图4、图5）。
（3）将外接电源接在变送器“AC220V”端子上。
（4）接通电源，加热炉开始升温，当达成600℃后，仪器自动转为氧量值显示③。按住操作面板上自检键，若显示为“5.00±0.20”，说明变送器氧量转换系统正常。
① 量程转换只影响对应电流输出值，而和变送器本身氧量值显示无关。
② 对于ZO－12B型探头，加热炉阻值通常为150Ω±20Ω，热电偶阻值通常为3.5Ω±0.5Ω。对于不一样型号产品，其值略有不一样。
③ 详见“4.2.2.2 基础操作”部分。

(5）稳定一段时间后，测量探头信号线两端电阻及电势值，若电阻小于1KΩ、电势绝对值逐步减小且稳定后小于10mV，表明探头完好，能够进行现场安装。
● 将探头和变送器对应端连接时，注意不要错接、虚接或正负极反接。
● 请勿将外接电源接入变送器或探头“信号”、“热电偶”或 “加热炉”接线端，不然，将造成仪器损坏，损失由用户负担。

图4 墙挂式变送器和探头接线图

图5 盘装式变送器和探头接线图

6 仪器安装
6.1 安装前准备
6.1.1 探头安装位置选择
正确选择探头安装点，对于提升测量正确性和延长探头使用寿命有着关键意义。选择安装点标准：
● 安装点烟气温度不宜过高，不然会缩短探头使用寿命，推荐安装点最好烟气温度在300℃～500℃范围内；
● 安装点应选在烟气流动性好位置，切忌安装在炉内侧、死角、涡流或缩口处。因为炉内侧和死角处氧量改变响应滞缓，涡流处氧量波动大，而缩口处冲刷大易灰堵；
● 安装点处应有操作平台，有利于探头安装、校准和维护；
● 安装点负压不能过大，通常应≤2KPa，以免产生测量偏差；
● 安装点周围应绝对密封，不应出现漏气现象，不然会使氧量测量值偏高；
● 探头安装位置应符合锅炉结构特点。对于电厂锅炉和工业炉来说，推荐安装点图6所表示。旁路烟道安装图图7所表示。

图6 电厂锅炉和工业炉推荐安装点 图7 旁路烟道安装图

6.1.2 炉体法兰焊接
ZO系列氧化锆氧分析仪 炉体法兰大小相同，但长度不一样。炉体法兰结构示意图图8所表示。为了确保炉体法兰在焊接后有良好密封性，用户需自备一段长度等于炉壁厚Ф102mm×5mm炉墙管和一块约5mm厚方形钢板（大小视现场情况而定）。在方板中心开一个 图8 炉体法兰
Ф90mm圆孔，将炉体法兰焊在该孔中，方板再和炉墙管焊接在一起（参考图9）。

图9 炉体法兰焊接
6.1.3 现场布线
变送器和探头之间用3组导线连接，分别为：
● 氧电势信号线：1.0mm2～1.5mm2，双芯金属屏蔽电缆；
● 热 电 偶 线：1.0mm2～1.5mm2，双芯镍铬-镍硅赔偿导线；
● 加 热 炉 线：1.2mm2～1.5mm2，双芯一般电缆。
6.2 安装
6.2.1 变送器安装
墙挂式即（Q）型变送器是
靠四个M6×20螺栓（用户自备）安装在现场适宜位置①（图10）。盘装式即（P）型变送器有三种，均安装在仪表盘上，其开孔尺寸（高×宽）分别为153mm×153mm、76mm×153mm（卧式）和153mm×76mm（立式）。
6.2.2 探头安装
探头可在停炉状态下安装，也能够在开炉状态下安装，其安 图10 墙挂式变送器安装图
装示意图图11所表示。由图可见，安装时将探头用4个螺栓固定在炉体法兰上即可，探头法兰标准尺寸图12所表示。

图11 探头安装示意图 图12 探头法兰尺寸图
① Q型变送器安装点环境温度为－5℃～55℃，并注意防水、防尘。

探头安装操作十分简单，但要注意以下步骤：
● 探头内关键部件为陶瓷易碎品，搬运时应轻拿轻放，避免 猛烈振动，以免损坏；
● 若在开炉状态下安装，应将探头在插入炉内1/3长度时，停留2～3分钟，再缓缓插入，以防骤热损坏氧化锆元件；
● 探头过滤器金属面必需对着烟气流向，以防过滤器陶瓷因受冲刷而被损坏；
● 两法兰之间应放置石棉垫圈，并拧紧4个螺栓，以防漏气。
6.3 现场连线
待变送器和探头分别安装完成后，按要求用三组导线将变送器和探头相连。

7 仪器校准
7.1 校准前准备
确定仪器连线正确无误后，打开变送器电源开关，探头加热炉开始升温，此时变送器LED显示其温度值①。当温度达成600℃时，变送器自动显示氧量值。当温度达成750℃并稳定后，仪器进入测量状态。
即使仪器进入测量状态，但在运行前期测量值可能有较大偏差或波动，这属于正常情况。通常探头大约需要运行二十四小时后，显示值才能趋于平稳，即使此时指示正常，但测量结果并不一定十分正确，应该进行校准工作。
7.2 校准方法
本仪器采取两点校准法，即空气校准和标气校准。
第一步为空气校准，操作步骤以下：
（1）将探头“标气入口”打开，使空气自动进入探头；
（2）待显示稳定后，调整变送器操作显示面板上“空气校准”电位器，使显示为“21.00±0.20”。
① 详见“4.2.2.2 基础操作”部分。

第二步为标气校准，操作步骤以下：
（1）将标气校准装置按图13所表示和气瓶连接好；
（2）确定减压阀处于关闭状态后，打开气瓶阀；
（3）缓缓打开减压阀，将标气流量调整为300ml/min～500ml/min；
（4）将连接软管和探头“标气入口”相连，将标气通入探头，此过程应确保不漏气；
（5）通气约1分钟后，调整变送器面板上“标气校准”电位器，将氧量显示值调为标准气体氧量值即可。

图13 仪器校准示意图
● 应优异行空气校准，再进行标气校准。
● 应先调好标气流量，再将连接软管和探头“标气入口”相连，不然可能因气体流量过大而造成氧化锆元件破裂。
● 校准过程中，应确保不漏气，以免影响校准正确性。
● 校准完成时，一定要先从“标气入口”拔下连接软管，再关闭减压阀和气瓶阀。
● 校准完成后，应拧紧“标气入口”螺帽，不然空气进入将使氧量测量值偏大。

8 仪器日常维护和常见故障排除
8.1 仪器日常维护
仪器日常维护应注意以下多个方面：
● 变送器在发货前已调试好，用户不应调整其内部电位器，以免影响测量线性及精度；
● 探头安装二十四小时以后应校准，以后可依据实际情况用标气校准；
● 仪器安装后，应在开炉前送电，停炉后不应断电。
● 探头氧化锆元件为陶瓷产品，高温时遇水即炸裂，使用时切忌淋水。不然，由此造成损失将由用户负担。

8.2 常见故障分析和排除
氧化锆氧分析仪产品故障易出现在探头部分，下表列举了常见故障现象、原因及排除方法。

故障现象
原因分析
排除方法
变送器“mV”指示灯亮，LED显示为“HHHH”并闪烁
对于刚安装探头来说，可能是因保温材料内残余水分过多，造成电势信号超量程。
属于正常现象，通常情况下开机后1小时左右仪器将正常工作。
变送器和探头之间“信号”连线空接、虚接或正负极反接。
将对应端子正确连接。
氧化锆元件信号引线断。
更换氧化锆元件。
探头内部信号引线断。
更换探头内信号引线。
变送器“℃”指示灯亮，LED显示为“HHHH”并闪烁
变送器和探头之间“热电偶”连线空接、虚接或正负极反接。
将对应端子正确连接。
若连接正确，则探头热电偶断。
更换热电偶。
变送器“℃”指示灯亮，LED显示为常温
若探头“加热炉”两端有电压输入或“加热炉”两端电阻值为∞,说明加热炉断路。
更换加热炉。
若探头“加热炉”两端无电压输入，且“加热炉”两端电阻值为150Ω±20Ω,说明变送器电路有故障。
返修变送器。
氧量值显示偏高
仪器安装后，从未进行校准或运行三个月以上未校准。
重新校准仪器。
探头安装点周围有漏气点。
采取密封方法或更换安装点。
探头“标气入口”未密封。
拧紧密封螺帽。

氧量值改变缓慢
探头积灰严重。
清除探头积灰。对于灰堵严重者，应考虑更换安装点。
探头安装在涡流或烟气流动性不好死角。
更换安装点。
探头安装点烟气温度过高，氧化锆元件老化。
更换元件，并将探头安装到适宜烟气温度点。