ZOA系列氧化锆氧分析仪新版说明书.doc

ZOA系列氧化锆氧分析仪说明书

华北电力集团华北电科院
北京博望东源科技

目 录

一、概述 （3）
二、工作原理 （3）
三、仪器组成和特点 （4）
四、关键技术指标 （5）
五、仪器设计说明 （5）
六、安装 （7）
七、调试及投运方法 （13）
八、故障检验及排除 （15）
九、附表 （17）
1．热电偶分度表 （17）
2．氧电势和氧含量（E-P）对照表（750℃） （18）
3．氧电势和氧含量（E-P）对照表（700℃） （19）
4．电流输出和氧含量对照表 （20）

一、概述
氧化锆氧分析仪是六十年代初逐步发展起来一个工业自动化控制仪表。它广泛用于电力、冶金、石油、化工、轻纺、造纸等工业领域多种燃烧控制，收到节省能源、降低污染目标，引发各界广泛重视。
用于工业炉窑燃烧尾气氧量测量氧化锆氧分析仪是经过控制风燃比，达成系统最好燃烧，抑制NOx和SOx生成，来实现节能和环境保护之目标。较比其它测量方法它含有结构简单，使用方便，直接插入烟道测量，反应速度快，测量范围宽，耐高温等一系列优点。该仪器已被列为国际中国家标准准化设计项目。
目前，中国已经有多个型号氧化锆氧分析仪在运行中，〈包含引进产品〉，大多数传感器在寿命和正确度上不尽人意。我们在研究中国使用环境同时，引进、消化、吸收国外优异技术基础上，率先研制出ZOA系列新型氧化锆氧分析仪，生产许可证：京制00000393，为工业现代化服务作出贡献。该系列仪表含有以下特点
1．结构品种齐全，含有直插式和导流直插式检测器结构，取样正确。
2．检测器采取全金属过滤器，能够有效过滤烟道粉尘，长久不堵，降低现场维护（该技术已获国家专利0306.1）。
3．检测器内置电极保护网，延长使用寿命（该技术已获国家专利03267187.3）
4．首创定温式和浮温式一体转换器设计，大大扩大使用范围和整机使用寿命。
5．转换器采取智能化设计，功效强，精度高，并设有多种功效键，随时检验仪器运行状态，含有自检、故障报警、保护功效。
6．仪器采取全浮空结构，提升稳定性和抗干扰能力。
7．仪器设有在线校准气路，随机可配标气，校准操作方便简捷。
二、工作原理
氧化锆氧分析仪关键是由氧化锆氧固体电解质组成一个浓差电池，即传感器：
其表示式：

氧化锆氧固体电解质在高温下（600℃以上）对氧离子表现导电性，若将其加热到600℃以上，并使其两侧接触不一样氧分压（浓度）时，在氧分压较高一侧（比如空气）电极上（阳极），氧分子取得电子成为氧离子，氧离子进入氧化锆固体电解质氧离子空穴中，从而使该电极带正电，氧离子经过氧化锆氧离子空穴快速迁移到氧分压（浓度）低一侧（阴度）电极上，释放电子还原为氧分子。使该电极带负电。其电极反应以下：
阳极边：（Po）O2＋4e→202-
阴极边：（Px）O2-－4e→02
总反应：（Po）O2→（Px）O2
电极反应达成平衡后，就形成一个浓差电势E，依据能斯特定律，其值为：
（1）
式中：E—— 电势（mV）
R—— 气体常数（=1.987卡／度·克分子）
F—— 法拉弟常数（=23060卡／伏·克当量）
T—— 热力学温度（K）
Po——参比气体氧浓度百分数，假如是空气为20.60％02
Px——被测气体氧浓度百分数（％）
选定T=750℃（T=1023K），将相关数值代入，得出公式：
（2）
依据（2）式可知氧电势E和被测氧浓度Px成单值对应关系，即Px=f（E）习惯上称这种测氧方法为定温式或自温式测氧；若只检测氧化锆传感器温度而并不对其进行控制，则被测气体氧浓度Px由T和E二者决定，即Px=f（T.E）习惯上称这种测氧方法为浮温式或它温式测氧。
就这两种测氧方法而言，定温式适适用于被测气样温度较低场所（低于600℃）而浮温式则对于中高温场所表现出更大灵活性。ZOA系列氧化锆氧分析仪将这两种方法融为一体，应认为是氧化锆测氧技术一个进步。
三、仪器组成和特点
氧化锆氧分析仪主机由检测器和转换器及防尘罩组成。ZOA系列氧表属于直插式，（特殊环境可制成导流直插式）其组成以下：

主机
附件
1、检测器
1、标准气体
2、转换器
2、防磨保护管
3防尘罩或过滤器
3、安装法兰
图1 系统组成示意图

成套仪表上述主机单元必备，附机部分用户可依据需要自备或订购。
1．仪表属直插式结构，扩散式采样，因为传感器不直接经受样气冲刷，传感器寿命较长。
2．首先提出采取低温测量，便于选择结构材料，探头整体寿命延长。
3．探头设计有校准气路和室温赔偿器，能够就地进行在线校准，确保仪器灵敏，正确，操作方便。
4．转换器智能化设计，多功效显示。数据处理部分采取80C196单片微机，精度高功效强，除显示传感器工作温度和被测气体氧含量之外，还能够显示传感器内阻及相关故障点，便于工作人员立即发觉和处理。
5．独到升温和控温系统把定温式和浮温式融合为一体，简化了设计，又大大扩展了使用范围。
6．仪表采取全浮空结构设计，既处理了系统接地问题，又有效地屏蔽系统之间干扰，加之设计有在线校准程序，就提升了系统稳定性，又确保了仪表正确度要求。
全套仪表还含有体积小，重量轻，安装维修方便等优点，大大减轻了操作人员劳动量。
四、关键技术指标：
1．测量对象：多种燃烧过程尾气含氧量。
2．测量范围：0－10%、0－20.6%（VOL%O2）
3．信号输出：0－10mA或4－20mA
4．转换器环境温度：－10℃—＋45℃
5．检测器采样温度：A≤650℃ B650℃—900℃
6．转换器型号：ZOA-1型 盘装
ZOA-2型 盘装
ZOA-3型 墙挂
ZOA-4型 盘装
7．检测器长度：180mm、400mm、600mm、1000mm或其它特定长度
8．校准方法：通标准气，提议使用1%（VOL%O2）
9．反复性：满量程±2%
10．线性误差：≤2%（满量程）
11．工作电源：220VAC
五、仪器设计说明
本氧化锆氧分析仪属于直插式结构，主机包含检测器和转换器。其次还包含炉体法兰、炉墙埋管、电缆线和标气等部件。下面就主机设计加以说明
1．检测器设计
检测器关键由氧化锆传感器、壳体、加热炉和接线盒等部件组成。
关键部件氧化锆传感器是由一支涂制好电极氧化锆管，采取特殊高温密封技术，牢靠粘结在一个耐高温合金钢金属法兰上做成。用4支合金钢螺栓将其固定在检测器壳体上，中间加上一个金属垫，确保密封。上述工艺要求是确保高温下工作不发生泄漏现象。（示意图图2）

图2 检测器示意图
1．标准气导管 2．氧化锆传感器 3．检测器壳体 4．加热电炉
5．热电偶 6．检测器法兰 7．参比气输入口 8．标准气输入口
9．接线盒

检测器中加热炉是供加热用。它在热偶配合下，可使传感器稳定工作在适宜温度上。应指出加热炉最大加热功率只有80W，炉体涂有耐高温保温绝缘材料，设计合理，是确保该检测器使用寿命较长方法之一。
检测器设计有校准气路，可进行就地在线校准。将标气按一定流量由检测器尾 部接线盒上“标气入口”进入，经过校准导气管流到氧化锆传感器测量极，快速得出 反应。应指出：校准管也是经过认真考虑。它能够在极短时间内用标气排开和屏蔽本 底气，使测量结果灵敏、正确、可靠。
因为检测器参比极直通大气，参比气靠热对流更新，故“参比气入口”只用于校准前对参比电极吹洗，平时直通大气。 注：标气入口密封螺钉用时打开，用后拧紧。
接线盒是检测器和转换器“联络部”内设四对8根接线端子，经过电缆可将检测器产生电信号和转换器发出指令变成动作信号。
2．转换器设计
转换器关键由小信号隔离放大，单片机数据处理，显示及键盘，电源组成。
①小信号隔离放大
小信号隔离放大部分是由两路飞渡电容隔离小信号放大器组成，其中一路用于放大氧电势信号。另一路放大热电偶信号。其含有输入、输出、电源三隔离，抗干扰能力强特点。是我们综合中国外优异技术研制而成，对处理系统连接时电位匹配，抑制来自检测器和系统各部分之间干扰、串扰，屏蔽若干个装置之间地电位等问题，含有独特之功效。
②数据处理和显示
其由80C196单片机配以对应外围电路组成。关键包含模拟量转换，数据处理、显示、键盘、模拟量输出、控温等功效单元。图3所表示。模拟量转换部分：采取8路模拟开关4051，分时将所需转换各路模拟量送入80C196单片机片内A／DACH4口，完成A／D转换。

图3 转换器数据处理部分框图
数据处理部分：是将氧电势信号折算到氧含量值，并送出相对应模拟量输出值。实现温度值采集运算，及仪表修正等。
显示键盘部分：采取4位LED数码显示氧含量及部分关键参数数值、单位等。同时含有报警及故障符显示。键盘用以实现人机对话。以上功效由专用芯片8279完成，减轻了CPU负担。
模拟量输出部分：由80C196高速输出口HSOO组成10位PWM信号经平滑滤波、压流转换输出对应于氧含量线性标准信号（0—10，4—20mA）
控温部分：传感器工作温度是一关键参数，必需对其检测，并加以控制。对于定温式测氧，我们将其控制在750±2℃或700±2℃，而对于浮温式我们只将其控制在传感器工作温度点以上即可，由程序代入温度值参与运算。
六、安装
1．安装前准备
（1）选型和选点
选型和选点必需遵照以下三标准：
① 依据欲测试点气样温度进行选型，低温应小于600℃，中温600℃～900℃；
② 测点气样应具代表性：即应流动好，探头长度合适；
③ 便于安装和维护。
选好点后可进行开孔和植入炉墙埋管。炉体法兰和炉墙埋管尺寸由图4给出。

图4 安装法兰

（2）转换器外型尺寸及开孔见图5a和图5b
（3）备好M12X50或M14X50螺钉及对应螺母垫圈等。
（4）按下表条件准备两根电缆，长度视现场实际路径而定，通常不得超出100m，信号线和电炉加热电源线应分别铺设。若现场已含有赔偿导线，则可省去两根温补信号线，以其连接检测器和转换器间温度信号。而此时应将检测器CJ处温度传感器AD590拆下，装到转换器CJ处即可。请注意正负极性。

60℃以下
60—80℃
80—150℃
信号电缆
1）氧电势信号
2）温度信号
3）温补信号
六芯电缆每芯截面积为1.25mm2，带聚氯乙烯绝缘保护
六芯电缆每芯截面积为1.25mm2，带聚氯乙烯绝缘保护
六芯电缆每芯截面积为1.25mm2，带600v级硅橡胶，绝缘及玻璃纤维辩保护层
加热炉电缆
每根截面积为2mm2

（5）安装前检验
a．冷状态初检：转换器进行外观及绝缘检验，检测器检验：（1）端子1、2间电阻应大于2MΩ。（2）端子3、4间电阻应小于10Ω。（3）端子7、8间电阻应在80Ω左右。（4）除氧电势CELL负极外，其它各端子对地绝缘电阻应大于40MΩ。
b．热状态检验：按接线图正确连接，图6、7、8示。打开电源开关，等仪表转入正常测量后，测量热电偶信号以确定工作温度是否控制在750℃±2℃或700±2℃，测量检测器端子1、2间电阻（注：正反极方向各测一次取均值）应小于100Ω。

图5a 转换器外型图

图5b 转换器开孔尺寸图

图6 检测器接线盒部署图

图7 转换器端子板部署图

图8 转换器、检测器接线图
2．安装
（1）检测器安装
a．检测器安装应满足下列条件
① 尽可能避免机械震动；
② 试样气体温度和压力均在标准规格之内.炉体密封好，检测器尽可能向烟气下游装，以降低检测器处烟气温度。为了造成微正压，取气点处周围下游烟流通路稍小些：
③ 周围环境温度在标准范围之内；
④ 测头处应避免高温辐射和高辐射蒸汽影响；
⑤ 避免灰尘及腐蚀性气体；
⑥ 提供充足维护空间。
b．炉墙开孔和法兰焊接
在安装位置确定后，便可进行炉墙开孔，将炉墙埋管置入，用高温水泥固定密封。开孔图4示。检测器外形及尺寸图9。

图9 检测器外形尺寸图

（2）转换器安装
转换器用固定支架固定于盘柜之上，同时应满足下列条件：
a．尽可能避免机械震动；
b．避免腐蚀性气体；
c．周围环境在标准范围之内；
d．避免太阳直射、热辐射、水蒸汽及干热空气；
e．避免强磁场干扰；
f．避免动力线、马达、励磁继电器、泵等干扰；
g．提供充足维护空间；
h．转换器尽可能靠近检测器，距离不宜超出100M。

图10 中低温型检测器安装示意图

安装注意事项
（1）正确接线，接点扭紧，检验绝缘；
（2）炉墙埋管，炉体法兰焊接，各法兰之间一定要密封，不得漏气；
（3）探头标准气入口测量前一定是拧紧密封，只有在通标准气校按时才打开，校准完后重新拧紧密封，参比气口应敞开；
（4）低中温型采样方法类同，图10、11所表示；

图11 高尘烟气加防磨保护管安装示意图

七、调试及投运方法
1．投运前检验
（1）通电前应按接线图检验连线是否正确
（2）值得注意多个问题
a）地线是否正确无误地接到大地；
b）检验是否有不应该接地处接地。线路之间是否有任何绝缘不良现象；
c）加热炉炉丝连线和检测器外壳之间电阻应大于2兆欧姆；
d）将转换器端子上电池“CELL”和加热器“HTR”四根导线拆下，测量氧电池和电炉炉丝之间电阻，以判定二者是否在检测器内部有短路之处；
e）检验电池“CELL”正极和热偶信号任一端是否有短路之处。
（3）检验电源是否为220VAC＋10％
2．投运
（1）以上检验确定无误后，即可上电投入运行。
（2）程序控制升温阶段
a）上电后仪表首先显示E— — 。此阶段属仪表故障自检阶段，连续约10秒钟，若仪表无故障则显示，接着交替显示升温符 和目前传感器（锆管）工作温度×××℃。
b）若仪表有故障，则闪烁显示对应错误符号并关断加热器电源以保护检测 器，符号含意以下：
Err5—温补回路故障
Err6—热偶回路故障
若出现上述故障，则应重新检验、排除故障后方可再次上电投运。
c）温度均匀上升至750℃或700℃时，若方法选择置于测量位置，则自动转入测量阶段，显示目前氧体积百分含量x．xx％，并对故障巡检。若方法选择置于维护位置，则转入维护阶段，并显示符号
3．维护操作
在测量状态，面板上触摸键处于锁定状态，不起任何作用，只有在维护状态方可进行操作，面板图12示。
（1）温度键：按下此键，则显示目前传感器（锆管）工作温度×××℃
（2）“氧电势”键：按下此键，则显示目前氧电势×××mV
（3）“Rl”“R2”键：R1、R2键和内阻开关组合使用，用于测量传感器（锆管）内阻。
具体操作以下：a）按下R1键则显示r．Ω
b）将内阻开关打到“通”位置，稍候2-3秒。
c）按下R2键，则显示传感器（锆管）内阻值。×××Ω
到此内阻测量操作结束，应将内阻开关打到“断”位置。
* 注意在正常测量时，内阻开关一定要打到“断”位置。

图12 转换器面板部署图

（4）“故障检验”键，按下此键则对仪表故障进行巡检，若无故障则闪烁显示正确符号□□□□若有故障则闪烁显示错误符号，含意以下：
Errl 校准数据超差故障
Err2 传感器工作温度低故障（低于730℃）（或低于680℃）
Err3 传感器工作温度高故障（高于780℃）（或高于730℃）
Err4 氧电势回路故障
Err5 温补回路故障
Err6 热偶回路故障
Err7 修正数据使能开关未打开
（5）“空气校准”“给定”“写入”键。此组键为在线校准操作用，具体操作以下：
注意：ZOA系列氧分析仪为预防非维护人员误操作而带来无须要麻烦，特在仪器面板上设置两个暗键（即未标明，但有显著凸起手感）在八个标明按键左中部是“修正数据使能开关”，右中部是“数据清除开关”
a）将方法选择置于“测量”位置。打开检测器“标准气入口”通入空气，待显示稳定后，用万用表测量检测器输出氧电势并将其值输入到转换器中。具体操作以下：将方法选择置于“维护”位置，按下“空气校准”键此时显示值为上次所输入零点电势值（出厂时设为0.0mV即对零点电势不做修正），以后每按下“空气标准”键一次氧电势增加0.1mV.直至于5.0mV后循环到-5.0mV，按上述方法输入零点电势。（注意正负）再将方法选择打到“测量”即可完成零点修正。
b）将方法选择置于“测量”位置。在“标准气入口”通入标准气（0.5％－2.5％）其流量控制在500ml/min左右，待显示稳定后：将方法选择置于“维护”位置。
c）按下“给定”键，每按一次数值增加0.01％，（0.50－2.50％之间循环），待数值增至和所通标气氧含量一致时，用左手按住“修正数据使能开关”，右手连续两次按下“写入”键，若显示----则表明写入成功，不然显示Err7。关闭标准气。并将“标准气入口”密封拧紧。
d）“数据清除开关”在“测量”状态或“维护”状态氧电势方法下全部起作用。按下“数据清除开关”将清除上次所做修正数据，包含“零点电势”和“给定”数值。即对仪器不做任何修正。至此全部在线校准操作完成，其校准数据存入机内EEROM中。掉电不会丢失。将方法选择置于“测量”位置即可。注意：在正常测量时“标准气入口”必需用螺钉加密封带拧紧、密封
(6)输出设置
输出设置短接块（唯一）在线路板左上角，短接时对应输出关系为0－10％O2，断开时为0－20.6％O2，分别对应4-20mA和0-10mA。出厂时设置为短接。
八、故障检验及排除
1．氧电势故障可从以下方面考虑
a）检验转换器和检测器之间电缆接线是否完好。
b）检验端子螺钉是否松动或被腐蚀。
c）在其工作温度为750℃时或700℃时，从端子上拆下检测器“CELL”信号，用万用表直接测量氧电池内阻，阻值小于800Ω为正常。
d）从烟道中取出探头，检验电池是否已损坏，如仍未发觉问题，可和厂家联络修理。
2．温度低故障，可从以下方面考虑
a）检验接线是否有误，端子是否拧紧，是否被腐蚀。
b）检验80V／2A保险丝是否烧断。
c）检验加热炉（冷态时）阻值是否在80Ω左右。
d）检验热电偶阻值，以判定热电偶是否烧断，在检测器端子上测量热电偶内阻应小于3.5Ω，在转换器端子上测量其值应小于12Ω。
e）升温过程正常，升温慢，升不到750℃或700℃，可能是功率不够，此时应检验可控硅是否正常导通。具体方法是先将仪表复位、紧接着测量仪表端子HTR间电压应为交流0V左右。在650℃以上时，HTR间电压应为交流80V左右。
若出现加热炉和热电偶烧断，可和厂家联络修理。
3．温度高故障可从以下方面考虑
若出现温度高报警（红色指示灯亮）则应测量热电偶信号，加以确定实际温度。若实际温度低而显示温度高，则通常为温补回路故障，若实际温度和显示温度全部高，则应检验控温回路，具体做法为在转换器9、10端子处测量其交流电压正常控温时应为通、断状态交替出现，在温度高于750℃或700℃时，应为0V。上述现象适适用于定温式测量。而浮温式测量则是在650℃以上自动停止加热，若出现温度高报警，则应重新考虑采样点选择。
4．值得注意问题
若氧含量显示值比工艺值高很多，则应检验法兰及炉墙埋管之间是否密封，标准气入口是否密封、拧紧，若显示值随炉压波动较大忽高忽低说明氧电池完好，关键是由漏气造成。

尤其说明
为提升检测器使用寿命，降低传感器工作温度，Z0A系列氧化锆氧分析仪尤其设计了700℃工作温度点，故此对应刻度方程应为E=48.271g20.6/Px，相对和750℃工作温度点就测量来讲无差异，区分仅为氧电势和氧含量对照表不一样，用户可依据所使用转换器工作温度分别查对附表2-1、或附表2-2。