概述仪器测量原理仪器主要技术参数仪器简介4.1仪器组成4.2各部分简介4.2.1探头简介4.2.2变送器简介4.2.2.1基本结构4.2.2.2基本操作4.2.2.3基本设置5仪器检验6仪器安装6.1安装前的准备6.1.1探头安装位置的选择6.1.2炉体法兰的焊接106.1.3现场布线116.2安装12ZO系列氧化锆氧分析仪6.2.1变送器的安装122126.3现场连线136.2.2 探头的安装137.1校准前的准备137仪器校准148.2常见故障的分析与排除167.2 校准方法8仪器日常维护与常见故障排除158.1 仪器日常维护15中国原子能科学研究院Z0系列氧化锆氧分析仪1 概述氧化锆氧分析仪主要用于测定锅炉烟气中的氧分压即氧气的体积百分数含量（简称氧含量或氧量），对于保障锅炉运行安全、提高燃料燃烧效率及减少环境污染将起到重要作用其应用场所主要有：•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、水泥和采暖等企业的工业锅炉燃料燃烧效率与空气过剩系数密切相关在燃烧过程中，当空气过剩系数太小即氧量不足时，由于燃料未充分燃烧而导致热效率降低，且排出的未完全燃烧气体也将对导致环境污染；而当空气过剩系数太大即氧量过多时，虽然能使燃料充分燃烧，但过剩空气带走的热量多，也导致热效率降低，同时过量氧气使烟气中硫化物和氮氧化物含量增大，同样导致环境污染。
因此，通过安装氧化锆氧分析仪，实时监测烟气中的氧含量，调节空气和燃料的最佳配比，实现优化燃烧，在节能减排与安全环保等方面具有重要意义中国原子能科学研究院始建于1950年，是中国核科学技术的发祥地，是以核科学为主、多学科并存的综合性大型科研基地，是我国“两弹一艇”事业的摇篮氧化锆开发研究室是院下属的集科研、产品开发和市场营销为一体的综合性实体，从事氧化锆测氧技术的研究已30余年，编写了国内本行业第一本专著：《氧离子固体电解质浓差电池与测氧技术》该技术曾先后多次荣获国家发明奖及部科技成果奖在这一系列科研成果的基础上，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比中荣获一等奖2001年，亥产品通过ISO9001国际质量体系认证此后，我院开发并推出了防硫型、高温型等多种型号的氧化锆氧分析仪，以满足不同用户的需求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中氧含量的电化学分析仪器在理想状态下，当氧化锆元件达到工作温度且内外电极表面的氧含量不相等时，便构成一个氧浓差电池，产生电池电动势，电池电动势与电极表面氧浓度关系符合能斯特(Nernst)方程：(1)RT-P式中：E—浓差电池电动势，mV;R—气体常数，8.3145J・mol_iKi;F—法拉第常数，96485.309C・mol-i;T—绝对温度，K;P0—参比气体氧分压，%；P—被测气体氧分压，%。
由于受各种因素的影响，实际测量并非在理想状态下进行，因此需要对(1)式进行校正，校正后得到新的方程：2ZO系列氧化锆氧分析仪厂中国原子能科学研究院2）PE=kIn0+E,mp0本设计中P°为空气中氧含量（21.00%）,k和E0值均可以通过校正得到通过测定氧化锆电池电势信号Em，并将其输送至变送器，变送器将根据（2）式，计算出被测气体的氧含量P值① 严格地说，氧化锆氧分析仪测量的是惰性气体中的氧含量，当烟气中含有可燃性气体时，测得的氧含量值将偏小3 仪器主要技术参数•测量范围：0~25.00Vol%02;• 测量精度：1级；•量程选择：0~10Vol%O2或0~20Vol%O2;•工作温度①:750°C±5°C;• 响应时间：＜3秒（达到90%）；•输出方式：DC0~10mA或DC4mA~20mA电流线性输出；•探头长度②:500mm-1200mm;•变送器箱体尺寸（高X宽X深）:墙挂式（Q型）：320mmx240mmx110mm;盘装式（P型）：160mmx160mmx400mm;80mmx160mmx320mm（卧式）;160mmx80mmx320mm（立式）；•直插式探头安装点烟气温度：《600工（300-500工最佳）;•安装点允许最大压差：2KPa;•环境温度：变送器-5°C~55°C,探头v70°C;•工作电源：AC220V±22V,50Hz。
① 对于不同型号探头，其值可能略有不同，本文均以工作温度为750C的ZO-12B探头为例说明若工作温度不同，将文中涉及温度750C改为对应工作温度值即可② 不同型号探头长度不同4仪器简介4.1 仪器组成该仪器主要由探头和变送器两大部分组成探头实际上是一种装有氧化锆电池的氧传感器，其主要作用就是输出被测氧量所对应的电势信号值变送器主要有两大功能：一是稳定控制探头的工作温度;二是将从探头输入的电势信号值转换为对应的氧量值，并将氧量值转化为对应的电流值输出4.2 各部分简介4.2.1 探头简介探头由氧化锆元件、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，其结构如图1所示：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.接线盒各主要部件作用：氧化锆元件是探头的核心部件，由其产生电势信号；加热炉将氧化锆元件加热到设定的工作温度；热电偶作为温度传感器，用来测量加热炉的温度；信号引线将氧化锆元件所产生的电势信号输送到变送器4.2.2 变送器简介4.2.2.1 基本结构变送器主要由主电路板、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，探头产生的氧浓差电势信号、热电偶电势信号经分别放大后，5中国原子能科学研究院ZO系列氧化锆氧分析仪奄UT中国原子能科学研究院ZO系列氧化锆氧分析仪由多路选择开关将其输入A/D转换器，经A/D转换后由CPU根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，最后得到DC0-10mA或DC4mA~20mA的电流信号输出4.2.2.2 基本操作变送器的基本操作都在操作显示面板上完成变送器操作显示面板如图3所示各部分功能：中央为LED数码显示管（以下简称LED）显示相关的参数值左侧为参数显示状态指示灯丄ED显示'•%o5v2乜C'cal氧化锆氧分析仪Zirconia,OxygenAnlyzer口匚;匸可S空气校准'_Leaircalib标气校准stangascalibU耳II二二.币、自检•.电势温度测量.校准■■TestEmTmpTestCal的数值为指示灯亮者所对应的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，以提高测量精度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，“°C”指示灯亮,LED显示探头加热炉温度值②当加热炉温度达到600C时，“％O2”指示灯亮，变送器电路将自动运算并显示测得的氧量值此后丄ED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"指示灯亮丄ED显示电池电势信号值；当按住温度时,“C”指示灯亮,LED显示加热炉温度值；当按下标定时，“cal”指示灯亮，此时可以校准仪器；校准以后按下测量,LED显示被测氧量值，仪器进入测量状态护】①仪器校准的具体操作详见第7章“仪器校准"部分② 如果安装的是新探头，开机后可能出现“mV”扌旨示灯亮、LED显示为“HHHH”并闪烁的现象，这是由于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，一般情况下，开机后1小时左右仪器将正常工作③ 自检功能是为诊断变送器运算电路是否正常而设置的，其自检氧量值不代表4.2.探头所测氧量值2.3基本设置量程设置：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的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DC0~10mA或DC4mA~20mA都是分别与该量程对应的值；当把跳线插在右边两个并排的引脚上即远离S1位置时，选择氧量量程为0~10%，此时电流输出值DC0~10mA或DC4mA~20mA都是分别与该量程对应的值。
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：DC0-10mA和DC4mA~20mA初始电流设置为DC4mA-20mA信号输出，如用户需要DC0-10mA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的质量检验，并附合格证，但运输过程中可能因碰撞使其损坏因此，用户在使用仪器前，应先进行开箱检验，判断仪器正常后方7奄!厂中国原子能科学研究院ZO系列氧化锆氧分析仪可上炉安装具体操作步骤如下：（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的电阻值，判断在运输中有无造成断线或接触不良现象②2）判断无故障后，用符合要求的三组导线（参考6.1.3节）分别将探头“加热炉”、“热电偶”和“信号”接线端子与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，当达到600工后，仪器自动转为氧量值显示③按住操作面板上的自检键，若显示为‘5.00±0.20”，说明变送器氧量转换系统正常巴①量程转换只影响对应电流输出值，而与变送器本身的氧量值显示无关②对于ZO-12B型探头，加热炉阻值一般为1500±200,热电偶阻值一般为3.50±0.50。
对于不同型号产品，其值略有不同③ 详见“4.2.2.2基本操作”部分5-）稳定一段时间后，测量探头信号线两端的电阻及电势值，若电阻小丑KQ、电势绝对值逐渐减小且稳定后小于10mV,表明探头完好，可以进行现场安装•将探头与变送器相应端连接时，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的“信号”、“热电偶”或“加热炉”接线端，否则，将造成仪器损坏，损失由用户承担墙挂式变送器接线端子探头接线端子加热炉信号热电偶图4墙挂式变送器与探头接线图图5盘装式变送器与探头接线图6 仪器安装6.1 安装前的准备6.1.1 探头安装位置的选择正确选择探头安装点，对于提高测量准确性和延长探头使用寿命有着重要意义选择安装点的原则：•安装点的烟气温度不宜过高，否则会缩短探头的使用寿命，推荐安装点9中国原子能科学研究院ZO系列氧化锆氧分析仪最佳烟气温度在3000C~5000C范围内；•安装点应选在烟气流动性好的位置，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变化响应滞缓，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，有利于探头的安装、校准和维护；•安装点负压不能过大，一般应＜2KPa，以免产生测量偏差；• 安装点附近应绝对密封，不应出现漏气现象，否则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，推荐安装点如图6所示旁路烟道安装图如图7所示图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 炉体法兰的焊接ZO系列氧化锆氧分析仪的1（「ZO系列氧化锆氧分析仪炉体法兰大小相同，但长度不同炉体法兰结构示意图如图8所示为了保证炉体法兰在焊接后有良好的密封性，用户需自备一段长度等于炉壁厚的e102mmx5mm的炉墙管和一块约5mm厚的方形钢板（大小视现场情况而定）在方板中心开一个图8炉体法兰e90mm的圆孔，将炉体法兰焊在该孔中，方板再与炉墙管焊接在一起（参考图9）焊接密封炉墙管图9炉体法兰的焊接6.1.3 现场布线变送器与探头之间用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-镍硅补偿导线;•加热炉线：1.2mm2~1.5mm2，双芯普通电缆11屯UT中国原子能科学研究院ZO系列氧化锆氧分析仪6.2.1变送器的安装AS1006.2 安装12墙挂式即（Q）型变送器是靠四个M6x20的螺栓（用户自SHHH备）安装在现场的合适位置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X宽）分别为153mm中国原予能科学研究陆x153mm、76mmx153mm（卧式）和153mmx76mm（立式）。
6.2.2 探头的安装探头可在停炉状态下安装，也可以在开炉状态下安装，其安10墙挂式变送器安装图装示意图如图11所示由图可见，安装时将探头用4个螺栓固定在炉体法兰上即可，探头法兰标准尺寸如图12所示栓烟气流向；；.；■■：M.t.讶;埶■■■J.7、1・r«炉墙炉体法兰石棉垫圈探头法兰厂中国原子能科学研究院ZO系列氧化锆氧分析仪图11探头安装示意图图12探头法兰尺寸图14①Q型变送器安装点环境温度为-5°C~55°C,并注意防水、防尘探头安装操作十分简单，但要注意以下环节：• 探头内的核心部件为陶瓷易碎品，搬运时应轻拿轻放，避免剧烈振动，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；• 探头过滤器的金属面必须对着烟气流向，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毕后，按要求用三组导线将变送器与探头相连7 仪器校准7.1 校准前的准备确认仪器连线准确无误后，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当温度达到600°C时，变送器自动显示氧量值。
当温度达到750C并稳定后，仪器进入测量状态虽然仪器进入测量状态，但在运行前期测量值可能有较大偏差或波动，这属于正常情况一般探头大约需要运行24小时后，显示值才能趋于平稳，虽然此时指示正常，但测量结果并不一定十分准确，应该进行校准工作7.2 校准方法本仪器采用两点校准法，即空气校准和标气校准第一步为空气校准，操作步骤如下：（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，调节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”0①详见“4.222基本操作”部分第二步为标气校准，操作步骤如下：（1）将标气校准装置按图13所示与气瓶连接好；（2）确认减压阀处于关闭状态后，打开气瓶阀；（3）缓缓打开减压阀，将标气流量调节为300ml/min~500ml/min;（4）将连接软管与探头“标气入口”相连，将标气通入探头，此过程应保证不漏气；（5）通气约1分钟后，调节变送器面板上“标气校准”电位器，将氧量显示值调为标准气体氧量值即可厂中国原子能科学研究院ZO系列氧化锆氧分析仪*•应先进行空气校准，再进行标气校准• 应先调好标气流量，再将连接软管与探头“标气入口”相连，否则可能因气体流量过大而导致氧化锆元件破裂。
• 校准过程中，应保证不漏气，以免影响校准的准确性• 校准完毕时，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•校准完毕后，应拧紧“标气入口”螺帽，否则空气进入将使氧量测量值偏大8 仪器日常维护与常见故障排除8.1仪器日常维护仪器日常维护应注意以下几个方面：• 变送器在发货前已调试好，用户不应调节其内部电位器，以免影响测量线性及精度；• 探头安装24小时以后应校准，以后可根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A•探头氧化锆兀件为陶瓷产品，高温时遇水即炸裂，使用时切忌淋水否则，由此造成损失将由用户承担8.2常见故障的分析与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18故障现象原工分析排除方法对于刚安装的探头来说，可能属于正常现象，一般情况下开变送器“mV”是因保温材料内残存水分过机后1小时左右仪器将正常工指示灯亮，LED多，造成电势信号超量程变送器与探头之间"信号"连将对应端子正确连接线空接、虚接或正负极反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与探头之间“热电偶”变送器“°C”指连线空接、虚接或正负极反将对应端子正确连接。
示灯亮,LED显接示为“HHHH”若连接正确，则探头热电偶并闪烁更换热电偶若探头“加热炉"两端有电压输入或者"加热炉"两端电阻更换加热炉变送器“C”指值为8,说明加热炉断路示灯亮,LED显若探头“加热炉"两端无电压示为常温输入，且“加热炉"两端电阻返修变送器值为150Q±20Q说明变送器电路有故障仪器安装后，从未进行校准或重新校准仪器氧量值显示偏高运行三个月以上未校准探头安装点附近有漏气点采取密封措施或更换安装点探头“标气入口”未密封拧紧密封螺帽氧量值变化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的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，并将探头安装到合适烟气温度点。