ZO系列氧化锆氧量分析仪使用说明书.docx
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ZO系列氧化锆氧量分析仪使用说明书
3 仪器主要技术参数ﻩ３
4仪器简介ﻩ3
4、２各部分简介ﻩ４
４、2、1探头简介４
4、２、2 变送器简介ﻩ4
4、2、2、２ 基本操作5
4、2、2、3基本设置6
５仪器检验ﻩ６
6仪器安装8
6、1安装前得准备8
6、1、1探头安装位置得选择８
6、1、2 炉体法兰得焊接ﻩ9
6、1、3 现场布线9
6、2、1变送器得安装1０
6、2、2探头得安装1０
6、3现场连线11
7仪器校准ﻩ11
7、1 校准前得准备1１
7、２校准方法ﻩ１1
８ 仪器日常维护与常见故障排除ﻩ1３
8、１ 仪器日常维护ﻩ1３
1概述
氧化锆氧分析仪主要用于测定锅炉烟气中得氧分压即氧气得体积百分数含量（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；
●炼油厂加热炉与输油管道加热炉；
● 冶炼厂加热炉与均热炉;
● 化工、轻纺、食品加工、制药、水泥与采暖等企业得工业锅炉。
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,且排出得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,但过剩空气带走得热量多,也导致热效率降低,同时过量氧气使烟气中硫化物与氮氧化物含量增大,同样导致环境污染。
因此，通过安装氧化锆氧分析仪，在线实时监测烟气中得氧含量,调节空气与燃料得最佳配比,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,就是中国核科学技术得发祥地,就是以核科学为主、多学科并存得综合性大型科研基地，就是我国“两弹一艇”事业得摇篮。
氧化锆开发研究室就是院下属得集科研、产品开发与市场营销为一体得综合性实体，从事氧化锆测氧技术得研究已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得基础上,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,该产品通过ISO9０0１国际质量体系认证。
此后，我院开发并推出了防硫型、高温型等多种型号得氧化锆氧分析仪，以满足不同用户得需求.
2仪器测量原理
ZO系列氧化锆氧分析仪就是利用氧浓差电池原理来测定气体①中氧含量得电化学分析仪器.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得氧含量不相等时,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）
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,%。
由于受各种因素得影响,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，校正后得到新得方程:
（2）
本设计中P0为空气中氧含量（21、00％）,k与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，计算出被测气体得氧含量P值。
①严格地说，氧化锆氧分析仪测量得就是惰性气体中得氧含量，当烟气中含有可燃性气体时，测得得氧含量值将偏小。
３ 仪器主要技术参数
●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×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℃最佳）；
●安装点允许最大压差:
2KPa；
●环境温度：
变送器—5℃~55℃,探头＜70℃;
●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7５0℃得ＺO-１2B探头为例说明。
若工作温度不同,将文中涉及温度7５0℃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
该仪器主要由探头与变送器两大部分组成。
探头实际上就是一种装有氧化锆电池得氧传感器，其主要作用就就是输出被测氧量所对应得电势信号值.变送器主要有两大功能:
一就是稳定控制探头得工作温度;二就是将从探头输入得电势信号值转换为对应得氧量值,并将氧量值转化为对应得电流值输出。
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:
氧化锆元件就是探头得核心部件，由其产生电势信号;加热炉将氧化锆元件加热到设定得工作温度；热电偶作为温度传感器，用来测量加热炉得温度；信号引线将氧化锆元件所产生得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、接线端子与机箱等组成。
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,探头产生得氧浓差电势信号、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ＤC 4ｍＡ～2０ｍＡ得电流信号输出。
4、2、2、2基本操作
变送器得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），显示相关得参数值。
左侧为参数显示状态指示灯,ＬED显示得数值为指示灯亮者所对应得参数值。
右侧分别为空气校准与标气校准电位 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，“℃”指示灯亮,LＥD显示探头加热炉温度值②。
当加热炉温度达到60０℃时,“%O2”指示灯亮,变送器电路将自动运算并显示测得得氧量值.此后,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。
①仪器校准得具体操作详见第7章“仪器校准”部分.
②如果安装得就是新探头，开机后可能出现 “mＶ”指示灯亮、LED显示为“ＨＨHＨ”并闪烁得现象，这就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自检功能就是为诊断变送器运算电路就是否正常而设置得,其自检氧量值不代表探头所测氧量值。
４、２、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得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DＣ４mA~20mA都就是分别与该量程对应得值;当把跳线插在右边两个并排得引脚上即远离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都就是分别与该量程对应得值．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与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得质量检验,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得电阻值，判断在运输中有无造成断线或接触不良现象②。
（2）判断无故障后,用符合要求得三组导线（参考6、1、３节）分别将探头“加热炉”、“热电偶"与“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℃后,仪器自动转为氧量值显示③。
按住操作面板上得自检键,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,而与变送器本身得氧量值显示无关．
2对于ＺO－12Ｂ型探头，加热炉阻值一般为1５0Ω±20Ω,热电偶阻值一般为３、５Ω±0、5Ω。
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得电阻及电势值，若电阻小于1KΩ、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得“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。
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安装前得准备
6、１、1 探头安装位置得选择
正确选择探头安装点,对于提高测量准确性与延长探头使用寿命有着重要意义。
选择安装点得原则:
●安装点得烟气温度不宜过高，否则会缩短探头得使用寿命,推荐安装点最佳烟气温度在30０℃～500℃范围内；
●安装点应选在烟气流动性好得位置，切忌安装在炉内侧、死角、涡流或缩口处。
因为炉内侧与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,有利于探头得安装、校准与维护;
●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。
对于电厂锅炉与工业炉来说,推荐安装点如图6所示．旁路烟道安装图如图7所示。
图6电厂锅炉与工业炉推荐安装点 图7旁路烟道安装图
6、1、２ 炉体法兰得焊接
ＺO系列氧化锆氧分析仪得 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得密封性,用户需自备一段长度等于炉壁厚得Ф102ｍm×5mm得炉墙管与一块约５ｍm厚得方形钢板（大小视现场情况而定）．在方板中心开一个 图８ 炉体法兰
Ф90mm得圆孔，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）。
图9 炉体法兰得焊接
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。
6、2安装
６、2、1 变送器得安装
墙挂式即（Q）型变送器就是
靠四个M6×２０得螺栓（用户自备）安装在现场得合适位置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×宽）分别为1５３mｍ×1５３ｍm、７6mｍ×153mm（卧式）与1５3mm×７6mm（立式）.
6、2、2 探头得安装
探头可在停炉状态下安装，也可以在开炉状态下安装,其安 图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.
图11探头安装示意图 图12探头法兰尺寸图
①Q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,但要注意以下环节:
●探头内得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;
●探头过滤器得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
待变送器与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校准前得准备
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℃时，变送器自动显示氧量值。
当温度达到750℃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,即空气校准与标气校准．
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”。
①详见“4、2、2、2 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．
图13仪器校准示意图
●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,以免影响校准得准确性.
●校准完毕时,一定要先从“标气入口”拔下连接软管，再关闭减压阀与气瓶阀。
●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．
●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。
否则,由此造成损失将由用户承担。
8、2 常见故障得分析与排除
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。
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
对于刚安装得探头来说，可能就是因保温材料内残存水分过多,造成电势信号超量程。
属于正常现象,一般情况下开机后1小时左右仪器将正常工作。
变送器与探头之间“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
变送器与探头之间“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”两端有电压输入或者“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得死角。
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。
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