ZOS系列氧化锆分析仪.docx
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ZOS系列氧化锆分析仪
一、概述和用途
ZOS系列氧化锆分析仪是由智能化分析仪和氧化锆氧量计（简称氧探头）
组成。
该仪器的工作原理是基于电化学原理，检测元件是利用氧化锆（ZrO2）制成的固体电解质，其在高温下具有传导氧离子的特性，当固体电解质两侧存在氧浓度差时，即有一与浓度成一定关系的电势产生，对此电势作补偿计算，从而可准确反映氧量。
ZOS系列氧分析仪是一种新颖的智能化工业自控仪表，它可以对诸多工业炉窑烟气中的氧含量快速、准确、在线地进行检测、比较、分析，减少低氧燃烧造成的污染，确保生产过程的安全和经济性。
因此，ZOS系列氧化锆氧分析仪可广泛用于电力、化工、冶金、石油、轻工纺织领域中的燃烧控制，也可应用于电子元件、磁性材料等高温烧结的保护性气氛中的微量含氧分析。
ZOS系列分析仪是内部采用单片微机组成的智能化仪表，它可以对氧探头送来的氧浓度差电势进行测量、比较，用“能斯特”公式实时地计算出烟气中的氧含量，并且在计算中引入双参数校正法，具有氧探头本底电势调节功能，弥补了氧探头的离散性缺陷，延长氧探头使用寿命。
本氧分析仪还可对氧探头实行准确、可靠的恒温控制，ZOS氧分析仪具有氧电势、温度、氧百分比浓度及本底电势显示，还具有0—10mA或4—20mA隔离模拟输出，带负载能力大，并且量程0—10%O2或者0—20.%O2相对应的标准输出可以主板一次设定。
其日常维护十分方便。
二、技术指标
1、测氧范围：
0—20.6%O2
2、仪器精度：
测氧基本误差±3%满量程值（含探头）
3、变送器精度：
1.0级（≤1.0%满量程值）
4、温控精度：
恒温点的±5℃（恒温点450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃，可一次设定）
5、响应时间：
≤2秒（达到90%的响应）
6、模拟量输出信号：
4—20mAADC（负载0Ω—500Ω）对应氧量0—10%O2或者0—20.0%O2
0—10mAADC（负载0Ω—1KΩ）对应氧量0—10%O2或者0—20.0%O2
两路电流同步输出
7、本底修正范围：
-20mV—+20mV
8、数显形式：
LED四位数码管显示
9、电源：
AC220V±10%
10功耗：
<6W（不包括加热功率）
11加热功率：
约50W（平均值）可提供2000W输出功率
12环境条件：
温度0—40℃
相对湿度<90%
三、工作原理
1、氧探头工作原理
ZOS系列氧化锆探头是利用氧化锆浓差电势来测定氧含量的传感器，其核心的氧化锆管安置在一微型电炉内，位于整个探头的顶端，其结构原理图如图1所示。
氧化锆管是由氧化锆材料掺以一定量的氧化钇或氧化钙经高温烧结后形成的稳定的氧化锆陶瓷烧结体。
由于它的立方晶格中含有氧离子空穴，因此在高温下它是良好的氧离子导体。
因其这一特性，在一定高温下，当锆管两边的氧含量不同时，它便是一个典型的氧浓差电池，在此电池中，空气是参比气，它与烟气分别位于内外电极。
在实际的氧探头中，空气流经外电极，烟气流经内电极，当烟气氧含量P小于空气氧含量P0（20.6%O2）时，空气中的氧分子从外电极上夺取4个电子形成2个氧离子，发生如下电极反应：
O（P0）+4e-→2O-2
氧离子在氧化锆管中迅速迁移到烟气边，在内电极上发生相反的电极反应：
2O-2→O（P0）+4e-
由于氧浓差导致氧离子从空气边迁移到烟气边，因而产生的电势又导致氧
⑶检测器的外观和接线盒布置
1、过滤器2、安装法兰3、接线盒4、氧信号接线端5、热电偶接线端6、冷端补偿接线端7、加热炉接线端8、参比气入口9、标准气入口
图1⑴⑵⑶
离子从烟气边反向迁移到空气边，当这两种迁移达到平衡后，便在两电极间产生一个与氧浓差有关的电势信号E，该电势信号符合“能斯特”方程：
RTP0
E=——Ln——
（1）
4FP
式中R、F分别是气体常数和法拉第常数，T是锆管绝对温度（K），P0是空气氧含量（20.6%O2），P是烟气氧含量。
由
（1）式可见，在一定的高温条件下（一般>500℃），一定的烟气氧含量便会有一对应的电势输出，在理想状态下，其电势值在高温区域内对应氧含量见附表。
在理想状态下，当被测烟气与参比气浓度一样时，其输出电势E值为0mV，但在实际应用中，锆管实际条件和现场情况均不是理想状态。
故事实上的锆管是偏离此值的。
实际上，一定氧含量锆管输出的电势为理论值和本底电势的和，我们称为无浓差条件下锆管输出的电势值为本底电势或称为零位电势，此值的大小又在不同温度下呈不同的值，并且随锆管使用期延长而变化。
因此，如不对此情况处理，会严重影响整套测氧仪的准确和探头寿命。
鉴于此，ZOS氧分析仪采取了“双参数校正法”，对探头本底电势作特殊处理，弥补了锆管的离散性缺陷，延长了探头的使用寿命。
探头的实际输出电势值为：
RTP0RTP0
E+E本=——Ln——E+E本=2.303——Lg——
4FPFP
E+E0
P（%）=Antilg（lg20.6————————）
1.2（EK+11.2）
式中，P（%）为烟气氧百分含量，E为探头信号，E本本为探头本底电势，EK为热电偶电势。
式中有二个变量，将氧电势、热电偶电势送入二次表，与二次表生成的零位补偿电势一起运算，即可得出氧的百分含量。
2、氧分析仪工作原理
氧化锆氧探头是根据浓差电池原理制成的。
由它将烟气中氧含量转换成电压，经运算电路放大到0—10V信号，与热电偶、本底补偿电势一起送A/D转换电路即本机的电压/频率（V/F）电路，转换成0—100KHZ频率，送入8031单片微机系统，由8031单片微机进行数据采集处理，即可得出氧含量的百分含量。
同时，系统可执行氧电势、探头温度、本底电势的显示，并对锆管的加热炉进行恒温控制，且辅以越限报警保护。
本机的模拟输入输出电路均采用光电隔离电路，抗干扰性能强。
仪器的总体结构框见图2所示。
0—10mA
4—20mA
V/F
图2仪器的总体结构框图
四、使用说明（限160*160盘装式）
1、仪表结构：
ZOS160*160氧分析仪盘装式仪表的面板结构如图3所示。
图3
“低温”表示探头实际温度尚未达到恒温区域；
“正常控温”表示探头温度已经达到恒温区域，恒温区域为恒温点的±5℃内，例如：
仪表恒温点设定在700℃，当探头的温度在695℃—705℃内，此时LED亮，表示恒温正常；
“超温”表示探头温度已经超出恒温区域，当此LED亮时，提示探头加热有异常，并请查找原因。
当ZOS氧分析仪与没有加热电炉的直插式探头相配时，此4只LED加热状态指示灯所显示的内容无实际意义。
面板上各轻触键选择显示内容为：
1、氧含量键：
显示氧的百分含量，显示范围0—20.6%O2。
2、电极电势键：
显示氧探头实际输出的电势，电势值范围–22.2mV—110mV。
3、电极温度键：
显示氧化锆探头实际温度，范围为：
0—1000℃，当热电偶极性接反，断偶或温度超出1000℃，仪表停止加热控制。
4、本底电热键：
显示补偿探头的本底电热，范围为-20mV—+20mV，由仪表面板上精密多圈电位器调节。
5、仪表后面板接线如图4所示。
图4
五、安装说明
1、检测器安装
检测器的安装首先要考虑安装点的选定，可根据烟温选定加热或不加热的氧探头。
当安装点温度小于650℃时，应选用加热型传感器，如烟温大于650℃且波动较小，可选用不加热探头（探头内无电炉）。
一般来说，烟气温度较低，检测锆管使用寿命长，但探头的本底、内阻较大；烟气温度高，探头寿命短，但内阻小，动态响应快。
一般中小型锅炉安装点选在锅炉省煤器前、过热器后较合适，安装点烟气流动性较好，切忌安装在炉内侧、死角涡流及缩口处，内侧和死角点容易使响应滞缓，气涡流处氧含量波动大，缩口处易灰堵及冲刷厉害，而且安装点不能有漏气，否则烟道内负压将空气吸入烟道，造成氧量检测偏高，不能如实反映烟道内氧含量，另外，可根据锅炉吨位的大小或炉墙的厚度来选择探头的长度，一般有L=1200MM，800MM，400MM，检测器的长度可根据用户需要定制。
为使仪器顺利安装在炉体烟道上，需自制图5所示的炉体法兰。
适合于焊接钢体炉体或紧固件固定于炉体
图5
适合于预埋砖砌炉体，长度可根据炉体厚度而定
安装检测器的示意图如图6所示,同时应注意:
图6
安装检测器的示意图如图6所示，同时应注意：
检测器应以水平方式插入烟道，应使“标准气”和“参比气”的气嘴向下。
1、如检测器插入热的烟气内，必须使用分段推入法，缓缓推入烟道，避免使冷态的锆管一下进入高温状态而使锆管爆裂。
2、探头法兰和炉休法兰之间必须垫放石棉或纸板垫衬，防止漏气。
正常检测时，必须拧上标准气气嘴螺堵，保持密封。
由检测器接线盒内引线三对六根线至二次表（变送显示器），要求是氧电极信号线1.0MM左右护套线，如现场有强干扰源，应考虑选择带屏蔽的电线；热电偶选用K分度的补偿导线，也可选用一般护套线，但温度的精度将受一定的影响；加热丝请选用导线大于2A的普通导线，为避免交流干扰，加热线应与信号线分开穿管走线。
3、二次仪表的安装
氧分析仪在安装前可在实验室条件下作一次校定。
准备两台直流电位差计（如UJ33a），直流毫安表一块，加热负载（可用40W—100W白炽灯泡）一只。
电位差计分别代表氧电势，热电偶模拟信号输入，灯泡代替加热电炉，毫安表用来检定二次表变送输出的模拟标准信号。
先检温度通道，参阅一下仪表后面板所设定的本机恒温点，例如700℃，当短接热电偶时，按温度显示键，显示应为仪表所置当时环境下的室温，送入29.128mV信号，显示700℃+室温。
检验氧通道，送入0mV—110mV信号，按一下电极电势键，LED应显示所送入的mV值，调一下电位差计的输入极性，送入0mV—22.2mV信号时，LED应显示0mV—-22.2mV值；当小于-22.2mV时，显示保持在-22.2mV显示值上。
检验恒温控制状态，电位差计送入温度信号，参阅仪表后面板仪表恒温点（例如：
700℃），渐渐由小到大送入0—29.128mV信号，观察灯泡负载的亮暗变化状态，当LED显示值接近恒温点（700℃）时，灯泡应熄灭。
最后检验氧含量，送温度通道信号使温度显示在700℃左右，本底为“0mV”。
氧通道按后附表分别送入63.41（1%O2），29.67（5%O2），15.14（10%O2），6.64（15%O2），0.61（20%O2）mV信号，氧含量显示应分别为括号内的百分含量，同时可观察mA表的电流指示值是否线性对应于氧百分含量，应符合下表。
量程
0—10%O2
0—20.0%O2
氧百分含量
0%
5%
10%
10%
0%
10.3%
20.0%
0—10mA输出
0
5
10
10
0
5
10
4—20mA输出
4
12
20
20
4
12
20
本底电势的调节、输入，要调节输入本底电势，首先要知道所配探头的本底电势，才能输入仪表自动补偿。
方法有二：
1、置探头在空气里，使二次仪表对探头加热恒温控制，稳定一段时间后，看一下此时的电极电势，即为此温度下的零位电势。
调节后面“本底电势”电位器，使本底显示等于电极电势值即可。
2、探头安置在烟道内，并且在动态测氧，准备一瓶已知氧含量%标准气，拧开探头标准气螺钉，通入标气，看二次表氧含量值。
如偏离标准气，微调一下本底调节电位器，使显示的氧含量等于标准气即可，此时按一下“本底电势”键，所显示的本底电势值即为此支探头的本底电势（零位电势），注意：
如不充分了解本底电势含义，请不要随便调节本底电势电位器，否则将越调越乱，标准气与氧探头连接示意图见图7。
六、其他
1、ZOS仪表随机提供产品使用说明书一份；AD590补偿温度传感器一只（已安装在仪表上）；产品合格证一枚。
2、保用期：
ZOS仪表保用壹年，终身维修。
图7标准气与检测器的连接示意图
附表被测气体温度、氧浓差电势与氧浓度对照表
注：
参比气为大气，在理想状况下（本底为零时），热电偶为K分度号。
℃
mV
O2%
450
18.513mV
500
20.64mV
550
22.772mV
600
24.902mV
650
27.022mV
700
29.128mV
750
31.214mV
800
33.277mV
850
35.314mV
0.1
82.98
88.71
94.45
100.19
105.93
111.67
117.41
123.14
128.88
0.5
57.91
61.91
65.92
69.92
73.96
77.93
81.94
85.64
89.95
1.0
47.11
50.37
53.63
56.89
60.15
63.41
66.66
69.92
73.18
1.5
40.30
43.62
46.44
49.26
52.09
54.91
57.73
60.55
63.37
2.0
36.32
38.83
41.34
43.85
46.37
48.88
51.39
53.90
56.41
2.5
32.84
35.11
37.39
39.66
41.93
44.20
46.47
48.74
51.01
3.0
30.00
32.08
34.15
36.23
38.30
40.38
42.45
44.53
46.60
3.5
27.60
29.51
31.42
33.33
35.24
37.15
39.06
40.97
42.88
4.0
25.52
27.29
29.05
30.82
32.58
34.35
36.11
37.88
39.64
4.5
23.69
25.33
26.96
28.60
30.24
31.88
33.52
35.16
36.80
5.0
22.05
23.57
25.01
26.62
28.15
29.67
31.20
32.72
34.25
5.5
20.56
21.98
23.41
24.83
26.25
27.67
29.10
30.52
31.94
6.0
19.21
20.54
21.86
23.19
24.52
25.85
27.18
28.51
29.84
6.5
17.96
19.20
20.45
21.69
22.93
24.17
25.41
26.66
27.90
7.0
16.01
17.97
19.13
20.29
21.46
22.62
23.78
24.94
26.11
7.5
15.73
16.82
17.91
19.00
20.08
21.17
22.26
23.35
24.44
8.0
14.73
15.75
16.76
17.78
18.80
19.82
20.84
21.86
22.88
8.5
13.78
14.74
15.69
16.64
17.60
18.55
19.50
20.46
21.41
9.0
12.89
13.78
14.63
15.57
16.46
17.35
18.24
19.14
20.03
9.5
12.05
12.88
13.72
14.55
15.38
16.22
17.05
17.89
18.72
10.0
11.25
12.03
12.81
13.59
14.36
15.14
15.92
16.70
17.48
10.5
10.49
11.22
11.94
12.67
13.39
14.12
14.85
15.57
16.30
11.0
9.77
10.44
11.12
11.79
12.47
13.15
13.82
14.50
15.17
11.5
9.07
9.70
10.33
10.96
11.59
12.21
12.84
13.47
14.10
12.0
8.41
8.99
9.58
10.16
10.74
11.32
11.90
12.49
13.07
12.5
7.78
8.31
8.85
9.39
9.93
10.47
11.00
11.54
12.08
13.0
7.16
7.66
8.16
8.65
9.15
9.64
10.14
10.64
11.13
13.5
6.58
7.03
7.49
7.94
8.40
8.85
9.31
9.76
10.22
14.0
6.01
6.43
6.84
7.26
7.67
8.09
8.51
8.92
9.34
14.5
5.46
5.84
6.22
6.60
6.98
7.36
7.73
8.11
8.49
15.0
4.94
5.28
5.62
5.96
6.30
6.64
6.99
7.33
7.67
15.5
4.43
4.73
5.04
5.34
5.65
5.96
6.26
6.57
6.88
16.0
3.93
4.20
4.48
4.75
5.02
5.29
5.56
5.84
6.11
16.5
3.45
3.69
3.93
4.17
4.41
4.65
4.89
5.12
5.36
17.0
2.99
3.19
3.40
3.61
3.81
4.02
4.23
4.43
4.64
17.5
2.54
2.71
2.89
3.06
3.24
3.41
3.59
3.76
3.94
18.0
2.10
2.24
2.39
2.53
2.68
2.82
2.97
3.11
3.26
18.5
1.67
1.79
1.90
2.02
2.13
2.25
2.36
2.48
2.60
19.0
1.25
1.34
1.43
1.52
1.60
1.69
1.78
1.86
1.95
19.5
0.85
0.91
0.97
1.03
1.09
1.15
1.20
1.26
1.32
20.0
0.46
0.49
0.52
0.55
0.58
0.61
0.65
0.68
0.71
20.6
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