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氧化锆氧量分析仪的工作原理和分析
点击次数:5222 发布时间:2012-05-26

氧化锆氧含量分析仪的工作原理和分析
按检测方式的不同,氧化锆氧探头分为两大类:采样检测式氧探头及直插式氧探头。
采样检测式氧探头
采样检测方式是通过导引管,将被测气体导入氧化锆检测室,再通过加热元件把氧化锆加热到工作温度(750℃以上)。氧化锆一般采用管状,电极采用多孔铂电极。其优点是不受检测气体温度的影响,通过采用不同的导流管可以检测各种温度气体中的氧含量,这种灵活性被运用在许多工业在线检测上。其缺点是反应时间慢;结构复杂,容易影响检测精度;在被检测气体杂质较多时,采样管容易堵塞;多孔铂电极容易受到气体中的硫,砷等的腐蚀以及细小粉尘的堵塞而失效;加热器一般用电炉丝加热,寿命不长。
在被检测气体温度较低(0℃~650℃),或被测气体较清洁时,适宜采样式检测方式,如制氮机测氧,实验室测氧等。
直插检测式氧探头
直插式检测是将氧化锆直接插入高温被测气体,直接检测气体中的氧含量,这种检测方式适宜被检测气体温度在700℃~1150℃时(特殊结构还可以用于1400℃的高温),它利用被测气体的高温使氧化锆达到工作温度,不需另外用加热器。直插式氧探头的技术关键是陶瓷材料的高温密封和电极问题。
由于需要将氧化锆直接插入检测气体中,对氧探头的长度有较高要求,其有效长度在500mm~1000mm左右,特殊的环境长度可达1500mm。且检测精度,工作稳定性和使用寿命都有很高的要求,因此直插式氧探头很难采用传统氧化锆氧探头的整体氧化锆管状结构,而多采取技术要求较高的氧化锆和氧化铝管连接的结构。密封性能是这种氧化锆氧探头的zui关键技术之一。目前国际上zui先进的连接方式,是将氧化锆与氧化铝管*的焊接在一起,其密封性能,与采样式检测方式比,直插式检测有显而易见的优点:氧化锆直接接触气体,检测精度高,反应速度快,维护量较小。

氧化锆氧传感器示意图
当测量烟气温度高于700℃时,传感器组成中省去加热器和测温热电偶。
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 0 mV, 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。


氧化锆氧量分析仪主要用于测量燃烧过程中烟气的含氧浓度,同样也适用于非燃烧气体氧浓度测量。它又被称为氧化锆氧分析仪,氧化锆分析仪/氧化锆氧量计/氧化锆氧量表.在传感器内温度恒定的电化学电池(氧浓差电池,也简称锆头)产生一个毫伏电势,这个电势直接反应出烟气中含氧浓度值。   氧传感器的关键部件是氧化锆,在氧化锆元件的内外两侧涂上多孔性铂电极制成氧浓度差电池。它位于传感器的顶端。为了使电池保持额定的工作温度,在传感器中设置了加热器。用氧分析仪内的温度控制器控制氧化锆温度恒定。氧化锆氧量分析仪的构成是由氧传感器(又称氧探头、氧检测器)、氧分析仪(又称变送器、变送单元、转换器、分析仪)以及它们之间的连接电缆等组成。
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。   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   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:   E=(RT/4F)Ln(P0 /P) (1)   式中R、F分别是气体常数和法拉第常数,T是锆管温度(K), P0是空气氧含量(20.6%O2), P 是烟气含量。由(1) 式可见,在一定的高温条件下(一般)600℃),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。 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 0 mV, 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,HD-D系列氧分析仪采取了"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。

氧化锆氧量分析仪的构成是由氧传感器(又称氧探头、氧检测器)、氧分析仪(又称变送器、变送单元、转换器、分析仪)以及防尘装置、热电偶、加热器、标准气体导管、接线盒以及外壳壳体等组成。
防尘装置由防尘罩和过滤器组成,能防止烟气中的灰尘进入氧化锆锆管内部,使锆管元件免受污染,并能起到缓冲气样作用。
氧化锆管元件是氧探头的核心部件,由它产生氧浓差电势信号。氧化锆管是陶瓷类金属氧化物,使用时必须避免剧烈震动,以免损坏锆管元件。
热电偶是探头内置加热器恒温控制之用,也是测量锅炉、窑炉烟道中被测气体的温度的元件,为氧量计算提供一个温度信号。
加热器的作用是提供氧化锆固体电解质元件正常工作所需的温度,从而使其在低于600℃的被测烟气环境中也能正常工作。
来自氧探头的氧电势信号、热偶温度信号经放大送A/D转换电路,与校正系数一起进行数据处理,即可得出氧含量的百分含量。同时,系统可实行氧电势、探头温度、校正系数值的显示,并对锆管的加热电炉进行恒温控制,且辅以断偶、超温保护、热偶反接保护,确保系统可靠工作。
 

 
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