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簡述氧化鋯煙氣氧含量分析儀的工作原理和內容分析
點擊次數:1123 發布時間:2018-06-20
  簡述氧化鋯煙氣氧含量分析儀的工作原理和內容分析
  氧化鋯煙氣氧含量分析儀主要用于測量燃燒過程中煙氣的含氧濃度,同樣也適用于非燃燒氣體氧濃度測量。它又被稱為氧化鋯煙氣氧含量分析儀,氧化鋯分析儀/氧化鋯氧量計/氧化鋯氧量表.在傳感器內溫度恒定的電化學電池(氧濃差電池,也簡稱鋯頭)產生一個毫伏電勢,這個電勢直接反應出煙氣中含氧濃度值。氧傳感器的關鍵部件是氧化鋯,在氧化鋯元件的內外兩側涂上多孔性鉑電極制成氧濃度差電池。它位于傳感器的頂端。為了使電池保持額定的工作溫度,在傳感器中設置了加熱器。用氧分析儀內的溫度控制器控制氧化鋯溫度恒定。氧化鋯煙氣氧含量分析儀的構成是由氧傳感器(又稱氧探頭、氧檢測器)、氧分析儀(又稱變送器、變送單元、轉換器、分析儀)以及它們之間的連接電纜等組成。
  氧化鋯探頭是利用氧化鋯濃差電勢來測定氧含量的傳感器,其核心的氧化鋯管安置在一微型電爐內,位于整個探頭的頂端。
  氧化鋯管是由氧化鋯材料摻以一定量的氧化釔或氧化鈣經高溫燒結后形成的穩定的氧化鋯陶瓷燒結體。由于它的立方晶格中含有氧離子空穴,因此在高溫下它是良好的氧離子導體。因其這一特性,在一定高溫下,當鋯管兩邊的氧含量不同時,它便是一個典型的氧濃差電池,在此電池中,空氣是參比氣,它與煙氣分別位于內外電極。在實際的氧探頭中,空氣流經外電極,煙氣流經內電極,當煙氣氧含量P小于空氣氧含量P0(20.6%O2)時,空氣中的氧分子從外電極上奪取4個電子形成2個氧離子,發生如下電極反應:
  O(P0)+4e-→2O-2
  氧離子在氧化鋯管中迅速遷移到煙氣邊,在內電極上發生相反的電極反應:
  2O-2 →O(P0)+4e-
  由于氧濃差導致氧離子從空氣邊遷移到煙氣邊,因而產生的電勢又導致氧離子從煙氣邊反向遷移到空氣邊,當這兩種遷移達到平衡后,便在兩電極間產生一個與氧濃差有關的電勢信號E,該電勢信號符合"能斯特"方程:
  E=(RT/4F)Ln(P0 /P) (1)
  式中R、F分別是氣體常數和法拉第常數,T是鋯管溫度(K), P0是空氣氧含量(20.6%O2), P 是煙氣含量。
  由(1) 式可見,在一定的高溫條件下(一般)600℃),一定的煙氣氧含量便會有一對應的電勢輸出,在理想狀態下,其電勢值在高溫區域內對應氧含量。在理想狀態下,當被測煙氣與參比氣濃度一樣時,其輸出電勢E值為 0 mV, 但在實際應用中,鋯管實際條件和現場情況均不是理想狀態。故事實上的鋯管是偏離此值的。實際上,一定氧含量鋯管輸出的電勢為理論值和本底電勢的和,我們稱為無濃差條件下鋯管輸出的電勢值為本底電勢或稱為零位電勢,此值的大小又在不同溫度下呈不同的值,并且隨鋯管使用期延長而變化。 因此, 如不對此情況處理,會嚴重影響整套測氧儀的準確和探頭壽命。鑒于此,HD-D系列氧分析儀采取了"雙參數校正法",對探頭本底電勢作特殊處理,彌補了鋯管的離散性缺陷,延長了探頭的使用壽命。
  氧化鋯煙氣氧含量分析儀的構成是由氧傳感器(又稱氧探頭、氧檢測器)、氧分析儀(又稱變送器、變送單元、轉換器、分析儀)以及防塵裝置、熱電偶、加熱器、標準氣體導管、接線盒以及外殼殼體等組成。
  防塵裝置由防塵罩和過濾器組成,能防止煙氣中的灰塵進入氧化鋯鋯管內部,使鋯管元件免受污染,并能起到緩沖氣樣作用。
  氧化鋯管元件是氧探頭的核心部件,由它產生氧濃差電勢信號。氧化鋯管是陶瓷類金屬氧化物,使用時必須避免劇烈震動,以免損壞鋯管元件。
  熱電偶是探頭內置加熱器恒溫控制之用,也是測量鍋爐、窯爐煙道中被測氣體的溫度的元件,為氧量計算提供一個溫度信號。
  加熱器的作用是提供氧化鋯固體電解質元件正常工作所需的溫度,從而使其在低于600℃的被測煙氣環境中也能正常工作。
  來自氧探頭的氧電勢信號、熱偶溫度信號經放大送A/D轉換電路,與校正系數一起進行數據處理,即可得出氧含量的百分含量。同時,系統可實行氧電勢、探頭溫度、校正系數值的顯示,并對鋯管的加熱電爐進行恒溫控制,且輔以斷偶、超溫保護、熱偶反接保護,確保系統可靠工作。
  按檢測方式的不同,氧化鋯氧探頭分為兩大類:采樣檢測式氧探頭及直插式氧探頭。采樣檢測方式是通過導引管,將被測氣體導入氧化鋯檢測室,再通過加熱元件把氧化鋯加熱到工作溫度(750℃以上)。氧化鋯一般采用管狀,電極采用多孔鉑電極。其優點是不受檢測氣體溫度的影響,通過采用不同的導流管可以檢測各種溫度氣體中的氧含量,這種靈活性被運用在許多工業在線檢測上。其缺點是反應時間慢;結構復雜,容易影響檢測精度;在被檢測氣體雜質較多時,采樣管容易堵塞;多孔鉑電極容易受到氣體中的硫,砷等的腐蝕以及細小粉塵的堵塞而失效;加熱器一般用電爐絲加熱,壽命不長。
  在被檢測氣體溫度較低(0℃~650℃),或被測氣體較清潔時,適宜采樣式檢測方式,如制氮機測氧,實驗室測氧等。
  直插式檢測是將氧化鋯煙氣氧含量分析儀直接插入高溫被測氣體,直接檢測氣體中的氧含量,這種檢測方式適宜被檢測氣體溫度在700℃~1150℃時(特殊結構還可以用于1400℃的高溫),它利用被測氣體的高溫使氧化鋯達到工作溫度,不需另外用加熱器。直插式氧探頭的技術關鍵是陶瓷材料的高溫密封和電極問題。

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