氧化鋯氧量分析儀工作原理及日常維護(hù)
一、氧化鋯氧探頭的結(jié)構(gòu)類型及工作原理

按檢測(cè)方式的不同，氧化鋯氧探頭分為兩大類：采樣檢測(cè)式氧探頭及直插式氧探頭。

1、采樣檢測(cè)式氧探頭

采樣檢測(cè)方式是通過(guò)導(dǎo)引管，將被測(cè)氣體導(dǎo)入氧化鋯檢測(cè)室，再通過(guò)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(yōu)點(diǎn)是不受檢測(cè)氣體溫度的影響，通過(guò)采用不同的導(dǎo)流管可以檢測(cè)各種溫度氣體中的氧含量，這種靈活性被運(yùn)用在許多工業(yè)在線檢測(cè)上。其缺點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間慢；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易影響檢測(cè)精度；在被檢測(cè)氣體雜質(zhì)較多時(shí)，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(xì)小粉塵的堵塞而失效；加熱器一般用電爐絲加熱，壽命不長(zhǎng)。

在被檢測(cè)氣體溫度較低（0℃～650℃），或被測(cè)氣體較清潔時(shí)，適宜采樣式檢測(cè)方式，如制氮機(jī)測(cè)氧，實(shí)驗(yàn)室測(cè)氧等。

2、直插檢測(cè)式氧探頭

直插式檢測(cè)是將氧化鋯直接插入高溫被測(cè)氣體，直接檢測(cè)氣體中的氧含量，這種檢測(cè)方式適宜被檢測(cè)氣體溫度在700℃～1150℃時(shí)（特殊結(jié)構(gòu)還可以用于1400℃的高溫），它利用被測(cè)氣體的高溫使氧化鋯達(dá)到工作溫度，不需另外用加熱器（如圖3）。直插式氧探頭的技術(shù)關(guān)鍵是陶瓷材料的高溫密封和電極問(wèn)題。以下列舉了兩種直插式氧探頭的結(jié)構(gòu)形式。

（1）整體氧化鋯管

該形式是從采樣檢測(cè)方式中采用的氧化鋯管的形式上發(fā)展起來(lái)的，就是將原來(lái)的氧化鋯管加長(zhǎng)，使氧化鋯可以直接伸到高溫被測(cè)氣體中。這種結(jié)構(gòu)無(wú)需考慮高溫密封問(wèn)題。

（2）直插式氧化鋯氧探頭

由于需要將氧化鋯直接插入檢測(cè)氣體中，對(duì)氧探頭的長(zhǎng)度有較高要求，其有效長(zhǎng)度在500mm～1000mm左右，特殊的環(huán)境長(zhǎng)度可達(dá)1500mm。且檢測(cè)精度，工作穩(wěn)定性和使用壽命都有很高的要求，因此直插式氧探頭很難采用傳統(tǒng)氧化鋯氧探頭的整體氧化鋯管狀結(jié)構(gòu)，而多采取技術(shù)要求較高的氧化鋯和氧化鋁管連接的結(jié)構(gòu)。密封性能是這種氧化鋯氧探頭的最關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國(guó)際上最先進(jìn)的連接方式，是將氧化鋯與氧化鋁管永久的焊接在一起，其密封性能極佳，與采樣式檢測(cè)方式比，直插式檢測(cè)有顯而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn)：氧化鋯直接接觸氣體，檢測(cè)精度高，反應(yīng)速度快，維護(hù)量較小。

二、氧探頭的工業(yè)應(yīng)用

1、在工業(yè)鍋爐、加熱爐上的應(yīng)用

  氧探頭使用時(shí)，引入被測(cè)氣體的方式有直插式和采樣檢測(cè)式兩種。直插式響應(yīng)時(shí)間短，不需要加熱器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，小型輕便，但要求同時(shí)檢測(cè)被測(cè)氣體的溫度。采樣檢測(cè)式由于氧探頭的溫度由加熱器控制，因此測(cè)量精度高，工作可靠，但響應(yīng)時(shí)間取決于氣體的流量。

直插式氧分析器已廣泛應(yīng)用在鍋爐和加熱爐的煙氣含氧量的測(cè)定（如圖4），作此用途的氧探頭多采用管狀結(jié)構(gòu)，此管可以兩端開(kāi)口，也可以單端開(kāi)口，目前市場(chǎng)出現(xiàn)最多的是后一種。ZrO2管內(nèi)外壁上涂有多孔Pt電極，由內(nèi)外電極分別向管端引伸并在端部接出Ni Cr絲作信號(hào)輸出用，從而控制燃燒系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低氧燃燒，達(dá)到降低熱能損失，節(jié)約能源的目的。

三、 氧傳感器的安裝

合理的安裝是保證氧傳感器可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，許多使用問(wèn)題均由于氧傳感器安裝不當(dāng)造成的，

1、采樣測(cè)量點(diǎn)

確定測(cè)量點(diǎn)是首要的工作，它應(yīng)遵循如下幾項(xiàng)原則：

（1） 選擇的測(cè)量點(diǎn)要求能正確反映所檢測(cè)的爐內(nèi)氣體，以保證氧傳感器 輸出信號(hào)的真實(shí)性，盡量避開(kāi)回風(fēng)死角；

（2）測(cè)量點(diǎn)不可太靠近燃燒點(diǎn)或噴頭等部位，這些部位的氣體處于劇烈反應(yīng)中，會(huì)造成氧傳感器檢測(cè)值劇烈波動(dòng)失真；也不要過(guò)于靠近風(fēng)機(jī)等產(chǎn)氣設(shè)備，以免電機(jī)的震動(dòng)沖刷損壞傳感器；

（3） 避免放在可能碰撞的位置，以免碰撞損壞探頭，保證傳感器的安全；

2、氧傳感器的安裝、連接方式

（1）氧探頭的安裝可采用水平或垂直方式，其中垂直安裝較理想。不管采用何種方式，探頭采樣管引導(dǎo)板的方向應(yīng)該盡量正對(duì)被測(cè)氣流的方向，在初始安裝的時(shí)，先通過(guò)了解工藝，確定基本方向。然后在系統(tǒng)通電加熱探頭以后，旋轉(zhuǎn)采樣管方向，使用數(shù)字萬(wàn)用表觀察輸出氧電勢(shì)的波動(dòng)情況來(lái)最終確定比較好的引導(dǎo)方向。

（2）氧傳感器安裝所用接頭為專用法蘭接頭，配裝石棉墊壓接，以確保密封，否則因?yàn)橐话銧t內(nèi)為負(fù)壓，該處法蘭接頭處漏氣會(huì)影響測(cè)量精度或造成信號(hào)波動(dòng)。　　

（3）氧傳感器的信號(hào)引出線最好用屏蔽線，以消除干擾。最佳方式是使用2根2芯電纜，一根2芯屏蔽電纜接氧電勢(shì)輸出信號(hào)，一根2芯KVV控制電纜接探頭加熱連接端；如果現(xiàn)場(chǎng)條件不具備可直接使用一根4芯KVV電纜連接探頭氧電勢(shì)信號(hào)和加熱端。

（4）氧探頭的標(biāo)氣口平時(shí)關(guān)閉，只在標(biāo)定氣體的時(shí)候使用；吹掃氣口連接氣泵或者壓縮空氣管路，吹掃口進(jìn)氣一般用一個(gè)電磁閥等閥門控制，一定周期開(kāi)啟一次，通入氣體吹掃采樣管，探頭正常檢測(cè)時(shí)閥門關(guān)閉，不能有其他氣體進(jìn)入采樣管。使用廠方的壓縮空氣吹掃探頭必須保證壓縮空氣中不含有水份，即對(duì)所采用的壓縮空氣必須進(jìn)行氣水分離處理。

四、 氧傳感器的使用和維護(hù)

 1、連接加熱控制

采樣檢測(cè)式氧探頭，只有在氧傳感器連接了加熱控制以后才能正常工作，冷態(tài)下輸出的是隨機(jī)信號(hào)，不代表任何意義，氧傳感器在接入加熱控制以后，在室溫條件下既可以開(kāi)始正常的氣體檢測(cè)。一般的探頭調(diào)零就是在室溫下，加熱探頭以后，通過(guò)對(duì)空氣的測(cè)量，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量此時(shí)探頭輸出毫伏值，此數(shù)值就是該探頭的零位偏差數(shù)值，在顯示儀表中需要加入該零位偏差來(lái)修正儀表顯示的氧濃度。

2、新裝或更換氧傳感器時(shí)的注意事項(xiàng)

新裝或更換氧傳感器時(shí)，均應(yīng)校正氧分析儀的氧濃度顯示值。不進(jìn)行此項(xiàng)工作，更換新的傳感器后，氧分析儀檢測(cè)的氧濃度可能會(huì)與實(shí)際濃度產(chǎn)生偏差，從而影響測(cè)量。

3、氧濃度的修正原理及方法

氧傳感器直接測(cè)量輸出的是被測(cè)氣體的濃度與標(biāo)準(zhǔn)空氣差電勢(shì)數(shù)值，我們稱為氧電勢(shì)，該電勢(shì)數(shù)值在零點(diǎn)（即空氣測(cè)量）時(shí)不同的探頭起始輸出電勢(shì)就存在偏差，而輸出電勢(shì)經(jīng)過(guò)模型轉(zhuǎn)換輸出氧濃度時(shí)也可能存在誤差，因此在氧分析儀中對(duì)探頭信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定修正就是很必要的工作，否則顯示氧濃度與實(shí)際被測(cè)氣體的氧濃度就會(huì)存在較大偏差，滿足不了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需要，甚至誤導(dǎo)控制影響生產(chǎn)。

具體的修正一般通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行標(biāo)定，方法是將計(jì)量核定確認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)氣體通過(guò)標(biāo)氣口通入探頭，測(cè)量此時(shí)輸出氧電勢(shì)及儀表顯示氧濃度，儀表顯示氧濃度應(yīng)該與標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度相同，存在偏差則修正儀表線性參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量要求最少使用三種不同濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)定系統(tǒng)，這樣經(jīng)過(guò)三次標(biāo)定重復(fù)修正好系統(tǒng)線性，保證系統(tǒng)正常工作。

4、積塵對(duì)氧傳感器的影響及吹掃清除方法

由于氧傳感器是長(zhǎng)期在線檢測(cè)測(cè)量的器件，鍋爐等設(shè)備（尤其是煤燃燒爐或者燒粉窯爐等）產(chǎn)生的粉塵會(huì)堵塞導(dǎo)氣采樣管道，造成測(cè)量的數(shù)值失真甚至無(wú)法測(cè)量，此時(shí)必須定期對(duì)采樣管中的積塵進(jìn)行吹掃處理，吹掃時(shí)間的長(zhǎng)短視積灰程度確定，這種吹掃方法要求氧分析儀具有相應(yīng)功能或者配套使用氧傳感器的維護(hù)裝置，如果沒(méi)有這些裝置只能安裝手動(dòng)閥門控制壓縮空氣或氣泵定期通入吹掃氣口對(duì)探頭進(jìn)行除塵工作，但此時(shí)必須注意以下情況：

（1）由于在吹掃的過(guò)程中，氧傳感器的氧電勢(shì)會(huì)下降，最低有可能會(huì)降到1、2mV，這時(shí)檢測(cè)的氧電勢(shì)不代表爐內(nèi)的氣氛，此點(diǎn)必須要注意；

（2）吹掃空氣的流量要保證能夠去除積灰，吹掃過(guò)程中可注意氧傳感器的氧電勢(shì)輸出值，如果氧電勢(shì)值始終沒(méi)有下降，表明空氣流量太小，積塵沒(méi)有清理，應(yīng)予以調(diào)節(jié)或者檢查吹掃管道，可能吹掃管道已經(jīng)堵死；

（3）吹掃口的通道是與爐內(nèi)直接相通的，每次在吹掃完畢后，應(yīng)關(guān)閉閥門，堵死吹掃孔，防止因爐內(nèi)負(fù)壓空氣進(jìn)入，影響氧傳感器的檢測(cè)。

在分析氧傳感器的好壞時(shí)應(yīng)將其視為一個(gè)單獨(dú)的檢測(cè)部件。在檢測(cè)氧傳感器的氧電勢(shì)時(shí)應(yīng)把與氧傳感器連接的所有導(dǎo)線斷開(kāi)，用高內(nèi)阻的數(shù)字表在氧傳感器的輸出端直接檢測(cè)氧電勢(shì)。通過(guò)檢測(cè)氧電勢(shì)，與正常使用時(shí)的數(shù)值相比較。

五、實(shí)際運(yùn)行情況

自2003年以來(lái)，我廠裂解爐采用了ZGP2＋ZDT高溫型直插式氧化鋯分析儀，主要用于煙氣氧含量測(cè)量，參與裂解爐的燃燒控制，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，2005年5月，發(fā)現(xiàn)指示值偏差較大，均為正偏差，判斷為氣路泄漏，在標(biāo)準(zhǔn)氣管路上通零點(diǎn)氣，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子流量計(jì)泄漏，由于測(cè)量狀態(tài)下系統(tǒng)內(nèi)呈負(fù)壓而使外界空氣進(jìn)入，因空氣中氧的體積分?jǐn)?shù)高，使得測(cè)量值偏高，處理后正常。實(shí)踐中總結(jié)幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：

⑴鋯管要求在750℃下才能正常工作，因此儀表應(yīng)保持恒溫；   

⑵氣體管路不得泄漏； 

⑶保持噴射器氣源壓力穩(wěn)定在0.15MPa； 

⑷標(biāo)準(zhǔn)氣校驗(yàn)時(shí)應(yīng)關(guān)閉噴射器氣源，測(cè)量時(shí)打開(kāi)； 

⑸測(cè)量氣中存在H2、CO、CH4 等可燃?xì)怏w會(huì)使測(cè)量結(jié)果偏低。

六、結(jié)論

氧化鋯測(cè)氧儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)時(shí)間短，測(cè)量范圍寬，使用溫度高，運(yùn)行可靠，安裝方便，維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，因此在冶金、化工、電力、陶瓷、汽車、環(huán)保等工業(yè)部門得到廣泛的應(yīng)用