氧化锆分析仪原理及常见故障处理方法

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1、氧化锆分析仪原理及常见故障 处理方法陈志强摘 要 重点阐述氧化锆氧分析仪表的工作原理， 介绍了几种常用氧化锆分析仪的结构，简 要分析了氧化锆分析仪常见故障产生的原 因，并针对这些故障现象提出了相应的处 理方法。 关键词 氧化锆 氧含量 常见故障 处理方法前言 氧化锆分析仪是控制炉窑经济燃烧不可缺 少的重要在线仪表，通过它对锅炉中氧含 量的检测，可有效地控制锅炉燃烧的热效 率，实现节能降耗，减少环境污染和延长 炉龄的作用。本文通过对氧化锆分析仪工 作原理的介绍，阐明了氧化锆分析仪使用 过程中常见故障的原因及相应的处理方法 。1.氧化锆检测原理综述 1.1检测原理 按照窑炉烟气温度的不同，氧化锆氧

2、分析仪可分为：中低温型和高温型两种，它们分 别适用在烟气温度为0650和700900的烟气环境中，虽然这两种氧化锆氧分析 仪的工作温度不同，但它们的工作原理是一样的，它们都采用电化学中的电位分析法 来进行检测，同样遵循能斯特方程（Nernst）即： 式中： E：氧浓差电势 R（摩尔气体常数）=8.315 F（法拉第常数）=96500 T（热力学温度）：K PO：空气氧含量 P：待测氧含量 n：参加反应物质的电子数，对氧而言为4。 也就是说，氧化锆氧分析仪是依据氧浓差电势的大小来测量氧含量的。其电势是由氧 电池提供的，该电池可以表示为： （+）PO，Pt | ZrO2 | Y2O3 | Pt，P

3、（-） 在上式中，ZrO2 | Y2O3表示一根氧化锆管或一片氧化锆片。氧化锆管是一端开口一 端封闭的管子，在管子的内外壁各涂有一条铂电极测量电极和参比电极，其结构 如图1：图1 氧化锆测氧电池结构原理图 这里，我们注意到氧化锆管的材质并非纯 的氧化锆（ZrO2）而是氧化锆和氧化钇（ Y2O3）的混合物。这是因为纯氧化锆晶体 属单斜晶体在高温下要发生相变，它是不 稳定并且也不导电的。只有在氧化锆中掺 入10%的氧化钇（Y2O3），原纯氧化锆中 的四价锆离子被三价钇离子取代形成了具 有氧离子空穴的立方体晶格形式的晶体结 构，从而使新的氧化锆在高温下稳定并且 不发生相变，这种新的氧化锆叫稳定氧化

4、锆，俗称氧化锆。 这样，在氧化锆的参比电极边（图一中管 内PO侧）流过参比空气；在测量电极边（ 图一中管外P侧）流过待测气体，例如烟气 。当测氧电池处于高温时（650）电池 导通，便形成了一个氧浓差电池。此时， 如果参比侧（空气）的氧分压PO大于待测 气体氧分压P，则PO侧的氧分子渗入多孔 铂电极，在铂电极的催化作用下夺取电子 变成氧离子，在氧化锆中一个氧离子进入 离子空穴并通过离子空穴迅速迁移到测量 边，放出电子变成氧分子，从另一侧铂电 极中放出来。其过程如图2所示。图2 氧化锆氧浓差电池工作原理图 在此过程中， PO侧的氧分子在铂电极上将发生如下反应 ： O2 + 4e 2O2- 即氧分子

5、从电极上夺取4个电子形成2个氧离子，进入氧化 锆管的氧离子空穴，结果使参比电极带正电。氧离子通过 空穴迅速迁移到测量变P侧，将4个电子交于测量电极，变 成一个氧分子，使测量电极带负电，其反应为： 2O2- O2 + 4e 显然，上述电极反应在两电极间产生了一个电势。在该电 势作用下，又将促使部分O2-作反向运动，当氧浓差引起 的氧离子正向迁移量等于电势引起的反向迁移量时，该电 池达到平衡状态。于是，在两电极间便形成了一个与氧浓 差有关的电势即氧浓差电势，该电势的大小可由能斯特方 程求出。 由此，在已知RFn和PO以及固定T的情况下，只要检 测出氧浓差电势就可以利用能斯特方程计算出待测烟气中 的

6、氧含量了。在实际工作中为了计算的方便，将计算式中 的自然对数换算成常用对数，则能斯特方程变形为： （1） 如果将温度选定在750（绝对温度T为1023K），则（1 ）式简化为： （2） 根据（2）式就可以计算得到750（绝对温度T为 1023K）时，氧化锆氧浓差电势与待测氧含量的对照表。 同理，利用（1）式也可以求出不同工作温度下的氧化锆 氧浓差电势与待测氧含量的对照表，其表如下： 由上表我们便可以非常方便地根据氧浓差电势求得待测气 体中的氧含量了。由此得到这样的结论：即在氧化锆工作 温度下随着待测气体中的氧含量的增加氧浓差电势也随之 呈常用对数关系逐渐增加，当待测气体中的氧含量低于空 气中的

7、氧含量（20.6）时，氧浓差电势为负值，当待测 气体中的氧含量等于空气中的氧含量（20.6）时，氧浓 差电势为为零，当待测气体中的氧含量高于空气中的氧含 量（20.6）时，氧浓差电势为正值。其关系曲线见（图 3）。 由（图3）可以看出在氧化锆工作温度下，当待测气体中 的氧含量低于空气中的氧含量（20.6）时，随着待测气 体中的氧含量的逐渐增大，温度的变化对氧浓差电势大小 的影响逐渐减小，同样，在此情况下随着待测气体中的氧 量的逐渐降低，温度的变化对氧浓差电势大小的影响逐渐 增大，因此氧化锆工作温度的严格控制是氧化锆氧分析仪 准确测量的重要条件之一。1.2氧化锆氧分析仪转换器工作原理 氧化锆氧分

8、析仪转换器是将氧化锆检测器 检测到的氧浓差电势转换成与待测气体中 的氧含量呈线性关系的420mA标准信号 输出至显示仪表或控制仪表。同时，对氧 化锆的工作温度进行检测和严格的恒温控 制。 氧化锆氧分析仪转换器一般由：恒温控制 部分氧浓差电势转换部分和电源部分组 成。其作用如下： 1.2.1恒温控制部分 连续检测氧化锆锆头温度，对氧化锆的工 作温度进行严格的恒温控制，使之恒定在 2（氧化锆锆头工作温度一般选定在 750）范围内。同时设置保护电路，对氧 化锆锆头进行超温保护。1.2.2氧浓差电势转换部分 将氧化锆锆头检测到的氧浓差电势转换成 与待测气体中的氧含量呈线性关系的4 20mA标准信号输出

9、至显示仪表或控制仪表 ，同时在转换器上显示待测气体中的氧含 量。1.2.3电源部分 超温保护温控输出过零触发放大器加法器 电流输出氧探头放大器A/D 转换数码显示查表D/A 转换显示冷端补偿比较器比较器加热器 为氧化锆氧分析仪转换器各部分提供电源 。 图4 氧化锆氧分析仪转换器基本工作原理简图 超温 保护温控 输出过零 触发放大器加法器电流 输出氧探头放大器A/D 转换数码 显示查表D/A 转换显示冷端补偿比较器比较器加热器 氧化锆氧分析仪转换器一般采用模拟电路 和数字电路以及单片机等集成电路组成， 电路相对简化，并且尽量压缩阻容元件的 使用，从而使调整点减少，基本实现了免 维护的功能。它与不

10、同结构的氧化锆检测 器结合可以组成适用于不同条件下的各种 类型的氧化锆氧分析仪。1.3氧化锆氧分析仪检测器的结构 按照氧化锆氧分析仪使用环境的不同，氧 化锆氧分析仪检测器可以分成如下几种结 构： 1.3.1中低温直插型氧化锆氧分析仪 中低温直插型氧化锆氧分析仪其检测器直 接插入炉窑中，适用于烟气温度为0 650的环境下，其检测器自带加热器，是 目前使用量最大的一种。其结构如下图：1氧化锆元件；2加热器；3标气入口；4热电偶； 5过滤器；6接线板；7安装法兰；8外壳；9密封圈 图5 直插形氧化锆检测器结构原理图612538479标气入口1.3.2高温直插型氧化锆氧分析仪 高温直插型氧化锆氧分析仪

11、其检测器直接插入炉 窑中，其检测器本身不带加热器，靠高温烟气 加热检测探头，适用于烟气温度为700900的 环境下，其结构同中低温直插型氧化锆氧分析仪 检测器大致相同，只是没有加热器而已。 2.3.3导流式直插型氧化锆氧分析仪 导流式直插型氧化锆氧分析仪是利用一根长导流 管将烟气导流到炉壁处，利用一只短探头进行测 量的方式，它主要适用于低粉尘燃油或燃气型锅 炉的烟气分析，其探头维护方便更换简单，基本 结构如下图： 1导流管；导流隔板；炉壁安装法兰；4探头安装法兰 5标气入口；6检测探头；7电缆接口 图6 导流式直插型氧化锆氧分析仪结构原理图 1.3.4抽吸式垂直插入型氧化锆氧分析仪 抽吸式垂直

12、插入型氧化锆氧分析仪是一种 利用一根耐高温抽吸管和空气射流抽提器 将烟气抽吸到炉壁外，然后再进行测量的 结构方式，它主要适用于低粉尘燃油或燃 气型高温锅炉的烟气分析，其基本结构如 下图：图7 抽吸式垂直插入型氧化锆氧分析仪结构原理图 1空气射流器；2抽提器法兰；3检测探头；4标气入口 5电缆接口；6安装法兰；7耐高温导气管；8压力表；9针型阀72干燥压缩空气1469385 通过对氧化锆实际检测用能斯特方程的推导，明 确了氧浓差电势与氧含量之间的关系并列出了测 量过程中影响氧浓差电势的相关因素，简化了测 量出现偏差时的验证工作。同时，运用推导出的 简化方程分别计算并做出了不同工作温度下氧浓 差电

13、势与待测氧含量的对照表和相应的变化曲线 图，阐明了氧化锆检测过程中工作温度恒定的重 要性。依据氧化锆检测原理说明了氧化锆转换器 的结构组成，介绍了几种常用氧化锆检测器的结 构特点和相应的使用环境，为各种类型氧化锆使 用过程中遇到的共性问题的分析提供了理论依据 。 2.氧化锆氧分析仪常见故障及处理方法 氧化锆氧分析仪常见故障主要有以下几种: 1.检测器恒温故障，造成氧化锆工作池温异常。 2.检测器锆头故障，导致测量不准。 3.外部原因造成的故障。 当氧化锆氧分析仪出现第一种故障时，首先通过 温度显示和超温保护指示来确认是否故障。如果 温度显示为常温或炉温，则是加热器出现断路。 如果出现温度超温保

14、护，则是检测器温控功率输 出元件击穿造成温度失控所致。具体检查方法和 步骤如下图： 对于第二种故障，也就是检测器锆头出现 故障引起的测量不准现象，则要观察氧含 量测量值的偏差方向来判断故障产生的原 因，进而加以解决。具体方法可以参考下 表。表2 氧化锆示值偏差故障速查表 而因外部原因造成的测量不准现象，则要 依据氧化锆氧分析仪的工作原理和结构以 及故障现象还有安装地点、方式等因素， 来确定故障产生的原因。以下列出了几种 常见的故障现象以及产生的原因： 1. 氧含量测量值指示偏低。其原因是炉内燃烧不完全，可 能存在可燃及还原性气体如：CO、H2、CH4等，这些气 体在高温下会消耗一部分氧，从而使

15、氧含量测量值指示偏 低。 2.烟气中存在SO2、SO3等腐蚀性气体，使锆头产生腐蚀 现象，从而使氧含量测量值指示不稳定。 3.由于氧化锆为陶瓷材质，质地脆弱，在振动或冷热骤变 的情况下，易造成锆管破裂，氧含量测量值会指示偏高。 4. 对于抽吸式氧化锆氧分析仪，如果空气射流抽提器出口 堵塞，也会造成氧含量测量值会指示偏高的现象。 5. 对于有校验气路的氧化锆氧分析仪，在量程气路阀内漏 的情况下，也同样会造成氧含量测量值会指示偏高的现象 。 通过对氧化锆氧分析仪检测原理以及其转 换器和检测器结构的介绍，分析了影响氧 化锆检测的诸多因素，引申出氧化锆氧分 析仪使用过程中共有的常见故障现象和处 理方法，希望在工作中能为氧化锆氧分析 仪的正常使用并发挥其应有的作用起到一 定帮助。