1、氧化鋯分析儀原理及常見故障處理方法,陳志強(qiáng),摘 要,重點(diǎn)闡述氧化鋯氧分析儀表的工作原理，介紹了幾種常用氧化鋯分析儀的結(jié)構(gòu)，簡要分析了氧化鋯分析儀常見故障產(chǎn)生的原因，并針對這些故障現(xiàn)象提出了相應(yīng)的處理方法。 關(guān)鍵詞 氧化鋯 氧含量 常見故障 處理方法,前言,氧化鋯分析儀是控制爐窯經(jīng)濟(jì)燃燒不可缺少的重要在線儀表，通過它對鍋爐中氧含量的檢測，可有效地控制鍋爐燃燒的熱效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，減少環(huán)境污染和延長爐齡的作用。本文通過對氧化鋯分析儀工作原理的介紹，闡明了氧化鋯分析儀使用過程中常見故障的原因及相應(yīng)的處理方法。,1.氧化鋯檢測原理綜述,1.1檢測原理 按照窯爐煙氣溫度的不同，氧化鋯氧分析儀可分為：中

2、低溫型和高溫型兩種，它們分別適用在煙氣溫度為0650和700900的煙氣環(huán)境中，雖然這兩種氧化鋯氧分析儀的工作溫度不同，但它們的工作原理是一樣的，它們都采用電化學(xué)中的電位分析法來進(jìn)行檢測，同樣遵循能斯特方程（Nernst）即： 式中： E：氧濃差電勢 R（摩爾氣體常數(shù)）=8.315 F（法拉第常數(shù)）=96500 T（熱力學(xué)溫度）：K PO：空氣氧含量 P：待測氧含量 n：參加反應(yīng)物質(zhì)的電子數(shù)，對氧而言為4。 也就是說，氧化鋯氧分析儀是依據(jù)氧濃差電勢的大小來測量氧含量的。其電勢是由氧電池提供的，該電池可以表示為： （+）PO，Pt | ZrO2 | Y2O3 | Pt，P（-） 在上式中，ZrO

3、2 | Y2O3表示一根氧化鋯管或一片氧化鋯片。氧化鋯管是一端開口一端封閉的管子，在管子的內(nèi)外壁各涂有一條鉑電極測量電極和參比電極，其結(jié)構(gòu)如圖1：,圖1 氧化鋯測氧電池結(jié)構(gòu)原理圖,這里，我們注意到氧化鋯管的材質(zhì)并非純的氧化鋯（ZrO2）而是氧化鋯和氧化釔（Y2O3）的混合物。這是因?yàn)榧冄趸喚w屬單斜晶體在高溫下要發(fā)生相變，它是不穩(wěn)定并且也不導(dǎo)電的。只有在氧化鋯中摻入10%的氧化釔（Y2O3），原純氧化鋯中的四價(jià)鋯離子被三價(jià)釔離子取代形成了具有氧離子空穴的立方體晶格形式的晶體結(jié)構(gòu)，從而使新的氧化鋯在高溫下穩(wěn)定并且不發(fā)生相變，這種新的氧化鋯叫穩(wěn)定氧化鋯，俗稱氧化鋯。,這樣，在氧化鋯的參比電極邊（

4、圖一中管內(nèi)PO側(cè)）流過參比空氣；在測量電極邊（圖一中管外P側(cè)）流過待測氣體，例如煙氣。當(dāng)測氧電池處于高溫時(shí)（650）電池導(dǎo)通，便形成了一個(gè)氧濃差電池。此時(shí)，如果參比側(cè)（空氣）的氧分壓PO大于待測氣體氧分壓P，則PO側(cè)的氧分子滲入多孔鉑電極，在鉑電極的催化作用下奪取電子變成氧離子，在氧化鋯中一個(gè)氧離子進(jìn)入離子空穴并通過離子空穴迅速遷移到測量邊，放出電子變成氧分子，從另一側(cè)鉑電極中放出來。其過程如圖2所示。,圖2 氧化鋯氧濃差電池工作原理圖,在此過程中， PO側(cè)的氧分子在鉑電極上將發(fā)生如下反應(yīng)： O2 + 4e 2O2- 即氧分子從電極上奪取4個(gè)電子形成2個(gè)氧離子，進(jìn)入氧化鋯管的氧離子空穴，結(jié)果使

5、參比電極帶正電。氧離子通過空穴迅速遷移到測量變P側(cè)，將4個(gè)電子交于測量電極，變成一個(gè)氧分子，使測量電極帶負(fù)電，其反應(yīng)為： 2O2- O2 + 4e 顯然，上述電極反應(yīng)在兩電極間產(chǎn)生了一個(gè)電勢。在該電勢作用下，又將促使部分O2-作反向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)氧濃差引起的氧離子正向遷移量等于電勢引起的反向遷移量時(shí)，該電池達(dá)到平衡狀態(tài)。于是，在兩電極間便形成了一個(gè)與氧濃差有關(guān)的電勢即氧濃差電勢，該電勢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的情況下，只要檢測出氧濃差電勢就可以利用能斯特方程計(jì)算出待測煙氣中的氧含量了。在實(shí)際工作中為了計(jì)算的方便，將計(jì)算式中的自然對數(shù)換算成常用對數(shù)，則能斯特方程變

6、形為： （1） 如果將溫度選定在750（絕對溫度T為1023K），則（1）式簡化為： （2） 根據(jù)（2）式就可以計(jì)算得到750（絕對溫度T為1023K）時(shí)，氧化鋯氧濃差電勢與待測氧含量的對照表。同理，利用（1）式也可以求出不同工作溫度下的氧化鋯氧濃差電勢與待測氧含量的對照表，其表如下：,由上表我們便可以非常方便地根據(jù)氧濃差電勢求得待測氣體中的氧含量了。由此得到這樣的結(jié)論：即在氧化鋯工作溫度下隨著待測氣體中的氧含量的增加氧濃差電勢也隨之呈常用對數(shù)關(guān)系逐漸增加，當(dāng)待測氣體中的氧含量低于空氣中的氧含量（20.6）時(shí)，氧濃差電勢為負(fù)值，當(dāng)待測氣體中的氧含量等于空氣中的氧含量（20.6）時(shí)，氧濃差電勢為

7、為零，當(dāng)待測氣體中的氧含量高于空氣中的氧含量（20.6）時(shí)，氧濃差電勢為正值。其關(guān)系曲線見（圖3）。 由（圖3）可以看出在氧化鋯工作溫度下，當(dāng)待測氣體中的氧含量低于空氣中的氧含量（20.6）時(shí)，隨著待測氣體中的氧含量的逐漸增大，溫度的變化對氧濃差電勢大小的影響逐漸減小，同樣，在此情況下隨著待測氣體中的氧量的逐漸降低，溫度的變化對氧濃差電勢大小的影響逐漸增大，因此氧化鋯工作溫度的嚴(yán)格控制是氧化鋯氧分析儀準(zhǔn)確測量的重要條件之一。,1.2氧化鋯氧分析儀轉(zhuǎn)換器工作原理,氧化鋯氧分析儀轉(zhuǎn)換器是將氧化鋯檢測器檢測到的氧濃差電勢轉(zhuǎn)換成與待測氣體中的氧含量呈線性關(guān)系的420mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出至顯示儀表或控制儀表

8、。同時(shí)，對氧化鋯的工作溫度進(jìn)行檢測和嚴(yán)格的恒溫控制。 氧化鋯氧分析儀轉(zhuǎn)換器一般由：恒溫控制部分氧濃差電勢轉(zhuǎn)換部分和電源部分組成。其作用如下：,1.2.1恒溫控制部分,連續(xù)檢測氧化鋯鋯頭溫度，對氧化鋯的工作溫度進(jìn)行嚴(yán)格的恒溫控制，使之恒定在2（氧化鋯鋯頭工作溫度一般選定在750）范圍內(nèi)。同時(shí)設(shè)置保護(hù)電路，對氧化鋯鋯頭進(jìn)行超溫保護(hù)。,1.2.2氧濃差電勢轉(zhuǎn)換部分,將氧化鋯鋯頭檢測到的氧濃差電勢轉(zhuǎn)換成與待測氣體中的氧含量呈線性關(guān)系的420mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出至顯示儀表或控制儀表，同時(shí)在轉(zhuǎn)換器上顯示待測氣體中的氧含量。,1.2.3電源部分,超溫保護(hù)溫控輸出過零觸發(fā)放大器加法器電流輸出氧探頭放大器A/D 轉(zhuǎn)

9、換數(shù)碼顯示查表D/A 轉(zhuǎn)換顯示冷端補(bǔ)償比較器比較器加熱器 為氧化鋯氧分析儀轉(zhuǎn)換器各部分提供電源。,圖4 氧化鋯氧分析儀轉(zhuǎn)換器基本工作原理簡圖,氧化鋯氧分析儀轉(zhuǎn)換器一般采用模擬電路和數(shù)字電路以及單片機(jī)等集成電路組成，電路相對簡化，并且盡量壓縮阻容元件的使用，從而使調(diào)整點(diǎn)減少，基本實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)的功能。它與不同結(jié)構(gòu)的氧化鋯檢測器結(jié)合可以組成適用于不同條件下的各種類型的氧化鋯氧分析儀。,1.3氧化鋯氧分析儀檢測器的結(jié)構(gòu),按照氧化鋯氧分析儀使用環(huán)境的不同，氧化鋯氧分析儀檢測器可以分成如下幾種結(jié)構(gòu)： 1.3.1中低溫直插型氧化鋯氧分析儀 中低溫直插型氧化鋯氧分析儀其檢測器直接插入爐窯中，適用于煙氣溫度為0

10、650的環(huán)境下，其檢測器自帶加熱器，是目前使用量最大的一種。其結(jié)構(gòu)如下圖：,1氧化鋯元件；2加熱器；3標(biāo)氣入口；4熱電偶； 5過濾器；6接線板；7安裝法蘭；8外殼；9密封圈 圖5 直插形氧化鋯檢測器結(jié)構(gòu)原理圖,1.3.2高溫直插型氧化鋯氧分析儀,高溫直插型氧化鋯氧分析儀其檢測器直接插入爐窯中，其檢測器本身不帶加熱器，靠高溫?zé)煔饧訜釞z測探頭，適用于煙氣溫度為700900的環(huán)境下，其結(jié)構(gòu)同中低溫直插型氧化鋯氧分析儀檢測器大致相同，只是沒有加熱器而已。 2.3.3導(dǎo)流式直插型氧化鋯氧分析儀 導(dǎo)流式直插型氧化鋯氧分析儀是利用一根長導(dǎo)流管將煙氣導(dǎo)流到爐壁處，利用一只短探頭進(jìn)行測量的方式，它主要適用于低粉

11、塵燃油或燃?xì)庑湾仩t的煙氣分析，其探頭維護(hù)方便更換簡單，基本結(jié)構(gòu)如下圖：,1導(dǎo)流管；導(dǎo)流隔板；爐壁安裝法蘭；4探頭安裝法蘭 5標(biāo)氣入口；6檢測探頭；7電纜接口 圖6 導(dǎo)流式直插型氧化鋯氧分析儀結(jié)構(gòu)原理圖,1.3.4抽吸式垂直插入型氧化鋯氧分析儀,抽吸式垂直插入型氧化鋯氧分析儀是一種利用一根耐高溫抽吸管和空氣射流抽提器將煙氣抽吸到爐壁外，然后再進(jìn)行測量的結(jié)構(gòu)方式，它主要適用于低粉塵燃油或燃?xì)庑透邷劐仩t的煙氣分析，其基本結(jié)構(gòu)如下圖：,圖7 抽吸式垂直插入型氧化鋯氧分析儀結(jié)構(gòu)原理圖,1空氣射流器；2抽提器法蘭；3檢測探頭；4標(biāo)氣入口 5電纜接口；6安裝法蘭；7耐高溫導(dǎo)氣管；8壓力表；9針型閥,通過對氧

12、化鋯實(shí)際檢測用能斯特方程的推導(dǎo)，明確了氧濃差電勢與氧含量之間的關(guān)系并列出了測量過程中影響氧濃差電勢的相關(guān)因素，簡化了測量出現(xiàn)偏差時(shí)的驗(yàn)證工作。同時(shí)，運(yùn)用推導(dǎo)出的簡化方程分別計(jì)算并做出了不同工作溫度下氧濃差電勢與待測氧含量的對照表和相應(yīng)的變化曲線圖，闡明了氧化鋯檢測過程中工作溫度恒定的重要性。依據(jù)氧化鋯檢測原理說明了氧化鋯轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)組成，介紹了幾種常用氧化鋯檢測器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和相應(yīng)的使用環(huán)境，為各種類型氧化鋯使用過程中遇到的共性問題的分析提供了理論依據(jù)。,2.氧化鋯氧分析儀常見故障及處理方法,氧化鋯氧分析儀常見故障主要有以下幾種: 1.檢測器恒溫故障，造成氧化鋯工作池溫異常。 2.檢測器鋯頭故障

13、，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)。 3.外部原因造成的故障。 當(dāng)氧化鋯氧分析儀出現(xiàn)第一種故障時(shí)，首先通過溫度顯示和超溫保護(hù)指示來確認(rèn)是否故障。如果溫度顯示為常溫或爐溫，則是加熱器出現(xiàn)斷路。如果出現(xiàn)溫度超溫保護(hù)，則是檢測器溫控功率輸出元件擊穿造成溫度失控所致。具體檢查方法和步驟如下圖：,對于第二種故障，也就是檢測器鋯頭出現(xiàn)故障引起的測量不準(zhǔn)現(xiàn)象，則要觀察氧含量測量值的偏差方向來判斷故障產(chǎn)生的原因，進(jìn)而加以解決。具體方法可以參考下表。,表2 氧化鋯示值偏差故障速查表,而因外部原因造成的測量不準(zhǔn)現(xiàn)象，則要依據(jù)氧化鋯氧分析儀的工作原理和結(jié)構(gòu)以及故障現(xiàn)象還有安裝地點(diǎn)、方式等因素，來確定故障產(chǎn)生的原因。以下列出了幾種常見的故障現(xiàn)象以及產(chǎn)生的原因：,1. 氧含量測量值指示偏低。其原因是爐內(nèi)燃燒不完全，可能存在可燃及還原性氣體如：CO、H2、CH4等，這些氣體在高溫下會(huì)消耗一部分氧，從而使氧含量測量值指示偏低。 2.煙氣中存在SO2、SO3等腐蝕性氣體，使鋯頭產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，從而使氧含量測量值指示不穩(wěn)定。 3.由于氧化鋯為陶瓷材質(zhì)，質(zhì)地脆弱，在振動(dòng)或冷熱驟變的情況下，易造成鋯管破裂，氧含量測量值會(huì)指示偏高。 4.