1、氧化鋯氧量計,朱祥柯,內(nèi)容,（1）氧量測量的意義 （2）氧化鋯性質(zhì) （3）氧化鋯測氧原理 （4）氧化鋯傳感器的結(jié)構(gòu) （5）氧化鋯管使用時的注意事項 （6）測量系統(tǒng)及信號處理 （7）氧化鋯傳感器的檢定,一、氧量測量的意義,在火電廠中，為保持鍋爐燃燒處于最佳工況，燃料量和氧量必須有恰當?shù)谋壤?，這一比例可以通過過量空氣系數(shù)的大小反映出來。 （1）太大，會降低爐溫，增加排煙損失； （2）太小，燃燒不充分，增加機械不完全燃燒損失； （3）取值為，燃煤鍋爐1.21.3，燃油鍋爐1.11.2。 的直接測量很困難，目前都是通過對煙氣中氧量和二氧化碳量進行分析得出的。,二、氧化鋯的性質(zhì),氧化鋯（ZrO2）是一種

2、固體電解質(zhì)，具有離子導電性。 （1）常溫下， ZrO2下為單斜晶體； （2）高于1150 時為立方晶體。 （3）摻入一定數(shù)量的CaO或Y2O3，進行高溫焙燒，形成穩(wěn)定的螢石形立方晶體結(jié)構(gòu)，不隨溫度變化而變化。 摻入CaO或Y2O3的ZrO2晶體中，Ca2+或Y3+會置換出Zr4+，形成O2-空穴。當加熱到數(shù)百度時，該晶體會成為良好的O2-導體。,三、氧化鋯測氧原理,1. 產(chǎn)生熱電勢的3個條件： 1）帶有疏空電極的雜質(zhì)氧化鋯 2）工作溫度大于600 3）氧濃度差 氧濃差電勢與被測氣體中的氧含量的對數(shù)成線性關系。,三、氧化鋯測氧原理,2. 氧濃差電池兩極發(fā)生的反應 正極（含氧量大側(cè)）：還原反應 O

3、2 + 4 e 2 O2- 負極（含氧量小側(cè)）：氧化反應 2 O2- O2 + 4 e 這樣在電極上產(chǎn)生電荷的積累，從而在兩極之間建立電場，此電場將阻止這種遷移的進一步進行，直到達到動態(tài)平衡，此時在兩極間形成電場。此電勢因與兩側(cè)氧濃度有關，故稱氧濃差電勢,三、氧化鋯測氧原理,3. 氧濃差電勢大小 能斯特方程： 注：E氧濃差電勢，mv; R理想氣體常數(shù)，8.314J/（mol.K）； F法拉第常數(shù)，96487C/mol； T熱力學溫度，K； n一個氧分子輸送的電子個數(shù)，n=4； P1被分析氣體（如煙氣）的氧分壓； P2參比氣體（如空氣）的氧分壓。,三、氧化鋯測氧原理,由于在混合氣體中，某種氣體的

4、分壓力與總壓力（p）之比等于該組分的體積濃度，即： 則能斯特方程可寫為： 由上式可知，當氧濃差電池工作溫度T一定，以及參比氣體的氧濃度 一定時，電池產(chǎn)生的氧濃差電勢與被測氣體的含氧濃度 成單值函數(shù)關系。通過測量氧濃差電勢E就可以得到被測氣體的含氧量。,三、氧化鋯測氧原理,4. 氧濃差電勢與被測氣體含氧量的關系 由于空氣的含氧量為 =20.8，且成本低廉，所以在分析爐煙中的含氧量時，一般常用空氣作為參比氣體。,三、氧化鋯測氧原理,例題：,四、氧化鋯傳感器的結(jié)構(gòu),四、氧化鋯傳感器的結(jié)構(gòu),五、使用氧化鋯管時注意事項,(1) 氧化鋯管的工作溫度應保持恒定，或在儀表線路中采取溫度補償措施。溫度過低(60

5、0)，輸出靈敏度下降 ；溫度過高（1200），煙氣中的氧化鉑的催化作用下，易于可燃物質(zhì)化合，使含氧量下降，輸出電勢增加。 （2）氧化鋯管材質(zhì)應均勻致密，不能有裂紋或孔洞 ，否則空氣直接漏過，使氧濃差下降，輸出電勢減小；純度要高，如存在雜質(zhì)，特別是鐵，會使電子通過氧化鋯本身短路，從而使輸出電勢下降。,例如，當氧化鋯中含5 %的Fe203時，輸出電勢僅為計算值的50 %，所以電極材料中的鐵元素應控制在千分之幾的數(shù)量級。,(3)參比氣體和被測氣體壓力應保持相等。 (4)氧化鋯管內(nèi)外兩側(cè)氣體要不斷流動更新，由于氧濃差電池有使兩側(cè)氧濃度趨于一致的傾向 (5)電極引線應用純鉑絲 (6) 與氧化鋯管配接的二

6、次儀表應有很高的輸入阻抗。 (7)如果氧化鋯管的輸出作為自動調(diào)節(jié)信號，則應采用線性化電路將氧濃差電勢與含氧濃度之間的對數(shù)關系轉(zhuǎn)換為線性關系。,另外應注意的是，由于氧化鋯探頭長期使用在高溫狀態(tài)下，易由于膨脹造成裂紋或電極脫落；氧化鋯管表面附著有煙塵微粒，也會造成鉑電極上微孔堵塞、積灰，是輸出電勢出現(xiàn)異常，甚至造成鉑電極中毒，所以在使用過程中要經(jīng)常清洗。,六、測量系統(tǒng)及信號處理,1. 氧化鋯氧量計的分類 按探頭工作溫度：定溫式及溫度補償式 按安裝方式： 直插式與抽出式 抽出式系統(tǒng)是將氣樣抽出后再送入氧化鋯管測量，帶有抽氣和凈化系統(tǒng)，能除去雜質(zhì)和SO2等有害氣體，并且氧化鋯管處于800恒溫下工作，準

7、確度較高，但系統(tǒng)復雜，遲延較大，不能及時反映被測煙氣的含氧量變化。所以生產(chǎn)現(xiàn)場一般采用直插式測量系統(tǒng)。直插式就是直接將氧化鋯管插入煙道的高溫部分。,(一)直插補償式測量系統(tǒng),根據(jù)溫度在700800之間時，K型熱電偶的熱電勢隨熱端溫度的變化與氧化鋯氧濃差電勢隨煙氣溫度的變化基本相等，二者之差基本與溫度無關的原理來實現(xiàn)補償?shù)?。,直插式補償測量示意圖,1高輸入阻抗變換,氧化鋯材料是一種離子晶體，其內(nèi)阻可高達幾千歐（國外產(chǎn)品可達幾十千歐）。當測量電路內(nèi)阻不高時，就不可能正確測量氧濃差電勢。 如圖： E經(jīng)運算放大器阻抗變換后的等效氧濃差電勢 當R4=18歐，R3=2歐時，得E =10 E 輸入阻抗RN

8、為： 若取K0=25，ri=100歐，則RN=2450歐， 這已足夠滿足測量要求。,2工作溫度的補償,根據(jù)公式： 當參比氣體空氣的氧濃度 =20.8，而氧化鋯的工作溫度T變化時，E/T應保持不變。即可反向串聯(lián)一個K型熱電阻進行溫度補償，消除溫度變化對測量的影響。,工作溫度補償電路,3線性化處理電路,(二)直插定溫式測量系統(tǒng),七、氧化鋯傳感器的檢定,氧濃差電池在正常運行中也會慢慢失效，原因可能是電極材料升華、電解質(zhì)的立方晶體轉(zhuǎn)化為單斜晶體等，傳感器還可能漏氣，為此應進行定期檢查和校驗。 檢定方法： （1）在規(guī)定條件下向傳感器通入標準成分的氣樣。（最佳方法） （2）根據(jù)能斯特公式計算，維持兩種氣體

9、的分壓恒定，改變溫度t并測量相應的電勢E，如果在500至800 左右能得到正比關系，并且此直線通過原點（E=0，t=-273 ），則傳感器可以繼續(xù)使用，這時對于最適當?shù)臏囟确秶仓懒?。如果直線的溫度范圍太小時，就應懷疑其測量的準確性。,氧氣本身具有許多物理性質(zhì),如導熱系數(shù)、光譜的吸收和磁特性等，而導熱系數(shù)和對光譜的吸收反應不明顯,因此,目前工業(yè)上連續(xù)測定氧含量的分析儀,大都是利用氧的磁性特征這一原理,順磁性,在外磁場作用下，物質(zhì)會發(fā)生磁化，這時物質(zhì)中的磁感應強度B是由外磁場強度H和由于磁化所產(chǎn)生的物質(zhì)內(nèi)附加磁場強度H疊加而成，而附加磁場的大小與外磁場強度成正比，可用下式表示： B=H+H=H

10、+4H=(1+4)H 容積磁化率0的物質(zhì)，其附加磁場與外磁場方向相同，稱之為順磁性物質(zhì)，它們在不均勻的外磁場中受磁場的吸引。,爐煙中各成分的容積磁化率（20下）,=C p m/(RT 2) 式中C 居里常數(shù)； m 氣體的分子質(zhì)量； p 氣體的壓力； R 氣體常數(shù)； T 氣體絕對溫度。 順磁性氣體容積磁化率與壓力成正比，而與絕對溫度的平方成反比。,磁氧分析儀的類型,根據(jù)氧的順磁性原理制作的磁氧分析儀，目前所采用的工作方式主要有磁風式、磁壓式和啞鈴球磁動力式三種。 第一種工作原理是氧流經(jīng)一個有加熱元件的氣室，并且位于磁場中。當加熱元件附近的氧被加熱時，順磁性變小，使較冷的氧被強烈地吸入磁場中，將熱

11、氧置換出來，形成連續(xù)的氣流。稱“磁風” 。 第二種是昆克(Quincke)發(fā)明出來的。它利用測量磁性比較大的物質(zhì)被吸入磁性較小的物質(zhì)所占據(jù)磁場時產(chǎn)生出的壓力（稱之為“磁壓”）。這種測量方法僅與氣體的磁化率有關，而與熱導率、粘度等其它性質(zhì)無關。,熱磁式氧量計,利用煙氣組分中氧氣的磁化率特別高這一物理特性來測定煙氣中含氧量。 氧氣為順磁性氣體 氧的溫度升高而磁化率下降,不平衡電橋?qū)㈦S著氣樣中氧氣含量的不同，輸出相應的電壓值。,環(huán)管式熱磁氧分析器測量的主要問題是： 1）環(huán)境溫度變化會影響發(fā)熱器的換熱條件，所以需設置恒溫控制器或采用溫度補償措施。 2）發(fā)熱管的水平通道傾斜，會在水平通道中引起自然熱對流

12、，使儀表零點發(fā)生偏移。 直管式發(fā)送器，氣體中的非氧成分，特別是氫含量的變化對儀表的指示值的影響較大。,磁力機械式分析儀,基于法拉第測量磁化率的方法 當混合氣體中含有氧氣時，由于混合氣體的體積磁化率的變化主要取決于氧含量的多少，所以F的大小就代表混合氣體中氧含量，因此只要測出力F的大小便可間接地測量出混合氣體中氧氣的濃度。,磁力機械式氧分析器整機工作原理圖1-光源； 2-反饋線圈； 3-啞鈴； 4-硅光電池； 5-直流放大器； 6-微安表,第二節(jié) 電子皮帶秤,一、概述 電子皮帶秤是連續(xù)測量和累計皮帶運輸原煤量的設備 意義,二、電子皮帶秤的傳感裝置,1荷重傳感器（絲式應變片）,電阻應變效應,1、概

13、念 導體或半導體材料在外力作用下產(chǎn)生機械變形時，它的電阻值也相應地發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為電阻應變效應。,2、電阻的應變靈敏系數(shù)根據(jù)電阻的定義式:式(6-15),導體或半導體材料在外力作用下產(chǎn)生機械變形時，它的電阻值也相應地發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為電阻應變效應。,式中金屬導體的電阻率，cm2/m； s導體的截面積，cm2； L導體的長度，m。,2測速傳感器,電感傳感器的基本工作原理演示,F,用手慢慢將接觸器的活動鐵心（稱為銜鐵）往下按,氣隙變小，電感變大，電流變小,電感傳感器的基本工作原理,當鐵心的氣隙較大時，磁路的磁阻Rm也較大，線圈的電感量L和感抗XL 較小，所以電流I 較大。當鐵心閉

14、合時，磁阻變小、電感變大，電流減小。,電子皮帶秤具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、體積小、價格低廉等優(yōu)點，但影響電子皮帶秤計量精度的因素較多，如皮帶的剛性、張力、摩擦力，秤框上、拉簧、十字簧片支承上灰塵和污物的粘結(jié)都會引起計量的誤差。,核子秤利用物料對射線吸收的原理進行工作,非接觸測量 測量精度不受物料溫度、皮帶張力變化、皮帶剛度、振動等因素的影響。動態(tài)測量精度高，且長期穩(wěn)定。,核子皮帶秤,源部件、射線探測器、支架、測速裝置、微機,核子皮帶秤,伽瑪射線穿過被測介質(zhì)時，其強度的衰減服從指數(shù)規(guī)律，通過對載有物料時的射線強度進行連續(xù)測量，另外，對皮帶的運行速度加以測量，然后通過計算機系統(tǒng)的計算，直接顯示單位載荷

15、、瞬時流量、累積量等工藝參數(shù)。,核子秤存在放射污染，運輸、貯存、使用要按嚴格的要求進行,電子軌道衡,靜態(tài)電子軌道衡 車輛在軌道衡臺面上于靜止狀態(tài)下進行稱量, 該種衡器線路和車輛狀態(tài)對軌道衡影響較小, 稱量準確度較高。,動態(tài)電子軌道衡的定義,對于裝散裝貨物處于低速行使狀態(tài)的車輛, 能夠自動稱量出它質(zhì)量的衡器稱為動態(tài)軌道衡。,或者說, 具有稱載臺, 臺面裝有鋼軌, 能夠自動稱量低速行使狀態(tài)的車輛的重量,這種計量裝置叫動態(tài)軌道衡。它屬于自動稱量的衡器, 通常稱之為電子軌道衡。,汽輪機儀表監(jiān)視系統(tǒng)（TSI）,Turbine Supervisory Instrumentation 一、意義 為了保證汽輪

16、發(fā)電機組的安全經(jīng)濟運行，必須裝設可靠的連續(xù)檢測汽輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)子和汽缸有關參數(shù)的多路監(jiān)控系統(tǒng)，用來連續(xù)顯示機組的啟停和運行狀態(tài)，并同時盡可能地為記錄、記憶設備提供信號。當被測參數(shù)超過規(guī)定限值時，發(fā)出報警信號；當被測參數(shù)達到危險定值時，自動停機。,二、特點,目前我國投產(chǎn)的200MW、300MW、600MW汽輪發(fā)電機組，大多采用了美國本特利公司的或德國飛利浦公司的系列汽輪機監(jiān)測儀表系統(tǒng),本特利公司生產(chǎn)的3300系列儀表,該裝置可以實時監(jiān)視汽輪機運行的有關參數(shù),具有參數(shù)越限報警和危險值接點輸出的功能,并能輸出(420)mA的電流信號送DEH系統(tǒng)進行監(jiān)視。,（1）汽輪機儀表監(jiān)視系統(tǒng)（TSI） 監(jiān)視的主要

17、參數(shù)有（1）軸向位移（2）脹差（也稱汽缸和轉(zhuǎn)子的相對膨脹）（3）缸脹（也稱熱膨脹）（4）轉(zhuǎn)速（5）振動（6）偏心度（或軸彎曲）（7）相位（8）其它，如閥位指示等。,（2）進行聲光報警。當單元機組運行中某熱工參數(shù)超過工藝允許值時，汽輪機保安系統(tǒng)及時發(fā)出聲光報警信號，提醒運行人員立即采取相應的措施。,（3）自動保護停機。單元機組運行中某些熱工參數(shù)超過允許限值時，為了避免由此造成的嚴重事故，汽輪機保安系統(tǒng)自動發(fā)出保護停機命令，迫使單元機組停止運行。,（4）連鎖保護功能。如單元機組運行中，汽輪機潤滑油壓低至某一規(guī)定值時，汽輪機保安系統(tǒng)就會發(fā)出聯(lián)動指令，自動啟動輔助潤滑油泵。,第三節(jié) 機械位移量測量儀表

18、p147,機械位移量測量儀表一般用于測量汽輪機轉(zhuǎn)子的軸向位移，汽缸，轉(zhuǎn)子之間的相對熱膨脹位移以及汽缸熱膨脹量。,汽輪機軸向位移測量,當汽輪機軸向推力增大破壞了推力軸承的油膜時，油膜破壞，推力瓦塊烏金燒熔，使汽輪機轉(zhuǎn)子、定子之間的軸向間隙減小，發(fā)生摩擦，造成嚴重的設備損壞事故。,汽輪機差脹測量,防止單元機組在啟動或運行中，由于轉(zhuǎn)子與汽缸的膨脹程度不同形成的脹差過大，導致汽輪機動靜部分摩擦、碰撞,第四節(jié) 轉(zhuǎn)速測量儀表 p150,汽輪機是高速旋轉(zhuǎn)的大型機械設備。正常運行時轉(zhuǎn)速為3000rmin。如果轉(zhuǎn)動力矩不平衡，轉(zhuǎn)速就會發(fā)生變化。,轉(zhuǎn)速低于或高于額定值都將引起供電頻率的波動，從而降低供電的質(zhì)量。當

19、轉(zhuǎn)速失去控制時，可能會發(fā)生嚴重的超速現(xiàn)象。,在啟動升速過程中，還會遇到臨界轉(zhuǎn)速的影響，使機組產(chǎn)生較大的振動，甚至會共振而大大超過設計強度，故在啟停過程中要求準確地測量轉(zhuǎn)速，盡快越過各個臨界值轉(zhuǎn)速。,轉(zhuǎn)速信號的特別重要性，通常采取“三選二”的邏輯處理，以提高整個系統(tǒng)的可靠性。 零轉(zhuǎn)速監(jiān)測：連續(xù)檢測轉(zhuǎn)子的零轉(zhuǎn)速狀態(tài)。當轉(zhuǎn)速低于某規(guī)定值時，報警繼電器動作，以便投入盤車裝置。,第五節(jié) 振動測量儀表,汽輪發(fā)電機組在啟動和運行中都會有一定程度的振動。汽輪機振動值大，嚴重威脅設備安全。,第四節(jié) 轉(zhuǎn)速測量儀表,一、離心式轉(zhuǎn)速傳感器 離心器軸通過齒輪傳動裝置6從輸入軸7獲取待測轉(zhuǎn)速。當離心器軸2旋轉(zhuǎn)時，重錘在慣

20、性離心力的作用下離開軸心，并拉動活動套環(huán)5?；顒犹篆h(huán)將使得彈簧4沿離心器的軸向被壓縮。當慣性離心力與彈簧的彈性力平衡時，活動套環(huán)停留在一定位置。,二、測速發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器,測速發(fā)電機轉(zhuǎn)子上有三個永久磁極，定子有三個互成1200的繞組。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，定子線圈中會有感應電勢產(chǎn)生 感應電勢或頻率與轉(zhuǎn)速成正比,二、測速發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器,繞組L1 繞組L2 繞組L3,電感傳感器的基本工作原理演示,氣隙變小，電感變大，電流變小,F,用手慢慢將接觸器的活動鐵心（稱為銜鐵）往下按,三、磁阻測速傳感器,四、光電計數(shù)式轉(zhuǎn)速儀,第五節(jié) 振動測量儀表,國際標準ISO2372-1974規(guī)定用振動烈度作為表述振動的特征量

21、，并規(guī)定在機器的重要位置所測得的振動速度的最大有效值xrms，作為機器的振動烈度。,目前我國汽輪機還采用振動的幅值作為評價振動強弱的參數(shù)，例如，300MW機組，其軸頸處正常振幅應小于76um，最大不超過127um。,汽輪機的振動測量方法按照振體的相對位置，又可以分成軸承座的絕對振動、軸與軸承座的相對振動和軸的絕對振動。,一、磁電式振動傳感器,二、電渦流式振動傳感器p154,美國BN公司發(fā)明的渦流傳感器,采用了非接觸式的測量方法,渦流傳感器具有線性范圍大、精度和靈敏度高、抗干擾能力強、安裝和調(diào)試方便、檢測值不受油污和蒸汽等非金屬介質(zhì)影響等優(yōu)點,所以,以渦流傳感器為主要傳感器所組成的TSI受到了火

22、電廠的普遍歡迎。,工作原理和結(jié)構(gòu),用渦流傳感器測量汽輪機轉(zhuǎn)子軸向位移,過去測量汽輪機軸向位移常采用山字型電磁傳感器，現(xiàn)已逐漸被渦流傳感器所取代。,用渦流傳感器測量轉(zhuǎn)速,測速傳感器的探頭可以是磁電式的,也可以是渦流式的。但是,采用磁電傳感器在低轉(zhuǎn)速測量時其靈敏度較差,影響測量的準確性,總復習,p1 測量的定義 1-1 基本單位個,p3,儀表的三部分組成 各部分作用 傳感器的要求 3種顯示方式,p5,三種誤差類型 疏忽誤差產(chǎn)生原因 剔除壞值的方法 p8 習題8,p16,開爾文溫度和攝氏溫度數(shù)量關系 中溫段基準儀器鉑電阻溫度及,P18-20,熱電現(xiàn)象 熱電偶測溫原理 熱電偶三大基本定律內(nèi)容、應用,P22-23