氧化鋯氧傳感器的原理及應(yīng)用

--------------------------------------------------------------------------------
 
*部分 氧化鋯氧傳感器工作原理

　　一、產(chǎn)品簡(jiǎn)介：

　　氧化鋯氧傳感器是利用氧化鋯陶瓷敏感元件測(cè)量各類加熱爐或排氣管道中的氧電勢(shì)，由化學(xué)平衡原理計(jì)算出對(duì)應(yīng)的氧濃度，達(dá)到監(jiān)測(cè)和控制爐內(nèi)燃燒空然比，保證產(chǎn)品質(zhì)量及尾氣排放達(dá)標(biāo)的測(cè)量元件，廣泛應(yīng)用于各類煤燃燒、油燃燒、氣燃燒等爐體的氣氛控制。它是目前*的燃燒氣氛測(cè)量方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)迅速、維護(hù)容易、使用方便、測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)用該傳感器進(jìn)行燃燒氣氛測(cè)量和控制既能穩(wěn)定和提高產(chǎn)品質(zhì)量，又可縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約能源。

　　二、氧傳感器工作原理：

　　氧傳感器是利用穩(wěn)定的二氧化鋯陶瓷在650℃以上的環(huán)境中產(chǎn)生的氧離子導(dǎo)電特性而設(shè)計(jì)的。在一定的溫度條件下，如果在二氧化鋯塊狀陶瓷兩側(cè)的氣體中分別存在著不同的氧分壓即氧濃度時(shí)，二氧化鋯陶瓷內(nèi)部將產(chǎn)生一系列的反應(yīng)，和氧離子的遷移。這時(shí)通過(guò)二氧化鋯兩側(cè)的引出電極，可測(cè)到穩(wěn)定的毫伏級(jí)信號(hào)，我們稱之為氧電勢(shì)。它服從能斯特Nernst方程：

　　 式中E為氧傳感器輸出的氧電勢(shì)mv，Tk為爐內(nèi)的溫度（K），P1和P2分別為二氧化鋯兩側(cè)氣體的氧分壓。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將二氧化鋯的一側(cè)通入已知氧濃度的氣本（通常為空氣），我們稱之為參比氣。另一側(cè)則是被測(cè)氣體，就是我們要檢測(cè)的爐內(nèi)的氣氛，詳見(jiàn)圖1。氧傳感器輸出的信號(hào)就是氧電勢(shì)信號(hào)，通過(guò)能斯特方程我們就可以得到被測(cè)爐氣氛中的氧分壓和氧電勢(shì)的關(guān)系。參比氣為空氣時(shí)，可表示為：

　　式中E為氧傳感器輸出氧電勢(shì)；Tk為爐內(nèi)的溫度；P02為爐內(nèi)的氧分壓。

　　我們的氧傳感器產(chǎn)品帶有自加熱裝置，一般溫度保證在700℃，這樣TK數(shù)值基本是恒定的，從而通過(guò)上式可以直接測(cè)量出爐內(nèi)氧分壓濃度。 工程應(yīng)用中采用標(biāo)準(zhǔn)氣體來(lái)標(biāo)定氧傳感器輸出氧電勢(shì)E和氧分壓濃度PO2的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種方法也是目前*的zui準(zhǔn)確、zui直接的標(biāo)定方法。

　　第二部分 HMP系列氧傳感器

　　一．HMP氧傳感器基本結(jié)構(gòu)：

　　HMP氧傳感器的核心部件采用進(jìn)口氧化鋯氧傳感器（詳見(jiàn)圖2），該氧化鋯氧傳感器自帶智能加熱裝置，提供穩(wěn)壓恒定控制信號(hào)即可快速達(dá)到使用溫度，并保證傳感器在該恒定溫度下連續(xù)、穩(wěn)定工作。安裝該探頭需要調(diào)整引導(dǎo)板方向，盡量使引導(dǎo)板正對(duì)氣流方向，這樣才能形成對(duì)檢測(cè)氣氛的氣體自導(dǎo)流。進(jìn)口氧化鋯氧傳感器典型性能特性如下：

　　零點(diǎn)誤差：£±0.2mv ；交流電阻（1500赫茲）：（700℃）£100 千歐；（1100℃）£ 5 千歐。響應(yīng)時(shí)間（700-1300℃）：£1秒

　　二．HMP氧傳感器采樣、維護(hù)方式：

　　HMP氧傳感器采用氣氛自導(dǎo)流方式，導(dǎo)入被檢測(cè)氣氛，考慮工程現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境因數(shù)，設(shè)計(jì)有吹掃清除通道，可方便地對(duì)采樣引導(dǎo)管道進(jìn)行吹掃工作，以避免爐內(nèi)或管道內(nèi)的灰塵、煤灰、油雜質(zhì)等等堵塞采樣管，請(qǐng)參考圖3。

　　三．技術(shù)性能：

　　使用溫度：室溫～1100℃； 氧電勢(shì)顯示范圍：－50～1240mV；

　　氧電勢(shì)輸出精度：±0.5mV； 響應(yīng)時(shí)間：≤1秒；

　　正常使用使用壽命：≥18個(gè)月。

　　第三部分 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，希望用戶一定要特別注意這一點(diǎn)，安裝氧傳感器請(qǐng)盡量考慮氧傳感器的安裝要求：

　　一、采樣測(cè)量點(diǎn)：

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

　?。?） 選擇的測(cè)量點(diǎn)要求能正確反映所需要的爐內(nèi)氣氛，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；

　?。?） 測(cè)量點(diǎn)不可太靠近燃燒點(diǎn)或噴頭等部位，這些部位氣氛處于劇烈反應(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；

　?。?） 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；

　　二．氧傳感器的安裝、連接方式：

　?。?）HMP氧探頭的安裝可采用水平或垂直方式，垂直安裝是比較理想的安裝方式。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)候可以通過(guò)了解工藝確定基本方向。zui終確定比較好的引導(dǎo)方向，需要在系統(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)確定。

　　（2） 氧傳感器安裝所用接頭為法蘭接頭。如用戶有其它類型的接頭，只要安裝尺寸相同，符合密封要求也可替代本接頭。氧傳感器的接頭上，按要求需要配裝石棉墊壓接，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)引出線用屏蔽線，可以消除干擾。*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。航空插頭焊腳說(shuō)明如下（見(jiàn)圖4）：

　　1． 加熱控制信號(hào)連接探頭航插1、2腳，我們已經(jīng)引出紅、黃兩種顏色線，控制線可直接焊接連接；

　　2． 探頭測(cè)量氧電勢(shì)輸出信號(hào)連接3、4腳，注意該毫伏信號(hào)連接的正、負(fù)極，4腳白色線為正、3腳黑色線為負(fù)，信號(hào)線也可直接與引出線對(duì)焊連接。

　　（4）HMP氧探頭的標(biāo)氣口一般檢測(cè)的時(shí)候封閉，只是在標(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。在此特別說(shuō)明一點(diǎn)，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。
　
　　第四部分 HMP氧傳感器的使用和維護(hù)

　　 一．連接加熱控制：

　　特別提醒：只有在氧傳感器連接了加熱控制以后傳感器才能正常工作，冷態(tài)下輸出的是隨機(jī)信號(hào)，不代表任何意義！

　　HMP氧傳感器在接入加熱控制以后，在室溫條件下既可以開(kāi)始正常的氣氛檢測(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。

　　二．新裝或更換氧傳感器時(shí)的注意事項(xiàng)：

　　特別提醒：用戶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，從而影響生產(chǎn)。

　　氧濃度的修正原理及方法：

　　HMP氧傳感器直接測(cè)量輸出的是被測(cè)氣氛的濃度與標(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)氣氛的氧濃度就會(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)。

　　修正參數(shù)時(shí)可以參考zui后附表提供的理論數(shù)值（該表為純理論計(jì)算數(shù)值，工程應(yīng)考慮偏差），對(duì)應(yīng)工程實(shí)際對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)校。

　　具體的修正一般通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)定進(jìn)行，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zui少使用三種不同標(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。

　　三．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)量的氣氛數(shù)值失真甚至無(wú)法測(cè)量氣氛，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，如果用戶沒(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：

　?。?）由于在吹掃的過(guò)程中，氧傳感器的氧電勢(shì)會(huì)下降，zui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；

　?。?）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；

　?。?）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)；

　　 由于燒碳黑工作在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下較為復(fù)雜，容易產(chǎn)生人為誤操作。為了提高碳勢(shì)傳感器檢測(cè)的準(zhǔn)確性和使用壽命，降低人為操作失誤，建議采用我公司生產(chǎn)的專門為我公司氧傳感器設(shè)計(jì)的HM-OS系列氧分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)儀表可以提供定期吹掃功能，控制電磁閥定期通斷吹掃（詳細(xì)情況請(qǐng)參見(jiàn)有關(guān)資料或向我公司咨詢）。

　　特別提醒：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。

　　四．確保氧傳感器在保質(zhì)期內(nèi)正常地為您工作：

　　氧傳感器是一種很精密的檢測(cè)裝置，它的核心部件為陶瓷，而且長(zhǎng)期在線工作，正確地使用和精心的維護(hù)對(duì)保證氧傳感器正常工作是非常必要的。用戶應(yīng)按照本說(shuō)明書的要求嚴(yán)格安裝，正確使用和維護(hù)氧傳感器。如果氧傳感器出現(xiàn)故障，用戶無(wú)法自行解決時(shí)，請(qǐng)立即與我們，我們將與您共同分析故障原因，及時(shí)予以維修。禁止用戶自行拆開(kāi)氧傳感器，否則會(huì)造成無(wú)法修復(fù)的損壞，并將使保質(zhì)期失效。