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氧化锆氧传感器的原理及应用
日期:2012-6-6 9:45:32   浏览量:   来源:szjxddc.com   关键字:传感器,,,,,,,,,,,


       

第一部(bu)分 氧化锆氧传(chuan)感器工作原理
一、产品简介(jie):
氧(yang)化(hua)锆氧(yang)传感器是利用(yong)(yong)氧(yang)化(hua)锆陶瓷敏感元件测(ce)量(liang)各类加热炉(lu)(lu)或排气管道中的(de)氧(yang)电势,由化(hua)学(xue)平衡原理计算出对应(ying)的(de)氧(yang)浓度,达(da)到监测(ce)和(he)控(kong)制(zhi)(zhi)炉(lu)(lu)内燃(ran)(ran)烧(shao)空然比,保(bao)证产(chan)(chan)品质量(liang)及尾气排放达(da)标(biao)的(de)测(ce)量(liang)元件,广泛应(ying)用(yong)(yong)于各类煤燃(ran)(ran)烧(shao)、油燃(ran)(ran)烧(shao)、气燃(ran)(ran)烧(shao)等炉(lu)(lu)体(ti)的(de)气氛(fen)控(kong)制(zhi)(zhi)。它是目前最佳的(de)燃(ran)(ran)烧(shao)气氛(fen)测(ce)量(liang)方式,具有(you)结构简(jian)单、响应(ying)迅速、维护容易(yi)、使用(yong)(yong)方便(bian)、测(ce)量(liang)准确(que)等优点。运用(yong)(yong)传感器进行燃(ran)(ran)烧(shao)气氛(fen)测(ce)量(liang)和(he)控(kong)制(zhi)(zhi)既能稳定和(he)提高产(chan)(chan)品质量(liang),又可(ke)缩短生产(chan)(chan)周期,节约能源。
二、氧传(chuan)感器工作原理:
氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)传感器是(shi)(shi)利用稳定的(de)(de)二(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)锆陶瓷在(zai)650℃以上的(de)(de)环(huan)境中产生的(de)(de)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)离子导电(dian)(dian)特(te)性而设计的(de)(de)。在(zai)一(yi)定的(de)(de)温度(du)(du)条件下,如果(guo)在(zai)二(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)锆块(kuai)状陶瓷两(liang)侧的(de)(de)气(qi)(qi)(qi)体中分(fen)(fen)(fen)别存(cun)在(zai)着不同的(de)(de)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)分(fen)(fen)(fen)压(即氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)浓度(du)(du))时(shi),二(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)锆陶瓷内部将(jiang)产生一(yi)系(xi)列的(de)(de)反应(ying)(ying),和氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)离子的(de)(de)迁移。这时(shi)通过(guo)二(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)锆两(liang)侧的(de)(de)引出电(dian)(dian)极,可测(ce)(ce)到稳定的(de)(de)毫(hao)伏级信号(hao),我(wo)们(men)(men)称之为氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)电(dian)(dian)势(shi)。它服从(cong)能斯特(te)(Nernst)方程(cheng):式中E为氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)传感器输(shu)出的(de)(de)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)电(dian)(dian)势(shi)(mv),Tk为炉(lu)(lu)内的(de)(de)绝对温度(du)(du)(K),P1和P2分(fen)(fen)(fen)别为二(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)锆两(liang)侧气(qi)(qi)(qi)体的(de)(de)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)分(fen)(fen)(fen)压。实际应(ying)(ying)用时(shi),将(jiang)二(er)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)锆的(de)(de)一(yi)侧通入(ru)已(yi)知氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)浓度(du)(du)的(de)(de)气(qi)(qi)(qi)本(ben)(通常为空气(qi)(qi)(qi)),我(wo)们(men)(men)称之为参(can)比气(qi)(qi)(qi)。另一(yi)侧则是(shi)(shi)被(bei)测(ce)(ce)气(qi)(qi)(qi)体,就(jiu)是(shi)(shi)我(wo)们(men)(men)要检测(ce)(ce)的(de)(de)炉(lu)(lu)内的(de)(de)气(qi)(qi)(qi)氛,详见图1。氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)传感器输(shu)出的(de)(de)信号(hao)就(jiu)是(shi)(shi)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)电(dian)(dian)势(shi)信号(hao),通过(guo)能斯特(te)方程(cheng)我(wo)们(men)(men)就(jiu)可以得到被(bei)测(ce)(ce)炉(lu)(lu)气(qi)(qi)(qi)氛中的(de)(de)氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)分(fen)(fen)(fen)压和氧(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)电(dian)(dian)势(shi)的(de)(de)关系(xi)。
 参(can)比气为空(kong)气时(shi),可(ke)(ke)表示(shi)为:式中E为氧(yang)传感(gan)器输出(chu)氧(yang)电势;Tk为炉(lu)(lu)内的(de)绝对温度(du);P02为炉(lu)(lu)内的(de)氧(yang)分(fen)压(ya)。我们的(de)氧(yang)传感(gan)器产品带有自(zi)加(jia)热(re)装置,一般温度(du)保证在700℃,这样TK数值基本是恒(heng)定(ding)的(de),从而通过上式可(ke)(ke)以直(zhi)接测(ce)量出(chu)炉(lu)(lu)内氧(yang)分(fen)压(ya)浓度(du)。 工(gong)程应(ying)用中采用标准(zhun)(zhun)气体来标定(ding)氧(yang)传感(gan)器输出(chu)氧(yang)电势E和(he)氧(yang)分(fen)压(ya)浓度(du)PO2的(de)对应(ying)关系,这种方法也(ye)是目前(qian)公认的(de)最准(zhun)(zhun)确(que)、最直(zhi)接的(de)标定(ding)方法。
第二部分 HMP系列氧传感(gan)器
一.HMP氧传感(gan)器基本结(jie)构:
HMP氧传感器的核心部件采用进口氧化锆氧传感器,该氧化锆氧传感器自带智能加热装置,提供稳压恒定控制信号即可快速达到使用温度,并保证传感器在该恒定温度下连续、稳定工作。安装该探头需要调整引导板方向,尽量使引导板正对气流方向,这样才能形成对检测气氛的气体自导流。进口氧化锆氧传感器典型性能特性如下:零点误差:£±0.2mv ;交流电阻(1500赫兹):(700℃)£100 千欧;(1100℃)£ 5 千欧。响应时间(700-1300):£1秒
二.HMP氧传感器采样、维护方式:
HMP氧传感器采用气氛自导流方式,导入被检测气氛,考虑工程现场的环境因数,设计有吹扫清除通道,可方便地对采样引导管道进行吹扫工作,以避免炉内或管道内的灰尘、煤灰、油杂质等等堵塞采样管。
三.技术性能:
使(shi)用(yong)温度:室温~1100℃;氧(yang)电(dian)势显示范围:-50~1240mV;氧(yang)电(dian)势输出精(jing)度:±0.5mV; 响应时间:≤1秒;正常使(shi)用(yong);使(shi)用(yong)寿命:≥18个月。
第三部(bu)分 氧传(chuan)感(gan)器的(de)安装
合理的(de)(de)安(an)(an)装(zhuang)是保证氧(yang)传感(gan)器(qi)可(ke)靠运行(xing)的(de)(de)关键,许多使用问题均由(you)于氧(yang)传感(gan)器(qi)安(an)(an)装(zhuang)不当造成(cheng)的(de)(de),希望用户一(yi)定(ding)要特别注(zhu)意这一(yi)点,安(an)(an)装(zhuang)氧(yang)传感(gan)器(qi)请尽量考(kao)虑氧(yang)传感(gan)器(qi)的(de)(de)安(an)(an)装(zhuang)要求:
一、采样测量点:
确定测量点是(shi)首要的工作。应遵循如下几项(xiang)原则:
(1) 选择的测量(liang)点要求能正确反映所需要的炉内气氛(fen),以(yi)保证氧传感器(qi) 输出信号(hao)的真实性,尽量(liang)避开回(hui)风死角;
(2) 测量点不(bu)可太靠近燃烧点或喷头等(deng)(deng)部位,这些部位气氛处(chu)于剧烈反应中,会造成氧传感(gan)器检(jian)测值剧烈波动失真;也不(bu)要过于靠近风机等(deng)(deng)产气设备(bei),以免(mian)电(dian)机的震(zhen)动冲(chong)刷损(sun)坏传感(gan)器;
(3) 避免放在可能碰撞(zhuang)的位置,以(yi)免碰撞(zhuang)损(sun)坏探头,保(bao)证传感器(qi)的安全;
二.氧传感器的安装、连接方(fang)式:
(1)HMP氧探头的安装(zhuang)可(ke)采用(yong)(yong)水(shui)平(ping)或垂直(zhi)方(fang)(fang)(fang)式(shi),垂直(zhi)安装(zhuang)是(shi)比(bi)较(jiao)理想的安装(zhuang)方(fang)(fang)(fang)式(shi)。不管(guan)采用(yong)(yong)何种方(fang)(fang)(fang)式(shi),探头采样管(guan)引导板的方(fang)(fang)(fang)向应(ying)该尽量正(zheng)对被测气流(liu)的方(fang)(fang)(fang)向,在初始安装(zhuang)的时候可(ke)以(yi)通(tong)过了解工艺确定(ding)基(ji)本方(fang)(fang)(fang)向。最终确定(ding)比(bi)较(jiao)好(hao)的引导方(fang)(fang)(fang)向,需要在系统(tong)通(tong)电(dian)加热探头以(yi)后,旋转(zhuan)采样管(guan)方(fang)(fang)(fang)向,使用(yong)(yong)数(shu)字万用(yong)(yong)表(biao)观察输出氧电(dian)势的波动(dong)情(qing)况来确定(ding)。
(2) 氧(yang)传(chuan)感器(qi)安(an)装所(suo)用接(jie)头(tou)为专用法兰接(jie)头(tou)。如用户有其它类型的接(jie)头(tou),只要安(an)装尺寸相同,符合密封要求(qiu)也可替(ti)代(dai)本(ben)接(jie)头(tou)。氧(yang)传(chuan)感器(qi)的专用接(jie)头(tou)上,按(an)要求(qiu)需要配装石棉垫压接(jie),以确保密封,否则因为一般炉内为负(fu)压,该处法兰接(jie)头(tou)处漏气会影(ying)响测(ce)量精度或造成信号波动。
(3)氧(yang)传(chuan)感器(qi)的信(xin)号(hao)(hao)引出线(xian)(xian)最好用(yong)屏(ping)蔽线(xian)(xian),可(ke)以消(xiao)除干(gan)扰(rao)。最佳方式是使用(yong)2根(gen)2芯电(dian)(dian)(dian)(dian)缆(lan),一根(gen)2芯屏(ping)蔽电(dian)(dian)(dian)(dian)缆(lan)接(jie)氧(yang)电(dian)(dian)(dian)(dian)势输出信(xin)号(hao)(hao),一根(gen)2芯KVV控制(zhi)电(dian)(dian)(dian)(dian)缆(lan)接(jie)探头(tou)加热连(lian)(lian)接(jie)端(duan);如果现场条件不(bu)具备可(ke)直接(jie)使用(yong)一根(gen)4芯KVV电(dian)(dian)(dian)(dian)缆(lan)连(lian)(lian)接(jie)探头(tou)氧(yang)电(dian)(dian)(dian)(dian)势信(xin)号(hao)(hao)和加热端(duan)。航空插(cha)头(tou)焊脚说明如下:1、加热控制(zhi)信(xin)号(hao)(hao)连(lian)(lian)接(jie)探头(tou)航插(cha)1、2脚,我们(men)已经引出红、黄两种(zhong)颜色线(xian)(xian),控制(zhi)线(xian)(xian)可(ke)直接(jie)焊接(jie)连(lian)(lian)接(jie);2、探头(tou)测量氧(yang)电(dian)(dian)(dian)(dian)势输出信(xin)号(hao)(hao)连(lian)(lian)接(jie)3、4脚,注意该毫伏信(xin)号(hao)(hao)连(lian)(lian)接(jie)的正、负极(ji),4脚白色线(xian)(xian)为正、3脚黑色线(xian)(xian)为负,信(xin)号(hao)(hao)线(xian)(xian)也可(ke)直接(jie)与引出线(xian)(xian)对(dui)焊连(lian)(lian)接(jie)。
(4)HMP氧探(tan)(tan)头(tou)的标(biao)气(qi)(qi)口一(yi)(yi)般(ban)检(jian)测的时(shi)候封闭,只是(shi)在标(biao)定(ding)气(qi)(qi)体的时(shi)候使用(yong)(yong);吹(chui)扫(sao)气(qi)(qi)口连接气(qi)(qi)泵或者(zhe)压(ya)缩(suo)空(kong)(kong)气(qi)(qi)管(guan)(guan)路,吹(chui)扫(sao)口进(jin)(jin)气(qi)(qi)一(yi)(yi)般(ban)用(yong)(yong)一(yi)(yi)个电磁阀(fa)等阀(fa)门(men)控制,一(yi)(yi)定(ding)周期开启一(yi)(yi)次,通入气(qi)(qi)体吹(chui)扫(sao)采样管(guan)(guan),探(tan)(tan)头(tou)正常检(jian)测时(shi)阀(fa)门(men)关(guan)闭,不能有(you)其他气(qi)(qi)体进(jin)(jin)入采样管(guan)(guan)。在此特别说明(ming)一(yi)(yi)点,使用(yong)(yong)厂方(fang)的压(ya)缩(suo)空(kong)(kong)气(qi)(qi)吹(chui)扫(sao)探(tan)(tan)头(tou)必须(xu)保证压(ya)缩(suo)空(kong)(kong)气(qi)(qi)中不含(han)有(you)水(shui)份,即对所采用(yong)(yong)的压(ya)缩(suo)空(kong)(kong)气(qi)(qi)必须(xu)进(jin)(jin)行气(qi)(qi)水(shui)分离处理。
第(di)四部(bu)分 HMP氧传感器的使用和维护(hu)
一.连接(jie)加(jia)热控制:
特别提醒:只有在(zai)氧(yang)传感(gan)(gan)器(qi)连接(jie)了加(jia)热(re)控制以后(hou)传感(gan)(gan)器(qi)才能正常(chang)(chang)工(gong)作,冷态下(xia)输(shu)出的是随机信号(hao),不代(dai)表(biao)任(ren)何(he)意义(yi)!HMP氧(yang)传感(gan)(gan)器(qi)在(zai)接(jie)入(ru)加(jia)热(re)控制以后(hou),在(zai)室(shi)温条件下(xia)既可以开始正常(chang)(chang)的气氛(fen)检测(ce)。一般的探头(tou)(tou)(tou)调零(ling)就是在(zai)室(shi)温下(xia),加(jia)热(re)探头(tou)(tou)(tou)以后(hou)通过对空(kong)气的测(ce)量,用(yong)数字万用(yong)表(biao)测(ce)量此(ci)时(shi)探头(tou)(tou)(tou)输(shu)出毫伏值(zhi),此(ci)数值(zhi)就是该探头(tou)(tou)(tou)的零(ling)位偏差(cha)数值(zhi),在(zai)显示仪(yi)表(biao)中(zhong)需要(yao)加(jia)入(ru)该零(ling)位偏差(cha)来修正仪(yi)表(biao)显示的氧(yang)浓度。
二.新装(zhuang)或(huo)更(geng)换(huan)氧传感器时的注(zhu)意事项:
特别提醒:用户新(xin)装或更换(huan)氧(yang)传(chuan)感(gan)器时,均应校正氧(yang)分(fen)析仪的(de)氧(yang)浓度显示(shi)值。不(bu)进行此项工作,更换(huan)新(xin)的(de)传(chuan)感(gan)器后,氧(yang)分(fen)析仪检测的(de)氧(yang)浓度可能会(hui)与(yu)实际浓度产(chan)生(sheng)(sheng)偏差,从而影响生(sheng)(sheng)产(chan)。
氧(yang)浓度的修正原理及方法(fa):
HMP氧(yang)传感器直接测量输(shu)出的是被测气氛的浓度(du)与标(biao)准空气差(cha)(cha)(cha)电势数值,我们称为氧(yang)电势,该电势数值在(zai)零点(dian)(即空气测量)时不同(tong)的探头(tou)起(qi)始输(shu)出电势就(jiu)存(cun)在(zai)偏差(cha)(cha)(cha),而输(shu)出电势经过模型(xing)转(zhuan)换输(shu)出氧(yang)浓度(du)时也可(ke)能存(cun)在(zai)误(wu)差(cha)(cha)(cha),因此在(zai)氧(yang)分析仪中对探头(tou)信(xin)号进行标(biao)定修(xiu)正就(jiu)是很必要的工作,否则显示氧(yang)浓度(du)与实际被测气氛的氧(yang)浓度(du)就(jiu)会存(cun)在(zai)较(jiao)大偏差(cha)(cha)(cha),满足不了(le)现场生(sheng)产的需要,甚至误(wu)导(dao)控制影响生(sheng)产。
修(xiu)正参数(shu)(shu)时可以参考最(zui)后附表提供的(de)(de)理论数(shu)(shu)值(该(gai)表为纯(chun)理论计算数(shu)(shu)值,工程应考虑偏差(cha)),对应工程实(shi)际对测量系统(tong)进行相(xiang)应调具体(ti)的(de)(de)修(xiu)正一般通(tong)过(guo)标(biao)(biao)准(zhun)气(qi)体(ti)标(biao)(biao)定进行,方法(fa)是(shi)将(jiang)计量核(he)定确认的(de)(de)标(biao)(biao)准(zhun)气(qi)体(ti)通(tong)过(guo)标(biao)(biao)气(qi)口通(tong)入(ru)探头,测量此时输出氧电势(shi)及仪(yi)表显示氧浓(nong)度,仪(yi)表显示氧浓(nong)度应该(gai)与标(biao)(biao)准(zhun)气(qi)体(ti)浓(nong)度相(xiang)同,存在偏差(cha)则修(xiu)正仪(yi)表线性参数(shu)(shu);标(biao)(biao)准(zhun)计量要求最(zui)少使用(yong)三(san)(san)种不同标(biao)(biao)准(zhun)气(qi)体(ti)标(biao)(biao)定系统(tong),这样经过(guo)三(san)(san)次标(biao)(biao)定重复修(xiu)正好(hao)系统(tong)线性,保证系统(tong)正常工作(zuo)。
三(san).积尘对氧(yang)传感器的影(ying)响及吹扫清除方(fang)法:
由(you)于氧(yang)(yang)传(chuan)感器(qi)是(shi)长(zhang)期在(zai)线检测测量(liang)的器(qi)件,锅炉(lu)等设备(bei)(尤其是(shi)煤燃烧炉(lu)或(huo)(huo)者(zhe)烧粉(fen)窑(yao)炉(lu)等)产生的粉(fen)尘会堵塞导(dao)气(qi)采样管道,造成测量(liang)的气(qi)氛数(shu)值失真(zhen)甚至无(wu)法(fa)测量(liang)气(qi)氛,此时必(bi)须定(ding)期对采样管中(zhong)的积(ji)尘进(jin)行吹扫处理,吹扫时间的长(zhang)短视积(ji)灰程(cheng)度确定(ding),这种吹扫方法(fa)要求氧(yang)(yang)分析仪(yi)具有(you)相应功能或(huo)(huo)者(zhe)配套(tao)使用(yong)氧(yang)(yang)传(chuan)感器(qi)的维护装(zhuang)置(zhi),如果用(yong)户没有(you)这些装(zhuang)置(zhi)只(zhi)能安装(zhuang)手动(dong)阀门(men)控制压缩空(kong)气(qi)或(huo)(huo)气(qi)泵定(ding)期通入吹扫气(qi)口对探头进(jin)行除尘工作,但此时必(bi)须注意(yi)以下情况:
(1)由于在吹扫的过程中(zhong),氧传感器的氧电势会下降,最低有可能会降到1、2mv,这(zhei)时检测的氧电势不代表炉(lu)内的气氛(fen),此点必须要注(zhu)意;
(2)吹扫空气的流量要保证能够去除积灰,吹扫过程中可注意氧传感器的氧电势输出值,如果氧电势值始终没有下降,表明空气流量太小,积尘没有清理,应予以调节或者检查吹扫管道,可能吹扫管道已经堵死;
  (3)吹扫口的通道是与炉内直接相通的,每次在吹扫完毕后,应关闭阀门堵死吹扫孔,防止因炉内负压空气进入,影响氧传感器的检测;由于烧碳黑工作在现场环境下较为复杂,容易产生人为误操作。为了提高碳势传感器检测的准确性和使用寿命,降低人为操作失误,建议最好采用我公司生产的专门为我公司氧传感器设计的HM-OS系列氧分析系统,该系统仪表可以提供定期吹扫功能,控制电磁阀定期通断吹扫(详细情况请参见有关资料或向我公司咨询)。
特别(bie)提醒:在分析氧传(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器的好坏(huai)时(shi)(shi)应将其视(shi)为一(yi)个单独(du)的检(jian)测(ce)(ce)(ce)部件。在检(jian)测(ce)(ce)(ce)氧传(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器的氧电势(shi)时(shi)(shi)应把与氧传(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器连(lian)接(jie)的所有导线断开,用高内(nei)阻的数字表(biao)在氧传(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器的输出端直(zhi)接(jie)检(jian)测(ce)(ce)(ce)氧电势(shi)。通(tong)过检(jian)测(ce)(ce)(ce)氧电势(shi),与正常使用时(shi)(shi)的数值(zhi)相比较(jiao)。
 
下一条:热电偶和测温仪表“分度号”是什么意思
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