氧化鋯氧傳感器的原理及應用


第一部分 氧化鋯氧傳感器工作原理
一、產品簡介：
氧化鋯氧傳感器是利用氧化鋯陶瓷敏感元件測量各類加熱爐或排氣管道中的氧電勢，由化學平衡原理計算出對應的氧濃度，達到監測和控制爐內燃燒空然比，保證產品質量及尾氣排放達標的測量元件，廣泛應用于各類煤燃燒、油燃燒、氣燃燒等爐體的氣氛控制。它是目前佳的燃燒氣氛測量方式，具有結構簡單、響應迅速、維護容易、使用方便、測量準確等優點。運用該傳感器進行燃燒氣氛測量和控制既能穩定和提高產品質量，又可縮短周期，節約能源。
二、氧傳感器工作原理：
氧傳感器是利用穩定的二氧化鋯陶瓷在650℃以上的環境中產生的氧離子導電特性而設計的。在一定的溫度條件下，如果在二氧化鋯塊狀陶瓷兩側的氣體中分別存在著不同的氧分壓(即氧濃度)時，二氧化鋯陶瓷內部將產生一系列的反應，和氧離子的遷移。這時通過二氧化鋯兩側的引出電極，可測到穩定的毫伏級信號，我們稱之為氧電勢。它服從能斯特(Nernst)方程：式中E為氧傳感器輸出的氧電勢(mv)，Tk為爐內的絕對溫度（K），P1和P2分別為二氧化鋯兩側氣體的氧分壓。實際應用時，將二氧化鋯的一側通入已知氧濃度的氣本（通常為空氣），我們稱之為參比氣。另一側則是被測氣體，就是我們要檢測的爐內的氣氛，詳見圖1。氧傳感器輸出的信號就是氧電勢信號，通過能斯特方程我們就可以獲得被測爐氣氛中的氧分壓和氧電勢的關系。參比氣為空氣時，可表示為：式中E為氧傳感器輸出氧電勢；Tk為爐內的絕對溫度；P02為爐內的氧分壓。我們的氧傳感器產品帶有自加熱裝置，一般溫度保證在700℃，這樣TK數值基本是恒定的，從而通過上式可以直接測量出爐內氧分壓濃度。 工程應用中采用標準氣體來標定氧傳感器輸出氧電勢E和氧分壓濃度PO2的對應關系，這種方法也是目前公認的準確、直接的標定方法。

第二部分 HMP系列氧傳感器
一．HMP氧傳感器基本結構：
HMP氧傳感器的核心部件采用進口氧化鋯氧傳感器（詳見圖2），該氧化鋯氧傳感器自帶智能加熱裝置，提供穩壓恒定控制信號即可快速達到使用溫度，并保證傳感器在該恒定溫度下連續、穩定工作。安裝該探頭需要調整引導板方向，盡量使引導板正對氣流方向，這樣才能形成對檢測氣氛的氣體自導流。進口氧化鋯氧傳感器典型性能特性如下：零點誤差：￡±0.2mv ；交流電阻（1500赫茲）：（700℃）￡100 千歐；（1100℃）￡ 5 千歐。響應時間（700-1300℃）：￡1秒
二．HMP氧傳感器采樣、維護方式：　　
HMP氧傳感器采用氣氛自導流方式，導入被檢測氣氛，考慮工程現場的環境因數，設計有吹掃清除通道，可方便地對采樣引導管道進行吹掃工作，以避免爐內或管道內的灰塵、煤灰、油雜質等等堵塞采樣管，請參考圖3。
三．技術性能：
使用溫度：室溫～1100℃； 氧電勢顯示范圍：－50～1240mV；氧電勢輸出精度：±0.5mV； 響應時間：≤1秒；正常使用使用壽命：≥18個月。　　

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行的關鍵，許多使用問題均由于氧傳感器安裝不當造成的，希望用戶一定要特別注意這一點，安裝氧傳感器請盡量考慮氧傳感器的安裝要求：
一、采樣測量點：
確定測量點是首要的工作。應遵循如下幾項原則：
（1） 選擇的測量點要求能正確反映所需要的爐內氣氛，以保證氧傳感器 輸出信號的真實性，盡量避開回風死角；
（2） 測量點不可太靠近燃燒點或噴頭等部位，這些部位氣氛處于劇烈反應中，會造成氧傳感器檢測值劇烈波動失真；也不要過于靠近風機等產氣設備，以免電機的震動沖刷損壞傳感器；
（3） 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：
（1）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，探頭采樣管引導板的方向應該盡量正對被測氣流的方向，在初始安裝的時候可以通過了解工藝確定基本方向。終確定比較好的引導方向，需要在系統通電加熱探頭以后，旋轉采樣管方向，使用數字萬用表觀察輸出氧電勢的波動情況來確定。
（2） 氧傳感器安裝所用接頭為專用法蘭接頭。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。氧傳感器的專用接頭上，按要求需要配裝石棉墊壓接，以確保密封，否則因為一般爐內為負壓，該處法蘭接頭處漏氣會影響測量精度或造成信號波動。
（3）氧傳感器的信號引出線好用屏蔽線，可以消除干擾。佳方式是使用2根2芯電纜，一根2芯屏蔽電纜接氧電勢輸出信號，一根2芯KVV控制電纜接探頭加熱連接端；如果現場條件不具備可直接使用一根4芯KVV電纜連接探頭氧電勢信號和加熱端。航空插頭焊腳說明如下（見圖4）：1． 加熱控制信號連接探頭航插1、2腳，我們已經引出紅、黃兩種顏色線，控制線可直接焊接連接；2． 探頭測量氧電勢輸出信號連接3、4腳，注意該毫伏信號連接的正、負極，4腳白色線為正、3腳黑色線為負，信號線也可直接與引出線對焊連接。（4）HMP氧探頭的標氣口一般檢測的時候封閉，只是在標定氣體的時候使用；吹掃氣口連接氣泵或者壓縮空氣管路，吹掃口進氣一般用一個電磁閥等閥門控制，一定周期開啟一次，通入氣體吹掃采樣管，探頭正常檢測時閥門關閉，不能有其他氣體進入采樣管。在此特別說明一點，使用廠方的壓縮空氣吹掃探頭保證壓縮空氣中不含有水份，即對所采用的壓縮空氣進行氣水分離處理。
　
第四部分 HMP氧傳感器的使用和維護
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，冷態下輸出的是隨機信號，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始正常的氣氛檢測。一般的探頭調零就是在室溫下，加熱探頭以后通過對空氣的測量，用數字萬用表測量此時探頭輸出毫伏值，此數值就是該探頭的零位偏差數值，在顯示儀表中需要加入該零位偏差來修正儀表顯示的氧濃度。
二．新裝或更換氧傳感器時的注意事項：
特別提醒：用戶新裝或更換氧傳感器時，均應校正氧分析儀的氧濃度顯示值。不進行此項工作，更換新的傳感器后，氧分析儀檢測的氧濃度可能會與實際濃度產生偏差，從而影響。
氧濃度的修正原理及方法：
HMP氧傳感器直接測量輸出的是被測氣氛的濃度與標準空氣差電勢數值，我們稱為氧電勢，該電勢數值在零點（即空氣測量）時不同的探頭起始輸出電勢就存在偏差，而輸出電勢經過模型轉換輸出氧濃度時也可能存在誤差，因此在氧分析儀中對探頭信號進行標定修正就是很必要的工作，否則顯示氧濃度與實際被測氣氛的氧濃度就會存在較大偏差，滿足不了現場的需要，甚至誤導控制影響。
修正參數時可以參考后附表提供的理論數值（該表為純理論計算數值，工程應考慮偏差），對應工程實際對測量系統進行相應調校。具體的修正一般通過標準氣體標定進行，方法是將計量核定確認的標準氣體通過標氣口通入探頭，測量此時輸出氧電勢及儀表顯示氧濃度，儀表顯示氧濃度應該與標準氣體濃度相同，存在偏差則修正儀表線性參數；標準計量要求少使用三種不同標準氣體標定系統，這樣經過三次標定重復修正好系統線性，保證系統正常工作。　　
三．積塵對氧傳感器的影響及吹掃清除方法：
由于氧傳感器是長期在線檢測測量的器件，鍋爐等設備（尤其是煤燃燒爐或者燒粉窯爐等）產生的粉塵會堵塞導氣采樣管道，造成測量的氣氛數值失真甚至無法測量氣氛，此時定期對采樣管中的積塵進行吹掃處理，吹掃時間的長短視積灰程度確定，這種吹掃方法要求氧分析儀具有相應功能或者配套使用氧傳感器的維護裝置，如果用戶沒有這些裝置只能安裝手動閥門控制壓縮空氣或氣泵定期通入吹掃氣口對探頭進行除塵工作，但此時注意以下情況：
（1）由于在吹掃的過程中，氧傳感器的氧電勢會下降，低有可能會降到1、2mv，這時檢測的氧電勢不代表爐內的氣氛，此點要注意；
（2）吹掃空氣的流量要保證能夠去除積灰，吹掃過程中可注意氧傳感器的氧電勢輸出值，如果氧電勢值始終沒有下降，表明空氣流量太小，積塵沒有清理，應予以調節或者檢查吹掃管道，可能吹掃管道已經堵死；
（3）吹掃口的通道是與爐內直接相通的，每次在吹掃完畢后，應關閉閥門堵死吹掃孔，防止因爐內負壓空氣進入，影響氧傳感器的檢測；
由于燒碳黑工作在現場環境下較為復雜，容易產生人為誤操作。為了提高碳勢傳感器檢測的準確性和使用壽命，降低人為操作失誤，建議好采用的專門為氧傳感器設計的HM-OS系列氧分析系統，該系統儀表可以提供定期吹掃功能，控制電磁閥定期通斷吹掃（詳細情況請參見有關資料或向咨詢）。
特別提醒：在分析氧傳感器的好壞時應將其視為一個單獨的檢測部件。在檢測氧傳感器的氧電勢時應把與氧傳感器連接的所有導線斷開，用高內阻的數字表在氧傳感器的輸出端直接檢測氧電勢。通過檢測氧電勢，與正常使用時的數值相比較。

四．確保氧傳感器在保質期內正常地為您工作：
氧傳感器是一種很的檢測裝置，它的核心部件為陶瓷，而且長期在線工作，正確地使用和精心的維護對保證氧傳感器正常工作是非常必要的。用戶應按照本說明書的要求嚴格安裝，正確使用和維護氧傳感器。如果氧傳感器出現故障，用戶無法自行解決時，請立即與我們聯系，我們將與您共同分析故障原因，及時予以維修。禁止用戶自行拆開氧傳感器，否則會造成無法修復的損壞，并將使保質期失效。

五．氧傳感器的保修：
本公司對所有本公司銷售的氧傳感器均有一年免費保修期，對于符合保修條件的傳感器我們均予以免費維修。對于因用戶沒有按照本說明書的要求安裝、使用和維護而造成損壞的傳感器，本公司不承擔保修義務，只負責有償維修，視具體情況收取維修費用。

對于出現以下故障的傳感器，本公司將不負責免費保修：
1． 因安裝不當、疏于維護或設備故障，造成傳感器嚴重積碳，無法通過正常燒碳黑恢復的傳感器。
2． 沒有按照說明書的要求安裝，造成外電極管變形、腐蝕的傳感器。
3． 因保護不當，造成內部瓷管斷裂的傳感器。
4． 用戶自行拆卸過的傳感器。
5． 其他因沒有按照本說明書要求安裝、使用或維護，而造成損壞的傳感器。
特別提醒：所有發出的傳感器均有專門設計的包裝箱和可靠的保護填充減震物，通過正常運輸過程，包裝箱完好的情況下，傳感器不會產生損壞，請用戶在搬運過程中一定要使用原包裝。當用戶需要將損壞的傳感器發回本公司維修時，請務必采用傳感器的原包裝箱和原填充減震物，可靠包裝好，不要采用其他的包裝。請通過鐵路或航空發運，不要通過郵局發運！
如果因用戶搬運不當，或返修傳感器包裝、發運不當，造成新購或返修傳感器內部瓷管斷裂的，我們將不承擔免費保修的義務！
附表：700℃時氧毫伏與氧濃度（O2％）理論對應數值：
氧毫伏數 O2％濃度 氧毫伏數 O2％濃度 氧毫伏數 O2％濃度 氧毫伏數 O2％濃度
1 19.97 51 1.83 101 0.168 151 0.0154
2 19.04 52 1.74 102 0.160 152 0.0146
3 18.15 53 1.66 103 0.152 153 0.0140
4 17.30 54 1.59 104 0.145 154 0.0133
5 16.50 55 1.51 105 0.138 155 0.0127
6 15.73 56 1.44 106 0.132 156 0.0121
7 14.99 57 1.37 107 0.126 157 0.0115
8 14.29 58 1.31 108 0.120 158 0.0110
9 13.63 59 1.25 109 0.114 159 0.0105
10 12.99 60 1.19 110 0.109 160 0.0100
11 12.38 61 1.13 111 0.104 161 0.0095
12 11.80 62 1.08 112 0.099 162 0.0091
13 11.25 63 1.03 113 0.094 163 0.0087
14 10.73 64 0.98 114 0.090 164 0.0083
15 10.23 65 0.94 115 0.086 165 0.0079
16 9.75 66 0.89 116 0.082 166 0.0075
17 9.30 67 0.85 117 0.078 167 0.0071
18 8.86 68 0.81 118 0.074 168 0.0068
19 8.45 69 0.77 119 0.071 169 0.0065
20 8.05 70 0.74 120 0.068 170 0.0062
21 7.68 71 0.70 121 0.064 171 0.0059
22 7.32 72 0.67 122 0.061 172 0.0056
23 6.98 73 0.64 123 0.059 173 0.0054
24 6.65 74 0.61 124 0.056 174 0.0051
25 6.34 75 0.58 125 0.053 175 0.0049
26 6.05 76 0.55 126 0.051 176 0.0046
27 5.76 77 0.53 127 0.048 177 0.0044
28 5.49 78 0.50 128 0.046 178 0.0042
29 5.24 79 0.48 129 0.044 179 0.0040
30 4.99 80 0.46 130 0.042 180 0.0038
31 4.76 81 0.44 131 0.040 181 0.0037
32 4.54 82 0.42 132 0.038 182 0.0035
33 4.33 83 0.40 133 0.036 183 0.0033
34 4.12 84 0.38 134 0.035 184 0.0032
35 3.93 85 0.36 135 0.033 185 0.0030
36 3.75 86 0.34 136 0.031 186 0.0029
37 3.57 87 0.33 137 0.030 187 0.0027
38 3.41 88 0.31 138 0.029 188 0.0026
39 3.25 89 0.30 139 0.027 189 0.0025
40 3.10 90 0.28 140 0.026 190 0.0024
41 2.95 91 0.27 141 0.025 191 0.0023
42 2.81 92 0.26 142 0.024 192 0.0022
43 2.68 93 0.25 143 0.023 193 0.0021
44 2.56 94 0.23 144 0.021 194 0.0020
45 2.44 95 0.22 145 0.020 195 0.0019
46 2.32 96 0.21 146 0.020 196 0.0018
47 2.22 97 0.20 147 0.019 197 0.0017
48 2.11 98 0.19 148 0.018 198 0.0016
49 2.01 99 0.18 149 0.017 199 0.0015
50 1.92 100