[科普中国]-氧化锆氧分析仪器

氧化锆氧分析仪是近年来发展起来的一种新型测氧仪。由于它的敏感探头可直接插入烟道内检测，故具有结构简单、精度较高、对氧含量变化反应迅速等特点。被广泛用来测量各种锅炉和窑炉中烟道气的氧含量。此外，它可方便地与调节器配会，构成闭环氧量控制系统，实现低氧燃烧控制，从而达到节约能源，减少环境污染等目的。1

基本原理被测气体（烟气）通过传感器进入氧化锆管的内侧，参比气体（空气）通过自然对流进入传感器的外侧，当锆管内外侧的氧浓度不同时，在氧化锆管内外侧产生氧浓差电势（在参比气体确定情况下，氧化锆输出的氧浓差电势与传感器的工作温度和被测气体浓度呈函数对应关系）该氧浓差电势经显示仪表转化成与被测烟气含氧量呈线性关系的标准信号，供测氧仪的仪表显示和输出。2

仪器组成结构氧化锆氧分析仪主要由氧化锆探头和氧量变送器两部分组成。

一、氧化锆探头。氧化锆探头是氧分析器的检测部件，其核心就是氧化锆固体电解质氧浓差电池。它的作用是将被测气体的氧含量转换成氧浓差电势。

要使氧化锆探头输出的浓差电势信号和待测气体的氧浓度成单值函数关系，必须使探头的工作温度保持恒定。现常用的方法有两种；一种是在探头内部设置温度控制系统，使探头置于恒定的工作温度之中；另一种是采用热电偶来检测探头感受的实际工作温度，然后把此热电势信号送至氧量变送器，在变送器中进行温度补偿运算，以消除温度对浓差电势信号的影响。根据所采用的方法不同，氧化锆探头结构有直插式、直插加热恒温式和恒温抽气式三种。其中直插式探头采用温度补偿运算方法，后两种探头采用恒温的方法。

国产氧化锆氧分析器多数采用直插式氧化锆探头，其内部结构如图1所示。它主要由氧化锆固体电解质材料、铂电极，碳化硅过滤器、铠装热电偶(此图中未表示出来)氧化铝管及金属套管等组成，碳化硅过滤器用于滤去粉尘，热电偶用来检测探头感受的实际工作温度，金属套管则是为了使检测部件免受机械损伤。1

二、氧量变送器。氧量变送器的作用就是把浓差电势转挨成0-10mA或4-20mA直流电流，输出给显示仪表或调节器。

氧量变送器的基本组成框图如图2所示。它由下列几部分组成。

(1)高阻抗变换器。氧化锆探头检测部件是一个氧浓差电池，，其本身具有较大的内阻，为了使浓差电池产生的电势信号全部(或接近全部)输出给氧量变送器，必须使流过浓差电池的电流为零或接近于零。为此，氧量变送器的输入回路采用高输入阻抗的阻抗变换级，以保证流过浓差电池的电流近似为零。2

(2)温度变换级。这是为在后面的除法器电路中，进行探头温度补偿运算而设置的。氧量变送器采用类似两函数式相除，将其公因式相消来进行温度补偿运算。2

使用注意事项为了保证氧化锆氧分析仪的测量准确，使用中需注意以下问题：

(1)被测气体与参比气体的压力必须相等，否则氧分压的电动势表达式不能转换成氧浓差表达式，测量会产生原理性误差。2

(2)由于在氧浓差电池工作过程中，高氧侧的氧分子会以离子方式穿过氧化锆进入低氧侧，使氧化锆两侧的氧浓度趋于接近，因此要保证烟气和参比气都有一定的流速。但也要注意，气体的流速不能过大，以免影响氧化锆管的温度，造成附加误差。2

应用领域分析仪广泛应用于钢铁厂、炼油厂、化工厂、氮肥厂，金属制品厂，热处理，生物医药，玻璃光纤生产，食品，纺织，垃圾填埋，电力，沼气，煤矿等存在工业原料气体和锅炉烟气中氧含量检测，适用于高温，高粉尘，工业环境中应用。1

另外，氧化锆氧分析仪由于结构简单，灵敏度高，反应迅速，烟气中其他干扰成分影响小等优点，在燃烧控制中获得了广泛的应用。2

技术指标RHO-702高温直插氧分析仪的主要技术参数如下：

零点漂移 ≤±2%FS/6h

输入电源 AC220V 跨度漂移 ≤±5%FS/6h

响应时间 T90≤10S 样气压力 0Pa～106kPa

样气流量 100ml/min～400ml/min样气温度 -20～1300℃

检测原理 氧化锆 采样方式 管道插入式

信号输出 4-20mA或RS485 报警方式 触点输出

报警误差 ≤±10% 报警设定值接点容量1A/220VAC或1A/24VDC

预热时间 30MIN 防护等级 IP65

插入长度500mm800 mm 连接方式 法兰

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所