氧化锆氧传感器的原理及应用


第一部分 氧化锆氧传感器工作原理
一、产品简介：
氧化锆氧传感器是利用氧化锆陶瓷敏感元件测量各类加热炉或排气管道中的氧电势，由化学平衡原理计算出对应的氧浓度，达到监测和控制炉内燃烧空然比，保证产品质量及尾气排放达标的测量元件，广泛应用于各类煤燃烧、油燃烧、气燃烧等炉体的气氛控制。它是目前佳的燃烧气氛测量方式，具有结构简单、响应迅速、维护容易、使用方便、测量准确等优点。运用该传感器进行燃烧气氛测量和控制既能稳定和提高产品质量，又可缩短周期，节约能源。
二、氧传感器工作原理：
氧传感器是利用稳定的二氧化锆陶瓷在650℃以上的环境中产生的氧离子导电特性而设计的。在一定的温度条件下，如果在二氧化锆块状陶瓷两侧的气体中分别存在着不同的氧分压(即氧浓度)时，二氧化锆陶瓷内部将产生一系列的反应，和氧离子的迁移。这时通过二氧化锆两侧的引出电极，可测到稳定的毫伏级信号，我们称之为氧电势。它服从能斯特(Nernst)方程：式中E为氧传感器输出的氧电势(mv)，Tk为炉内的绝对温度（K），P1和P2分别为二氧化锆两侧气体的氧分压。实际应用时，将二氧化锆的一侧通入已知氧浓度的气本（通常为空气），我们称之为参比气。另一侧则是被测气体，就是我们要检测的炉内的气氛，详见图1。氧传感器输出的信号就是氧电势信号，通过能斯特方程我们就可以获得被测炉气氛中的氧分压和氧电势的关系。参比气为空气时，可表示为：式中E为氧传感器输出氧电势；Tk为炉内的绝对温度；P02为炉内的氧分压。我们的氧传感器产品带有自加热装置，一般温度保证在700℃，这样TK数值基本是恒定的，从而通过上式可以直接测量出炉内氧分压浓度。 工程应用中采用标准气体来标定氧传感器输出氧电势E和氧分压浓度PO2的对应关系，这种方法也是目前公认的准确、直接的标定方法。

第二部分 HMP系列氧传感器
一．HMP氧传感器基本结构：
HMP氧传感器的核心部件采用进口氧化锆氧传感器（详见图2），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，请参考图3。
三．技术性能：
使用温度：室温～1100℃； 氧电势显示范围：－50～1240mV；氧电势输出精度：±0.5mV； 响应时间：≤1秒；正常使用使用寿命：≥18个月。　　

第三部分 氧传感器的安装
合理的安装是保证氧传感器可靠运行的关键，许多使用问题均由于氧传感器安装不当造成的，希望用户一定要特别注意这一点，安装氧传感器请尽量考虑氧传感器的安装要求：
一、采样测量点：
确定测量点是首要的工作。应遵循如下几项原则：
（1） 选择的测量点要求能正确反映所需要的炉内气氛，以保证氧传感器 输出信号的真实性，尽量避开回风死角；
（2） 测量点不可太靠近燃烧点或喷头等部位，这些部位气氛处于剧烈反应中，会造成氧传感器检测值剧烈波动失真；也不要过于靠近风机等产气设备，以免电机的震动冲刷损坏传感器；
（3） 避免放在可能碰撞的位置，以免碰撞损坏探头，保证传感器的安全；
二．氧传感器的安装、连接方式：
（1）HMP氧探头的安装可采用水平或垂直方式，垂直安装是比较理想的安装方式。不管采用何种方式，探头采样管引导板的方向应该尽量正对被测气流的方向，在初始安装的时候可以通过了解工艺确定基本方向。终确定比较好的引导方向，需要在系统通电加热探头以后，旋转采样管方向，使用数字万用表观察输出氧电势的波动情况来确定。
（2） 氧传感器安装所用接头为专用法兰接头。如用户有其它类型的接头，只要安装尺寸相同，符合密封要求也可替代本接头。氧传感器的专用接头上，按要求需要配装石棉垫压接，以确保密封，否则因为一般炉内为负压，该处法兰接头处漏气会影响测量精度或造成信号波动。
（3）氧传感器的信号引出线好用屏蔽线，可以消除干扰。佳方式是使用2根2芯电缆，一根2芯屏蔽电缆接氧电势输出信号，一根2芯KVV控制电缆接探头加热连接端；如果现场条件不具备可直接使用一根4芯KVV电缆连接探头氧电势信号和加热端。航空插头焊脚说明如下（见图4）：1． 加热控制信号连接探头航插1、2脚，我们已经引出红、黄两种颜色线，控制线可直接焊接连接；2． 探头测量氧电势输出信号连接3、4脚，注意该毫伏信号连接的正、负极，4脚白色线为正、3脚黑色线为负，信号线也可直接与引出线对焊连接。（4）HMP氧探头的标气口一般检测的时候封闭，只是在标定气体的时候使用；吹扫气口连接气泵或者压缩空气管路，吹扫口进气一般用一个电磁阀等阀门控制，一定周期开启一次，通入气体吹扫采样管，探头正常检测时阀门关闭，不能有其他气体进入采样管。在此特别说明一点，使用厂方的压缩空气吹扫探头保证压缩空气中不含有水份，即对所采用的压缩空气进行气水分离处理。
　
第四部分 HMP氧传感器的使用和维护
一．连接加热控制：
特别提醒：只有在氧传感器连接了加热控制以后传感器才能正常工作，冷态下输出的是随机信号，不代表任何意义！HMP氧传感器在接入加热控制以后，在室温条件下既可以开始正常的气氛检测。一般的探头调零就是在室温下，加热探头以后通过对空气的测量，用数字万用表测量此时探头输出毫伏值，此数值就是该探头的零位偏差数值，在显示仪表中需要加入该零位偏差来修正仪表显示的氧浓度。
二．新装或更换氧传感器时的注意事项：
特别提醒：用户新装或更换氧传感器时，均应校正氧分析仪的氧浓度显示值。不进行此项工作，更换新的传感器后，氧分析仪检测的氧浓度可能会与实际浓度产生偏差，从而影响。
氧浓度的修正原理及方法：
HMP氧传感器直接测量输出的是被测气氛的浓度与标准空气差电势数值，我们称为氧电势，该电势数值在零点（即空气测量）时不同的探头起始输出电势就存在偏差，而输出电势经过模型转换输出氧浓度时也可能存在误差，因此在氧分析仪中对探头信号进行标定修正就是很必要的工作，否则显示氧浓度与实际被测气氛的氧浓度就会存在较大偏差，满足不了现场的需要，甚至误导控制影响。
修正参数时可以参考后附表提供的理论数值（该表为纯理论计算数值，工程应考虑偏差），对应工程实际对测量系统进行相应调校。具体的修正一般通过标准气体标定进行，方法是将计量核定确认的标准气体通过标气口通入探头，测量此时输出氧电势及仪表显示氧浓度，仪表显示氧浓度应该与标准气体浓度相同，存在偏差则修正仪表线性参数；标准计量要求少使用三种不同标准气体标定系统，这样经过三次标定重复修正好系统线性，保证系统正常工作。　　
三．积尘对氧传感器的影响及吹扫清除方法：
由于氧传感器是长期在线检测测量的器件，锅炉等设备（尤其是煤燃烧炉或者烧粉窑炉等）产生的粉尘会堵塞导气采样管道，造成测量的气氛数值失真甚至无法测量气氛，此时定期对采样管中的积尘进行吹扫处理，吹扫时间的长短视积灰程度确定，这种吹扫方法要求氧分析仪具有相应功能或者配套使用氧传感器的维护装置，如果用户没有这些装置只能安装手动阀门控制压缩空气或气泵定期通入吹扫气口对探头进行除尘工作，但此时注意以下情况：
（1）由于在吹扫的过程中，氧传感器的氧电势会下降，低有可能会降到1、2mv，这时检测的氧电势不代表炉内的气氛，此点要注意；
（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，建议好采用的专门为氧传感器设计的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咨询）。
特别提醒：在分析氧传感器的好坏时应将其视为一个单独的检测部件。在检测氧传感器的氧电势时应把与氧传感器连接的所有导线断开，用高内阻的数字表在氧传感器的输出端直接检测氧电势。通过检测氧电势，与正常使用时的数值相比较。

四．确保氧传感器在保质期内正常地为您工作：
氧传感器是一种很的检测装置，它的核心部件为陶瓷，而且长期在线工作，正确地使用和精心的维护对保证氧传感器正常工作是非常必要的。用户应按照本说明书的要求严格安装，正确使用和维护氧传感器。如果氧传感器出现故障，用户无法自行解决时，请立即与我们联系，我们将与您共同分析故障原因，及时予以维修。禁止用户自行拆开氧传感器，否则会造成无法修复的损坏，并将使保质期失效。

五．氧传感器的保修：
本公司对所有本公司销售的氧传感器均有一年免费保修期，对于符合保修条件的传感器我们均予以免费维修。对于因用户没有按照本说明书的要求安装、使用和维护而造成损坏的传感器，本公司不承担保修义务，只负责有偿维修，视具体情况收取维修费用。

对于出现以下故障的传感器，本公司将不负责免费保修：
1． 因安装不当、疏于维护或设备故障，造成传感器严重积碳，无法通过正常烧碳黑恢复的传感器。
2． 没有按照说明书的要求安装，造成外电极管变形、腐蚀的传感器。
3． 因保护不当，造成内部瓷管断裂的传感器。
4． 用户自行拆卸过的传感器。
5． 其他因没有按照本说明书要求安装、使用或维护，而造成损坏的传感器。
特别提醒：所有发出的传感器均有专门设计的包装箱和可靠的保护填充减震物，通过正常运输过程，包装箱完好的情况下，传感器不会产生损坏，请用户在搬运过程中一定要使用原包装。当用户需要将损坏的传感器发回本公司维修时，请务必采用传感器的原包装箱和原填充减震物，可靠包装好，不要采用其他的包装。请通过铁路或航空发运，不要通过邮局发运！
如果因用户搬运不当，或返修传感器包装、发运不当，造成新购或返修传感器内部瓷管断裂的，我们将不承担免费保修的义务！
附表：700℃时氧毫伏与氧浓度（O2％）理论对应数值：
氧毫伏数 O2％浓度 氧毫伏数 O2％浓度 氧毫伏数 O2％浓度 氧毫伏数 O2％浓度
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