防爆型氧化锆分析仪电子说明书

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ZO-FⅡC型氧化锆氧分析仪
使用说明书
中国原子能科学研究院
目录
1 概述............................................................................................. 错误!未定义书签。

2 仪器测量原理............................................................................. 错误!未定义书签。

3 仪器主要技术参数.................................................................... 错误!未定义书签。

4 仪器简介..................................................................................... 错误!未定义书签。

4.1 仪器组成............................................................................. 错误!未定义书签。

4.2 各部分简介......................................................................... 错误!未定义书签。

4.2.1 探头简介..................................................................... 错误!未定义书签。

4.2.2 变送器简介................................................................. 错误!未定义书签。

基本结构........................................................................... 错误!未定义书签。

基本设置........................................................................... 错误!未定义书签。

5 仪器检验..................................................................................... 错误!未定义书签。

6 仪器安装..................................................................................... 错误!未定义书签。

6.1 安装前的准备..................................................................... 错误!未定义书签。

6.1.1 探头安装位置的选择................................................ 错误!未定义书签。

6.1.2 炉体法兰的焊接......................................................... 错误!未定义书签。

6.2 安装 ..................................................................................... 错误!未定义书签。

6.2.1 变送器的安装............................................................. 错误!未定义书签。

6.2.2 探头的安装................................................................. 错误!未定义书签。

6.3 现场配线及连线 (9)
7 仪器校准..................................................................................... 错误!未定义书签。

7.1 校准前的准备..................................................................... 错误!未定义书签。

7.2 校准方法............................................................................. 错误!未定义书签。

8 仪器日常维护与常见故障排除 ............................................... 错误!未定义书签。

8.1 仪器日常维护..................................................................... 错误!未定义书签。

8.2 常见故障的分析与排除.................................................... 错误!未定义书签。

1 概述
氧化锆氧分析仪主要用于测定锅炉烟气中的氧分压即氧气的体积百分数含量（简称氧含量或氧量），对于保障锅炉运行安全、提高燃料燃烧效率及减少环境污染将起到重要作用。

我院ZO系列氧化锆氧分析仪中的ZO-FⅡC型氧分析仪为防爆系列产品，主要应用于工业生产中如下可能存在爆炸危险性的场所：
●石化工业锅炉；
●火电厂锅炉；
●惰性气体厂锅炉；
●炼油厂加热炉和输油管道加热炉；
●冶炼厂加热炉和均热炉；
●轻纺、食品加工、制药、水泥、造纸和采暖等企业的工业锅炉。

ZO-FⅡC型氧化锆氧分析仪采用隔爆型及防水防尘设计，产品防爆性能经过国家指定的仪器仪表防爆安全监督检验机构检验合格，并取得该机构颁发的防爆合格证。

产品符合国家标准“GB3836.1-2000”《爆炸性气体环境用电气设备的有关规定第一部分：通用要求》，“GB3836.2-2000”《爆炸性气体环境用电气设备的有关规定第二部分：隔爆型“d”》，“GB4208-2008”《外壳防护等级》要求。

防爆合格证号为CE091543。

用户可按规定选用本产品应用于相应爆炸性危险场所。

2 仪器测量原理
防爆爆型氧化锆氧分析仪的工作原理与非防爆产品一样，是利用氧浓差电池原理来测定气体①中氧含量的电化学分析仪器。

在理想状态下，当氧化锆元件达
到工作温度且内外电极表面的氧含量不相等时，便构成一个氧浓差电池，产生电池电动势，电池电动势与电极表面氧浓度关系符合能斯特(Nernst)方程： 0ln 4RT P E F P
=
(1) 式中： E — 浓差电池电动势，mV ；
R — 气体常数，8.3145J ·mol －1·K －1；
F — 法拉第常数，96485.309C ·mol -1；
T — 绝对温度，K ；
P 0 — 参比气体氧分压，%；
P — 被测气体氧分压，%。

由于受各种因素的影响，实际测量并非在理想状态下进行，因此需要对（1）式进行校正，校正后得到新的方程：
00ln m P E k E P
=+ （2） 本设计中P 0为空气中氧含量（20.6％），k 和E 0值均可以通过校正得到。

通过测定氧化锆电池电势信号E m ，并将其输送至变送器，变送器将根据（2）式，计算出被测气体的氧含量P 值。

3 仪器主要技术参数
① 严格地说，氧化锆氧分析仪测量的是惰性气体中的氧含量，当烟气中含有可燃性气体时，测得的氧含量值将偏小。

●测量范围：0～20.6Vol%O2；
●测量精度：1级；
●量程选择：0～10Vol%O2或0～20Vol%O2；
●工作温度：750℃±5℃；
●响应时间：<3秒（达到90%）；
●输出方式：DC 0～10mA或DC 4mA～20mA电流线性输出；
●探头长度：500mm～1200mm；
●变送器箱体尺寸（高×宽×深）：
ZO-FⅡC型：426mm×280mm×150mm；
●安装点烟气温度：< 800℃(最佳烟气温度值为350℃～450℃)；
●安装点允许最大压差：2KPa；
●环境温度：变送器0℃～70℃, 探头＜70℃；
●工作电源：AC 220V±22V，50Hz；
●危险场所：爆炸危险场所为І区、Ⅱ区，具有ⅡC类T1~T4组爆炸气体
或蒸汽混合物；
●防护等级：IP65；
●防爆标志：ExdⅡCT4 。

4 仪器简介
4.1 仪器组成
该仪器主要由探头和变送器两大部分组成。

探头实际上是一种装有氧化锆电池的氧传感器，其主要作用就是输出被测氧量所对应的电势信号值。

变送器主要有两大功能：一是稳定控制探头的工作温度；二是将从探头输入的电势信号值转
换为对应的氧量值，并将氧量值转化为对应的电流值输出。

4.2 各部分简介
4.2.1 探头简介
探头由氧化锆元件、加热炉、K型热电偶、过滤器、信号引线、接线盒及不锈钢壳体等组成，其结构如图1所示：
12345
67
11
8
9
10图1 探头结构示意图
1.过滤器
2.加热炉
3.K型热电偶
4.标气管
5. 氧化锆元件
6.安装法兰
7.接线盒法兰8.接线盒9.接线盒盖10.电缆引入装置11.接地
各主要部件作用：氧化锆元件是探头的核心部件，由其产生电势信号；加热炉将氧化锆元件加热到设定的工作温度；热电偶作为温度传感器，用来测量加热炉的温度；信号引线将氧化锆元件所产生的电势信号输送到变送器。

4.2.2 变送器简介
基本结构
变送器主要由主电路板、机箱面板、内操作显示面板，接线端子、机箱等组成。

外形结构如图2所示：
1. 铭牌
2. 观察窗
3. 机箱面板
4. 接地
5. 校准旋钮
6. 电缆接入装置
7. 内六角螺钉
8. 安装孔
图2 变送器外形结构图
变送器现场运行时严禁带电开盖操作，只可进行标气校准操作，具体方法见“7 仪器校准”。

现场运行时变送器机箱面板观察窗显示氧量值。

内操作显示面板含显示窗及操作按键，按键基本操作见“5 仪器检验”。

基本设置
量程设置：变送器主电路板上设置了量程转换跳线开关。

当把跳线插在左边两个并排的引脚上即靠近电路板S1位置时，选择氧量量程为0～20%，此时电流输出值DC 0～10mA或DC 4mA～20mA都是分别与该量程对应的值；当把跳线插在右边两个并排的引脚上即远离S1位置时，选择氧量量程为0～10%，此时电流输出值
DC 0～10mA或DC 4mA～20mA都是分别与该量程对应的值。

出厂时量程设置为0～20%，如需0～10%量程，可在现场安装前将跳线插在右边两个引脚上即可。

电流输出设置：变送器设有两档电流输出：DC 0～10mA和DC 4mA～20mA。

初始电流设置为DC 4mA～20mA信号输出，如用户需要DC 0～10mA 信号输出，需在订货时注明。

5 仪器检验
仪器在发货前已经过严格的质量检验，并附合格证，但运输过程中可能因碰撞使其损坏。

因此，用户在使用仪器前，应先进行开箱检验，检查仪器外壳有无裂纹、损伤，并确定仪器正常后方可上炉安装。

具体操作步骤如下：
（1）打开探头接线盒，用万用表分别测量加热炉及热电偶两端的电阻值，判断在运输中有无造成断线或接触不良现象。

（加热炉阻值一般为150Ω±20Ω，热电偶阻值一般为3.5Ω±0.5Ω）。

（2）判断无故障后，用三组导线分别将探头“加热炉”、“热电偶”和“信号”接线端子与变送器对应接线端连接好（参考图3）。

（3）将外接电源接在变送器“AC220V”端子上。

（4）接通电源，加热炉开始升温，当达到600℃后，仪器自动转为氧量值显示。

( 5）稳定一段时间后，测量探头信号线两端的电阻及电势值，若电阻小于1K Ω、电势绝对值逐渐减小且稳定后小于10mV，表明探头完好，可以进行现场安装。

开
4 20mA 0 10mA 热电偶温补氧信号 加热炉220V电源接地加热炉热电偶信 号
变送器接线端子探头接线端子
关～～
图3 变送器与探头接线
变送器机箱内操作显示面板设显示操作键。

用户要进行按键操作时须把内操作显示板从变送器机箱后盖上拆下方可以进行。

由于现场严禁带电开盖操作，此操作可在用户到货仪器检验及仪器返回检修部门检修期间进行。

变送器操作显示面板如图4所示。

%O 2
mV °C 氧化锆氧分析仪
电
势 温 度 自 检空气校准标气校准
Em Tmp Test 空气校准标气校准 图4 变送器内操作显示面板图
具体操作如下：
将变送器机箱内置电源开关拨至“开”后，探头加热炉开始升温，“℃”指示灯亮，LED 显示探头加热炉温度值（新安装探头开机后LED 显示闪动“HHHH ”，是由于探头内保温材料含水分过多造成氧电势信号过大而超出量程，一般情况下，开机后半小时左右恢复正常）。

当加热炉温度达到600℃时，“％O 2”指示灯亮，变送器电路将自动运算并显示测得的氧量值。

此后，LED 显示内容由操作按钮决定。

如：当按住电势时，“mV ”指示灯亮，LED 显示电池电势信号值；当按住
温度时，“℃”指示灯亮，LED 显示加热炉温度值；当按住自检时，“％O 2”指示灯亮，LED 显示自检氧量值。

注意事项：
6 仪器安装
现场安装使用时必须严格遵守GB3836.15-2000《爆炸性气体环境用电气设备 第15部分：危险场所电气安装 （煤矿除外）》及GB50257-1996《电气安装工程 爆炸与火灾危险环境电气装置施工及验收规范》的有关规定。

6.1 安装前的准备
6.1.1 探头安装位置的选择
正确选择探头安装点，对于提高测量准确性和延长探头使用寿命有着重要意
● 将探头与变送器相应端连接时，注意不要错接、虚接或正负极反接。

● 请勿将外接电源接入变送器或探头的“信号”、“热电偶”或 “加热炉”接
线端，否则，将造成仪器损坏，损失由用户承担。

义。

选择安装点的原则：
● 安装点的烟气温度不宜过高，否则会缩短探头的使用寿命，推荐安装点烟气温度在350℃～450℃范围内；
● 安装点应选在烟气流动性好的位置，切忌安装在炉内侧、死角、涡流或缩口处。

因为炉内侧和死角处氧量变化响应滞缓，涡流处氧量波动大，而缩口处冲刷大易灰堵；
● 安装点处应有操作平台，有利于探头的安装、校准和维护； ● 安装点负压不能过大，一般应≤2KPa ，以免产生测量偏差；
● 安装点附近应绝对密封，不应出现漏气现象，否则会使氧量测量值偏高； ● 探头安装位置应符合锅炉结构特点。

对于电厂锅炉和工业炉来说，推荐安装点如图6所示。

旁路烟道安装图如图7所示。

推荐安装选点区域
过热器 再热器
省煤器
空 气除尘器
炉 膛
烟
囱
预热器
图5 电厂锅炉和工业炉推荐安装点 图6 旁路烟道安装图
6.1.2 炉体法兰的焊接
ZO 系列氧化锆氧分析仪的炉体法兰大小相同，但长度不同。

炉体法兰结构示意图如图7所示。

图7 炉体法兰
为了保证炉体法兰在焊接后有良好的密封性，用户需自备一段长度等于炉壁厚的Ф102mm×5mm的炉墙管和一块约5mm厚的方形钢板（大小视现场情况而定）。

在方板中心开一个Ф90mm的圆孔，将炉体法兰焊在该孔中，方板再与炉墙管焊接在一起（参考图9）。

炉 墙
方 板
炉体法兰
焊接密封
炉墙管
图8 炉体法兰的焊接
6.2 安装
6.2.1 变送器的安装
ZO-FIIC型变送器是靠四个M12×20的螺栓（用户自备）安装在现场的合适位置。

安装孔尺寸见“图2 变送器外形结构图”。

在安装及拆卸变送器时，注意保护各防爆结合面不得有划伤、碰伤缺陷。

安装时，螺钉应均匀坚固，不得有松动。

6.2.2 探头的安装
探头可在停炉状态下安装，也可以在开炉状态下安装，其安装示意图如图9所示。

由图可见，安装时将探头用4个螺栓固定在炉体法兰上即可，探头法兰标准尺寸如图10所示。

炉墙炉体法兰石棉垫圈
螺栓
探头法兰
烟气流向
图9 探头安装示意图 10 探头法兰尺寸图
探头安装操作十分简单，但要注意以下环节：
● 探头内的核心部件为陶瓷易碎品，搬运时应轻拿轻放，避免
剧烈振动，以免损坏；
● 若在开炉状态下安装，应将探头在插入炉内1/3长度时，停留2～3分钟，再缓缓插入，以防骤热损坏氧化锆元件；
● 探头过滤器的金属面必须对着烟气流向，以防过滤器陶瓷因受冲刷而被
损坏；
● 两法兰之间应放置石棉垫圈，并拧紧4个螺栓，以防漏气。

6.3 现场配线及连接
变送器与探头之间用三组铜芯电缆直接引入密封填料盖。

连接电缆线芯用于І区时最小截面为2.5mm 2，用于Ⅱ区时最小截面为1.5mm 2。

● 氧电势信号线 ● 热 电 偶 线 ● 加 热 炉 线
在爆炸危险场所不准明敷设塑料电缆和绝缘导线，应采用镀锌钢管配线。

钢
管之间、钢管与钢管附件、钢管与氧分析仪引入装置的连接应采用螺纹连接。

待变送器和探头分别安装完毕后，按要求用三组电缆线将变送器与探头相连。

电缆线从变送器引入装置接入后，引入装置内要填充阻火材料。

现场安装时有关细则须严格按照GB50257-1996《电气安装工程爆炸与火灾危险环境电气装置施工及验收规范》中“爆炸危险环境的电气线路”有关规定操作。

7 仪器校准
7.1 校准前的准备
确认仪器连线准确无误后，打开变送器电源开关，探头加热炉开始升温，此时变送器LED显示其温度值。

当温度达到600℃时，变送器自动显示氧量值。

当温度达到750℃并稳定后，仪器进入测量状态。

虽然仪器进入测量状态，但在运行前期测量值可能有较大偏差或波动，这属于正常情况。

一般探头大约需要运行24小时后，显示值才能趋于平稳，虽然此时指示正常，但测量结果并不一定十分准确，应该进行校准工作。

7.2 校准方法
本仪器采用两点校准法，即空气校准和标气校准。

第一步为空气校准，操作步骤如下：
（1）将探头“标气入口”打开，使空气自动进入探头；
（2）待显示稳定后，调节变送器机箱面板上“空气校准”电位器，使显示为“20.60±0.20”。

第二步为标气校准，操作步骤如下：
（1）将标气校准装置按图11所示与气瓶连接好；
（2）确认减压阀处于关闭状态后，打开气瓶阀；
（3）缓缓打开减压阀，将标气流量调节为300ml/min～500ml/min；
（4）将连接软管与探头“标气入口”相连，将标气通入探头，此过程应保证不漏气；
（5）通气约1分钟后，调节变送器机箱面板上“标气校准”电位器，将氧量显示值调为标准气体氧量值即可。

连接软管减压阀 标气瓶
与探头标气入口连接
图11 仪器校准示意图
8 仪●应先进行空气校准，再进行标气校准。

●应先调好标气流量，再将连接软管与探头“标气入口”相连，否则可能因气
体流量过大而导致氧化锆元件破裂。

●校准过程中，应保证不漏气，以免影响校准的准确性。

●校准完毕时，一定要先从“标气入口”拔下连接软管，再关闭减压阀和气瓶
阀。

●校准完毕后，应拧紧“标气入口”螺帽，否则空气进入将使氧量测量值偏大。

器日常维护与常见故障排除
8.1 仪器日常维护
仪器日常维护应注意以下几个方面：
●变送器在发货前已调试好，用户不应调节其内部电位器，以免影响测量
线性及精度；
●探头安装24小时以后应校准，以后可根据实际情况用标气校准；
●仪器安装后，应在开炉前送电，停炉后不应断电。

8.2 常见故障的分析与排除
故障现象原因分析排除方法
变送器“mV”指示灯亮，LED 显示为“HHHH”并闪烁对于刚安装的探头来说，可能
是因保温材料内残存水分过
多，造成电势信号超量程。

属于正常现象，一般情况下开
机后1小时左右仪器将正常工
作。

变送器与探头之间“信号”连
线空接、虚接或正负极反接。

将对应端子正确连接。

氧化锆元件信号引线断。

更换氧化锆元件。

探头内部信号引线断。

更换探头内信号引线。

变送器“℃”指示灯亮，LED显示为“HHHH”变送器与探头之间“热电偶”
连线空接、虚接或正负极反
接。

将对应端子正确连接。

●探头氧化锆元件为陶瓷产品，高温时遇水即炸裂，使用时切忌淋水。

否则，
由此造成损失将由用户承担。