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1  氧化鋯氧分析儀的現(xiàn)狀和不足之處

    氧化鋯氧分析儀就是用氧化鋯管涂上合適的電極線作氧傳感器，通過一定的機械結(jié)構(gòu)及附加設(shè)備并滿足其工作條件，構(gòu)成可將氧氣含量轉(zhuǎn)變?yōu)轫憫?yīng)電量關(guān)系的氧量/電量檢測器，再通過響應(yīng)的電子電路將非線性的氧量/電量關(guān)系轉(zhuǎn)換成線性易讀的百分氧氣含量數(shù)據(jù)以標準的4～20mA對應(yīng)電流，輸出給各種記錄儀器或智能設(shè)備，實現(xiàn)對未知氧氣含量的讀取及監(jiān)控調(diào)節(jié)的儀器。煙氣氧化鋯氧分析儀主要用于讀取、監(jiān)測各類加熱爐、電站鍋爐、窯爐、化學(xué)反應(yīng)爐（釜）內(nèi)的經(jīng)過燃燒、吸收、反應(yīng)后的剩余氧氣含量的在線分析。

    現(xiàn)有氧化鋯氧分析儀由分離的兩部分組成，即氧檢測器（俗稱探頭）和氧轉(zhuǎn)換器（俗稱二次表、變送器）。使用時，將檢測器安裝在爐體上，其管體插入爐體內(nèi)待測部位；轉(zhuǎn)換器則安裝在設(shè)置在另外地方的儀表箱內(nèi)或安裝在遠離設(shè)備的操作控制室內(nèi)。二者之間進則數(shù)米，遠則數(shù)百米，其間由電源、加熱控制、氧信號、熱電偶、溫度補償、輸出信號等6對電纜聯(lián)接。

現(xiàn)有形式氧化鋯煙氣氧分析儀的不足之處在于：

    兩處安裝，由導(dǎo)線引入的干擾信號使儀器不能實現(xiàn)平穩(wěn)正常運行，為此，必須花費很多的精力去提高儀器的“抗干擾”性能，要求用戶使用價格昂貴的屏蔽電纜，采取強弱信號線分別布線等不久措施，使儀器變得很“嬌氣”；
兩處安裝，加大了安裝的工作量和設(shè)備材料、施工等費用，另外，調(diào)試、維護人員必須兩處操作，這樣就給正常工作帶來了極大的不便；

    在石油、化工單位的安裝現(xiàn)場，分離安裝的轉(zhuǎn)換器還要加裝防爆隔離設(shè)備，如“充氣式正壓隔爆儀表箱”等，而這類防爆設(shè)備的要求和價格都是很昂貴的，因此，造成用戶安裝費用大幅增加。

    近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)管理的要求也隨之向更高的層次發(fā)展。越來越多的企業(yè)更新了原來的調(diào)控技術(shù)和設(shè)備，以大型計算機控制系統(tǒng)（如DCS系統(tǒng)）取代了原先眾多的二次儀表和人工調(diào)控方式，這就使轉(zhuǎn)換器在控制室沒有了“立足之地”。

2  問題的解決和實現(xiàn)方法

    一體化煙氣氧分析儀針對現(xiàn)有氧化鋯氧分析儀的不足之處，將原先分離的氧化鋯氧檢測器與轉(zhuǎn)換器經(jīng)過技術(shù)處理后，使之連在一起成為一體化儀器。這樣不僅更好地實現(xiàn)了儀器的基本功能，而且簡化了儀器的結(jié)構(gòu)，消除了線路干擾對儀器工作穩(wěn)定可靠性的影響，節(jié)約了安裝設(shè)備的費用，同時更方便了用戶的使用和維護。

2.1  一體化煙氣氧分析儀的構(gòu)成

    如圖1所示，一體化煙氣氧分析儀由氧化鋯氧檢測器與轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。氧化鋯氧檢測器與轉(zhuǎn)換器連成一體。氧化鋯氧檢測器有長管壯部分稱為檢測器管體5，由工業(yè)不銹鋼管制成。其內(nèi)部的前端部裝有不銹鋼防塵網(wǎng)、多孔陶瓷防塵片和氧化鋯氧傳感器4，及為氧化鋯管提供高溫工作條件的加熱電爐2和測溫?zé)犭娕?。

•  溫度測量及控溫部分

    由K型熱電偶將測得的溫度熱電勢經(jīng)IC100運算放大器放大處理后，使之放大為2mV/℃。

    由溫度傳感器AD590測得的環(huán)境溫度信號經(jīng)IC101A放大處理后，也使其為2mV/℃。由IC101B組成的加法器電路與放大后的熱電偶電勢相加，實現(xiàn)熱電偶的冷端溫度補償作用。

    將具有冷端補償并經(jīng)過放大后的熱電偶電勢分成兩路：一路送至IC102A的2腳，IC102A的3腳是設(shè)定的工作溫度值，經(jīng)IC102A組成的比較器相比較，利用該比較結(jié)果經(jīng)IC103及IC105處理后去控制可控硅KG101的通斷，以實現(xiàn)設(shè)定的精確控制；另一路送至IC102B的5腳，IC102B的6腳是設(shè)定的超溫保護溫度值，經(jīng)由IC102B組成的比較器比較后，再經(jīng)由三極管Q3和IC104去控制可控硅KG100的通斷，以實現(xiàn)在超過設(shè)定溫度一定允許量時，斷開加熱供電電源的目的。

•  氧量測量及轉(zhuǎn)換電路

    由氧化鋯氧傳感器檢測到的氧電勢信號，送至運算放大器IC200的2腳和3腳，經(jīng)量程修正后送到運算放大器IC201的2腳，再由IC201的3腳調(diào)零電路進行調(diào)零修正，最后將經(jīng)過零點和量程修正的氧電勢信號送至IC202（A/D轉(zhuǎn)換器）的3腳，經(jīng)該電路轉(zhuǎn)換后，即實現(xiàn)了將模擬量氧電勢轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。

    由IC202（A/D轉(zhuǎn)換器）輸出的數(shù)字量經(jīng)IC203、IC204、IC205、IC206組成的鎖存器后分為兩路。一路送至IC207、IC208（存儲器），進入的數(shù)字化對數(shù)特性的氧電勢信號，經(jīng)該存儲器預(yù)先寫入的數(shù)據(jù)處理后，在輸出該信號時，即實現(xiàn)了對數(shù)特性變?yōu)榘俜志€性的轉(zhuǎn)換。該信號經(jīng)IC210、IC211、IC212共同組成的譯碼器譯碼處理后，送到由S201、S202、S203三塊數(shù)碼管組成的數(shù)字顯示器顯示氧含量的百分比讀數(shù)；另一路是將數(shù)字化對數(shù)特性的氧電勢信號送入IC209（存儲器），經(jīng)該存儲器預(yù)先寫入的數(shù)據(jù)處理后，使之輸出適合轉(zhuǎn)換為0～4V的線性化數(shù)字信號。該信號經(jīng)IC213、IC214組成的光電隔離器后，送到IC215（D/A轉(zhuǎn)換器），經(jīng)IC215轉(zhuǎn)換后，數(shù)字化的線性氧信號又變?yōu)榫€性的0～4V的模擬量信號，該信號再經(jīng)由IC216A、IC216B以及Q2組成的恒流源電路處理后，在C212兩端就可得到與百分氧含量相對應(yīng)的4～20mA電流信號。

3  工作原理和優(yōu)點

3.1  工作原理

    檢測器管體部分安裝入被測設(shè)備后，通過開機，預(yù)熱后，傳感器逐漸進入穩(wěn)定工作階段。被測氣體中氧氣的含量與外部引入的參比氣體（空氣）中的氧氣含量，經(jīng)氧化鋯氧傳感器對比后得出響應(yīng)的氧電勢信號。該信號由傳感器經(jīng)氧電極引線，傳至殼體座上連接的相關(guān)電路。電路根據(jù)能斯特公式計算處理后，轉(zhuǎn)變?yōu)榘俜盅鹾浚呻娐钒迳系娘@示器件以數(shù)字形式顯示出來。同時電路根據(jù)這一數(shù)據(jù)將其轉(zhuǎn)換為4～20mA的標準電流信號，傳送給計算機，以供作為調(diào)控的依據(jù)。

3.2  優(yōu)點

相對于分體式氧化鋯氧分析儀，一體化后具有以下優(yōu)點：

    (1)  利用用戶設(shè)備上原有的檢測器安裝法蘭，即可實現(xiàn)全部安裝工作，不需要另外設(shè)置儀器安裝箱、儀表盤，使安裝非常簡單、方便。

    (2)  原來必不可少的6對聯(lián)結(jié)電纜減少到2對（電源線、4～20mA信號輸出線各一對），不僅節(jié)省了資金，而且大大減少了施工、維護的工作量。

    (3)  從本質(zhì)上消除了長距離引線帶來的干擾信號對微弱信號的影響。

    (4)  采用了精密的壓鑄鋁合金殼體作為電路部分的儀器殼體，整機密封性好，可抵御雨、雪、風(fēng)沙等惡劣天氣和腐蝕性氣體對儀器電子元件、接插件的損害，使儀器工作更穩(wěn)定可靠。

4  結(jié)語

    一體化煙氣氧分析儀可廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、火力發(fā)電、陶瓷、水泥生產(chǎn)、城市供熱等的加熱設(shè)備上。通過其對煙氣中氧氣含量的監(jiān)測，將設(shè)備控制在最佳燃燒狀態(tài)，以達到節(jié)能降耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量，控制設(shè)備平穩(wěn)經(jīng)濟運行，延長設(shè)備使用壽命的目的。同時還可以控制排煙“黑度”，減少粉塵和SO2等有害物質(zhì)的排放，起到環(huán)境保護的作用。可見，一體化煙氣氧分析儀具有廣闊的市場前景。

    一體化煙氣氧分析儀已經(jīng)獲得國家專利。