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1  氧化鋯氧分析儀的現狀和不足之處

    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，通過一定的機械結構及附加設備并滿足其工作條件，構成可將氧氣含量轉變為響應電量關系的氧量/電量檢測器，再通過響應的電子電路將非線性的氧量/電量關系轉換成線性易讀的百分氧氣含量數據以標準的4～20mA對應電流，輸出給各種記錄儀器或智能設備，實現對未知氧氣含量的讀取及監控調節的儀器。煙氣氧化鋯氧分析儀主要用于讀取、監測各類加熱爐、電站鍋爐、窯爐、化學反應爐（釜）內的經過燃燒、吸收、反應后的剩余氧氣含量的在線分析。

    現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，其管體插入爐體內待測部位；轉換器則安裝在設置在另外地方的儀表箱內或安裝在遠離設備的操作控制室內。二者之間進則數米，遠則數百米，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對電纜聯接。

現有形式氧化鋯煙氣氧分析儀的不足之處在于：

    兩處安裝，由導線引入的干擾信號使儀器不能實現平穩正常運行，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備材料、施工等費用，另外，調試、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、化工單位的安裝現場，分離安裝的轉換器還要加裝防爆隔離設備，如“充氣式正壓隔爆儀表箱”等，而這類防爆設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，隨著科學技術的發展，企業管理的要求也隨之向更高的層次發展。越來越多的企業更新了原來的調控技術和設備，以大型計算機控制系統（如DCS系統）取代了原先眾多的二次儀表和人工調控方式，這就使轉換器在控制室沒有了“立足之地”。

2  問題的解決和實現方法

    一體化煙氣氧分析儀針對現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換器經過技術處理后，使之連在一起成為一體化儀器。這樣不僅更好地實現了儀器的基本功能，而且簡化了儀器的結構，消除了線路干擾對儀器工作穩定可靠性的影響，節約了安裝設備的費用，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換器構成。氧化鋯氧檢測器與轉換器連成一體。氧化鋯氧檢測器有長管壯部分稱為檢測器管體5，由工業不銹鋼管制成。其內部的前端部裝有不銹鋼防塵網、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和測溫熱電偶3。

•  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測得的環境溫度信號經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，實現熱電偶的冷端溫度補償作用。

    將具有冷端補償并經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腳是設定的工作溫度值，經IC102A組成的比較器相比較，利用該比較結果經IC103及IC105處理后去控制可控硅KG101的通斷，以實現設定的精確控制；另一路送至IC102B的5腳，IC102B的6腳是設定的超溫保護溫度值，經由IC102B組成的比較器比較后，再經由三極管Q3和IC104去控制可控硅KG100的通斷，以實現在超過設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，經量程修正后送到運算放大器IC201的2腳，再由IC201的3腳調零電路進行調零修正，最后將經過零點和量程修正的氧電勢信號送至IC202（A/D轉換器）的3腳，經該電路轉換后，即實現了將模擬量氧電勢轉化為數字量。

    由IC202（A/D轉換器）輸出的數字量經IC203、IC204、IC205、IC206組成的鎖存器后分為兩路。一路送至IC207、IC208（存儲器），進入的數字化對數特性的氧電勢信號，經該存儲器預先寫入的數據處理后，在輸出該信號時，即實現了對數特性變為百分線性的轉換。該信號經IC210、IC211、IC212共同組成的譯碼器譯碼處理后，送到由S201、S202、S203三塊數碼管組成的數字顯示器顯示氧含量的百分比讀數；另一路是將數字化對數特性的氧電勢信號送入IC209（存儲器），經該存儲器預先寫入的數據處理后，使之輸出適合轉換為0～4V的線性化數字信號。該信號經IC213、IC214組成的光電隔離器后，送到IC215（D/A轉換器），經IC215轉換后，數字化的線性氧信號又變為線性的0～4V的模擬量信號，該信號再經由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的4～20mA電流信號。

3  工作原理和優點

3.1  工作原理

    檢測器管體部分安裝入被測設備后，通過開機，預熱后，傳感器逐漸進入穩定工作階段。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，經氧化鋯氧傳感器對比后得出響應的氧電勢信號。該信號由傳感器經氧電極引線，傳至殼體座上連接的相關電路。電路根據能斯特公式計算處理后，轉變為百分氧含量，由電路板上的顯示器件以數字形式顯示出來。同時電路根據這一數據將其轉換為4～20mA的標準電流信號，傳送給計算機，以供作為調控的依據。

3.2  優點

相對于分體式氧化鋯氧分析儀，一體化后具有以下優點：

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

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

    (3)  從本質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，使儀器工作更穩定可靠。

4  結語

    一體化煙氣氧分析儀可廣泛應用于石油、化工、冶金、火力發電、陶瓷、水泥生產、城市供熱等的加熱設備上。通過其對煙氣中氧氣含量的監測，將設備控制在最佳燃燒狀態，以達到節能降耗，提高產品質量，控制設備平穩經濟運行，延長設備使用壽命的目的。同時還可以控制排煙“黑度”，減少粉塵和SO2等有害物質的排放，起到環境保護的作用。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獲得國家專利。