ZrO2-Ⅱ增強(qiáng)型直插式氧化鋯氧量自動分析儀是在原產(chǎn)品的基礎(chǔ)上總結(jié)國內(nèi)外多年研究和應(yīng)用經(jīng)驗后，新研制成功的新型氧量分析儀，適用于分析各種工業(yè)鍋爐、窯爐及加熱爐中煙氣的含氧量。它的主要特點(diǎn)是氧探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計及鉑電的化學(xué)配方、制作工藝充分考慮了被測爐氣組分端復(fù)雜這一特點(diǎn)，可氧探頭在水平直插條件下應(yīng)用時具有長的壽命。而其信號轉(zhuǎn)換部分以單片微處理器為，通過軟件實(shí)現(xiàn)儀表大部分功能，硬件配置重點(diǎn)強(qiáng)化儀表的干擾措施。 從氧量測量值性入手，延長氧探頭的連續(xù)使用壽命，并使儀表具備與氧探頭要求相適應(yīng)的自診斷功能及干擾能力。本儀表在改進(jìn)氧化鋯的配方和完善氧化鋯頭金屬化工藝及儀表信號轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)智能化等方面有較大改進(jìn)，具體內(nèi)容如下：
(1)改進(jìn)氧化鋯的配方和燒制工藝，使其具有較高的電導(dǎo)率和致密度。
(2)多孔性鉑電的化學(xué)配方及制作工藝可氧化鋯探頭在鍋爐煙氣氛中有的使用壽命。
(3)儀表具有多種線性量程選擇。
(4)儀表溫度控制系統(tǒng)所給出的升溫曲線能滿足氧化鋯材料對升溫速度的要求。
(5)儀表信號具有要的自診斷功能。
1. 工作原理
本儀器依據(jù)濃差電池原理構(gòu)成，和其它電池一樣，它具有兩個半電池，而在兩電之間，用氧化鋯作固體電介質(zhì)。
在高溫下，當(dāng)氧化鋯兩側(cè)有氧濃差時，就形成了氧濃差電池，電池電動勢的大小可根據(jù)Nernst公式計算，即：
式中： E—濃差電池輸出，mV; n—電子轉(zhuǎn)移數(shù)，在此為 4；
R—理想氣體常數(shù)，8.314 W·S／mol； F—法拉第常數(shù)， 96500 C；
T—溫度，K； P″O2—高濃度側(cè)氧分壓； P′O2—低濃度側(cè)氧分壓。
當(dāng)電池工作溫度固定于700℃時，上式為：
由上式可知，在溫度700℃時，當(dāng)固體電介質(zhì)一側(cè)氧分壓為空氣(20.6%)時，由濃差電池輸出電動勢E，就可以計算出固體電介質(zhì)另一側(cè)氧分壓，這就是氧化鋯氧量自動分析儀的測氧原理。
2.主要技術(shù)參數(shù)
2.1 測量范圍
顯示：0～25.0 %O2：(三位數(shù)字顯示)
模擬量輸出(線性)：0～5.00 %O2，0～10.0 %O2、0～25.0 %O2
2.2 測量：3% (滿量程)
2.3 響應(yīng)時間：＜5S(90%測量值)
2.4 溫度：700&plun;1℃
2.5 顯示內(nèi)容：氧濃(O2%)、氧勢(mV)、爐溫(℃)、加熱電壓（V）、
量程上、下限（O2%）、報警上、下限（O2%）
2.6 鍵盤設(shè)定：探頭電勢校正, 報警上、下限設(shè)定，
2.7 自診斷內(nèi)容及故障類別號：
E—0 氧量上限 E—1 氧量下限 E—2 溫度異常(高)
E—3 溫度異常(低) E—4 升溫異常(快) E—5 升溫異常(停)
E—6 氧勢異常 E—7 斷偶
2.8 輸出： 0—10mA 或 4—20mA
2.9 負(fù)載電阻：0-1.0 kΩ(0-10mA輸出), 0-500Ω(4-20mA輸出)
2.10 氧探頭長度為0.2m、0.4m、0.6m、0.8m、1.0m、1.2m。
3. 使用條件
3.1信號轉(zhuǎn)換器的使用條件
3.1.1儀器安裝環(huán)境應(yīng)無易燃、易爆和強(qiáng)腐蝕性氣體，并要求通風(fēng)良好。
3.1.2 工作環(huán)境溫度：0-50℃
3.1.3 工作環(huán)境濕度：＜90%
3.1.4 供電電壓：220V.AC&plun;10% 50Hz
3.1.5 功率消耗：＜200W
3.2 氧探頭的現(xiàn)場安裝條件
氧探頭的現(xiàn)場安裝場所須滿足下列條件：
3.2.1 避開震動場合；
3.2.2要有的工作空間。
3.2.3 煙氣溫度和壓力要在儀器規(guī)定范圍內(nèi)。(煙氣溫度<700℃)
4. 儀器的組成
整套儀器由氧探頭、信號轉(zhuǎn)換器及有關(guān)附件組成。
4.1 氧探頭
氧探頭由塵裝置、氧化鋯管、加熱電爐、測溫?zé)犭娕?、接線盒以及殼體等主要部件組成。整個裝置采用全封閉型結(jié)構(gòu)，以增加整個裝置的密封性能，使用壽命。
氧化鋯管是該檢測器的，由它產(chǎn)生氧濃差電勢信號，使用時應(yīng)注意避免劇烈震動，以免損壞。
氧探頭內(nèi)加熱電爐的作用是提供氧化鋯元件正常工作所需的溫度，為延長加熱電爐的壽命，在工藝上做了的處理。由于氧探頭本身帶有加熱裝置，因而在低于700℃的環(huán)境中仍能正常工作。
4.2信號轉(zhuǎn)換器
ZrO2-Ⅱ型氧化鋯氧量自動分析儀的信號轉(zhuǎn)換器實(shí)際上是一個小型的測控系統(tǒng)，由單片機(jī)作為控制系統(tǒng)。
將來自氧探頭的模擬信號(氧勢、熱電勢)分別轉(zhuǎn)換成0-10KHz調(diào)頻信號，經(jīng)光電隔離后送至計算機(jī)，采用調(diào)頻方式能將儀表輸入、輸出相互隔離，這樣就消除了諸如大電流跳變所引起的干擾，能夠克服高共模電壓，因而大大了儀表的干擾能力。應(yīng)用程序主要由主程序和子程序組成，的程序都采用模塊結(jié)構(gòu)編制，便于修改、增加軟件功能，以滿足不同用戶的需要。程序運(yùn)算采用了三位浮點(diǎn)數(shù)，了運(yùn)算的，對氧濃、爐溫的計算，采用查表線性插值法，對爐溫的控制采用增量式PID算式控制。
5. 儀器的安裝
5.1取樣點(diǎn)位置的選擇
選擇取樣點(diǎn)的原則有:
5.1.1 所取的氣樣能快速反映工藝狀態(tài)的變化情況，即氣體要性；
5.1.2 取樣點(diǎn)的溫度、壓力、流量等參數(shù)不應(yīng)變化太大；
5.1.3氧探頭深度應(yīng)煙道氣流部位，避免區(qū)；
5.1.4 切忌在管道、煙道底部開口取樣；
5.1.5 取樣點(diǎn)附近爐堂、煙道應(yīng)無泄漏，否則將造成測量誤差；
5.1.6 要選擇在易于維護(hù)、檢修的地方。
5.2 氧探頭的安裝
預(yù)先加工好帶法蘭的Φ 76mm設(shè)備短節(jié)，按要求選好取樣位置(爐壁或管道)，開一個Φ76的孔，將短節(jié)以水平方式焊接到設(shè)備上，焊接時要焊接處不漏氣。對帶余熱鍋爐流程，在選定取樣點(diǎn)位置后，Φ76mm設(shè)備短節(jié)應(yīng)根據(jù)保溫厚度適當(dāng)加長穿過爐體保溫磚，與爐體鋼殼焊牢，露出部分長度約60mm。須注意：應(yīng)設(shè)備短節(jié)與爐體保溫磚之間的密封，不能泄漏。把氧探頭短節(jié)，在短節(jié)法蘭與氧探頭法蘭間墊上2-4mm厚的石棉墊，旋緊4個螺栓，使其不漏氣即可。
注意:由于探頭的參比氣是靠空氣自然對流提供的,探頭須水平安裝, 參比氣和標(biāo)準(zhǔn)氣接口相應(yīng)朝下.探頭端部護(hù)套管的缺口位置(可調(diào)整方向)也應(yīng)垂直向下,以積灰.
5.3 信號轉(zhuǎn)換器的安裝
信號轉(zhuǎn)換器的外形尺寸：水平×垂直×深 160×80×250mm
儀表盤面的開孔尺寸：水平×垂直 152+1×76+1mm
信號轉(zhuǎn)換器用隨機(jī)配備的安裝夾板及螺絲安裝在儀表盤上，亦可安裝在現(xiàn)場儀表保
護(hù)箱內(nèi)。
5.3.1 信號轉(zhuǎn)換器與氧探頭之間的連接
信號轉(zhuǎn)換器盤裝于控制室,氧探頭安裝于現(xiàn)場,它們之間連接線有：氧勢信號線兩根采用RVVP2×1.5帶屏蔽二芯電纜線敷設(shè)、電偶冷端補(bǔ)償導(dǎo)線兩根，采用K分度號KX-G型2×1.5帶屏蔽二芯補(bǔ)償導(dǎo)線敷設(shè)、電爐加熱線兩根，采用RVV2×2.5二芯電纜線敷設(shè)。
5.3.2 接線時應(yīng)注意下列要求:
5.3.2.1 加熱線與信號線應(yīng)分開穿管；
5.3.2.2 鋯管的氧勢、熱電偶溫度補(bǔ)償信號線都是具有性的信號線，安裝時應(yīng)注意性的正確連接。
6. 使用方法
6.1 信號轉(zhuǎn)換器的使用
6.1.1 開機(jī)及狀態(tài)說明
置信號轉(zhuǎn)換器于“測量”狀態(tài)（出廠時，信號轉(zhuǎn)換器已置于測量狀態(tài)），開機(jī)后，顯示屏顯示“―――”號，表示開機(jī)正常，2S后進(jìn)入程序升溫狀態(tài)，顯示屏交叉顯示“∪∪∪”及溫度，溫度鍵對應(yīng)指示燈亮，經(jīng)1 h爐溫到達(dá)700℃，并自動退出程序升溫狀態(tài)轉(zhuǎn)入氧量測量程序，氧量鍵對應(yīng)指示燈亮，LED窗口顯示當(dāng)時氧量，輸出通道給出與所選擇的測量范圍及當(dāng)時氧量有關(guān)的模擬量(0-10mA或4-20mA).
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開機(jī)后各狀態(tài)說明如表1
表1 開機(jī)后狀態(tài)說明
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狀 態(tài)
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顯 示
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輸 出
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說 明
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開 機(jī)
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―――
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開機(jī)后穩(wěn)定約2S
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程序升溫
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升溫“∪∪∪”、
溫度值各1S
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0 -1000℃ 對應(yīng)為0-10mA或4-20mA
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按鍵不影響輸出
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氧量測量
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氧 量
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由數(shù)字開關(guān)“2”“3”的位置決定
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按鍵不影響輸出
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6.1.2 在線查詢參數(shù)
在線查詢參數(shù)的具體按鍵操作說明如表2
表2 測量狀態(tài)下按鍵操作詳細(xì)說明
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按 鍵
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顯 示 內(nèi) 容
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氧量
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氧量（O2%）
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溫度
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爐溫（℃）
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加熱電壓
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電爐加熱電壓（V）
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氧勢
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經(jīng)電勢校正后的氧探頭電勢（mV）
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氧勢、氧量點(diǎn)(同時按)
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顯示氧探頭輸出電勢（mV）
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氧量點(diǎn)
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顯示測量范圍下限設(shè)定值（O2%）
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氧量量程
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顯示測量范圍上限設(shè)定值（O2%）
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上限報警
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顯示氧量上限報警設(shè)定值（O2%）
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下限報警
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顯示氧量下限報警設(shè)定值（O2%）
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在“程序升溫”狀態(tài)下，儀表顯示升溫號及當(dāng)時溫度值，在正常“測量”狀態(tài)下，儀表顯示當(dāng)時“氧量”值，當(dāng)要查詢“溫度”或“氧量”以外的其它參數(shù)時，只要按下面板對應(yīng)鍵，在顯示窗口立即顯示對應(yīng)參數(shù)值，但按鍵動作不影響程序升溫時溫度或測量狀態(tài)時氧量所對應(yīng)的模擬輸出量，且在10S后顯示內(nèi)容自動返回，恢復(fù)顯示程序升溫狀態(tài)時的溫度或測量狀態(tài)時的氧量值?？傊跍y量時，任何按鍵動作不影響與氧量相對應(yīng)的模擬量輸出，是顯示內(nèi)容的改變，且在10S后返回。
6.1.3 儀器的校正
由于氧化鋯元件參數(shù)的離散性，由于氧化鋯元件在使用過程中的老化，由于安裝點(diǎn)參比氣的流通情況不盡相同，可能使氧化鋯元件的測量產(chǎn)生較大誤差。因此，不對新安裝的氧化鋯探頭需要進(jìn)行在線校準(zhǔn)，而且須定期（3-6個月）對運(yùn)行中的探頭進(jìn)行校準(zhǔn)。
在實(shí)驗室或現(xiàn)場,把氧探頭和轉(zhuǎn)換器按圖6正確連接好并接通電源,一小時后溫度 700℃ . 旋開探頭上的標(biāo)準(zhǔn)氣螺栓,將瓶裝5%含量的氮中氧標(biāo)準(zhǔn)氣體通過減壓器將其流量控制在100ml/分鐘,用乳膠管送入探頭的標(biāo)氣口內(nèi).觀察轉(zhuǎn)換器的氧量顯示值,若氧量偏差較大則需按一下“氧勢校正鍵”,再通過按“加”或“減”鍵使顯示值增加或減少一些,再按“氧量”鍵,查看氧量是否在5%左右,若未標(biāo)準(zhǔn)請重復(fù)此步驟調(diào)整.若無法調(diào)到標(biāo)準(zhǔn),說明鋯管已老化,需換新鋯管.
無標(biāo)氣現(xiàn)場校準(zhǔn):旋開探頭上的標(biāo)準(zhǔn)氣螺栓,使空氣進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)氣導(dǎo)管,按一下轉(zhuǎn)換器面板上的“氧勢校正鍵”,通過按“加”或“減”鍵使顯示值為&plun;0.1mv以內(nèi).再按下“氧量” 鍵應(yīng)顯示20.6即可, 校準(zhǔn)結(jié)束應(yīng)將標(biāo)準(zhǔn)氣螺栓重新旋緊即可正常使用.
6.1.4 上下限報警設(shè)定值的改變
按上限報警(或下限報警)鍵，此時顯示上限報警(或下限報警)設(shè)定值，如需進(jìn)行改變，按“加”或“減”鍵，直至合要求為止。
6.1.5 異常報警說明
在發(fā)生異常時，LED窗口顯示故障類別，并將報警接點(diǎn)接通，此時，輸出不自鎖。詳細(xì)說明如表3。
表3 異常報警功能說明
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顯 示
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報 警 內(nèi) 容
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可 能 故 障
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E—0
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氧量上限
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E—1
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氧量下限
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E—2
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溫度異常（高）
爐溫高于 750℃
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E—3
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溫度異常（低）
爐溫低于 650℃
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E—4
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溫升異常（快）
程序升溫時，溫度上升太快，不受控制。
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固態(tài)繼電器擊穿
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E—5
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溫度異常（停）
程序升溫時，停止升溫。
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電爐絲斷
固態(tài)繼電器截止
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E—6
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氧勢異常
檢測到氧電勢高于120mV
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E—7
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斷偶
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斷偶或電偶性接反
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仔細(xì)檢查氧探頭是否合第5節(jié)所述安裝要求后，在氧探頭電爐溫度 700℃ 后，儀表應(yīng)顯示系統(tǒng)當(dāng)時氧含量，并輸出與氧量對應(yīng)的模擬量。
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7. 故障判別及排除方法
注：表4不包括由于儀器信號故障所造成的氧量測量值偏高、偏低或不穩(wěn)定，其故障排除方法可參考6.1.3儀器校正的步驟進(jìn)行.
7.1 故障處理步驟
7.1.1將氧探頭從取樣口抽出，在現(xiàn)場與信號轉(zhuǎn)換器按說明書要求正確接線，并使氧化鋯探頭升溫至700℃。測量鋯管的電勢及高溫內(nèi)阻，應(yīng)分別小于&plun;5mV及500Ω（出廠時，鋯管電勢及高溫內(nèi)阻分別小于&plun;3mV及100Ω），如能合要求，說明氧化鋯管性能良好。若電勢及高溫內(nèi)阻分別大于&plun;5mV及500Ω以上, 需換新鋯管.然后按照6.1.3節(jié)說明的方法進(jìn)行校準(zhǔn).
7.1.2在氧探頭“氧勢”端子處卸下內(nèi)部探頭連線，將手動電位差計輸出信號由“氧勢”端子輸入，不同的毫伏輸入，信號轉(zhuǎn)換器應(yīng)顯示不同的氧量，其關(guān)系參見附錄A“氧濃度—濃差電勢對照表”。
7.1.3確認(rèn)氧化鋯探頭性能，氧量測量及溫度控制系統(tǒng)均正常后，重新將氧探頭裝回取樣口。
8. 儀表成套性
全套儀表裝箱清單：
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信號轉(zhuǎn)換器
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1臺
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轉(zhuǎn)換器安裝螺絲
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2套
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氧探頭
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1臺
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檢驗合格證
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1件
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使用說明書
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1本
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附錄A 氧濃度—濃差電勢對照表（0.1—15%O2）
(計算條件：參比氣氧濃度為20.6%，工作溫度700℃)。
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附錄B：高溫型檢測器的原理及系統(tǒng)組成
高溫型檢測點(diǎn)的氣體溫度可達(dá)0-1400℃，高溫型是采取抽氣或正壓自噴的方式，將爐氣引入減溫器裝置內(nèi)，經(jīng)擴(kuò)容、減壓、降溫后使其實(shí)際溫度降至600℃以下，從而實(shí)現(xiàn)對高溫
氣體的檢測。
高溫型檢測器的原理圖
由于高溫型檢測器的結(jié)構(gòu)，在安裝時請注意以下幾方面：
1 當(dāng)待測氣體溫度在800℃以上時，高溫型檢測器的取樣管應(yīng)呈垂直形式安裝，以高溫取樣管因自重產(chǎn)生彎曲變形。
2 如果爐氣壓力為負(fù)壓或為忽正忽負(fù)時，應(yīng)選用負(fù)壓型高溫型檢測器。以50-100Kpa壓力的壓縮風(fēng)接入抽氣系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制閥，將被測氣體抽入采樣裝置中。
3如果爐氣壓力為正壓時，應(yīng)選用正壓型高溫型檢測器。利用正壓自噴使待測氣體進(jìn)入采樣裝置，并通過調(diào)節(jié)閥控制噴出氣體的壓力保持在微正壓狀態(tài)（50Kpa以下）。
4 如果減溫器內(nèi)溫度過低（＜150℃時），由于硫化物結(jié)露會造成泵堵塞，應(yīng)采用保溫材料將減溫器進(jìn)行保溫。要時，可將壓縮風(fēng)金屬管道鋪在爐體高溫處，加蓋保溫材料，使壓縮風(fēng)加熱到＞150℃再接入泵，只要樣氣出口的氣體溫度＞150℃泵就不會堵塞。
ZrO2-Ⅱ型微機(jī)化氧量自動分析儀的信號轉(zhuǎn)換器實(shí)際上是一個小型的測控系統(tǒng)，由單片機(jī)作為控制系統(tǒng)。
將來自氧量檢測器的模擬信號(氧勢、熱電勢)分別調(diào)制成調(diào)頻信號，經(jīng)光電隔離后送至計算機(jī)，采用調(diào)頻方式能將儀表輸入、輸出相互隔離，這樣就消除了諸如大電流跳變所引起的干擾，能夠克服高共模電壓，因而大大了儀表的干擾能力。應(yīng)用程序主要由主程序和子程序組成，的程序都采用模塊結(jié)構(gòu)編制，便于修改、增加軟件功能，以滿足不同用戶的需要。程序運(yùn)算采用了三位浮點(diǎn)數(shù)，了運(yùn)算的，對氧濃、爐溫的計算，采用查表線性插值法，對爐溫的控制采用增量式PID算式控制。信號轉(zhuǎn)換器的電氣原理框圖見圖1
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1 測量范圍0～25.0 %O2：(三位數(shù)字顯示)
2 輸出： 0—10mA 或 4—20mA 負(fù)載電阻： 0-800Ω
3 測量：3%
4 溫控（PID控溫）：700&plun;1℃
5 工作環(huán)境溫度：0-50℃
6 顯示內(nèi)容：氧濃(O2%)、氧勢(mV)、爐溫(℃)、加熱電壓（V）、
量程上、下限（O2%）、報警上、下限（O2%）
7 鍵盤設(shè)定：報警上、下限設(shè)定，探頭電勢校正
8 自診斷內(nèi)容及故障類別號：
E—0 氧量上限 E—1 氧量下限 E—2 溫度異常(高)
E—3 溫度異常(低) E—4 溫升異常(快) E—5 溫升異常(停)
E—6 氧勢異常 E—7 斷偶
9 工作環(huán)境濕度：≤90%
10 供電電壓：220V.AC&plun;10% 50Hz
11 功率消耗：150W
12 外形尺寸：水平×垂直×深 橫式 160×80×250mm，豎式 80×160×250mm，壁掛式 220×280×120mm
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