JGY-12B型氧化鋯分析儀的工作原理和使用

張海燕 王 琦

0 引言

氧化鋯氧量計可以用來連續地分析各種工業窯爐煙氣中的氧含量以保證最佳的空氣燃料比,達到節能及環保的雙重效果。

1 氧化鋯氧量計的工作原理

氧化鋯在常溫下為單斜晶體,當溫度升高到1150℃左右時,晶體排列為立方晶體。如果在氧化鋯中摻入一定數量的氧化鈣或氧化釔,其晶體變為不隨溫度變化的穩定的螢石型立方晶體。此時,四價的鋯被二價的鈣或三價的釔置換,同時產生了氧離子的空穴。在600℃～1200℃高溫下,空穴型的氧化鋯就變成了良好的氧離子導體,因此說,氧化鋯為固體電解質。

在氧化鋯電解質的兩側各燒結一層多孔鉑電極,形成了氧濃差電池如圖1所示。電池左邊是被測的煙氣,它的氧含量一般為4%～6%,設氧分壓為 p1,氧濃度為 φ1。電池的右邊是參比氣體,如空氣,它的氧含量一般為20.8%,氧分壓為 p2,氧濃度為 φ2。在溫度 T=850℃時,氧化鋯氧濃差電池的工作原理可用式(1)表示:

在正極上氧分子得到電子成為氧離子,在負極上氧離子失去電子成為氧分子。只要電極兩側存在氧氣濃度差,即氧分壓力不相等,也就是 p1≠p2,就會有電動勢存在,即氧濃差電勢,其大小

可以用能斯特方程表示:

其中,E為氧濃差電勢;R為氣體常數;F為法拉第常數;T為絕對溫度;n為反應時一個氧分子輸送的電子數,n=4;p1為被測氣體的氧分壓;p2為參比氣體的氧分壓。

如果被測氣體和參比氣體的壓力均為p,則有:

該電勢在一側氧濃度固定時,僅與另一側氧濃度有關。

2 JGY-12B氧量分析儀操作簡介

2.1 儀表功能簡介

JGY-12B氧量分析儀面板如圖2所示,儀表面板上由4只數碼管、32只指示燈和6只控制鍵組成。儀表有運行、校驗、設定、初始和調試五種狀態。數碼管根據需要可顯示不同的測量值或設定值;數碼管下邊有1只加熱指示燈和6只量綱指示燈,加熱燈與儀表的加熱輸出信號同步閃亮,量綱燈同步提示儀表測量值或設定值的量綱;另外25只指示燈以五排五列組成一個方陣。右邊第一列是儀表的工作狀態指示燈,從上到下依次為運行、校驗、設定、初始和調試五種工作狀態。其余20只是具體功能指示燈,指示儀表的一種工作功能狀態。

儀表不管工作在任何狀態,停留5 min不按鍵將自動進入運行狀態的溫度顯示或氧量顯示。在儀表的具體功能指示燈亮時,可按←,→鍵切換儀表的不同具體功能,當切換到右邊第一只狀態指示燈亮時,可通過按↑,↓鍵切換儀表的不同工作狀態。

2.2 儀表具體功能的設定操作

1)運行狀態。儀表運行狀態功能指示燈均在第一排。分別顯示氧量、氧電勢、熱電勢、探頭工作溫度四個測量值。當系統出現故障情況,如氧化鋯信號開路或接反及熱電偶信號開路或接反時,數碼管顯示出錯信號“Err”,此時儀表仍然繼續加熱,但是輸出電流為零。本狀態主要用于系統投運時探頭升溫階段監視。

2)校驗狀態。校驗狀態功能指示燈均在指示燈方陣第二排。儀表校驗狀態分氧化鋯探頭的本底電勢標定和預置標氣標定和兩個標定后的校驗修正值組成。

3)設定狀態。儀表的設定狀態分輸出方式、量程范圍、冷端補償、標氣預置值四個用戶參數設定部分組成。狀態功能指示燈均在指示燈方陣的第三排。a.設定儀表的電流輸出方式。儀表的電流輸出分0 mA～10 mA或4 mA～20 mA兩種方式。進入設定輸出方式功能狀態后,數碼管可顯示 0～10或4～20。b.設定儀表的測量范圍。儀表的量程范圍分0%O2～5%O2,0%O2～10%O2,0%O2～20%O2或0%O2～100%O2四種方式。進入設定量程范圍功能狀態后,數碼管可顯示5,10,20或100。c.設定儀表的冷端補償。由于探頭安裝部位的環境溫度比較穩定,因此熱電偶的冷端采用固定補償方法能夠保證系統測量的精度要求。進入設定冷端補償功能狀態后“冷端補償”燈亮,數碼管顯示儀表冷端補償值,量綱燈“℃”亮。通過按↑,↓鍵調整欲設定的冷端補償值,每按一次鍵步進值增減5℃,冷端補償的設定范圍是0℃～80℃。d.設定系統定標的標氣預置值。進入設定標氣預置值功能狀態,數碼管顯示原設定數值。通過按↑,↓鍵調整欲設定的標氣預置值,每按一次鍵步進值增減0.01%,標氣預置值的設定范圍3.00%～7.00%。

4)初始狀態。儀表的初始狀態分氧化鋯信號Ez和熱電偶信號Et的零點、滿度外校四個操作部分組成。狀態功能燈均在第四排。a.氧化鋯信號Ez的零點及滿度外校操作方式。用電位差計作信號源,正確接入儀表的氧化鋯Ez正負輸入端。切換到“Ez 0 mV”燈亮,數碼管顯示外校信號的測量值。電位差計送0 mV,數碼管顯示0 mV左右;此時,要連按三個確定鍵才有效,數碼管則顯示外校后的0 mV測量值,按←或→鍵退出。同樣表計通過按鍵移動切換到“Ez 50 mV”燈亮,電位差計改送50 mV后,數碼管顯示50 mV左右;此時,連按三下確定鍵,數碼管正確顯示儀表外校后的50 mV測量值,按←或→鍵退出。b.熱電偶信號Et的零點及滿度外校操作方式。把電位差計接入儀表的熱電偶Et的正負輸入端。之后操作同上步。外校操作鍵按三下確定鍵才有效是為防止誤操作。外校過程中,當數碼管顯示Err出錯信息,應檢查外校信號的極性和數值是否正確。

5)調試狀態。儀表的調試狀態分低量程輸出電流、高量程輸出電流、電流輸出阻尼和儀表顯示阻尼四個調試部分。狀態功能指示燈均在第五排。a.儀表低量程電流輸出的調試方式。當儀表切換到低量程輸出顯示狀態時,數碼管根據已設定參數顯示10%量程范圍對應輸出的電流值,且與探頭的輸入信號無關。此時可以排除氧化鋯探頭的故障,著重檢查系統輸出信號的顯示、記錄部分是否正常。如發現儀表實際輸出電流有誤差,亦可利用儀表面板上的↑或↓鍵手動調整儀表輸出電流。每按一次鍵,儀表的輸出電流步進值大約增減0.1 mA,調試只對儀表的輸出電流起作用,不影響儀表原來的氧量顯示值。b.儀表高量程電流輸出的調試方式。切換到高量程輸出狀態時,數碼管根據已設定參數顯示90%量程范圍對應輸出的電流值,調試方式同低量程電流輸出。

3 結語

JGY-12B型氧量分析儀具有結構簡單,穩定性好,靈敏度高,響應快,使用方便,易于維護等優點,在工業生產過程控制中廣泛應用。

[1]黃守文.AM ETEK氧化鋯分析儀應用與維護[J].儀器儀表用戶,2009(5):74-75.

[2]王樹潔.WT-300型氧量分析儀的應用[J].儀器儀表裝置,2007(6):38-40.