一種氧化鋯防爆氧分析儀的設計開發

曹善甫 王明國 徐 瑞

（1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司；2.黑龍江鵬程生化有限公司）

用于測量尾氣和煙氣氧含量的儀表一般稱為百分比氧分析儀，在測量量程上區別于微量氧分析儀，屬于大量程氧分析儀［1］。目前市面上的百分比氧分析儀種類較多，按照測量原理可分為氧化鋯式、順磁式、氧電池和激光式，當用于測量成分不復雜介質（比如鍋爐尾氣等）的百分比氧含量時，幾種氧分析儀都能夠勝任。

蒸氣管煤干燥機內部氧含量超標會存在爆燃的危險，為此需要在干燥機出口載氣處進行氧含量測量。 對于氧含量測量，此處的氣體成分有兩個重要的特點： 一是高濕度， 相對濕度達到90%以上（95℃）；二是出口載氣中存在大量粉塵，在使用干式除塵器時可在除塵器后進行測量，但除塵器存在泄漏的情況， 一旦除塵器布袋破損，可燃粉塵會泄漏到后方的氧含量測量點。 鑒于這兩個特點，氧分析儀的選擇就尤為困難，順磁式和氧電池分析儀都不能在這種高濕環境中使用，取樣式激光分析儀、取樣式氧化鋯分析儀和插入式氧化鋯分析儀也都不能長時間穩定工作于該工況下。

在這幾種分析儀里，插入式氧化鋯分析儀由于其傳感器必須工作在650～700℃的條件下，所以不必擔心水蒸氣的存在，但若有水滴滴到傳感器上，則會損壞傳感器；另外，650℃可引燃測量介質中的可燃煤粉，所以，不能輕易使用在有可燃粉塵的場合。 為此，筆者決定在原氧化鋯氧分析儀的基礎上進行改造，研制一種氧化鋯防爆氧分析儀，以針對以上兩個特點適應煤干燥尾氣氧含量的測量。

1 設計要求

1.1 可實現粉塵和氣體防爆

氧化鋯氧分析儀傳感器部分有電加熱絲，用于加熱傳感器使其溫度達到650～700℃， 加熱絲電流很大，超出本安防爆的電流要求，故不能采用本安型防爆， 必須采用外殼的隔爆型防爆形式。 采用隔爆型的另一個好處是可以同時設計為氣體和粉塵防爆。 該儀表設計為氣體2 區，粉塵20 區防爆。

1.2 可用于高濃度粉塵

雖然儀表能實現粉塵防爆，但是如果應用在高濃度粉塵介質中，粉塵的積累也會堵塞透氣孔影響測量。 所以儀表的設計既要考慮透氣，也要考慮阻隔粉塵。 對于粉塵積累產生的影響，儀表設計了反吹氣裝置，反吹氣既可以吹掉附著的粉塵，也可以對儀表進行標定。

1.3 可在高濕度介質下進行測量

傳感器設計為被較厚的金屬殼罩住，只有水蒸氣可以透入到傳感器內部，氣體中夾帶的水滴由于體積大，不能通過燒結金屬小孔進入到傳感器內部，不會對氧化鋯造成損壞。 金屬殼很厚，管道內的水滴滴到金屬殼上，不會使金屬殼急劇降溫，也不會損壞傳感器或影響測量準確度。

2 設計與制造

氧分析儀由氧化鋯傳感器、放大電路、防爆儀表外殼和傳感器外殼組成，如圖1 所示。

圖1 氧分析儀結構示意圖

2.1 傳感器及電路

傳感器及電路是氧分析儀的基礎，根據設計要求，最終確定選用氧化鋯傳感器。 氧化鋯傳感器是一款非常成熟的產品，市面上常見的有美國MAXTEC、英國SST 等產品，都配以采樣放大電路板， 在環境比較良好的場合可直接通電使用，但電路板功能簡單， 需要自行添加信號轉換、傳輸和顯示功能。 筆者選擇了英國SST 的濃差型氧化鋯傳感器。

2.2 防爆結構

防爆結構的設計是該儀表開發的重點，為了增加適應性，做到最大的性價比，此次設計為氣體2 區， 粉塵20 區防爆， 取證防爆標志分別為ExdIICT3 和ExdIIIBT3。 設 計 嚴 格 按 照GB 3836.2—2010《爆炸性環境 第2 部分：由隔爆外殼“d”保護的設備》和GB 12476.1—2013《可燃性粉塵環境用電氣設備 第1 部分：通用要求》進行［2，3］。

表頭用于放置電路部分，具有顯示數據和設置參數的功能。 表頭選擇的原則是必須滿足GB 3836.2—2010 和GB 12476.1—2013 的要求，并且和傳感器部分要方便連接。 最終選擇了法蘭接口的表頭，具有良好的防爆密封面，符合防爆要求［2，3］。

根據防爆標準的要求，取樣部分的設計必須做到以下兩點：儀表溫度不得超過介質的引燃溫度；防爆外殼各部位必須有合格的防爆間隙。 然而這兩點都與傳感器的工作原理相悖：儀表內部的氧化鋯傳感器必須工作在650～700℃的條件下，防爆外殼必須有足夠的散熱面積才能將熱量散走，使表面溫度不超過200℃，設計的工作狀態下被測介質最高溫度是120℃， 故要求外殼溫升不得超過80℃［2］； 傳感器與外界必須有良好的透氣性， 氧含量參數一般作為工藝要求的安全指標，這就要求儀表T90（更新測量讀數90%的反應時間）不得超過60s，要做到這一點就需要精心設計透氣孔。 下面分別就這兩點進行分析。

對于溫度要求，通過兩個方面來控制，一是減少傳感器熱量的向外傳輸，保證傳感器的內部溫度不會降低到650℃以下； 二是接觸測量介質的外殼表面必須足夠大， 能及時把熱量散出去。傳感器的加熱功率約為7.5W，為縮小傳感器與外殼的連接面積， 減少熱傳導， 設計了一種如圖2所示的傳感器底座，在能方便固定傳感器的同時使傳感器與外殼的導熱面積減小到3.5mm2。

圖2 傳感器底座

傳感器外殼向測量介質的散熱計算相對較復雜，輻射、對流和傳導都有，且和測量介質成分、介質流速都有關，此處不做計算，將根據實際測量情況進行改進。 可以計算的是傳感器底座向外殼所傳遞的熱量，傳熱公式為：

式中 K——傳熱系數，W/（m2·K）；

P——傳熱功率，W；

S——傳熱面積，m2；

ΔT——傳熱溫差，K。

在式（1）中代入傳感器外殼傳熱溫差50K、傳熱面積3.5mm2、傳熱系數34.89kW/（m2·K），計算得到傳熱功率為6.1W，再考慮其他部分的輻射傳熱等，可使得內部產生的熱量能完全傳出又不至于使傳感器溫度過低而影響測量。

傳感器部分外殼的設計就是取舍的過程，在滿足防爆的基礎上盡量有利于儀表的測量工作。為此選擇使用燒結金屬顆粒過濾器（圖3），根據防爆規范要求， 燒結金屬顆粒空隙不得大于80目（0.180mm），筆者按照最大空隙選擇。 另外，燒結金屬顆粒不能承受2MPa 的爆炸壓力， 為此設計了一種外殼（圖4），底部和側面鉆有5mm 的小孔， 外殼與燒結金屬顆粒之間采用過盈配合，使之緊密固定。 外殼設計5mm 厚， 能承受至少5MPa 的壓力， 這種組合保證了儀表防爆與測量性能。 在這種結構下，要計算透氣性是比較難的，只有通過實驗的方法確定T90是否滿足測量要求。

圖3 燒結金屬顆粒過濾器

圖4 傳感器外殼組件

2.3 標定反吹氣組件

氧化鋯傳感器必須定期進行標定，才能保證測量的準確度。 該儀表采用一點標定的方法，僅需要通入一種氧含量的標氣即可，為了節省運行成本、方便操作，標定氣采用空氣。 儀表預留了標定氣進氣口，可定期通入減壓的壓縮空氣，壓縮空氣的氧含量是一定的，標定非常方便。 另外標定的同時也對傳感器部分進行反吹，可有效除去累積的粉塵，增加透氣率。

3 測試

3.1 實驗室測試

實驗室測試是儀表測試的第1 步。 實驗室測試的方法是將儀表安裝在固定空腔中，往空腔里通入標準氣，測試儀表的測量精度、重復性和反應時間。 先將儀表裝入空腔通電， 儀表顯示20.9%，為空氣中的氧含量值，接著迅速向空腔內通入10%氧含量的標準氣（其余為氮氣）。 實驗表明該儀表T60（更新測量讀數60%的反應時間）為10s，T90為30s，反應時間完全符合預期，說明傳感器保護罩部分的設計是合理的。 通過多次實驗，測量精度絕對誤差小于0.3%， 相對誤差小于1%，讀數重復性大于99%。

3.2 現場測試

現場測試時氧分析儀安裝在槳葉干燥機的尾氣管道上。 現場測試的主要目的是測試儀表的使用穩定性和準確性。 經過72h 的測試，儀表工作穩定，比較輸出值與取樣分析值，誤差在1%以內，符合預期要求。

4 結束語

筆者所設計的氧化鋯防爆氧分析儀可以在高濕度、 有粉塵的氣體或粉塵防爆場所使用，使用范圍廣且造價較低，具有很強的推廣價值。 目前儀表只是具備了氧含量測量的基本功能，在使用過程中，還需要進行改進，如增加就地顯示界面、遠程標定控制功能等，能更方便地實現氧含量測量。