1  概述
氧化锆氧分析仪主要用于测定锅炉烟气中的氧分压即氧气的体积百分数含量（简称氧含量或氧量），对于保障锅炉运行安全、提高燃料燃烧效率、减少环境污染将起到重要作用。其应用场所主要有：
    ● 火电厂锅炉；
    ● 炼油厂加热炉和输油管道加热炉；
    ● 冶炼厂加热炉和均热炉；
● 化工、轻纺、食品加工、制药、水泥和采暖等企业的工业锅炉。
燃料燃烧效率与空气过剩系数密切相关。在燃烧过程中，当空气过剩系数太小即氧量不足时，由于燃料未充分燃烧而导致热效率降低，且排出的未完全燃烧气体也将对环境造成较大污染；而当空气过剩系数太大即氧量过多时，虽然能使燃料充分燃烧，但过剩空气带走的热量多，也导致热效率降低，同时过量氧气使烟气中硫化物和氮氧化物含量增大，导致环境污染。因此，通过安装氧化锆氧分析仪，在线实时监测烟气中的氧含量，调节空气和燃料的最佳配比，实现优化燃烧。在节能减排、安全环保诸方面具有重要意义和显著经济、社会效益。
中国原子能科学研究院创建于1950年，是中国核科学技术的发祥地，是以核科学为主、多学科并存的综合性大型科研基地，是我国“两弹一艇”事业的摇篮。氧化锆开发研究室是院下属的集科研、产品开发和市场营销为一体的综合性经济实体，从事氧化锆测氧技术的研究已30余年，编写了国内本行业第一本专著：《氧离子固体电解质浓差电池与测氧技术》。该技术曾先后多次荣获国家发明奖及部科技成果奖。在这一系列科研成果的基础上，成功研制出ZO系列氧化锆氧分析仪。该产品曾在北京国际博览会上获同类产品最高质量奖，并在全国氧化锆氧分析仪行业质量评比中荣获一等奖。2001年，该产品通过ISO 9001国际质量体系认证。此后，我院开发并推出了防硫型、高温型等多种型号的氧分析仪，以满足不同用户的需求。  
2  仪器测量原理
ZO系列氧化锆氧分析仪是利用氧浓差电池原理来测定气体①中氧含量的电化学分析仪器。在理想状态下，当氧化锆元件达到工作温度且内外电极表面的氧含量不相等时，便构成一个氧浓差电池，并产生电池电动势，电池电动势与电极表面氧浓度关系符合能斯特(Nernst)方程：
                     (1)
式中：
E — 浓差电池电动势，mV；
R — 气体常数，8.3145J·mol－1·K－1；
F — 法拉第常数，96485.309C·mol-1；
T — 绝对温度，K；
P0 — 参比气体氧分压，%；
P — 被测气体氧分压，%。
由于受各种因素的影响，实际测量并非在理想状态下进行，因此需要对（1）式进行校正，校正后得到新的方程：
                            （2）   
本设计中P0为空气中氧含量（20.6％），k和E0值均可以通过校正得到。通过测定氧化锆电池电势信号Em，并将其输送至变送器，变送器将根据（2）式，计算出被测气体的氧含量P值。
① 严格地说，氧化锆氧分析仪测量的是惰性气体中的氧含量，当烟气中含有可燃性气体时，测得的氧含量值将偏小。		
3  仪器主要技术参数
● 测量范围：0～20.6Vol%O2；
● 测量精度：±1.0%（满度）；
● 量程选择：0～10Vol%O2或0～20Vol%O2；
● 工作温度①：750℃±5℃；
● 响应时间： 3秒（达到90%）；
● 输出方式：DC0～10mA或DC4～20mA电流线性输出；
● 探头长度②：500～1200mm；
● 变送器尺寸：墙挂式（Q型）：240×330×110mm；
盘装式（P型）：165×165×400mm；
80×160×320mm；（立式）
160×80×320mm；（卧式）
● 安装点最佳烟气温度：350～450℃；
● 安装点允许最大压差：2KPa；
● 环境温度：变送器－5～55℃, 探头＜70℃；
● 工作电源：AC220V±10%，50Hz。
① 对于不同型号探头，其值可能略有不同，本文均以工作温度为750℃的探头为例说明。若工作温度不同，将文中涉及温度750℃改为对应工作温度值即可。
② 不同型号探头长度不同。		
4  仪器简介
4.1  仪器组成
  该仪器主要由探头和变送器两大部分组成。探头实际上是一种装有氧化锆电池的氧传感器，其主要作用就是输出被测氧量所对应的电势信号值。变送器主要有两大功能：一是稳定控制探头的工作温度；二是将从探头输入的电势信号值转换为对应的氧量值，并将氧量值转化为对应的电流值输出。
4.2  各部分简介  
max.book118.com  探头简介
探头由氧化锆元件、加热炉、K型热电偶、过滤器、信号引线、接线盒及不锈钢壳体等组成，其结构如图1所示：
                   图1  探头结构示意图
1.过滤器  2.氧化锆元件  3.加热炉  4.外壳  5. 信号引线 
6.标气管  7.元件法兰    8.K型热电偶  9.法兰  10.接线盒
各主要部件作用：氧化锆元件是探头的核心部件，由其产生电势信号；加热炉将氧化锆元件加热到设定的工作温度；热电偶作为温度传感器，用来测量加热炉的温度；信号引线将氧化锆元件所产生的电势信号输送到变送器。
max.book118.com  变送器简介
max.book118.com.1  基本结构
变送器主要由主电路板、操作显示面板、接线端子和机箱等组成。主电路由氧浓差电势信号放大器、热电偶电势信号放大器、电源单元、中央处理单元、温控单元、显示单元及输出单元等部分组成。 
图2  变送器电路原理框图
从图2可见，探头产生的氧浓差电势信号、热电偶电势信号经分别放大后，由多路选择开关将其输入A/D转换器，经A/D转换后由CPU根据能斯特方程计算出氧量值，再经D/A转换、光电隔离及V/I转换，最后得到DC0～10mA或DC4～20mA的电流信号输出。
max.book118.com.2  基本操作  
变送器的基本操作都在操作显示面板上完成。变送器操作显示面板如图3所示。                                         
各部分功能：中央为LED数码显示管(以下简称LED)，显示相关的参数值。左侧为参数显示状态指示灯，LED显示的数值为指示灯亮者所对应的参数值。右侧分别为空气校准和标气校准电位        图3 变送器操作显示面板图
器，用来校准仪器，以提高测量精度①。下方为操作按钮，由其决定LED显示内容。                        
具体操作：将变送器电源开关拨至“开”后，探头加热炉开始升温，“℃”指示灯亮，LED显示探头加热炉温度值②。当加热炉温度达到600℃时，“％O2”指示灯亮，变送器电路将自动运算并显示测得的氧量值。此后，LED显示内容由操作按钮决定。如：当按住电势时，“mV”指示灯亮，LED显示电池电势信号值；当按住温度时，“℃”指示灯亮，LED显示加热炉温度值；当按住自检时，“％O2”指示灯亮，LED显示自检氧量值③。
仪器校准的具体操作详见第7章“仪器校准”部分。
② 如果安装的是新探头，开机后可能出现 “％O2”指示灯亮、LED显示为“HHHH”并闪烁的现象，这是由于新探头内保温材料含水
数字式氧化锆氧分析仪电子说明书.doc