曹善甫 王明國 徐 瑞

（1.天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計(jì)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(qū)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(dāng)用于測量成分不復(fù)雜介質(zhì)（比如鍋爐尾氣等）的百分比氧含量時(shí)，幾種氧分析儀都能夠勝任。

蒸氣管煤干燥機(jī)內(nèi)部氧含量超標(biāo)會存在爆燃的危險(xiǎn)，為此需要在干燥機(jī)出口載氣處進(jìn)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(diǎn)： 一是高濕度， 相對濕度達(dá)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(shí)可在除塵器后進(jìn)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(diǎn)。 鑒于這兩個特點(diǎn)，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(huán)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(shí)間穩(wěn)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?fù)?dān)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(zhì)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(chǔ)上進(jìn)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(diǎn)適應(yīng)煤干燥尾氣氧含量的測量。

1 設(shè)計(jì)要求

1.1 可實(shí)現(xiàn)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(dá)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(shí)設(shè)計(jì)為氣體和粉塵防爆。 該儀表設(shè)計(jì)為氣體2 區(qū)，粉塵20 區(qū)防爆。

1.2 可用于高濃度粉塵

雖然儀表能實(shí)現(xiàn)粉塵防爆，但是如果應(yīng)用在高濃度粉塵介質(zhì)中，粉塵的積累也會堵塞透氣孔影響測量。 所以儀表的設(shè)計(jì)既要考慮透氣，也要考慮阻隔粉塵。 對于粉塵積累產(chǎn)生的影響，儀表設(shè)計(jì)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(jìn)行標(biāo)定。

1.3 可在高濕度介質(zhì)下進(jìn)行測量

傳感器設(shè)計(jì)為被較厚的金屬殼罩住，只有水蒸氣可以透入到傳感器內(nèi)部，氣體中夾帶的水滴由于體積大，不能通過燒結(jié)金屬小孔進(jìn)入到傳感器內(nèi)部，不會對氧化鋯造成損壞。 金屬殼很厚，管道內(nèi)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(zhǔn)確度。

2 設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(chǔ)，根據(jù)設(shè)計(jì)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(chǎn)品，市面上常見的有美國MAXTEC、英國SST 等產(chǎn)品，都配以采樣放大電路板， 在環(huán)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)

防爆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是該儀表開發(fā)的重點(diǎn)，為了增加適應(yīng)性，做到最大的性價(jià)比，此次設(shè)計(jì)為氣體2 區(qū)， 粉塵20 區(qū)防爆， 取證防爆標(biāo)志分別為ExdIICT3 和ExdIIIBT3。 設(shè) 計(jì) 嚴(yán) 格 按 照GB 3836.2—2010《爆炸性環(huán)境 第2 部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備》和GB 12476.1—2013《可燃性粉塵環(huán)境用電氣設(shè)備 第1 部分：通用要求》進(jìn)行［2，3］。

表頭用于放置電路部分，具有顯示數(shù)據(jù)和設(shè)置參數(shù)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(jù)防爆標(biāo)準(zhǔn)的要求，取樣部分的設(shè)計(jì)必須做到以下兩點(diǎn)：儀表溫度不得超過介質(zhì)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(diǎn)都與傳感器的工作原理相悖：儀表內(nèi)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(shè)計(jì)的工作狀態(tài)下被測介質(zhì)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(shù)一般作為工藝要求的安全指標(biāo)，這就要求儀表T90（更新測量讀數(shù)90%的反應(yīng)時(shí)間）不得超過60s，要做到這一點(diǎn)就需要精心設(shè)計(jì)透氣孔。 下面分別就這兩點(diǎn)進(jìn)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(nèi)部溫度不會降低到650℃以下； 二是接觸測量介質(zhì)的外殼表面必須足夠大， 能及時(shí)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(dǎo)， 設(shè)計(jì)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(shí)使傳感器與外殼的導(dǎo)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(zhì)的散熱計(jì)算相對較復(fù)雜，輻射、對流和傳導(dǎo)都有，且和測量介質(zhì)成分、介質(zhì)流速都有關(guān)，此處不做計(jì)算，將根據(jù)實(shí)際測量情況進(jìn)行改進(jìn)。 可以計(jì)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(shù)，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(shù)34.89kW/（m2·K），計(jì)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(nèi)部產(chǎn)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(shè)計(jì)就是取舍的過程，在滿足防爆的基礎(chǔ)上盡量有利于儀表的測量工作。為此選擇使用燒結(jié)金屬顆粒過濾器（圖3），根據(jù)防爆規(guī)范要求， 燒結(jié)金屬顆?？障恫坏么笥?0目（0.180mm），筆者按照最大空隙選擇。 另外，燒結(jié)金屬顆粒不能承受2MPa 的爆炸壓力， 為此設(shè)計(jì)了一種外殼（圖4），底部和側(cè)面鉆有5mm 的小孔， 外殼與燒結(jié)金屬顆粒之間采用過盈配合，使之緊密固定。 外殼設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)下，要計(jì)算透氣性是比較難的，只有通過實(shí)驗(yàn)的方法確定T90是否滿足測量要求。

圖3 燒結(jié)金屬顆粒過濾器

圖4 傳感器外殼組件

2.3 標(biāo)定反吹氣組件

氧化鋯傳感器必須定期進(jìn)行標(biāo)定，才能保證測量的準(zhǔn)確度。 該儀表采用一點(diǎn)標(biāo)定的方法，僅需要通入一種氧含量的標(biāo)氣即可，為了節(jié)省運(yùn)行成本、方便操作，標(biāo)定氣采用空氣。 儀表預(yù)留了標(biāo)定氣進(jìn)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(biāo)定非常方便。 另外標(biāo)定的同時(shí)也對傳感器部分進(jìn)行反吹，可有效除去累積的粉塵，增加透氣率。

3 測試

3.1 實(shí)驗(yàn)室測試

實(shí)驗(yàn)室測試是儀表測試的第1 步。 實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)氣，測試儀表的測量精度、重復(fù)性和反應(yīng)時(shí)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(nèi)通入10%氧含量的標(biāo)準(zhǔn)氣（其余為氮?dú)猓?實(shí)驗(yàn)表明該儀表T60（更新測量讀數(shù)60%的反應(yīng)時(shí)間）為10s，T90為30s，反應(yīng)時(shí)間完全符合預(yù)期，說明傳感器保護(hù)罩部分的設(shè)計(jì)是合理的。 通過多次實(shí)驗(yàn)，測量精度絕對誤差小于0.3%， 相對誤差小于1%，讀數(shù)重復(fù)性大于99%。

3.2 現(xiàn)場測試

現(xiàn)場測試時(shí)氧分析儀安裝在槳葉干燥機(jī)的尾氣管道上。 現(xiàn)場測試的主要目的是測試儀表的使用穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。 經(jīng)過72h 的測試，儀表工作穩(wěn)定，比較輸出值與取樣分析值，誤差在1%以內(nèi)，符合預(yù)期要求。

4 結(jié)束語

筆者所設(shè)計(jì)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(jià)較低，具有很強(qiáng)的推廣價(jià)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(jìn)行改進(jìn)，如增加就地顯示界面、遠(yuǎn)程標(biāo)定控制功能等，能更方便地實(shí)現(xiàn)氧含量測量。