氧气传感器工作原理及故障分析

第三部分 氧传感器的安装 合理的安装是保证氧传感器可靠运行的关键，许多使用问题均由于氧传感器安装不当造 成的，希望用户一定要特别注意这一点，安装氧传感器请尽量考虑氧传感器的安装要求： 一、采样测量点： 确定测量点是首要的工作。应遵循如下几项原则：
（1） 选择的测量点要求能正确反映所需要的炉内气氛，以保证氧传感器 输出信号的
用户的外置监控单元
一个外置的，由用户后接的装置必须承担测量信号的分析处理，以及循环自检的进行和监控。 对故障报警的反应是根据不同用户的技术要求，同样由该外置监控单元处理。 因此，该单元必须满足一定的要求:
该单元必须具有故障保护功能，就是说，下面提到的过程必须运行在无故障状态， 输入信号准确读入，输出信号准确输出。
图一：通道 K2 的输出信号。 由于测试过程是动态的，所以氧气测量系统的常用功能始终处于被检测状态，并理想地循 环运行。为此，在一个分离的测试通道安置 24V，使传感器电流从外部减弱 20%。测量系 统以一个较小的氧气浓度模拟实际情况。在这个基础上，通道 K1 和通道 K2 的测量信号必
须同样地予以减弱，也就是说，测量系统必须正确计算虚拟的氧气浓度。在这里，4%的宽 带是允许的，即在自测时测量值必须处在前测值的 0.76 和 0.84 倍之间。 实用规则：测量信号必须同样最少减弱 10% 使用这种测试方法首次实现以下可能：不仅 能够发现测量系统硬件上的故障，而且也能发现传感器本身，即二氧化锆密闭空腔故障!
在使用许可的容许偏差时间范围内，对通道 K1 和通道 K2 的测试值持续不断地进行 比较。
需要对 K2 输出信号的时间进行不间断的可信度检测。同时，静态信号应视作内部 误差。
在循环周期内，必须启动自检，并处理分析其对测试信号的影响。两个自检之间的 时间间隔，不能超出一个特定的数值。
故障警报必须保证，将过程导向一个安全状态。
真实性，尽量避开回风死角； （2） 测量点不可太靠近燃烧点或喷头等部位，这些部位气氛处于剧烈反应中，会造成
氧传感器检测值剧烈波动失真；也不要过于靠近风机等产气设备，以免电机的震动冲刷损坏 传感器；
（3） 避免放在可能碰撞的位置，以免碰撞损坏探头，保证传感器的安全；
二．氧传感器的安装、连接方式： （1）HMP 氧探头的安装可采用水平或垂直方式，垂直安装是比较理想的安装方式。 不管采用何种方式，探头采样管引导板的方向应该尽量正对被测气流的方 向，在初始安装 的时候可以通过了解工艺确定基本方向。最终确定比较好的引导方向，需要在系统通电加热 探头以后，旋转采样管方向，使用数字万用表观察输出氧 电势的波动情况来确定。 （2） 氧传感器安装所用接头为专用法兰接头。如用户有其它类型的接头，只要安装尺 寸相同，符合密封要求也可替代本接头。氧传感器的专用接头上，按要求需要配装石棉垫压 接，以确保密封，否则因为一般炉内为负压，该处法兰接头处漏气会影响测量精度或造成信 号波动。
2． 探头测量氧电势输出信号连接 3、4 脚，注意该毫伏信号连接的正、负极，4 脚白 色线为正、3 脚黑色线为负，信号线也可直接与引出线对焊连接。
（4）HMP 氧探头的标气口一般检测的时候封闭，只是在标定气体的时候使用；吹扫 气口连接气泵或者压缩空气管路，吹扫口进气一般用一个电磁阀等阀门控 制，一定周期开 启一次，通入气体吹扫采样管，探头正常检测时阀门关闭，不能有其他气体进入采样管。在 此特别说明一点，使用厂方的压缩空气吹扫探头必须保证 压缩空气中不含有水份，即对所 采用的压缩空气必须进行气水分离处理。
分压不等于体积含量
动态氧气传感器直接测定气体混合物的氧气浓度。他测定氧气的绝对含量，即氧气的分压， 而不是相对的体积含量。 自然环境中的空气由氮气、氧气、二氧化碳、氩气和水蒸汽混合 组成。因此，空气的总压力是各组成气体分压力的总和。
达尔顿（Dalton）定律: P（总）=P（N2）+P（O2）+P（CO2）+P（Ar）+P（H2O）
钢水成分传感器及其应用进展 张军颖 朱诚意 李光强
一、引言
用计算机控制算法优化工业过程需要实时的过程参数。一个工艺过程被优化的程 度取决于工艺过程信息的数量和质量，所以开发高级传感器可以改善工艺过 程 的控制水平。对于钢铁冶炼过程中最重要的参数就是金属熔体的化学组成。钢水 接触大气会使其中的氧、氮、氢等元素的含量升高；有时某些元素与耐火材料或 大 气等作用会降低其在钢中的含量，这些都将影响钢的质量。如果知道钢液化
灰尘、震动、污垢、潮湿、油、油脂、锅炉清洗剂、重燃料油、高温分解气体和氧化硅（产 生于硅酮在锅炉燃烧时）降低氧气传感器的使用寿命。 不保证所列清单的完整性。
公式推导
1. 氧电势值 E 符合能斯特方程：
E=R4TFLn
PA PX
式中：R-气体常数
T-锆管的绝对温度
F-法拉第常数
PX-被测气体氧浓度百分数 PA-参比气氧浓度百分数，一般为 20.6％。
动态氧气传感器如何工作?
动态氧气传感器的表面活性层由多孔透气的铂和氧离子导体 YSZ 组成，即钇（Y），稳固的 （S）二氧化锆（Z）。 铂金属促使氧气还原成氧负离子，氧负离子通过二氧化锆扩散。然后，铂金属再促使氧负离 子氧化成氧气。还原过程需要四个电子，氧化过程释放四个电子。
参见图一：电压探测头 在这个所谓的电压探测头上产生电流，直到两端的氧气浓度相同为止。为了使测量过程保持 动态，因此设置一个电流探测头。这样就形成一个密闭空腔，在里面电流探测头交变地吸附 和释放氧负离子。人工制造一个氧浓度梯度，使扩散过程和以此在电压探测头上产生的电流 得以保持。
图 1： : 在水蒸汽饱和的空气中氧气浓度与温度的关系。
有害物质损坏氧气传感器
因为氧气传感器含二氧化锆和铂金属，以下介质会对该传感器造成损坏： 重金属 硫化物 硅酮蒸汽 氟 氨（从 1000ppm 起） 卤素碳氢化合物（从 100ppm 起） 磷酸盐脂 氯 六氟化硫 碳 盐 长时间在还原性空气中
参见图二：动态氧气探测头
在电动势（EMK）为 40mV 时开始测量循环。启动电流泵，排除密闭空腔中的氧，直至电 动势（EMK）达到 90mV 为止。其后，电流泵反向运转，将氧吸进密闭空腔，直至电动势 （EMK）重新到达 40mV。这个过程所需的时间取决于测试气体的氧气含量。
参见图三：测量循环
如何识别氧气测量系统的故障?
二、氧传感器工作原理：
氧传感器是利用稳定的二氧化锆陶瓷在 650℃以上的环境中产生的氧离子导电特性而
设计的。在一定的温度条件下，如果在二氧化锆块状陶瓷两侧的气体中分别 存在着不同的 氧分压(即氧浓度)时，二氧化锆陶瓷内部将产生一系列的反应，和氧离子的迁移。这时通过 二氧化锆两侧的引出电极，可测到稳定的毫伏级信号，我 们称之为氧电势。它服从能斯特 (Nernst)方程：
式中 E 为氧传感器输出的氧电势(mv)，Tk 为炉内的绝对温度（K），P1 和 P2 分别为二 氧化锆两侧气体的氧分压。实际应用时，将二氧化锆的一侧通入已知 氧浓度的气本（通常 为空气），我们称之为参比气。另一侧则是被测气体，就是我们要检测的炉内的气氛，详见 图 1。氧传感器输出的信号就是氧电势信号，通过能 斯特方程我们就可以得到被测炉气氛 中的氧分压和氧电势的关系。参比气为空气时，可表示为：
零点误差：£±0.2mv ；交流电阻（1500 赫兹）：（700℃）£100 千欧；（1100℃）£5 千 欧。响应时间（700-1300℃）：£1 秒
二．HMP 氧传感器采样、维护方式： HMP 氧传感器采用气氛自导流方式，导入被检测气氛，考虑工程现场的环境因数，设 计有吹扫清除通道，可方便地对采样引导管道进行吹扫工作，以避免炉内或管道内的灰尘、 煤灰、油杂质等等堵塞采样管，请参考图 3。 三．技术性能： 使用温度：室温～1100℃； 氧电势显示范围：－50～1240mV； 氧电势输出精度：±0.5mV； 响应时间：≤1 秒； 正常使用使用寿命：≥18 个月。
氧气的分压随（1）大气中的空气压力 P（总）和（2）空气湿度 P（H2O）变化而变化。空 气压力升高，同时空气湿度不变，则氧气分压升高，而氧气的相对值 vol%保持不变！（氧气 的绝对含量升高，而相对含量保持不变）。空气压力保持不变, 同时空气湿度变化,则氧气分 压和氧气的相对值 vol%都变!此外：空气愈潮湿，含的氧气愈少。这一点在高温时特别明显
学成分的实时信息，就可以积极地控制炼钢过程，为此人们开发了各种用于钢液 化学成分 测定的传感器。
钢中溶解的气体氧、氮、氢是影响钢材质量的重要因素，近年来钢中氧、氮、氢 的联合控制已变得越来越重要。针孔、气泡氢致开裂等问题并不完全是一种 气 体造成的。最有效的方法就是在工艺过程中检测这些气体在钢中的浓度。硅、硫 是铁水预处理“三脱”的元素，随着我国铁水预处理比例的增加，对铁水预处理 过 程的控制也越来越迫切。本文介绍这五种元素的在线检测技术的最新进展。
什么时候氧气测量系统运行在无故障状 态?
氧气测量系统运行在无故障状态，每当:
模拟的和数字式输出信号相符时, 通道 K2 的测试信号处在一个定义的时间窗口之内，并且不是静止不变，以及 自检过程循环并正确运行。
这样就有了第一个拥有故障保护功能的氧气测量系统，它在运行过程中自行监控本身的各个 组成部分，并且仅仅使用了一个氧气传感器。容积比）
P2 小室中的氧分压
第一部分 氧化锆氧传感器工作原理 一、产品简介： 氧化锆氧传感器是利用氧化锆陶瓷敏感元件测量各类加热炉或排气管道中的氧电势，
由化学平衡原理计算出对应的氧浓度，达到监测和控制炉内燃烧空然比，保证 产品质量及 尾气排放达标的测量元件，广泛应用于各类煤燃烧、油燃烧、气燃烧等炉体的气氛控制。它 是目前最佳的燃烧气氛测量方式，具有结构简单、响应迅速、 维护容易、使用方便、测量 准确等优点。运用该传感器进行燃烧气氛测量和控制既能稳定和提高产品质量，又可缩短生 产周期，节约能源。
氧气测量系统通过两个不同的通道输出两个测试信号: 通道 K1 以模拟信号的方式（0—10V 或 4—20mV）提供测试值， 双向通道 K2 作为数字式脉宽调制的交变信号（低/高—相位 0/5V），低相位宽度对 应氧气浓度。