一种氧化锆防爆氧分析仪的设计开发

曹善甫 王明国 徐 瑞

（1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司；2.黑龙江鹏程生化有限公司）

用于测量尾气和烟气氧含量的仪表一般称为百分比氧分析仪，在测量量程上区别于微量氧分析仪，属于大量程氧分析仪［1］。目前市面上的百分比氧分析仪种类较多，按照测量原理可分为氧化锆式、顺磁式、氧电池和激光式，当用于测量成分不复杂介质（比如锅炉尾气等）的百分比氧含量时，几种氧分析仪都能够胜任。

蒸气管煤干燥机内部氧含量超标会存在爆燃的危险，为此需要在干燥机出口载气处进行氧含量测量。 对于氧含量测量，此处的气体成分有两个重要的特点： 一是高湿度， 相对湿度达到90%以上（95℃）；二是出口载气中存在大量粉尘，在使用干式除尘器时可在除尘器后进行测量，但除尘器存在泄漏的情况， 一旦除尘器布袋破损，可燃粉尘会泄漏到后方的氧含量测量点。 鉴于这两个特点，氧分析仪的选择就尤为困难，顺磁式和氧电池分析仪都不能在这种高湿环境中使用，取样式激光分析仪、取样式氧化锆分析仪和插入式氧化锆分析仪也都不能长时间稳定工作于该工况下。

在这几种分析仪里，插入式氧化锆分析仪由于其传感器必须工作在650～700℃的条件下，所以不必担心水蒸气的存在，但若有水滴滴到传感器上，则会损坏传感器；另外，650℃可引燃测量介质中的可燃煤粉，所以，不能轻易使用在有可燃粉尘的场合。 为此，笔者决定在原氧化锆氧分析仪的基础上进行改造，研制一种氧化锆防爆氧分析仪，以针对以上两个特点适应煤干燥尾气氧含量的测量。

1 设计要求

1.1 可实现粉尘和气体防爆

氧化锆氧分析仪传感器部分有电加热丝，用于加热传感器使其温度达到650～700℃， 加热丝电流很大，超出本安防爆的电流要求，故不能采用本安型防爆， 必须采用外壳的隔爆型防爆形式。 采用隔爆型的另一个好处是可以同时设计为气体和粉尘防爆。 该仪表设计为气体2 区，粉尘20 区防爆。

1.2 可用于高浓度粉尘

虽然仪表能实现粉尘防爆，但是如果应用在高浓度粉尘介质中，粉尘的积累也会堵塞透气孔影响测量。 所以仪表的设计既要考虑透气，也要考虑阻隔粉尘。 对于粉尘积累产生的影响，仪表设计了反吹气装置，反吹气既可以吹掉附着的粉尘，也可以对仪表进行标定。

1.3 可在高湿度介质下进行测量

传感器设计为被较厚的金属壳罩住，只有水蒸气可以透入到传感器内部，气体中夹带的水滴由于体积大，不能通过烧结金属小孔进入到传感器内部，不会对氧化锆造成损坏。 金属壳很厚，管道内的水滴滴到金属壳上，不会使金属壳急剧降温，也不会损坏传感器或影响测量准确度。

2 设计与制造

氧分析仪由氧化锆传感器、放大电路、防爆仪表外壳和传感器外壳组成，如图1 所示。

图1 氧分析仪结构示意图

2.1 传感器及电路

传感器及电路是氧分析仪的基础，根据设计要求，最终确定选用氧化锆传感器。 氧化锆传感器是一款非常成熟的产品，市面上常见的有美国MAXTEC、英国SST 等产品，都配以采样放大电路板， 在环境比较良好的场合可直接通电使用，但电路板功能简单， 需要自行添加信号转换、传输和显示功能。 笔者选择了英国SST 的浓差型氧化锆传感器。

2.2 防爆结构

防爆结构的设计是该仪表开发的重点，为了增加适应性，做到最大的性价比，此次设计为气体2 区， 粉尘20 区防爆， 取证防爆标志分别为ExdIICT3 和ExdIIIBT3。 设 计 严 格 按 照GB 3836.2—2010《爆炸性环境 第2 部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》和GB 12476.1—2013《可燃性粉尘环境用电气设备 第1 部分：通用要求》进行［2，3］。

表头用于放置电路部分，具有显示数据和设置参数的功能。 表头选择的原则是必须满足GB 3836.2—2010 和GB 12476.1—2013 的要求，并且和传感器部分要方便连接。 最终选择了法兰接口的表头，具有良好的防爆密封面，符合防爆要求［2，3］。

根据防爆标准的要求，取样部分的设计必须做到以下两点：仪表温度不得超过介质的引燃温度；防爆外壳各部位必须有合格的防爆间隙。 然而这两点都与传感器的工作原理相悖：仪表内部的氧化锆传感器必须工作在650～700℃的条件下，防爆外壳必须有足够的散热面积才能将热量散走，使表面温度不超过200℃，设计的工作状态下被测介质最高温度是120℃， 故要求外壳温升不得超过80℃［2］； 传感器与外界必须有良好的透气性， 氧含量参数一般作为工艺要求的安全指标，这就要求仪表T90（更新测量读数90%的反应时间）不得超过60s，要做到这一点就需要精心设计透气孔。 下面分别就这两点进行分析。

对于温度要求，通过两个方面来控制，一是减少传感器热量的向外传输，保证传感器的内部温度不会降低到650℃以下； 二是接触测量介质的外壳表面必须足够大， 能及时把热量散出去。传感器的加热功率约为7.5W，为缩小传感器与外壳的连接面积， 减少热传导， 设计了一种如图2所示的传感器底座，在能方便固定传感器的同时使传感器与外壳的导热面积减小到3.5mm2。

图2 传感器底座

传感器外壳向测量介质的散热计算相对较复杂，辐射、对流和传导都有，且和测量介质成分、介质流速都有关，此处不做计算，将根据实际测量情况进行改进。 可以计算的是传感器底座向外壳所传递的热量，传热公式为：

式中 K——传热系数，W/（m2·K）；

P——传热功率，W；

S——传热面积，m2；

ΔT——传热温差，K。

在式（1）中代入传感器外壳传热温差50K、传热面积3.5mm2、传热系数34.89kW/（m2·K），计算得到传热功率为6.1W，再考虑其他部分的辐射传热等，可使得内部产生的热量能完全传出又不至于使传感器温度过低而影响测量。

传感器部分外壳的设计就是取舍的过程，在满足防爆的基础上尽量有利于仪表的测量工作。为此选择使用烧结金属颗粒过滤器（图3），根据防爆规范要求， 烧结金属颗粒空隙不得大于80目（0.180mm），笔者按照最大空隙选择。 另外，烧结金属颗粒不能承受2MPa 的爆炸压力， 为此设计了一种外壳（图4），底部和侧面钻有5mm 的小孔， 外壳与烧结金属颗粒之间采用过盈配合，使之紧密固定。 外壳设计5mm 厚， 能承受至少5MPa 的压力， 这种组合保证了仪表防爆与测量性能。 在这种结构下，要计算透气性是比较难的，只有通过实验的方法确定T90是否满足测量要求。

图3 烧结金属颗粒过滤器

图4 传感器外壳组件

2.3 标定反吹气组件

氧化锆传感器必须定期进行标定，才能保证测量的准确度。 该仪表采用一点标定的方法，仅需要通入一种氧含量的标气即可，为了节省运行成本、方便操作，标定气采用空气。 仪表预留了标定气进气口，可定期通入减压的压缩空气，压缩空气的氧含量是一定的，标定非常方便。 另外标定的同时也对传感器部分进行反吹，可有效除去累积的粉尘，增加透气率。

3 测试

3.1 实验室测试

实验室测试是仪表测试的第1 步。 实验室测试的方法是将仪表安装在固定空腔中，往空腔里通入标准气，测试仪表的测量精度、重复性和反应时间。 先将仪表装入空腔通电， 仪表显示20.9%，为空气中的氧含量值，接着迅速向空腔内通入10%氧含量的标准气（其余为氮气）。 实验表明该仪表T60（更新测量读数60%的反应时间）为10s，T90为30s，反应时间完全符合预期，说明传感器保护罩部分的设计是合理的。 通过多次实验，测量精度绝对误差小于0.3%， 相对误差小于1%，读数重复性大于99%。

3.2 现场测试

现场测试时氧分析仪安装在桨叶干燥机的尾气管道上。 现场测试的主要目的是测试仪表的使用稳定性和准确性。 经过72h 的测试，仪表工作稳定，比较输出值与取样分析值，误差在1%以内，符合预期要求。

4 结束语

笔者所设计的氧化锆防爆氧分析仪可以在高湿度、 有粉尘的气体或粉尘防爆场所使用，使用范围广且造价较低，具有很强的推广价值。 目前仪表只是具备了氧含量测量的基本功能，在使用过程中，还需要进行改进，如增加就地显示界面、远程标定控制功能等，能更方便地实现氧含量测量。