固体电解质氧量计

本实用新型属于一种应用电化学方法分析氧含量的器件，特别是一种氧化锆固体电解质式氧含量计。

这类氧量计是利用氧化锆固体电解质在高温下导氧离子的特性组成一个气体测氧电池来测定工业炉烟气中氧含量。现有的这种氧量计都不同程度存在一些缺陷，影响推广使用，特别不易用于燃煤炉。如美国专利4339319公开的一种氧量计。其氧化锆管固定在探头顶端，在氧化锆管底部内、外壁上涂制有铂电极。利用空气泵通过导气管将空气抽入管内作为参比气体；烟气通过安装在探头顶部的过滤器后进入由加热炉组成的测量室内。利用探头中的热电偶和变送器中的温控部分将氧化锆管加热到一定的温度。在该温度下，氧化锆管是良好的氧离子导体，根据两电极间的电信号，利用能斯特方程可推出烟气中氧含量。在探头中，设有在线校准装置，将标气通过校准导气管流入测量室内进行校准。利用炉体法兰和螺栓将探头安装在炉墙上。由于该氧量计探头长，设有一个空气泵，因此坛加探头造价和维护量；由于空气流量随泵的状态而变，因此降低测量的稳定性；由于氧化锆管和过滤器均依靠粘接固定在探头中，因此不易更换氧化锆管，一旦氧化锆管损坏便成整个探头报损；并且加热炉处于烟气腐蚀之中，易出现加热炉断丝现象。

还如美国专利4430192公开的又一种氧量计。其氧化锆探头安装在一根长导流管中，长导流管装在炉墙上。在导流管上设有两个导流孔，使烟气导至探头顶端，因此缩短探头的插入长度。测氧电池也由氧化锆元件和加热炉组成，安装在探头顶端。氧化锆元件由氧化锆管粘接在元件法兰上构成，用四个螺钉固定在探头端部。在氧化锆管底部涂有内、外铂电极，内电极通过引线从探头外壳接出；外电极通过电极接出环接出。在探头中采用隔板，便于空气对流。虽然因此可省去空气泵，但是烟气流经氧化锆管，又由于氧化锆探头安装在导流管内，因此探头端部难以安装过滤器，这样在燃煤炉上使用时，很快出现灰堵现象；由于采用探头壳体作内电极引线，安装时必须设一根地线才能排除外界的电磁干扰，带来安装上的麻烦；由于采用电极接出环接出外电极，在长期使用中易 出现接触不良现象；其次，导电管往往出现烟气在两个导流孔间倒流的现象，使取样代表性差。

本实用新型的目的在于采用一种改进的探头结构和利用本底电势校准原理设计的变送器，提供一种改进的固体电解质氧量计，以克服上述现有技术所存在的缺点。

为实现上述目的，采取的技术方案：

为解决灰堵现象，采用长的氧探头直接插入炉中，氧电池安装在探头端部。氧电池由氧化锆元件和加热炉构成。氧化锆元件由一根试管状的氧化锆管用高温粘接剂粘接在一个金属法兰上组成，在该氧化锆管底的内、外壁上分别涂制有内、外铂电极。用四个螺钉将该氧化锆元件安装在探头顶端法兰座上，可方便地拆卸更换。

为克服电磁干扰（特别在火力发电厂使用），氧化锆管的内、外电极分别电一根与探头外壳绝缘的铂丝引出金属法兰之外，再通过一个带铂球的接线柱引出。这样不必专设地线。

氧化锆元件安装在探头上，其氧化锆管正好插入所述的加热炉中，加热炉由氧化锆元件隔离在空气中，不受烟气腐蚀。加热炉由多根小陶瓷管粘合成圆筒形炉膛，螺旋形的镍铬丝顺氧化锆管轴向装入上述小陶瓷管中，用保温材料封装保护。加热炉由变送器中的温控部分通过插入炉中的热电偶将炉温恒定。

为过滤烟尘，在探头端部安装一个可拆卸的陶瓷过滤器。测量时，烟气通过滤器进入氧化锆管内部，参比空气自然对流到氧化锆外部，氧化锆内、外电极的氧含量差产生信号，信号送入变送器中直接显示烟气氧含量。变送器包括氧量转换系统和温度控制系统。

在线校准装置由一根校准导气管插入氧化锆管内组成。校准时，通入标气。

为克服空气参比对流差的影响，根据本底电势校准原理在氧量转换系统的转换器前加一个本底电势调节桥路。其校准方法是选用一瓶接近测量范围的氧标气通入探头中，调节本底电势调节桥路中的电位器使仪器显示标气氧量值，这时仪器已被校准，其本底电势值Eo可用下式计算 （电池的热力学温度为1023°K）：

Eo＝Es－50.741g (20.6%)/(Ps)

式中Es是通入标气Ps后的探头信号。然后将Eo调入仪器中。

本实用新型与现有技术相比是有明显的优点：（1）采用本底电势调节桥路，省去空气泵和隔板，这样降低成本，减少维修量和使测量更稳定可靠；（2）氧化锆管采用螺钉安装在元件座上置于探头顶端，便于更换元件，不至因氧化锆管损坏导致整个探头报损，用于燃煤炉，无灰堵现象；（3）加热炉由多根陶瓷管组成圆筒形炉膛，结构合理，能延长探头寿命，减少故障；（4）氧化锆的内、外电极分别用两根铂引线而与探头外壳绝缘，避免电磁干扰，适合用于火力发电厂，焊在镍铬丝上的铂球接触结构，接触良好又节约用铂量。本仪器的测量结果与重量法测量结果对比于下（E＝－2.6mv）：

表明符合得很好。

附图说明：

图1为本固体电解质氧量计安装在工业炉上的外观图。图中：［1］探头主体；［2］螺栓；［3］炉墙；［4］过滤器；［5］接线盒；［6］安装法兰；［7］变送器。

图2为本氧化锆探头截面图。图中：［4］过滤器；［5］接线盒；［6］安装法兰；［8］加热炉；［9］螺钉；［10］内电极铂引线；［11］内引线接线柱；［12］内引线瓷套管；［13］内引线接出线；［14］外电极铂引线；［15］外引线接线柱；［16］外引线瓷套管；［17］外引线接出线；［18］空气导管；［19］热电偶；［20］空气入口；［21］校准导管；［22］标气入口；［23］接线 盒盖；［24］螺钉；［25］过滤器连体；［26］螺钉；［71］探头外壳；［72］氧化锆元件；［70］氧化锆管；［80］元件法兰。

图3为图2中探头测氧电池部分的截面图（去掉过滤器）。图中：［8］加热炉；［9］螺钉；［10］内电极铂引线；［11］内引线接线柱；［12］内引线瓷套管；［13］内引出线接出线；［14］外电极铂引线；［10a］、［14a］铂涂层；［10b］、［14b］铂丝；［10c］、［14c］瓷套管；［15］外引线接线柱；［11a］、［15a］接线柱；［11b］、［15b］螺钉；［16］外引线瓷套管；［17］外引线接出线；［18］空气导管；［19］热电偶；［21］校准导管；［27］外电极；［28］内电极；［29］元件座；［30］高温密封圈；［31］双头螺钉；［32］校准弯头；［33］弯头定位片；［34］炉端板；［35］螺母；［36］炉穿钉；［37］加热炉炉丝瓷套管；［38］加热炉炉丝引出线；［71］探头外壳；［72］氧化锆元件；［70］氧化锆管；［80］元件法兰。

图4为图2中氧化锆元件截面图。图中：［10］内电极锆引线；［14］外电极锆引线；［10a］、［14a］铂涂层；［10b］、［14b］铂丝；［10c］、［14c］瓷套管；［27］外电极；［28］内电极；［72］氧化锆元件；［70］氧化锆管；［80］元件法兰。

图5为图2中内引线接线柱（外引线接线柱同）的截面图。图中：［10b］铂丝；［11］内引线接线柱；［11a］接线柱；［11b］螺钉；［12］内引线瓷套管；［13］内引线接出线；［39］铂球；［44］高温粘接剂。

图6为氧量转换器中本底电势调节器的框图。图中：［46］本底电势调节器桥路；［47］常规氧量转换器；［48］本底电势调节电位器；Em电池信号；Eo本底电势。

图7为图2中加热炉截面图。图中：［34］炉端板；［35］螺母；［36］炉穿钉；［38］料丝引出线；［40］陶瓷管；［41］加热丝；［42］保温层；［43］耐火粉；［45］缺口。

根据附图进一步阐明本实用新型的具体实施方案：由图1可见，本氧量计由氧化锆探头（包括过滤器［4］和探头主体［1］）和变送器［7］两部组成。用安装法兰［6］和螺柱［2］将氧化锆探头安装在炉墙上。氧化锆探头的结构如图2所示。探头外壳［71］是一根长约1.1米的不锈钢管，接线盒［5］焊 在一端，安装法兰［6］焊在靠近接线盒［5］的这一端。测氧电池在另一端，其细节如图3所示，这一端焊有一个不锈钢元件座［29］，加热炉［8］和热电偶［19］从探头外壳［71］内插入到这一端。氧化锆元件［72］由两个螺钉［9］和两个双头螺钉［31］被拧在法兰座［29］上，中间夹有高温密封圈［30］，使管内外以密封隔开。用螺钉［24］先将过滤器［4］拧在过滤器连体［25］上，再用螺钉［26］将其装在探头外壳［71］上，拆装方便。安装在工业炉上测量时，变送器中温度控制系统根据热电偶［19］的信号将加热炉控制在780℃左右，并且插入加热炉的氧化锆管［70］的底部也被加热到这一温度。烟气通过过滤器［4］流经氧化锆管［70］的内部，而空气靠自然对流从接线盒［5］底部的孔中进入氧化锆管［70］的外部，从接线盒盖四周出去，保持氧化锆管［70］外部周围，氧含量值是稳定的。氧化锆管［70］根据管内外氧浓度差产生相应的电信号，由变送器上氧量转换系统变换后显示烟气中的氧含量。

由图2和图3可见，在线校准系统由标气入口［22］、校准导管［21］和校准弯头［32］组成。在线校准时，标气由标气入口［22］流经校准导管［21］和校准弯头［32］进入氧化锆管［70］中。校准弯头可方便地从校准导管中取出，由弯头定位片［33］通过两个双头螺钉［31］拧在探头中。在新装探头调试和老探头检查故障时，能方便地向氧化锆管［70］外部吹入空气，在加热炉中安装有空气导管［18］。电热偶［19］插在导管［18］中。加热炉［8］的两根加热丝［38］套上瓷管后也固定在导管［18］上引至接线盒。

由图4可见，氧化锆管［70］呈试管状，在其底部的内、外壁上均匀地涂制有内、外铂电极［28］和［27］，分别利用内、外引线铂涂层［10a］和［14a］将粘接在氧化锆管内外壁上的铂丝［10a］和［14b］与内、外电极［28］和［27］良好地导通，分别穿入瓷套管［10c］和［14c］中与元件法兰［80］高度绝缘地引到法兰［80］外面。氧化锆管［70］由高温粘接剂粘接在元件法兰［80］上。

由图5可见，引出线［13］采用镍铬丝，在其一端焊一个铂球［39］。安装时，将铂球［39］放入接线柱［11a］的螺孔中，氧化锆元件［72］上的铂丝［10b］穿入接线柱［11a］的孔中，然后用螺钉［11b］拧紧，使铂丝［10b］与 铂球［39］接触良好。接线柱［11］安装在瓷套管［12］中，用高温粘接剂粘接。

如图7所示，为了保证加热炉的寿命在二年以上，并具有体积小、功率小和炉中央温度梯度小，加热炉膛由10根φ7（外径）×φ5（内径）×80（长度）mm的陶瓷管［40］用高温粘接剂粘合而成，炉膛截面约为φ16mm。将φ0.35mm的镍铬线绕成φ4mm螺旋状的加热丝［41］后，均匀地装入10支炉管［40］中，再往炉管［40］中灌入保温耐火粉浆，烘干。然后用三只炉穿钉［36］和螺母［35］固定在炉端板［34］之间。炉端板的缺口［45］供引线管和校准导管穿过。炉膛外包裹硅酸铝纤维层［42］。

根据本底电势校准法设计的变送器如图6所示。在变送器的氧量转换系统的常规氧量转换器［47］前加一个本底电势调节器桥路［46］，这直流电桥的电位器［48］的调节范围为±30mV。本底电势校准的方法是：在氧量计处于测量状态下，将接近于测量值的氧标气以（30050）ml／分的气流量通入探头中，待3～5分钟后，仪器显示稳定，调节本底电势调节电位器［48］使显示值等于标气氧含量，这时仪器是准确的。