压力和速度对氧化锆分析仪测量值的影响

　　0 引言

　　氧化锆分析仪 ( 以下简称分析仪) 起源于上世纪 70 年代，由美国西屋公司率先应用于工业氧量分析。目前分析仪已经广泛应用于石化[1]、燃煤锅炉[2]、碱炉、石灰窑、氧气站[3]等行业的氧含量分析。该仪器是利用氧化锆作固体电解质而进行测量，高温下电解质在两侧氧浓度不同时产生氧电势，如果一侧氧浓度固定，即可通过测量电势来测量另一侧的氧含量。氧化锆的测量原理见公式 ( 1) 。

式中: E 为氧电势，mV; R 为气体常数，R = 8. 314kJ / ( mol·K) ; n 为反应时一个氧分子输送的电子数，n =4; T 为热力学温度，K; p0为参比气体中氧分压，Pa; p 为被测气体中氧分压，Pa; F 为法拉第常数，F =96. 487 ×103℃ / mol。

　　分析仪的检测器 ( 俗称锆头) 一般采用直接插入式安装 ( 俗称直插式安装) ，即将检测器直接插入被测气体内，来测量气体中的氧气浓度。常规氧化锆分析仪的测量误差为 2%，已有文献报道安装方式[4 -5]、可燃性气体[6]、锆头积水[4]等会影响测量结果。在使用分析仪的实验中，即使避免了上述影响因素，但实际精度仍达不到理论精度。实验中发现，除了上述影响因素，被测气体的压力和速度可能对测量结果有影响。基于此组建实验系统，研究压力和速度对氧化锆分析仪测量结果的影响，探索应用过程中被测气体的压力和速度的允许使用范围，并提出解决方法。

　　1 使用中的问题

　　使用两台新购买的 CY 系列氧化锆分析仪，下文分别称为分析仪 1 和分析仪 2。出厂前均用 1% O2的标准气体、空气和 90% O2的标准气体进行校准。分析仪在调试过程中验证了不同空气速度对测量结果的影响。使用前30 min，用空气校准两台分析仪。分别调节空气的质量流量计到表 1 所示值，可见，速度对两台分析仪影响较大。对于分析仪 2，气体速度由0 增加到 0. 54 m / s，分析仪的测量值由 20. 6% 增加到21. 4% 。对分析仪 1，速度由 0 增加到 4. 9 m / s，分析仪的测量值由 20. 6% 增加到 22. 9%，绝对值增加2. 3% 。本实验的气源均为空气，仅有速度和压力不同，所得测量值不同，可以确定速度和压力对分析仪的测量结果有影响。

　　然而，气体速度增加时，实验系统的阻力也增加，不能区分速度、压力各因素对测量值的影响。氧气站行业中，分析仪用于测量 21% 以上的高氧气浓度，而燃煤锅炉、石灰窑等行业中，分析仪用于测量3% ～ 8% 的低氧气浓度。因此，本文分别研究了压力和速度对高氧气浓度和低氧气浓度下的分析仪测量值的影响。

　　2 实验系统

　　实验系统如图 1 所示。分析仪1 和分析仪 2 均采用直插式安装。实验所用二氧化碳为瓶装二氧化碳，纯度 99%。氧气由制氧机提供，纯度大于 90%，其余气体为氮气。气体流量用 D07-7B 质量流量计测量，仪器的最大允许误差为 ± 1. 5% F·S。为确保气体混合均匀，实验系统安装有气体混合器。实验中，通过调节管路球阀的开度，来调节压力。压力用压力变送器测量，温度用 K 型热电偶测量，20 s 采集一次，由 Agilent 数据卡采集，计算机保存。实验过程中，气体温度 19. 3 ～20. 0℃。