1  氧化锆氧分析仪的现状和不足之处

    氧化锆氧分析仪就是用氧化锆管涂上合适的电极线作氧传感器，通过一定的机械结构及附加设备并满足其工作条件，构成可将氧气含量转变为响应电量关系的氧量/电量检测器，再通过响应的电子电路将非线性的氧量/电量关系转换成线性易读的百分氧气含量数据以标准的4～20mA对应电流，输出给各种记录仪器或智能设备，实现对未知氧气含量的读取及监控调节的仪器。烟气氧化锆氧分析仪主要用于读取、监测各类加热炉、电站锅炉、窑炉、化学反应炉（釜）内的经过燃烧、吸收、反应后的剩余氧气含量的在线分析。

    现有氧化锆氧分析仪由分离的两部分组成，即氧检测器（俗称探头）和氧转换器（俗称二次表、变送器）。使用时，将检测器安装在炉体上，其管体插入炉体内待测部位；转换器则安装在设置在另外地方的仪表箱内或安装在远离设备的操作控制室内。二者之间进则数米，远则数百米，其间由电源、加热控制、氧信号、热电偶、温度补偿、输出信号等6对电缆联接。

现有形式氧化锆烟气氧分析仪的不足之处在于：

    两处安装，由导线引入的干扰信号使仪器不能实现平稳正常运行，为此，必须花费很多的精力去提高仪器的“抗干扰”性能，要求用户使用价格昂贵的屏蔽电缆，采取强弱信号线分别布线等不久措施，使仪器变得很“娇气”；
两处安装，加大了安装的工作量和设备材料、施工等费用，另外，调试、维护人员必须两处操作，这样就给正常工作带来了极大的不便；

    在石油、化工单位的安装现场，分离安装的转换器还要加装防爆隔离设备，如“充气式正压隔爆仪表箱”等，而这类防爆设备的要求和价格都是很昂贵的，因此，造成用户安装费用大幅增加。

    近年来，随着科学技术的发展，企业管理的要求也随之向更高的层次发展。越来越多的企业更新了原来的调控技术和设备，以大型计算机控制系统（如DCS系统）取代了原先众多的二次仪表和人工调控方式，这就使转换器在控制室没有了“立足之地”。

2  问题的解决和实现方法

    一体化烟气氧分析仪针对现有氧化锆氧分析仪的不足之处，将原先分离的氧化锆氧检测器与转换器经过技术处理后，使之连在一起成为一体化仪器。这样不仅更好地实现了仪器的基本功能，而且简化了仪器的结构，消除了线路干扰对仪器工作稳定可靠性的影响，节约了安装设备的费用，同时更方便了用户的使用和维护。

2.1  一体化烟气氧分析仪的构成

    如图1所示，一体化烟气氧分析仪由氧化锆氧检测器与转换器构成。氧化锆氧检测器与转换器连成一体。氧化锆氧检测器有长管壮部分称为检测器管体5，由工业不锈钢管制成。其内部的前端部装有不锈钢防尘网、多孔陶瓷防尘片和氧化锆氧传感器4，及为氧化锆管提供高温工作条件的加热电炉2和测温热电偶3。

•  温度测量及控温部分

    由K型热电偶将测得的温度热电势经IC100运算放大器放大处理后，使之放大为2mV/℃。

    由温度传感器AD590测得的环境温度信号经IC101A放大处理后，也使其为2mV/℃。由IC101B组成的加法器电路与放大后的热电偶电势相加，实现热电偶的冷端温度补偿作用。

    将具有冷端补偿并经过放大后的热电偶电势分成两路：一路送至IC102A的2脚，IC102A的3脚是设定的工作温度值，经IC102A组成的比较器相比较，利用该比较结果经IC103及IC105处理后去控制可控硅KG101的通断，以实现设定的精确控制；另一路送至IC102B的5脚，IC102B的6脚是设定的超温保护温度值，经由IC102B组成的比较器比较后，再经由三极管Q3和IC104去控制可控硅KG100的通断，以实现在超过设定温度一定允许量时，断开加热供电电源的目的。

•  氧量测量及转换电路

    由氧化锆氧传感器检测到的氧电势信号，送至运算放大器IC200的2脚和3脚，经量程修正后送到运算放大器IC201的2脚，再由IC201的3脚调零电路进行调零修正，最后将经过零点和量程修正的氧电势信号送至IC202（A/D转换器）的3脚，经该电路转换后，即实现了将模拟量氧电势转化为数字量。

    由IC202（A/D转换器）输出的数字量经IC203、IC204、IC205、IC206组成的锁存器后分为两路。一路送至IC207、IC208（存储器），进入的数字化对数特性的氧电势信号，经该存储器预先写入的数据处理后，在输出该信号时，即实现了对数特性变为百分线性的转换。该信号经IC210、IC211、IC212共同组成的译码器译码处理后，送到由S201、S202、S203三块数码管组成的数字显示器显示氧含量的百分比读数；另一路是将数字化对数特性的氧电势信号送入IC209（存储器），经该存储器预先写入的数据处理后，使之输出适合转换为0～4V的线性化数字信号。该信号经IC213、IC214组成的光电隔离器后，送到IC215（D/A转换器），经IC215转换后，数字化的线性氧信号又变为线性的0～4V的模拟量信号，该信号再经由IC216A、IC216B以及Q2组成的恒流源电路处理后，在C212两端就可得到与百分氧含量相对应的4～20mA电流信号。

3  工作原理和优点

3.1  工作原理

    检测器管体部分安装入被测设备后，通过开机，预热后，传感器逐渐进入稳定工作阶段。被测气体中氧气的含量与外部引入的参比气体（空气）中的氧气含量，经氧化锆氧传感器对比后得出响应的氧电势信号。该信号由传感器经氧电极引线，传至壳体座上连接的相关电路。电路根据能斯特公式计算处理后，转变为百分氧含量，由电路板上的显示器件以数字形式显示出来。同时电路根据这一数据将其转换为4～20mA的标准电流信号，传送给计算机，以供作为调控的依据。

3.2  优点

相对于分体式氧化锆氧分析仪，一体化后具有以下优点：

    (1)  利用用户设备上原有的检测器安装法兰，即可实现全部安装工作，不需要另外设置仪器安装箱、仪表盘，使安装非常简单、方便。

    (2)  原来必不可少的6对联结电缆减少到2对（电源线、4～20mA信号输出线各一对），不仅节省了资金，而且大大减少了施工、维护的工作量。

    (3)  从本质上消除了长距离引线带来的干扰信号对微弱信号的影响。

    (4)  采用了精密的压铸铝合金壳体作为电路部分的仪器壳体，整机密封性好，可抵御雨、雪、风沙等恶劣天气和腐蚀性气体对仪器电子元件、接插件的损害，使仪器工作更稳定可靠。

4  结语

    一体化烟气氧分析仪可广泛应用于石油、化工、冶金、火力发电、陶瓷、水泥生产、城市供热等的加热设备上。通过其对烟气中氧气含量的监测，将设备控制在最佳燃烧状态，以达到节能降耗，提高产品质量，控制设备平稳经济运行，延长设备使用寿命的目的。同时还可以控制排烟“黑度”，减少粉尘和SO2等有害物质的排放，起到环境保护的作用。可见，一体化烟气氧分析仪具有广阔的市场前景。

    一体化烟气氧分析仪已经获得国家专利。