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概述
直插式微機(jī)化氧量自動(dòng)分析儀是在總結(jié)氧化鋯氧量分析儀多年研究和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)后，研制成功的新型氧量分析儀，適用于各種工業(yè)鍋爐、窯爐及加熱爐中煙氣的含氧量。它的主要特點(diǎn)是氧量檢測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鉑電極的化學(xué)配方、制作工藝充分考慮了被測爐氣組分極端復(fù)雜這一特點(diǎn)，可保證檢測器在水平直插條件下應(yīng)用時(shí)具體足夠長的壽命。而其信號(hào)轉(zhuǎn)換部分以單片微處理器為核心，通過軟件實(shí)現(xiàn)儀表大部分功能，硬件配置重點(diǎn)強(qiáng)化儀表的抗干擾措施。
從提高氧量測量可靠性入手，延長氧量檢測器的持續(xù)使用壽命，并使儀表具備與檢測器要求相適應(yīng)的自診斷功能及抗干擾能力。本儀表在完善氧化鋯頭金屬化工藝及儀表信號(hào)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)智能化等方面較大改進(jìn)，具體內(nèi)容如下： |
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（1）多孔性鉑電極的化學(xué)配方及制作工藝可保證氧量檢測器氧化鋯探頭在鍋爐煙氣氛中有足夠的使用壽命。
（2）儀表具有多種線性量程選擇。
（3）儀表溫度控制系統(tǒng)所給出的升溫曲線能滿足氧化鋯材料對(duì)升溫速度的要求。
（4）儀表信號(hào)具有必要的自診斷功能。
1、工作原理
本儀器依據(jù)濃差電池原理構(gòu)成，和其他電池一樣，它具有兩個(gè)半電池，而在兩電極之間，用固體電介質(zhì)氧化鋯聯(lián)結(jié)。
在高溫下，當(dāng)氧化鋯兩側(cè)有氧濃差時(shí)，就形成了氧濃差電池，電池電動(dòng)勢的大小可依據(jù)Nernst公式計(jì)算，即：  |
式中：E-濃差電池輸出，mV; n-電子轉(zhuǎn)移數(shù)，在此為4;
R-理想氣體常數(shù)，9.314 W*S/mol; F-法拉第常數(shù),96500 C;
T-{jd1}溫度,K; P"Q-高濃度側(cè)氧分壓; P’Q-低濃度側(cè)氧分壓。
當(dāng)電池工作溫度固定于700℃時(shí)，上式為：
由上式可知，在溫度700℃時(shí)，當(dāng)固體電介質(zhì)一側(cè)氧分壓為空氣（20.6%）時(shí)，由濃差電池輸出電動(dòng)勢E，就可以計(jì)算出固體電介質(zhì)一側(cè)氧分壓，這就是氧化鋯氧量自動(dòng)分析儀的測氧原理。
2.主要技術(shù)參數(shù)
2.1 測量范圍
顯示：0~25.0%？：（三位數(shù)字顯示）
模擬量輸出（線性）：0~5.00%？，0~10.0%？，0~25.0%？
2.2 測量精度：3%
2.3 響應(yīng)時(shí)間：≤5S（90%測量值）
2.4 溫度精度：700±1℃
2.5 顯示內(nèi)容：氧濃（）、氧勢（mV）、爐溫（℃）、加熱電壓（V）、量程上、下限（）、報(bào)警上、下限（）
2.6 鍵盤設(shè)定：報(bào)警上、下限設(shè)定，探頭零電勢校正
2.7 自診斷內(nèi)容及故障類別符號(hào)：
E-0 氧量上限 E-1 氧量下限 E-2 溫度異常（高）
E-3 溫度異常（低） E-4 溫度異常（快） E-5 溫度異常（停）
E-6 氧勢異常 E-7 斷偶
2.8 輸出：0-10mA 或 4-20mA
2.9 負(fù)載電阻：0-1.6kΩ（0-10mA輸出），0-800Ω（4-20mA輸出）
2.10 檢測器長度為0.2m、0.4m、0.8m、1.0m、1.2m。
3 使用條件
3.1 信號(hào)轉(zhuǎn)換器的使用條件
3.1.1 儀器安裝環(huán)境應(yīng)無易燃、易爆和強(qiáng)腐蝕性氣體，并要求通風(fēng)良好。
3.1.2 工作環(huán)境溫度：0-50℃
3.1.3 工作環(huán)境溫度：≤90%
3.1.4 供電電壓：220V.AC±10%Hz
3.1.5 功率消耗：150W
3.2 氧量檢測器的現(xiàn)場按裝條件
檢測器的現(xiàn)場按裝場所必須滿足下列條件：
3.2.1 避開震動(dòng)場合；
3.2.2 要有足夠的工作空間。
3.2.3 煙氣溫度和壓力要在儀器規(guī)定范圍內(nèi)。（煙氣溫度＜650℃）
4 儀器的組成
整套儀器由氧量檢測器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器及有關(guān)附件組成。
4.1 氧量檢測器
氧量檢測器由防塵裝置、氧化鋯管、加熱電爐、測溫?zé)犭娕肌⒔泳€盒以及殼體等主要部件組成。整個(gè)裝置采用全封閉型結(jié)構(gòu)，以增加整個(gè)裝置的密封性能，提高使用壽命。
氧化鋯管是該檢測器的核心，由它產(chǎn)生氧濃差電勢信號(hào)，使用時(shí)應(yīng)注意避免劇烈震動(dòng)，以免損壞。
檢測器內(nèi)加熱電爐的作用是提供氧化鋯元件正常工作所需的溫度，為延長加熱電爐的壽命，在工藝上做了特殊的處理。由于檢測器本身帶有加熱裝置，因而在低于600℃的環(huán)境中仍能正常工作。
4.2 信號(hào)轉(zhuǎn)換器
微機(jī)化氧量自動(dòng)分析儀的信號(hào)轉(zhuǎn)換器實(shí)際上是一個(gè)小型的測控系統(tǒng)，由單片機(jī)作為中央控制系統(tǒng)。
將來自氧量檢測器的模擬信號(hào)（氧勢、熱電勢）分別調(diào)制成0-10KNz調(diào)頻信號(hào)，經(jīng)光電隔離后送至計(jì)算機(jī)，采用調(diào)頻方式能將儀表輸入、輸出相互隔離，這樣就xc了諸如大電流跳變所引起的干擾，能夠克服高共模電壓，因而大大提高了儀表的抗干擾能力。應(yīng)用程序主要由主程序和子程序組成，所有的程序都采用模塊結(jié)構(gòu)編制，便于修改、增加軟件功能，以滿足不同用戶的特殊需要。程序運(yùn)算采用了三位浮點(diǎn)數(shù)，保證了運(yùn)算勞動(dòng)精度，對(duì)氧濃、爐溫的計(jì)算，采用查表線性插值法，對(duì)爐溫的控制采用增量式PID算式控制。信號(hào)轉(zhuǎn)換器的電氣原理框圖見圖1
5 儀器的安裝
5.1 取樣點(diǎn)位置的選擇
選擇取樣點(diǎn)的原則有：
5.1.1 所取的氣樣能快速反映工藝的變化情況，即氣體要具有代表性；
5.1.2 取樣點(diǎn)的溫度、壓力、流量等參數(shù)不應(yīng)變化太大；
5.1.3 氧檢測器插入深度應(yīng)達(dá)到煙道氣流部位，避免死區(qū)；
5.1.4 切忌在管道、煙道底部開口取樣；
5.1.5 取樣點(diǎn)附近爐膛、煙道應(yīng)無、泄漏，否則將造成測量誤差；
5.1.6 要選擇在易于維護(hù)、檢修的地方。
5.2 氧量檢測器的安裝
氧量檢測器的安裝參照?qǐng)D3、圖4、進(jìn)行
預(yù)先加工好帶法蘭的φ76mm設(shè)備短節(jié)，按要求選好取樣位置（爐壁或管道），開一個(gè)φ76的孔，將短節(jié)以水平方式焊接到設(shè)備上，焊接時(shí)要保證焊接處不漏氣。對(duì)帶余熱鍋爐流程，在選定取樣點(diǎn)位置后，φ76mm設(shè)備短節(jié)應(yīng)根據(jù)保溫厚度適當(dāng)加長穿過爐體保溫磚，與爐體鋼殼焊牢，露出部分長度約60mm。必須注意：應(yīng)保證設(shè)備短節(jié)與爐體保溫磚之間的密封，{jd1}不能泄漏。把檢測器插入短節(jié)，在短節(jié)法蘭與檢測器法蘭間墊上2-4mm厚的石棉墊，旋緊4個(gè)螺栓，使其不漏氣即可。
注意：由于探頭的參比氣是靠空氣自然對(duì)流提供的，探頭必須水平安裝，參比氣和標(biāo)準(zhǔn)氣接口相應(yīng)朝下。探頭端部防護(hù)套管的缺口位置（可調(diào)整方向）也應(yīng)垂直向下，以防積灰。
5.3 信號(hào)轉(zhuǎn)換器的安裝
信號(hào)轉(zhuǎn)換器的外形尺寸：水平×垂直×深 160×80×250mm
信號(hào)轉(zhuǎn)換器的開口尺寸：水平×垂直 152－1×76－1mm
信號(hào)轉(zhuǎn)換器用隨機(jī)配備的安裝夾板及螺絲安裝在儀表盤上，亦可安裝在現(xiàn)場儀表保護(hù)箱內(nèi)。
5.3.1 信號(hào)轉(zhuǎn)換器與檢測器之間的連接
信號(hào)轉(zhuǎn)換器盤裝于控制室，氧量檢測器安裝于現(xiàn)場，它們之間連接線有：氧勢信號(hào)線兩根采用RVVP2×1.5帶屏蔽二芯電纜線敷設(shè)、電偶冷端補(bǔ)償導(dǎo)線兩根，采用K分度KX-G型2×1.5帶屏蔽二芯補(bǔ)償導(dǎo)線敷設(shè)、電爐加熱線兩根，采用RVVP2×2.5二芯電纜線敷設(shè)。 信號(hào)轉(zhuǎn)換器與氧量檢測器之間的接線見圖3。
5.3.2 接線時(shí)應(yīng)注意下列要求：
5.3.2.1 加熱線與信號(hào)線分開穿管；
5.3.2.2 鋯管的氧勢、熱電偶溫度補(bǔ)償信號(hào)線都是具有極性的信號(hào)線，安裝時(shí)應(yīng)注意極性的正確連接。
6 使用方法
6.1 信號(hào)轉(zhuǎn)換器的使用
6.1.1 開機(jī)及狀態(tài)說明
置信號(hào)轉(zhuǎn)換器于“測量”狀態(tài)（出廠時(shí)，信號(hào)轉(zhuǎn)換器已置于測量狀態(tài)），開機(jī)后，顯示屏顯示“———”符號(hào)，表示開機(jī)正常，2S后進(jìn)入程序升溫狀態(tài)，顯示屏交叉顯示“UUU”及溫度，溫度鍵對(duì)應(yīng)指示燈亮，經(jīng)1h爐溫達(dá)700℃，并自動(dòng)退出程序升溫狀態(tài)轉(zhuǎn)入氧量測量程序，氧量鍵對(duì)應(yīng)指示燈亮，LED窗口顯示當(dāng)時(shí)氧量，輸出通道給出與所選擇的測量范圍及當(dāng)時(shí)氧量有關(guān)的模擬量（0-10mA或4-20mA）。
開機(jī)后各狀態(tài)說明表1
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狀態(tài) |
顯示 |
輸出 |
說明 |
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開機(jī) |
——— |
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開機(jī)后穩(wěn)定約2S |
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程序升溫 |
升溫符“UUU”、溫度值1S |
0-1000℃對(duì)應(yīng)為0-10mA或4-20mA |
按鍵不影響輸出 |
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氧量測量 |
氧量 |
由數(shù)字開關(guān)“2”“3”的位置決定 |
按鍵不影響輸出 |
6.1.2 在線查詢參數(shù)
在線查詢參數(shù)的具體按鍵操作說明如表2
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表2 測量狀態(tài)下按鍵操作詳細(xì)說明 |
| 按鍵 |
顯示內(nèi)容 |
| 氧量 |
氧量（） |
| 溫度 |
爐溫（℃） |
| 加熱電壓 |
電爐加熱電壓（V） |
| 氧勢 |
經(jīng)零電勢校正后的氧探頭電勢（mV） |
| 氧勢、氧量零點(diǎn)（同時(shí)按） |
顯示氧探頭輸出電勢（mV） |
| 氧量零點(diǎn) |
顯示測量范圍下限設(shè)定值（） |
| 氧量量程 |
顯示測量范圍上限設(shè)定值（） |
| 上限報(bào)警 |
顯示氧量上限報(bào)警設(shè)定值（） |
| 下限報(bào)警 |
顯示氧量下限報(bào)警設(shè)定值（） |
在“程序升溫”狀態(tài)下，儀表顯示升溫符號(hào)及當(dāng)時(shí)溫度值，在正?！皽y量”狀態(tài)下，儀表顯示當(dāng)時(shí)“氧量”值，當(dāng)要查詢“溫度”或“氧量”以外的其它參數(shù)時(shí)，只要按下列板對(duì)應(yīng)鍵，在顯示窗口立即顯示對(duì)應(yīng)參數(shù)值，但按鍵動(dòng)作不影響程序升溫時(shí)溫度或測量狀態(tài)時(shí)氧量所對(duì)應(yīng)的模擬輸出量，且在10S后顯示內(nèi)容自動(dòng)返回，恢復(fù)顯示程序升溫狀態(tài)時(shí)溫度或測量狀態(tài)時(shí)的氧量值?？傊?，在測量時(shí)，任何按鍵動(dòng)作不影響與氧量相對(duì)應(yīng)的模擬量輸出，僅僅是顯示內(nèi)容的改變，且在10S后返回。
6.1.3 儀器的校正
由于氧化鋯元件的離散性，由于氧化鋯元件在使用過程中的老化，由于安裝點(diǎn)比氣的流通情況不盡相同，可能是氧化鋯元件的測量產(chǎn)生較大誤差。因此，不僅對(duì)新安裝的氧化鋯探頭需要進(jìn)行在線校準(zhǔn)，而且必須定期對(duì)運(yùn)行中的探頭進(jìn)行校準(zhǔn)。
在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場，把氧探頭和轉(zhuǎn)換器按圖6正確連接好并接通電源，一小時(shí)后溫度達(dá)到700℃。旋開探頭上的標(biāo)準(zhǔn)氣螺栓，將瓶裝5%含量的氮中氧標(biāo)準(zhǔn)氣體通過減壓器將其流量控制在300ml/分鐘，用無味乳膠管送入探頭的標(biāo)氣口內(nèi)，觀察轉(zhuǎn)換器的氧量顯示值，若氧量偏差較大則需按一下“氧勢校正鍵”，再通過按“加”或“減”鍵使顯示值增加或減少一些，再按“氧量”鍵，查看氧量是否在5%左右，若未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)重復(fù)此步驟調(diào)整，若無法調(diào)到標(biāo)準(zhǔn)，說明鋯管已老化，需換新鋯管。
無標(biāo)氣現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)：旋開探頭上的標(biāo)準(zhǔn)氣螺栓，使空氣進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)氣導(dǎo)管，按一下轉(zhuǎn)換器面板上的“氧勢校正鍵”，通過按“加”或“減”鍵使顯示值為±0.1mv以內(nèi)，再按下“氧量”鍵應(yīng)顯示20.6即可，校準(zhǔn)結(jié)束應(yīng)將標(biāo)準(zhǔn)氣螺栓重新旋緊即可正常使用。
6.1.4 上下限報(bào)警設(shè)定值的改變
按上限報(bào)警（或下限報(bào)警）鍵，此時(shí)顯示上限報(bào)警（或下限報(bào)警）設(shè)定值，如需進(jìn)行改變，按“加”或“減”鍵，直至符合要求為止。
6.1.5 異常報(bào)警說明
在發(fā)生異常時(shí)，LED窗口顯示故障類別，并將報(bào)警接點(diǎn)接通，此時(shí)，輸出不自鎖。詳細(xì)說明如表3。
表3 異常報(bào)警功能說明
| 顯示 |
報(bào)警內(nèi)容 |
可能故障 |
| E-0 |
氧量上限 |
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| E-1 |
氧量下限 |
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| E-2 |
溫度異常（高）
爐溫高于750℃ |
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| E-3 |
溫度異常（低）
爐溫低于650℃ |
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| E-4 |
溫升異常（快）
程序升溫時(shí)，溫度上升太快，不受控制。 |
固態(tài)繼電器擊穿 |
| E-5 |
溫升異常（停）
程序升溫時(shí)，停止升溫。 |
電爐絲斷
固態(tài)繼電器截止 |
| E-6 |
氧勢異常
檢測到氧電勢高于120mV |
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| E-7 |
斷偶 |
斷偶或電偶極性接反 |
仔細(xì)檢查氧量檢測器是否符合第5節(jié)所述安裝要求后，在檢測器電爐溫度達(dá)到700℃后，儀表應(yīng)顯示系統(tǒng)當(dāng)時(shí)含氧量對(duì)應(yīng)的模擬量。
7 故障判別及排除方法
注：表4包括由于儀器信號(hào)故障所造成的氧量測量值偏高、偏低或不穩(wěn)定，其故障排除方法可參考6.1.3儀器校正的步驟進(jìn)行。
7.1 故障處理步驟
7.1.1 將氧量檢測器從取樣口抽出，在現(xiàn)場與信號(hào)轉(zhuǎn)接器按說明書要求正確接線，并使氧量 檢測器氧化鋯探頭升溫至700℃。測量鋯管的零電勢及高溫內(nèi)阻，應(yīng)分別小于±5mV及500Ω（出廠時(shí)，鋯管的零電勢及高溫內(nèi)阻分別小于±3mV及50Ω），如能符合要求，說明氧化鋯探頭性能良好。若零電勢及高溫內(nèi)阻分別大于±5mV及500Ω以上，需換新鋯管，然后按照6.1.3節(jié)說明的方法進(jìn)行校準(zhǔn)。
7.1.2 在氧量檢測器“氧勢”端子處卸下內(nèi)部探頭連線，將手動(dòng)電位差計(jì)輸出信號(hào)由“氧勢”端子輸入，不同的毫伏輸入，信號(hào)轉(zhuǎn)換器應(yīng)顯示不同的氧量，其關(guān)系參見附錄A“氧濃度-濃差電勢對(duì)照表”。
7.1.3 確認(rèn)氧化鋯探頭性能，氧量測量及溫度控制系統(tǒng)均正常后，重新將氧量檢測器裝回取樣口，按表4所列現(xiàn)象按先后次序檢查、排除。
表4 故障現(xiàn)象、原因、排除方法
| 現(xiàn)象 |
原因 |
排除方法 |
| 氧量偏高 |
a.氧檢測器安裝法蘭漏氣 |
擰緊檢測器法蘭 |
| b.氧檢測器鋯管壓蓋未擰緊 |
擰緊鋯管壓蓋 |
| c.工藝操作負(fù)壓太大或取樣裝置前設(shè)備泄漏嚴(yán)重 |
改變操作壓力及堵漏 |
| d.取樣點(diǎn)溫度低，造成過濾器堵塞 |
改變?nèi)狱c(diǎn)位置 |
| 氧量偏低 |
a.焙燒用礦源含碳或磁性氧化鐵（） |
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| b.焙燒冷卻水箱漏水 |
堵漏 |
| 氧量指標(biāo)不穩(wěn)定或周期性波動(dòng) |
a.原料含硫波動(dòng)太大 |
適當(dāng)拌礦 |
| b.加料皮帶轉(zhuǎn)速不勻或空轉(zhuǎn) |
拉緊加料皮帶或檢查加料電機(jī) |
| c.工藝管道局部堵塞，系統(tǒng)阻力不穩(wěn)定 |
xc工藝道管堵塞現(xiàn)象 |
| 升溫過快 |
固態(tài)繼電器故障 |
更換繼電器 |
| 檢測器不能升溫 |
固態(tài)繼電器故障 |
同上 |
| 電爐加熱絲斷 |
更換電爐 |
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| 8 儀表成套性
全套儀表裝相清單：
| 信號(hào)轉(zhuǎn)換器 |
1臺(tái) |
轉(zhuǎn)換器安裝螺絲 |
2 套 |
| 氧量檢測器 |
1臺(tái) |
檢驗(yàn)合格證 |
1件 |
| 碳化硅過濾器（備件） |
1臺(tái) |
使用說明書 |
1本 |
附錄A 氧濃度-濃差電勢對(duì)照表（0.1-12%）
（計(jì)算條件：參比氣氧濃度為20.6%，工作溫度700℃）。
| 氧濃度%（V/V） |
0.10 |
0.20 |
0.30 |
0.40 |
0.50 |
0.60 |
0.70 |
0.80 |
0.90 |
1.00 |
| 電勢mV |
111.7 |
97.14 |
88.64 |
82.67 |
77.93 |
74.11 |
70.88 |
68.03 |
65.62 |
63.41 |
| 氧濃度%（V/V） |
1.50 |
2.00 |
2.50 |
3.00 |
3.50 |
4.00 |
4.50 |
5.00 |
6.00 |
7.00 |
| 電勢mV |
54.91 |
48.88 |
44.20 |
40.38 |
37.15 |
34.35 |
31.88 |
29.67 |
25.85 |
22.62 |
| 氧濃度%（V/V） |
8.00 |
9.00 |
10.0 |
11.0 |
12.0 |
13.0 |
14.0 |
15.0 |
|
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| 電勢mV |
19.82 |
17.36 |
15.15 |
13.15 |
11.33 |
9.65 |
8.10 |
6.65 |
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高溫型氧量儀補(bǔ)充說明
1、被測煙氣溫度600℃~800℃。
2、氧化鋯管電極的鉑絲與不銹鋼探頭引線采用點(diǎn)焊技術(shù)，電極接觸電阻小，增強(qiáng)了檢測器可靠性。
3、由煙氣直接給氧化鋯管加熱，所以探頭內(nèi)沒有電爐。探頭與變送器之間的連線為一根六芯屏蔽電纜（RVVP）接法同？？型，一對(duì)加熱電爐線不用了。
4、溫度＜600℃（熱電偶兩端＜24mV）加熱發(fā)光管閃亮，數(shù)碼管顯示被測點(diǎn)溫度值，儀器不能正常工作。
溫度600℃~800℃（熱電偶兩端24mV~32.46mV）加熱發(fā)光管不亮，數(shù)碼管顯示被測點(diǎn)含氧量。儀器正常工作。
溫度700℃以上（熱電偶兩端32.46mV以上）加熱發(fā)光管閃亮，數(shù)碼管顯示被測點(diǎn)含氧量，儀器正常工作。此時(shí)應(yīng)檢查熱電偶兩端mV值，嚴(yán)格控制被測點(diǎn)溫度不要超過850℃（35mV以上）以免大大影響氧化鋯管壽命。
5、由于氧化鋯管輸出電勢受溫度影響，即當(dāng)煙氣溫度變化時(shí)，鋯管電勢略有變化。由此可知，若煙氣溫度波動(dòng)大，則氧量變化波動(dòng)也大。
6、高溫型探頭工作一定時(shí)間后，需要更換鋯管時(shí)，須更換高溫型氧化鋯管。 |
