CN112255294B - 氧化锆测氧探头回氧速率修正系统 - Google Patents

氧化锆测氧探头回氧速率修正系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种氧化锆测氧探头回氧速率修正系统，用于降低氧化锆测氧探头存在的极限回氧速率对氧浓度测量造成的影响，实现了回氧速率的修正。氧化锆测氧探头回氧速率修正系统具体包括供气系统、气路系统、气体流量控制系统、混气试验装置、连接喷嘴与探头的半密封不锈钢罐体、氧化锆测氧探头、精密升降台、氧量分析仪、扫气系统、数值模拟计算软件。本实验装置区别于常规的对氧化锆氧量分析仪与氧化锆测氧探头检测器相连的标气进行清扫从而实现氧浓度的校正，而是从根本上考虑了氧化锆高温下与氧分子反应的灵敏度，修正了氧化锆测氧探头检测器存在的仪器测量偏差。

Description

氧化锆测氧探头回氧速率修正系统
技术领域
本发明涉及一种氧化锆测氧探头回氧速率修正系统，属于测量技术领域。
背景技术
氧化锆氧含量传感器是一种常用的氧气浓度传感器，其测量氧气浓度的原理是利用氧化锆浓差电势来测定气体中氧含量的，氧化锆安置在整个传感器的顶端。在一定的高温下，当锆管两边的氧含量不同时，便处形成一个典型的氧浓差电池。在此电池中，空气是参比气，被测气体与空气分别位于内外电极。两电极间会产生一个与氧浓差有关的电势E，该电势信号通过能斯特方程求出。在一定的高温条件下(一般在600℃以上)，一定的氧含量有一对应的电势输出，在理想状态下，通过检测其电势值便可以得到其在对应的氧含量。
根据氧化锆传感器的测氧原理，在实际测量过程中，由于锆管内外侧气体浓度的变化与锆管与氧气接触的反应，传感器本身必然存在响应速度的快慢，即实测的氧浓度速率存在仪器响应的偏差，氧浓度速率的测量值与仪器极限响应速率的差值才为氧浓度速率的真值，因此，对氧化锆传感器本身氧浓度数值的测量需要进行一个修正。
氧化锆氧含量传感器测量的校正主要有2种：一是通过斜率系数校正氧含量，在本底电势和标气修正的基础上，利用斜率校正系数k修正曲线斜率；二是通过通入标气修正氧化锆探头的本底电势。两种系统的本质在实验前进行氧化锆探头电势值的重置，在此基础上对获得的实验数据进行处理以实现对氧化锆氧含氧传感器测量的校正。
目前所流行的测量校正系统都并未提及锆管接触氧气灵敏度高低对氧浓度测量的影响，然而根据氧化锆测量原理，考虑锆管自身的灵敏度影响是十分重要的。
发明内容
本发明目的在于通过实现理想风速条件下对氧化锆传感器极限回氧速率的测量，根据试验实测的氧浓度变化速率与仪器极限回氧速率的差值，可得到试验条件下的氧浓度真值。
针对上述现有试验装置的不足，本发明提供了一种氧化锆测氧探头回氧速率修正系统，填补了氧化锆氧浓度测量在校正方面对仪器自身灵敏度考核不足的空白，更易于获取氧浓度数值的真值，在氧化锆传感器测量特性和计算系统的研究方面发挥了作用。
本发明可以通过以下技术方案来实现：
一种氧化锆测氧探头回氧速率修正系统，具体包括供气系统、气路系统、气体流量控制系统、混气试验装置、半密封不锈钢罐体、氧化锆测氧探头检测器、精密升降台、氧化锆氧量分析仪、扫气系统、数值模拟计算软件。
供气系统同时供给氮气和氧气通过气路系统通往气体流量控制系统，按照电子皂膜流量计在不同孔径喷嘴以及不同压力下的流量校验结果，利用数值模拟确定不同实验比例氧浓度下的氮氧供气流量比，并通过不锈钢卡套二通分别将氧气气瓶、氮气气瓶与气路系统进行连接。
气体流量控制系统与混气试验装置相连，利用数显压力表、减压阀以及限流喷嘴，通过控制气体来流压力实现对气体流量的稳定控制。混气试验装置利用CFD数值模拟技术，通过确定进出口压力环境，调节边界条件，计算混气试验装置出口最佳距离，实现最佳混气状态。
不锈钢非全密封罐体上方有螺纹通孔与扫气系统相连，下方边缘处留有两处细小通孔保持罐内压力稳定，其连接混气试验装置与氧化锆测氧探头检测器，并将混气试验装置混合均匀的气体传至下部的氧化锆测氧探头检测器，利用精密升降台进行移动固定氧化锆测氧探头检测器与不锈钢非全密封罐体。
氧化锆氧量分析仪产生的标气与氧化锆测氧探头检测器相连，并对氧化锆测氧探头检测器的检测电信号进行分析，在氧化锆氧量分析仪输出数值降低至氮氧比并稳定后扫气系统开始运行，直至氧浓度数值恢复常压中大气氧浓度值停止工作，扫气系统与半密封不锈钢罐体气管相连，扫气风速为达10m/s，气体性质为空气。
将采得的数据利用matlab软件进行最小二乘多项式阶数拟合，得到不同最低氧浓度下氧化锆仪器极限回氧速率，实验值与仪器自身极限回氧速率的差值即为氧浓度的真值。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点为：本发明氧化锆高温下与氧分子反应的灵敏度，降低了氧化锆测氧探头存在的极限回氧速率对实践试验中氧浓度恢复速度测量造成的影响。
附图说明
图1为本发明的氧化锆测氧探头回氧速率修正装置的结构示意图。
图2、3、4分别为最低氧浓度在6％、8％、10％的仪器极限回氧速率与拟合效果对比图。
1、供气系统；2、气路系统；3、气体流量控制系统；4、混气试验装置；5、半密封不锈钢罐体；6、氧化锆测氧探头；7、精密升降台；8、氧量分析仪；9、扫气系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，本发明装置包括供气系统、气路系统、气体流量控制系统、混气试验装置、半密封不锈钢罐体、氧化锆测氧探头检测器、精密升降台、氧化锆氧量分析仪、扫气系统。
供气系统通过不锈钢卡套二通分别将氧气气瓶、氮气气瓶与气路系统进行连接，气体流量控制系统与混气试验装置相连，不锈钢非全密封罐体连接混气试验装置与氧化锆测氧探头检测器，并将混气试验装置混合均匀的气体传至下部的氧化锆测氧探头检测器，利用精密升降台进行移动固定氧化锆测氧探头检测器与不锈钢非全密封罐体，氧化锆氧量分析仪产生的标气与氧化锆测氧探头检测器相连，并对氧化锆测氧探头检测器的检测电信号进行分析，在氧化锆氧量分析仪输出数值降低至氮氧比并稳定后扫气系统开始运行，直至氧浓度数值恢复常压中大气氧浓度值停止工作。记录扫气系统运行前后氧浓度数据的变化，将采得的数据利用matlab软件进行最小二乘多项式阶数拟合处理，得到不同最低氧浓度下氧化锆仪器极限回氧速率。
实施例
按上述系统，获取设定最低氧浓度在6％、8％、10％的三组仪器极限回氧速率。
根据流量控制结果，最低氧浓度在6％时氮气流量PSI设定为142，氧气PSI设定为8；最低氧浓度在8％时氮气流量PSI设定为142，氧气PSI设定为15；最低氧浓度在10％时氮气流量PSI设定为142，氧气PSI设定为20。
利用减压阀稳定控制设定的气体流量，根据数显压力表数值确保入口氮氧比维持不变。
扫风系统保持关闭状态，氧化锆氧量分析仪氧浓度降至设定值1％波动范围内并维持不变后，开始数据记录，上下移动精密升降台并开启扫风系统，氧浓度数值回升至常压大气中氧含量状态后停止扫风系统运行及数据采集。
最低氧浓度在6％、8％、10％分别进行10组重复性试验。
将采得的数据利用matlab软件进行最小二乘拟合处理，如图2、3、4所示得到氧化锆传感器仪器极限回氧速率曲线。

Claims (10)

1.一种氧化锆测氧探头回氧速率修正系统，其特征在于，包括供气系统（1）、气路系统（2）、气体流量控制系统（3）、混气试验装置（4）、连接喷嘴与探头的半密封不锈钢罐体（5）、氧化锆测氧探头（6）、精密升降台（7）、氧量分析仪（8）、扫气系统（9）、数值模拟计算软件；所述供气系统（1）通过不锈钢卡套二通分别将氧气、氮气与气路系统（2）进行连接，所述气体流量控制系统（3）与混气试验装置（4）和气路系统（2）相连，通过混气试验装置（4）混合均匀的气体经过连接喷嘴与探头的半密封不锈钢罐体（5）传至氧化锆测氧探头（6），所述氧化锆测氧探头（6）利用精密升降台（7）进行固定，所述氧量分析仪（8）产生标气与氧化锆测氧探头相连，对氧化锆测氧探头（6）的检测电信号进行分析，所述扫气系统（9）在氧量分析仪（8）输出数值降低并稳定后开始清扫，直至氧浓度数值恢复常压中大气氧浓度值停止工作，采集最低氧浓度与大气氧浓度间的变化数据，所述数值模拟计算软件，将所得到的数据进行最小二乘多项式拟合，计算拟合得到的极限回氧速率。
2.根据权利要求1所述的氧化锆测氧探头回氧速率修正系统，其特征在于，所述供气系统（1）同时供给氮气和氧气通过气路系统（2）通往气体流量控制系统（3），按照电子皂膜流量计在不同孔径喷嘴以及不同压力下的流量校验结果，利用数值模拟确定不同实验比例氧浓度下的氮氧供气流量比。
3.根据权利要求1或2所述的氧化锆测氧探头回氧速率修正系统，其特征在于，所述气体流量控制系统（3）利用数显压力表、减压阀以及限流喷嘴，通过控制气体来流压力实现对气体流量的稳定控制。
4.根据权利要求1所述的氧化锆测氧探头回氧速率修正系统，其特征在于，所述混气试验装置（4）利用CFD数值模拟，通过确定进出口压力环境，调节边界条件，计算喷嘴出口最佳距离，实现最佳混气状态。
5.根据权利要求1所述的氧化锆测氧探头回氧速率修正系统，其特征在于，所述不锈钢半密封罐体（5）上方有螺纹通孔与混气试验装置（4）相连、有不锈钢卡套二通与扫气系统（9）相连，下方边缘处留有两处通孔保证罐内泄压条件。
6.根据权利要求1所述的氧化锆测氧探头回氧速率修正系统，其特征在于，所述氧化锆测氧探头（6）与氧量分析仪（8）气管相连，氧化锆测氧探头（6）检测的气体与氧量分析仪（8）产生的标气在氧化锆高温状态下两端形成电势差，使氧量分析仪（8）处理信号并输出氧浓度数据。
7.根据权利要求1所述的氧化锆测氧探头回氧速率修正系统，其特征在于，所述精密升降台（7）可通过旋转螺纹实现上下前后移动。
8.根据权利要求1所述的氧化锆测氧探头回氧速率修正系统，其特征在于，所述扫气系统（9）与半密封不锈钢罐体（5）气管相连，扫气风速为达10m/s，气体性质为空气，扫气系统（9）在氧量分析仪（8）输出数值降低至设定的氮氧比并稳定后再开始清扫，当氧浓度数值恢复常压中大气氧浓度值停止运行。
9.根据权利要求1所述的氧化锆测氧探头回氧速率修正系统，其特征在于，所述数值模拟计算软件利用固体与气体接触的最小二乘规律，通过数值计算软件进行多项式阶数拟合，得到不同最低氧浓度下氧化锆测氧探头的仪器回氧曲线，实验值与仪器极限回氧速率的差值即为氧浓度真值。
10.根据权利要求1或9所述的氧化锆测氧探头回氧速率修正系统，其特征在于，数值模拟计算软件为matlab软件。
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