具有固态电解质氧气传感器和辅助输出的原位氧气分析器制造技术

一种改进的氧气分析器，包括：控制器，被配置为接收氧气传感器信号并且提供氧气浓度输出。探针，被配置为延伸到燃烧过程气体的源中。氧气传感器，被设置在探针内，并且具有安装到固态电解质的一侧的感测电极和安装到固态电解质的相反的一侧的参考电极。氧气传感器具有催化珠，所述催化珠被配置为设置在过程气体与感测电极之间。测量电路，可操作地耦接到氧气传感器和控制器，并且被配置为基于氧气传感器的电响应向控制器提供氧气传感器信号。控制器被配置为检测氧气传感器随时间的浓度输出的行为，以提供至少一个辅助输出。以提供至少一个辅助输出。以提供至少一个辅助输出。

【技术实现步骤摘要】
具有固态电解质氧气传感器和辅助输出的原位氧气分析器


[0001]本申请涉及传感器领域，具体地涉及具有固态电解质氧气传感器和辅助输出的原位氧气分析器。

技术介绍

[0002]工业过程通常依赖于诸如燃烧之类的能源，以产生原料液体的蒸汽或热量。一些燃烧过程涉及熔炉或锅炉的操作。虽然燃烧提供了相对低成本的能源，但是通常在过程中寻求燃烧效率最大化，因为所产生的排出系统的烟道气体可能受到与有害气体的排放有关的法规约束。因此，燃烧过程管理行业的一个目标是使现有熔炉和锅炉的燃烧效率最大化，这本质上减少了温室气体和其他有害副产物的产生。
[0003]基于氧化锆的电化学氧气传感器在用于氧气测量的工业应用中广泛使用。该电化学氧气传感器工作在高温下(例如，650℃
‑
800℃) 并且测量燃烧之后剩余的氧气过剩量。可以使用能斯特方程利用(例如，使用空气)在参考电极上的固定分压来计算传感器对氧气浓度差的响应：
[0004][0005]其中，C是与氧气探针中的参考/过程侧温度变化和热结点 (junction)有关的常数，R是通用气体常数，T是开尔文度数下的过程温度，并且F是法拉第常数。

技术实现思路

[0006]一种改进的氧气分析器，包括：控制器，被配置为接收氧气传感器信号并且提供氧气浓度输出。探针，被配置为延伸到燃烧过程气体的源中。氧气传感器，被设置在探针之中，并且具有安装到固态电解质的一侧的感测电极和安装到固态电解质的相反的一侧的参考电极。氧气传感器具有：催化珠，所述催化珠被配置为设置在过程气体与感测电极之间。测量电路，可操作地耦接到氧气传感器和控制器，并且被配置为基于氧气传感器的电响应向控制器提供氧气传感器信号。控制器被配置为检测氧气传感器随时间的浓度输出的行为，以提供至少一个辅助输出。
附图说明
[0007]图1是本技术的实施例特别适用的原位氧气分析器/变送器的示意图。
[0008]图2是本技术的实施例特别适用的燃烧氧气变送器的示意透视图。
[0009]图3是指示气体浓度百分比与氧气浓度百分比的图，以示出仅使用氧气执行燃烧控制的效果和使用氧气和一氧化碳两者执行燃烧控制的效果。
[0010]图4是示出针对在2％至10％的范围内的不同氧气浓度的氧气分析器响应的图。
[0011]图5是根据本技术的实施例的基于氧化锆的氧气传感器的示意截面侧视图。
[0012]图6是示出在5％氧气下对不同水平(范围从0％至1.0％)的一氧化碳的氧气分析
器阶梯响应的图。
[0013]图7是示出存在1％一氧化碳时氧气分析器读数改变的图。
[0014]图8是与一氧化碳浓度成线性关系的氧气分析器读数改变的图。
[0015]图9是示出使用旧的或废弃的氧气传感器，氧气传感器在5％氧气环境下在0％至1％一氧化碳范围内的氧气分析器响应的图。
[0016]图10是示出对1％一氧化碳的氧气分析器响应的图。
[0017]图11是示出对甲烷的氧气分析器响应的图。
[0018]图12是示出存在0.1％
‑
1.5％的CH4时的氧气分析器读数改变的图。
[0019]图13是示出依赖于甲烷浓度的氧气分析器读数下降线的图。
[0020]图14是示出针对旧的或废弃的氧气传感器单元的依赖于甲烷浓度的氧气分析器读数下降线的图。
[0021]图15是示出对过程中的一氧化碳的氧气分析器交叉灵敏度 (cross
‑
sensitivity)的图。
[0022]图16是示出使用根据本技术的实施例的高级原位氧气分析器来提供燃烧控制的方法的框图。
[0023]图17是根据本技术的实施例的改进的氧气分析器的电子装置的系统框图。
[0024]图18是操作根据本技术的实施例的基于氧化锆的氧气燃烧分析器的方法的流程图。
具体实施方式
[0025]图1是本技术的实施例特别适用的原位氧气分析器/变送器的示意图。变送器10可以是例如可从Rosemount Inc.(EmersonAutomation Solutions Company)获得的Model 6888氧气变送器。变送器10包括基本上设置在燃烧过程的烟囱或烟道14内的探针组件12。变送器10被配置为测量由在燃烧器16处发生的燃烧产生的烟道气体内的氧气浓度。燃烧器16可以可操作地耦接到空气源或其他氧气源 18、以及燃烧燃料源20。燃烧控制器22可操作地耦接到氧气阀24和燃料阀20。基于来自燃烧控制器22的信号，阀18和/或阀20控制供应给燃烧器16处发生的燃烧过程的空气和/或燃料。燃烧控制器22从变送器10接收烟道气体中的氧气的指示，并且使用该指示提供对燃烧过程的高效且环境友好的控制。因为变送器10被配置为暴露于燃烧区域，所以可以将变送器10构造为承受高温。
[0026]图2是本技术的实施例特别适用的燃烧氧气变送器的示意透视图。变送器100包括壳体102、探针104和电子装置106。变送器 100通常使用法兰120耦接到烟囱或烟道气壁。
[0027]探针104包括安装有扩散器或过滤器110的远端108。扩散器110 是一种物理设备，被配置为至少允许一些气体扩散通过，但是另外保护探针104内的组件。具体地，扩散器110保护基于固态电解质的氧气测量单元或传感器112。氧气测量单元112使用诸如氧化锆或体陶瓷之类的固态电解质，当单元112在其热操作范围内操作时，该单元提供相对于参考氧气分压的氧气分压的测量电势或测量电流指示。电子装置106通常被配置为使用电热器和温度传感器(未示出)对探针 104提供热控制。此外，电子装置106被配置为获得单元112的测量电流或测量电势响应并且计算氧气输出。在一个示例中，电子装置106 将(上面阐述的)
已知的能斯特方程用于这种计算。
[0028]具有测量电势氧化锆传感器112的诸如变送器100之类的原位氧气分析器十分稳健并且可以在燃烧环境中工作数年。在理想燃烧情况下，氧气和燃料以理想比率组合，主要产生二氧化碳(CO2)和水(H2O) 以及来自燃料杂质和氧化氮的微量的其他气体，例如二氧化硫(SO2) 和氮氧化物(NO
x
)。由于不完美的燃料/空气均匀性以及燃料能量密度和燃料/气流变化，这个具有最高效率和最低排放的化学计量点在实际燃烧中非常难以获得。对于气体燃烧器，典型的烟道气体氧气过量浓度大致是2％
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3％，并且对于锅炉和油料燃烧器，典型的烟道气体氧气过量浓度大致在2％
‑
6％之间。最佳操作点被认为在1％
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6％过量氧气浓度之间的某处。这个最佳操作点依赖于锅炉负荷和受燃料速度影响的燃烧率。不幸的是，以1000+PPM(part per million)水平产生的未燃燃料和一氧化碳通过当前的氧气分析器技术检测不到，并且可能对在较低氧气浓度设置下的燃烧控制潜在地产生安全问题和困难。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧气分析器，其特征在于，所述氧气分析器包括：控制器，被配置为接收氧气传感器信号并且提供氧气浓度输出；探针，被配置为延伸到燃烧过程气体的源中；氧气传感器，被设置在所述探针内，所述氧气传感器具有安装到固态电解质的一侧的感测电极和安装到所述固态电解质的相反的一侧的参考电极，所述氧气传感器还具有催化珠，所述催化珠被配置为设置在所述过程气体与所述感测电极之间；测量电路，可操作地耦接到所述氧气传感器和所述控制器，所述测量电路被配置为基于所述氧气传感器的电响应向所述控制器提供所述氧气传感器信号；并且其中，所述控制器被配置为检测所述氧气传感器随时间的浓度输出的行为，以提供至少一个辅助输出。2.根据权利要求1所述的氧气分析器，其特征在于，所述感测电极是金属陶瓷感测电极。3.根据权利要求2所述的氧气分析器，其特征在于，所述测量电路被配置为测量所述金属陶瓷感测电极和金属陶瓷参考电极之间的电压。4.根据权利要求2所述的氧气分析器，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：帕夫尔，
申请(专利权)人：罗斯蒙特公司，
类型：新型
国别省市：