氧量变送器的制作方法

本发明涉及测氧设备的技术领域，更具体地，涉及一种具有机械校准装置的测氧设备。

背景技术：

氧化锆氧量变送器是近年来发展起来的一种新型测氧仪器。由于它的敏感探头可以直接插入烟道内进行检测，并且具有结构简单、精度较高、对氧含量变化反应迅速等特点，因此被广泛用于测量各种锅炉和窑炉中烟道气的氧含量。此外，氧化锆氧量变送器可以方便地与调节器配合，构成闭环氧量控制系统，实现低氧燃烧控制，从而达到节约能源，减少环境污染等目的。因此其在实际生产中的应用越来越广泛。

氧化锆测氧技术利用氧浓差电池原理来测定气体中的氧含量。在理想状态下，当氧化锆元件达到工作温度且内外电极表面的氧含量不相等时，便构成一个氧浓差电池，产生电池电动势，电池电动势与电极表面氧浓度关系符合能斯特(nernst)方程：

式中：

e-氧浓差电池电动势，v；

r-气体常数，8.3145j·mol^-1·k^-1；

f-法拉第常数，96485.309c·mol^-1；

t-绝对温度，k；

p0-参比气体氧分压，％；

p-被测气体氧分压，％。

由于受各种因素的影响，实际测量并非在理想状态下进行，因此需要对(1)式进行校正，校正后得到新的方程：

p0为空气中的氧含量(20.6％)，k和e0值均可以通过校正得到。通过测定氧化锆电池的电势信号em，并将其输送至氧量变送器，氧量变送器将根据(2)式，计算出被测气体的氧含量p值。

氧化锆氧量变送器采用集成化设计，完成模拟信号采集、转换、运算及输出。在用户现场使用时，需要通过变送器定期对氧化锆电池的测氧工作曲线进行校准，目前市场上氧化锆氧量变送器在校准设计上，通常采用菜单设置来实现，需要进入子菜单设置和校准数据设置步骤，特别是针对爆炸性气体危险场所应用的防爆氧化锆氧量变送器，需要对非防爆氧化锆氧量变送器电路控制系统显示部分进行重新设计，显示窗部分需要采用防爆触摸屏实现现场操作，这种系统的设计复杂且材料成本较高，同时，用户在使用过程中进行校准时，操作较为繁琐。

另外，市场同类产品在应用于工业现场时，由于现场大功率设备多，干扰较为严重，没有经过针对性的抗干扰设计，在工业现场容易出现现场干扰引起的运行故障，影响用户设备正常运行，造成维护成本高，生产效率低等问题。

因此，现有技术中需要一种能够在确保安全的情况下能够进行校准的氧化锆氧量变送器。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题中的至少一个方面，本发明的实施例提供了一种具有机械校准装置的氧量变送器。

根据本发明的一个方面，提供一种氧量变送器，该氧量变送器包括密封箱体；设置在密封箱体的内部的壳体；设置在壳体的内部并且用于感测氧浓度信号的氧化锆测氧传感器；设置在壳体的内部并且用于感测被测气体的温度的第一温度传感器；用于感测室温温度的第二温度传感器；以及设置在壳体内并且用于处理来自氧化锆测氧传感器、第一温度传感器和第二温度传感器的信号并产生控制信号的信号处理及控制系统。根据本发明的氧量变送器还包括机械校准装置，该机械校准装置用于对信号处理和控制系统进行校准。

根据本发明的氧量变送器的一个优选的实施例，信号处理和控制系统包括校准电位器，校准电位器设置在氧量变送器的壳体上并且从壳体向外伸出，机械校准装置设置在密封箱体上并且与校准电位器操作地接合。

在根据本发明的氧量变送器的另一个优选的实施例中，机械校准装置包括用于对校准电位器进行旋转操作的操作部件和将操作部件设置在形成于保护外壳中的通孔内的旋转固定组件。

根据本发明的氧量变送器的再一个优选的实施例，旋转固定组件包括固定地设置在保护外壳上的第一衬套以及可旋转地设置在第一衬套内的第二衬套，操作部件固定地设置在第二衬套内。

在根据本发明的氧量变送器的还一个优选的实施例中，在操作部件的与第二衬套相接触的圆周上设置有第一圆周槽，在第一圆周槽内设置有密封圈。

根据本发明的氧量变送器的又一个优选的实施例，在操作部件的邻近第二衬套的内端侧的位置处形成有第二圆周槽，在第二圆周槽内设置有开口挡圈，开口挡圈将操作部件与第二衬套卡接在一起。

在根据本发明的氧量变送器的另一个优选的实施例中，信号处理及控制系统包括：前置放大电路，该前置放大电路的第一信号输入端连接至氧化锆测氧传感器的信号输出端，前置放大电路的第一信号输出端输出放大后的氧电势信号，前置放大电路的第二信号输入端连接至测量待测气体的温度的第一温度传感器，前置放大电路的第三信号输入端连接至测量室温的第二温度传感器；a/d转换模块，该a/d转换模块的输入端连接至前置放大电路的输出端；中央处理器，其输入端连接至a/d转换模块的输出端；以及显示模块，该显示模块由中央处理器控制，以对氧电势信号进行数字显示。

根据本发明的氧量变送器的再一个优选的实施例，信号处理及控制系统还包括控制氧化锆测氧传感器的温度的温度控制模块，温度控制模块基于第一温度传感器的温度信号控制氧化锆测氧传感器的温度。

在根据本发明的氧量变送器的还一个优选的实施例中，信号处理及控制系统还包括数据选择模块，数据选择模块设置在前置放大电路与a/d转换模块之间，用于使前置放大电路的模拟信号选择性地输入至a/d转换模块。

根据本发明的氧量变送器的又一个优选的实施例，信号处理及控制系统还包括标准电流信号模块，标准电流信号模块的输入端连接至中央处理器，并输出标准电流信号。

在根据本发明的氧量变送器的另一个优选的实施例中，标准电流信号模块包括光耦隔离器、d/a转换器和v/i转换器，光耦隔离器用于接收来自中央处理器的氧电势信号，d/a转换器用于将氧电势信号转换成模拟信号，v/i转换器用于输出标准电流信号。

与现有技术相比，根据本发明的具有机械校准装置的氧量变送器至少具有以下有益效果之一：

(1)根据本发明的氧量变送器由于采用了机械校准装置，无需打开箱体盖即可对氧量变送器进行调节，因此在显示窗部分只需采用符合相关防爆标准的普通防爆玻璃即可，从而大大降低了生产成本。

(2)由于机械校准装置设置在氧量变送器的密封箱体上，可以在密封箱体的外部对机械校准装置进行操作，因此使得在线校准过程便捷高效。

(3)在对非防爆型氧化锆氧量变送器进行隔爆设计时，不需要采用防爆触摸屏来改动原有氧量变送器的设计，能够满足氧量变送器对防爆性能的要求。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，将更容易理解本发明的其他目的和优点，并对本发明的整体进行全面的把握。

图1为根据本发明的具有机械校准装置的氧量变送器的示意图。

图2为根据本发明的氧量变送器的机械校准装置的结构示意图。

图3为根据本发明的氧量变送器的信号处理及控制系统的示意图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

针对现有技术中的氧化锆氧量变送器，特别是防爆型变送器设计复杂、材料成本高以及现场操作步骤繁琐的问题，本发明提出一种在电路控制部分利用硬件运算放大电路实现对输入电势信号进行校准以及通过设置机械电位器来调节运算放大电路进行校准的氧化锆氧量变送器。

本发明的实施例提供了一种氧量变送器10，如图1所示，示出根据本发明的氧量变送器10的示意图。该氧量变送器10包括密封箱体12、设置在密封箱体12的内部的壳体14、设置在壳体14的内部并用于感测氧浓度信号的氧化锆测氧传感器16、设置在壳体14的内部并用于感测被测气体的温度的第一温度传感器18、用于感测室温温度的第二温度传感器20以及设置在壳体14内的信号处理及控制系统40，该信号处理及控制系统40用于处理来自氧化锆测氧传感器16、第一温度传感器18和第二温度传感器20的信号并产生控制信号，进一步地，该氧量变送器10还包括用于对信号处理和控制系统40进行校准的机械校准装置60。

密封箱体12可以作为氧量变送器10的最外侧壳体，用于对内部的各种传感器和控制系统进行封闭和密封，以达到相关的防尘防水要求。可以在密封箱体12的便于观察的一侧的盖子上设置透明显示窗，以便于对内部的相关显示数据进行观察或操作。在密封箱体12的内部设置壳体14，壳体14用于安装和固定各个传感器和控制系统，比如氧化锆测氧传感器16、第一温度传感器18、第二温度传感器20以及信号处理及控制系统40。由于随着使用时间的延长以及使用环境的变化，信号处理及控制系统40中的处理模型可能产生处理偏差，这可能导致处理结果产生偏差，为此，需要对信号处理及控制系统40进行校准处理，在此，氧量变送器10还包括机械校准装置60，用于对信号处理和控制系统40进行校准。可以将机械校准装置60设置在防爆型氧量变送器10的密封箱体12的侧壁中，从而在防爆型氧量变送器10的操作过程中无需打开机械校准装置60的盖子，而可以直接通过操作机械校准装置60对信号处理及控制系统40进行校准，从而确保了防爆型氧量变送器10的操作安全性。

在本发明的氧量变送器10的一个实施例中，非防爆型的氧化锆氧量变送器10的箱体盖可以设置为长方形，箱体盖作为密封箱体12的一部分，在箱体盖上设置透明显示窗，箱体盖与箱体本体扣合的位置处的四周边沿向内扣折，针对ip65级防水防尘要求，在箱体盖的内部的向内扣折的四周边沿粘接橡胶条，用于箱体盖与箱体本体连接缝隙处的密封，设置在箱体本体的正前方的箱体盖可以在其右侧边沿的竖直方向上的中间位置处设置开盖螺栓，开盖螺栓与箱体本体上的螺纹柱相对应，在拧紧螺栓与螺纹柱时，箱体盖内的橡胶条与箱体本体上部外沿压紧密封，以确保ip65级密封。在此，可以在箱体本体的左侧设置至少一个安装部，比如为片状安装部，片状安装部以水平方式固定地设置在箱体本体的左侧，在片状安装部的远离箱体本体的端部上形成安装孔，并且在片状安装部的朝向箱体本体的一侧形成限位缺口。同时，在箱体盖的相对应的一侧的下侧边沿上设置相应的安装柱，即，可以分别在箱体盖的底侧和顶部的朝向箱体本体突起的边沿上设置安装柱，上下两个安装柱分别插入上下两个片状安装部的安装孔内，并且两个安装柱均能够在安装孔内旋转，从而使得箱体盖能够以安装柱为轴线围绕箱体本体旋转，以便实现箱体盖相对于箱体本体的打开和关闭。限位缺口用于在箱体盖打开至一定程度时，比如打开至与箱体本体的开口平面成130度左右角度时，阻止箱体盖的进一步旋转，比如限位缺口通过与箱体盖的竖直方向上的突起边沿的抵接来限制箱体盖的运动，从而拧开开盖螺栓顺时针打开箱体盖并使箱体盖旋转130度左右时，箱体盖可被卡住，由此暴露出变送器的操作部件以方便操作，并且可以防止箱体盖发生过渡旋转。针对使用现场需要防水防尘的要求，在仪器运行时可以通过拧紧开盖螺栓，以实现氧量变送器10的内外部封闭。在非防爆型氧量变送器10的情况下，为达到现场操作校准的目的，可以在密封箱体12内部的壳体14上设置显示面板，由此进行现场校准及按键操作。

防爆型的氧量变送器10的防爆等级为exdiic与exdiib两个级别，两个级别对密封箱体12的隔爆结合面的最小宽度对应的最大间隙、爆炸实验次数以及密封箱体12的螺纹结合面的螺距、啮合扣数等参数都有不同的要求。根据两个防爆级别对密封箱体12的不同防爆技术要求，确定exdiib级别的防爆型密封箱体12设计为立方体盒式上翻盖，防爆结合面为平面矩形。由于防爆密封箱体12同时需要具有国标规定的ip65等级防护性能，因此需要在结合面处添加密封橡胶圈。密封箱体12的主体和箱体盖可以采用内六角螺栓进行紧固，螺栓螺距符合gb9144标准，公差配合应达到gb9145的6g/6h的要求。螺纹深度应大于相应规格紧固件螺母的全部高度；螺纹应符合6h级要求，并且螺栓头下面的孔的允许间隙小于iso286-2规定的h13级间隙。螺栓头与被连接件的接触面积应大于等于螺栓在光孔中的接触面积。

根据国标要求，exdiic防爆等级不允许采用平面结合面，要求隔爆结合面为螺纹结合面，所以机箱盖需要设计为螺纹结合的圆形开盖。密封箱体10的主体和箱体盖采用内六角螺栓进行紧固，紧固件要求与exdiib防爆等级设计相同。箱体盖与密封箱体10的主体之间的防爆结合面采用止口形式结合。止口结合面指的是箱体盖与密封箱体的主体的配合处。对于止口结合的具体要求是：止口结合面的火焰通路长度应符合gb3836.2-2000表1至表4要求；止口结合面的配合粗糙度应不低于ra6.3。

本发明的氧量变送器10的信号处理和控制系统40包括校准电位器42，如附图2所示，校准电位器42设置在氧量变送器10的壳体14上并且从壳体14向外伸出，机械校准装置60设置在密封箱体12的面板上并且与校准电位器42操作地接合。在此，信号处理和控制系统40可以包括两个校准电位器42，一个用于校准能斯特方程的斜率，另一个用于校准能斯特方程的截距，也即分别用于对空气和标准气进行校准。由此，需要设置两个机械校准装置60，以便分别通过各自的机械校准装置60来对校准电位器42进行操作，从而对氧量变送器10的误差进行校正。机械校准装置60设置在氧量变送器10的密封箱体12上，信号处理和控制系统40设置在密封箱体12的内部，机械校准装置60与校准电位器42操作地连接，以便在无需打开密封箱体12的箱体盖的情况下对校准电位器42进行旋转操作。

如图2所示，校准电位器42通过位于壳体14的一侧的凸台422和位于壳体14的另一侧的螺母142固定地设置在壳体14上。也就是说，校准电位器42的位于壳体14内的部分具有更大的尺寸，而校准电位器42的穿过壳体14中的通孔并且与壳体14接合的部分具有相对较小的尺寸，从而在校准电位器42的与壳体14的内侧壁相接触的部分上形成凸台422。可以在校准电位器42的穿过壳体14的壁的部分上加工有外螺纹，从而通过螺母142将校准电位器42固定在壳体14上，在此，壳体14可以是氧量变送器10的面板。

本发明的氧量变送器10的机械校准装置60可以包括操作部件602和将操作部件602设置在形成于密封箱体12中的通孔内的旋转固定组件604。操作部件602可以与校准电位器42直接接合，对校准电位器42进行操作，旋转固定组件604则用于将操作部件602可旋转地设置在氧量变送器10的密封箱体12中。

旋转固定组件604可以包括固定地设置在密封箱体12上的第一衬套6042以及可旋转地设置在第一衬套6042内的第二衬套6044，操作部件602固定地设置在第二衬套6044内。在此，第一衬套6042可以以本领域常用的固定方式固定地设置在密封箱体12上，比如可以通过焊接、粘接、过盈配合等方式进行固定。

为了确保氧量变送器10的防爆效果，也就是为了确保机械校准装置60的密封性能，在操作部件602的与第二衬套6044相接触的圆周上设置有第一圆周槽6024，在第一圆周槽6024内设置有密封圈6026，通过设置在操作部件602的外周壁与第二衬套6044之间的密封圈6026可以实现两者之间的良好密封，从而使得氧量变送器10的主要部件被密封在密封箱体12的内部。

此外，为了使操作部件602和第二衬套6044相对地固定，在操作部件602的邻近第二衬套6044的内端侧的位置处形成有第二圆周槽6028，在第二圆周槽6028内设置有开口挡圈6030，开口挡圈6030将操作部件602与第二衬套6044卡接在一起。由此可以使得当通过外力使操作部件602旋转时，操作部件602与第二衬套6044一起在第一衬套6042内旋转。在此，第二衬套6044可以由铜材料制成，比如为铜套，可以通过第二衬套6044增加第一衬套6042与操作部件602之间的防爆结合面的长度，并由此可以加强结合面的紧密性，通过铜套还可以防止部件在相互接触的位置处生锈。

为了实现操作部件602与校准电位器42的可操作接合，在校准电位器42的与操作部件602操作地连接的端部上形成有连接槽424，并且在操作部件602的相对应的端部上形成有与连接槽424相结合的凸起部6032，由此，在安装过程中通过使凸起部6032插入连接槽424内，可以实现操作部件602与校准电位器42的可操作性接合。

为了便于对操作部件602进行操作，可以在操作部件602的暴露在密封箱体12的外部的操作部的外周上设置防滑结构，比如密布的若干突起部，或者沿轴向方向倾斜或平行排列的若干凸筋，或者其他能够增大摩擦的结构。在图1所示的实施例中，在操作部件602的外端侧上设置有驱动槽6034，可以利用螺丝刀通过驱动槽6034对操作部件602进行旋转操作。

本发明的氧量变送器10的信号处理及控制系统40包括前置放大电路43、a/d转换模块44、中央处理器46以及显示模块48，如图3所示。前置放大电路43的第一信号输入端连接至氧化锆测氧传感器16的信号输出端，前置放大电路43的第一信号输出端输出放大后的氧电势信号，前置放大电路43的第二信号输入端连接至用于感测被测气体的温度的第一温度传感器18的信号输出端，前置放大电路43的第三信号输入端连接至测量室温的第二温度传感器20的信号输出端。a/d转换模块44的输入端连接至前置放大电路43的输出端，中央处理器46的输入端连接至a/d转换模块44的输出端，显示模块48由中央处理器46控制，以对氧电势信号进行数字显示。

通过前置放大电路模块43对来自各个传感器的信号进行放大，以便进行后续处理，通过a/d转换模块44将来自前置放大电路模块43的模拟信号转变成数字信号，中央处理器46可以对数字信号进行处理，以便于对其进行后续操作，中央处理器46可以将经过处理后的数字信号显示在显示模块48上，由此可以直观地显示氧电势信号的大小。

在此，信号处理及控制系统40还包括控制氧化锆测氧传感器的温度的温度控制模块50，温度控制模块50基于第一温度传感器18的温度信号控制氧化锆测氧传感器16的温度。由于氧化锆测氧传感器的氧敏感元件的工作温度一般为6((℃左右，温度过高或过低都将影响氧化锆氧敏感元件的测量精度，因此需要对氧化锆测氧传感器的氧敏感元件进行加热控制，以使其工作在最佳温度范围内。

本发明的氧量变送器10的信号处理及控制系统40还包括数据选择模块52，该数据选择模块52设置在前置放大电路模块43与a/d转换模块44之间，用于使来自前置放大电路模块43的模拟信号选择性地输入至a/d转换模块44。比如，在测量待测气体的温度时，需要同时采集第一温度传感器18的温度信号和氧化锆测氧传感器16的氧电势信号，此时可以通过数据选择模块52对温度信号和氧电势信号进行选择，以便确定在某一时刻将两者中的哪一者进行a/d转换。

根据本发明的氧量变送器10的信号处理及控制系统40还包括电源模块54，该电源模块54为信号处理及控制系统40的各个模块提供工作电压。也就是说，电源模块54为信号处理及控制系统40的前置放大电路模块43、a/d转换模块44、中央处理器46、显示模块48、数据选择模块52以及其他模块提供工作电压。上述各个模块的工作电压可以相同，也可以不同。在此，电源模块54可以设计成包括环形铁芯变压器，电源输入侧和电流输出侧均增加滤波和隔离器件，从而能够有效地滤除或降低工业现场干扰源对测氧控制装置的干扰。

本发明的氧量变送器10的信号处理及控制系统40还可以包括标准电流信号模块56，该标准电流信号模块56的输入端连接至中央处理器46，并输出标准电流信号。该标准电流信号可以用于对外输出或者用于驱动其他部件，或者也可以将其转换成电压信号，用于输出电压信号或者驱动其他部件。该标准电流信号模块56可以包括光耦隔离器、d/a转换器和v/i转换器等器件，光耦隔离器用于接收来自中央处理器的氧电势信号，d/a转换器用于将氧电势信号转换成模拟信号，v/i转换器用于将电压模拟信号转换成标准电流信号，并输出该标准电流信号。

信号处理及控制系统40采用51系列单片机为核心构成的闭环控制系统。输入端为氧电势信号、温度电势信号和室温电势信号。输出端为由标准电流信号模块56产生的0ma-10ma或4ma-20ma的直流电流信号。毫伏级的氧电势信号和温度信号经过前置放大电路模块43放大后接入数据选择模块52，数据选择模块52对信号进行数据选择并输出接至a/d转换模块44的输入端，从a/d转换模块44输出的数据信号经过缓存器接入至中央处理器46的输入端，由中央处理器46读取数据并计算相应的温度值和氧量值。由中央处理器46计算所得的氧量值输出至标准电流信号模块56，标准电流信号模块56的光耦隔离器对数字信号进行光耦隔离后输入至d/a转换器，将数据变为模拟信号，再经过v/i转换器转换为0ma-10ma和4ma-20ma的电流信号输出。另外，由中央处理器46计算所得的温度信号以及氧量值信号可以同时输出至显示模块48，控制4位led显示测量结果，当然，在此也可以采用lcd显示器或其他类型的显示器。

在对密封箱体12进行设计时，针对非防爆型产品，可把信号处理及控制系统40的校准电位器42设置在外壳14的显示面板上，通过打开密封箱体12的箱体盖实现现场校准。针对防爆型产品，可以设置穿过密封箱体12的机械校准装置60，实现对信号处理及控制系统40的校准电位器42的机械调节，以便达到在不打开密封箱体12的箱体盖的情况下对信号处理及控制系统40进行现场在线校准的目的。

另外，本发明针对工业现场环境复杂的问题，电路控制系统设计时，在电源模块和输出模块上增加滤波和隔离设计，在显示模块设计时，采用不容易被大功率设备干扰引起锁死的显示驱动模块，通过针对性的抗干扰设计，可以达到有效降低氧量变送器干扰故障的目的。

根据本发明的氧量变送器由于采用了机械校准装置，无需打开箱体盖即可对氧量变送器进行调节，因此在显示窗部分只需采用符合相关防爆标准的普通防爆玻璃即可，从而大大降低了生产成本。由于机械校准装置设置在氧量变送器的密封箱体上，可以在密封箱体的外部对机械校准装置进行操作，因此使得在线校准过程便捷高效。在对非防爆型氧化锆氧量变送器进行隔爆设计时，不需要采用防爆触摸屏来改动原有氧量变送器的设计，能够满足氧量变送器对防爆性能的要求。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求书为准。