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13000TA微量氧分析仪介绍1.1、概述TeledyneAnalyticalInstruments的3000TA微量氧分析仪是基于微处理器的测量气体中ppm级O2的分析仪。本手册只包含通用的3000TA的盘装或架装仪表的内容，这些仪表应用于非危险的室内环境中。1.2、典型应用·惰性气体的保护监测；·空气分离和液化；·化学反应监测；·半导体生产；·石化过程控制；·质量保证；·气体分析检验。1.3、分析仪的主要特点3000TA微量氧分析仪先进而便于使用，主要特点：·两行字符显示，微电子驱动，连续的提示和通知操作者；·大型高亮度显示器，高分辨率、精确的O2读数，从ppm级到25%氧含量；·不锈钢传感器模块；·先进的微燃料电池，专门设计用于微量分析，保用期1年，使用寿命达2年；·通用的宽量程分析应用；·8位微处理器（CMOS），32KBRAM和128KBROM；·3个用户可定义的输出范围（0-10ppm到0-25%），能最好地与用户的过程设备匹配；·用传统的20.9%作空气标定；·对于给定的测量，自动量程使分析仪自动地选择预置的量程，手动切换允许固定在一个希望的范围内分析；·两个可调的含量报警和系统故障报警；·在启动初期和根据命令进行自诊断，连续的电源监测；·两种RFI防护方法；·4个模拟量输出：两个用于测量（0-1vdc和隔离的4-20mAdc）和两个量程定义输出；2·传统的通用的钢制盘装或架装机壳，带有滑出型电气抽屉。1.4、型号设计3000TC：标准型。3000TC-C：除标准配置外，还有分立的用于零点和量程气接口和内置的控制阀，控制阀由3000TC控制，与分析仪的操作同步地在气体间切换。1.5、前面扳（操作接口）标准的3000TA装在一个坚固的金属壳中，所有的操作和显示都在前面板完成。见图1-1。前面板有13个用于操作的按健，1个显示表，1个荧光显示器和1个用于观察流量计的窗口。功能键：6个压敏薄膜开关用于切换分析仪的特定功能。·Analyze：执行样气中氧含量分析；·System：执行与系统相关的任务（在第4节操着中详述）；·Span：标定量程；·Zero：标定零点；·Alarms：设置报警点和属性；·Range：设定仪器的3个用户定义的量程范围。数字输入键：6个压敏薄膜开关用于输入数据给仪器，通过VFD显示器；·Left&Right箭头：在VFD显示器上，对当前显示的功能进行切换；·Up&Down箭头:增加或减少显示的当前功能的数值;TeledyneAnalyticalInstruments3000TA门锁样气系统流量计待机按钮功能键数据输入按钮数字显示器数字表图1-1：Model3000TA前面板3·Enter：将VFD显示顺序地移到下一屏幕，如果无下一屏幕，则切换到Analyze屏；·Escape：顺序地将VFD显示移到上一屏，如无上一屏，则切换到Analyze屏。数显仪：LED显示器，连续地显示分析结果。数字显示接口：VFD显示器是易于使用的人机接口，它显示结果、选项和立即反馈给操作员的信息。流量计：用于监测流过传感器的气体流量，范围：0.2-2.4SLPM。待机按钮：待机按钮可以关闭显示和输出，但电路仍运行。注意：要彻底关断仪表电源，必须将电缆拔下。机壳暴露或前门打开时电源仍连接时，要格外注意不要接触电路板。开门：用窄工具按下前面板右上方的门锁，可以打开前面板，进而安装微燃料电池。拆卸电路板需要卸下仪表后面的螺钉，将机芯从机壳中抽出。1.6、LCD与VFD的区别：LCD是黑色字符，绿色背景，而VFD是黑色背景，绿色字符，VFD不需要调整对比度。1.7、后面板（设备接口）后面板如图1-2所示，包含有气路和电路的输入/输出接口。有些操作的叙述可能在仪表中没有体现，这里作了简单的描述，详细描述在第3节有关安装中。电源连接：通用AC电源。·气路入和出：1个输入（必须外部配阀门）和一个放空输出。·模拟量输出：0-1Vdc含量输出加上一个01Vdc量程输出，和一个隔离的4-20mAdc加上一个量程输出。·报警连接：2个含量报警和1个系统报警。·RS-232口：串行接口，用于信号输出和指令输入。·远程电极：只用于控制3000TA的外部电磁阀。·远程量程/零点：数字输入，用于外部控制分析仪的标定。·标定接点：提示外部设备分析仪正在标定，读数不是正在测量的样气值。·量程接点：4个分立的，指示量程的继电器接点输出，低、中、高和标定。4·网络I/O：用于局域网的串行数据通讯。用于进一步扩展，在此没有用。·选项：·标准气接口：分立的接头，用于零点、量程和样气输入，内部阀门用自于动切换气体。提示：2、原理2.1、介绍分析仪含有3个系统。1、微燃料电池传感器；2、样气系统；3、信号处理及显示控制。样气系统设计用于获取样气并将样气送进分析仪，并保证在进行分析之前不会污染和发生变化。微燃料电池是一个电化学原电池，他将样气中的氧含量转化为电流信号，此电流信号经处理，显示和控制子系统，简化了分析仪的操作并精确地处理采集的数据。2.2、微燃料电池传感器2.2.1、工作原理3000TA系列采用的氧传感器是一个微燃料电池，是由AnalyticalInstruments设计生产的，是一次性塑封电化学传感器。燃料电池的有效成分是1个阴极、1个阳极和15%液态KOH溶液。阳极、阴极被浸没在溶液中，这个电池将化学反应的能量转化为外电路的电流信号，其作用类似于电池。但是，普通电池与微燃料电池的区别是：在普通电池中，所有的反应电池都封装在电池中，而在微燃料电池中，其中一个反应介质电池外部的要分析的样气中。微燃料电池是一个介于电池和纯燃料电池间的。2.2.2、微燃料电池的结构（anatomy）微燃料电池是一个直径11/4”高11/4”的柱体，用极为惰性塑料制成，实际上可以放心的置于任何环境或气体中。尽管他的一端可以渗透过样气中的氧，但是仍被有效的密封。电池的另一端是含有2个同心金属箔环的接触平面，在传感器体配件中的金属环配有弹簧接点。图2-1说明了其外部特征。图2-2是微燃料电池的剖面，说明了其内部结构。电池的上部是一个Telflon扩散膜，其厚度被精确控制。扩散膜的下部是氧敏感元件——阴极，表面积几乎达4cm2，阴极有许多孔，以确保上表面被电解液充分的湿润。阴极镀有惰性金属。5阳极在阴极地下部，由铅制成，适当的设计使参与化学反应的金属最大化。在电池的底部，即阳极的下面，是一个弹性膜片，设计适应于随着寿命变化的内部体积的变化。这个弹性保证敏感膜片保持在适当位置，以使电流输出稳定。从阴极上部的扩散片到阳极下面的弹性底膜片间的空间充满电解液，阴极和阳极浸没在公共的池子中，他们都有一个导体将他们连接到外部接触平面上的接触环上，接触平面在电池的底部。2.2.3、化学反应样气经过Teflon膜片扩散，样气中的氧在阴极的表面被还原，半反应式如下：O2+2H2O+4e-4OH-（阴极）在电解液的水中，4个电子与一个O2分子结合，产生4个氢氧基。氧在阴极被还原时，在阳极铅被同时氧化，半反应式如下：Pb+2OH-Pb2++H2O+2e-（阳极）（每个被氧化的铅原子中有2个电子被转移，上述阳极反应式中转移发生2次，转移4个电子，以平衡在阴极上的反应。）当外部电路被提供时，在阳极表面释放的电子流到阴极表面。这个电流与到达阴极O2量程比例。测量这个电流确定混合气中的O2含量。燃料电池的全反应式是上述两个半反应式的和：2Pb+O22PbO这个反应将持续到气体中无氧化铅的成分存在，如：碘、溴、氯和氟。燃料电池的输出被如下因素限制：1、当时电池中的氧含量2、阳极材料量。无氧存在时，没有电流产生。2.2.4、压力的影响为了表示压力增加，则通过扩散膜到达阴极表面的氧含量也增加，导致外电路电流增加，即使样气中的氧含量未变化。在标定期间保持燃料电池的样气压力（通常是排放压力）也同样重要。2.2.5、标定特性保持燃料电池表面的样气压力恒定，则燃料电池外电路的电流只与混合气中O2含量成正比，即是一个线性关系。如图2-3所示，测量电路不需对非线性进行补偿。6另外，无氧存在时，特性曲线靠近绝对零点（±1ppmO2），所以，调整还是用于补偿由于电池的偏移和电路的偏移（电路零点在上电初始时自动进行）。2.3、采样系统采样系统将分析仪后面板输入的气体传送到微燃料电池，根据运行方式不同可能是标准气。3000TA样气系统设计、安装保证经过样气的气体成分不会发生变化。样气几乎不会遇到死空间，最小的残余气体空间能影响微量分析。标准仪表的样气系统包括在后面板的样气入口处和出口处的1/4“管卡套接头，对于公制系统安装，如果需要提供φ6转换器，装在电池下方的流量计可以观察流过系统的样气或标准气的流量。图2-4为标准方式下的管路安排和流路框图。图2-5为流路框图（样气），对于标准仪表，标准气可通过电磁阀，由三通直接接到样气入口。框图的阴影部分表示出3000TA-C型所附加的部件。阀门装在仪表内部并由仪表内电路控制。2、4、电路及信号处理3000TA采用8031微处理，带有32KBRAM、128KROM进行信号处理。I/O和分析仪的显示控制功能。系统电源采用通用电源模块设计可满足任何国家的电源。图2-6表示出电源和主电路板的位置。信号处理电路包括：微处理、A/D、D/A转换器将在主板上，主板装在机壳底部，前置放大器板装在主板的上面，移出后面板后，可抽出这些板。图2-7为分析仪的电路框图。有O2存在时，电池产生电流，一个电流电压放大转换器将此电流转换为电压，此电压在第二级放大器中放大。第二级放大器还对O2传感器的输出进行温度补偿，这个放大电路采用一个热敏电阻，装在电池体上，电阻的阻值随电池体的温度变化而变化。此变化量与电池的输出成分反比（对应于同样的温度变化）。这样使信号与温度无关。第二级放大器的输出送到一个18位的A/D转换器，转换器由微处理器控制。随前面板输入而变化的数字化含量信号由微处理器控制，相应的控制信号直接显示于报警和通信，同样的数字信号送到12位D/A转换器产生4-20mAdc和0-1vdc模拟含量信号输出和模拟量程ID输出。电源信号同样被测量，显示异常。3、安装73000TA的安装内容包括：拆包装、安装、气路连接、电路连接、安装燃料电池和系统测试。3.1、拆包装分析仪发送时，包括所有安装和运行准备的材料，小心地打开包装，检查有无损坏，如有损坏立即通知运输代理。3.2、安装分析仪3000TA适用于室内普通区域使用。它不能用于任何类型的危险区域。标准型号设计为盘装型式，图3-1说明了3000TA的标准前面板和安装框。有4个安装孔。图号D-62928（在本手册的后面）有关面板外形图。作为特殊定货，可提供19”架装结构，对于架装形式，1个或2个3000系列分析仪盘装到架装盘上，有关尺寸看附录。所有的操作控制装在控制面板上，控制面板挂在左边并作为前门折叠，使能安装和拆卸电池块，此门有弹簧支持，当按下门锁时，门将打开，打开角度为900。半径为7.125英寸见图3-2。3.3、后盘面连接图3-3为3000TA的后面图，有气路输入/输出口，电源通迅，数字和模拟含量输出。标准形式不含有零点和量程气输入口，但可作为选项。3.3.1、气路连接在使用仪表之前，要确定仪表是用于增压系统，真空系统和低压系统应用。检查随机节流阀配件，这个部件含有2个节流阀和1个1/4”直径的管接头。注意2个13/4”长1/4”直径的管是节流件，它有一个开口端和一个带有小节流孔的闭合端。没有节点的节流件用于低压和真空系统。对于高压系统（5-50psi），使用带有节点的节流件。对于增压系统，使用没有节点的节流件和接头，装到样气入口上，小的环形节流孔将与仪表的后面相背（逆着气流方向），对于压力低于5psig的应用也采用同样的方法。对于真空应用（5-10inHg），使用无节点的节流件和接头，但是装在排气孔上，小的环形节流孔应向着仪表的后面（逆着气流方向）。警告：无节流件时运行仪表可能会导致微燃料电池损坏，此仪表采用1/4“管接头，对于公制的应用，提供一个φ6