氮氧化物分析儀

氮氧化物是大氣污染的主要污染物之一，對人體健康有嚴重危害。因此近年來氮氧化物的監測與治理等研究工作受到社會各界的密切關注。氮氧化物分析儀是基於化學發光法檢測技術檢測氮氧化物的含量，反應室是整個系統中的核心部件，而臭氧的濃度及純度等參數也同樣對儀器的長期工作性能有重要影響。

基本介紹

• 中文名：氮氧化物分析儀
• 外文名：nitrogen-oxide analyzer

原理

化學發光法檢測技術是基於NO能與O₃能發生化學發光反應，且發光光強與NO的濃度成正比，而NO₂是通過（鉬）轉換室轉換為NO再進行檢測。反應室是NO與O₃發生化學發光反應的場所，它的形狀和內部結構會影響PMT接收到的光子數，經過電路部分處理後將最終影響儀器的靈敏度。所以說反應室是整個系統中的核心部件。而臭氧的濃度及純度等參數也同樣對儀器的長期工作性能有重要影響。

改進設計

在DJ4-2儀器的長期運行中，發現隨著儀器工作時間的增長，儀器的靈敏度有下降的趨勢。在儀器運行的前三天內相對靈敏度保持恆定並穩定在0.6，而從第四天開始儀器的靈敏度嚴重下降，一星期後下降為0.45。可見儀器在連續工作的一周內靈敏度下降了25%，此時DJ4-2型化學發光氮氧化物分析儀的數據已失真，說明儀器在設計上還需要進一步的改進。

經對DJ4-2分析儀排查後發現儀器靈敏度的下降是由於反應室的玻璃窗受污染從而導致進入PMT的光子數減少造成的。再經分析和化驗玻璃片上的污染成分，得知此污染物為臭氧與零氣中的甲醛、甲苯等揮發性有機氣體反應的產物，此污染物受到雙噴嘴噴出氣體的衝擊後吸附在PMT前的玻璃窗上。因此，需對反應室的結構、零氣系統及臭氧參數等進行改進，從而提高儀器的長期工作穩定性。

反應室設計

反應室是氮氧化物分析儀中的核心部件，NO與O₃的發光效率及從反應室玻璃窗進入光電倍增管的光強都是保證儀器數據穩定的關鍵因素，因此反應室的結構設計是整個系統設計的重要環節。

為解決玻璃窗的污染問題，在設計時應儘量避免反應室內的反應氣體與玻璃窗直接接觸。因此本文對反應室的內部構造改進方案為：增大雙噴嘴的直徑，在保持臭氧和樣氣的流量不變的情況下，可使兩氣體從雙噴嘴處噴出的速度減小，避免了反應室內的氣體快速的衝擊玻璃窗；減小反應空間的高度，使得反應室內的負壓更大，有利於反應後的廢氣迅速抽走，不至於長時間滯留在反應室內；在雙噴嘴口處加一凹型擋片，可以使臭氧及樣氣在反應室的雙噴嘴口處更好的混合，從而有利於發光反應的進行。

圖為反應室的結構示意圖，其中和分別為雙噴嘴的內噴嘴和噴嘴的直徑，hc為反應室內反應空間的高度。在DJ4-2氮氧化物分析儀的基礎上只更換改進後反應室，先通入零氣，記錄儀器的NO本底數據。然後通入NO標準氣體，同時記錄儀器前面板上顯示的NO數據，最後計算出儀器的靈敏度。反應室改進後儀器的相對靈敏度在6天內都穩定在0.6，之後緩慢下降，10天后相對靈敏度下降為0.5。與反應室改進前相比，儀器連續工作工作時間提升了1倍，靈敏下降的更緩慢，說明了玻璃窗的污染減少且污染速度減慢。

零氣發生系統

零氣發生系統為臭氧發生器提供乾燥的氣體，這樣臭氧發生器的效率才會高。其次，零氣發生系統為儀器校準提供了潔淨的氣體，從而來測量儀器木身的木底信號。

改進後的零氣發生器由二部分構成，第一個容器里裝的是矽膠，它能夠吸收大氣中的水蒸氣，保持空氣的乾燥，這才使臭氧發生器能有較高的臭氧產生率。第二個容器是分子篩和活J睦炭。分子篩是選擇性吸附和催化，活性炭的作用卞要用十吸

附空氣中的一些干擾成分，像CO，CO₂，SO₂，NO₂，NH₃、乙烯和苯等物質。且分子篩和活性炭是分層裝入的，這樣可以更好地過濾雜質。最後氣體再經過高溫爐，經過高溫可以把殘餘的水分及甲醛和甲苯等有機氣體除去，以免在高壓制臭氧時與臭氧再次發生反應產生其它的雜質。此外，將採用工業純氧製作零氣，大大減少了其它雜質氣體的影響，這是從根源上減少反應室玻璃窗污染的重要措施。

臭氧參數最佳化

DJ4-2型儀器樣機中臭氧發生器的發生效率為1000mg/H,經實驗驗證是過量的，因此為尋求最佳的臭氧濃度，先對臭氧發生器產生的臭氧進行稀釋，然後通回儀器，通過儀器對NO標氣的回響度來確定最佳的臭氧濃度。

在保持其它條件不變的情況下，採用零氣作為稀釋氣體，通過調節流量計的流量來控制臭氧的稀釋比例。把稀釋後的氣體通入DJ1-2儀器的反應室，先測量儀器的本底值，當儀器顯示數值穩定後再通入0.5ppm的NO標氣，同時記錄DJ1-2分析儀的NO顯示值。改變稀釋比例，記錄儀器在不同稀釋比下的NO顯示值，最後把顯示值與本底相減，最終的到NO的測量值。

氮氧化物分析

原理

一氧化氮和臭氧發生反應並產生一種特有的發光這種發光的強度與NO的濃度成線性比例關係。當受到電子激勵的NO₂分子衰減至較低的能量狀態時便會發出紅外光。明確地說就是：NO+NO₃→NO₂+NO₂+hv。

二氧化氮（NO₂）必須首先轉換成NO才能利用化學發光反應來進行測量。NO₂是通過一個被加熱至大約325℃的鉬NO₂至NO轉換器來轉換成NO的（選裝的不鏽鋼轉換器是加熱至625℃）。

環境空氣樣品通過取樣悶頭被吸入分析儀中。樣品流過一根毛細管，然後流到模式電磁閥。電磁閥把樣品直接送到反應室（NO模式）或者通過NO₂至NO轉換器再送到反應室（NO_X模式）。位於反應室之前的一個流量感測器用於測量樣品流量。乾燥空氣通過乾燥空氣悶頭進入42I型分析儀，通過一個流量開關，然後通過一個無聲放電臭氧發生器。臭氧發生器用於產生化學發光反應所需要的臭氧。在反應室，臭氧與樣品中的NO發生反應以產生受激NO₂分子。封裝在熱電冷卻器內的光電倍增管（PMT）檢測到此反應中產生的發光。排氣從反應室出發，通過臭氧轉換器移動到泵，然後通過通風孔排出，在NO和NO_X模式中計算出來的NO和NO_X濃度被儲存在存儲器內。濃度差用於計算NO₂的濃度。42I型分析儀將NO、NO₂和NO_X的濃度輸出到前面板顯示器和模擬輸出，同時使這些數據還可通過串列或乙太網接口獲得。

故障判斷處理

1、壓力過高及流量過低報警：泵，漏氣

NO的跨度超下警，經過到現場檢查發現，儀器有壓力過高及流量過低報警，從儀器原理和管路出發，壓力和流量都是在同一管路上，當出現抽力不足時流量小壓力大，或儀器內部管路有漏氣可能。兩種情況，用排除方法，先用堵頭將採樣入口堵住，觀察儀器流量是否接近零，如果接近零，說明管路不漏氣，如果流量變化不大，說明管路有漏氣，先檢查管路。在不漏氣情況下，檢查採樣泵，泵抽力不夠主要有泵膜髒了、泵膜破了、泵軸承壞了。

泵膜髒情況：泵膜髒，泵膜上面有污垢，上下振動不緊密，抽力不夠，用酒精清洗泵膜乾燥後安裝回去，報警排除。

泵膜壞情況：在拆開泵後，發現泵膜已經出現斷裂，更換新泵膜後裝回去，流量和壓力都正常了。

2、流量過低報警

例行任務檢查零點和跨度變化不大，到現場檢查發現有流量報警。流量報警是因為通過流量感測器的氣流少，未達到設定的流量值面報警，檢查流量為何少了。從儀器管路出發，分兩部分排除，第一部分是採樣總管到儀器採樣入口處，第二部分為儀器內部，這兩部分可能有堵塞了，先檢查第一部分，管路無堵塞，過濾器膜也比較乾淨，不是外部環境堵塞，檢查第二部分，氣體沿反應室管路走，檢查毛細管時，發現毛細管內部黑黑的，正常為玻璃透明的，應該是有灰塵進入毛細管造成堵塞，用酒精浸泡5min後清洗安裝回去，流量正常。

3、COOLER溫度99℃報警

現場巡檢時COOLER溫度報警，從理論出發，COOLER是使光電倍增管處於低溫環境減少干擾的散熱器，溫度過高會影響PMT工作。溫度高了，有可能是COOLER故障了，或散熱不良。先從可以簡單處理的入手，先清洗COOLER後面的風扇濾網，使得散熱更加好，這時報警排除。

4、COOLER溫度－99℃報警

巡檢發現COOLER溫度－99℃報警，風扇濾網很乾淨，用手去摸COOLER的散熱片，發現很涼，說 明COOLER沒有工作，沒有工作可能是因為沒有通上電，關機。把連線COOLER接線頭拔出，檢查線頭及線，完好，再將線接回去時，開機顯示99℃報警，這個是COOLER溫度過高的報警，說明COOLER的感測器經接入，待開機後40min，COOLER工作正常，報警排除，從這可看出，有可能是線頭接觸不良造成供電不正常，造成報警。

5、無臭氧輸出

無臭氧輸出，常見的故障：臭氧發生器故障，臭氧發生器高壓故障，測量量程故障。跨度檢查發現儀器無反應，從原理出發，標氣儀器數據基本無變化，可能是臭氧部分出現了問題，無臭氧與NO反應就不能產生光，光電倍增管採集不到光就不能計算轉換成NO濃度。產生臭氧的裝置是臭氧發生器，查看供電，供電板臭氧供電燈亮，供電正常，將臭氧發生器拆下，發現臭氧發生器放電電極處有嚴重的生鏽現象，正常為光亮的，從管路上去查找，空氣經過乾燥瓶後來到臭氧流量開關再進入臭氧發生器的，出現生鏽很有可能進入大量水氣，這時發現乾燥瓶里的變色矽膠已經全部變紅，失去了乾燥功能，水氣直接進入臭氧發生器，在高壓放電情況下臭氧發生器損壞了。經過更換臭氧發生器後，儀器正常。從這說明了平時的維護矽膠沒有及時更換就容易造成儀器的故障。

6、鉬爐無法加熱

鉬轉化效率低，發現鉬爐溫度低報警，鉬爐加熱燈常亮。加熱燈常燈，說明加熱控制器正在輸出電壓，用萬用表測量加熱絲兩端電壓，有電壓輸出，正常，但加不上熱，確定就是鉬爐內加熱器故障。