淺析NOX自動(dòng)監(jiān)測儀光電倍增管輸出值偏小、自動(dòng)零點(diǎn)偏移過大的問題及解決方法

(個(gè)舊市環(huán)境科研監(jiān)測站，云南 個(gè)舊 661000)

NOX自動(dòng)監(jiān)測儀是城市環(huán)境空氣連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中的重要組成部分，其負(fù)責(zé)分析空氣中NO2氣體的濃度，為各個(gè)職能部門提供可靠的數(shù)據(jù)以便做出科學(xué)決策。儀器能否連續(xù)正常工作直接關(guān)系到地區(qū)環(huán)境保護(hù)工作的有序開展。

1 儀器故障現(xiàn)象

2017年4月12日上午對個(gè)舊市城市空氣自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)少年宮子站點(diǎn)的NOX自動(dòng)監(jiān)測儀進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其光電倍增管輸出值偏小，特別是對NO標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度為400ppb的NO跨度進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)倍增管輸出值小，其響應(yīng)值僅460mv左右，調(diào)整R19開關(guān)和DIP開關(guān)時(shí)光電倍增管視值變化仍然不大，DIP開關(guān)全開時(shí)，倍增管的高壓已達(dá)902v(超過儀器所能接受的上限值)，但是光電倍增管輸出值仍小(此時(shí)為530mv)。校準(zhǔn)確定后斜率>1.3，已超過斜率上限。

整個(gè)校準(zhǔn)過程中，發(fā)現(xiàn)自動(dòng)零點(diǎn)漂移很大，視值在50～160mv不停地變化。主要的變化規(guī)律是：校準(zhǔn)跨度時(shí)，自動(dòng)零點(diǎn)視值持續(xù)升高，最高到160mv，在校準(zhǔn)零點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)零點(diǎn)又從剛才校準(zhǔn)跨度時(shí)出現(xiàn)的高值不斷下降，最低到95mv左右。反復(fù)交替跨度校準(zhǔn)和零點(diǎn)校準(zhǔn)時(shí)，自動(dòng)零點(diǎn)漂移情況仍然和上述過程相同。

2 疑似儀器故障原因

針對NOX自動(dòng)監(jiān)測儀出現(xiàn)的問題，查閱《環(huán)境空氣質(zhì)量連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)》技術(shù)手冊，結(jié)合日常工作中積累的經(jīng)驗(yàn)初步判斷故障原因，詳見表1。

3 排除故障過程和故障分析

3.1 排查NOX自動(dòng)監(jiān)測儀中連接管道是否漏氣

氣動(dòng)管路中的顆粒物不但會(huì)影響流速和響應(yīng)時(shí)間，而且長時(shí)間停留在氣路中會(huì)有腐蝕，會(huì)造成氣路部分漏氣。系統(tǒng)漏氣是儀器發(fā)生故障最常見的，同時(shí)也是造成很多儀器故障的首要因素。NOX自動(dòng)監(jiān)測儀自動(dòng)零點(diǎn)漂移過大、光電倍增管輸出偏小等現(xiàn)象也可能與系統(tǒng)中管道漏氣有關(guān)。同時(shí)檢查漏氣是排查儀器故障中較容易的部分，考慮難易程度，優(yōu)先檢查是否漏氣。

在NOX自動(dòng)監(jiān)測儀工作狀態(tài)下，把事先準(zhǔn)備好的肥皂液少量而均勻地涂抹在儀器內(nèi)可見的管道表面以及相連管道的密封部分，看是否冒泡并找出漏氣點(diǎn)。實(shí)際情況并未發(fā)現(xiàn)有漏氣點(diǎn)，擦去肥皂液，將儀器裝好進(jìn)行其他故障原因的排查。

3.2 排查反應(yīng)池

表1中初步判斷故障時(shí)發(fā)現(xiàn)造成光電倍增管輸出值偏小、自動(dòng)零點(diǎn)偏移過大的原因中有反應(yīng)池受污染這一項(xiàng)目。先對反應(yīng)池進(jìn)行檢查。停機(jī)待溫度冷卻后，拆卸反應(yīng)池，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)池已經(jīng)嚴(yán)重受污，全銅的反應(yīng)池內(nèi)部已經(jīng)布滿了白色、綠色的點(diǎn)狀污垢，紅色濾光玻璃片上也有點(diǎn)狀污垢殘留。迅速用擦鏡紙仔細(xì)進(jìn)行清潔處理，完成后裝好反應(yīng)池部件，NOX自動(dòng)監(jiān)測儀開機(jī)預(yù)熱，待儀器其余各參數(shù)正常后試機(jī)。交替跨度校準(zhǔn)和零點(diǎn)校準(zhǔn)時(shí)，光電倍增管輸出值仍然偏小、自動(dòng)零點(diǎn)漂移情況仍然存在。由此可以判斷反應(yīng)池受污染只是造成NOX自動(dòng)監(jiān)測儀現(xiàn)有問題的一個(gè)因素，還有其他部件的故障有待排查。

表1 NOX自動(dòng)監(jiān)測儀故障原因及解決方法

3.3 排查光電倍增管

NOX自動(dòng)監(jiān)測儀是利用化學(xué)發(fā)光原理，通過測量NO與O3氣相發(fā)光反應(yīng)的光強(qiáng)度從而計(jì)算出空氣中NO2的濃度，在工作過程中有以下兩個(gè)重要的光化學(xué)反應(yīng)：

(1)

(2)

在化學(xué)反應(yīng)式(1)中一氧化氮與臭氧發(fā)生反應(yīng)生成激發(fā)態(tài)的二氧化氮，在化學(xué)反應(yīng)式(2)中激發(fā)態(tài)的二氧化氮分子通過發(fā)射光子以釋放多余的能量回到低能態(tài)。發(fā)光的強(qiáng)度正好與一氧化氮的濃度成正比。此時(shí)光電倍增管接受照射在其上的光強(qiáng)，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，再通過CPU計(jì)算得出NO2的濃度。

由此可見，光電倍增管是NOX自動(dòng)監(jiān)測儀的核心部件，只有在正常的工作狀態(tài)下工作，才能保證儀器測得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。根據(jù)表1的分析，光電倍增管受潮會(huì)引起光電倍增管輸出值過小，它的損害也會(huì)造成自動(dòng)零點(diǎn)漂移過大。排查光電倍增管是必要的。

首先把光電倍增管卸下并打開(注意避光保護(hù)光電倍增管)，在恒溫烘箱中加熱至50℃恒溫1h，裝上NOX自動(dòng)監(jiān)測儀開機(jī)預(yù)熱，待儀器其余各參數(shù)正常后先通400ppb的NO標(biāo)準(zhǔn)氣體試機(jī)。按經(jīng)驗(yàn)判斷，如果是光電倍增管受潮，在經(jīng)過了恒溫除濕后，通入高濃度的NO標(biāo)準(zhǔn)氣體，此時(shí)光電倍增管的輸出值應(yīng)該比較靈敏。但是除自動(dòng)零點(diǎn)有從大到小的下降趨勢外，原先出現(xiàn)的光電倍增管輸出值偏小現(xiàn)象依然存在。

為了確定本機(jī)光電倍增管是否損壞，再將故障儀器上的光電倍增管換在另一完好的NOX自動(dòng)監(jiān)測儀上試機(jī)，此時(shí)在這臺正常的NOX自動(dòng)監(jiān)測儀上并不出現(xiàn)以上的故障現(xiàn)象，通入400ppb 高濃度NO的標(biāo)準(zhǔn)氣體時(shí)，光電倍增管的輸出值響應(yīng)靈敏，自動(dòng)零點(diǎn)有從大到小的下降趨勢。由此可以判斷故障儀器上的光電倍增管沒有損壞，也排除了光電倍增管受潮所導(dǎo)致的儀器故障。還需進(jìn)行其他故障原因排查。

3.4 排查臭氧發(fā)生器

根據(jù)表1的判斷，沒有臭氧參與化學(xué)反應(yīng)(1)也會(huì)造成光電倍增管輸出值過低。NOX自動(dòng)監(jiān)測儀內(nèi)的臭氧是由臭氧發(fā)生器高壓電離空氣中的氧分子獲得。所以臭氧發(fā)生器是否正常工作也成為排查的主要對象。

首先打開臭氧發(fā)生器的蓋子，查看里面的變壓器，發(fā)現(xiàn)并沒有燒壞或者燒焦的跡象；然后查看里面原來的高壓放電管，通過玻璃管可以觀察到內(nèi)部已經(jīng)有大面積燒黑的跡象，由此考慮這個(gè)臭氧發(fā)生管損壞，必須更換新的高壓放電管；再檢查臭氧發(fā)生器的保險(xiǎn)管時(shí)，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)熔斷。更新后重裝預(yù)熱試機(jī)，光電倍增管輸出過小的問題得到改善。經(jīng)過半小時(shí)通400ppb的NO的標(biāo)準(zhǔn)氣體試機(jī)，光電倍增管輸出值基本回歸正常響應(yīng)范圍(視值在530mv左右)。由此可判定臭氧發(fā)生器中的保險(xiǎn)管熔斷和高壓放電管的損壞造成無法產(chǎn)生臭氧，從而最終影響到光電倍增管輸出偏小使儀器無法正常工作。

3.5 排查電壓/頻率(V/F)轉(zhuǎn)換板

該板包括模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)、模擬輸出和數(shù)據(jù)輸入輸出(I/O)等通道。CPU對傳感器信號的采集和對外部執(zhí)行元件的控制都是通V/F板實(shí)現(xiàn)的。此板的出錯(cuò)或損壞都有可能引起所有數(shù)據(jù)的輸出出錯(cuò)。

在現(xiàn)有的條件下，將兩臺NO2自動(dòng)監(jiān)測儀的電壓/頻率(V/F)轉(zhuǎn)換板互換進(jìn)行檢查。把故障NO2自動(dòng)監(jiān)測儀上的的電壓/頻率(V/F)轉(zhuǎn)換板換到完好的NO2自動(dòng)監(jiān)測儀上，開機(jī)后待儀器預(yù)熱一段時(shí)間后(大約30min)，對儀器的反應(yīng)池壓力、樣氣壓力、樣氣流量、臭氧流量進(jìn)行校準(zhǔn)。試機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)在好的NO2自動(dòng)監(jiān)測儀上的表現(xiàn)無任何參數(shù)異常。

再把完好的NO2自動(dòng)監(jiān)測儀的電壓/頻率(V/F)轉(zhuǎn)換板換到故障NO2自動(dòng)監(jiān)測儀上重復(fù)上述的試機(jī)過程，發(fā)現(xiàn)原來出現(xiàn)的自動(dòng)零點(diǎn)偏移過大的問題還是存在。通過這一對換比較檢查，可以肯定故障NO2自動(dòng)監(jiān)測儀的電壓/頻率(V/F)轉(zhuǎn)換板并沒有損壞。自動(dòng)零點(diǎn)偏移過大的問題還有待其他部件排查。

3.6 排查自動(dòng)零閥和NO/NOX閥之間漏氣情況

根據(jù)表1的判斷，NO2自動(dòng)監(jiān)測儀中自動(dòng)零閥和NO/NOX閥之間漏氣會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)零點(diǎn)漂移過大。在NO2自動(dòng)監(jiān)測儀中自動(dòng)零閥和NO/NOX閥之間總共有兩個(gè)電磁三通閥，其拆卸是儀器內(nèi)部氣路部分最復(fù)雜的，所以到最后進(jìn)行排查。這兩個(gè)電磁閥有三種動(dòng)作方式：

①采樣時(shí)，采樣/校準(zhǔn)閥和校零/?？玳y不動(dòng)作，樣氣通過采樣/校準(zhǔn)閥(常開狀態(tài))進(jìn)入儀器的反應(yīng)池；

②校零方式時(shí)，采樣/校準(zhǔn)閥打開，校零/?？玳y不動(dòng)作，樣氣氣路關(guān)閉，零氣通過采樣/校準(zhǔn)閥進(jìn)入儀器反應(yīng)池；

③?？绶绞綍r(shí)，采樣/校準(zhǔn)閥和校零/?？玳y都動(dòng)作，標(biāo)氣通過以上電磁閥進(jìn)入儀器的反應(yīng)池。

根據(jù)發(fā)現(xiàn)的故障規(guī)律：校準(zhǔn)跨度時(shí)，自動(dòng)零點(diǎn)視值持續(xù)升高，最高到160mv，在校準(zhǔn)零點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)零點(diǎn)又從剛才校準(zhǔn)跨度時(shí)出現(xiàn)的高值不斷下降，最低到95mv左右?？梢允紫瓤紤]是校零/?？玳y出現(xiàn)問題，如果校零/?？玳y在校零的狀態(tài)下閉合不密封，那么樣氣會(huì)進(jìn)入到儀器反應(yīng)池對自動(dòng)零點(diǎn)產(chǎn)生偏移過大的影響，正好符合出現(xiàn)故障的現(xiàn)象。

首先把校零/?？玳y拆卸下來，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)在電磁閥底部的氣閥密閉口中有一個(gè)明顯的磨損。為了保險(xiǎn)起見把采樣/校準(zhǔn)閥也拆卸檢查，同樣發(fā)現(xiàn)氣閥密閉口中有明顯的磨損。一起更換新的電磁閥后，預(yù)熱試機(jī)，最終出現(xiàn)的故障得于排除。

4 結(jié)論

(1)環(huán)境空氣連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測站是一個(gè)有機(jī)整體，其中任何一臺監(jiān)測儀都是做好環(huán)境空氣監(jiān)測不可缺少的一部分。

(2)環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測站的每一臺自動(dòng)監(jiān)測儀也是一個(gè)小的系統(tǒng)，考慮儀器故障問題時(shí)必須運(yùn)用系統(tǒng)的原理加于考慮，其中任何一個(gè)小的問題部件都將對儀器的監(jiān)測準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，所以對于儀器故障排查必須做到具體仔細(xì)，一定要對照儀器的技術(shù)手冊，把引起故障現(xiàn)象的問題部件一一列表并一一排查，不放過細(xì)小部件的排查(例如儀器內(nèi)部各種小裝置的保險(xiǎn)管等)。

(3)針對平時(shí)環(huán)境空氣狀況不是太好的子站(少年宮環(huán)境空氣質(zhì)量相對較差)，更需要加強(qiáng)日常儀器維護(hù)的力度，例如本次出現(xiàn)故障的臭氧發(fā)生器，其中的高壓倍增管廠家提供的使用年限是2年，現(xiàn)在損壞的高壓倍增管只用了1年9個(gè)月；電磁三通閥廠家提供的使用年限是2年，可現(xiàn)在損壞的電磁三通閥只使用了1年7個(gè)月。這給了我們提示，在這一環(huán)境空氣質(zhì)量相對較差的子站點(diǎn)，日常的維護(hù)工作必須加強(qiáng)檢查儀器的頻度，對于一些易壞的耗材和部件需要多檢查，爭取早發(fā)現(xiàn)問題早解決問題，讓儀器保持在良好的工作狀態(tài)中運(yùn)行。