化學發(fā)光法NO2空氣質(zhì)量自動監(jiān)測儀原理及常見問題淺析.doc

化學發(fā)光法NO2空氣質(zhì)量自動監(jiān)測儀原理及常見問題淺析曾凡萍 劉澍萍鄉(xiāng)市環(huán)境監(jiān)測站 江西 萍鄉(xiāng) 337000摘要：化學發(fā)光法NO2空氣質(zhì)量自動監(jiān)測儀是用來監(jiān)測大氣中NO2含量的專用儀器，利用化學發(fā)光法原理研制而成。我站引入美國API化學發(fā)光法NO2空氣質(zhì)量自動監(jiān)測儀（M200E）進行24小時連續(xù)監(jiān)測。本文闡述了化學發(fā)光法測量空氣中NO2 濃度的基本原理、NO2監(jiān)測分析儀結(jié)構(gòu)、功能和特點，就我站在使用化學發(fā)光法測NO2空氣質(zhì)量自動監(jiān)測儀過程中出現(xiàn)的一些常見問題進行剖析,以供參考。關(guān)鍵詞：大氣環(huán)境監(jiān)測；化學發(fā)光法；常見問題；分析處理 中圖分類號：X-1近年來，隨著我國工業(yè)和交通業(yè)的迅速發(fā)展，大量化石燃料燃燒、汽車尾氣以及工業(yè)排放的廢氣等1對大氣造成了較為嚴重的二氧化氮(NO2)污染。NO2是大氣主要污染物之一，對人體呼吸道系統(tǒng)有刺激作用，長時間暴露在高濃度NO2下可誘發(fā)支氣管炎、哮喘等呼吸道疾病2，3。準確測定環(huán)境大氣中的NO2濃度對于了解大氣污染機制、判斷大氣污染的程度、確定污染來源、進行空氣質(zhì)量預警，以及幫助制定合理的城市規(guī)劃建設等都具有重要意義。NO2的測定方法有分光光度法4和化學發(fā)光法5。分光光度法需要先將空氣樣品通過吸收溶液捕集后，再進行測定，因而工作量大，數(shù)據(jù)時間分辨率低，方法靈敏度較差。而化學發(fā)光法測定NO2具有靈敏度高、選擇性好、測量范圍大、不需要化學藥劑和實時在線測量等優(yōu)點，特別適合于NO2濃度很低的大氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)應用7-9。我站引入美國API紫外熒光法NO2空氣質(zhì)量自動監(jiān)測儀（M200E）對空氣進行24小時連續(xù)監(jiān)測?，F(xiàn)就我站在使用過程當中出現(xiàn)的一些常見問題進行剖析，以供參考。1 基本原理及系統(tǒng)組成作者：曾凡萍（1978- ）男，漢，江西萍鄉(xiāng)，研究生，工程師，環(huán)境工程專業(yè)1. 1化學發(fā)光法原理(1) 樣氣中的NO與O3反應生成激發(fā)態(tài)的NO2，激發(fā)態(tài)的NO2通過發(fā)射光子從而釋放多余的能量回到低能態(tài)。該反應有兩個過程：第一步，單個NO與單個O3碰撞，發(fā)生反應產(chǎn)生一個O2和一個NO2分子。在碰撞后，部分NO2保留一定數(shù)量的多余能量，因此處于激發(fā)態(tài)，NO2分子的一個電子保留有比正常狀態(tài)更高的能量。激發(fā)態(tài)的分子要釋放出能量回到基態(tài)，并以光子形式發(fā)出，波長為600-3000nm，峰值大約是1200nm。反應方程式即：NO + O3 NO2*+O2 NO2*NO2 + h式中：NO2*處于激發(fā)態(tài)的二氧化氮;h普朗克常數(shù);發(fā)射光子的頻率。該反應的發(fā)射光譜在6003200nm范圍內(nèi)，通過光電倍增管( PMT)測定激發(fā)態(tài)的NO2返回低能態(tài)時發(fā)出的光強度，檢測出NO的濃度。(2) 通過電磁閥門轉(zhuǎn)換氣路，使樣氣通過鉬爐，樣氣中的NO2在高溫下( 315與鉬(Mo)反應，還原為NO，并和樣氣中原有的NO一同進入反應室，與O3反應，從而測得樣氣中NOX的濃度。反應方程式即：3 NO2+Mo=3NO +Mo+O3(3) NOX與NO 的濃度相減得到NO2濃度。NOX自動監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)較為復雜，在運行過程中，氣路、臭氧發(fā)生器、鉬爐、濾光片等發(fā)生故障，都會導致監(jiān)測數(shù)據(jù)異常。1. 2NO2濃度檢測化學發(fā)光法實際上只能測量NO，NO2的檢測是將NO2首先通過鉬轉(zhuǎn)換室變成NO，然后再進行檢測。因此，能否較好地檢測到的NO2濃度，關(guān)鍵在于鉬轉(zhuǎn)換室將NO2轉(zhuǎn)換為NO的轉(zhuǎn)換效率。影響轉(zhuǎn)換效率的主要因素有鉬轉(zhuǎn)換室的溫度、NO2濃度、NO2樣氣流量等。溫度越高，轉(zhuǎn)換效率越大，鉬轉(zhuǎn)換室的溫度一般控制在315325，高于或低于所要求的溫度其轉(zhuǎn)化率均會下降。NO2濃度越高，轉(zhuǎn)換效率越低，NO2濃度低于1800pp，樣氣流量對轉(zhuǎn)換率基本沒有影響。1. 3系統(tǒng)組成NO2自動監(jiān)測儀主要是由反應室、光電倍增管、碳氫去除器、光電檢測器、抽氣泵、高壓電路、放大電路、運算電路、顯示電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、顆粒過濾器、截流孔、風扇、溫度傳感器、壓力傳感器等多種部件組成。具體如圖1所示。圖1分析儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure diagram of the analyzer2 影響因素的分析2.1 NOX測量干擾化學發(fā)光法測量NOX有許多干擾成分，包括HO2、NH3、SO2、CO2等，其中NH3是最常見的干擾物，在NO2轉(zhuǎn)換器中會轉(zhuǎn)變成NO，產(chǎn)生NOX信號；而CO2濃度較高時，會減小NOX的信號M200E型NO2濃度分析儀有多種方法來排除這些氣體的干擾。如：加裝滲透氣體交換管，可以過濾掉高濕度空氣中的水分，并且可以有效除去NH3。2.2 PMT的底噪M200E型NO2濃度分析儀使用光電倍增管PMT測量NO和O3反應所產(chǎn)生光的數(shù)量，但任何PMT在運行時都會產(chǎn)生一定數(shù)量的噪聲。通過冷卻的方法可以降低這些固有的噪聲，但不能根除。為了確定剩余噪聲數(shù)量，可采用自動零點校正，從PMT的原始讀數(shù)中減去這個平均噪聲值。 2.3 第三方淬火激發(fā)態(tài)的二氧化氮NO2*在反應室中與中間體M碰撞，發(fā)出熒光，但反應室中的其他分子也可能和激發(fā)態(tài)的二氧化氮碰撞，影響NO2*與中間體M的碰撞，該過程稱為第三方淬火。淬火是一種不利影響，其大小與碰撞體的大小，分子多極化等性質(zhì)有關(guān)。CO2、HO2、N2、O2是常見的淬火干擾物。我們可以通過采用加裝空氣凈化器干燥器等措施加以排除。2.4 光泄漏因為M200E儀器以測量光作為計算NO2含量的方法，因此光的泄漏很有可能成為另一個重要的干擾因素。為了防止光的泄漏，反應室要求完全密閉，連接反應室的管路也要求采用非透明物質(zhì)，防止光線泄漏。3 常見問題的分析及處置31儀器不顯示“SPAN”提示導致無法進行跨度校準3.1.1故障產(chǎn)生的原因在通標氣進行跨度校準時, 儀器始終不顯示“SPAN”提示，將無法進行跨度確認(即：無法確定斜率)，這說明測量值已經(jīng)超出軟件增益的調(diào)整范圍，在模擬儀器中相當于跨度電位器已經(jīng)調(diào)到最大了。造成此種故障的原因，首先可能是因為標氣實際濃度未達到預設濃度的允許誤差范圍，或者預設濃度設置錯誤，導致與實際濃度相差過大所致。其次則應考慮是由于光電倍增管( PMT) 、前置放大增益參數(shù)設置沒有最優(yōu)化，使得測量值不在允許的范圍內(nèi)造成的。此時應對高壓電源供給(HVPS，以下簡稱高壓)和光電倍增管緩沖放大電路中的增益重新進行校準。3. 1. 2故障判斷和處理方法以儀器量程為500ppb，NO標氣濃度為400ppb為例，說明故障處理方法。向正常運行的同型號其它儀器通400ppb 標氣，通過比對判斷標氣質(zhì)量，若標氣不正常，檢查校準器和氣源。確定標氣正常后，向故障儀通400ppb的標氣，并在“CAL - CONC NO ”菜單下輸入400ppb的NO期望濃度，從而確保預設濃度的正確。完成以上兩項檢查后，若仍然無法進行跨度校準，則進入SETUP - MORE - DLAG菜單下進行電學、光學測試，調(diào)節(jié)前置放大板上增益旋紐使電學、光學測試電壓達到2000mv。向儀器NO2分析儀通零空氣，待儀器監(jiān)測值穩(wěn)定后(NOX STB 值0.2ppb) 確認零點，并記錄斜率和截距(NOX slop值、NOX OFFS值) 。正常情況下斜率為1.00.3，截距100mV。再次向儀器通400ppb的NO標氣，待測量濃度值穩(wěn)定后，對高壓(HVPS)進行調(diào)節(jié)，同時在顯示面板上觀察光電倍增管電壓讀數(shù)(PMT值)。通過調(diào)節(jié)前置放大電路板上的高壓粗調(diào)旋紐S2、高壓微調(diào)旋紐S1，使PMT顯示值約為50mv。按“CAL ”鍵，進入校準菜單，此時應出現(xiàn)“SPAN”提示，在“SPAN”路徑下確認跨度。對增益旋紐和S1、S2旋紐的調(diào)節(jié)會對電學、光學測試結(jié)果產(chǎn)生影響，再次調(diào)節(jié)增益旋紐使電學、光學測試結(jié)果滿足050mv with Zero Air。再次進行零點和跨度校準，并確認校準結(jié)果。此時儀器應滿足截距值100mV、斜率值：1. 0 0. 3的質(zhì)量控制要求。3. 2 氣流量報警當儀器面板上出現(xiàn)樣氣流量下限上限報警、臭氧流量下限上限報警、反應室壓力下限上限報警時，可能是由以下故障所引起：a、泵停止轉(zhuǎn)動，查看泵的電源是否連接良好； b、儀器的氣路中有漏氣的部位，漏氣的可能將導致儀器50%以上的故障率，判斷儀器是否漏氣，可以通過真空法和壓力法進行檢漏；c、限流孔堵塞，可清洗限流孔；d、濾膜需要更換；e、重新校準報警的傳感器。3.3 NO2濃度值近似為零當儀器運行時，出現(xiàn)NO2濃度值近似為零現(xiàn)象，可能存在以下問題：a、氣路的問題（比如：樣氣氣路不通或臭氧氣路不通），解決方法：檢查氣路并進行檢漏，在采樣口或臭氧氣體入口接轉(zhuǎn)子流量計，測試實際流量，看和標準流量相差多大。b、鉬爐出現(xiàn)故障，解決方法：檢查鉬爐。在采樣口接轉(zhuǎn)子流量計，在NO/NOx轉(zhuǎn)化閥動作時，查看流量計的顯示是否有異常變化。 c、臭氧發(fā)生器出現(xiàn)故障，在采樣口進行高濃度氣體檢查，讓煙氣進入儀器，則倍增管輸出在幾秒中內(nèi)的變化在1000ppb以上，則說明臭氧發(fā)生器沒有問題，如果兩者沒有明顯變化，則說明臭氧發(fā)生器存在故障，需對臭氧發(fā)生器進行維修。34 通訊故障中心站與子站的連接主要是通過電話線和調(diào)制解調(diào)器（Modem）來完成，因此保證中心站與子站的通訊暢通便顯得尤為重要。3.4.1 Modem不能自動應答一般情況下從中心站在向子站撥號過程中，如果聽不到Modem聲，則通常有兩種可能：一種是子站停電，另一種就是Modem故障。停電復位后，如果Modem 仍無應答，則須對其進行重新設置。如果則須對其進行重新設置未能恢復正常，則需更換Modem。3.4.2 無法進入子站儀器面板出現(xiàn)這種情況一般有下列兩種原因：(1) 通訊串口死機造成這一現(xiàn)象主要原因是由于上一次與子站連接過程中的不正當退出，從而造成子站的通訊串口死機。解決此問題只有去現(xiàn)場復位。(2) 電話線路問題正常撥號情況下，如果子站Modem 能夠自動應答，但是卻無法進入子站儀器面板，則另一種可能就是電話線路問題，造成這一現(xiàn)象的原因有電話線路老化，下雨造成接口的粘連等。此時可通過現(xiàn)場電話機加以確認，如果確有故障應及時向電信部門加以報修。3.4.3 無法撥通子站當使用軟件撥號時，經(jīng)常會出現(xiàn)“串口已打開”的提示，這說明你的數(shù)據(jù)端口正被其它資源占用，或許你剛用完Modem，電腦沒有及時把數(shù)據(jù)源釋放出來，此時只要重啟軟件或調(diào)制解調(diào)器就可避免。4 結(jié)語美國API化學發(fā)光法NO2空氣質(zhì)量自動監(jiān)測儀（M200E）應用化學發(fā)光法的檢測方法，實現(xiàn)了對大氣中NO2氣體濃度的檢測。采用化學發(fā)光法測量NO2濃度具有操作簡單、精度較高、抗干擾強、分析速度快、靈敏度高、選擇性好、分析速度快等優(yōu)點，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動連續(xù)監(jiān)測。是測量大氣中NO2濃度的理想儀器。能為企業(yè)和政府決策提供準確、及時的技術(shù)數(shù)據(jù)，對于加強污染管理，改善生態(tài)環(huán)境，有積極的推動作用。因此具有廣泛的應用前景。但對于環(huán)境空氣監(jiān)測而言，做好儀器的維護校準工作，使儀器維持穩(wěn)定良好的運行狀態(tài)，才是最基本的。參考文獻1 Gould J，Golob T F. 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