淺析NOX自動監測儀光電倍增管輸出值偏小、自動零點偏移過大的問題及解決方法

(個舊市環境科研監測站，云南 個舊 661000)

NOX自動監測儀是城市環境空氣連續自動監測系統中的重要組成部分，其負責分析空氣中NO2氣體的濃度，為各個職能部門提供可靠的數據以便做出科學決策。儀器能否連續正常工作直接關系到地區環境保護工作的有序開展。

1 儀器故障現象

2017年4月12日上午對個舊市城市空氣自動監測系統少年宮子站點的NOX自動監測儀進行校準時，發現其光電倍增管輸出值偏小，特別是對NO標準氣體濃度為400ppb的NO跨度進行校準時倍增管輸出值小，其響應值僅460mv左右，調整R19開關和DIP開關時光電倍增管視值變化仍然不大，DIP開關全開時，倍增管的高壓已達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(此時為530mv)。校準確定后斜率>1.3，已超過斜率上限。

整個校準過程中，發現自動零點漂移很大，視值在50～160mv不停地變化。主要的變化規律是：校準跨度時，自動零點視值持續升高，最高到160mv，在校準零點時，自動零點又從剛才校準跨度時出現的高值不斷下降，最低到95mv左右。反復交替跨度校準和零點校準時，自動零點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自動監測儀出現的問題，查閱《環境空氣質量連續自動監測系統》技術手冊，結合日常工作中積累的經驗初步判斷故障原因，詳見表1。

3 排除故障過程和故障分析

3.1 排查NOX自動監測儀中連接管道是否漏氣

氣動管路中的顆粒物不但會影響流速和響應時間，而且長時間停留在氣路中會有腐蝕，會造成氣路部分漏氣。系統漏氣是儀器發生故障最常見的，同時也是造成很多儀器故障的首要因素。NOX自動監測儀自動零點漂移過大、光電倍增管輸出偏小等現象也可能與系統中管道漏氣有關。同時檢查漏氣是排查儀器故障中較容易的部分，考慮難易程度，優先檢查是否漏氣。

在NOX自動監測儀工作狀態下，把事先準備好的肥皂液少量而均勻地涂抹在儀器內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。實際情況并未發現有漏氣點，擦去肥皂液，將儀器裝好進行其他故障原因的排查。

3.2 排查反應池

表1中初步判斷故障時發現造成光電倍增管輸出值偏小、自動零點偏移過大的原因中有反應池受污染這一項目。先對反應池進行檢查。停機待溫度冷卻后，拆卸反應池，發現反應池已經嚴重受污，全銅的反應池內部已經布滿了白色、綠色的點狀污垢，紅色濾光玻璃片上也有點狀污垢殘留。迅速用擦鏡紙仔細進行清潔處理，完成后裝好反應池部件，NOX自動監測儀開機預熱，待儀器其余各參數正常后試機。交替跨度校準和零點校準時，光電倍增管輸出值仍然偏小、自動零點漂移情況仍然存在。由此可以判斷反應池受污染只是造成NOX自動監測儀現有問題的一個因素，還有其他部件的故障有待排查。

表1 NOX自動監測儀故障原因及解決方法

3.3 排查光電倍增管

NOX自動監測儀是利用化學發光原理，通過測量NO與O3氣相發光反應的光強度從而計算出空氣中NO2的濃度，在工作過程中有以下兩個重要的光化學反應：

(1)

(2)

在化學反應式(1)中一氧化氮與臭氧發生反應生成激發態的二氧化氮，在化學反應式(2)中激發態的二氧化氮分子通過發射光子以釋放多余的能量回到低能態。發光的強度正好與一氧化氮的濃度成正比。此時光電倍增管接受照射在其上的光強，經過光電轉換，再通過CPU計算得出NO2的濃度。

由此可見，光電倍增管是NOX自動監測儀的核心部件，只有在正常的工作狀態下工作，才能保證儀器測得數據的準確性。根據表1的分析，光電倍增管受潮會引起光電倍增管輸出值過小，它的損害也會造成自動零點漂移過大。排查光電倍增管是必要的。

首先把光電倍增管卸下并打開(注意避光保護光電倍增管)，在恒溫烘箱中加熱至50℃恒溫1h，裝上NOX自動監測儀開機預熱，待儀器其余各參數正常后先通400ppb的NO標準氣體試機。按經驗判斷，如果是光電倍增管受潮，在經過了恒溫除濕后，通入高濃度的NO標準氣體，此時光電倍增管的輸出值應該比較靈敏。但是除自動零點有從大到小的下降趨勢外，原先出現的光電倍增管輸出值偏小現象依然存在。

為了確定本機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自動監測儀上試機，此時在這臺正常的NOX自動監測儀上并不出現以上的故障現象，通入400ppb 高濃度NO的標準氣體時，光電倍增管的輸出值響應靈敏，自動零點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致的儀器故障。還需進行其他故障原因排查。

3.4 排查臭氧發生器

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

首先打開臭氧發生器的蓋子，查看里面的變壓器，發現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部已經有大面積燒黑的跡象，由此考慮這個臭氧發生管損壞，必須更換新的高壓放電管；再檢查臭氧發生器的保險管時，發現已經熔斷。更新后重裝預熱試機，光電倍增管輸出過小的問題得到改善。經過半小時通400ppb的NO的標準氣體試機，光電倍增管輸出值基本回歸正常響應范圍(視值在530mv左右)。由此可判定臭氧發生器中的保險管熔斷和高壓放電管的損壞造成無法產生臭氧，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)轉換板

該板包括模數轉換(A/D)、模擬輸出和數據輸入輸出(I/O)等通道。CPU對傳感器信號的采集和對外部執行元件的控制都是通V/F板實現的。此板的出錯或損壞都有可能引起所有數據的輸出出錯。

在現有的條件下，將兩臺NO2自動監測儀的電壓/頻率(V/F)轉換板互換進行檢查。把故障NO2自動監測儀上的的電壓/頻率(V/F)轉換板換到完好的NO2自動監測儀上，開機后待儀器預熱一段時間后(大約30min)，對儀器的反應池壓力、樣氣壓力、樣氣流量、臭氧流量進行校準。試機時發現在好的NO2自動監測儀上的表現無任何參數異常。

再把完好的NO2自動監測儀的電壓/頻率(V/F)轉換板換到故障NO2自動監測儀上重復上述的試機過程，發現原來出現的自動零點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自動監測儀的電壓/頻率(V/F)轉換板并沒有損壞。自動零點偏移過大的問題還有待其他部件排查。

3.6 排查自動零閥和NO/NOX閥之間漏氣情況

根據表1的判斷，NO2自動監測儀中自動零閥和NO/NOX閥之間漏氣會導致自動零點漂移過大。在NO2自動監測儀中自動零閥和NO/NOX閥之間總共有兩個電磁三通閥，其拆卸是儀器內部氣路部分最復雜的，所以到最后進行排查。這兩個電磁閥有三種動作方式：

①采樣時，采樣/校準閥和校零/校跨閥不動作，樣氣通過采樣/校準閥(常開狀態)進入儀器的反應池；

②校零方式時，采樣/校準閥打開，校零/校跨閥不動作，樣氣氣路關閉，零氣通過采樣/校準閥進入儀器反應池；

③?？绶绞綍r，采樣/校準閥和校零/?？玳y都動作，標氣通過以上電磁閥進入儀器的反應池。

根據發現的故障規律：校準跨度時，自動零點視值持續升高，最高到160mv，在校準零點時，自動零點又從剛才校準跨度時出現的高值不斷下降，最低到95mv左右?？梢允紫瓤紤]是校零/校跨閥出現問題，如果校零/?？玳y在校零的狀態下閉合不密封，那么樣氣會進入到儀器反應池對自動零點產生偏移過大的影響，正好符合出現故障的現象。

首先把校零/校跨閥拆卸下來，通過觀察可以發現在電磁閥底部的氣閥密閉口中有一個明顯的磨損。為了保險起見把采樣/校準閥也拆卸檢查，同樣發現氣閥密閉口中有明顯的磨損。一起更換新的電磁閥后，預熱試機，最終出現的故障得于排除。

4 結論

(1)環境空氣連續自動監測站是一個有機整體，其中任何一臺監測儀都是做好環境空氣監測不可缺少的一部分。

(2)環境空氣自動監測站的每一臺自動監測儀也是一個小的系統，考慮儀器故障問題時必須運用系統的原理加于考慮，其中任何一個小的問題部件都將對儀器的監測準確性產生影響，所以對于儀器故障排查必須做到具體仔細，一定要對照儀器的技術手冊，把引起故障現象的問題部件一一列表并一一排查，不放過細小部件的排查(例如儀器內部各種小裝置的保險管等)。

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