基于NDIR 進行氮氧化物檢測的汽車尾氣檢測氣路系統設計

（佛山市南華儀器股份有限公司，廣東 佛山 528200）

1 技術背景

以往國內的汽車尾氣檢測儀器普遍使用電化學分析法測量NOx排放物，因為長時間測量電化學傳感器容易老化，影響測量的準確性，嚴重情況下甚至不能正常測量。以檢測站為例，原有的尾氣檢測設備在連續測量較多汽車時，測量NOx的電化學傳感器只有3～6 個月的使用壽命，必須更換NOx電化學傳感器，造成檢測站運營效率的降低與運營成本的增加。使用電化學傳感器測量NOx排放物，存在響應時間慢、變化趨勢慢、受壓力影響的不穩定性等缺點。隨著國家對大氣污染問題越來越重視，對機動車排放的氮氧化物的檢測與治理也越來越嚴格。在2019-05-01 實施的GB 18285—2018《汽油車污染物排放限值及測量方法》中明確規定對NOx氣體的測定不得采用電化學法，優先采用紅外法、紫外法或化學發光法。2019-05-01 起實施的GB 3847—2018《柴油車污染物排放限值及測量方法》也增加了對柴油車氮氧化物排放限值及測量方法的說明，并明確規定不得采用電化學法測量。因此，原有的汽車排放氣體測試儀已不能滿足檢測要求，必須進行升級改造，改進對氮氧化物的檢測方法。

部分儀器生產廠家提出一種汽車尾氣氮氧化物檢測系統，設有氣體轉換裝置，通過加熱還原將NO2轉換為NO 再進行測量，但要獲得高的轉化率就要使氣體達到600 ℃以上的高溫，所以對裝置的耐高溫要求比較高。此類檢測儀在初次使用、周期維護和計量校準時必須進行檢測，以保證其轉化率達到儀器使用說明書或相關規范的要求。此外，此方法的響應時間也比較長，因而存在一定的局限性。

采用NDIR（不分光紅外法）進行氮氧化物檢測則不存在以上的問題，但在實驗中發現NDIR 氣體分析光學平臺檢測NOx時對樣氣中的粉塵及水氣濃度要求非常高。因此，設計了新的檢測氣路解決上述問題，在檢測前經過多級過濾去除粉塵、水蒸氣等干擾因素，使檢測結果更精確，且實現汽車尾氣檢測過程的檢漏、調零、校準、反吹清洗的全過程自動化。

2 氣路系統基本要求及設計關鍵

NDIR 氣體分析平臺屬于精密的檢測部件，而汽車排放氣體中含有不少粉塵和顆粒物，為保證儀器測量的準確性及能長時間正常運行，在檢測前必須對樣氣進行多次粉塵和顆粒物過濾，使其轉化為干凈的氣體才可通入分析平臺進行氣體濃度的檢測。而采用NDIR 檢測氮氧化物尤為重要的是除水和恒溫，必須在氣路中設置干燥冷卻裝置，降低樣氣水氣濃度及露點溫度，以降低H2O 對NOx測量的干擾，從而保證儀器準確測量。此外，汽車排放氣體測試儀的使用規程中要求每次開機測量前能自動完成檢漏及環境空氣檢查，每檢完一輛車能自動完成反吹清洗采樣氣路。除了采樣氣路外，還應設有校準氣路、檢查氣路和調零氣路，這就需要設置相關的電磁閥進行氣路的切換，實現檢測過程的自動化，而把氣路進行整合優化，縮短氣路的長度，實現減少氣阻和縮短檢測響應時間是設計的關鍵和難點。

3 氣路原理及工作流程

氣路系統如圖1 所示。

汽車尾氣檢測的流程為：儀器開機→預熱→檢漏→調零→環境空氣檢查→測量→反吹清洗→測量→反吹清洗……每測量1 次反吹清洗1 次，如此反復進行。氣路中的氣泵開啟便可使氣路前端的樣氣采集裝置抽取樣氣進入檢測氣路，樣氣依次經過前置過濾器、水過濾器、物理冷凝器、水分離器、電子冷卻器除去粉塵、顆粒物及水蒸氣，再進入氣體分析光學平臺進行檢測。氣路中還設有環境空氣入口、零氣入口、校準氣入口、檢查氣入口及壓縮空氣入口，通過氣路中的二通電磁閥及三通電磁閥的開合來控制氣路中各分支氣路的切換，從而實現自動檢漏、自動校正、自動檢測及自動反吹清洗。具體檢測及工作狀態如下。

圖1 氣路系統示意圖

3.1 檢漏狀態

為了保證檢測精度，儀器在每次使用前必須先進行檢漏，檢漏合格才可進行后續檢測。檢漏時，用塞頭堵住樣氣采集裝置，QB1/QB2 氣泵啟動對氣路系統抽真空，抽至一定壓力后真空泵停止，進入檢漏狀態，通過支接于采樣氣路上的壓力傳感器來判斷氣路是否存在漏氣現象。

3.2 自動校準調零

在氣體分析光學平臺進氣口前方支接零氣入口、檢查氣入口及校準氣入口，且在3 個入口分別設置二通電磁閥DF4、DF5 及DF6 來控制各入口的開啟和關閉。為避免檢測狀態下樣氣進入校準調零氣路，在分支氣路上設置單向閥DX3、DX4；為保證校準調零時，校準氣體全部通入光學平臺，在校準調零氣路接入點的前方分別設置有單向閥DX2、DX5。QB1/QB2 氣泵關閉，通過開啟相應氣路的電磁閥實現氣路的切換，即可實現對光學平臺的校準調零與檢查調試。

3.3 測量狀態

氣泵開啟，樣氣采集裝置即可抽取汽車排氣管中的尾氣。抽取的樣氣先通過GL1 前置過濾器去除樣氣中部分的水及顆粒物，再經過GL2 水過濾器。GL2 水過濾器中設置2個與DF1 電磁閥控制電路相連接的金屬柱，當過濾出的水觸及兩金屬柱底部時即可觸發DF1 電磁閥的開啟，排出GL2水過濾器中的水，排水后DF1 電磁閥回復閉合狀態，以保證氣路的氣密性。樣氣繼續通過GL3 物理冷凝器及GL4 帶粉塵過濾的水分離器繼續去除水蒸氣及粉塵顆粒物，冷凝水及過濾水直接由QB1 氣泵排出儀器外部。樣氣經過QB2 氣泵后分為2 路，分別通往NOx氣體分析光學平臺以及HC/CO/CO2氣體分析光學平臺進行氣體成分的檢測，最后通過排氣口排出儀器外。由于氣體分析光學平臺對水蒸氣十分敏感，即便極少量的水蒸氣也影響檢測結果，因此在樣氣進入氣室前，再分別增加LQ1/LQ2 電子冷卻器作為干燥冷卻裝置進一步去除樣氣中的水蒸氣，且能保證樣氣溫度穩定，使每次測量環境相對一致，從而使測量重復性良好。

3.4 反吹功能的實現及環境空氣的檢定

由于每檢測完一輛車，檢測氣路中會殘留有前一次檢測的汽車尾氣，如果不清洗氣路，必然影響下一臺車的檢測結果。這就要求每次檢測后都必須對氣路進行清洗。在過濾器GL4 出口與氣泵入口之間支接反吹壓縮空氣源，且在反吹壓縮空氣源接入氣路處增加二通電磁閥DF7，用于控制壓縮空氣的接通與斷開。壓縮空氣接入點至QB2 氣泵入口之間的主管路上設置三通電磁閥，旁路的入口連接纖維過濾器5 及環境空氣入口。為了讓更多的壓縮空氣進入樣氣采集裝置，在過濾器GL4 的排水管路設置三通電磁閥，用于在反吹裝態下將管路切換接入環境空氣。

反吹狀態時，DF2 及DF3 電磁閥啟動，將GL4 的排水管路及主氣路切換至斷開狀態，DF7 電磁閥啟動接通反吹壓縮空氣。因主氣路已斷開，壓縮空氣高速從樣氣采集裝置噴射而出，達到清潔氣路及樣氣采集裝置的目的。

環境空氣的檢定時，QB1/QB2 氣泵開啟，電磁閥DF2、DF7 關閉，電磁閥DF3 開啟換至旁路，抽取環境空氣進入氣體分析光學平臺，對環境背景空氣中的HC、CO、CO2、NOx的濃度進行測定。如果任一污染物超標，儀器將進行鎖止，不得進行后續的排放檢測。

4 實際應用及效果

此檢測氣路系統已應用于南華公司自主研發的汽車排放氣體測試儀及柴油車排氣分析儀中，經過現場測試體現出相關設備良好的性能，檢測精度滿足最高級別00 級儀器的要求，測量的物理響應時間小于等于8 s，采樣迅速，實時性好，能夠滿足多種檢測工況的測量，符合GB 18285—2018、GB 3847—2018 等一系列國家標準的要求，達到國內領先水平。

5 結語

采用NDIR 進行汽車尾氣氮氧化物的檢測在國內屬于首創的新技術，此檢測氣路通過設置多級過濾器去除樣氣中的粉塵顆料物及水，設置電子冷卻器保證檢測氣體溫度穩定且達到進一步除水的效果，解決了NDIR 檢測氮氧化物時受水蒸汽、溫度等干擾因素影響的難題，實現了技術的突破。目前，南華公司應用此技術的汽車排放氣體測試儀及柴油車排氣分析儀已廣泛應用于汽車檢測站的環保線上，設備的檢測精度高、重復性好，且自動化程度高、操作簡便，效率高。