浅析NOX自动监测仪光电倍增管输出值偏小、自动零点偏移过大的问题及解决方法

(个旧市环境科研监测站，云南 个旧 661000)

NOX自动监测仪是城市环境空气连续自动监测系统中的重要组成部分，其负责分析空气中NO2气体的浓度，为各个职能部门提供可靠的数据以便做出科学决策。仪器能否连续正常工作直接关系到地区环境保护工作的有序开展。

1 仪器故障现象

2017年4月12日上午对个旧市城市空气自动监测系统少年宫子站点的NOX自动监测仪进行校准时，发现其光电倍增管输出值偏小，特别是对NO标准气体浓度为400ppb的NO跨度进行校准时倍增管输出值小，其响应值仅460mv左右，调整R19开关和DIP开关时光电倍增管视值变化仍然不大，DIP开关全开时，倍增管的高压已达902v(超过仪器所能接受的上限值)，但是光电倍增管输出值仍小(此时为530mv)。校准确定后斜率>1.3，已超过斜率上限。

整个校准过程中，发现自动零点漂移很大，视值在50～160mv不停地变化。主要的变化规律是：校准跨度时，自动零点视值持续升高，最高到160mv，在校准零点时，自动零点又从刚才校准跨度时出现的高值不断下降，最低到95mv左右。反复交替跨度校准和零点校准时，自动零点漂移情况仍然和上述过程相同。

2 疑似仪器故障原因

针对NOX自动监测仪出现的问题，查阅《环境空气质量连续自动监测系统》技术手册，结合日常工作中积累的经验初步判断故障原因，详见表1。

3 排除故障过程和故障分析

3.1 排查NOX自动监测仪中连接管道是否漏气

气动管路中的颗粒物不但会影响流速和响应时间，而且长时间停留在气路中会有腐蚀，会造成气路部分漏气。系统漏气是仪器发生故障最常见的，同时也是造成很多仪器故障的首要因素。NOX自动监测仪自动零点漂移过大、光电倍增管输出偏小等现象也可能与系统中管道漏气有关。同时检查漏气是排查仪器故障中较容易的部分，考虑难易程度，优先检查是否漏气。

在NOX自动监测仪工作状态下，把事先准备好的肥皂液少量而均匀地涂抹在仪器内可见的管道表面以及相连管道的密封部分，看是否冒泡并找出漏气点。实际情况并未发现有漏气点，擦去肥皂液，将仪器装好进行其他故障原因的排查。

3.2 排查反应池

表1中初步判断故障时发现造成光电倍增管输出值偏小、自动零点偏移过大的原因中有反应池受污染这一项目。先对反应池进行检查。停机待温度冷却后，拆卸反应池，发现反应池已经严重受污，全铜的反应池内部已经布满了白色、绿色的点状污垢，红色滤光玻璃片上也有点状污垢残留。迅速用擦镜纸仔细进行清洁处理，完成后装好反应池部件，NOX自动监测仪开机预热，待仪器其余各参数正常后试机。交替跨度校准和零点校准时，光电倍增管输出值仍然偏小、自动零点漂移情况仍然存在。由此可以判断反应池受污染只是造成NOX自动监测仪现有问题的一个因素，还有其他部件的故障有待排查。

表1 NOX自动监测仪故障原因及解决方法

3.3 排查光电倍增管

NOX自动监测仪是利用化学发光原理，通过测量NO与O3气相发光反应的光强度从而计算出空气中NO2的浓度，在工作过程中有以下两个重要的光化学反应：

(1)

(2)

在化学反应式(1)中一氧化氮与臭氧发生反应生成激发态的二氧化氮，在化学反应式(2)中激发态的二氧化氮分子通过发射光子以释放多余的能量回到低能态。发光的强度正好与一氧化氮的浓度成正比。此时光电倍增管接受照射在其上的光强，经过光电转换，再通过CPU计算得出NO2的浓度。

由此可见，光电倍增管是NOX自动监测仪的核心部件，只有在正常的工作状态下工作，才能保证仪器测得数据的准确性。根据表1的分析，光电倍增管受潮会引起光电倍增管输出值过小，它的损害也会造成自动零点漂移过大。排查光电倍增管是必要的。

首先把光电倍增管卸下并打开(注意避光保护光电倍增管)，在恒温烘箱中加热至50℃恒温1h，装上NOX自动监测仪开机预热，待仪器其余各参数正常后先通400ppb的NO标准气体试机。按经验判断，如果是光电倍增管受潮，在经过了恒温除湿后，通入高浓度的NO标准气体，此时光电倍增管的输出值应该比较灵敏。但是除自动零点有从大到小的下降趋势外，原先出现的光电倍增管输出值偏小现象依然存在。

为了确定本机光电倍增管是否损坏，再将故障仪器上的光电倍增管换在另一完好的NOX自动监测仪上试机，此时在这台正常的NOX自动监测仪上并不出现以上的故障现象，通入400ppb 高浓度NO的标准气体时，光电倍增管的输出值响应灵敏，自动零点有从大到小的下降趋势。由此可以判断故障仪器上的光电倍增管没有损坏，也排除了光电倍增管受潮所导致的仪器故障。还需进行其他故障原因排查。

3.4 排查臭氧发生器

根据表1的判断，没有臭氧参与化学反应(1)也会造成光电倍增管输出值过低。NOX自动监测仪内的臭氧是由臭氧发生器高压电离空气中的氧分子获得。所以臭氧发生器是否正常工作也成为排查的主要对象。

首先打开臭氧发生器的盖子，查看里面的变压器，发现并没有烧坏或者烧焦的迹象；然后查看里面原来的高压放电管，通过玻璃管可以观察到内部已经有大面积烧黑的迹象，由此考虑这个臭氧发生管损坏，必须更换新的高压放电管；再检查臭氧发生器的保险管时，发现已经熔断。更新后重装预热试机，光电倍增管输出过小的问题得到改善。经过半小时通400ppb的NO的标准气体试机，光电倍增管输出值基本回归正常响应范围(视值在530mv左右)。由此可判定臭氧发生器中的保险管熔断和高压放电管的损坏造成无法产生臭氧，从而最终影响到光电倍增管输出偏小使仪器无法正常工作。

3.5 排查电压/频率(V/F)转换板

该板包括模数转换(A/D)、模拟输出和数据输入输出(I/O)等通道。CPU对传感器信号的采集和对外部执行元件的控制都是通V/F板实现的。此板的出错或损坏都有可能引起所有数据的输出出错。

在现有的条件下，将两台NO2自动监测仪的电压/频率(V/F)转换板互换进行检查。把故障NO2自动监测仪上的的电压/频率(V/F)转换板换到完好的NO2自动监测仪上，开机后待仪器预热一段时间后(大约30min)，对仪器的反应池压力、样气压力、样气流量、臭氧流量进行校准。试机时发现在好的NO2自动监测仪上的表现无任何参数异常。

再把完好的NO2自动监测仪的电压/频率(V/F)转换板换到故障NO2自动监测仪上重复上述的试机过程，发现原来出现的自动零点偏移过大的问题还是存在。通过这一对换比较检查，可以肯定故障NO2自动监测仪的电压/频率(V/F)转换板并没有损坏。自动零点偏移过大的问题还有待其他部件排查。

3.6 排查自动零阀和NO/NOX阀之间漏气情况

根据表1的判断，NO2自动监测仪中自动零阀和NO/NOX阀之间漏气会导致自动零点漂移过大。在NO2自动监测仪中自动零阀和NO/NOX阀之间总共有两个电磁三通阀，其拆卸是仪器内部气路部分最复杂的，所以到最后进行排查。这两个电磁阀有三种动作方式：

①采样时，采样/校准阀和校零/校跨阀不动作，样气通过采样/校准阀(常开状态)进入仪器的反应池；

②校零方式时，采样/校准阀打开，校零/校跨阀不动作，样气气路关闭，零气通过采样/校准阀进入仪器反应池；

③校跨方式时，采样/校准阀和校零/校跨阀都动作，标气通过以上电磁阀进入仪器的反应池。

根据发现的故障规律：校准跨度时，自动零点视值持续升高，最高到160mv，在校准零点时，自动零点又从刚才校准跨度时出现的高值不断下降，最低到95mv左右。可以首先考虑是校零/校跨阀出现问题，如果校零/校跨阀在校零的状态下闭合不密封，那么样气会进入到仪器反应池对自动零点产生偏移过大的影响，正好符合出现故障的现象。

首先把校零/校跨阀拆卸下来，通过观察可以发现在电磁阀底部的气阀密闭口中有一个明显的磨损。为了保险起见把采样/校准阀也拆卸检查，同样发现气阀密闭口中有明显的磨损。一起更换新的电磁阀后，预热试机，最终出现的故障得于排除。

4 结论

(1)环境空气连续自动监测站是一个有机整体，其中任何一台监测仪都是做好环境空气监测不可缺少的一部分。

(2)环境空气自动监测站的每一台自动监测仪也是一个小的系统，考虑仪器故障问题时必须运用系统的原理加于考虑，其中任何一个小的问题部件都将对仪器的监测准确性产生影响，所以对于仪器故障排查必须做到具体仔细，一定要对照仪器的技术手册，把引起故障现象的问题部件一一列表并一一排查，不放过细小部件的排查(例如仪器内部各种小装置的保险管等)。

(3)针对平时环境空气状况不是太好的子站(少年宫环境空气质量相对较差)，更需要加强日常仪器维护的力度，例如本次出现故障的臭氧发生器，其中的高压倍增管厂家提供的使用年限是2年，现在损坏的高压倍增管只用了1年9个月；电磁三通阀厂家提供的使用年限是2年，可现在损坏的电磁三通阀只使用了1年7个月。这给了我们提示，在这一环境空气质量相对较差的子站点，日常的维护工作必须加强检查仪器的频度，对于一些易坏的耗材和部件需要多检查，争取早发现问题早解决问题，让仪器保持在良好的工作状态中运行。