分析仪器单元.doc

动 力 改 变 世 界2.2.3 分析仪器单元分析仪器单元是试验中用来测量由CVS单元采集的污染物浓度的部分。下面分别介绍各个分析仪器的测量原理。2.2.3.1 总碳氢化合物（THC）分析仪CAI 301型总碳氢化合物（THC）分析仪采用高灵敏度氢火焰离子化型检测器(FID)，以（H2 40He 60）混合气体为燃气，纯净空气为助燃气。样气中的碳氢化合物在随燃气和助燃气燃烧的过程中被离子化，并由检测器测量。仪器用丙烷（C3H8）气体标定，测量值以丙烷浓度表示。FID的原理是利用有机碳氢化合物在氢火焰（2000）的高温中燃烧时，一部分分子或原子就会离子化生成自由离子。如果外加适当的电场，形成离子电流产生微电流信号。其电流的大小和碳素数、试样流量和浓度成正比。经过电流放大器，可把随碳原子浓度变化而形成的离子电流加以测量和记录。据此原理而制成的FID构造简图见图4a），其b）为原理图。图4 FID构造简图a）和 原理图b）FID分析仪可测从几个ppm到50000ppm浓度的HC，且线性关系很好。而且它对各种HC的感度是正比于碳素的，故对烯烃和芳香族的感度比NDIR分析仪高得多，当两种分析仪都用正己烷标定时，其浓度测得值可差1.82.5倍，即R=FID测值/NDIR测值=1.82.5。所以CVS取样测定法中使用FID分析HC。试样气体、燃气、空气等流量变化对测量感度有很大影响，必须精确控制。由于HC中各组分的沸点不同，高沸点的HC在取样过程中会产生凝缩，所以要避免凝缩损失及防止水蒸气凝结堵塞毛细管等情况发生。试样中氧浓度增加会降低FID分析仪的灵敏度：当H2/O2流量比不同，HC的应答变化很大，一般HC的应答误差控制在5%以内是好的。用CVS法时，试样中含有20%氧时，进入FID就产生氧干扰问题，其干扰程度和FID所用的燃料有关。多使用40% H2+60%N2做燃气；校正用标准气：载气用空气而不用氮气，零空气也用空气。2.2.3.2 氮氧化物（NOx）分析仪测量氮氧化物（NOx）的CAI 400型氮氧化物（NOx）分析仪是属于化学发光型分析仪（CLD），它包括两种工作模式。摩托车排气中的氮氧化物几乎全是NO和NO2，最初使用NDIR型分析仪测定NO，用NDUV（非分散型紫外分析仪）分析NO2，其和则为NOx，但这两种方法都因输出特性呈非线性关系以及干扰组分影响大，从1973年以后规定使用化学发光型分析仪（CLD），测定NOx。化学发光法的原理如下： NO+O3NO2*+O2 （1） NO2*NO2+hr （2）在NO模式，当气样中的NO和O3（臭氧）反应生成NO2时，大约有10%的NO2处于激化状态（以NO2*表示）。这些激态分子按（2）式向基态过渡时，发射出波长5902500nm的光量子hr，其强度与NO量成正比，利用光电倍增管将这一光能转变为电信号输出可推算出NO浓度。在NOx模式，样气首先进入NOx转换装置，样气中的NOx包括NO和NO2，其中的NO2在此转换成NO，全部的NO经反应、检测，输出一个正比于NOx的直流电流，数字面板表显示NOx的浓度。由NOx的浓度减去NO的浓度就可得到NO2的浓度。图5为CLD的结构简图。 图5 CLD原理简图CLD的优点为感度高可达0.1ppm，应答性好，在10000ppm范围内输出特性呈线性关系，适于连续分析。为了提高CLD分析仪的感度，应尽量增大O3浓度，降低其他成分浓度。为此应检查臭氧发生管的效率，定期检查维护真空泵，使反应器维持在良好的减压状态。NO2转换器的效率直接影响分析精度，故要定期检查，当转换器效率低于95%时，应更换新品。在排气成分中，其他产生化学发光的物质有CO、烯烃等，由于它们都以比59nm短的波长发光，用能透过近红外光的玻璃滤光器后，可忽略它们对NO分析仪的影响。但CO2共存成分易转移NO2*的能量，使发光消光。在CVS测定情况下，这种干扰可忽略。但在直接取样（直采法）时，CO2浓度变化大，要注意这种测定的影响。2.2.3.3 氮氧化物（NOx）转化效率测定仪 NOXGEN III a) 简介化学发光分析仪，例如英国Signal公司4000系列，依赖于分析仪内部的NO2到NO转换器的转换效率。有了这一转换器，可以测量样品气体中的全部氮氧化物（NOx=NO+NO2）。美国环保总署（EPA）1979重型车法规规定，转换器初次使用之前必须进行检查，以后每周要检查，以确保转换效率至少是90%。Signal公司的NOXGEN III产生数量精确已知的NO2，用于测试转换器的效率，完全符合EPA的要求。这台仪器结构紧凑，廉价，控制精密。测试结果重复性好，这些是从上一代转换效率测试仪无法得到的。O3由一电脉冲供电的高能量灯产生，改变电脉冲可以调整O3的产量。与高压电晕放电技术相比较，NOXGEN III 不会由空气产生任何NO。仪器内有一个稳压电路，一个脉冲馈送给一个高压电源变压器，克服电网电压的变化，确保仪器工作稳定，使产生的NO2的浓度稳定。工作原理NO和O2送入效率仪，高能灯将部分空气转换成O3。O2与O3的混合气体送入NO气流中，于是NO立即被O3转化成NO2，余下的O2与NO进行化学反应再一次产生NO2，但是，这一反应非常慢，转换效率测试中不需要考虑。产生的NO2的量由NO浓度的下降来确定。例如，如果NO浓度下降了400vpm，那么，相应地，产生400vpm的NO2，因为这一氧化反应是1:1的分子反应。因此，NO2的浓度正比于产生的O3的浓度。当效率仪与分析仪的转换器连接以后，NO2应该转换回NO。从获得的测试结果，可以确定转换器的效率。 03发生器Signal公司的NOXGEN III利用高效高能光源系统将O2离子化成O3。O3发生器整体安装在仪器内部一个盒内。没有授权的人员不要打开盒子，因为即使切断电源，盒子内仍然有高压电。b) 安装概述Signal公司NOXGEN III的外壳是3u高度19”标准机箱。可以放在桌面上，也可装入19”标准机柜。放在桌面上时，机箱的前部有可以张开的支脚，使仪器倾斜，方便使用。当安装在19“机柜里时，要拆掉支脚。为此，松开底盖的4个十字头螺钉，向后拉底盖以便取下底盖。底盖取下后，可以很容易的拆下4个支脚，然后安装好底盖。至此，可以随时安装到19”及柜中。该仪器采用Parker CP1 不锈钢管接头。因为存在NO，NO2和O3，它们都是腐蚀性气体，特别注意要确保管路没有泄漏。要按照生产厂家的建议来拆装这些压力管接头，注意不要拧得过紧。03 标准气的连接标准气应是NO，N2做平衡气，浓度与分析仪使用的标准气的浓度接近。仪器后面板有1/4”的管接头，应该使用特氟龙（PTFE）或不锈钢管。不要使用尼龙或铜管。该仪器使用之前，仪器标准气的气路不要加压力，因为一旦在标准气进气口加压，会立即产生气流。O2/空气入口将O2或空气钢瓶与这一接头使用特氟龙（PTFE）或不锈钢管连接，最普遍的情况是使用O2，但是，使用干燥空气也可以产生与使用O2时几乎同样高的O3的产量，另外， signal NOXGENIII经过仔细设计，不会将空气中的氮气转换成NO,这表明，使用空气仍然可以做转换器效率测定而不降低精度。能见到的唯一差别是标准气中NO被转换为NO2，NO读数降低，也就是说，使用空气将使较少的NO转换为NO2，使用氧气可将较多的NO变为NO2。 气体出口这一接头也应该使用1/4”特氟龙（PTFE）或不锈钢管连接到被测试的NOx分析仪的标定气输入口。电源使用有良好接地端的电缆连接到220/240V(或110V,如果仪器后面板名牌标明的话)。c)操作控制面板A-电源开关 B-O3发生器开关C-电源接通氖气指示灯 D-O3发生器电源接通氖气指示灯E-O3发生器高压指示灯，只在出现故障时亮F-O3产量细调 G-O2开关阀H-O3产量粗调 I-O2流量调节J-标准气流量调节d) 使用操作步骤注意：没有气体通入O3发生器时，O3发生器不要接通电源。1、 确保全部的管路连接按照安装说明的要求完成。2、 将标准气NO 和氧气（或空气）钢瓶的减压器设置为大约10psig或0.75bar表压。3、 NOx分析仪设置成NO模式。4、 接通电源。但是，这时不接通O3发生器的电源。5、 将效率仪的氧气阀旋至OFF。6、 调整标准气的流量使之适合NOx分析仪的要求，等待稳定，直到从分析仪读到NO标准气的合适的读数。记下此读数（读数A）。7、 打开效率仪前面板上的氧气开关阀（G），使用流量计的针阀（I）调节氧气流量，直到分析仪的读数下降了第6步读数的大约10%。记下这一减小了的读数（读数B）。8、 按下O3发生器的电源开关（B）接通电源，是用粗调开关（H）和细调拨码开关（F）来改变O3的产量。这一调整要一直进行到分析仪的读数进一步降低至第6步得到的读数A的20%。在这一阶段，效率仪中的O3正在将标准气NO转换成为NO2，读数的降低相应于此刻正产生的NO2的量。不管采取什么方法，总要保留第6步读数（A）的10%。记录下分析仪这一新的读数（读数C）.9、 记录下稳定读数C后，分析仪切换到NOx 模式，待读数稳定。记录读数（读数D）。10、 切断O3电源，待NOx分析仪读数稳定并记录这一新读数（读数E）。这一读数将是（由O3和NO的混合气体产生的）NO2转换回NO的量。11、 关闭前面板O2气阀门，观察分析仪读数。这一读数应该与第6步的读数一样。与第6步的唯一不同是已将分析仪置于NOx模式，因此，标准气钢瓶中的一些NO2将产生高于第6步的读数。2.2.3.4 一氧化碳/二氧化碳（CO/CO2）分析仪CAI 200型一氧化碳/二氧化碳（CO/CO2）分析仪是属于不分光红外型（NDIR）分析仪。NDIR工作原理是基于大多数非对称分子（除去单原子气体或双原子组成的分子外）对红外波段中一定波长具有吸收能力，其吸收程度与被测气体的浓度有关。如CO能够吸收长波4.55m的红外光线，CO2能吸收44.5m波长的红外线。不分光型红外气体分析仪构造简图见图6，它由两个相同的红外光源、分析室、基准室、检测室、信号放大器及记录显示器等组成。红外光源辐射出27m波长的红外辐射，抛物体反射镜聚成平行光束。崭波器把连续光束调制成一定频率光信号。在基准室内封入对红外线不吸收的气体如氮。在分析室内通过测定气体。在检测室内装有可变电容器其动极为铝箔薄膜把检测室分成左、右两个辐射接收室，并在检测室中充入纯的待测气体。当红 图6 NDIR原理简图 图7 CO浓度与电输出变化关系外光同时照射分析室和基准室时，由于分析室试样气体吸收红外光线使之减光，结果检测室左、右两个接收室接收的红外辐射能不同，热能不同产生压力不同，使薄膜发生位移，于是可动极和固定极之间电容量发生变化（约0.10.01pF）。当分析室内被测气体浓度变化时，到达检测室的红外光强度大体根据下式变化：I=I0 e-kcl式中 I通过分析室红外光强度；I0通过基准室外红外光强度；K光能吸收系数；C被测气体浓度；L光路（分析室）长度。当浓度变化愈大，转换成检测室电容量的变化愈大，得到的电输出信号也愈大。一般CO浓度变化与电输出的变化关系见图7 。在滤波室中充入干扰气体，滤掉干扰气体所能吸收的那部分波段。如分析CO的分析仪，在滤波室中充以CO2、CH4等，将红外光源中44.5m，2.3、3.4、7.6m的波段吸收掉，在分析时就不受排气中CO、CH4成分的干扰。同样分析CO2用的分析仪，要在滤光室中充CO、CH4气体。NDIR分析仪主要用来分析CO、CO2 。用来分析HC时，（检测室内封入正已烷C6H14），但对HC中的烯烃和芳香族感度很低，所以在CVS取样测定