基于NDIR 進(jìn)行氮氧化物檢測(cè)的汽車(chē)尾氣檢測(cè)氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（佛山市南華儀器股份有限公司，廣東 佛山 528200）

1 技術(shù)背景

以往國(guó)內(nèi)的汽車(chē)尾氣檢測(cè)儀器普遍使用電化學(xué)分析法測(cè)量NOx排放物，因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間測(cè)量電化學(xué)傳感器容易老化，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，嚴(yán)重情況下甚至不能正常測(cè)量。以檢測(cè)站為例，原有的尾氣檢測(cè)設(shè)備在連續(xù)測(cè)量較多汽車(chē)時(shí)，測(cè)量NOx的電化學(xué)傳感器只有3～6 個(gè)月的使用壽命，必須更換NOx電化學(xué)傳感器，造成檢測(cè)站運(yùn)營(yíng)效率的降低與運(yùn)營(yíng)成本的增加。使用電化學(xué)傳感器測(cè)量NOx排放物，存在響應(yīng)時(shí)間慢、變化趨勢(shì)慢、受壓力影響的不穩(wěn)定性等缺點(diǎn)。隨著國(guó)家對(duì)大氣污染問(wèn)題越來(lái)越重視，對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)排放的氮氧化物的檢測(cè)與治理也越來(lái)越嚴(yán)格。在2019-05-01 實(shí)施的GB 18285—2018《汽油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法》中明確規(guī)定對(duì)NOx氣體的測(cè)定不得采用電化學(xué)法，優(yōu)先采用紅外法、紫外法或化學(xué)發(fā)光法。2019-05-01 起實(shí)施的GB 3847—2018《柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法》也增加了對(duì)柴油車(chē)氮氧化物排放限值及測(cè)量方法的說(shuō)明，并明確規(guī)定不得采用電化學(xué)法測(cè)量。因此，原有的汽車(chē)排放氣體測(cè)試儀已不能滿足檢測(cè)要求，必須進(jìn)行升級(jí)改造，改進(jìn)對(duì)氮氧化物的檢測(cè)方法。

部分儀器生產(chǎn)廠家提出一種汽車(chē)尾氣氮氧化物檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)有氣體轉(zhuǎn)換裝置，通過(guò)加熱還原將NO2轉(zhuǎn)換為NO 再進(jìn)行測(cè)量，但要獲得高的轉(zhuǎn)化率就要使氣體達(dá)到600 ℃以上的高溫，所以對(duì)裝置的耐高溫要求比較高。此類(lèi)檢測(cè)儀在初次使用、周期維護(hù)和計(jì)量校準(zhǔn)時(shí)必須進(jìn)行檢測(cè)，以保證其轉(zhuǎn)化率達(dá)到儀器使用說(shuō)明書(shū)或相關(guān)規(guī)范的要求。此外，此方法的響應(yīng)時(shí)間也比較長(zhǎng)，因而存在一定的局限性。

采用NDIR（不分光紅外法）進(jìn)行氮氧化物檢測(cè)則不存在以上的問(wèn)題，但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)NDIR 氣體分析光學(xué)平臺(tái)檢測(cè)NOx時(shí)對(duì)樣氣中的粉塵及水氣濃度要求非常高。因此，設(shè)計(jì)了新的檢測(cè)氣路解決上述問(wèn)題，在檢測(cè)前經(jīng)過(guò)多級(jí)過(guò)濾去除粉塵、水蒸氣等干擾因素，使檢測(cè)結(jié)果更精確，且實(shí)現(xiàn)汽車(chē)尾氣檢測(cè)過(guò)程的檢漏、調(diào)零、校準(zhǔn)、反吹清洗的全過(guò)程自動(dòng)化。

2 氣路系統(tǒng)基本要求及設(shè)計(jì)關(guān)鍵

NDIR 氣體分析平臺(tái)屬于精密的檢測(cè)部件，而汽車(chē)排放氣體中含有不少粉塵和顆粒物，為保證儀器測(cè)量的準(zhǔn)確性及能長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行，在檢測(cè)前必須對(duì)樣氣進(jìn)行多次粉塵和顆粒物過(guò)濾，使其轉(zhuǎn)化為干凈的氣體才可通入分析平臺(tái)進(jìn)行氣體濃度的檢測(cè)。而采用NDIR 檢測(cè)氮氧化物尤為重要的是除水和恒溫，必須在氣路中設(shè)置干燥冷卻裝置，降低樣氣水氣濃度及露點(diǎn)溫度，以降低H2O 對(duì)NOx測(cè)量的干擾，從而保證儀器準(zhǔn)確測(cè)量。此外，汽車(chē)排放氣體測(cè)試儀的使用規(guī)程中要求每次開(kāi)機(jī)測(cè)量前能自動(dòng)完成檢漏及環(huán)境空氣檢查，每檢完一輛車(chē)能自動(dòng)完成反吹清洗采樣氣路。除了采樣氣路外，還應(yīng)設(shè)有校準(zhǔn)氣路、檢查氣路和調(diào)零氣路，這就需要設(shè)置相關(guān)的電磁閥進(jìn)行氣路的切換，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化，而把氣路進(jìn)行整合優(yōu)化，縮短氣路的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)減少氣阻和縮短檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

3 氣路原理及工作流程

氣路系統(tǒng)如圖1 所示。

汽車(chē)尾氣檢測(cè)的流程為：儀器開(kāi)機(jī)→預(yù)熱→檢漏→調(diào)零→環(huán)境空氣檢查→測(cè)量→反吹清洗→測(cè)量→反吹清洗……每測(cè)量1 次反吹清洗1 次，如此反復(fù)進(jìn)行。氣路中的氣泵開(kāi)啟便可使氣路前端的樣氣采集裝置抽取樣氣進(jìn)入檢測(cè)氣路，樣氣依次經(jīng)過(guò)前置過(guò)濾器、水過(guò)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(jìn)入氣體分析光學(xué)平臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)。氣路中還設(shè)有環(huán)境空氣入口、零氣入口、校準(zhǔn)氣入口、檢查氣入口及壓縮空氣入口，通過(guò)氣路中的二通電磁閥及三通電磁閥的開(kāi)合來(lái)控制氣路中各分支氣路的切換，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢漏、自動(dòng)校正、自動(dòng)檢測(cè)及自動(dòng)反吹清洗。具體檢測(cè)及工作狀態(tài)如下。

圖1 氣路系統(tǒng)示意圖

3.1 檢漏狀態(tài)

為了保證檢測(cè)精度，儀器在每次使用前必須先進(jìn)行檢漏，檢漏合格才可進(jìn)行后續(xù)檢測(cè)。檢漏時(shí)，用塞頭堵住樣氣采集裝置，QB1/QB2 氣泵啟動(dòng)對(duì)氣路系統(tǒng)抽真空，抽至一定壓力后真空泵停止，進(jìn)入檢漏狀態(tài)，通過(guò)支接于采樣氣路上的壓力傳感器來(lái)判斷氣路是否存在漏氣現(xiàn)象。

3.2 自動(dòng)校準(zhǔn)調(diào)零

在氣體分析光學(xué)平臺(tái)進(jìn)氣口前方支接零氣入口、檢查氣入口及校準(zhǔn)氣入口，且在3 個(gè)入口分別設(shè)置二通電磁閥DF4、DF5 及DF6 來(lái)控制各入口的開(kāi)啟和關(guān)閉。為避免檢測(cè)狀態(tài)下樣氣進(jìn)入校準(zhǔn)調(diào)零氣路，在分支氣路上設(shè)置單向閥DX3、DX4；為保證校準(zhǔn)調(diào)零時(shí)，校準(zhǔn)氣體全部通入光學(xué)平臺(tái)，在校準(zhǔn)調(diào)零氣路接入點(diǎn)的前方分別設(shè)置有單向閥DX2、DX5。QB1/QB2 氣泵關(guān)閉，通過(guò)開(kāi)啟相應(yīng)氣路的電磁閥實(shí)現(xiàn)氣路的切換，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)平臺(tái)的校準(zhǔn)調(diào)零與檢查調(diào)試。

3.3 測(cè)量狀態(tài)

氣泵開(kāi)啟，樣氣采集裝置即可抽取汽車(chē)排氣管中的尾氣。抽取的樣氣先通過(guò)GL1 前置過(guò)濾器去除樣氣中部分的水及顆粒物，再經(jīng)過(guò)GL2 水過(guò)濾器。GL2 水過(guò)濾器中設(shè)置2個(gè)與DF1 電磁閥控制電路相連接的金屬柱，當(dāng)過(guò)濾出的水觸及兩金屬柱底部時(shí)即可觸發(fā)DF1 電磁閥的開(kāi)啟，排出GL2水過(guò)濾器中的水，排水后DF1 電磁閥回復(fù)閉合狀態(tài)，以保證氣路的氣密性。樣氣繼續(xù)通過(guò)GL3 物理冷凝器及GL4 帶粉塵過(guò)濾的水分離器繼續(xù)去除水蒸氣及粉塵顆粒物，冷凝水及過(guò)濾水直接由QB1 氣泵排出儀器外部。樣氣經(jīng)過(guò)QB2 氣泵后分為2 路，分別通往NOx氣體分析光學(xué)平臺(tái)以及HC/CO/CO2氣體分析光學(xué)平臺(tái)進(jìn)行氣體成分的檢測(cè)，最后通過(guò)排氣口排出儀器外。由于氣體分析光學(xué)平臺(tái)對(duì)水蒸氣十分敏感，即便極少量的水蒸氣也影響檢測(cè)結(jié)果，因此在樣氣進(jìn)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(jìn)一步去除樣氣中的水蒸氣，且能保證樣氣溫度穩(wěn)定，使每次測(cè)量環(huán)境相對(duì)一致，從而使測(cè)量重復(fù)性良好。

3.4 反吹功能的實(shí)現(xiàn)及環(huán)境空氣的檢定

由于每檢測(cè)完一輛車(chē)，檢測(cè)氣路中會(huì)殘留有前一次檢測(cè)的汽車(chē)尾氣，如果不清洗氣路，必然影響下一臺(tái)車(chē)的檢測(cè)結(jié)果。這就要求每次檢測(cè)后都必須對(duì)氣路進(jìn)行清洗。在過(guò)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(kāi)。壓縮空氣接入點(diǎn)至QB2 氣泵入口之間的主管路上設(shè)置三通電磁閥，旁路的入口連接纖維過(guò)濾器5 及環(huán)境空氣入口。為了讓更多的壓縮空氣進(jìn)入樣氣采集裝置，在過(guò)濾器GL4 的排水管路設(shè)置三通電磁閥，用于在反吹裝態(tài)下將管路切換接入環(huán)境空氣。

反吹狀態(tài)時(shí)，DF2 及DF3 電磁閥啟動(dòng)，將GL4 的排水管路及主氣路切換至斷開(kāi)狀態(tài)，DF7 電磁閥啟動(dòng)接通反吹壓縮空氣。因主氣路已斷開(kāi)，壓縮空氣高速?gòu)臉託獠杉b置噴射而出，達(dá)到清潔氣路及樣氣采集裝置的目的。

環(huán)境空氣的檢定時(shí)，QB1/QB2 氣泵開(kāi)啟，電磁閥DF2、DF7 關(guān)閉，電磁閥DF3 開(kāi)啟換至旁路，抽取環(huán)境空氣進(jìn)入氣體分析光學(xué)平臺(tái)，對(duì)環(huán)境背景空氣中的HC、CO、CO2、NOx的濃度進(jìn)行測(cè)定。如果任一污染物超標(biāo)，儀器將進(jìn)行鎖止，不得進(jìn)行后續(xù)的排放檢測(cè)。

4 實(shí)際應(yīng)用及效果

此檢測(cè)氣路系統(tǒng)已應(yīng)用于南華公司自主研發(fā)的汽車(chē)排放氣體測(cè)試儀及柴油車(chē)排氣分析儀中，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試體現(xiàn)出相關(guān)設(shè)備良好的性能，檢測(cè)精度滿足最高級(jí)別00 級(jí)儀器的要求，測(cè)量的物理響應(yīng)時(shí)間小于等于8 s，采樣迅速，實(shí)時(shí)性好，能夠滿足多種檢測(cè)工況的測(cè)量，符合GB 18285—2018、GB 3847—2018 等一系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

5 結(jié)語(yǔ)

采用NDIR 進(jìn)行汽車(chē)尾氣氮氧化物的檢測(cè)在國(guó)內(nèi)屬于首創(chuàng)的新技術(shù)，此檢測(cè)氣路通過(guò)設(shè)置多級(jí)過(guò)濾器去除樣氣中的粉塵顆料物及水，設(shè)置電子冷卻器保證檢測(cè)氣體溫度穩(wěn)定且達(dá)到進(jìn)一步除水的效果，解決了NDIR 檢測(cè)氮氧化物時(shí)受水蒸汽、溫度等干擾因素影響的難題，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的突破。目前，南華公司應(yīng)用此技術(shù)的汽車(chē)排放氣體測(cè)試儀及柴油車(chē)排氣分析儀已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)檢測(cè)站的環(huán)保線上，設(shè)備的檢測(cè)精度高、重復(fù)性好，且自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便，效率高。