O3 42M型臭氧自动分析仪运行维护探讨

鲍 雷，刘 敏

（1.重庆市城市大气环境综合观测及污染防控重点实验室，重庆401147；2.重庆市环境监测中心，重庆401147）

1 引言

地面臭氧主要是由因燃烧等污染源排放的一次污染物氮氧化物NOx和挥发性有机物VOCS在太阳紫外线作用下发生一系列光化学反应而生成的［1］。臭氧极易分解，很不稳定，是一种强氧化剂［2～3］。研究表明，空气中臭氧浓度为0.5～1μmol／mol会引起人员一定反应，时间长了会感到口干等不适，浓度在1～4μmol／mol会引起人员咳嗽。原因就在于，作为强氧化剂，臭氧几乎能与任何生物组织发生反应。当臭氧被吸入呼吸道时，就会与呼吸道中的细胞、流体和组织很快发生反应，导致肺功能减弱和组织损伤。对那些患有气喘病、肺气肿和慢性支气管炎的人来说，臭氧的危害更为明显［4］。从保护人体健康及自然生态系统的角度出发，需要对O3进行长期、准确的观测，为政府部门制定大气污染控制政策提供准确的参考分析数据，同时也为研究 O3形成、变化、传输规律提供参考依据。2012年初国家环保部发布了环境空气质量新标准（GB 3095－2012），对臭氧实施自动监测是新标准监测的基本要求。

目前测定臭氧的方法有紫外分光光度法［5］、靛蓝二磺酸钠分光光度法、硼酸碘化钾分光光度法、碘量法、化学发光、荧光分光光度法以及长光程差分吸收光谱法（DOAS法）等。其中在自动监测领域中用得最广泛的是紫外分光光度法。其主要优点是准确度高、干扰较少、易于操作、可在线连续测量。本文以法国ESA公司生产的O342M型紫外光度法臭氧分析仪为例，介绍分析仪测量原理，并对其日常运行、维护、维修进行了探讨和总结。

2 测量原理

紫外光度法自动分析仪测量原理为：空气样气被连续地抽入并通过一个光吸收室，一个汞灯发出中心波长为253.7nm的单频纵向射线照射该光吸收室，经过吸收室后的紫外线被光电二极管或光电倍增管检测器测量，并根据在吸收室中被样气吸收的射线计算出环境空气中臭氧浓度［6］。此过程遵循朗伯－比尔定律。下式给出了臭氧在253.7nm时的吸收系数与臭氧浓度的关系：

式中：

I／I0—臭氧样气的透光度，也就是吸收室充满样气时检测器检测到的辐射度 （通常叫做光强度）与吸收室充满经过过滤器过滤后空白气体 （不含臭氧）辐射度的比率。

a—臭氧在253.7nm时的吸收系数，单位：m2／μg（a＝1.44×10－5m2／μg）。

C—在吸收室中的样气温度和样气压力环境下的臭氧浓度，单位：ppm。

d—光程的长度，单位：m。

由于环境温度和压力都对被测气体的密度有影响，吸收室内臭氧的数量也会改变光吸收的数量，因此计算结果将换算为标态浓度，故上式可以转化成下面的公式来计算臭氧浓度：

现在的臭氧分析仪均可测量吸收室内的样气的温度和压力，微处理器自动进行计算。臭氧分析仪结构示意图如图1所示，空气样气和经臭氧去除器的空白样气 （不含臭氧）轮流进入光吸收室被紫外射线照射分别得到I和I0，经计算得到空气样气的浓度。

3 分析仪部件组成及作用

O342M型臭氧分析仪结构及其组成如下：

（1）采样气路

采样头设置在采样管户外的采样气体入口端，防止雨水和粗大的颗粒物落入采样管中。采样气路应该尽可能短，气体在采样管停留的时间越短越好。允许停留时间在5s之内。采样气路材料必须对臭氧保持惰性，比如玻璃管或聚四氟乙烯管，并防止进样管路内水汽凝结，适当对管路进行加热或制冷除湿。

（2）颗粒物过滤膜

在分析仪进样口处应安装一个吸收颗粒物的过滤器，以保证整个进样系统的干净。根据采样点的环境空气中颗粒物的浓度情况，来确定更换的频律，但过滤膜的更换周期不得超过7～14d，因为颗粒物过多累积在过滤膜上会使样气中臭氧损失。过滤膜使用孔径的大小为5μm，在刚更换过新滤膜的5～15min内测试得到的臭氧浓度会临时性减少约5%～10%。

（3）光吸收室

光吸收室由臭氧惰性材料制成，比如碳氟聚合物、硼硅酸盐气体、熔融石英或涂上一层碳氟化合物的金属。必须机械性稳定，任何光学校正、调整都不会因震动或环境温度变化而受到影响。在光吸收室需要测量气体温度和压力。

（4）紫外光灯源

紫外光灯源，也就是汞灯，发射单频中心为253.7nm的紫外光。该紫外灯的电流必须稳定以使分析仪达到需要的性能规格；在测量周期中灯光的任何变异都会对结果造成偏差或干扰。

（5）紫外检测器

不同类型仪器使用的检测器不尽相同，如使用带有碲化铯感应的真空光电二极管或光电倍增管均能满足对253.7nm波长光的良好灵敏度及其它波长光可忽略的灵敏度要求。

（6）臭氧涤除器

带过滤阀的臭氧涤除器，其使用材料应对样气流中的臭氧进行选择性的去除。通常使用一个三通阀来引导环境空气通过或不通过臭氧涤除器。该三通阀要求使用对臭氧有惰性的材料制成，比如碳氟聚合物。

紫外臭氧分析器对环境大气中臭氧的测量值明显减少，其原因可能是因为臭氧涤除器失效。制造商一般会提供臭氧涤除器的平均寿命，但是实际寿命是由采样环境决定的。

（7）流量、温度、压力等参数测量部件

流量的控制通常是通过限流孔来实现的，一般是控制在限定值的±2%。温度检测器能测量在紫外检测部件中采样空气的温度，精确度在±5℃范围内。压力检测器，能测量在检测部件中采样空气的压力，精确度在±0.2kPa。

（8）信号处理、控制部分

对于系统中各部分发出相应信号，并根据设定的程序自动反复进行信号处理，应包括以下功能：空气样品、零气、跨气的导入和停止；测量频率和浓度计算；各种运行参数的判断和控制；数据显示、传输和记录等。

（9）样气泵

安装在系统的尾部从仪器中抽去采样空气。

4 仪器日常运行维护要点

要保证臭氧分析仪器监测的数据质量，必须对仪器进行周期性维护和保养。正确运行保养可以降低仪器故障概率，减少系统的维护工作量和经济成本。

（1）7～15d更换采样入口尘过滤膜，及时更换滤膜对于保护气路清洁，防止内部三通阀、限流孔阻塞非常重要。

（2）15d左右通过菜单选项检查仪器各个电参数是否正常，重要电参数如图2所示。电参数在日常运行中可以作相应记录，形成电参数随日期变化的记录表，方便随时了解该仪器各组件性能情况以便做相应的维护或维修。

（3）1个月检查1次气路气密性，可以使用经过校准的流量计在样气进气口处检查气体流速，应约为1L／min左右。如果流量不足，则可能有漏气，检查接头松紧或用棉花签蘸肥皂水等方式分段检查。

（4）半年检查气泵阀门和隔膜的状况，清洗泵的隔膜、两个阀门和垫圈，除尘或用酒精清洗不同的元件（如有必要卸下阀门），检查隔膜，如有必要进行更换。

（5）每年维护光吸收室。注意拆开光吸收室时，将光具座倾斜放置，拉出测量模块，向上松开光具座的玻璃管，注意不要让它相对于支架内部倾斜得太厉害，用沾有酒精的镜头纸清洁玻璃窗，并清洁光具座的玻璃管内部 （使用镜头纸可以避免擦伤内表面）。

（6）每年更换臭氧涤除器，更换汞灯。

（7）1年1次全面清洁，包括三通阀、限流孔、光具座等，检查所有的检测参数，并检查气路连接处的密封。

5 仪器常见故障维修

仪器维修包括预防性检修和针对性检修两种，预防性检修主要是指每年定期 （或根据使用情况）清洁气路电磁阀和限流孔、气路检漏和流量检查、电路板和各种接头及插座检查和清洁、测试并调节各电参数、泵维护检查等。

针对性检修是指在现场或维修室对于分析仪突发性的故障，能够诊断明确，能有效处理并解决故障。监测人员需要掌握一些维修技巧，能自行对仪器进行简单维修和诊断将大幅降低维修成本和缩短维修时间，以保证仪器尽快恢复运行。以下介绍O342M型臭氧分析仪几种常见故障及维修技巧：

（1）测量数据忽高忽低，波动大

首先检查仪器气体流量，如果流量异常，依次检查泵膜和内部气路接头有无松漏。一般泵膜因老化穿孔较为常见。解决方案：更换泵膜。

如果流量无问题，通过菜单检查仪器的测量信号和参比信号。当测量信号和参比信号都低于1000mv，更换汞灯。如果测量信号和参比信号相差较大，可调节两个检测器上的微调电位器。调节零电位器时把汞灯取出，两个检测器的值可调节至10mv。调整过程中检测器必须放在光具座外部，对窗口进行保护，避免紫外光进入。调节增益电位器时装上紫外灯调试，两个检测器的值可调节至4000～4500mv，且两个检测器的值相差10～300mv左右，参比信号大于测量信号。

（2）仪器无报警，各电参数均正常，但校标跨点值异常

有可能是CPU主板故障，先更换CPU主板进行测试，待确认CPU板故障后，可以先更换主板上的A／D转换芯片后再进行测试，一般可能是A／ D转换芯片故障引起的。

（3）仪器测值出零值

首先检查是否是臭氧涤除器失效，在仪器菜单中臭氧涤除器离失效有倒数天数指示值，到期后应及时更换，并重新设置时间（一般为365d）。如果臭氧涤除器无问题，就检查是否限流孔或三通螺线阀阀芯因污垢有阻塞，需要就及时更换或清洗。

（4）样气流量低或不稳定

检查泵隔膜是否破，检查颗粒物过滤器、限流孔或气路接头是否堵塞，另外可以打开零阀或标阀看流量是否增加，如果流量增加，可以判断是零气、标准气、样入口选择螺线阀组件有堵塞。

（5）实际流量与显示值不符

可能是压力、流量传感器读数飘移，需重新校正压力和流量传感器。

（6）仪器与数采仪通讯故障

更换仪器通讯板测试，待确认通讯板故障后，检查该通讯板上MAX232CPE芯片，该芯片故障率很高。检查方法是用万用表测相应的输入输出引脚电压（13脚输入、14脚输出；8脚输入、7脚输出），正常通讯时电压会有瞬间跳变［7］。如果确定为该芯片故障，只换芯片可节省大量经费 （芯片价格只有整个通讯电路板的1%）。

6 结束语

目前各地使用臭氧分析仪型号虽各不相同，但绝大多数采用点式紫外光度法臭氧自动监测仪，其原理和仪器设计思路均大致相同，因此很多仪器部件组成及特点具有一定的通性。按照环保部环境空气质量新标准实施要求，2016年1月1日之前全国将全部执行新标准监测，即全部城市 （含区县）各测点均将开展臭氧自动监测。本文有助于监测人员了解臭氧自动分析仪监测技术，提高对臭氧自动分析仪的日常管理、运行维护水平，掌握臭氧分析仪常见故障和比较便捷的处理办法，从而有利于开展大气臭氧自动监测工作。

［1］戴华茂.光化学烟雾研分综述［J］.广东化工，2009，36（7）：107－108.

［2］Rice R G，Netzer A.Handbook of ozone technology and applications［M］.UK：Ann Arbor Science，1982.

［3］白希尧，张宏.臭氧的发生及其应用研究 ［J］.自然杂志，1991，（11）：813－817.

［4］Wentworth P，Nieva J，TakeuchiC，et al.Evidence for ozone formation in human atherosclerotic Arteries［J］.Science，2003，（302）：1053－1056.

［5］崔九思.大气污染监测方法（第二版）［M］.北京：化学工业出版社，2003.

［6］翟崇治，鲍雷.环境空气自动监测技术 ［M］.重庆：西南师范大学出版社，2013.

［7］杨灿.空气自动监测站SO2监测仪故障维修［J］.分析仪器，2010，（1）：100－103.