基于NDIR 进行氮氧化物检测的汽车尾气检测气路系统设计

（佛山市南华仪器股份有限公司，广东 佛山 528200）

1 技术背景

以往国内的汽车尾气检测仪器普遍使用电化学分析法测量NOx排放物，因为长时间测量电化学传感器容易老化，影响测量的准确性，严重情况下甚至不能正常测量。以检测站为例，原有的尾气检测设备在连续测量较多汽车时，测量NOx的电化学传感器只有3～6 个月的使用寿命，必须更换NOx电化学传感器，造成检测站运营效率的降低与运营成本的增加。使用电化学传感器测量NOx排放物，存在响应时间慢、变化趋势慢、受压力影响的不稳定性等缺点。随着国家对大气污染问题越来越重视，对机动车排放的氮氧化物的检测与治理也越来越严格。在2019-05-01 实施的GB 18285—2018《汽油车污染物排放限值及测量方法》中明确规定对NOx气体的测定不得采用电化学法，优先采用红外法、紫外法或化学发光法。2019-05-01 起实施的GB 3847—2018《柴油车污染物排放限值及测量方法》也增加了对柴油车氮氧化物排放限值及测量方法的说明，并明确规定不得采用电化学法测量。因此，原有的汽车排放气体测试仪已不能满足检测要求，必须进行升级改造，改进对氮氧化物的检测方法。

部分仪器生产厂家提出一种汽车尾气氮氧化物检测系统，设有气体转换装置，通过加热还原将NO2转换为NO 再进行测量，但要获得高的转化率就要使气体达到600 ℃以上的高温，所以对装置的耐高温要求比较高。此类检测仪在初次使用、周期维护和计量校准时必须进行检测，以保证其转化率达到仪器使用说明书或相关规范的要求。此外，此方法的响应时间也比较长，因而存在一定的局限性。

采用NDIR（不分光红外法）进行氮氧化物检测则不存在以上的问题，但在实验中发现NDIR 气体分析光学平台检测NOx时对样气中的粉尘及水气浓度要求非常高。因此，设计了新的检测气路解决上述问题，在检测前经过多级过滤去除粉尘、水蒸气等干扰因素，使检测结果更精确，且实现汽车尾气检测过程的检漏、调零、校准、反吹清洗的全过程自动化。

2 气路系统基本要求及设计关键

NDIR 气体分析平台属于精密的检测部件，而汽车排放气体中含有不少粉尘和颗粒物，为保证仪器测量的准确性及能长时间正常运行，在检测前必须对样气进行多次粉尘和颗粒物过滤，使其转化为干净的气体才可通入分析平台进行气体浓度的检测。而采用NDIR 检测氮氧化物尤为重要的是除水和恒温，必须在气路中设置干燥冷却装置，降低样气水气浓度及露点温度，以降低H2O 对NOx测量的干扰，从而保证仪器准确测量。此外，汽车排放气体测试仪的使用规程中要求每次开机测量前能自动完成检漏及环境空气检查，每检完一辆车能自动完成反吹清洗采样气路。除了采样气路外，还应设有校准气路、检查气路和调零气路，这就需要设置相关的电磁阀进行气路的切换，实现检测过程的自动化，而把气路进行整合优化，缩短气路的长度，实现减少气阻和缩短检测响应时间是设计的关键和难点。

3 气路原理及工作流程

气路系统如图1 所示。

汽车尾气检测的流程为：仪器开机→预热→检漏→调零→环境空气检查→测量→反吹清洗→测量→反吹清洗……每测量1 次反吹清洗1 次，如此反复进行。气路中的气泵开启便可使气路前端的样气采集装置抽取样气进入检测气路，样气依次经过前置过滤器、水过滤器、物理冷凝器、水分离器、电子冷却器除去粉尘、颗粒物及水蒸气，再进入气体分析光学平台进行检测。气路中还设有环境空气入口、零气入口、校准气入口、检查气入口及压缩空气入口，通过气路中的二通电磁阀及三通电磁阀的开合来控制气路中各分支气路的切换，从而实现自动检漏、自动校正、自动检测及自动反吹清洗。具体检测及工作状态如下。

图1 气路系统示意图

3.1 检漏状态

为了保证检测精度，仪器在每次使用前必须先进行检漏，检漏合格才可进行后续检测。检漏时，用塞头堵住样气采集装置，QB1/QB2 气泵启动对气路系统抽真空，抽至一定压力后真空泵停止，进入检漏状态，通过支接于采样气路上的压力传感器来判断气路是否存在漏气现象。

3.2 自动校准调零

在气体分析光学平台进气口前方支接零气入口、检查气入口及校准气入口，且在3 个入口分别设置二通电磁阀DF4、DF5 及DF6 来控制各入口的开启和关闭。为避免检测状态下样气进入校准调零气路，在分支气路上设置单向阀DX3、DX4；为保证校准调零时，校准气体全部通入光学平台，在校准调零气路接入点的前方分别设置有单向阀DX2、DX5。QB1/QB2 气泵关闭，通过开启相应气路的电磁阀实现气路的切换，即可实现对光学平台的校准调零与检查调试。

3.3 测量状态

气泵开启，样气采集装置即可抽取汽车排气管中的尾气。抽取的样气先通过GL1 前置过滤器去除样气中部分的水及颗粒物，再经过GL2 水过滤器。GL2 水过滤器中设置2个与DF1 电磁阀控制电路相连接的金属柱，当过滤出的水触及两金属柱底部时即可触发DF1 电磁阀的开启，排出GL2水过滤器中的水，排水后DF1 电磁阀回复闭合状态，以保证气路的气密性。样气继续通过GL3 物理冷凝器及GL4 带粉尘过滤的水分离器继续去除水蒸气及粉尘颗粒物，冷凝水及过滤水直接由QB1 气泵排出仪器外部。样气经过QB2 气泵后分为2 路，分别通往NOx气体分析光学平台以及HC/CO/CO2气体分析光学平台进行气体成分的检测，最后通过排气口排出仪器外。由于气体分析光学平台对水蒸气十分敏感，即便极少量的水蒸气也影响检测结果，因此在样气进入气室前，再分别增加LQ1/LQ2 电子冷却器作为干燥冷却装置进一步去除样气中的水蒸气，且能保证样气温度稳定，使每次测量环境相对一致，从而使测量重复性良好。

3.4 反吹功能的实现及环境空气的检定

由于每检测完一辆车，检测气路中会残留有前一次检测的汽车尾气，如果不清洗气路，必然影响下一台车的检测结果。这就要求每次检测后都必须对气路进行清洗。在过滤器GL4 出口与气泵入口之间支接反吹压缩空气源，且在反吹压缩空气源接入气路处增加二通电磁阀DF7，用于控制压缩空气的接通与断开。压缩空气接入点至QB2 气泵入口之间的主管路上设置三通电磁阀，旁路的入口连接纤维过滤器5 及环境空气入口。为了让更多的压缩空气进入样气采集装置，在过滤器GL4 的排水管路设置三通电磁阀，用于在反吹装态下将管路切换接入环境空气。

反吹状态时，DF2 及DF3 电磁阀启动，将GL4 的排水管路及主气路切换至断开状态，DF7 电磁阀启动接通反吹压缩空气。因主气路已断开，压缩空气高速从样气采集装置喷射而出，达到清洁气路及样气采集装置的目的。

环境空气的检定时，QB1/QB2 气泵开启，电磁阀DF2、DF7 关闭，电磁阀DF3 开启换至旁路，抽取环境空气进入气体分析光学平台，对环境背景空气中的HC、CO、CO2、NOx的浓度进行测定。如果任一污染物超标，仪器将进行锁止，不得进行后续的排放检测。

4 实际应用及效果

此检测气路系统已应用于南华公司自主研发的汽车排放气体测试仪及柴油车排气分析仪中，经过现场测试体现出相关设备良好的性能，检测精度满足最高级别00 级仪器的要求，测量的物理响应时间小于等于8 s，采样迅速，实时性好，能够满足多种检测工况的测量，符合GB 18285—2018、GB 3847—2018 等一系列国家标准的要求，达到国内领先水平。

5 结语

采用NDIR 进行汽车尾气氮氧化物的检测在国内属于首创的新技术，此检测气路通过设置多级过滤器去除样气中的粉尘颗料物及水，设置电子冷却器保证检测气体温度稳定且达到进一步除水的效果，解决了NDIR 检测氮氧化物时受水蒸汽、温度等干扰因素影响的难题，实现了技术的突破。目前，南华公司应用此技术的汽车排放气体测试仪及柴油车排气分析仪已广泛应用于汽车检测站的环保线上，设备的检测精度高、重复性好，且自动化程度高、操作简便，效率高。