汽車尾氣排放遙感檢測技術(shù)

-VehicleE*haustTreatmentTechnologyandControl.z.汽車尾氣排放遙感檢測技術(shù)ThomasCross美國環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)公司〔ESP〕摘要本文介紹汽車尾氣遙感檢測技術(shù)，如何使用此系統(tǒng)測量駕駛中車輛的尾氣排放及如何在現(xiàn)實環(huán)境中利用車輛牌照系統(tǒng)來明確辨認(rèn)個別車輛的尾氣排放情況。本文亦會探討此系統(tǒng)在美國如何與傳統(tǒng)的尾氣排放測試計劃一并應(yīng)用，以：通過對尾氣的統(tǒng)計分析評估尾氣排放檢測計劃辨認(rèn)清潔車輛，免除它們必須到"集中僅進(jìn)行測試檢測中心〞或"非集中測試與維修尾氣檢測中心〞承受尾氣排放測試的需要在下一個年檢之前辨認(rèn)那些已出現(xiàn)排氣排放淨(jìng)化裝置問題的車輛將遙感檢測融入尾氣排放檢測與維修計劃(I/M)中本文的結(jié)論是在整個辨認(rèn)、維修、再檢測車輛的過程中，遙感檢測技術(shù)是重要，不可或缺的一環(huán)，也是一個監(jiān)測尾氣排放情況的有效方法。前言在全世界為了減低移動污染源所造成的空氣污染工作中，利用遙控感應(yīng)技術(shù)探測汽車尾氣排放是一個重要元素。祇有配合其它減少汽車尾氣的工作〔如定時在固定設(shè)施進(jìn)行汽車尾氣測試〕，遙感檢測才能成功。一個完整的汽車尾氣減低計劃需包括：將污染問題定量化： 通過監(jiān)測空氣中的污染成份或遙感檢測辨認(rèn)污染物質(zhì)： 通過遙感檢測或在固定設(shè)施定時進(jìn)行檢測證實： 通過對同一輛車至少2次的遙感檢測或在固定設(shè)施的尾氣排放測量校正： 在獨立維修設(shè)施進(jìn)行尾氣排放有關(guān)的修理核實： 在固定檢測設(shè)施進(jìn)行再檢測，證實維修工作已將問題矯正確定計劃的有效性：利用遙感檢測來測量大批車輛的尾氣排放量，計算整體平均數(shù)及不同車輛類別與年齡的平均數(shù)。計劃的有效性是以長時間監(jiān)測平均尾氣排放的減少而確定的。在辨認(rèn)移動污染源的污染狀況與監(jiān)測空氣中的污染成份兩者之間，較有效的方法是前者，因後者並不能分辨汽車的尾氣排放或固定性污染源的排放。因此遙感檢測的有效性是肯定的。遙感檢測技術(shù)2.1利用非分散性紅外線測量碳?xì)浠衔?，一氧化碳與二氧化碳雖然有不同種類的遙感檢測技術(shù)在使用和研究當(dāng)中，現(xiàn)時最多的系統(tǒng)都使用備受證實及肯定的非分散性紅外線〔NDIR〕技術(shù)。美國的固定設(shè)施內(nèi)數(shù)以千計的尾氣排放分析儀均採用已有20多年歷史的NDIR技術(shù)，每年進(jìn)行超過3千萬次尾氣排放測試。美國聯(lián)邦試驗規(guī)程〔FTP〕中所使用的新車認(rèn)證程序中，NDIR也被用來測量一氧化碳〔CO〕及二氧化碳〔CO2〕，在固定與遙感檢測NDIR系統(tǒng)中，當(dāng)一道紅外光線〔IR〕穿過汽車尾氣時，尾氣中的碳?xì)浠衔铩睭C〕，CO與CO2成份將一部份IR以不同波長〔在3-5微米範(fàn)圍內(nèi)〕吸收。波長範(fàn)圍內(nèi)的吸收足夠產(chǎn)生一個明顯、可測量的零點〔周圍空氣〕吸收及穿過汽車尾氣時的分別。一超出這些波長時，吸收力就會很低，不容易得到正確結(jié)果。紅外線由一組探測器〔通常是鉛硒〕，由探測器前的光纖濾波器"集中〞於每一個不同的波長。現(xiàn)代的系統(tǒng)，包括遙感檢測在內(nèi)的做法是利用一個裝有"割切〞濾波器的探測器，配合電子"割切〞來分隔HC，CO與CO2的不同訊號〔吸收〕強度。固定設(shè)施內(nèi)的尾氣排放分析儀的HC，CO與CO2結(jié)果是以百分比或百萬分率計算的。不在IR範(fàn)圍之內(nèi)的NO*則是以電子化學(xué)發(fā)光或化學(xué)元件測量出來的。遙感檢測設(shè)備的應(yīng)用中，NDIR的測量是以CO／CO2與HC／CO2比率計算，再以化學(xué)計算法乾汽油燃燒化學(xué)轉(zhuǎn)換成濃度，再以道路坡度，車速與加速度調(diào)整出車輛的發(fā)動機功率狀況。因此能正確的測量出車輛的速度與加速度是非常重要的?？偨Y(jié)是，不論是固定分析儀或遙感檢測儀的應(yīng)用，NDIR是一種已被證實，能有效測量HC，CO與CO2的方法。在固定分析儀內(nèi)，尾氣被捕捉進(jìn)一個小管道，這管道將紅外光由一個低電源傳送到光纖濾光探測器。遙感檢測必須征服其它因素，比方長距離、開放式道路而需要較高的電源，及天氣的影響。這一點會在稍後作詳細(xì)探討。2.2利用IR可調(diào)校性激光測量HC、CO、CO2近程IR，低電源可調(diào)校性激光的操作是在一個較低的波長，雖然在這種波長內(nèi)的CO與CO2的吸收程度較前一段所描述的中程IR低，但仍是可承受的。但是近程IR可調(diào)校性激光的吸收範(fàn)圍祇能吸收微量的HC與NO，因此這個技術(shù)的實用性祇適用於遙感檢測CO與CO2。中程IR激光在遙感檢測能覆蓋較大範(fàn)圍的波長，包括CO2，CO，HC與H2O。但它本錢高昂，儀器的性質(zhì)本身亦需要費時照料，而且需要液態(tài)氮冷卻，這種液態(tài)氮用在遙感檢測設(shè)備上是既昂貴又困難的?？偨Y(jié)來說，可調(diào)校性激光可以，並已用於遙感檢測用途。但是對於測量CO與CO2以外的尾氣成份就可能會牽涉龐大本錢及執(zhí)行上的困難。2.3利用紫外光測量HC，水蒸氣及氮氧化物〔NO*〕在遙感檢測的應(yīng)用當(dāng)中，測量HC與NO*波長的方法是以紫外光分光學(xué)來測量較大的頻譜。這樣做能得到更高的準(zhǔn)確率，因為相對於祇測量一個單一、過濾的波長，它是以一整個波長範(fàn)圍來進(jìn)行測量。與NDIR一樣，這是一個已被證實及實用的技術(shù)，並在過去7年的遙感檢測應(yīng)用中廣被使用及改善。2.4技術(shù)總結(jié)在加利弗尼亞汽車維修局〔BAR〕剛進(jìn)行過的遙感檢測測試當(dāng)中，NDIR與UV技術(shù)再度被證實能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定及方便的用於道路測試。雖然一些新的激光技術(shù)有可能在未來會有一些優(yōu)勢，他們主要是基於航空與防衛(wèi)技術(shù)，其本錢與平安性不及達(dá)到功能要求重要。現(xiàn)階段，這些技術(shù)可能較適用於研究用途多過本文所強調(diào)的遙感檢測的實用性。利用遙感檢測前文所提及的內(nèi)容較為廣範(fàn)，並適用于不同的系統(tǒng)。以下將探討美國環(huán)境系統(tǒng)公司〔ESP〕的豐富遙感檢測經(jīng)驗及ESP的設(shè)備。3.1背景與經(jīng)驗基於NDIR與UV技術(shù)的遙感檢測系統(tǒng)早在8年前已開始實際運用?？屏_拉多州丹佛大學(xué)的DonaldStedman博士則在這之前已研制出根本的技術(shù)。自1993／1994年，遙感檢測主要用於美國、加拿大、墨西哥、臺灣、澳洲、兇牙利、韓國、瑞典、瑞士和泰國最受污染的地區(qū)。它的應(yīng)用包括：記錄尾氣排放總量監(jiān)測車輛以確定定期尾氣排放檢測需要找出高排放與低排放汽車的特徵辨認(rèn)骯髒車輛同時執(zhí)行"清潔篩選〞與固定檢測設(shè)施檢測交通模式化，以辨認(rèn)一日內(nèi)*些時間的污染"熱點〞滿足美國環(huán)保署(USEPA)評估固定設(shè)施尾氣排放檢測計劃有效性的要求車輛退化研究3.2路邊設(shè)置機動車尾氣遙感檢測系統(tǒng)可以提供對任何一輛從道路上通過的車輛的排放值進(jìn)行分析。為了將尾氣排放值與錄影機所攝取到該車輛本身的車牌號碼進(jìn)行準(zhǔn)確的對照，此系統(tǒng)可以在少於1秒鍾的時間內(nèi)完成測量工作。除了讀取車牌及尾氣排放值，系統(tǒng)也測量車輛的速度與加速度，以計算被檢車輛的實際功率。圖圖1是遙感檢測系統(tǒng)的典型工作示意圖。大多數(shù)的檢測手段〔包括IM240檢測及新車形認(rèn)證檢程序所採用的FTP〕都是在一定速度及加速度範(fàn)圍內(nèi)檢測車輛的性能。這些檢測是利用車輛的速度和加速度兩個數(shù)值來推導(dǎo)車輛發(fā)動機的輸出功率並檢測當(dāng)時被檢車輛的排放值來合理評價車輛排放污染物的數(shù)據(jù)。車輛在道路行駛狀態(tài)下，道路的坡度是必須考慮影響發(fā)動機功率的一個重要因素。進(jìn)行檢測時，道路坡度、車速及加速度都用來計算被檢車輛的輸出功率，並確定捕獲的數(shù)據(jù)是否是有效的排放數(shù)值。市場上最準(zhǔn)確的速度/加速度檢測系統(tǒng)使用的是非常精確的低能量激光探測器，可以在檢測尾氣排放的一瞬間裡在每秒symbol177\f"Symbol"\s10.5±0.3mph的範(fàn)圍內(nèi)檢測並計算出通過車輛的速度和加速度。這個系統(tǒng)的精確度要比大局部警察部們所使用的雷達(dá)測速槍還要高。如圖1所示，為避將電纜接駁過馬路的必要，所有工作組件都放置在馬路的一邊。由光源組所發(fā)射的IR與UV光束穿過尾氣後再由直傳鏡反射回探測組件。光源與探測組件錄影機及自動光源與探測組件錄影機及自動車輛牌照讀取器數(shù)據(jù)整理及影像顯示直傳鏡車速/加速度探測器3.3氣候影響惡劣的天氣可影響遙感檢測系統(tǒng)的測試數(shù)量但不影響測試精確度。不良的天氣狀況不會影響採集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。ESP的遙感檢測系統(tǒng)識別並去除不理想的測量結(jié)果，確認(rèn)只有準(zhǔn)確、真實和有代表性的數(shù)據(jù)才會被收錄。雨天和霧天會因有效測量數(shù)據(jù)捕捉率的降低而影響遙感檢測的檢測效率。原因是由於水蒸氣吸收並分散紅外及紫外線，在小雨或霧天〔或車輛後輪濺起的水〕探測器接收的信號將會減弱。ESP的系統(tǒng)配有程序來探測信號的衰減及光束的分散。檢測反饋信號如果無法符合嚴(yán)格的信號及質(zhì)量條件，數(shù)據(jù)即被判定為無效數(shù)據(jù)，這種做法確認(rèn)只將有效及有代表性的數(shù)據(jù)採集和紀(jì)錄。這種即時質(zhì)量控制是系統(tǒng)每一次接收到檢測數(shù)據(jù)時嚴(yán)格質(zhì)量審核的其中一種方法。塵土和大風(fēng)亦可影響測量的效率，因為塵土和雨水及霧氣一樣會影響光的傳播。浮塵中粒物所造成的紅外及紫外光的分散視為衰減的信號。所有不能達(dá)到最小信號強度標(biāo)準(zhǔn)的測量將立即被判定為無效信號。大風(fēng)時會因為尾氣排放煙霧的離散而影響檢測。ESP的遙感檢測系統(tǒng)配有程序保存那些被減弱到一定程度並能產(chǎn)生期望的信號形狀的尾氣測量值。如果尾氣氣團不能達(dá)到最小的信號形狀標(biāo)準(zhǔn)，該系統(tǒng)將即時視之為無效信號。溫度是個太不重要的因素。ESP系統(tǒng)已經(jīng)在Phoeni*,Arizona50C的高溫及Fairbanks,Alaska–20C的情況下使用過。隨著溫度的下降,汽車排放氣體中的水蒸氣將冷凝並結(jié)晶，這些晶體將散射紅外與紫外光線，減弱光度，系統(tǒng)可以識別此類數(shù)據(jù)。3.4辯認(rèn)車輛當(dāng)車輛經(jīng)過遙感檢測系統(tǒng)時，系統(tǒng)自動攝取該車輛的牌照影像，再與其尾氣數(shù)值一起儲存在電腦硬碟內(nèi)。每一天測試完畢，ESP公司的專利軟件TagEdit?可以將牌照影像及尾氣數(shù)值從數(shù)據(jù)紀(jì)錄中轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)檔案。有關(guān)工作人員從牌照影像看出車牌資料後再輸入電腦。圖2是TagEdit版面。這個數(shù)據(jù)後處理過程確保：:處理所有影象資料以盡可能確保最高的車輛捕獲率。測量數(shù)據(jù)與車牌影象均儲存在一個可抽取的媒體中。這些數(shù)據(jù)(包括設(shè)備校準(zhǔn)紀(jì)錄)可以每天交給最終用戶做統(tǒng)計分析。系統(tǒng)對無排放氣體資料或無速度資料數(shù)據(jù)不做處理。這些數(shù)據(jù)及其車牌影像與其無法讀取的車牌紀(jì)錄一起去除，或可收錄在CD或DVD-ROM按需要提取作特別統(tǒng)計數(shù)據(jù)研究用途。自動車牌讀取系統(tǒng)(ALPR)亦可用即時數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)採用先進(jìn)的軟件將車牌影像即時轉(zhuǎn)換成電腦數(shù)據(jù)。這種做法的本錢相當(dāng)高，因此有必要衡量將尾氣排放數(shù)值與車牌即時作對比的重要性。圖2：數(shù)據(jù)編輯顯示屏幕4.數(shù)據(jù)整理數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與平安是本專利操作軟件兩個重要特點。軟件將所有的數(shù)據(jù)儲存在一個被保護(hù)格式中，只有授權(quán)人員才能打開。軟件同時要求設(shè)備操作員不能在氣體校準(zhǔn)失敗的情況下繼續(xù)檢測，從而保護(hù)數(shù)據(jù)的可靠性與質(zhì)量。軟件將所有數(shù)據(jù)儲存在一個檔案中(.VDF)。.VDF檔可以在開設(shè)另一個"T*T〞檔后轉(zhuǎn)入其他數(shù)據(jù)庫(Access,Parado*,dBase,E*cel,Quattro,Lotus,etc.)。T*T檔中的數(shù)據(jù)包括：設(shè)備編號被測車輛序號日期〔天：月：年〕時間〔時：分：秒〕CO%CO標(biāo)記CO2%CO2標(biāo)記最高CO2CO2容積HCppmHC標(biāo)記NO*ppmNO*標(biāo)記煙度煙度標(biāo)記冷啟動〔是/不是〕車速{MPH或KPH}車速標(biāo)記加速度{MPH/s或KPH/s}加速度標(biāo)記公制/英制速度與加速度識別標(biāo)記{"E〞英制或"M〞公制}車牌車牌標(biāo)記車牌種類5.認(rèn)証與質(zhì)量保證雖然美國環(huán)保署認(rèn)可用遙感檢測作計劃評估與清潔篩選，目前唯一存在的注冊標(biāo)準(zhǔn)則出自加利弗尼亞汽車維修局(BAR)。達(dá)到HC、CO、NO*及車輛速度與加速度嚴(yán)格測量標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)將頒獲此項證書。BAR使用一輛改造車輛將實際排氣管引導(dǎo)向上，遠(yuǎn)離遙感檢測光束。由車上裝有的特定校準(zhǔn)混合氣瓶注入一個與正常排氣管位置一樣的"測試〞排氣管。BAR車輛在經(jīng)過受測遙感檢測系統(tǒng)時將氣瓶中的氣體排出。車輛亦裝設(shè)特制速度與加速度系統(tǒng)以鑒定受測遙感檢測系統(tǒng)所測量的速度與加速度數(shù)據(jù)。為確保設(shè)備、操作與數(shù)據(jù)的不斷進(jìn)步和遙感檢測計劃的成功，質(zhì)量保證程序是很重要的。為儘量將設(shè)備停機時間減至最低及確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，遙感檢測軟件為根據(jù)客戶操作員、數(shù)據(jù)處理人員及審核人員所提供的資料建立了一個統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫。這些資料來自：操作員日常操作日記來紀(jì)錄噪音水平、設(shè)置與故障時間、重大的停機時間並紀(jì)錄停機原因和更正行動。數(shù)據(jù)處理員日常操作日記來紀(jì)錄車輛牌照號編輯時間及數(shù)據(jù)問題。質(zhì)量審核員日常操作日記來紀(jì)錄審核時間及設(shè)備裝置、校準(zhǔn)時所發(fā)生的問題及審核車結(jié)果。數(shù)據(jù)審核以確定遙感檢測設(shè)備與操作員效率紀(jì)錄所有電腦控制盤活動以追蹤操作員的操作行為。數(shù)據(jù)質(zhì)量保證是一個不間斷、範(fàn)圍極廣的工作，並採用自動化配備來確保數(shù)據(jù)廉正與質(zhì)素。自動提醒操作員在收集數(shù)據(jù)前進(jìn)行主要操作步驟，例如校準(zhǔn)。即時排放煙霧分析根據(jù)煙霧的濃度、煙霧離散特性及線形煙霧樣氣區(qū)別有效及無效數(shù)據(jù)。數(shù)碼數(shù)據(jù)儲存來減少數(shù)據(jù)處理及使用光碟(CD-ROMs)平安儲存以增加數(shù)據(jù)廉正性。操作員培訓(xùn)以確保操作員能勝任正常操作及保養(yǎng)遙感檢測系統(tǒng)的工作。計劃種類遙感檢測能有效的與以下定期尾氣排放計劃同時使用：以非侵?jǐn)_性統(tǒng)計分析大批車輛尾氣排放的方法不停的評估尾氣檢測計劃的有效性在下一個定期檢測前辨認(rèn)可能已出現(xiàn)尾氣排放問題的車輛〔骯髒車輛〕"清潔篩選〞車輛，方便公眾及減少固定檢測線的數(shù)量分析交通典範(fàn)，以達(dá)到制定計劃來減少或消滅污染"熱點〞的目標(biāo)結(jié)論本文介紹遙感檢測設(shè)備目前在美國及其它國家如何被用來測量行駛中車輛的尾氣污染，並如何在實際情況下以車輛牌照正確辨認(rèn)該車輛的排放狀況。本文亦描述本設(shè)備如何在美國與其它傳統(tǒng)尾氣排放測試計劃同時使用：將每個地區(qū)的車輛尾氣污染數(shù)量化通過對尾氣排放的統(tǒng)計分析評估尾氣排放檢測計劃的有效性辨認(rèn)那些可