一種機動車尾氣監測系統的在線監測方法與流程

2023-09-16 23:55:40 1

本發明屬於環保技術領域，尤其涉及一種機動車尾氣監測系統的在線監測方法。

背景技術：

近年來，隨著城市機動車保有量的劇增，尾氣排放已成為城市空氣的第一大汙染源。它也成為增長最快的溫室氣體排放源。機動車尾氣排放中主要含有的no、co、co2、丁烷等有害氣體還會嚴重影響人體健康，其中，co與人體血液中的血紅蛋白結合速度比o2快250倍。即使僅吸入微量co，也可能給人造成缺氧性傷害，輕者眩暈、頭疼，重者腦細胞受到永久性損傷，並且由於機動車尾氣多排放在1.5米以下，兒童吸入量一般是成人的兩倍左右，對兒童健康損害尤為嚴重。

因此機動車尾氣的在線監測顯得尤為重要。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種機動車尾氣在線監測系統，旨在機動車實現實時監測機動車在行駛過程中尾氣真實排放情況。

本發明是這樣實現的，一種機動車尾氣監測系統的在線監測方法，所述機動車尾氣監測系統包括：

向監測區域發出紫外光的紫外監測通道和向監測區域發出紅外光的紅外監測通道；

所述在線監測方法包括以下步驟：

步驟a，測量系統的背景光譜、紫外通道參考光譜、紅外通道參考光譜；

步驟b，當檢測到有機動車遮擋住紫外通道和紅外通道的光線時，主控制單元開始獲取經過該機動車所排放的尾氣吸收過的紫外光信號和紅外光信號，並根據測得的實時環境背景光譜、紫外通道參考光譜、紅外通道參考光譜計算尾氣成分。

進一步地，所述紫外監測通道包括紫外光源、no標氣池和光譜儀，所述紅外監測通道包括紅外光源、紅外標氣池和紅外探測器；所述步驟a具體為：

步驟a1，在沒有機動車通過時，對no標氣池和紅外標氣池內衝入氮氣，並採集保存背景光譜，然後對no標氣池和紅外標氣池進行排氣；

步驟a2，對no標氣池內衝入no標氣，並測量氣體吸收光譜並保存，得到紫外通道參考光譜，然後對no標氣池進行排氣；

步驟a3，對紅外標氣池內衝入co、co2、碳氫化合物標氣，並測量氣體吸收光譜並保存，得到紅外通道參考光譜，然後對紅外標氣池進行排氣；

步驟a4，最後再對no標氣池和紅外標氣池內衝入氮氣。

本發明通過紫外和紅外兩個通道來監測機動車尾氣中相應氣體成分的含量，可實現無人值守全自動在線監測，掌握機動車在行駛過程中尾氣真實排放情況，方便對重度汙染車輛進行即時治理。整個監測系統具有在線校準、實時性、監測效率高、無人職守、連續運行的優點。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的機動車尾氣監測系統的架構原理圖；

圖2是本發明實施例提供的紫外通道和紅外通道的一種安裝示意圖；

圖3是本發明實施例提供的紫外通道和紅外通道的另一種安裝示意圖；

圖4是圖1所示監測系統的一種具體實施結構圖；

圖5是圖1所示監測系統的尾氣監測方法的實現流程圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

圖1示出了本發明實施例提供的機動車尾氣監測系統架構原理，為了便於描述，僅示出了與本實施例相關的部分。

參照圖1，本機動車尾氣監測系統包括紫外監測通道1、紅外監測通道2以及主控制單元3。當機動車行駛經過後，其排放的尾氣團會吸收掉光路中的部分波長的光的光強，由於不同氣體的吸收譜是不一樣的，因此通過光路中各波段波長的光的光強變化可以演算出各氣體成分的含量。又由於尾氣是汽油和大氣在高溫高壓下反應的產物，汽油的主要成分是碳氫化合物，大氣的成分主要是氮氣和氧氣，因此尾氣中各成分的含量關係具有一定的相關性，可以通關檢測尾氣的特徵參數或特徵成分的含量來計算出其它尾氣成分的含量。本監測系統中紫外監測通道1和紅外監測通道2分別用於監測機動車尾氣對紫外光和紅外光的吸收程度，具體地，紫外監測通道1向監測區域發出紅外光，並在有機動車行駛至監測區域時，獲取經過該機動車所排放的尾氣吸收過的紅外光信號；紅外監測通道2向監測區域發出紅外光，並在有機動車行駛至監測區域時，獲取經過該機動車所排放的尾氣吸收過的紅外光信號；主控制單元3同時連接紫外監測通道1和紅外監測通道2，用於根據紫外監測通道1和紅外監測通道2的獲取的光信號計算機動車尾氣成分含量。

紫外監測通道1包括紫外光發射端和紫外光接收端，紅外監測通道2也包括紅外光發射端和紅外光接收端，安裝方式可以為如圖2所示的橫式檢測和如圖3所示的立式檢測兩種。圖2中①和②分別為紫外光/紅外光發射端和紫外光/紅外光接收端，③為檢測光路，④為道路，紫外光/紅外光發射端和紫外光/紅外光接收端分別設置於道路④兩側，檢測光路③橫穿道路④。圖3中①和②分別為紫外光/紅外光發發射端和紫外光/紅外光發接收端，③為檢測光路，⑤為路面，紫外光/紅外光發發射端設於道路上方而紫外光/紅外光發接收端設於路面上方，紫外光/紅外光發發射端和紫外光/紅外光發接收端之間的光路垂直於路面⑤。

圖4是圖1所示監測系統的一種具體實施結構。

參照圖4，紫外光發射端至少包括紫外光源11和第一準直平凸透鏡12，其中紫外光源11能夠提供搞功率的紫外光能，特別在200nm～400nm波段處，第一準直平凸透鏡12用於對紫外光源11所發出的紫外光進行高質量的準直例如可選用口徑為52mm，焦距為60mm，中心波長為225nm的紫外石英平凸透鏡實現。進一步地，紫外光源11又包括一紫外光燈控制電路和一與所述紫外光燈控制電路連接的紫外光燈，本發明實施例中，該紫外光燈選用氘燈或氙燈。紫外光接收端沿光路方向依次包括：第一聚焦平凸透鏡13、no標氣池14和光譜儀15，其中光譜儀通過usb線連接主控制單元3，第一聚焦平凸透鏡13用於光束進行聚焦接收，例如可選用口徑為120mm，焦距為360mm，中心波長為225nm的紫外石英平凸透鏡實現。no標氣池14通過第一電磁閥5連接氮氣源，具體為第一電磁閥5的入口連接氮氣源，出口連接no標氣池14，no標氣池14又通過第二電磁閥6連接一氣泵7，具體為第二電磁閥6的入口連接no標氣池14，出口連接氣泵7，no標氣池14又通過第三電磁閥8連接no源，具體為第三電磁閥8的入口連接no源，出口連接no標氣池14，主控制單元3通過一電磁閥控制電路4連接第一電磁閥5、第二電磁閥6、第三電磁閥8，實現對第一電磁閥5、第二電磁閥6、第三電磁閥8的開關控制。

紅外光發射端沿光路方向依次包括：紅外光源21和第二準直平凸透鏡22，其中紅外光源21能夠提供高功率的中紅外光能，主要波段在3～5微米處，而第二準直平凸透鏡22用於對紅外光源21所發出的紅外光進行高質量的準直，例如可採用口徑為120mm，焦距為360mm，中心波長為4000nm的紅外晶體氟化鈣的平凸透鏡實現。進一步地，紅外光源21又包括一紅外光燈控制電路和一與所述紅外光燈控制電路連接的紅外光燈，本發明實施例中，該紅外光燈選用碳化矽燈。紅外光接收端沿光路方向至少依次包括：第二聚焦平凸透鏡23、紅外標氣池24、紅外探測器25、信號處理電路26，第二聚焦平凸透鏡23用於光束進行聚焦接收，例如可採用口徑為100mm，焦距為200mm，中心波長為4000nm的紅外晶體氟化鈣的平凸透鏡實現，紅外探測器25用於對光信號進行光電轉換，信號處理電路26用於對經過紅外探測器25轉換後的信號進行放大濾波處理。其中信號處理電路26連接在紅外探測器25和主控制單元3之間，具體可通過一pci(外設部件互連標準，peripheralcomponentinterconnect)採集卡與主控制單元3連接，紅外標氣池24通過第一電磁閥5連接氮氣源，具體為第一電磁閥5的入口連接氮氣源，出口連接紅外標標氣池24，紅外標氣池24又通過第二電磁閥6連接氣泵7，具體為第二電磁閥6的入口連接紅外標氣池24，出口連接氣泵7，紅外標氣池24還通過第四電磁閥9連接co源、co2源、碳氫化合物氣體源中的一種或多種，具體為第四電磁閥9的入口連接co源、co2源、碳氫化合物氣體源中的一種或多種，出口連接所述紅外標氣池24，主控制單元3通過電磁閥控制電路4連接第一電磁閥5、第二電磁閥6、第四電磁閥9，實現對第一電磁閥5、第二電磁閥6、第四電磁閥9的開關控制。

進一步地，紅外標氣池24與紅外探測器25之間設置有一斬波器27對光信號進行調製，以滿足紅外探測器25的需要。

進一步地，為節省系統成本，減少使用電磁閥的數量，在空氣、氮氣源、no源、co源、co2源、碳氫化合物氣體源等通道中的兩個或多個通過可共用一電磁閥，此時採用多入單出型的電磁閥即可，如將圖4中第一電磁閥5和第四電磁閥所在的通道上共用一入兩齣的電磁閥。

圖5為圖2所示的機動車尾氣監測系統的在線監測方法的實現流程，詳述如下。

在步驟s501中，在主控制單元的控制下，測量背景光譜、紫外通道參考光譜、紅外通道參考光譜。

為準確測量機動車所排放的尾氣中有害氣體的濃度，需要對檢測儀器進行校準並設定一濃度計算的參考光譜，本實施例中，將此過程稱為標定。

本步驟中，標定過程包括背景光譜的測量、紫外通道參考光譜的測量、紅外通道參考光譜的測量，結合圖4，具體標定過程如下：

1.測量背景光譜，以對儀器進行校準，消除環境變化對測量精度的影響：打開第一電磁閥5和第二電磁閥6，關閉氣泵7、第三電磁閥8和第四電磁閥9，通過第一電磁閥5充入氮氣，持續衝入一段時間(20秒，可軟體設置)後關閉所有電磁閥，進行背景測量，保存紫外、紅外通道此時測量的光譜信號，作為背景光譜，打開所有電磁閥，打開氣泵7，把no標氣池14與紅外標氣池24的氮氣排走。

2.測量紫外通道參考光譜，以對no氣體進行標定：打開第二電磁閥6、第三電磁閥8，關閉氣泵7、第一電磁閥5和第四電磁閥9，通過第三電磁閥8充入標準濃度的no氣體，持續充入一段時間(20秒，可軟體設置)後關閉所有電磁閥，進行光譜測量，將測得的光譜減去上述背景光譜得到紫外通道的吸收光譜，保存紫外通道的吸收光譜，作為no氣體的標準光譜，打開所有電磁閥，打開氣泵7，把no標氣池14內的氣體排走。

3.測量紅外通道參考光譜，以對co、co2、碳氫化合物氣體進行標定：打開第二電磁閥6、第四電磁閥9，關閉氣泵7、第一電磁閥5和第三電磁閥8，通過第四電磁閥9充，持續充入一段時間(20秒，可軟體設置)後關閉所有電磁閥，進行光譜測量，將測得的光譜減去上述背景光譜得到紅外通道的吸收光譜，保存紅外通道的吸收光譜，作為紅外通道的標準光譜，打開所有電磁閥，打開氣泵，把紅外標氣池24內的混合氣體排走。

4.在標氣池內衝入氮氣：打開第一電磁閥5和第二電磁閥6，關閉氣泵7、第三電磁閥8和第四電磁閥9，通過第一電磁閥5充入氮氣時間(20秒，可軟體設置)後，關閉所有電磁閥。

完成定標過程，此時兩個標汽池內充有氮氣，氮氣對氣體吸光度沒有影響。

在步驟s502中，當檢測到有機動車遮擋住紫外通道和紅外通道的光線時，主控制單元開始獲取經過該機動車所排放的尾氣吸收過的紫外光信號和紅外光信號，並根據測得的實時環境背景光譜、紫外通道參考光譜、紅外通道參考光譜計算尾氣成分。

本實施例中，對於尾氣中no氣體濃度的計算基於紫外差分吸收原理，對co、co2、碳氫化合物氣體濃度的計算基於非分光紅外技術原理，下文僅對非分光紅外技術原理進行描述。

當紅外光通過待測氣體時，這些氣體分子對特定波長的紅外光有吸收，其吸收關係服從朗伯--比爾(lambert-beer)吸收定律。3種氣體測量通道(co/4.64μm、co2/4.26μm、hc/3.4μm)和參考通道(3.93μm)探測信號用電壓表示如下：

ugas＝igas(e-kcl)tgasrgas1.1

uref＝ireftrefrref1.2

其中，igas、iref：氣體測量通道和參考通道的出射光強；

tgas、tref：氣體測量通道和參考通道在濾光片下的透射率；

rgas、rref：氣體測量通道和參考通道中紅外探測器的響應度；

k：氣體吸收係數；

c：待測氣體濃度；

l：氣體吸收光程；

第一步：通入氮氣時，主要是對儀器進行校準，包括：光路機械結構的校準、不同波長處的出射光強的校準、濾光片透射率的校準、紅外探測器響應度的校準等。在不同的環境下需要對這個δu0進行標定。本系統中測量3種組分的氣體，故得到對應3種氣體的δu0。

第二步：通入標準氣體，設衝入的氣體濃度為c1，則有：

c1＝-ln(δu1/δu0)kl---1.4]]>

其中，δu1是測量得到衝入標準氣體時的氣體測量通道和參考通道探測電壓值比，即對kl進行標定，對於未知濃度氣體測量時有：

cx＝-ln(δux/δu0)kl---1.5]]>

把1.5與1.4式進行比較就可以得到：cx＝ln(δux/δu0)ln(δu1/δu0)&centerdot；c1]]>

其中：δux、δu1是直接測量得到。

通過公式1.3、1.4、1.5，可以看出：背景光譜用於校準儀器參數，包括光路機械結構的校準、不同波長處的出射光強的校準、濾光片透射率的校準、紅外探測器響應度的校準等。而當通入氮氣時，可認為是沒有氣體吸收(因空氣中co、co2、no、碳氫化合物氣體含量很少，基本忽略)，作為儀器參數定標，是不需要在尾氣吸收前後的光譜中都減去這個背景光譜。在實時測量時，即機動車通過時測量尾氣時，為了解決空氣中尾氣對測量的影響，處理的辦法是：系統在沒有機動車通過時，而且在下一次擋光觸發信號前的一個系統測量周期時，保存一條光譜作為當前環境下的背景光譜，此光譜是實時測量的光譜，定為「實時環境背景光譜」，此「實時環境背景光譜」與前面的背景光譜不是一個概念，前面的背景光譜、紫外通道參考光譜、紅外通道參考光譜都是定標時測量的(長時間沒有機動車通過時或者在剛安裝儀器時)。當下一次有觸發信號時，測量得到尾氣吸收光譜(此尾氣吸收光譜中包含了實時真實尾氣吸收光譜與實時環境背景光譜)，因保存的實時環境背景光譜與尾氣吸收光譜時間差為1ms(儀器響應時間)左右，可認為這1ms內的實時環境背景光譜相同，故可以通過上面測量的光譜計算實時真實尾氣吸收光譜，實際中是通過電壓值表示，減去後，即為ugas(實時尾氣光譜)-ugas(實時環境背景光譜)＝ugas(實時真實尾氣光譜)，且用ugas(實時真實尾氣光譜)代入公式1.5計算機動車通過時的尾氣真實濃度。

本領域普通技術人員可以理解實現上述各實施例提供的方法中的全部或部分步驟可以通過程序來指令相關的硬體來完成，所述的程序可內置於主控制單元3中，當有機動車遮擋住光路時即觸發該程序進行濃度計算。同時所述的程序可以存儲於一計算機可讀取存儲介質中，該存儲介質可以為rom/ram、磁碟、光碟等。

上述實施例僅示例性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。