張 濤，樊海春*，汪 鋒

(1.天津同陽科技發(fā)展有限公司 天津 300384；2.天津市大氣污染物監(jiān)測技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300384)

0 引 言

近年來，隨著工業(yè)發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，空氣質(zhì)量不斷降低，對(duì)人們生產(chǎn)和生活的影響越來越大。我國境內(nèi)霧霾天氣頻發(fā)，工業(yè)廢氣、施工揚(yáng)塵、機(jī)動(dòng)車尾氣等所排放的固體細(xì)顆粒物都是導(dǎo)致霧霾天氣頻發(fā)的元兇[1]。

隨著我國機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)逐步升級(jí)，在道路上行駛的各種車輛尾氣排放水平將會(huì)有很大差距。有效降低機(jī)動(dòng)車尾氣排放對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的污染，發(fā)現(xiàn)并治理高排放的車輛，對(duì)于改善城市空氣質(zhì)量狀況非常必要。目前控制機(jī)動(dòng)車污染的主要舉措是機(jī)動(dòng)車尾氣年檢和日常的路檢和巡檢，但實(shí)際檢測中仍然存在很多問題：傳統(tǒng)的檢測方法為接觸式檢測[2-5]，對(duì)機(jī)動(dòng)車排氣管采樣，然后用常規(guī)儀器進(jìn)行分析[6-7]，費(fèi)時(shí)費(fèi)力、成本高、操作難度大，4名工作人員一天只能檢測100余輛車，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到篩選高污染車的目的。

由于所采用的雙怠速法檢測方法弊端較多，其檢測結(jié)果不能全面、準(zhǔn)確反映機(jī)動(dòng)車真實(shí)的排放狀況，其中機(jī)動(dòng)車加速度對(duì)尾氣檢測精確度影響較大。檢測過程中人為性強(qiáng)，給化油器車留下了作弊的機(jī)會(huì)。檢測指標(biāo)單一，只能單獨(dú)測量一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)、氮氧化物、顆粒物的排放濃度[8-9]。工況法則需要被檢車輛進(jìn)場檢測，檢測效率低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了實(shí)時(shí)檢測的要求。

目前尾氣檢測采用的主要手段是在行車道架設(shè)龍門架，放置光源和接收器，在路面放置反射鏡，對(duì)單車道采用反射式安裝方法，雖然能實(shí)現(xiàn)對(duì)單車道的測量，但是路面反射鏡極易受到煙塵、雨水和其他污染物的污染，測量結(jié)果真實(shí)性差；另一種做法是在道路兩側(cè)分別放置光源和接收器，但只能針對(duì)容納一輛機(jī)動(dòng)車通過的單車道路況進(jìn)行測量，應(yīng)用場所受到很大限制[10-12]。

另外，現(xiàn)有技術(shù)中機(jī)動(dòng)車加速度測量的方式主要有高精度 GPS測試設(shè)備和陀螺儀加速度計(jì)[13]，這兩種方式均需要將設(shè)備放置在機(jī)動(dòng)車中才能測量，通過外部測量的主要方式是應(yīng)用攝像機(jī)進(jìn)行圖像抓拍計(jì)算，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度高而且精度較差，而且汽車尾氣測量等技術(shù)又要求準(zhǔn)確測量汽車行駛的加速度，因此準(zhǔn)確從外部測量車輛加速度就顯得格外重要。

1 汽車尾氣監(jiān)測原理

該汽車尾氣監(jiān)測系統(tǒng)包括一種汽車尾氣遙測裝置以及汽車加速度檢測裝置。

如圖1所示，機(jī)動(dòng)車尾氣監(jiān)測系統(tǒng)是全天候室外在線遙感檢測系統(tǒng)，專門針對(duì)城市主道路設(shè)計(jì)的多車道固定式機(jī)動(dòng)車尾氣遙感監(jiān)測。該系統(tǒng)可以對(duì)任何一輛從道路上通過的汽車的尾氣排放值進(jìn)行分析(包括汽油車、柴油車、天然氣車)。

圖1 機(jī)動(dòng)車尾氣監(jiān)測系統(tǒng)整體效果示意圖Fig.1 Diagram of the overall effect of the system of vehicle exhaust monitoring

道路上正常行駛的汽車經(jīng)過光源與檢測器之間的紅外光和綠光光束時(shí)，其排放的尾氣中 CO2、CO、NOx、HC(丙烷)對(duì)光線有吸收作用，這樣紅/綠光源發(fā)出的透射光被檢測器檢測到光強(qiáng)將會(huì)減弱，而減弱的程度與污染物的濃度相關(guān)。在檢測過程中，用攝像機(jī)抓拍車頭或車尾的圖像，獲取車輛牌照，同時(shí)利用雷達(dá)測速或者光切割測速法可測定車輛的速度與加速度。

2 汽車尾氣遙測裝置結(jié)構(gòu)和功能

汽車尾氣遙測裝置是一種基于單波非色散紅外(NDIR)和漫反射技術(shù)的機(jī)動(dòng)車尾氣遙測設(shè)備，包括尾氣檢測單元、抓拍檢測觸發(fā)系統(tǒng)、獨(dú)立光源。其中獨(dú)立光源用于發(fā)射調(diào)制后的中紅外光，采用漫反射的形式使空域內(nèi)充滿均勻的紅外光；通過尾氣檢測單元前端的平凹透鏡匯聚，當(dāng)經(jīng)過車輛所排放的尾氣煙團(tuán)出現(xiàn)在光路上時(shí)，改變了紅外光的強(qiáng)度，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)排放氣體的檢測；當(dāng)車輛抓拍檢測觸發(fā)系統(tǒng)檢測道路有來車時(shí)，將車輛信息通過傳輸線發(fā)送給尾氣遙測單元，該單元將檢測到的尾氣信息和車輛信息進(jìn)行數(shù)據(jù)整合疊加，經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸接口，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行目刂破脚_(tái)。

圖2 機(jī)動(dòng)車尾氣檢測原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the detection principle of vehicle exhaust

如圖 2所示，設(shè)備采用漫反射的形式，安裝調(diào)試靈活，1尾氣檢測單元和2獨(dú)立光源可以安裝于道路上方的橫梁處，采用俯射的形式，也可以安裝于行車道的兩側(cè)，采用對(duì)射的形式。2獨(dú)立光源發(fā)射調(diào)制后的中紅外光，采用漫反射的形式使空域內(nèi)充滿均勻的紅外光。當(dāng) 11車輛抓拍檢測觸發(fā)系統(tǒng)檢測道路有來車時(shí)，將車輛信息通過 13傳輸線發(fā)送給尾氣遙測單元，遙測單元將檢測到的車輛尾氣信息疊加到抓拍的車輛信息后，經(jīng) 14數(shù)據(jù)傳輸接口，通過 3傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行目刂破脚_(tái)。

如圖 3所示，由于采用的是漫反射的形式，所以通過 2獨(dú)立光源所發(fā)射出的紅外光在空間上是面向各個(gè)方向且分布均勻，而被檢測車道的光路，通過 1尾氣檢測單元前段的平凹透鏡匯聚于12尾氣遙測單元。當(dāng)經(jīng)過車輛所排放的尾氣煙團(tuán)出現(xiàn)在光路上時(shí)，改變了光路強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)排放氣體的檢測。且內(nèi)部設(shè)計(jì)參考基準(zhǔn)通道，能夠?yàn)V除掉環(huán)境氣體因素的影響，使測量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

圖3 機(jī)動(dòng)車尾氣檢測示意圖Fig.3 Schematic diagram of the detection of vehicle exhaust

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，可在不影響車輛正常行駛的前提下，完成對(duì)車輛尾氣排放情況的檢測。設(shè)備克服了目前遙感設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)多車道路段的準(zhǔn)確檢測問題，使得多車道同時(shí)獨(dú)立檢測成為可能。由于紅外光源采用漫反射的形式，尾氣檢測設(shè)備光路呈發(fā)散型，可采用俯射式安裝也可以采用對(duì)射式安裝，同時(shí)可實(shí)時(shí)監(jiān)測車流量。與傳統(tǒng)的平行光路在車輛增多時(shí)易出現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)錯(cuò)誤相比，采用發(fā)散光路不僅提高了檢測精度，同時(shí)可監(jiān)測多輛并行車輛，使監(jiān)測效率更高。設(shè)備可在多種道路條件下安裝使用，可同時(shí)檢測尾氣中的一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、碳?xì)浠衔?CH)、氮氧化物(NO)的排放濃度。

3 汽車尾氣遙測結(jié)果

通過一定濃度的標(biāo)氣進(jìn)行系統(tǒng)測試，測量結(jié)果完全滿足 JJG(京)45—2011《遙感式汽油車排放有害氣體檢測儀檢定規(guī)程》要求，數(shù)據(jù)如表1。

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果Tab.1 Test results of the system

4 結(jié) 論

隨著汽車尾氣嚴(yán)重污染環(huán)境，人們對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量越來越重視，需要加強(qiáng)機(jī)動(dòng)車尾氣的檢測。該汽車尾氣遙測設(shè)備基于單波非色散紅外(NDIR)和漫反射技術(shù)，采用漫反射的形式，打破了傳統(tǒng)形式的束縛，光源和檢測器安裝方式靈活，檢測結(jié)果受外界影響小。通過架設(shè)尾氣遙測設(shè)備，監(jiān)控通行車輛的尾氣排放情況，標(biāo)識(shí)尾氣超標(biāo)車輛，在汽車工業(yè)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)之間尋求新的平衡，為解決汽車尾氣排放污染問題尋求新的對(duì)策。

總之，隨著汽車尾氣排放對(duì)環(huán)境造成的污染越來越嚴(yán)重，加強(qiáng)汽車排放尾氣檢測能力變得尤為重要。本文介紹完全順應(yīng)我國環(huán)境現(xiàn)狀要求的監(jiān)測設(shè)備，旨在為汽車尾氣排放防治貢獻(xiàn)一份力量。