CN119619065A - 一种尾气排放在线测量系统、测量方法和量程划分方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种尾气排放在线测量系统、测量方法和量程划分方法,涉及机动车及非道机械尾气测量技术领域,测量系统包括光源、光路切换模块、测量池组和计算控制系统;测量池组包括多组不同有效检测光程的测量池,各测量池的气路串联;光源包括激光光源;光路切换模块包括多个可切换的检测光路,检测光路与测量池一一对应,激光光源发出的激光每次测量能通过其中一个检测光路射入对应的测量池,再到达计算控制系统;计算控制系统用于完成污染气体浓度计算、对检测光路的切换控制和对激光光源的控制。本发明的优点在于:可以同时满足高精度和大跨度量程的尾气污染气体浓度测量需求。
Description
技术领域
本发明涉及机动车及非道机械尾气测量技术领域,尤其涉及一种尾气排放在线测量系统、测量方法和量程划分方法。
背景技术
为了测量机动车实际道路行驶、非道机械实际工况下尾气气态污染物的真实排放,车载式尾气监测技术应运而生,将便携式尾气测量设备安装在目标车辆上,可以全面实现尾气排放的监测和管理。
近红外和中红外光谱区域具有丰富的尾气气体污染物的吸收峰,这使得光谱检测技术成为尾气监测和污染控制领域的重要工具。由于尾气排放中多组分污染物存在光谱重叠交叉干扰,一些光谱检测方法例如非分散红外吸收法(NDIR)和傅里叶变换红外光谱法(FTIR)难以克服光谱重叠引起的测量误差,而基于可调谐激光吸收光谱技术(TDLAS)的传感器具有超高分辨率,因此,使用TDLAS的传感器可以减少尾气排气中共存气体的光谱重叠造成的干扰。基于吸收光谱测量原理的传感器以比尔-朗伯定律作为光谱分析的基础,在一定的浓度范围内,吸光度与气体浓度之间存在线性关系,通过吸光度可以反演气体浓度;此外,传感器的灵敏度由吸收光程长度决定,通过增加吸收光程长度可以增强吸光度,即可提高检测限。
在尾气监测过程中,单一传感器已经无法满足所有类型车辆排放的测量:首先是由于不同排放标准车辆排放的污染物浓度差异较大,以前的排放标准限值相对较宽松,导致旧车的污染物排放量较高,新的排放标准各项污染物减排幅度都超过95%,导致传感器的测量范围无法满足各类排放标准车辆的实际道路测试;其次,由于不同车辆的排放特性、运行状态以及环境条件等因素的差异,尾气中的污染物浓度会存在显著差异,例如使用质量较差的燃油会导致发动机工作时油气混合物燃烧不充分,从而增加尾气中污染物含量;另外,后处理催化剂需要在一定的温度范围内才能发挥最佳的催化效果,如果温度不足,催化剂的活性会降低,导致污染物无法有效分解,例如冷启动状态下,由于不完全燃烧产生的污染物从车辆排气管排出,导致在短时间内污染物的浓度会从几个ppm量级到百分比(%)量级变化。面对不同情况下车辆排放不同范围的污染物,单一传感器的测量量程有限,无法同时满足高精度和大跨度量程的监测需求。
针对上述问题,传统的解决方式是将不同测量范围的传感器组合使用,可以扩展测量能力,然而,由于使用多个量程的传感器,系统会复杂化,存在成本和维护的问题,且不易便携;此外,多个传感器之间切换工作,在测量的一致性上存在误差。
公布号为CN107063773A的专利文献公开了一种排气测量装置和排气测量装置的控制方法,通过稀释高浓度尾气的方法来划分测量量程,该方法应用时需要配备稀释气体,不满足便携式测量需求;在车载式尾气测量时,气体浓度稀释会产生误差;存在多个电磁阀、管线、混气通道等,结构复杂,切换气路时测量的响应时间长,无法实时测出尾气真实排放情况;尾气中的氨气和硫化物等腐蚀气体会吸附、腐蚀管路,造成严重测量误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于,如何同时满足高精度和大跨度量程的尾气污染气体浓度测量需求。
本发明是通过以下技术手段实现解决上述技术问题的:一种尾气排放在线测量系统,包括光源、光路切换模块、测量池组和计算控制系统;所述测量池组包括多组不同有效检测光程的测量池,各测量池的气路串联;所述光源包括激光光源;所述光路切换模块包括多个可切换的检测光路,检测光路与测量池一一对应,激光光源发出的激光每次测量能通过其中一个检测光路射入对应的测量池,再到达计算控制系统;所述计算控制系统用于完成污染气体浓度计算、对检测光路的切换控制和对激光光源的控制。
作为优化的技术方案,所述光路切换模块包括二向色镜、分束镜和切换装置,所述激光光源发出的激光依次经过所述二向色镜和所述分束镜,所述分束镜将光束分为多束,所述切换装置用于在所述分束镜分出的光束之间切换阻挡。
作为优化的技术方案,所述光源还包括可见光光源,所述可见光光源发出的可见光先经过所述二向色镜与激光合束,再经过所述分束镜。
作为优化的技术方案,所述光路切换模块还包括第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第四全反镜和合束镜,所述第一全反镜用于反射激光光源发出的激光,所述第二全反镜用于反射所述可见光光源发出的可见光,所述第三全反镜用于反射分束后的部分光束,所述第四全反镜用于反射由测量池出来的光束,所述合束镜用于反射和透过由测量池出来的光束。
作为优化的技术方案,所述切换装置包括旋转驱动装置和挡光板,所述挡光板安装在所述旋转驱动装置的旋转端。
作为优化的技术方案,所述激光光源采用单个激光器或者将多个激光器组合使用。
作为优化的技术方案,所述计算控制系统包括光电探测器、前置放大器、模数转换器和计算机;所述光电探测器采用一个探测器分时探测不同检测光路的吸收光谱信号;所述前置放大器用于对所述光电探测器输出的电流信号进行跨阻放大、滤波,输出隔去直流的交流光谱吸收信号和含直流的光谱吸收信号;所述模数转换器用于完成光谱吸收信号的数据采集;所述计算机完成污染气体浓度计算、对检测光路的切换控制和对激光光源的控制。
一种尾气排放在线测量系统的量程划分方法,用于对上述任一项所述的尾气排放在线测量系统的测量池组进行量程划分,包括以下步骤:
S1、选择能达到最低检测限光程长度的测量池作为第一测量池,通入由最低检测限浓度逐渐升高至满量程SPAN的多种浓度标准物质,通过多项式拟合出第一测量池的标定曲线;
S2、找出第一测量池的标定曲线中的非线性转折点,记为第一测量池的满量程值SPAN1;
S3、选择能达到SPAN1光程长度的测量池作为第二测量池,仿照步骤S1通入由SPAN1逐渐升高至满量程SPAN的多种浓度标准物质,通过多项式拟合出第二测量池的标定曲线;
S4、找出第二测量池的标定曲线中的非线性转折点,记为第二测量池的满量程值SPAN2;
S5、如果SPAN2的值大于或等于满量程值SPAN,则用满量程值SPAN代替SPAN2,此时测量范围划分为低浓度测量范围[检测限,SPAN1]和高浓度测量范围[SPAN1,SPAN];如果SPAN2的值小于满量程值SPAN,则继续重复步骤S3和步骤S4,选择第三测量池和找出第三测量池的满量程值SPAN3,如此进行,直到标定曲线的线性范围包括满量程值SPAN为止。
作为优化的技术方案,拟合标定曲线时,吸光度表示为计算公式为:
式中,I0是入射光强,It是透射光强,kv是光谱吸收系数,L是吸收光程;
通过前一个测量池的非线性转折点确定吸光度阈值TH1,向后一个测量池通入阈值点TH1对应浓度的标准物质,计算得到吸光度值TH2,得到光程修正系数k=TH1/TH2,实现对后一个测量池的吸光度的修正。
一种尾气排放在线测量方法,采用如上述任一项所述的尾气排放在线测量系统,包括以下步骤:尾气依次通入测量池组的各测量池后排出;初始化时,光路切换模块处于对应最低量程测量池的检测光路,激光穿过最低量程测量池后进入计算控制系统,计算控制系统实时计算出吸收光谱吸光度;每次计算出新的吸收光谱吸光度,都与当前测量池的量程进行比较,当判断吸光度值处于当前测量池的量程范围时,光路切换模块的检测光路保持不变,当判断吸光度值大于前测量池的量程最高值时,计算控制系统控制光路切换模块切换至对应后一个测量池的检测光路,当判断吸光度值小于前测量池的量程最低值时,计算控制系统控制光路切换模块切换至对应前一个测量池的检测光路。
本发明的优点在于:
1、该测量系统通过选择不同有效检测光程的测量池进行分时复用,实现了大范围尾气浓度的测量,不需要额外的传感器,不需要额外增加配备稀释气体稀释尾气浓度,完成尾气中气态污染物从ppm到百分比(%)量级的宽量程范围、高精度、快速检测。
2、尾气采样后顺序通过测量池组,相当于各测量池都对尾气完成了采样,切换检测光路时只需要遮挡住不需要的光路,不需要改变任何光路调节机构,结构简单,稳定可靠,可快速切换不同的量程,且采用同一个探测器探测,对于后级前置放大电路和浓度反演算法没有任何的干扰,可实现不同光程的快速切换。
3、通过标定方式划分了多个测量范围,且每段的标定曲线都是线性的,因此测量系统始终工作在线性区,测量更准确,简化了现场标定质控的流程,以往超出线性范围的需要多点标定,拟合出非线性校准曲线,而本发明的测量系统全量程均是线性的,现场质控只需标定零点和SPAN点即可完成校准。
附图说明
图1为本发明实施例尾气排放在线测量系统的结构示意图。
图2为本发明实施例尾气排放在线测量系统的量程划分方法的流程图。
图3为本发明实施例光谱吸收曲线图。
图4为本发明实施例吸光度曲线图。
图5为本发明实施例吸光度与标准物质浓度关系曲线图。
图6为本发明实施例设置吸光度阈值及划分高、低浓度量程的示意图。
图7为本发明实施例理想光程与实际光程的误差示意图。
图8为本发明实施例尾气排放在线测量方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部实施例。基于本发明实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明的保护范围。
如图1所示,本发明实施例公开一种尾气排放在线测量系统,包括光源1、光路切换模块2、测量池组3和计算控制系统4。
测量池组1包括多组不同有效检测光程的测量池,各测量池的气路通过气管串联;以两组测量池为例,包括第一测量池11和第二测量池12,第一测量池11为长光程多次反射测量池,有效检测光程为几米至几十米范围,检测灵敏度高,适用于测量低浓度范围的污染气体;第二测量池12为短光程测量池,有效光程为几厘米至几十厘米范围,检测灵敏度低,适用于测量高浓度范围的污染气体。
光源2包括激光光源21和可见光光源22,激光光源21用于测量尾气中的污染气体浓度,可见光光源22起指示作用;激光光源21可以采用输出波长在近红外波段的DFB可调谐半导体激光器,适用于测量尾气中的COx、NH3等污染气体浓度;也可以采用输出波长在中红外波段的量子级联激光器或者带间级联激光器,适用于测量尾气中的NOx、COx、SOx、NH3等污染气体浓度;激光光源21可以采用单个激光器,测量一种污染气体浓度;也可以将多个激光器组合使用,测量多种污染气体浓度。
光路切换模块3具有多个可切换的检测光路,检测光路与测量池一一对应,激光光源21发出的激光每次测量能通过其中一个检测光路射入对应的测量池,再到达计算控制系统4。
光路切换模块3包括二向色镜31、分束镜32、第一全反镜33、第二全反镜34、第三全反镜35、第四全反镜36、合束镜37和切换装置38;激光光源21发出的激光依次经过二向色镜31和分束镜32,可见光光源22发出的可见光先经过二向色镜31与激光合束,再经过分束镜32,分束镜32将光束分为多束;第一全反镜33用于反射激光光源21发出的激光,使激光能够到达二向色镜31;第二全反镜34用于反射可见光光源22发出的可见光,使可见光能够到达二向色镜31;第三全反镜35用于反射分束后的部分光束,使各光束均能够到达对应的测量池;第四全反镜36用于反射由测量池出来的光束,合束镜37用于反射和透过由测量池出来的光束,使光束能够到达计算控制系统4。
当测量池组1包括两组测量池时,分束镜31将光束分为两束,第三全反镜35、第四全反镜36和合束镜37各采用一块,当测量池组1包括更多组测量池时,分束镜31将光束分为更多束,第三全反镜35和合束镜37也相应采用更多块。
切换装置38用于在分束镜31分出的光束之间切换阻挡,切换装置38包括旋转驱动装置和挡光板,所述挡光板安装在所述旋转驱动装置的旋转端,所述旋转驱动装置可以采用直流电机、舵机等电磁装置。
计算控制系统4用于完成污染气体浓度计算、对检测光路的切换控制和对激光光源21的控制,计算控制系统4包括光电探测器41、前置放大器42、模数转换器43和计算机44;光电探测器41采用一个探测器分时探测不同检测光路的吸收光谱信号;前置放大器42用于对光电探测器41输出的电流信号进行跨阻放大、滤波,输出隔去直流的交流光谱吸收信号和含直流的光谱吸收信号(包含光强信息),不同光程的吸收信号光强度会不同,为了防止后级采集的信号失真或截止,隔去直流的交流光谱吸收信号通过增益自动控制电路实现信号幅度保持稳定;模数转换器43用于完成光谱吸收信号的数据采集;计算机44包括存储器、微控制器、数模转换器和外围设备;微控制器和数模转换器产生用于激光器波长调谐的调制信号,完成对激光光源21的控制;微控制器和外围设备通过执行存储器中的算法程序完成污染气体浓度计算和对检测光路的切换控制。
如图2所示,本发明实施例还公开一种尾气排放在线测量系统的量程划分方法,用于对测量池组3进行量程划分,量程划分的核心是选择到合适光程的测量池,然后通过标准物质标定的方式来确定,量程划分包括以下步骤:
S1、选择能达到最低检测限光程长度的测量池作为第一测量池,通入由最低检测限浓度逐渐升高至满量程SPAN的多种浓度标准物质,中间的浓度点可以按照10倍递增,通过多项式拟合出第一测量池的标定曲线,中间的浓度点越多,标定曲线的拟合越真实;
S2、找出第一测量池的标定曲线中的非线性转折点,记为第一测量池的满量程值SPAN1;
S3、选择能达到SPAN1光程长度的测量池作为第二测量池,仿照步骤S1通入由SPAN1逐渐升高至满量程SPAN的多种浓度标准物质,中间的浓度点可以按照10倍递增,通过多项式拟合出第二测量池的标定曲线;
S4、找出第二测量池的标定曲线中的非线性转折点,记为第二测量池的满量程值SPAN2;
S5、如果SPAN2的值大于或等于满量程值SPAN,则用满量程值SPAN代替SPAN2,此时测量范围划分为低浓度测量范围[检测限,SPAN1]和高浓度测量范围[SPAN1,SPAN];如果SPAN2的值小于满量程值SPAN,则继续重复步骤S3和步骤S4,选择第三测量池和找出第三测量池的满量程值SPAN3,如此进行,直到标定曲线的线性范围包括满量程值SPAN为止。
如图3至图5所示,以选取三个浓度的标准物质为例,拟合标定曲线的方法为:计算控制系统4获得目标气体的光谱吸收信号,即交流光谱吸收信号和含直流的光谱吸收信号(包含光强信息),对光谱信号累加平均消除随机噪声,利用多项式拟合对光谱信号实现基线拟合,再通过Levenberg-Marquardt非线性拟合算法进行线型拟合获取积分吸光度。由于不同测量池的窗片、气流扰动引起的光强波动互不相同,含直流的光谱吸收信号可以表示当前光强探测信息,通过对吸光度进行光强波动消除,并进行信号幅度归一化,可以消除不同测量值的光强误差,即可以消除不同测量池的光强影响。
测量池组1中,每个测量池的光程是理想设计参数,根据分子吸收光谱理论,入射光强I0和透射光强It满足Beer-Lambert定律,吸光度可表示为计算公式为:
式中,kv(cm-1)是光谱吸收系数,L(cm-1)是吸收光程;
因此在实际测量过程中,测量池光程会存在偏差,吸光度的计算会产生误差,通过前一个测量池的阈值点修正下一个测量池的标定曲线,即可以消除不同测量池的光程差异对吸光度计算的影响,实现测量系统的全量程线性标定。
如图6、图7所示,以两个测量池的测量池组光程修正为例,如果采用两个测量池就满足满量程SPAN的范围,即只需找出一个非线性转折点SPAN1,该点对应的吸光度值称为吸光度阈值;通过第一测量池的非线性转折点确定吸光度阈值TH1,向第二测量池通入阈值点TH1对应浓度的标准物质,计算得到吸光度值TH2,得到光程修正系数k=TH1/TH2,存入存储器,实现对第二测量池的吸光度的修正,从而实现不同测量范围的标定曲线的线性化。
如图8所示,本发明实施例还公开一种尾气排放在线测量方法,采用所述尾气排放在线测量系统,包括以下步骤:尾气经过采样气路依次通入测量池组1的各测量池,最后从废气口排出;初始化时,光路切换模块2处于对应最低量程测量池的检测光路,激光穿过最低量程测量池后进入计算控制系统4,计算控制系统4实时计算出吸收光谱吸光度;每次计算出新的吸收光谱吸光度,都与当前测量池的量程进行比较,当判断吸光度值处于当前测量池的量程范围时,光路切换模块3的检测光路保持不变,当判断吸光度值大于前测量池的量程最高值时,计算控制系统4控制光路切换模块2切换至对应后一个测量池的检测光路,当判断吸光度值小于前测量池的量程最低值时,计算控制系统4控制光路切换模块2切换至对应前一个测量池的检测光路。
以两个测量池为例,当光路切换模块2处于对应第一测量池的检测光路且判断吸光度值小于或等于吸光度阈值时,不改变光路模式;当光路切换模块2处于对应第一测量池的检测光路且判断吸光度值大于吸光度阈值时,计算控制系统4控制光路切换模块2切换至对应第二测量池的检测光路;当光路切换模块2处于对应第二测量池的检测光路且判断吸光度值大于吸光度阈值时,不改变光路模式;当光路切换模块2处于对应第二测量池的检测光路且判断吸光度值小于或等于吸光度阈值时,计算控制系统4控制光路切换模块2切换至对应第一测量池的检测光路。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种尾气排放在线测量系统,其特征在于:包括光源、光路切换模块、测量池组和计算控制系统;所述测量池组包括多组不同有效检测光程的测量池,各测量池的气路串联;所述光源包括激光光源;所述光路切换模块包括多个可切换的检测光路,检测光路与测量池一一对应,激光光源发出的激光每次测量能通过其中一个检测光路射入对应的测量池,再到达计算控制系统;所述计算控制系统用于完成污染气体浓度计算、对检测光路的切换控制和对激光光源的控制。
2.根据权利要求1所述的尾气排放在线测量系统,其特征在于:所述光路切换模块包括二向色镜、分束镜和切换装置,所述激光光源发出的激光依次经过所述二向色镜和所述分束镜,所述分束镜将光束分为多束,所述切换装置用于在所述分束镜分出的光束之间切换阻挡。
3.根据权利要求2所述的尾气排放在线测量系统,其特征在于:所述光源还包括可见光光源,所述可见光光源发出的可见光先经过所述二向色镜与激光合束,再经过所述分束镜。
4.根据权利要求3所述的尾气排放在线测量系统,其特征在于:所述光路切换模块还包括第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、第四全反镜和合束镜,所述第一全反镜用于反射激光光源发出的激光,所述第二全反镜用于反射所述可见光光源发出的可见光,所述第三全反镜用于反射分束后的部分光束,所述第四全反镜用于反射由测量池出来的光束,所述合束镜用于反射和透过由测量池出来的光束。
5.根据权利要求2所述的尾气排放在线测量系统,其特征在于:所述切换装置包括旋转驱动装置和挡光板,所述挡光板安装在所述旋转驱动装置的旋转端。
6.根据权利要求1所述的尾气排放在线测量系统,其特征在于:所述激光光源采用单个激光器或者将多个激光器组合使用。
7.根据权利要求1所述的尾气排放在线测量系统,其特征在于:所述计算控制系统包括光电探测器、前置放大器、模数转换器和计算机;所述光电探测器采用一个探测器分时探测不同检测光路的吸收光谱信号;所述前置放大器用于对所述光电探测器输出的电流信号进行跨阻放大、滤波,输出隔去直流的交流光谱吸收信号和含直流的光谱吸收信号;所述模数转换器用于完成光谱吸收信号的数据采集;所述计算机完成污染气体浓度计算、对检测光路的切换控制和对激光光源的控制。
8.一种尾气排放在线测量系统的量程划分方法,用于对根据权利要求1-7任一项所述的尾气排放在线测量系统的测量池组进行量程划分,其特征在于,包括以下步骤:
S1、选择能达到最低检测限光程长度的测量池作为第一测量池,通入由最低检测限浓度逐渐升高至满量程SPAN的多种浓度标准物质,通过多项式拟合出第一测量池的标定曲线;
S2、找出第一测量池的标定曲线中的非线性转折点,记为第一测量池的满量程值SPAN1;
S3、选择能达到SPAN1光程长度的测量池作为第二测量池,仿照步骤S1通入由SPAN1逐渐升高至满量程SPAN的多种浓度标准物质,通过多项式拟合出第二测量池的标定曲线;
S4、找出第二测量池的标定曲线中的非线性转折点,记为第二测量池的满量程值SPAN2;
S5、如果SPAN2的值大于或等于满量程值SPAN,则用满量程值SPAN代替SPAN2,此时测量范围划分为低浓度测量范围[检测限,SPAN1]和高浓度测量范围[SPAN1,SPAN];如果SPAN2的值小于满量程值SPAN,则继续重复步骤S3和步骤S4,选择第三测量池和找出第三测量池的满量程值SPAN3,如此进行,直到标定曲线的线性范围包括满量程值SPAN为止。
9.根据权利要求8所述的尾气排放在线测量系统的量程划分方法,其特征在于:
拟合标定曲线时,吸光度表示为计算公式为:
式中,I0是入射光强,It是透射光强,kv是光谱吸收系数,L是吸收光程;
通过前一个测量池的非线性转折点确定吸光度阈值TH1,向后一个测量池通入阈值点TH1对应浓度的标准物质,计算得到吸光度值TH2,得到光程修正系数k=TH1/TH2,实现对后一个测量池的吸光度的修正。
10.一种尾气排放在线测量方法,采用根据权利要求1-7任一项所述的尾气排放在线测量系统,其特征在于,包括以下步骤:尾气依次通入测量池组的各测量池后排出;初始化时,光路切换模块处于对应最低量程测量池的检测光路,激光穿过最低量程测量池后进入计算控制系统,计算控制系统实时计算出吸收光谱吸光度;每次计算出新的吸收光谱吸光度,都与当前测量池的量程进行比较,当判断吸光度值处于当前测量池的量程范围时,光路切换模块的检测光路保持不变,当判断吸光度值大于前测量池的量程最高值时,计算控制系统控制光路切换模块切换至对应后一个测量池的检测光路,当判断吸光度值小于前测量池的量程最低值时,计算控制系统控制光路切换模块切换至对应前一个测量池的检测光路。
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CN202411753759.7A Pending CN119619065A (zh) | 2024-12-02 | 2024-12-02 | 一种尾气排放在线测量系统、测量方法和量程划分方法 |
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2024
- 2024-12-02 CN CN202411753759.7A patent/CN119619065A/zh active Pending
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