專利名稱：廢氣不透明度的測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于感測機動車輛廢氣排放的遠(yuǎn)程排放傳感系統(tǒng)和方法，其中該系統(tǒng)確定廢氣流的不透明度。
背景技術(shù)：
遠(yuǎn)程排放傳感(RES)系統(tǒng)是公知的。美國專利第5,210,702號中公開了這樣一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含電磁(EM)源，配置該源使得當(dāng)機動車輛通過該系統(tǒng)時EM輻射射線能通過機動車輛的廢氣流。該系統(tǒng)還包含一個或多個檢測器，配置檢測器使輻射通過車輛的廢氣流時能接收輻射。一個或多個過濾器可以結(jié)合一個或多個檢測器，從而使檢測器能確定具有特定波長或一定波長范圍EM輻射的強度?？梢苑奖愕剡x擇波長，使之對應(yīng)于廢氣中相關(guān)分子種類(例如烴(HC)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和諸如NO和NO2的氮氧化物(NOx))的吸收波長。一個或多個檢測器的輸出電壓表示由該檢測器測量的EM輻射強度。
然后，這些電壓被輸入處理器中。處理器計算已知光源強度和由檢測器檢測的強度間差異，從而確定特定分子種類的吸收量(基于該物種相關(guān)的預(yù)定波長)?；跍y量的吸收量，可以已知方式來確定一種或多種分子種類的濃度。
文獻(xiàn)“Feasibility of Remote Sensing of Particulate Emissions FromHeavy-Duty Vehicles”，Chen，G.et al.，American Society of AutomotiveEngineers(1996)中公開了一種廢氣不透明度的遠(yuǎn)程傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，不透明度在638nm波長下測量并且與CO2的測量關(guān)聯(lián)。
現(xiàn)有的RES系統(tǒng)具有許多缺點和缺陷。這些因素可以導(dǎo)致錯誤的記錄、相對高的舍棄數(shù)據(jù)發(fā)生率或相對高的“標(biāo)記(flagged)”試驗結(jié)果的發(fā)生率。這些及其它的問題會降低RES系統(tǒng)的效益。
至少有一些RES系統(tǒng)部分地由確定通過廢氣流的光吸收(或透射比)來工作。通過在特定波長(相應(yīng)于廢氣流中不同分子種類吸收EM輻射的波長)下確定吸收/透射比，可以確定廢氣中那些物種的濃度。一個問題是許多外部因素會影響所測量的強度并導(dǎo)致誤差。例如，如果測量的強度由于廢氣流中顆粒的光散射而降低，而不是相關(guān)物種的對輻射的吸收，這就會導(dǎo)致誤差。
一些遠(yuǎn)程傳感系統(tǒng)的一個缺點是使用單波長EM輻射來測量不透明度。公知由于存在顆粒引起了EM輻射散射隨著波長的降低而增加。因為散射是廢氣流不透明度的主要來源，所以僅用較長波長EM輻射測量不透明度的系統(tǒng)通常會產(chǎn)生不準(zhǔn)確的結(jié)果。
這些和其它的缺點仍然存在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個優(yōu)點是克服了現(xiàn)有裝置中的這些和其它缺點。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是提供了一種能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測車輛廢氣不透明度的遠(yuǎn)程排放傳感系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是通過測量廢氣不透明度并使用所測量的廢氣不透明度來確保其它測量準(zhǔn)確性而改善了遠(yuǎn)程排放傳感系統(tǒng)和方法的準(zhǔn)確度。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是提供了具有廢氣不透明度監(jiān)測能力的現(xiàn)有排放監(jiān)測裝置。
本發(fā)明的這些和其它目標(biāo)根據(jù)本發(fā)明不同的實施方案來實現(xiàn)。根據(jù)一個實施方案，RES系統(tǒng)和方法包括源，配置該源使得當(dāng)機動車輛通過該系統(tǒng)時EM輻射射線能通過機動車輛的廢氣流。配置一個或多個檢測器使輻射通過車輛的廢氣流時能接收輻射。
一個或多個檢測器輸出的電壓相應(yīng)于該檢測器接收的輻射強度。然后，這些電壓被輸入處理器中。處理器計算已知源強度和由檢測器檢測強度間的差異，從而確定特定分子種類的吸收量(基于該物種相關(guān)的預(yù)定波長)?；跍y量的吸收量，可以已知的方式來確定一種或多種分子種類的濃度。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，參考檢測器(reference dector)的輸出提供給處理器并且通過處理器來監(jiān)測，從而確定每種廢氣流的不透明度?；谒鶞y量的不透明度，可以進(jìn)行預(yù)定的行為。例如，如果廢氣不透明度超過了預(yù)定的水平，可分析排放數(shù)據(jù)來產(chǎn)生試驗結(jié)果(以已知方式)，但試驗結(jié)果可“標(biāo)記”為可疑的或舍棄的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案，測量不透明度的系統(tǒng)和方法包含具有不同波長的多個EM源和檢測不同波長的適當(dāng)檢測器。配置多個EM源，使EM輻射(多束)能通過廢氣流。處理檢測器(或多個監(jiān)測器)的信號來確定在其它的事件中對于每個波長的強度變化(例如無廢氣流的強度相對于廢氣流的強度)。強度的變化與至少一種排氣組分(例如二氧化碳(CO2))的相對濃度相關(guān)。與足夠程度相關(guān)的強度測量變化(例如斜率標(biāo)準(zhǔn)誤差的回歸小于斜率值的20％)被記錄為有效的不透明度值。
本發(fā)明的另一個實施方案能夠計算與廢氣流不透明度成比例的排煙密度值。該實施方案可以包含實質(zhì)上是單色的EM源(例如激光，或者其它單色源)，它能導(dǎo)引EM輻射通過廢氣流。適當(dāng)?shù)臋z測器用來測量通過廢氣流的輻射射線的透射比(T)。對于基本上相同體積的廢氣流，實施對排氣組分(例如CO2)量的測量。使用測量的透射比(T)值和測量的排氣組分量來計算廢氣流排煙密度值。
在閱讀了本文的說明書后，本發(fā)明的其它目標(biāo)和優(yōu)點對于本領(lǐng)域的一個技術(shù)人員是明顯的。


圖1描述了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的遠(yuǎn)程排放傳感裝置(RES)。
圖2描述了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的數(shù)據(jù)分析方法。
圖3描述了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的處理系統(tǒng)。
圖4描述了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的方法的流程圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明一些實施方案的多波長不透明度測量系統(tǒng)的示意圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明一些實施方案的處理器的示意圖。
圖7是闡述根據(jù)本發(fā)明一些實施方案確定不透明度值的方法的流程圖。
圖8是闡述根據(jù)本發(fā)明一些實施方案的單色不透明度測量系統(tǒng)的示意圖。
圖9是闡述根據(jù)本發(fā)明一些實施方案確定不透明度值的方法的示意流程圖。
具體實施例方式
圖1描述了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的RES。RES測量來自車輛10的排放物。RES包含產(chǎn)生輻射20的源12。當(dāng)車輛10通過RES時，輻射20穿過車輛10的廢氣流16。傳遞光學(xué)裝置18接收輻射20并且傳遞輻射20通過廢氣流16，通過廢氣流后的輻射22到達(dá)一個或多個檢測器14。配置檢測器14測量所述的通過車輛10的排氣流16后的輻射22。一個過濾器(未顯示)可以和一個或多個檢測器14結(jié)合，通過從返回的輻射22中濾掉除特定波長或一定波長范圍外的所有波長輻射，使檢測器14能夠確定具有特定波長或一定波長范圍輻射的強度?？蛇x地，可以使用可調(diào)的激光器作為源12來產(chǎn)生特定波長或一定范圍波長的輻射20，在這種情況下不需要過濾器。
可以方便地選擇波長，使之對應(yīng)廢氣流中相關(guān)分子種類(例如HC、CO、CO2、NO、NO2(在下文中稱NOx)或者其它分子種類)的吸收波長。得到一個或多個檢測器輸出電壓，代表由該檢測器14測量的輻射22的強度。檢測器輸出電壓被輸入處理器100。檢測器14可以是任何適當(dāng)?shù)臋z測器，例如光電二極管、光電倍增管、電荷耦合檢測器、銻化銦、硒化鉛，或者其他公知的光電導(dǎo)或光電壓檢測器。
優(yōu)選地，源12基本上維持在恒定的溫度下，例如通過將源12封裝在外殼中，使之隔絕大氣環(huán)境，例如陽光、風(fēng)和雨。在源12處的溫度變化可能會給測量帶來額外的誤差。
處理器100計算輻射20的原始強度和由檢測器14檢測的輻射22強度間的差異，從而在與物種相關(guān)的預(yù)定波長下確定特定分子種類的輻射吸收量。基于測量的吸收量，可以以已知方式來確定一種或多種排放分子種類的濃度。這種系統(tǒng)在預(yù)定的時間期間(例如0.5秒)內(nèi)通常進(jìn)行多次測量(如50次)。然后，關(guān)聯(lián)并分析這些數(shù)據(jù)來確定目標(biāo)排放物種的濃度。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，處理器100可以實現(xiàn)許多功能，包括確定不同排放組分的濃度。如上所述，圖1的裝置監(jiān)測幾個通道，每個通道用于獨立的排放組分。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，RES可以用于柴油車輛并且特別是重型柴油車輛，例如卡車和公共汽車。本發(fā)明還可以用來測量柴油車輛廢氣中許多排放組分的濃度，以及微粒排放物的量。氣體和微粒排放物一起貢獻(xiàn)大量的環(huán)境污染物。特別地，重型柴油車輛產(chǎn)生大量的NOx和微粒排放物。由于柴油微粒排放物可能致癌的性質(zhì)，對這種排放通常實行嚴(yán)格的規(guī)定。
廢氣不透明度是車輛微粒排放的一種度量。
在測量車輛排放的不透明度中，可以進(jìn)行不透明度測量、CO測量和CO2測量來獲得可靠和準(zhǔn)確的不透明度測量。任何不透明度的測量都內(nèi)在包含由大氣稀釋廢氣流引起的某種誤差因子。與不透明度測量同時采取的相應(yīng)CO2濃度的測量將反映大氣對廢氣流相同稀釋作用?；趶U氣流中CO2水平的預(yù)定期望值，并且獲取不透明度測量和CO2測量的比值，補償稀釋因子，從而導(dǎo)致單位燃料不透明度的準(zhǔn)確測量。
在柴油機動車輛的情況中，不透明度測量可以通過將之與CO測量比較來進(jìn)一步證實，CO測量在基本上相同的時間下從相同的廢氣流中獲得。廢氣流中CO的量通過與廢氣流的不透明度的量相關(guān)。因此，如果不透明度是高的，CO的量也應(yīng)該是高的。如果CO的量是低的，而不透明度的量測量是高的，那么這可以用來表明在不透明度測量中可能有誤差，或者由于其它因素可能干擾測量。
在更優(yōu)選地實施方案中，使用獨立的不透明度通道來確定不透明度。獨立的不透明度通道優(yōu)選地使用波長約0.20～1.50微米的輻射。期望該波長范圍能提供更準(zhǔn)確的不透明度測量。這種系統(tǒng)還可以至少包括CO2、CO及參照通道。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，分析排放物的方法可以參考圖2來描述。在步驟300中，提供了一定標(biāo)準(zhǔn)。用來分析測量的標(biāo)準(zhǔn)可以根據(jù)相關(guān)的特定排放來改變。在步驟302中，如果滿足該標(biāo)準(zhǔn)，那么在步驟310中，過程回到步驟300來確定是否要留下更多的標(biāo)準(zhǔn)來分析。該過程繼續(xù)到在步驟310中不需要更多的標(biāo)準(zhǔn)來分析為止。
在步驟302中，如果不滿足該標(biāo)準(zhǔn)，那么該過程在步驟304中標(biāo)準(zhǔn)是否在一點不令人滿意，其中它們將在步驟306中被丟棄，或者確定是否它們將在步驟308中被簡單地標(biāo)記。
在標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)令人滿意后，在步驟320中，結(jié)果對大氣條件進(jìn)行補償。在步驟322中，系統(tǒng)對系統(tǒng)條件進(jìn)行補償，并且在步驟324中數(shù)據(jù)被進(jìn)一步地分析。參照本發(fā)明下面的實施方案，本發(fā)明的全部方法將更好地被理解。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，標(biāo)準(zhǔn)可以包含不透明度的檢驗。根據(jù)該實施方案，RES系統(tǒng)的一個或多個檢測器的輸出被輸入如圖3中描述的處理器100。處理器100可以包含廢氣不透明度的確定裝置102。處理器100可以實現(xiàn)許多公知的功能，包括確定許多氣體排放物的濃度。另外，處理器100還可以通過廢氣不透明度確定裝置102從獲取的測量中來確定廢氣不透明度。
根據(jù)一個實施方案，使用RES系統(tǒng)的參考通道，廢氣不透明度確定裝置102通過在約3.9μm的波長下測量不透明度來確定廢氣不透明度。廢氣不透明度確定裝置102從參考通道和至少一個相關(guān)的其它通道接收測量。根據(jù)一個實施方案，相關(guān)的通道可以是CO2通道。
對于每個特定的測量時間間隔，如果參考通道的強度低于源12正常產(chǎn)生的輻射20的輸入強度，那么處理器100比較參考通道與CO2通道的強度衰減。如果檢測的參考通道強度降低，可以確定廢氣流中的顆粒阻斷或偏轉(zhuǎn)了一部分輻射20，使之沒有作為通過廢氣流后的輻射22而返回到檢測器14中。不透明度源于廢氣流中微粒物質(zhì)的輻射散射和吸收。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，一個或多個檢測器的輸出被用于確定從試驗車輛中排出的廢氣流不透明度。檢測器的輸出(電壓水平)可以通過處理器100來監(jiān)測。參考通道的電壓降可用來指示并確定廢氣的不透明度。因此，可以具體選擇參考通道檢測的波長或波長帶，以至于排放的組分(包括CO2、CO、HC、NOx)不會干擾不透明度的記錄。
廢氣流中不透明度的確定可以包括來自重型柴油車輛的廢氣，其中廢氣可以包含顆粒，例如干煙塵(dry soot)。通常，大多數(shù)柴油顆粒的大小從0.02～0.5微米。根據(jù)本發(fā)明，可以使用一個或多個檢測器的輸出來計算被測試重型柴油車輛的廢氣流不透明度。檢測器的輸出可以由處理器100來監(jiān)測輻射強度由于柴油廢氣流中的顆粒如煙塵引起的降低。然后，使用檢測的輻射強度的變化程度來測量柴油廢氣排放的不透明度。
因為污染氣體在參考波長處并不吸收，所以對于環(huán)境噪音、不透明度和其它，可以使用所測量的參考通道強度的降低來校正氣體測量波長。然后，測量的污染波長吸收可以被轉(zhuǎn)換成表觀濃度值。如果至少一種表觀濃度值超過了預(yù)定的最小值，污染物濃度可以與測量的CO2關(guān)聯(lián)。斜率是測量污染物與測量CO2的比例?？梢允褂眠@些斜率來實施如本文其它地方所述的計算。
在更優(yōu)選的實施方案中，使用不透明度測量來驗證廢氣流中其它組分的測量。高的不透明度值表示在廢氣流中存在大量的微粒物質(zhì)，這可能導(dǎo)致輻射在廢氣流不同組分的一個或多個特征波長處散射或吸收。這就可能對這些不同組分引起不準(zhǔn)確的讀數(shù)。
在此情況下，當(dāng)存在高的不透明度時，RES能將讀數(shù)標(biāo)記為可疑的或者無效的。更優(yōu)選地，這些讀數(shù)被標(biāo)記為無效，并且在延時后采集另外的數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)這一點，RES可以監(jiān)測不透明度和/或CO讀數(shù)，直至不透明度和/或CO濃度降低到被認(rèn)為對采集不同廢氣組分如CO、CO2、HC、NO和NO2的讀數(shù)是可接受的預(yù)定水平以下。可以使用CO2的讀數(shù)來證實對于延時后的測量存在充足的廢氣流。在這種方式下，甚至在初始廢氣流具有通常會給這種測量帶來顯著誤差的高不透明度時，RES也可以提供準(zhǔn)確的廢氣組分測量。
不透明度的百分?jǐn)?shù)會因許多因素，例如空氣、風(fēng)和車輛后的湍流而快速地衰減。因為CO2讀數(shù)可以用作廢氣流可見的示蹤物，如果與CO2的關(guān)聯(lián)不準(zhǔn)確(即斜率有大的誤差)，那么不透明度的測量可以被假定源于另一種來源，例如輪胎的污垢，并且讀數(shù)被舍棄。如果關(guān)聯(lián)是準(zhǔn)確的(即斜率有小的誤差)，那么測量斜率與校正因子如1000的乘積產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)化的不透明度，所述校正因子取決于所用測量的校準(zhǔn)和單位。
圖4描述了根據(jù)本發(fā)明實施方案檢測廢氣不透明度的方法的流程圖。在步驟200中，參考通道和一個或多個排放通道如CO2通道的輸出可以由處理器100接收。對于數(shù)據(jù)可以進(jìn)行許多驗證、誤差預(yù)防或信號處理的程序，從而確保廢氣足以進(jìn)行不透明度的確定。在步驟202中，如果這些驗證程序確定廢氣是不足的，那么廢氣可以被標(biāo)記為可疑的，或者被舍棄從而防止錯誤的不透明度測量。
但是，如果測量被驗證，那么在步驟204中，處理器100可以從剩余的測量中確定不透明度百分比。具體而言，不透明度百分比可以通過計算參考通道輸出的斜率對CO2通道輸出的斜率來確定。另外，可以轉(zhuǎn)化這些結(jié)果來提供林格耳曼(Ringelman)標(biāo)度當(dāng)量。簡言之，林格耳曼標(biāo)度當(dāng)量通過使不透明度百分比等同于0到5間的數(shù)來確定。林格耳曼標(biāo)度是適當(dāng)受訓(xùn)練的觀察者使用的不透明度標(biāo)度，它與不透明度的比較如下

在確定了不透明度百分比后，可取地通過一個或多個驗證程序來檢驗不透明度的測量。具體而言，根據(jù)一個實施方案，所有在預(yù)定量以下的不透明度百分比應(yīng)該被標(biāo)記為可疑值。在一個實施方案中，預(yù)定的量可以為-5.0％，但是也可以使用其它的值。
另外，在使用最小二乘法確定參考斜率中，還可以根據(jù)公知的方法來確定斜率的誤差值。基于該斜率誤差，通過將該值與預(yù)定的值相乘來確定不透明度的誤差值。根據(jù)一個實施方案，例如，預(yù)定因子可以是1000。根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案，該因子可以是100。如果該不透明度誤差超過了預(yù)定值，那么不透明度百分比測量值被標(biāo)記為可疑值。例如，不透明度誤差的預(yù)定值可以是2％。
另外，在不透明度某個水平以上的不透明度百分比測量值被標(biāo)記為可疑值或者被舍棄。例如，可以確定高于約50％不透明度的測量值應(yīng)該被舍棄，因為可能這種高的不透明度值不容易被準(zhǔn)確讀取，反而可能顯示光阻塞或者其它類型的不反映廢氣流不透明度的臨時問題。例如還可以使用其它的預(yù)定值，例如70％、80％、90％或100％。
在柴油機動車輛的情況中，最優(yōu)選的檢驗方法是比較不透明度測量值與同時采集的CO測量值，因為柴油車輛的CO排放和廢氣不透明度之間有一個關(guān)系。使用該方法，CO和不透明度測量之間的預(yù)定關(guān)系可以用來確定特定的不透明度測量是否應(yīng)該被認(rèn)為是有效、可疑或無效的。
因此，根據(jù)本發(fā)明的裝置可以在簡短的時間間隔內(nèi)遠(yuǎn)程確定移動車輛的不透明度。此外，因為許多現(xiàn)有的排放監(jiān)測裝置將參考通道用于其它的目的，所以根據(jù)本發(fā)明的裝置可以與現(xiàn)有系統(tǒng)一起使用來提供不透明度的測量。根據(jù)一個實施方案，與現(xiàn)有系統(tǒng)一起使用處理器100使現(xiàn)有排放監(jiān)測系統(tǒng)同時監(jiān)測不透明度。因此，可以最小化更新成本。
多波長不透明度測量圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的多波長不透明度測量系統(tǒng)的示意圖。該系統(tǒng)可包含能夠產(chǎn)生多波長EM輻射的源12。例如，源12可以包含大量能在EM光譜可辨區(qū)產(chǎn)生EM輻射的源(例如源12A、源12B……、源12N)。例如，在本發(fā)明三波長的實施方案中，源12包含一個紅外(IR)源(例如碳化硅電熱點火器、可調(diào)二極管激光器等)、可見源(例如He-Ne激光器)和紫外(UV)源(例如氙、汞、氘或其他的弧光燈)。
當(dāng)源12以圖5中包含分離源(例如源12A、源12B……、源12N)來表示時，本發(fā)明并沒有限制于此?？梢允褂媚軌蛟诳杀娌ㄩL區(qū)(例如可調(diào)激光源等)產(chǎn)生EM輻射的單一源、可調(diào)及不連續(xù)波長源的組合，或者一些產(chǎn)生可辨波長EM輻射的其它方案。
源12產(chǎn)生被引導(dǎo)通過排放源(例如廢氣流16)的EM輻射20。輻射20可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞揭龑?dǎo)通過排放源。例如，輻射20可以使用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)器件(例如透鏡、反光鏡、射線分離器、偏光器、濾光器、回射器及其他光學(xué)器件)來直接引導(dǎo)通過排放源。
如圖5示意指示，從多源(例如源12A、源12B……、源12N)釋放的輻射可以匯聚成單束射線，但是本發(fā)明并不限于此。多束射線可以被引導(dǎo)通過排放源(例如廢氣流16)，或者使用其它的幾何射線，例如某些射線可以源于不同于其它射線的位置(例如射線可以源于位于排放源對面位置的源)。例如，在一個實施方案中，IR和UV源可以位于排放源一面，并且可見源位于排放源的另一面。在這種實施方案中，IR和UV輻射完成一次通過廢氣流16，而可見輻射實現(xiàn)二次通過廢氣流?？梢允褂没厣淦骰蚱渌渚€引導(dǎo)裝置(例如透鏡、鏡子、射線分離器等)來引導(dǎo)射線。
在同時檢測廢氣流16組分濃度的本發(fā)明實施方案中，一個或多個源12A……、源12N可以被調(diào)諧成合適吸收波長的波長。也可以使用其它的方案。例如，對于吸收測量和不透明度測量可以提供單獨的源12，或者相同的源12被可選地調(diào)諧成吸收和不透明度測量波長。
當(dāng)通過排放源(例如廢氣流16)時，部分入射輻射20被排放源中的組分顆粒吸收、散射或減弱。在離開排放源后，通過廢氣后的輻射22被導(dǎo)入適當(dāng)?shù)臋z測器14中。例如，在三射線實施方案中，UV輻射可以使用單色器或二極管陣列(例如硅二極管陣列)來檢測，可見光輻射用光電倍增管(PMT)(如果需要，以及濾光器)，并且IR輻射用適當(dāng)?shù)腎R檢測器(例如光電二極管等)來檢測。也可以使用其它的檢測器(例如電荷耦合器件(CCD)，或其它輻射檢測器)。
圖5為源檢測器組合一次通過幾何圖(即輻射20在到達(dá)檢測器14前一次通過排放源)，但是本發(fā)明并不限于此。例如，源12和檢測器14可以位于排放源的同一面，并且可以使用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)器件(例如透鏡、鏡子、射線分離器等)來引導(dǎo)通過廢氣后的輻射22到達(dá)檢測器14。其它的幾何結(jié)構(gòu)也是可能的。
檢測器14的信號被輸入處理器100。處理器100可包含任何適當(dāng)?shù)奶幚硌b置。例如，個人計算機、端蓋或筆記本計算機、手提式處理器、獨立的處理裝置，或者任何其它能夠?qū)嵤┍疚乃鎏幚砉δ艿难b置。
如圖1、3和6中所示，處理器100可以包含大量執(zhí)行處理功能的模塊。例如，處理器100可以包含不透明度確定模塊102、強度比較模塊602、相對濃度模塊604、校正模塊606和處理模塊608。當(dāng)所示處理器100具有大量獨立模塊時，本發(fā)明并不限于此。模塊(例如102、602等)可以包含單個軟件包、獨立軟件包，或者能夠使處理器100實現(xiàn)本文所述功能的其它軟件模塊組合的例行子程序。
不透明度檢測系統(tǒng)的操作可以參照圖7來描述。圖7表示根據(jù)本發(fā)明一個實施方案確定排放源不透明度的方法。不同波長的EM輻射被引導(dǎo)通過如700所示的廢氣流。如上所述，輻射可以使用適當(dāng)?shù)纳渚€檢測器來引導(dǎo)，并且可以包含一種或多種EM輻射的射線。還如上所述，至少有一些EM輻射被方便地選擇來相應(yīng)于由于“煙塵”顆粒而發(fā)生吸收和/或散射的波長(例如對于IR為0.8～4微米；對于可見光為400～800納米；對于UV為200～223及223～400納米)。它們被共同稱為“不透明度波長”。另外，可以方便地選擇一個或多個EM波長來相應(yīng)于一種或多種排放源組分(例如CO、CO2、NO、NOx、HC、H2O等)的吸收波長。
EM輻射被按照702所示來檢測。如上所述，EM輻射可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞讲⑶以贓M輻射已經(jīng)通過排放源任何次數(shù)后檢測。來自檢測器(例如檢測器14)的信號被通到處理器(例如處理器100)。
接下來進(jìn)行檢測器中信號的信息處理。處理可以以不同于圖7中所示的順序來進(jìn)行。這通過圖7中704和706項的相鄰安置來示意地表示。
處理器100按照704所示來確定不透明度波長的強度變化。處理器100可以以任何適當(dāng)方式來實現(xiàn)強度變化的確定。例如，可以使用強度比較模塊(例如模塊602)。在某些實施方案中，強度變化是檢測器14用未經(jīng)過廢氣流16的射線測量的射線信號強度與用通過廢氣流16的射線測量的信號強度的比較。這種測量可以通過任何如上所述的適當(dāng)方案來實現(xiàn)(例如前阻塞信號指車輛通過前的狀態(tài)，后阻塞信號指車輛通過后的狀態(tài))。
處理器100還可以按照706所示來確定一種或多種廢氣流組分(例如CO、CO2、NO、NOx、HC、H2O等)相對濃度。相對濃度可以如上所述獲得，或者以任何適當(dāng)?shù)姆绞絹慝@得。
相對濃度值可以用于與不透明度測量值關(guān)聯(lián)。可以使用任何濃度值來關(guān)聯(lián)，但是，使用CO和CO2濃度值之和可以是有利的。例如，如果CO2濃度測量的結(jié)果是有效的CO2值，并且如果CO濃度測量的結(jié)果是有效的CO值，那么在不透明度波長處吸收與觀測的CO、CO2和的關(guān)聯(lián)就是燃料的單位不透明度(即每加侖燃料的煙塵)的測量。可選地，關(guān)聯(lián)是針對排放源中的總碳量，對于大多數(shù)烴燃料等價于CO2+CO+6HC。在大多數(shù)情況下，CO2項占優(yōu)勢并且其本身可以用作第一近似關(guān)聯(lián)值。
不透明度波長測量的關(guān)聯(lián)可以如708所示來進(jìn)行。關(guān)聯(lián)可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞絹磉M(jìn)行。例如，不透明度波長的強度變化(例如在704中獲得)可以與在相同時間間隔期間進(jìn)行的CO2測量的變化相比較。
關(guān)聯(lián)度可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞絹碓u價。例如，關(guān)聯(lián)可以與預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)(例如斜率標(biāo)準(zhǔn)誤差低于20％斜率值的回歸線)來比較，從而確定不透明度波長測量是否是有效的。這在710中表示。
如果710的評價指示不透明度波長測量是無效的，那么如712所示，數(shù)據(jù)被傳輸?shù)狡渌奶幚沓绦?。其它的處理包括?biāo)志或標(biāo)記數(shù)據(jù)為可疑的或無效的、舍棄數(shù)據(jù)、或者其它適當(dāng)?shù)奶幚怼?br> 如果710的評價指示不透明度波長測量是有效的，那么按714所示繼續(xù)處理。在714處，預(yù)定數(shù)量的多次不透明度波長測量被比較?？梢员容^任何次的不透明度波長測量。例如，在三波長的實施方案中，可以比較IR、UV和可見光波長的不透明度波長測量。
比較不透明度波長測量來評價任何適合的標(biāo)準(zhǔn)。例如，可以比較預(yù)定數(shù)量次不透明度波長射線的強度變化(例如通過和沒有通過排放源)。
在716處，可以評價714的比較。可以使用任何適當(dāng)?shù)脑u價。例如，可以評價預(yù)定量強度變化測量的等價程度。
如果714的評價結(jié)果為比較是無效的(例如測量不符合預(yù)定的等價程度)，那么數(shù)據(jù)被進(jìn)行如718所示的其它處理。718處的處理包含任何適合的處理程序(例如標(biāo)記、舍棄等)。
如果714的評價結(jié)果為比較是有效的(例如測量符合預(yù)定的等價程度)，那么處理可以繼續(xù)，計算排放源不透明度值。這在720中表示。
排放源不透明度值的計算可以以任何適合的方式來實現(xiàn)。例如，可以平均強度測量的有效變化(例如在704確定并在710和716驗證)，從而報道排放源的不透明度值。還可以用數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值或其它操作方法來計算不透明度值。
單色不透明度測量EM輻射射線中小的非吸收顆粒(例如煙塵)降低了射線的透射能。單色EM射線的降低量典型地由比耳(Beer)定律定義T=e-ksns]]>式中，T是特定波長下光的透射比，ns是光束每單位橫截面的煙塵量，且ks是適用于特定波長EM輻射和給定粒徑的消光系數(shù)。ks的單位與ns相反。
如上面所討論，車輛廢氣流16中的CO2量的確定是公知的。還如上所述，來自廢氣的CO2是車輛內(nèi)發(fā)生的燃燒過程的直接結(jié)果。廢氣中產(chǎn)生的CO2量通常正比于燃燒過程中涉及的燃料量。
廢氣流中煙塵的成分通常也是燃燒過程的結(jié)果。因此，對于給定的發(fā)動機操作條件，假定所產(chǎn)生的煙塵量還與產(chǎn)生的CO2量成比例是合理的。即ns=knco2]]>式中，ns是煙塵量，k是比例常數(shù)，并且nCO2是的CO2量。
上面的公式通常應(yīng)用于整個廢氣流，或者假定所有的測量涉及相同的部分，應(yīng)用于部分廢氣流。因此，比耳定律可以重新表述如下T=e-ksns=e-ksknCO2=e-KsnCO2]]>式中Ks是ks和k的乘積。
上面的公式意味著通過用一個EM輻射射線同時測量CO2量(nCO2)，并且然后用另一個EM輻射射線通過相同的空間體積測量透射比(T)，不透明度的值Ks可以如下計算
Ks=ln(1T)nCO2]]>式中，T是單色EM輻射的測量透射比(T)，其波長足夠短以感應(yīng)煙塵顆粒，并且還是不會吸收汽車廢氣典型氣體的波長(例如0.8～4微米、400～800納米、UV200～223、223～400納米等)。從Ks的測量值和ks文獻(xiàn)值可以直接確定每千克或每加侖燃料釋放的顆粒質(zhì)量。
單色不透明度測量系統(tǒng)的一個實施方案可包含能夠檢測車輛廢氣排放的遠(yuǎn)程排放傳感系統(tǒng)(RES)，另外可以測量并補償廢氣中的顆粒。這如圖8所示。例如，RES包含發(fā)射能夠檢測廢氣組分的EM輻射的源12，以及能夠檢測廢氣流16不透明度的單色(即單一或幾乎單一波長)EM源800。組合源12、800包含多個能發(fā)射不同波長EM輻射的源、能夠調(diào)節(jié)成多波長的單一源，或者一些EM透射源的其它組合。
圖9是闡述計算不透明度Ks值方法的流程圖。排放源組分的量在900處測量。測量可以在任何適當(dāng)?shù)臅r間進(jìn)行(例如單色EM輻射通過排放源略前、略后或同時)。測量900還可以用于任何適當(dāng)?shù)呐欧旁唇M分(例如NO、NOx、CO、CO2、H2O、HC等)，但是如上面所討論，用來測量CO2是有利的。
單色EM輻射被引導(dǎo)通過如902所示的排放源。如上所述，該操作也可以在任何適當(dāng)?shù)臅r間進(jìn)行(前、后或同時)。但是，應(yīng)該小心地確保單色EM輻射和測量基本上針對相同體積的排放源進(jìn)行。例如，測量基本上相同的排放源體積可以使用射線傳輸間幾秒鐘的延遲(例如0～5毫秒)，或者通過將組合射線通過排放源體積來實現(xiàn)。
單色EM輻射透射比的測量在904進(jìn)行。透射比可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞綔y量(例如如上所述用檢測器14測量)。
不透明度Ks值的計算在906進(jìn)行。計算可以以任何適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行。例如，可以使用處理器100來根據(jù)下面的關(guān)系式計算不透明度值Ks=ln(1T)nCO2]]>在一些實施方案中，不透明度的測量在與非吸收煙塵顆粒的質(zhì)均直徑(mass mean diameter)可比較的波長下實施。例如，可以使用EM光譜紫外(UV)部分的波長(例如200～400納米，不包括224～232納米)。
另外，對不透明度選擇的EM輻射波長可以選自UV光譜部分，因為廢氣組分(例如CO、CO2、NO、NOx、HC等)的吸收基本上可以忽略。這就使透射比測量相對不受廢氣組分吸收影響。
另外，用來測量不透明度的波長可以基本上是單色的，或者具有相對狹窄的帶寬。通過維持相對狹窄帶寬的EM輻射，源于比耳定律的計算應(yīng)用更準(zhǔn)確并且與試驗良好一致(例如Ks和nCO2之間大約線性關(guān)聯(lián))。例如，可以使用激光或分光計來提供相對單色測量的EM輻射。可以使用其它的源。
用來檢測EM輻射的檢測器可以根據(jù)所用EM輻射源的類型來選擇。例如，如果從源發(fā)射UV輻射，那么可以使用UV檢測器。在某些實施方案中，可以使用UV分光計來檢測由源發(fā)射的EM輻射?？梢允褂闷渌臋z測器。
在本發(fā)明的一個實施方案中，廢氣排放中不透明度的測量可以根據(jù)下面的方案來實現(xiàn)。EM源12、800引導(dǎo)EM輻射射線(例如20)廢氣流16。例如，紅外(IR)和UV輻射組合射線可以被引導(dǎo)通過車輛的廢氣流?？梢砸砸阎绞接蒙渚€的IR成分來測量CO2的量及其它的廢氣組分。射線的UV成分可用來測量通過廢氣流相同部分(即空間體積)的射線透射比。如上所述，透射比(T)和廢氣組分量(例如nCO2)的測量可用于根據(jù)下面的公式計算煙塵密度值(Ks)Ks=ln(1T)nCO2]]>可以使用其它方案來記錄廢氣組分(例如CO2)和不透明度的測量。例如，第一個EM輻射線(例如來自源12)被首先引導(dǎo)通過一部分廢氣流，并且第二個EM輻射射線(例如來自源800)被稍后(幾毫秒)引導(dǎo)通過廢氣流16，從而記錄廢氣組分量和透射比。
在某些實施方案中，不透明度值(Ks)可以用作其它廢氣排放測量值的校正因子。例如，在某些情況下，Ks與波長關(guān)聯(lián)標(biāo)度因子一起用來校正廢氣組分(例如CO、NO、NOx、HC等)濃度的相對測量值。
另外，不透明度(Ks)可以用作能在廢氣排放監(jiān)測中使用的獨立測量值。例如，可記錄Ks值并且與表示合適車輛操作條件的預(yù)定值比較。例如，在預(yù)定范圍之外的Ks記錄值可能會導(dǎo)致排放試驗中被監(jiān)測車輛“不合格”。不透明度值的其它用途也是可能的。
從本文公開的本發(fā)明說明書及實踐考慮，本發(fā)明的其它實施方案和用途對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是明顯的。本說明書和實施例應(yīng)該被認(rèn)為僅是示例性的。本發(fā)明的范圍僅由附加的權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種確定廢氣流中不透明度值的方法，該方法包括下列步驟引導(dǎo)包括至少兩種不同波長電磁輻射的射線通過廢氣流；在射線已經(jīng)通過廢氣流后檢測射線；確定至少兩種不同波長電磁輻射中每種的射線強度變化；比較預(yù)定次數(shù)測量的至少兩種不同波長電磁輻射的強度變化，以及，如果預(yù)定次數(shù)測量的至少兩種不同波長電磁輻射的強度變化基本上相等，則根據(jù)預(yù)定次數(shù)測量的至少兩種不同波長電磁輻射的強度變化來確定不透明度值。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述射線還包括基本上在紅外光譜中的第一波長；基本上在可見光譜中的第二波長，以及基本上在紫外光譜中的第三波長。
3.一種使用測量行駛車輛廢氣排放的遠(yuǎn)程排放傳感系統(tǒng)來測量不透明度的方法，該方法包括引導(dǎo)至少兩種不同波長電磁輻射通過廢氣流；在其通過廢氣流后檢測該至少兩種不同波長電磁輻射；確定廢氣流中存在的車輛廢氣組分的相對濃度；確定至少兩種不同波長電磁輻射中每種的強度變化；關(guān)聯(lián)至少兩種不同波長電磁輻射中每種的強度變化，確定車輛廢氣組分的相對濃度；記錄至少兩種不同波長電磁輻射中每種的有效不透明度值，其基本上與所確定的車輛廢氣組分的相對濃度關(guān)聯(lián)；比較預(yù)定次數(shù)至少兩種不同波長電磁輻射的強度變化，以及如果預(yù)定次數(shù)至少兩種不同波長電磁輻射的強度變化基本上相等，則計算與有效不透明度平均值成比例的報道不透明度值。
4.權(quán)利要求3的方法，其還包括引導(dǎo)第三種不同波長電磁輻射通過廢氣流。
5.權(quán)利要求4的方法，其中所述至少兩種不同波長電磁輻射的第一種包括基本上在紅外光譜中的波長；所述至少兩種不同波長電磁輻射的第二種包括基本上在可見光譜中的波長；以及所述第三種不同波長電磁輻射包括基本上在紫外光譜中的波長。
6.一種測量廢氣流不透明度值的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括引導(dǎo)通過廢氣流的電磁輻射的源；檢測電磁輻射并且輸出與所檢測電磁輻射成比例的檢測器信號的檢測器；及接收檢測器信號并至少部分基于檢測器信號來計算廢氣流不透明度值的處理器。
7.權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中所述電磁輻射的源還包括一個或多個能發(fā)射位于第一波長區(qū)、第二波長區(qū)和第三波長區(qū)的電磁輻射的源。
8.權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中所述第一波長區(qū)基本上在紅外區(qū)中；所述第二波長區(qū)基本上在可見區(qū)中，以及所述第三波長區(qū)基本上在紫外區(qū)中。
9.權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中，所述檢測器能夠在第一、第二和第三波長區(qū)的每個區(qū)檢測電磁輻射，并且輸出與在第一、第二和第三波長區(qū)的每個區(qū)檢測的強度成比例的信號；以及所述處理器還包括比較第一、第二和第三波長區(qū)的每個區(qū)的檢測強度的比較模塊。
10.權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中，所述處理器還包括確定與第一、第二和第三波長區(qū)的每個區(qū)的檢測強度的強度變化成比例的不透明度值的不透明度確定模塊。
11.一種測量車輛廢氣流不透明度值的遠(yuǎn)程傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括引導(dǎo)至少兩種不同波長的電磁輻射通過廢氣流的源；檢測至少兩種不同波長的電磁輻射并且產(chǎn)生輸出信號的檢測器；以及包括以下模塊的處理器相對濃度模塊，其確定廢氣流中存在的車輛廢氣組分的相對濃度；強度變化模塊，其至少部分基于輸出信號來確定至少兩種不同波長的強度變化；關(guān)聯(lián)模塊，其使至少兩種不同波長的強度變化與車輛廢氣組分相對濃度關(guān)聯(lián)，并且記錄至少兩種不同波長中每種的有效不透明度值，該不透明度值基本上與所確定的車輛廢氣組分相對濃度關(guān)聯(lián)；以及計算模塊，其比較預(yù)定次數(shù)至少兩種不同波長電磁輻射的強度變化，并且如果預(yù)定次數(shù)至少兩種不同波長電磁輻射的強度變化基本上相等，則計算與有效不透明度平均值成比例的報道不透明度值。
12.權(quán)利要求11的系統(tǒng)還包括包括第三種不同波長的電磁輻射的源。
13.權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中所述至少兩種不同波長的電磁輻射的第一種包括基本上在紅外光譜中的波長；所述至少兩種不同波長的電磁輻射的第二種包括基本上在可見光譜中的波長；并且所述第三種不同波長包括基本上在紫外光譜中的波長。
14.一種計算廢氣流不透明度值的方法，該方法包括獲得廢氣流空間體積中廢氣組分量(n)的測量值；使基本上單色的電磁輻射射線基本上通過廢氣流的空間體積；測量基本上單色的電磁輻射射線的透射比(T)；計算與下面關(guān)系式成比例的不透明度值(Ks)。Ks=1n(1T)n]]>
15.權(quán)利要求14的方法，其中所述廢氣組分量的測量值包括二氧化碳量(nCO2)的測量值。
16.權(quán)利要求14的方法，其中所述基本上單色的電磁輻射射線包括基本上是紫外輻射的射線。
17.一種確定廢氣流不透明度值的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括測量廢氣流空間體積中廢氣組分量(n)的廢氣組分量測量系統(tǒng)；能夠形成輻射射線的基本上單色輻射的源；測量輻射射線透射比(T)的透射比測量系統(tǒng)；以及處理器，該處理器進(jìn)一步包括根據(jù)下面關(guān)系式計算不透明度值(Ks)的計算模塊Ks=1n(1T)n]]>
18.權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中所述基本上單色輻射的源產(chǎn)生紫外輻射。
19.權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中所述廢氣組分量測量系統(tǒng)測量二氧化碳量(nCO2)。
20.權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中所述廢氣組分量測量系統(tǒng)測量與一氧化碳和二氧化碳之和(nCO+nCO2)成比例的量。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于感測機動車輛廢氣排放的遠(yuǎn)程排放傳感系統(tǒng)和方法，其中該系統(tǒng)確定廢氣流的不透明度。系統(tǒng)包含發(fā)射輻射的源，輻射穿過機動車輛的廢氣流到達(dá)一個或多個配置來接收輻射的檢測器。本發(fā)明公開了多波長不透明度測量的實施方案和單波長不透明度測量的實施方案。
文檔編號G01N21/33GK1554022SQ02817787
公開日2004年12月8日 申請日期2002年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月11日
發(fā)明者唐納德·H·斯特德曼, 加里·A·畢曉普, 加里·弗爾, A 畢曉普, 唐納德 H 斯特德曼, 弗爾 申請人:環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)品控股公司