機動車尾氣遙感檢測系統高低溫試驗分析

甄 楊 ，魏樹龍 ，張笑平 ，陳文亮 ，汪 鋒

（1.天津市計量監督檢測科學研究院，天津 300192；2.天津同陽科技發展有限公司，天津 300384）

據我國環境保護部發布的《中國機動車環境管理年報（2017）》顯示，我國已連續8年成為世界機動車產銷第一大國，機動車所產生的污染已成為我國空氣污染的重要來源，是造成空氣中細顆粒物、光化學煙霧污染的重要原因。因此機動車污染的防治已顯得愈發緊迫。

隨著我國機動車保有量的快速增加，部分城市的空氣已經開始呈現出煤煙和機動車尾氣復合污染的特點，直接影響人民群眾的健康。據北京、天津、上海等15個城市大氣細顆粒物（PM 2.5）源解析工作結果顯示，本地排放源中移動源對細顆粒物濃度的貢獻范圍為13.5%～41.0%，在極端空氣擴散不利的情況下，貢獻率甚至會達到50%以上[1]。

隨著我國對機動車尾氣排放標準不斷提高，有效發現并治理道路上的高排放車輛，降低機動車尾氣對環境空氣造成的污染，改善城市空氣質量顯得尤為重要。目前，我國控制機動車尾氣排放污染的主要措施為機動車的年檢、日常的路檢等。但由于我國對非運營機動車年檢周期放寬至6年，且機動車在日常道路行駛時，車輛的載重負荷、保養維護、駕駛習慣等因素均會對其尾氣排放產生較大影響。雖然我國目前已初步建立了機動車環境管理體系，但是距離國務院關于藍天白云成為“新常態”的要求還遠遠不夠，如何提高機動車的尾氣排放標準，如何加強對機動車尾氣排放的管控，成為當下亟待解決的問題。

1 機動車尾氣遙感檢測技術

機動車尾氣遙感檢測是專門針對城市中的主要道路設計的全天候在線遙感檢測技術。作為一種新型的實時在線檢測技術，它具有較高的準確度，能夠客觀實時地給出機動車尾氣的排放信息，具有不影響車輛正常行駛、防止檢測舞弊、自動化程度高等優點。

該技術的檢測原理是基于氣體的受激吸收。當一束激光穿過被測的氣體時，激光器波長頻率與被測氣體的某個吸收譜線中心頻率相同時，被測氣體的分子（原子）會吸收光子從而躍遷到高能級，該躍遷過程反應出來即是激光能量的衰減。激光能量衰減可以由朗伯-比爾定律（Lambert-Beer law）表示，如圖1所示。

圖1 物質吸光過程Fig.1 Material absorption process

根據Lambert-Beer定律[2-5]，對于單一頻率的激光，通過氣體吸收后其光強變為

式中：Iλ為出射光強度；I0（λ）為入射光強度；R為反射率；n為反射次數；S0為分子在吸收峰λ0處的吸收線強；g（λ-λ0）為分子在波長 λ 處的吸收線性函數，與溫度和壓力有關；c為分子數濃度；L為光程長。因此，當已知入射光光強、出射光光強以及光程長等信息時，就可得出被測氣體的濃度數值。

由天津同陽科技發展有限公司研制的TY-CGT-22型移動式機動車遙感檢測系統，適合用于移動檢測以及單車道固定檢測。該系統由遙感檢測單元、車輛識別單元、實時監控單元、氣象單元、控制軟件平臺、LED顯示單元、機動車尾氣檢測平臺中心端等組成，如圖2所示。

圖2 機動車尾氣遙感檢測系統構架Fig.2 Frame of vehicle exhaust remote sensing detection system

在測量現場（如圖3所示），機動車尾氣遙感檢測單元檢測通過車輛的尾氣信息，機動車識別單元記錄車輛的行駛狀態并收集車輛的車牌信息，氣象單元收集車輛經過時的環境信息，以便進行更準確的測量和分析，實時監控單元對設備運行狀態進行實時監控，控制軟件平臺將各單元采集的數據進行分析統計，實時顯示各單元的檢測結果。

圖3 機動車尾氣遙感檢測系統效果圖Fig.3 Effect map of vehicle exhaust remote sensing detection system

該系統可以實現在1 s內準確地測量出車輛排放的氮氧化物NOx，碳氫化合物HC，一氧化碳CO，二氧化碳CO2等濃度以及尾氣的煙度，同時可捕獲汽車的車牌信息、車型、車體顏色、速度、加速度、汽車VSP等信息，如圖4所示；并記錄當時的氣象信息，結合云平臺的大數據統計與處理分析功能，能夠客觀實時地給出機動車尾氣的排放信息，具有不影響車輛正常行駛，防止檢測舞弊，自動化程度高等優點。

圖4 機動車尾氣遙感檢測軟件界面Fig.4 Software interface of vehicle exhaust remote sensing detection

2 機動車遙感檢測系統高低溫試驗

我國地域廣大，同一個季節區域溫度差異很大，不同的季節氣溫分布差異也很大，氣溫分布的特點是冬季氣溫普遍偏低，南熱北冷，南北溫差大，溫差近50℃。因此，對機動車尾氣遙感檢測系統進行高低溫試驗研究，分析其環境性能試驗能力，是十分必要的。

為了評價檢測系統的在高低溫條件下工作狀態，試驗使用天津市計量監督檢測科學研究院的步入式高低溫實驗箱，其溫度范圍為-40～100℃，濕度范圍為（相對濕度）20%～93%，UT=0.3℃，URH=2.0%（k=2），其中U為試驗箱的擴展不確定度；k為包含因子。依據GB/T2423.1—2008《電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗A：低溫》和GB/T2423.2—2008《電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗B：高溫》，模擬環境溫度-40～70℃的工作條件，對尾氣遙感檢測系統進行試驗。其中，環境溫度-40℃和70℃分別保持2 h，試驗時間共計8 h，同時觀察儀器工作狀態，采集并分析遙感數據。

高低溫試驗如圖5所示。試驗系統主要由尾氣遙感檢測單元和系統控制軟件平臺組成，包括光源發射系統、模擬機動車尾氣組分的光程池、光路接收系統和無線檢測終端。在高低溫實驗箱 （如圖6所示）內將試驗系統以及光路搭設好，試驗數據通過無線傳輸至高低溫實驗箱外的軟件平臺。

圖5 高低溫試驗Fig.5 High and low temperature experiment

圖6 步入式高低溫實驗箱Fig.6 Enter type high and low temperature experiment box

檢測過程以NO在低溫狀態下的一個采樣過程為例。當步入式高低溫實驗箱內溫度降到-40℃時，采集遙感監測系統數據，共采集3個采樣周期，每個采樣周期以1 s為間隔采集60個實時數據，體積分數的采樣數據如圖7所示。然后，對每個采樣周期的60個數據求平均值，3個采樣周期的采樣平均值分別為 1979.424×10-6，1989.003×10-6，1986.338×10-6，再求取其平均值，得出溫度為-40℃時NO的體積分數為1984.548×10-6。光程池內標準氣體體積分數及高低溫試驗所采集的體積分數見表1。

圖7 NO低溫試驗體積分數采樣數據Fig.7 Low temperature experiment volume fraction sampling data of NO

表1 高低溫試驗體積分數及絕對誤差Tab.1 Volume fraction and absolute error of high and low temperature experiments

由表可知，CO2的高溫和低溫狀態下的絕對誤差均沒有超過±0.25%，NO的高溫和低溫狀態下的絕對誤差均未超過±20×10-6，均滿足HJ 845—2017《在用柴油車排氣污染物測量方法及技術要求 （遙感檢測法）》的要求，且在高低溫試驗中，機動車遙感檢測設備工作正常。因此該設備的高低溫試驗性能符合要求。

3 結語

2017年3月，環保部、發展改革委、財政部、能源局和北京、天津、河北、河南、山東、山西等6省市聯合發布了 《京津冀及周邊地區2017年大氣污染防治工作方案》，明確了該地區的“2+26”城市2017年的大氣污染治理任務：“2＋26”城市均要安裝2臺（套）移動式遙感監測設備、10臺（套）左右固定垂直式遙感監測設備，以重點篩查柴油貨車和高排放的汽油車。可以預見，隨著機動車尾氣遙感檢測標準的發布以及遙感檢測技術在全國范圍內的逐步推廣，該檢測技術的普及使用將會為我國控制城市大氣環境質量做出卓越貢獻。