機動車尾(wei)(wei)氣污染(ran)是空氣質(zhi)量問題(ti)的(de)主(zhu)(zhu)要(yao)影(ying)響因素之一,伴隨著城市(shi)中汽(qi)車保有量暴增(zeng),汽(qi)車尾(wei)(wei)氣造(zao)成的(de)城市(shi)氣候問題(ti)日(ri)益顯現。尾(wei)(wei)氣成分中化合物(wu)(wu)種類(lei)繁多(duo),其中,導致環(huan)境污染(ran)的(de)主(zhu)(zhu)要(yao)為碳(tan)氫化合物(wu)(wu)、氮氧化合物(wu)(wu)、一氧化碳(tan)和二氧化碳(tan)等。
機動車尾氣污染是空氣質量問題的主要影響因素之一,伴隨著城市中汽車保有量暴增,汽車尾氣造成的城市氣候問題日益顯現。尾氣成分中化合物種類繁多,其中,導致環境污染的主要為碳氫化合物、氮氧化合物、一氧化碳和二氧化碳等。
汽(qi)車尾(wei)氣(qi)的檢測(ce)(ce)(ce)目前主要(yao)措施為(wei)機動車尾(wei)氣(qi)年檢和日常(chang)路(lu)(lu)檢,但在(zai)實際檢測(ce)(ce)(ce)過(guo)程(cheng)中(zhong),仍然存在(zai)諸(zhu)多(duo)問題(ti)。首先是年檢周期長,數據不具備實時性; 其次(ci)是道(dao)路(lu)(lu)中(zhong)車流量因素,停車檢測(ce)(ce)(ce)會造成擁堵問題(ti),車輛怠(dai)速或低速慢行導致更多(duo)污染源(yuan)排放(fang),給監管部門和車主均(jun)帶來不便。氣(qi)體遙感檢測(ce)(ce)(ce)技(ji)(ji)術(shu)可(ke)以更好地進行汽(qi)車尾(wei)氣(qi)檢測(ce)(ce)(ce),并可(ke)實現(xian)(xian)道(dao)路(lu)(lu)現(xian)(xian)場化、不停車流動式檢測(ce)(ce)(ce),檢測(ce)(ce)(ce)精度滿(man)足行業標準。氣(qi)體遙感檢測(ce)(ce)(ce)技(ji)(ji)術(shu)在(zai)當(dang)今機動車尾(wei)氣(qi)排放(fang)監測(ce)(ce)(ce)領(ling)域中(zhong),能(neng)夠展(zhan)現(xian)(xian)出非常(chang)重要(yao)的作用。
從 20 世紀 60 年代起(qi),氣(qi)(qi)(qi)體遙感監測(ce)技術(shu)開始蓬勃發展,國(guo)內外(wai)從理論研(yan)究(jiu)到技術(shu)驗證,對(dui)其進(jin)行(xing)逐漸深入(ru)的(de)研(yan)究(jiu)并不斷(duan)取得進(jin)展,并將氣(qi)(qi)(qi)體遙測(ce)技術(shu)在機動車尾氣(qi)(qi)(qi)檢測(ce)場景中(zhong)的(de)實(shi)際應(ying)用做(zuo)了大(da)量研(yan)究(jiu)。本文綜述了用于(yu)機動車尾氣(qi)(qi)(qi)遙感監測(ce)技術(shu)的(de)不同(tong)方法,包括非分光紅外(wai)技術(shu)、差分光譜技術(shu)、激光吸收光譜技術(shu)在汽車尾氣(qi)(qi)(qi)遙測(ce)中(zhong)的(de)應(ying)用,對(dui)其從原理、特點等(deng)方面進(jin)行(xing)評述,并總結了機動車尾氣(qi)(qi)(qi)遙測(ce)技術(shu)目(mu)前(qian)存在的(de)問題及發展方向。
1 機動車尾(wei)氣遙感檢測(ce)技術(shu)
氣(qi)體(ti)(ti)遙(yao)感檢(jian)測(ce)(ce)(ce)是(shi)用儀器對一(yi)(yi)段距離(li)以外的(de)氣(qi)體(ti)(ti)進行(xing)檢(jian)測(ce)(ce)(ce),是(shi)一(yi)(yi)種不直接接觸氣(qi)體(ti)(ti)而能進行(xing)氣(qi)體(ti)(ti)成分有(you)效分析(xi)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)的(de)手段。當機(ji)動(dong)車(che)通(tong)過(guo)監測(ce)(ce)(ce)光(guang)(guang)路(lu),相關氣(qi)體(ti)(ti)信息就會被采集,并進一(yi)(yi)步進行(xing)識別、分析(xi)和判斷(duan)。目前機(ji)動(dong)車(che)尾(wei)氣(qi)遙(yao)感檢(jian)測(ce)(ce)(ce)技術依據原理(li)不同主要采用非分光(guang)(guang)紅外光(guang)(guang)譜技術 、差分吸收光(guang)(guang)譜技術和激光(guang)(guang)吸收光(guang)(guang)譜技術等。
上(shang)述(shu)三種技術(shu)是(shi)以吸(xi)收光譜原(yuan)理(li)和 Beer -Lambert 定律為(wei)基礎,當(dang)光路從(cong)待測(ce)氣(qi)體(ti)(ti)(ti)介質中(zhong)經過,氣(qi)體(ti)(ti)(ti)分(fen)子(zi)會發(fa)生能(neng)(neng)量躍(yue)遷(qian)(qian)。不(bu)同(tong)能(neng)(neng)級(ji)之間的(de)躍(yue)遷(qian)(qian)所需(xu)能(neng)(neng)量不(bu)同(tong),因此不(bu)同(tong)氣(qi)體(ti)(ti)(ti)分(fen)子(zi)需(xu)要吸(xi)收不(bu)同(tong)波(bo)(bo)長的(de)紅外光躍(yue)遷(qian)(qian),產(chan)生紅外吸(xi)收光譜。在中(zhong)紅外波(bo)(bo)段,基頻吸(xi)收帶和吸(xi)收幅度較大,可以對汽車尾(wei)氣(qi)中(zhong)的(de) CO2、CO、NO、HC 等氣(qi)體(ti)(ti)(ti)進(jin)行定性定量檢測(ce)。
1. 1 非分光紅外機動車尾氣遙測技術
非(fei)分散紅外(wai)(wai)線 ( NDIR) 技(ji)(ji)術利用(yong)寬頻(pin)紅外(wai)(wai)線( IR) 發射體,即覆蓋既定系列擬測(ce)量的氣(qi)(qi)(qi)體全(quan)部關注的波(bo)長(chang),是(shi)氣(qi)(qi)(qi)體遙(yao)感(gan)檢(jian)(jian)測(ce)領域(yu)的一種常用(yong)技(ji)(ji)術。機動車(che)尾(wei)氣(qi)(qi)(qi)遙(yao)感(gan)檢(jian)(jian)測(ce)基于該技(ji)(ji)術的測(ce)量,特點為采用(yong)單光束雙波(bo)長(chang)的檢(jian)(jian)測(ce)方法(fa)。對于一束紅外(wai)(wai)光,探測(ce)器有兩個獨立的探測(ce)單元,探測(ce)窗(chuang)(chuang)口(kou)(kou)與參(can)(can)考(kao)窗(chuang)(chuang)口(kou)(kou)。探測(ce)窗(chuang)(chuang)口(kou)(kou)透(tou)射頻(pin)帶的選(xuan)擇是(shi)待測(ce)氣(qi)(qi)(qi)體吸(xi)收(shou)(shou)中(zhong)心,參(can)(can)考(kao)窗(chuang)(chuang)口(kou)(kou)選(xuan)擇其他區域(yu)并且無另(ling)外(wai)(wai)氣(qi)(qi)(qi)體吸(xi)收(shou)(shou)。使用(yong)非(fei)分散紅外(wai)(wai)技(ji)(ji)術進行尾(wei)氣(qi)(qi)(qi)檢(jian)(jian)測(ce),精度可以(yi)達到 ppm 級(ji)別。檢(jian)(jian)測(ce)下限可以(yi)滿足 HC、NO 等含量微小成分的檢(jian)(jian)測(ce)要(yao)求。
NDIR 技(ji)術(shu)(shu)自 20 世紀 60 年代(dai)發展成(cheng)熟以(yi)來(lai),首(shou)先在工業(ye)煙氣(qi)(qi)檢測(ce)(ce)領域(yu)應用(yong)廣泛。使用(yong) NDIR 技(ji)術(shu)(shu)進行機動車(che)尾氣(qi)(qi)檢測(ce)(ce),可(ke)(ke)以(yi)獲(huo)得較好的(de)(de)(de)(de)(de)選擇性(xing),在檢測(ce)(ce)汽車(che)尾氣(qi)(qi)時(shi),各氣(qi)(qi)體(ti)(ti)成(cheng)分(fen)之間是相(xiang)互獨(du)立、互不(bu)干(gan)擾(rao)的(de)(de)(de)(de)(de),如(ru)果(guo)其(qi)(qi)中的(de)(de)(de)(de)(de)一種(zhong)甚至多種(zhong)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)濃度發生變化(hua)時(shi),不(bu)會對其(qi)(qi)他(ta)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)檢測(ce)(ce)造成(cheng)影響(xiang); 可(ke)(ke)測(ce)(ce)量(liang)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)種(zhong)類較多,除了無紅外活性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)子氣(qi)(qi)體(ti)(ti)外,大(da)多數(shu)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)都(dou)能夠根據紅外吸收光譜原理進行檢測(ce)(ce),對于汽車(che)尾氣(qi)(qi)成(cheng)分(fen)都(dou)可(ke)(ke)以(yi)進行很好的(de)(de)(de)(de)(de)測(ce)(ce)量(liang); 同(tong)時(shi)設(she)備不(bu)易受(shou)到有害(hai)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)影響(xiang),使用(yong)壽(shou)命比(bi)較長(chang); 由(you)于長(chang)期穩定性(xing)較好的(de)(de)(de)(de)(de)緣故,對于設(she)備的(de)(de)(de)(de)(de)維護成(cheng)本也(ye)比(bi)較低。但其(qi)(qi)檢測(ce)(ce)下限相(xiang)對較高,測(ce)(ce)量(liang)精度相(xiang)比(bi)于其(qi)(qi)他(ta)光譜檢測(ce)(ce)技(ji)術(shu)(shu)并不(bu)突出,通常用(yong)來(lai)檢測(ce)(ce)單(dan)組份(fen)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)。
1. 2 差分吸收光譜機動車尾氣(qi)遙測技術
差(cha)(cha)分(fen)(fen)吸(xi)(xi)收光譜(pu)技術 ( DOAS) 最早是 20 世紀(ji)80 年(nian)代(dai)由(you) Noxon 和 Platt 等人提出,其是依據尾(wei)氣(qi)中(zhong)的待(dai)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)氣(qi)體分(fen)(fen)子(zi)對光輻射(she)(she)的吸(xi)(xi)收特性(xing)來定(ding)性(xing)定(ding)量(liang)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)尾(wei)氣(qi)成分(fen)(fen)的一種(zhong)遙感檢(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)技術,近年(nian)來逐漸在機(ji)動(dong)車(che)尾(wei)氣(qi)檢(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)中(zhong)得到(dao)應(ying)用。為(wei)解決初(chu)始光強(qiang)度(du)極難測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)的問題,引入了差(cha)(cha)分(fen)(fen)吸(xi)(xi)收技術。將(jiang)波長變(bian)化當作刻度(du),使吸(xi)(xi)收截面(mian)分(fen)(fen)成快(kuai)、慢變(bian)化兩部分(fen)(fen)。其中(zhong)慢變(bian)化由(you)散射(she)(she)引起,通過濾波消除(chu); 使用快(kuai)變(bian)化部分(fen)(fen)進(jin)行多項式(shi)擬(ni)合從而(er)實現對機(ji)動(dong)車(che)尾(wei)氣(qi)成分(fen)(fen)進(jin)行檢(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)。
差分(fen)吸(xi)收光(guang)譜作為氣體遙感檢測典型方法,應用(yong)于機動車尾氣尾氣檢測近年來在國內逐漸引起重視。
DOAS 技術在機動(dong)車尾氣(qi)遙測(ce)應用中體現(xian)出了(le)許多優勢(shi),比如可以(yi)實(shi)(shi)現(xian)多組(zu)分氣(qi)體同(tong)時測(ce)量,這大大降低了(le)設(she)備(bei)的復雜程度; 且設(she)備(bei)維護成(cheng)本低; 具有(you)較好的測(ce)量精度,同(tong)時也有(you)不錯的靈敏度,滿足實(shi)(shi)際(ji)道路現(xian)場化測(ce)量需求; 作為(wei)一(yi)種遙感(gan)檢測(ce)技術,在實(shi)(shi)際(ji)測(ce)量環境中,可以(yi)實(shi)(shi)現(xian)非接觸性測(ce)量。但所檢測(ce)的氣(qi)體分子必(bi)須具有(you)差分吸收特性; 監(jian)測(ce)裝置抗干擾性不是(shi)很強。
目前,對(dui)于 DOAS 技術在機動車尾(wei)氣(qi)檢測(ce)之中應用的(de)研究仍(reng)有很大空間。其一(yi)是對(dui)理論層面的(de)研究,更加優(you)化的(de)算(suan)法可以(yi)更好的(de)提(ti)升(sheng)測(ce)量(liang)精確性、減少誤差(cha)。此外,是對(dui) DOAS 技術相關的(de)光(guang)學(xue)、電(dian)(dian)子(zi)學(xue)器件的(de)研發,獲得(de)更好性能的(de)光(guang)電(dian)(dian)器件,更加合(he)理的(de)搭建、使用檢測(ce)裝置,提(ti)高尾(wei)氣(qi)檢測(ce)精度(du)。
1. 3 激光(guang)吸收(shou)光(guang)譜機動車尾氣遙(yao)測(ce)技術(shu)
激(ji)(ji)光(guang)(guang)吸(xi)(xi)收(shou)光(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu) ( LAS) 技術(shu)(shu)(shu)最早由(you) Hinkley 與(yu)(yu)Reid 在 20 世(shi)紀(ji) 70 年代(dai)提出,是一種新型的(de)氣(qi)體檢測(ce)技術(shu)(shu)(shu)。與(yu)(yu)傳(chuan)統光(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)技術(shu)(shu)(shu)相比(bi),激(ji)(ji)光(guang)(guang)線寬度(du)(du)極窄,發(fa)射激(ji)(ji)光(guang)(guang)的(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)功率密度(du)(du)高(gao)。通(tong)過對(dui)激(ji)(ji)光(guang)(guang)器件的(de)溫度(du)(du)和(he)注入電流進(jin)行(xing)(xing)控制(zhi),調(diao)整所(suo)需(xu)要的(de)出射激(ji)(ji)光(guang)(guang)波(bo)長,掃描待測(ce)氣(qi)體,得到氣(qi)體吸(xi)(xi)收(shou)光(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)。通(tong)過吸(xi)(xi)收(shou)光(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)對(dui)待測(ce)氣(qi)體進(jin)行(xing)(xing)分析。利用 LAS 技術(shu)(shu)(shu)進(jin)行(xing)(xing)尾(wei)氣(qi)檢測(ce)可由(you)直(zhi)接吸(xi)(xi)收(shou)法(fa)或波(bo)長調(diao)制(zhi)法(fa)實現。
在激光(guang)吸(xi)收光(guang)譜技(ji)(ji)術(shu)中,可(ke)調(diao)諧二極管激光(guang)吸(xi)收光(guang)譜技(ji)(ji)術(shu) ( TDLAS,Tunable Diode Laser Ab-sorption Spectroscopy) 在氣體遙測方(fang)面的研究(jiu)已較(jiao)為(wei)成熟,其(qi)應(ying)用也(ye)比(bi)較(jiao)廣(guang)泛(fan)。此外,量子級(ji)聯激光(guang)吸(xi)收光(guang)譜技(ji)(ji)術(shu) ( QCLAS,Quantum Cascade Laser Absorption Spectroscopy) 也(ye)成為(wei)了近年來的熱點,逐漸(jian)被研究(jiu)和應(ying)用于機動車尾氣檢(jian)測等各類(lei)氣體遙測當中。
激光(guang)吸收光(guang)譜(pu)技(ji)(ji)術因其高檢測靈敏(min)度(du)和(he)靈活性(xing)的優勢,已(yi)大量(liang)(liang)運(yun)用(yong)在環境(jing)監(jian)測和(he)機(ji)動車尾氣(qi)(qi)檢測等方(fang)面。激光(guang)吸收光(guang)譜(pu)技(ji)(ji)術可檢測極(ji)低濃度(du)的氣(qi)(qi)體(ti),檢測限可以(yi)達到低 ppm 水平,某些氣(qi)(qi)體(ti)分(fen)(fen)子(zi)甚至(zhi)可達到 ppb 量(liang)(liang)級。基(ji)于該技(ji)(ji)術的氣(qi)(qi)體(ti)測量(liang)(liang)系統能夠進(jin)行非接(jie)觸測量(liang)(liang),實(shi)時(shi)在線監(jian)測待測氣(qi)(qi)體(ti)。目(mu)前(qian)該技(ji)(ji)術使用(yong)的激光(guang)器在調諧范(fan)圍上仍有較大的發展空間。因此(ci),如何使用(yong) LAS 技(ji)(ji)術檢測更(geng)多種(zhong)類的氣(qi)(qi)體(ti)分(fen)(fen)子(zi)需要進(jin)一步研(yan)究。LAS技(ji)(ji)術也(ye)將向著環境(jing)適(shi)應性(xing)更(geng)強(qiang)、持(chi)久的系統穩(wen)定性(xing)、更(geng)成熟更(geng)高效率的優化(hua)測量(liang)(liang)算法(fa)以(yi)及小(xiao)型化(hua)智能化(hua)等等方(fang)向不斷(duan)發展進(jin)步。
2 結語
機動(dong)車尾氣(qi)遙測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)技術蓬勃發展(zhan)(zhan),進步焦點主要集中(zhong)(zhong)在(zai)(zai)光(guang)(guang)(guang)源選擇和光(guang)(guang)(guang)譜分析技術上。本文綜述了機動(dong)車尾氣(qi)遙感檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)技術的(de)研究發展(zhan)(zhan)現(xian)狀,并介紹了不(bu)同機動(dong)車氣(qi)體遙感檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)技術的(de)原理與特點。未(wei)來氣(qi)體遙感檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)技術在(zai)(zai)機動(dong)車尾氣(qi)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)領域的(de)應用中(zhong)(zhong)仍然面臨(lin)著一些問題及(ji)挑(tiao)戰,如在(zai)(zai)使(shi)用過程中(zhong)(zhong)如何(he)降低諸如天氣(qi)、風速、地形等自然因素的(de)影(ying)響(xiang),在(zai)(zai)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)過程中(zhong)(zhong)車流量過密影(ying)響(xiang)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)結果(guo)或者氣(qi)體組分過于復(fu)(fu)雜(za)等因素。以光(guang)(guang)(guang)譜檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)技術為核心的(de)機動(dong)車尾氣(qi)遙感檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)技術未(wei)來的(de)發展(zhan)(zhan)在(zai)(zai)以下(xia)幾個方面值(zhi)得(de)期(qi)待: ( 1) 環境適應性更(geng)(geng)(geng)強(qiang),整(zheng)體光(guang)(guang)(guang)學結構和電(dian)子系統能長期(qi)穩定工作,即可(ke)以進行(xing)長期(qi)持續不(bu)斷的(de)在(zai)(zai)線檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce); ( 2) 算法(fa)更(geng)(geng)(geng)加高效成熟,更(geng)(geng)(geng)優化的(de)算法(fa)可(ke)以帶來更(geng)(geng)(geng)加精確的(de)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)效果(guo); ( 3) 儀(yi)器更(geng)(geng)(geng)加小型(xing)智能、檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)限更(geng)(geng)(geng)低以及(ji)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)量參(can)數(shu)逐漸(jian)增多以滿足更(geng)(geng)(geng)復(fu)(fu)雜(za)的(de)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)(ce)需求等。
總之,精度高、重(zhong)復性良好、穩(wen)定(ding)可(ke)靠、計算速度快(kuai)是機(ji)動車尾氣遙(yao)測技(ji)術未來發展方向。相(xiang)信將(jiang)來會有越(yue)來越(yue)多(duo)功能更加完善的尾氣遙(yao)測設備得到應用,為大(da)氣環境污染治理做出(chu)突出(chu)貢獻。
文章(zhang)來源: 豫(yu)環協機動(dong)車污防委
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