汽车尾气排放遥感检测技术

1、汽車尾氣排放遙感檢測技術Thomas Cross美國環境保護系統公司（ESP）摘要本文介紹汽車尾氣遙感檢測技術，如何使用此系統測量駕駛中車輛的尾氣排放及如何在現實環境中利用車輛牌照系統來明確辨認個別車輛的尾氣排放情況。本文亦會探討此系統在美國如何與傳統的尾氣排放測試計劃一并應用，以： 通過對尾氣的統計分析評估尾氣排放檢測計劃 辨認清潔車輛，免除它們必須到“集中僅進行測試檢測中心”或“非集中測試與維修尾氣檢測中心”接受尾氣排放測試的需要 在下一個年檢之前辨認那些已出現排氣排放淨化裝置問題的車輛 將遙感檢測融入尾氣排放檢測與維修計劃 (I/M) 中 本文的結論是在整個辨認、維修、再檢測車輛的過程中

2、，遙感檢測技術是重要，不可或缺的一環，也是一個監測尾氣排放情況的有效方法。1. 前言在全世界為了減低移動污染源所造成的空氣污染工作中，利用遙控感應技術探測汽車尾氣排放是一個重要元素。祇有配合其它減少汽車尾氣的工作（如定時在固定設施進行汽車尾氣測試），遙感檢測才能成功。一個完整的汽車尾氣減低計劃需包括： 將污染問題定量化：通過監測空氣中的污染成份或遙感檢測 辨認污染物質：通過遙感檢測或在固定設施定時進行檢測 證實：通過對同一輛車至少2次的遙感檢測或在固定設施的尾氣排放測量 校正：在獨立維修設施進行尾氣排放有關的修理 核實：在固定檢測設施進行再檢測，證實維修工作已將問題矯正 確定計劃的有效性：利用

3、遙感檢測來測量大批車輛的尾氣排放量，計算整體平均數及不同車輛類別與年齡的平均數。計劃的有效性是以長時間監測平均尾氣排放的減少而確定的。在辨認移動污染源的污染狀況與監測空氣中的污染成份兩者之間，較有效的方法是前者，因後者並不能分辨汽車的尾氣排放或固定性污染源的排放。因此遙感檢測的有效性是肯定的。2. 遙感檢測技術2.1 利用非分散性紅外線測量碳氫化合物，一氧化碳與二氧化碳雖然有不同種類的遙感檢測技術在使用和研究當中，現時最多的系統都使用備受證實及肯定的非分散性紅外線（NDIR）技術。美國的固定設施內數以千計的尾氣排放分析儀均採用已有20多年歷史的NDIR技術，每年進行超過3千萬次尾氣排放測試。美

4、國聯邦試驗規程（FTP）中所使用的新車認證程序中，NDIR也被用來測量一氧化碳（CO）及二氧化碳（CO2），在固定與遙感檢測NDIR系統中，當一道紅外光線（IR）穿過汽車尾氣時，尾氣中的碳氫化合物（HC），CO與 CO2成份將一部份IR以不同波長（在3-5微米範圍內）吸收。波長範圍內的吸收足夠產生一個明顯、可測量的零點（周圍空氣）吸收及穿過汽車尾氣時的分別。一超出這些波長時，吸收力就會很低，不容易得到正確結果。紅外線由一組探測器（通常是鉛硒），由探測器前的光纖濾波器“集中”於每一個不同的波長。現代的系統，包括遙感檢測在內的做法是利用一個裝有“割切”濾波器的探測器，配合電子“割切”來分隔HC，C

5、O與CO2的不同訊號（吸收）強度。固定設施內的尾氣排放分析儀的HC，CO與CO2結果是以百分比或百萬分率計算的。不在IR範圍之內的NOX則是以電子化學發光或化學元件測量出來的。遙感檢測設備的應用中，NDIR的測量是以COCO2與HCCO2比率計算，再以化學計算法乾汽油燃燒化學轉換成濃度，再以道路坡度，車速與加速度調整出車輛的發動機功率狀況。因此能正確的測量出車輛的速度與加速度是非常重要的。總結是，不論是固定分析儀或遙感檢測儀的應用，NDIR是一種已被證實，能有效測量HC，CO與CO2的方法。在固定分析儀內，尾氣被捕捉進一個小管道，這管道將紅外光由一個低電源傳送到光纖濾光探測器。遙感檢測必須征服

6、其它因素，比如長距離、開放式道路而需要較高的電源，及天氣的影響。這一點會在稍後作詳細探討。2.2 利用IR可調校性激光測量HC、CO、CO2近程IR，低電源可調校性激光的操作是在一個較低的波長，雖然在這種波長內的CO與CO2的吸收程度較前一段所描述的中程IR低，但仍是可接受的。但是近程IR可調校性激光的吸收範圍祇能吸收微量的HC與NO，因此這個技術的實用性祇適用於遙感檢測CO與CO2。中程IR激光在遙感檢測能覆蓋較大範圍的波長，包括CO2，CO，HC與H2O。但它成本高昂，儀器的性質本身亦需要費時照料，而且需要液態氮冷卻，這種液態氮用在遙感檢測設備上是既昂貴又困難的。總結來說，可調校性激光可以

7、，並已用於遙感檢測用途。但是對於測量CO與CO2以外的尾氣成份就可能會牽涉龐大成本及執行上的困難。2.3 利用紫外光測量HC，水蒸氣及氮氧化物（NOX）在遙感檢測的應用當中，測量HC與NOX波長的方法是以紫外光分光學來測量較大的頻譜。這樣做能得到更高的准確率，因為相對於祇測量一個單一、過濾的波長，它是以一整個波長範圍來進行測量。與NDIR一樣，這是一個已被證實及實用的技術，並在過去7年的遙感檢測應用中廣被使用及改善。2.4 技術總結在加利弗尼亞汽車維修局（BAR）剛進行過的遙感檢測測試當中，NDIR與UV技術再度被證實能夠准確、穩定及方便的用於道路測試。雖然一些新的激光技術有可能在未來會有一些

8、優勢，他們主要是基於航空與防衛技術，其成本與安全性不及達到功能要求重要。現階段，這些技術可能較適用於研究用途多過本文所強調的遙感檢測的實用性。3. 利用遙感檢測前文所提及的內容較為廣範，並適用于不同的系統。以下將探討美國環境系統公司（ESP）的豐富遙感檢測經驗及ESP的設備。3.1背景與經驗基於NDIR與UV技術的遙感檢測系統早在8年前已開始實際運用。科羅拉多州丹佛大學的Donald Stedman博士則在這之前已研制出基本的技術。自19931994年，遙感檢測主要用於美國、加拿大、墨西哥、台灣、澳洲、凶牙利、韓國、瑞典、瑞士和泰國最受污染的地區。它的應用包括： 記錄尾氣排放總量 監測車輛以確

9、定定期尾氣排放檢測需要 找出高排放與低排放汽車的特徵 辨認骯髒車輛 同時執行“清潔篩選”與固定檢測設施檢測 交通模式化，以辨認一日內某些時間的污染“熱點” 滿足美國環保署(US EPA)評估固定設施尾氣排放檢測計劃有效性的要求 車輛退化研究3.2 路邊設置機動車尾氣遙感檢測系統可以提供對任何一輛從道路上通過的車輛的排放值進行分析。 為了將尾氣排放值與錄影機所攝取到該車輛本身的車牌號碼進行準確的對照，此系統可以在少於1秒鍾的時間内完成測量工作。除了讀取車牌及尾氣排放值，系統也測量車輛的速度與加速度，以計算被檢車輛的實際功率。图圖1是遙感檢測系統的典型工作示意圖。大多數的檢測手段（包括IM240檢

10、測及新車形認證檢程序所採用的FTP）都是在一定速度及加速度範圍内檢測車輛的性能。這些檢測是利用車輛的速度和加速度两個數值來推導車輛發動機的輸出功率並檢測當時被檢車輛的排放值來合理評價車輛排放污染物的數據。車輛在道路行駛狀態下，道路的坡度是必須考慮影响發動機功率的一個重要因素。進行檢測時，道路坡度、車速及加速度都用來計算被檢車輛的輸出功率，並確定捕獲的數據是否是有效的排放數值。 市場上最準確的速度/加速度檢測系統使用的是非常精確的低能量激光探測器，可以在檢測尾氣排放的一瞬間裡在每秒0.3 mph的範圍内檢測並計算出通過車輛的速度和加速度。這個系統的精確度要比大部分警察部們所使用的雷達測速槍還要高

11、。如圖1所示，為避將電纜接駁過馬路的必要，所有工作組件都放置在馬路的一邊。由光源組所發射的IR與UV光束穿過尾氣後再由直傳鏡反射回探測組件。光源與探測組件錄影機及自動車輛牌照讀取器數據整理及影像顯示直傳鏡車速/加速度探測器圖1: 汽車尾氣遙感檢測系統架設之示意圖3.3 氣候影響惡劣的天氣可影響遙感檢測系統的測試數量但不影響測試精確度。不良的天氣狀況不會影響採集數據的質量。ESP的遙感檢測系統識别並去除不理想的測量結果，確認只有准確、真實和有代表性的數據才會被收錄。雨天和霧天會因有效測量數據捕捉率的降低而影響遙感檢測的檢測效率。原因是由於水蒸氣吸收並分散紅外及紫外線，在小雨或霧天（或車輛後輪濺起

12、的水）探測器接收的信號將會減弱。 ESP的系統配有程序來探測信號的衰減及光束的分散。 檢測反饋信號如果無法符合嚴格的信號及質量條件，數據即被判定為無效數據， 這種做法確認只將有效及有代表性的數據採集和紀錄。 這種即時質量控制是系統每一次接收到檢測數據時嚴格質量審核的其中一種方法。塵土和大風亦可影響測量的效率，因為塵土和雨水及霧氣一樣會影響光的傳播。浮塵中粒物所造成的紅外及紫外光的分散視為衰减的信號。所有不能達到最小信號强度標准的測量將立即被判定為無效信號。大風時會因為尾氣排放烟霧的離散而影響檢測。ESP的遙感檢測系統配有程序保留那些被減弱到一定程度並能產生期望的信號形狀的尾氣測量值。如果尾氣氣

13、團不能達到最小的信號形狀標准，該系統將即時視之為無效信號。温度是個太不重要的因素。 ESP 系統已經在Phoenix, Arizona 50C 的高温及Fairbanks, Alaska 20C的情況下使用過。随着温度的下降,汽車排放氣體中的水蒸氣將冷凝並結晶，這些晶體將散射紅外與紫外光線，減弱光度，系統可以識别此類數據。 3.4 辯認車輛當車輛經過遙感檢測系統時，系統自動攝取該車輛的牌照影像，再與其尾氣數值一起儲存在電腦硬碟內。每一天測試完畢，ESP公司的專利軟件Tag Edit可以將牌照影像及尾氣數值從數據紀錄中轉換成數據檔案。有關工作人員從牌照影像看出車牌資料後再輸入電腦。圖2 是 Ta

14、g Edit 版面。 這個數據後處理過程確保：: 處理所有影象資料以盡可能確保最高的車輛捕獲率。 測量數據與車牌影象均儲存在一個可抽取的媒體中。這些數據(包括設備校準紀錄) 可以每天交給最終用戶做統計分析。 系統對無排放氣體資料或無速度資料數據不做處理。這些數據及其車牌影像與其無法讀取的車牌紀錄一起清除，或可收錄在CD或DVD-ROM按需要提取作特別統計數據研究用途。自動車牌讀取系統(ALPR)亦可用即時數據處理。本系統採用先進的軟件將車牌影像即時轉換成電腦數據。 這種做法的成本相當高，因此有必要衡量將尾氣排放數值與車牌即時作對比的重要性。圖2： 數據編輯顯示屏幕4. 數據整理數據質量控制與安

15、全是本專利操作軟件兩個重要特點。軟件將所有的數據儲存在一個被保護格式中，只有授權人員才能打開。軟件同時要求設備操作員不能在氣體校准失敗的情况下繼續檢測，從而保護數據的可靠性與質量。軟件將所有數據儲存在一個檔案中(.VDF)。.VDF檔可以在開設另一個“TXT”檔后轉入其他數據庫 (Access, Paradox, dBase, Excel, Quattro, Lotus, etc.) 。 TXT檔中的數據包括： 設備編號 被測車輛序號 日期（天：月：年） 時間（时：分：秒） CO % CO 標記 CO2 % CO2 標記 最高 CO2 CO2 容積 HC ppm HC 標記 NOx ppm N

16、Ox 標記 烟度 烟度標記 冷啟動（是/不是） 車速 MPH 或 KPH 車速標記 加速度 MPH/s 或 KPH/s 加速度標記 公制/英制速度與加速度識别標記“E” 英制 或 “M” 公制 車牌 車牌標記 車牌種類5. 認証與質量保證雖然美國環保署認可用遙感檢測作計劃評估與清潔篩選，目前唯一存在的注冊標準則出自加利弗尼亞汽車維修局(BAR)。達到HC、CO、NOx 及車輛速度與加速度嚴格測量標準的系統將頒獲此項證書。BAR使用一輛改造車輛將實際排氣管引導向上，遠離遙感檢測光束。由車上裝有的特定校準混合氣瓶注入一個與正常排氣管位置相同的“測試”排氣管。BAR車輛在經過受測遙感檢測系統時將氣瓶

17、中的氣體排出。車輛亦裝設特制速度與加速度系統以鑒定受測遙感檢測系統所測量的速度與加速度數據。為確保設備、操作與數據的不斷進步和遙感檢測計劃的成功，質量保證程序是很重要的。為儘量將設備停機時間減至最低及確保數據質量，遙感檢測軟件為根據客戶操作員、數據處理人員及審核人員所提供的資料建立了一個統計數據庫。這些資料來自： 操作員日常操作日記來紀錄噪音水平、設置與故障時間、重大的停機時間並紀錄停機原因和更正行動。 數據處理員日常操作日記來紀錄車輛牌照號編輯時間及數據問題。 質量審核員日常操作日記來紀錄審核時間及設備裝置、校準時所發生的問題及審核車結果。 數據審核以確定遙感檢測設備與操作員效率紀錄所有電腦

18、控制盤活動以追蹤操作員的操作行為。 數據質量保證是一個不間斷、範圍極廣的工作，並採用自動化配備來確保數據廉正與質素。 自動提醒操作員在收集數據前進行主要操作步驟，例如校準。 即時排放煙霧分析根據煙霧的濃度、煙霧離散特性及線形煙霧樣氣區別有效及無效數據。 數碼數據儲存來減少數據處理及使用光碟 (CD-ROMs) 安全儲存以增加數據廉正性。 操作員培訓以確保操作員能勝任正常操作及保養遙感檢測系統的工作。6. 計劃種類遙感檢測能有效的與以下定期尾氣排放計劃同時使用： 以非侵擾性統計分析大批車輛尾氣排放的方法不停的評估尾氣檢測計劃的有效性 在下一個定期檢測前辨認可能已出現尾氣排放問題的車輛（骯髒車輛） “清潔篩選”車輛，方便公眾及減少固定檢測線的數量 分析交通典範，以達到制定計劃來減少或消滅污染“熱點”的目標7. 結論本文介紹遙感檢測設備目前在美國及其它國家如何被用來測量行駛中車輛的尾氣污染，並如何在實際情況下以車輛牌照正確辨認該車輛的排放狀況。本文亦描述本設備如何在美國與其它傳統尾氣排放測試計劃同時使用： 將每個地區的車輛尾氣污染數量化 通過對尾氣排放的統計分析評估尾氣排放檢測計劃的有效性 辨認那些可以免除到“集中式僅進行測試”或“非集中式測試與維修”尾氣排放檢測站進行尾氣排放檢測的清潔車輛 在下一