DE69933941T2 - EMISSIONS-FERN-DETEKTORSYSTEM MIT VERBESSERTEM NACHWEIS VON NOx - Google Patents

EMISSIONS-FERN-DETEKTORSYSTEM MIT VERBESSERTEM NACHWEIS VON NOx Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • System und Verfahren zur Fernerfassung von Emissionen mit verbesserter Erkennung von Stickoxid (NOx), einschließlich einer Datenverarbeitung zur Berücksichtigung der Anwesenheit von NOx in der Umgebung.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Fernerfassungssysteme für Emissionen sind grundsätzlich bekannt. Ein derartiges System umfasst eine Quelle elektromagnetischer Strahlung, die eingerichtet ist, einen Strahl durch die Auspuffabgasfahne eines Kraftfahrzeugs zu senden, wenn das Kraftfahrzeug am System vorbeifährt, wobei ein oder mehrere Detektoren eingerichtet sind, die Strahlung zu empfangen, nachdem sie durch die Auspuffabgasfahne des Fahrzeugs durchgetreten ist. An einem oder mehreren der Detektoren kann ein Filter angebracht sein, um es dem Detektor zu ermöglichen, die Intensität elektromagnetischer Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge oder in einem Wellenlängenbereich zu bestimmen. Diese Wellenlängen können in geeigneter Weise ausgewählt werden, um den Wellenlängen, die von interessierenden Molekülarten in einer Auspuffabgasfahne absorbiert werden, zu entsprechen (z. B. HC, CO, CO2, NOx oder andere Molekülarten). Der eine oder die mehreren Detektor(en) gibt/geben Spannung(en) aus, die die Intensität der vom jeweiligen Detektor gemessenen elektromagnetischen (EM-) Strahlung repräsentieren. Die Spannungen werden an einen Prozessor weitergegeben. Der Prozessor berechnet die Differenz zwischen der bekannten Intensität der Lichtquelle und der von den Detektoren erfassten Intensität, um den Betrag der Absorption durch bestimmte Molekülarten (basierend auf vorherbestimmten Wellenlängen, die dieser Art zugeordnet sind) zu bestimmen. Basierend auf der/den gemessenen Absorption(en) kann die Konzentration einer oder mehrerer Molekülarten in den Emissionen auf bekannte Weise bestimmt werden. Aus verschiedenen Gründen können bei der Fernerfassung von Emissionen Ungenauigkeiten auftreten.
  • Einige Emissions-Fernerfassungssysteme sind nicht in der Lage, NOx zu detektieren. Andere Systeme detektieren NOx, aber leiden unter verschiedenen Nachteilen. Ein Problem ist, dass bei der Erfassung der NOx-Konzentration, die in einer Auspuffabgasfahne vorliegt, das Vorhandensein von NOx in der Umgebung die Genauigkeit der detektierten Konzentration nachteilig beeinflussen kann. Wenn z. B. zwei Autos eine Messstation innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne passieren, können NOx-Emissionen vom ersten Fahrzeug zurückbleiben und mit der Auspuffabgasfahne des zweiten Autos vermischt werden, wodurch die Messung der NOx-Konzentration des zweiten Autos verfälscht wird. Andere Quellen von NOx in der Umgebung können zu einem ähnlichen Ergebnis führen.
  • Dieses Problem wird in der WO 98/37405 angesprochen, die eine Vorrichtung offenbart, in welcher Infrarotlicht mit einer Vielzahl von Wellenlängen durch eine Auspuffabgasfahne eines Fahrzeugs gestrahlt wird. Die Vorrichtung nimmt eine Messung der Hintergrundverschmutzung durch die kontinuierliche Überwachung der Lichtquelle auf und verwendet die Blockierung des Strahls als Signal, dass ein Fahrzeug angekommen ist und um die Hintergrundpegel zu erfassen und zu halten.
  • Ein zweites Problem erwächst auf Grund von Variationen der Intensität der Lichtquelle. Üblicherweise wird zur Detektion der NOx-Konzentration in einer Auspuffabgasfahne der Ausgang eines Detektors, der eingerichtet ist, den Betrag der Absorption des Lichtstrahls auf Grund des Vorhandenseins von NOx zu bestimmen, mit einem Wert, der die Intensität der Lichtquelle anzeigt, verglichen, wobei die Differenz den Betrag der Absorption auf Grund der Anwesenheit von NOx repräsentiert.
  • Typischerweise wird ein Standardwert für die Intensität der Lichtquelle verwendet. Allerdings können Variationen der tatsächlichen Intensität der Quelle Ungenauigkeiten des detektierten Betrags an NOx verursachen. Ein drittes Problem ergibt sich auf Grund der Anwesenheit von Rauschen. Weitere Probleme und Nachteile existieren ebenfalls.
  • IR Long Path Photometry: A remote sensing tool for vehicle emissions (Fernüberwachung durch IR-Fotometrie: Ein Fernüberwachungswerkzeug für Fernemissionen), Analytical Chemistry, American Chemistry Society Vol. 61 No 10, 15. Mai 1989, Seiten 671 bis 677 offenbart ein System, in welchem Messungen eines Strahls kontinuierlich vor der Ankunft eines Fahrzeugs, während der Blockierung des Strahls und nach dem Wiederfreiwerden des Strahls vorgenommen werden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Entsprechend einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren wie in Anspruch 1 beschrieben zur Verfügung gestellt.
  • Entsprechend einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein System wie in Anspruch 8 beschrieben zur Verfügung gestellt.
  • Es ist damit möglich, die Genauigkeit der Messungen von NOx-Emissionen zu verbessern, indem die Anwesenheit von NOx in der Umgebung und Änderungen der Strahlungsintensität berücksichtigt werden.
  • Es ist weiterhin möglich, die Genauigkeit von Messungen von NOx-Emissionen zu verbessern, indem die Anwesenheit von Hintergrundrauschen berücksichtigt wird und die Verarbeitungseffizienz der Berechnung von NOx-Konzentrationen zu verbessern.
  • Die vorgenannten und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung könnten anhand der folgenden eingehenden Beschreibung der Erfindung besser nachvollzogen werden.
  • Eingehende Beschreibung der Erfindung
  • Die Emissionsdetektion kann mit einem Fernerfassungsgerät, wie etwa RSD-1000 oder RSD-2000, hergestellt von RSTi, Tucson, Arizona, durchgeführt werden.
  • Das Fernerfassungsgerät und Auswertungssystem umfasst zumindest eine Strahlungsquelle (z. B. Infrarot (IR), ultraviolett (UV), etc.), mindestens einen Strahlendetektor und einen Prozessor zur Verarbeitung der aufgenommenen Strahlungssignale. Die von der/den Quelle(n) ausgesendete Strahlung kann entlang eines vorherbestimmten Wegs quer über eine Fahrbahn gerichtet werden. In einigen Ausbildungsformen können zusätzliche optische Elemente oder Strahlführungseinrichtungen zur Umlenkung des Strahls verwendet werden. Schließlich wird die Quellenstrahlung von dem/den Detektor(en) empfangen. Es können auch andere Systemkonfigurationen verwendet werden. Wenn ein Fahrzeug entlang der Straße vorbeifährt, kann/können der/die Quellenstrahl(en) durch eine Auspuffabgasfahne des Fahrzeugs hindurchtreten.
  • Der/Die Detektor(en) erfasst/erfassen die Anwesenheit von verschiedenen Auspuffgasbestandteilen (z. B. HC, CO2, CO, NOx, etc.) typischerweise durch Aufzeichnung eines Spannungspegels, der den Betrag der Absorption des Quellenstrahls anzeigt. Ein Teil des Prozessors führt eine Analyse der Auspuffabgasfahne zur Ermittlung der Abgasemissionen in bekannter Weise durch.
  • Das Emissions-Fernerfassungs(RSD)-System nimmt einen Messwert der NOx-Konzentration in der Umgebung unmittelbar vor jedem Fahrzeug, das durch das System fährt, auf. Vorzugsweise nimmt das RSD-System einen „blockierten" Messwert auf, wenn das Fahrzeug durch das System fährt (d. h. ein Messwert, wenn das Fahrzeug sich im Weg des Strahls zwischen der Quelle und dem Detektor befindet). Dieser Messwert kann jegliches möglicherweise in der Umgebung oder im System vorhandene Rauschen wiedergeben. Das RSD-System nimmt ebenso einen Messwert der Auspuffabgasfahne auf, wenn der Strahl durch die Auspuffabgasfahne tritt. Somit werden für jedes Fahrzeug, dessen NOx-Messwert aufgenommen werden soll, zumindest zwei Messungen gemacht, einschließlich eines Messwerts der Umgebungskonzentration und eines Messwerts für die Auspuffabgasfahne. Da die Konzentration in der Umgebung und das Rauschen von Test zu Test unterschiedlich sein können, kann die Aufnahme der NOx-Konzentration in der Umgebung und des Rauschens bei jedem Test eine genauere und verlässlichere Bestimmung der aufzunehmenden NOx-Konzentration erlauben.
  • Jede Messwertaufnahme wird von einem oder mehreren Detektoren durchgeführt. Die Ausgänge der Detektoren, die den Messwert des NOx in der Umgebung, den Messwert bei blockiertem Strahl und den Messwert der Auspuffabgasfahne (und andere erwünschte Daten) wiedergeben, werden an einen Prozessor weitergeleitet. Der Prozessor bestimmt die NOx-Konzentration in der Umgebung und die NOx-Konzentration aus der Auspuffabgasfahne und subtrahiert die Umgebungskonzentration von der NOx-Konzentration aus der Auspuffabgasfahne für jedes getestete Fahrzeug. Vorzugsweise wird der Messwert bei blockiertem Strahl bei jedem Fahrzeug von dem Messwert der Auspuffabgasfahne für dieses Fahrzeug abgezogen, um Rauschen in der Umgebung und/oder im System zu entfernen, um die Genauigkeit und/oder Verlässlichkeit der Testergebnisse weiter zu verbessern.
  • Jeder der Messwerte sowie der Prozess und das System zur Gewinnung verlässlicher NOx-Messwerte in Verbindung mit einem Fernerfassungssystem werden jetzt eingehender diskutiert. Zu Beginn, wenn das Fahrzeug sich dem Lichtstrahl nähert, wird der Messwert für die Bezugskonzentration in der Umgebung aufgenommen. Bei diesem Schritt misst der Detektor die NOx-Konzentration in der Umgebung unmittelbar bevor das Fahrzeug in den Lichtstrahl ein und durch diesen hindurch tritt. Die Messwertaufnahme für die Bezugskonzentration in der Umgebung können so eingestellt werden, dass sie periodisch durchgeführt werden, wenn kein Fahrzeug oder Emissionsquelle sich im Erfassungsbereich befindet. Somit kann der jeweils letzte Messwert der Umgebungskonzentration gespeichert werden und in Verbindung mit der Konzentrationsberechnung für jedes Fahrzeug verwendet werden. Alternativ kann ein auslösendes Ereignis das RSD-System veranlassen, den Messwert für die Umgebungskonzentration aufzunehmen. In jedem Fall werden die Messwerte vorzugsweise gewonnen, indem eine Vielzahl von Einzelmessungen in kurzen Abständen während eines vorherbestimmten Messintervalls aufgenommen wird. Zum Beispiel kann eine Umgebungsmesswertaufnahme 50 Einzelmessungen mit 10 ms Abstand in einem Messintervall von 0,5 Sekunden umfassen.
  • Wenn ein Fahrzeug den Lichtstrahl unterbricht, kann eine „blockierte" Messung oder „Dunkelstrommessung" durchgeführt werden. Diese Messung bestimmt den Ruhestrom und das Rauschen im System. Diese Bezugswerte können sich im Verlauf eines Tages ändern, da sie zum Beispiel von der Umgebungstemperatur abhängen. Der „blockierte" Messwert wird für jedes Fahrzeug, dessen NOx-Messung erwünscht ist, aufgenommen. Vorzugsweise wird der blockierte Messwert nach dem Messwert der Umgebungskonzentration, aber vor dem Messwert für die Auspuffabgasfahne aufgenommen. Der Messwert für die Auspuffabgasfahne wird auf Grundlage der aktuellen Emissionen jedes zu messenden Fahrzeugs in bekannter Weise aufgenommen.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet gewisse Datenverarbeitungsroutinen, die in geeigneter Weise zur Verbesserung der Genauigkeit und Validität der sich ergebenden NOx-Konzentrationen gewählt werden.
  • 1 zeigt eine typische Datenkurve, die aus einer Absorptionsmessung von NOx entstanden sein kann. Die y-Achse enthält Strahlungsintensitätswerte und die x-Achse enthält die Wellenlängenwerte der Strahlung. Eine Absorption von Strahlung wird typischerweise als lokales Minimum im Signal bei bestimmten Wellenlängen auftreten. Zum Beispiel wird die Absorption von NO typischerweise im Wesentlichen zentriert um Wellenlängen von 326 nm auftreten. In bekannter Weise werden die Auspuffemissionsdaten typischerweise normiert oder durch Vergleich mit einem anderen Auspuffabgasbestandteil (z. B. CO2) ins Verhältnis gesetzt. Bestimmte bestehende Systeme können dieses Verhältnis unter Verwendung von Daten in einem durch die Klammer A angezeigten Wellenlängenbereich bilden. Wie zu sehen ist, enthält dieser Bereich viele Datenpunkte, an denen keine wesentliche Absorption von NOx stattfindet. Somit können jegliches Rauschen oder andere Ungenauigkeiten, die in diesen Wellenlängen ohne Absorption auftreten, zu fehlerhaften Ergebnissen bei der Bestimmung der NOx-Konzentration in den Auspuffemissionen führen. Die vorliegende Erfindung vermindert Fehler dieser Art durch die Auswahl eines geeigneten Wellenlängenbereichs, über den das Verhältnis gebildet wird. Zum Beispiel kann, wie in 1 gezeigt, ein Wellenlängenbereich, der durch die Klammer B angezeigt wird und im Wesentlichen zentriert um ein lokales Absorptionsminimum ist, verwendet werden, um das Verhältnis zu berechnen.
  • Die vorliegende Erfindung kompensiert auch Veränderungen der Strahlungsintensität, um eine genauere NOx-Konzentration zu berechnen. 2 zeigt zwei Absorptionssignale (angezeigt als „a" und „b" in 2) für zwei Messungen der NOx-Konzentration. Die auftretende Verschiebung der Kurven kann durch eine Vielzahl von Gründen verursacht sein. Zum Beispiel kann die Intensität sich verändern, wenn Umgebungsbedingungen (z. B. Lufttemperatur, Feuchtigkeit, etc.) sich verändern, und eine Verschiebung der aufgenommenen Signals verursachen. Die vorliegende Erfindung kompensiert diesen Effekt, indem eine Bezugsintensität von jedem Signal abgezogen wird. Die Bezugsintensität wird unter Verwendung eines im Wesentlichen linearen Bereichs (angezeigt durch „c" und „d" in 2) berechnet, um einen Bezugsintensitätspegel zu erhalten. Dies kann auf viele verschiedene Arten geschehen. So wird jede Messung eine Bezugsgröße haben, die identischen Bedingungen, unter denen die Messung aufgenommen wurde, entspricht, und es wird eine genauere Bestimmung der NOx-Konzentration berechnet.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von NOx in einer Auspuffabgasfahne eines Fahrzeugs, das einen Strahl durchfährt, der entlang eines optischen Pfades zwischen einer Strahlungsquelle mit einer Ausgangsintensität und einem Detektor zur Messung von Intensitäten auf den Detektor einfallender Strahlung über einen Bereich von Wellenlängen projiziert wird, wobei das Verfahren umfasst: Aufnahme eines Umgebungsmesswerts vor der Vorbeifahrt eines Fahrzeugs durch Messung von Strahlungsintensitäten über einen Wellenlängenbereich unter Umgebungsbedingungen zur Bestimmung der Konzentration von NOx in der Umgebung, wobei der Wellenlängenbereich zumindest eine Absorptionswellenlänge von NOx umfasst; Aufnahme eines Auspuffabgasfahnenmesswerts durch Messung von Strahlungsintensitäten über den Wellenlängenbereich, während der Strahl durch die Auspuffabgasfahne eines Fahrzeugs tritt, nachdem das Fahrzeug den optischen Pfad durchfahren hat; gekennzeichnet durch Berechnung einer Bezugsintensität (c, d) unter Verwendung eines im Wesentlichen linearen Bereichs über einem lokalen Absorptionsminimum in einer Absorptionskurve, die aufgenommen wird, während der Strahl durch die Auspuffabgasfahne des Fahrzeugs tritt; Berechnung der Konzentration von NOx in der Auspuffabgasfahne des Fahrzeugs, wobei die Berechnung der Konzentration von NOx die Subtraktion der Bezugsintensität vom Auspuffabgasfahnenmesswert zur Kompensation von Schwankungen in der Strahlungsintensität umfasst; und Subtraktion des Messwerts der NOx-Konzentration in der Umgebung vom kompensierten Auspuffabgasfahnenmesswert, um die Konzentration von NOx in der Auspuffabgasfahne des Fahrzeugs zu ermitteln.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend: Die Aufnahme eines Messwerts bei blockiertem Strahl, wenn das Fahrzeug sich im optischen Pfad befindet und den Strahl blockiert, wobei die Messung bei blockiertem Strahl einen Ruhestrom oder Rauschen misst; und Subtraktion des Messwerts bei blockiertem Strahl von der Konzentration von NOx in der Auspuffabgasfahne.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messung von Strahlungsintensitäten unter Umgebungsbedingungen in vorherbestimmten Intervallen erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messung von Strahlungsintensitäten unter Umgebungsbedingungen beim Auftreten eines vorherbestimmten auslösenden Ereignisses ausgelöst wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Messung bei blockiertem Strahl nach der Messung von Strahlungsintensitäten unter Umgebungsbedingungen, aber vor der Messung von Strahlungsintensitäten während des Durchtritts des Strahls durch die Auspuffabgasfahne des Fahrzeugs aufgenommen wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wellenlängenbereich so gewählt ist, dass er im wesentlichen so um eine charakteristische Wellenlänge zentriert ist, dass die Anzahl von Datenpunkten, an denen keine wesentliche NOx-Absorption stattfindet, minimiert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Messung von Strahlungsintensitäten unter Umgebungsbedingungen vor der Aufnahme der Messung mit blockiertem Strahl erfolgt.
  8. System zur Bestimmung der Konzentration von NOx in einer Auspuffabgasfahne eines Fahrzeugs, das einen Strahl quert, der entlang eines optischen Pfades zwischen einer Strahlungsquelle mit einer Ausgangsintensität und einem Detektor zur Messung von Intensitäten auf den Detektor einfallender Strahlung über einen Bereich von Wellenlängen projiziert wird, umfassend eine Strahlungsquelle, Mittel zur Aufnahme eines Umgebungsmesswerts vor der Vorbeifahrt eines Fahrzeugs durch Messung von Strahlungsintensitäten über einen Wellenlängenbereich unter Umgebungsbedingungen zur Bestimmung der NOx-Konzentration in der Umgebung, wobei der Wellenlängenbereich zumindest eine Absorptionswellenlänge für NOx umfasst; Mittel zur Aufnahme eines Auspuffabgasfahnenmesswerts durch Messung von Strahlungsintensitäten über den Wellenlängenbereich, während der Strahl durch eine Auspuffabgasfahne des Fahrzeugs tritt, nachdem das Fahrzeug durch den optischen Pfad getreten ist, gekennzeichnet durch Mittel zur Berechnung einer Bezugsintensität unter Verwendung eines im wesentlichen linearen Bereiches über einem lokalen Absorptionsminimum in einer Absorptionskurve, die aufgenommen wird, während der Strahl durch die Auspuffabgasfahne des Fahrzeugs tritt; Mittel zur Berechnung der Konzentration von NOx in der Auspuffabgasfahne des Fahrzeugs, wobei die Berechnung der NOx-Konzentration die Subtraktion der Bezugsintensität vom Auspuffabgasfahnenmesswert zur Kompensation von Schwankungen in der Strahlungsintensität umfasst; und Mittel zur Subtraktion des Messwerts der NOx-Konzentration in der Umgebung vom kompensierten Auspuffabgasfahnenmesswert zur Ermittlung der in der Auspuffabgasfahne des Fahrzeugs vorhandenen NOx-Konzentration.
  9. System nach Anspruch 8, weiter umfassend: Mittel zur Aufnahme eines Messwerts bei blockiertem Strahl, wenn das Fahrzeug sich im optischen Pfad befindet und den Strahl blockiert, wobei der Messwert bei blockiertem Strahl einen Ruhestrom oder Rauschen bestimmt; und Mittel zur Subtraktion des Messwerts bei blockiertem Strahl von der NOx-Konzentration in der Auspuffabgasfahne.
  10. System nach Anspruch 8, wobei die Messung der Strahlungsintensität unter Umgebungsbedingungen in vorherbestimmten Intervallen erfolgt.
  11. System nach Anspruch 8, wobei die Messung von Strahlungsintensitäten unter Umgebungsbedingungen beim Auftreten eines vorherbestimmten auslösenden Ereignisses veranlasst wird.
  12. System nach Anspruch 11, wobei die Messung bei blockiertem Strahl nach der Messung von Strahlungsintensitäten unter Umgebungsbedingungen, aber vor der Messung von Strahlungsintensitäten während der Strahl durch die Auspuffabgasfahne des Fahrzeugs tritt, aufgenommen wird.
  13. System nach Anspruch 10, wobei der Wellenlängenbereich so gewählt ist, dass er im wesentlichen so um eine charakteristische Wellenlänge zentriert ist, dass die Anzahl von Datenpunkten, an denen keine wesentliche NOx-Absorption stattfindet, minimiert wird.
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