基于NDIR法和HCLD法的氣體分析儀不同海拔下的線性特性研究

劉爽　陳秋伶　唐興貴

摘 要：研究氣體分析儀在不同海拔下的線性特性對(duì)確保試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性具有重要意義。本研究在不同海拔下分別利用不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體、氣體分割器等設(shè)備對(duì)市面上主流的便攜式排放測試分析儀進(jìn)行線性化檢查，得到基于NDIR法和HCLD法的氣體分析儀在不同海拔下的線性特性。通過對(duì)數(shù)據(jù)的整理分析得出推薦線性系數(shù)，在進(jìn)入其他不同海拔地區(qū)試驗(yàn)時(shí)使用此線性系數(shù)可消除海拔對(duì)分析儀準(zhǔn)確性的影響從而保證實(shí)際行駛排放試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。該研究對(duì)整車企業(yè)及檢測機(jī)構(gòu)確保不同海拔下實(shí)際行駛排放試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性具有實(shí)際參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：海拔 線性化檢查 線性系數(shù) 實(shí)際行駛排放試驗(yàn)

1 前言

我國現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》、GB17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》中均增加了整車實(shí)際道路排放測試試驗(yàn)，要求對(duì)實(shí)際行駛過程中對(duì)的NOx和CO等污染物進(jìn)行監(jiān)測。其中環(huán)境條件里的海拔條件要求海拔高度不高于2400m[1-2]。上述要求則帶來了在不同海拔條件下進(jìn)行實(shí)際行駛排放試驗(yàn)的需求。

實(shí)際行駛排放試驗(yàn)需要用到便攜式排放測試分析儀（PEMS），法規(guī)中對(duì)PEMS設(shè)備進(jìn)行了一系列的要求，其中包括至少每三個(gè)月檢查一次線性檢查（對(duì)分析儀系統(tǒng)進(jìn)行維修后，或?qū)Ψ治鰞x所做的更改可能影響到校準(zhǔn)時(shí)也應(yīng)進(jìn)行校驗(yàn)）。目前市場上主流的PEMS氣體分析儀主要為HORIBA和AVL兩家公司的。日本HORIBA公司的PEMS（OBS-ONE）原理為如下：NO&NOx：HCLD（加熱型化學(xué)發(fā)光檢測器）；CO&CO2：NDIR（不分光紅外）。AVL公司PEMS（M.O.V.E）原理如下：NO&NO2：NDUV（不分光紫外）；CO&CO2：NDIR。

截止2022年12月先后有鄧蛟、唐為義、李樹宇、宋東[3-5]等分別提出海拔、環(huán)境溫度、載荷等條件對(duì)實(shí)際行駛污染物排放試驗(yàn)結(jié)果的影響，但是并未提出這類條件對(duì)PEMS氣體分析儀的影響。先后有有高德成、董利昆、何南翎[6-8]等對(duì)汽車尾氣分析儀的日常檢查與線性調(diào)整方法原理、溯源等進(jìn)行了研究，但未進(jìn)行不同海拔條件下氣體分析儀線性化特性的研究。

綜上，為了解決目前無相關(guān)研究的空白。本文重點(diǎn)進(jìn)行基于NDIR法和HCLD法的氣體分析儀不同海拔下的線性特性，以獲得線性系數(shù)來消除海拔對(duì)分析儀準(zhǔn)確性的影響，從而提高實(shí)際道路排放測試試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，詳見正文內(nèi)容。其他原理氣體分析儀可參照此方法進(jìn)行驗(yàn)證從而消除海拔的影響。

2 測試設(shè)備及測試方法

2.1 物料

所需物料主要為各濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體及氣體分割器（GDC）等，詳細(xì)信息如表1所示：

2.2 測試設(shè)備

2.2.1 HORIBA OBS-ONE型便攜式排放測試系統(tǒng)

該設(shè)備主要由FA模塊（測量THC濃度）、GA模塊（測量CO、CO2、NOx濃度）、CC模塊（中央控制單元，接收外部信號(hào)（GPS，氣象站，OBD信息等）、PE模塊（切換電源、用于市電和電瓶之間電源切換）及PN模塊（測量顆粒數(shù)）組成。

2.2.2 AVL M.O.V.E型便攜式排放測試系統(tǒng)

該設(shè)備主要由Charger模塊（設(shè)備充電器）、Accus模塊（移動(dòng)電源）、E-Box模塊（電源分配、擴(kuò)充網(wǎng)口）、Gas PEMS iS/iS+模塊（測量CO、CO2、NO、NO2、N2O濃度）、PN PEMS iS模塊（測量顆粒數(shù)）、System Control模塊（中央控制單元、接收外部信號(hào)（GPS、氣象站、OBD信息等））及EFM模塊（測量體積流量）組成。

2.3 測量原理介紹

HORIBA公司的PEMS（OBS-ONE）氣體分析儀原理為：NO&NOx：HCLD；CO&CO2：NDIR。

AVL公司PEMS（M.O.V.E）分析儀原理為：NO&NO2：NDUV；CO&CO2：NDIR。

NDIR分析儀對(duì)壓力變化較為敏感，隨海拔升高，讀數(shù)逐漸降低，由于受大氣壓影響，氣壓下降，泵效率降低（2400m，降低15%以上）、取樣流量下降-分析儀可用分析氣體量少于高壓地區(qū)，響應(yīng)時(shí)間變長，分析儀穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性下降。針對(duì)高原，設(shè)備需要加大旁通流量，泵壓需在不同海拔下進(jìn)行標(biāo)定，流量計(jì)需在不同海拔下進(jìn)行全量程標(biāo)定。

2.4 PEMS設(shè)備不同海拔下線性檢查和使用方法及注意事項(xiàng)

2.4.1 標(biāo)定流程

將系統(tǒng)調(diào)整到stand-by狀態(tài)。設(shè)置標(biāo)氣濃度，點(diǎn)擊Gas模塊各分析單元右側(cè)向下小三角箭頭，點(diǎn)擊Span Gas，出現(xiàn)Component Span Gas對(duì)話窗，根據(jù)標(biāo)氣濃度設(shè)置各組分濃度。將空氣和標(biāo)氣氣瓶連接到Gas模塊，并打開氣瓶閥門，將壓力設(shè)置為100Kpa，單擊Gas操作界面下Cal進(jìn)行設(shè)備標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)束后，系統(tǒng)返回原始狀態(tài)，確認(rèn)無報(bào)警。關(guān)閉氣瓶閥門并斷開氣體管路連接。

便攜式排放測試分析儀和GDC連接通訊后經(jīng)1-2小時(shí)的熱機(jī)，Stand by狀態(tài)下穩(wěn)定后，在20℃、45%RH濕度左右環(huán)境下進(jìn)行分析儀的線性檢查、響應(yīng)時(shí)間檢查。在低溫環(huán)境下，需要給設(shè)備外殼包保溫棉為分析儀保溫。

當(dāng)完成了各個(gè)海拔下線性檢查和調(diào)整后，需要進(jìn)行線性度校驗(yàn)和分析儀重復(fù)性和噪聲精度檢查，全部通過后再使用SPAN氣體標(biāo)定數(shù)次，方可進(jìn)行該海拔下的正式試驗(yàn)。待設(shè)備轉(zhuǎn)到另一海拔時(shí)，需重新進(jìn)行線性檢查或直接使用之前同海拔下的線性數(shù)據(jù)替代，完成后需要進(jìn)行精度檢查和標(biāo)定確認(rèn)。

3 各海拔條件下分析單元線性檢查

3.1 法規(guī)要求

GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》中規(guī)定如下：

普通海拔條件：海拔高度不高于700m。

擴(kuò)展海拔條件：海拔高度高于700m，不高于1300m。

進(jìn)一步擴(kuò)展的海拔條件：海拔高度高于或等于1300m，但不高于2400m。

試驗(yàn)環(huán)境條件應(yīng)該滿足上述規(guī)定，如果環(huán)境溫度和海拔高度條件中至少有一個(gè)被擴(kuò)展，環(huán)境條件就成為“擴(kuò)展環(huán)境條件”。

3.2 海拔點(diǎn)選擇及準(zhǔn)備工作

選取以下幾個(gè)海拔點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定：平原、海拔1300m、海拔1900m、海拔2400m。

帶上標(biāo)準(zhǔn)氣體和GDC氣體分割器設(shè)備，到達(dá)目的地海拔城市后對(duì)PEMS設(shè)備進(jìn)行組裝、連接、熱機(jī)并進(jìn)行檢查確認(rèn)。

3.3 AVL公司PEMS（M.O.V.E）設(shè)備線性檢查步驟

（1）開機(jī)熱機(jī)后，新建試驗(yàn)，點(diǎn)擊mantance checks，點(diǎn)擊linearity checks。跳出3個(gè)線性檢查界面：GDC狀態(tài)界面、GDC和氣體設(shè)置界面、GDC信號(hào)和氣體參數(shù)界面；

（2）設(shè)置參數(shù)前需要點(diǎn)擊停止測試（目前軟件界面默認(rèn)線性10個(gè)點(diǎn)，滿足法規(guī)要求）；

（3）如先做NO線性檢查，將NO標(biāo)氣的濃度輸入到對(duì)應(yīng)表中，將NO前的√點(diǎn)亮；

（4）選擇檢查程序，有5個(gè)步驟，選前三個(gè)；

（5）進(jìn)入GDC stats界面GDC和開始的界面控制都在下方的11個(gè)深色控制條上；

（6）先點(diǎn)擊GAS divider control 中的gas divider reset/standby控制GDC進(jìn)入Standby狀態(tài)，一般GDC會(huì)有動(dòng)作響應(yīng)（聲音變化）；

（7）點(diǎn)擊Purge all lines反吹GDC，此時(shí)GDC有一陣聲音響起，等待聲響結(jié)束；

（8）點(diǎn)擊gas pems gdcontrol中的avl gas pems standby，將GAS分析儀進(jìn)入到Standby狀態(tài)；

（9）進(jìn)行零氣和span氣的測試；

（10）標(biāo)氣連接好后點(diǎn)擊GDC sequence control 中的GD sequence start 開始進(jìn)行線性檢查；

（11）輸入檢查名稱等信息；

（12）開始后提示氣體的正確連接-點(diǎn)OK；

（13）提示GDC的正確連接--點(diǎn)OK；

（14）開始進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整，自動(dòng)進(jìn)行SPAN點(diǎn)的調(diào)整，等待零點(diǎn)和SPAN點(diǎn)的穩(wěn)定和讀數(shù)；

（15）開始進(jìn)行正式線性檢查，從第一個(gè)點(diǎn)到第11個(gè)點(diǎn)，等待自動(dòng)線性檢查，一般需要20分鐘左右。如其中一個(gè)點(diǎn)不合格，超過線性限值，會(huì)自動(dòng)停止測試（也可以不勾選自動(dòng)停止）；

（16）全部測試點(diǎn)完成后，系統(tǒng)自動(dòng)保存數(shù)據(jù)。

4 線性化結(jié)果總結(jié)分析

外出時(shí)帶上標(biāo)準(zhǔn)氣體和GDC氣體分割器設(shè)備，到達(dá)目的地海拔城市后對(duì)PEMS設(shè)備進(jìn)行組裝、連接、熱機(jī)、標(biāo)定、線性化和線性度檢查調(diào)整、線性化參數(shù)調(diào)整后的標(biāo)定檢查確認(rèn)。下圖為CO分析儀在平原和1900m海拔下的線性系數(shù)和曲線差異圖片。

通過上述對(duì)比分析，總結(jié)線性系數(shù)如下表所示：

其他分析儀及海拔點(diǎn)的對(duì)比圖片不再進(jìn)行說明，可類似總結(jié)。

5 結(jié)論

平原和1900m海拔下CO/CO2的NDIR分析儀差異最大，表明其受大氣壓影響大，NO/NOX的HCLD分析儀變化小，受氣壓影響??；

海拔差在600m內(nèi)時(shí)對(duì)分析儀影響也??；

在以后進(jìn)行其他不同海拔試驗(yàn)時(shí)只需使用第3條中線性系數(shù)更新替代就可消除海拔對(duì)分析儀的準(zhǔn)確性影響。

通過上述論點(diǎn)，從降低海拔對(duì)分析儀準(zhǔn)確性的影響出發(fā)，為整車企業(yè)在不同海拔進(jìn)行RDE/PEMS試驗(yàn)時(shí)結(jié)果準(zhǔn)確性提供支撐。

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