CN100491969C

CN100491969C - 废气不透明度的测量装置

Info

Publication number: CN100491969C
Application number: CNB028177878A
Authority: CN
Inventors: 唐纳德·H·斯特德曼; 加里·A·毕晓普; 加里·弗尔
Original assignee: Environmental Systems Products Inc
Current assignee: Environmental Systems Products Inc
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2022-09-11
Also published as: EP1425576A2; US7274994B2; WO2003023349A3; PT1425576E; EP1425576A4; CN1554022A; DE60238622D1; EP1425576B1; EP2341338A1; US7016789B2; ATE491940T1; US20040155191A1; JP2005502870A; JP4124731B2; WO2003023349A2; US20030225532A1; HK1066058A1; US20060074567A1; US6701256B2; BR0212415A

Abstract

本发明提供了一种用于感测机动车辆废气排放的远程排放传感系统和方法，其中该系统确定废气流的不透明度。系统包含发射辐射的源，辐射穿过机动车辆的废气流到达一个或多个配置来接收辐射的检测器。本发明公开了多波长不透明度测量的实施方案和单波长不透明度测量的实施方案。

Description

废气不透明度的测量装置

相关申请

本申请要求2001年9月11日递交的美国临时专利申请第60/318,574号的优先权，该申请的发明名称是“检测废气排放中排烟密度的系统和方法”。

技术领域

本发明涉及一种用于感测机动车辆废气排放的远程排放传感系统和方法，其中该系统确定废气流的不透明度。

背景技术

远程排放传感(RES)系统是公知的。美国专利第5,210,702号中公开了这样一种系统，该系统包含电磁(EM)源，配置该源使得当机动车辆通过该系统时EM辐射射线能通过机动车辆的废气流。该系统还包含一个或多个检测器，配置检测器使辐射通过车辆的废气流时能接收辐射。一个或多个过滤器可以结合一个或多个检测器，从而使检测器能确定具有特定波长或一定波长范围EM辐射的强度。可以方便地选择波长，使之对应于废气中相关分子种类(例如烃(HC)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)和诸如NO和NO₂的氮氧化物(NO_x))的吸收波长。一个或多个检测器的输出电压表示由该检测器测量的EM辐射强度。

然后，这些电压被输入处理器中。处理器计算已知光源强度和由检测器检测的强度间差异，从而确定特定分子种类的吸收量(基于该物种相关的预定波长)。基于测量的吸收量，可以已知方式来确定一种或多种分子种类的浓度。

文献“Feasibility Of Remote Sensing Of Particulate EmissionsFrom Heavy-Duty Vehicles”，Chen，G.etal.，American Society ofAutomotive Engineers(1996)中公开了一种废气不透明度的远程传感系统。该系统中，不透明度在638nm波长下测量并且与CO₂的测量关联。

现有的RES系统具有许多缺点和缺陷。这些因素可以导致错误的记录、相对高的舍弃数据发生率或相对高的“标记(flagged)”试验结果的发生率。这些及其它的问题会降低RES系统的效益。

至少有一些RES系统部分地由确定通过废气流的光吸收(或透射比)来工作。通过在特定波长(相应于废气流中不同分子种类吸收EM辐射的波长)下确定吸收/透射比，可以确定废气中那些物种的浓度。一个问题是许多外部因素会影响所测量的强度并导致误差。例如，如果测量的强度由于废气流中颗粒的光散射而降低，而不是相关物种的对辐射的吸收，这就会导致误差。

一些远程传感系统的一个缺点是使用单波长EM辐射来测量不透明度。公知由于存在颗粒引起了EM辐射散射随着波长的降低而增加。因为散射是废气流不透明度的主要来源，所以仅用较长波长EM辐射测量不透明度的系统通常会产生不准确的结果。

这些和其它的缺点仍然存在。

发明内容

本发明的一个优点是克服了现有装置中的这些和其它缺点。

本发明的另一个优点是提供了一种能够远程监测车辆废气不透明度的远程排放传感系统。

本发明的另一个优点是通过测量废气不透明度并使用所测量的废气不透明度来确保其它测量准确性而改善了远程排放传感系统和方法的准确度。

本发明的另一个优点是对现有排放监测装置提供了具有废气不透明度监测能力。

本发明的这些和其它目标根据本发明不同的实施方案来实现。根据一个实施方案，RES系统和方法包括源，配置该源使得当机动车辆通过该系统时EM辐射射线能通过机动车辆的废气流。配置一个或多个检测器使辐射通过车辆的废气流时能接收辐射。

一个或多个检测器输出的电压相应于该检测器接收的辐射强度。然后，这些电压被输入处理器中。处理器计算己知源强度和由检测器检测强度间的差异，从而确定特定分子种类的吸收量(基于该物种相关的预定波长)。基于测量的吸收量，可以已知的方式来确定一种或多种分子种类的浓度。

根据本发明的一个方面，参考检测器(reference dector)的输出提供给处理器并且通过处理器来监测，从而确定每种废气流的不透明度。基于所测量的不透明度，可以进行预定的行为。例如，如果废气不透明度超过了预定的水平，可分析排放数据来产生试验结果(以已知方式)，但试验结果可“标记”为可疑的或舍弃的。

根据本发明的另一个实施方案，测量不透明度的系统和方法包含具有不同波长的多个EM源和检测不同波长的适当检测器。配置多个EM源，使EM辐射(多束)能通过废气流。处理检测器(或多个监测器)的信号来确定尤其是对于每个波长的强度变化(例如无废气流的强度相对于废气流的强度)。强度的变化与至少一种排气组分(例如二氧化碳(CO₂))的相对浓度相关。与足够程度相关的强度测量变化(例如斜率标准误差的回归小于斜率值的20％)被记录为有效的不透明度值。

本发明的另一个实施方案能够计算与废气流不透明度成比例的排烟密度值。该实施方案可以包含实质上是单色的EM源(例如激光，或者其它单色源)，它能导引EM辐射通过一定体积的废气流。适当的检测器用来测量通过废气流的辐射射线的透射比(T)。对于基本上相同体积的废气流，实施对排气组分(例如CO₂)量的测量。使用测量的透射比(T)值和测量的排气组分量来计算废气流排烟密度值。

本发明提供一种确定废气流的不透明度值的方法，该方法包括下列步骤：引导包括至少两种不同波长电磁辐射的射线通过废气流；在射线已经通过废气流后检测射线；确定该至少两种不同波长电磁辐射中每种的射线强度变化；比较预定次数测量的该至少两种不同波长电磁辐射的强度变化，以及，如果预定次数测量的该至少两种不同波长电磁辐射的强度变化基本上相等，则根据预定次数测量的该至少两种不同波长电磁辐射的强度变化来确定不透明度值。

本发明提供一种使用测量行驶车辆废气排放的远程排放传感系统来测量不透明度的方法，该方法包括：引导至少两种不同波长电磁辐射通过废气流；在该至少两种不同波长电磁辐射通过废气流后对其进行检测；确定废气流中存在的车辆废气组分的相对浓度；确定该至少两种不同波长电磁辐射中每种的强度变化；将该至少两种不同波长电磁辐射中每种的强度变化与所确定的车辆废气组分的相对浓度相关联；记录基本上关联于所确定的车辆废气组分的相对浓度的该至少两种不同波长电磁辐射中每种的有效不透明度值；比较预定次数该至少两种不同波长电磁辐射的强度变化，以及如果预定次数该至少两种不同波长电磁辐射的强度变化基本上相等，则计算与有效不透明度平均值成比例的报告不透明度值。

本发明提供一种测量废气流不透明度值的系统，该系统包括：至少一个发射位于第一波长区、第二波长区和第三波长区的电磁辐射、并且引导通过废气流的电磁辐射源，其中第一波长区基本上在红外区，第二波长区基本上在可见光区，而第三波长区基本上在紫外区；在第一、第二和第三波长区的每个区检测电磁辐射并且输出与在第一、第二和第三波长区的每个区检测的强度成比例的信号的检测器；以及接收来自检测器的信号并确定与第一、第二和第三波长区的每个区检测的强度的强度变化成比例的不透明值的处理器。

本发明提供一种测量车辆废气流不透明度的远程传感系统，该系统包括：引导至少两种不同波长的电磁辐射通过废气流的源；检测该至少两种不同波长的电磁辐射并且产生输出信号的检测器；以及包括以下模块的处理器：相对浓度模块，其确定废气流中存在的车辆废气组分的相对浓度；强度变化模块，其至少部分基于输出信号来确定该至少两种不同波长的强度变化；关联模块，其使该至少两种不同波长的强度变化与车辆废气组分的相对浓度关联，并且记录基本上关联于所确定的车辆废气组分相对浓度的该至少两种不同波长中每种的有效不透明度值；以及计算模块，其比较预定次数该至少两种不同波长电磁辐射的强度变化，并且如果预定次数该至少两种不同波长电磁辐射的强度变化基本上相等，则计算与有效不透明度值成比例的报告不透明度值。

在阅读了本文的说明书后，本发明的其它目标和优点对于本领域的一个技术人员是明显的。

附图说明

图1描述了根据本发明一个实施方案的远程排放传感装置(RES)。

图2描述了根据本发明一个实施方案的数据分析方法。

图3描述了根据本发明一个实施方案的处理系统。

图4描述了根据本发明一个实施方案的方法的流程图。

图5是根据本发明一些实施方案的多波长不透明度测量系统的示意图。

图6是根据本发明一些实施方案的处理器的示意图。

图7是阐述根据本发明一些实施方案确定不透明度值的方法的流程图。

图8是阐述根据本发明一些实施方案的单色不透明度测量系统的示意图。

图9是阐述根据本发明一些实施方案确定不透明度值的方法的示意流程图。

具体实施方式

图1描述了根据本发明一个实施方案的RES。RES测量来自车辆10的排放物。RES包含产生辐射20的源12。当车辆10通过RES时，辐射20穿过车辆10的废气流16。传递光学装置18接收辐射20并且传递辐射20通过废气流16，通过废气流后的辐射22到达一个或多个检测器14。配置检测器14测量所述的通过车辆10的排气流16后的辐射22。一个过滤器(未显示)可以和一个或多个检测器14结合，通过从返回的辐射22中滤掉除特定波长或一定波长范围外的所有波长辐射，使检测器14能够确定具有特定波长或一定波长范围辐射的强度。可选地，可以使用可调谐的激光器作为源12来产生特定波长或一定范围波长的辐射20，在这种情况下不需要过滤器。

可以方便地选择波长，使之对应废气流中相关分子种类(例如HC、CO、CO₂、NO、NO₂(在下文中称NO_x)或者其它分子种类)的吸收波长。得到一个或多个检测器输出电压，代表由该检测器14测量的辐射22的强度。检测器输出电压被输入处理器100。检测器14可以是任何适当的检测器，例如光电二极管、光电倍增管、电荷耦合检测器、锑化铟、硒化铅，或者其他公知的光电导或光电压检测器。

优选地，源12基本上维持在恒定的温度下，例如通过将源12封装在外壳中，使之隔绝大气环境，例如阳光、风和雨。在源12处的温度变化可能会给测量带来额外的误差。

处理器100计算辐射20的原始强度和由检测器14检测的辐射22强度间的差异，从而在与物种相关的预定波长下确定特定分子种类的辐射吸收量。基于测量的吸收量，可以以已知方式来确定一种或多种排放分子种类的浓度。这种系统在预定的时间期间(例如0.5秒)内通常进行多次测量(如50次)。然后，关联并分析这些数据来确定目标排放物种的浓度。

根据本发明的一个实施方案，处理器100可以实现许多功能，包括确定不同排放组分的浓度。如上所述，图1的装置监测几个通道，每个通道用于独立的排放组分。

根据本发明的一个实施方案，RES可以用于柴油车辆并且特别是重型柴油车辆，例如卡车和公共汽车。本发明还可以用来测量柴油车辆废气中许多排放组分的浓度，以及微粒排放物的量。气体和微粒排放物一起贡献大量的环境污染物。特别地，重型柴油车辆产生大量的NO_x和微粒排放物。由于柴油微粒排放物可能致癌的性质，对这种排放通常实行严格的规定。

废气不透明度是车辆微粒排放的一种度量。

在测量车辆排放的不透明度中，可以进行不透明度测量、CO测量和CO₂测量来获得可靠和准确的不透明度测量。任何不透明度的测量都内在包含由大气稀释废气流引起的某种误差因子。与不透明度测量同时采取的相应CO₂浓度的测量将反映大气对废气流相同稀释作用。基于废气流中CO₂水平的预定期望值，并且获取不透明度测量和CO₂测量的比值，补偿稀释因子，从而导致燃料比不透明度(fuelspecific opacity)的准确测量。

在柴油机动车辆的情况中，不透明度测量可以通过将之与CO测量比较来进一步证实，CO测量在基本上相同的时间下从相同的废气流中获得。废气流中CO的量通常与废气流的不透明度的量相关。因此，如果不透明度是高的，CO的量也应该是高的。如果CO的量是低的，而不透明度的量测量是高的，那么这可以用来表明在不透明度测量中可能有误差，或者由于其它因素可能干扰测量。

在更优选地实施方案中，使用独立的不透明度通道来确定不透明度。独立的通道优选地使用波长约0.20～1.50微米的辐射。期望该波长范围能提供更准确的不透明度测量。这种系统还可以至少包括CO₂、CO及参照通道。

根据本发明的一个实施方案，分析排放物的方法可以参考图2来描述。在步骤300中，提供了一定标准。用来分析测量的标准可以根据相关的特定排放来改变。在步骤302中，如果满足该标准，那么在步骤310中，过程回到步骤300来确定是否要留下更多的标准来分析。该过程继续到在步骤310中不需要更多的标准来分析为止。

在步骤302中，如果不满足该标准，那么该过程在步骤304中确定标准是否不令人满意到需要它们将在步骤306中被丢弃，或者确定是否它们将在步骤308中被简单地标记。

在标准已经令人满意后，在步骤320中，结果对大气条件进行补偿。在步骤322中，系统对系统条件进行补偿，并且在步骤324中数据被进一步地分析。参照本发明下面的实施方案，本发明的全部方法将更好地被理解。

根据本发明的一个实施方案，标准可以包含不透明度的检验，根据该实施方案，RES系统的一个或多个检测器的输出被输入如图3中描述的处理器100。处理器100可以包含废气不透明度的确定装置102。处理器100可以实现许多公知的功能，包括确定许多气体排放物的浓度。另外，处理器100还可以通过废气不透明度确定装置102从获取的测量中来确定废气不透明度。

根据一个实施方案，使用RES系统的参考通道，废气不透明度确定装置102通过在约3.9μm的波长下测量不透明度来确定废气不透明度。废气不透明度确定装置102从参考通道和至少一个相关的其它通道接收测量。根据一个实施方案，相关的通道可以是CO₂通道。

对于每个特定的测量时间间隔，如果参考通道的强度低于源12正常产生的辐射20的输入强度，那么处理器100比较参考通道与CO₂通道的强度衰减。如果检测的参考通道强度降低，可以确定废气流中的颗粒阻断或偏转了一部分辐射20，使之没有作为通过废气流后的辐射22而返回到检测器14中。不透明度源于废气流中微粒物质的辐射散射和吸收。

根据本发明的一个实施方案，一个或多个检测器的输出可被用于确定从测试车辆中排出的废气流不透明度。检测器的输出(电压水平)可以通过处理器100来监测。参考通道的电压降可用来指示并确定废气的不透明度。因此，可以具体选择参考通道检测的波长或波长带，以至于排放的组分(包括CO₂、CO、HC、NO_x)不会干扰不透明度的记录。

废气流中不透明度的确定可以包括来自重型柴油车辆的废气，其中废气可以包含颗粒，例如干烟尘(dry soot)。通常，大多数柴油颗粒的大小从0.02～0.5微米。根据本发明，可以使用一个或多个检测器的输出来计算被测试重型柴油车辆的废气流不透明度。检测器的输出可以由处理器100来监测辐射强度由于柴油废气流中的颗粒如烟尘引起的改变。然后，使用检测的辐射强度的变化程度来测量柴油废气排放的不透明度。

因为污染气体在参考波长处并不吸收，所以对于环境噪音、不透明度和其它因素，可以使用所测量的参考通道强度的降低来校正气体测量波长。然后，测量的污染波长吸收可以被转换成表观浓度值。如果至少一种表观浓度值超过了预定的最小值，污染物浓度可以与测量的CO₂关联。斜率是测量污染物与测量CO₂的比例。可以使用这些斜率来实施如本文其它地方所述的计算。

在更优选的实施方案中，使用不透明度测量来验证废气流中其它组分的测量。高的不透明度值表示在废气流中存在大量的微粒物质，这可能导致辐射在废气流不同组分的一个或多个特征波长处散射或吸收。这就可能对这些不同组分引起不准确的读数。

在此情况下，当存在高的不透明度时，RES能将读数标记为可疑的或者无效的。更优选地，这些读数被标记为无效，并且在延时后采集另外的数据。为了实现这一点，RES可以监测不透明度和/或CO读数，直至不透明度和/或CO浓度降低到被认为对采集不同废气组分如CO、CO₂、HC、NO和NO₂的读数是可接受的预定水平以下。可以使用CO₂的读数来证实对于延时后的测量存在充足的废气流。在这种方式下，甚至在初始废气流具有通常会给这种测量带来显著误差的高不透明度时，RES也可以提供准确的废气组分测量。

不透明度的百分数会因许多因素，例如空气、风和车辆后的湍流而快速地衰减。因为CO₂读数可以用作废气流可见的示踪物，如果与CO₂的关联不准确(即斜率有大的误差)，那么不透明度的测量可以被假定源于另一种来源，例如轮胎的污垢，并且读数被舍弃。如果关联是准确的(即斜率有小的误差)，那么测量斜率与校正因子如1000的乘积产生标准化的不透明度，所述校正因子取决于所用测量的校准和单位。

图4描述了根据本发明实施方案检测废气不透明度的方法的流程图。在步骤200中，参考通道和一个或多个排放通道如CO₂通道的输出可以由处理器100接收。对于数据可以进行许多验证、误差预防或信号处理的程序，从而确保废气足以进行不透明度的确定。在步骤202中，如果这些验证程序确定废气是不足的，那么废气可以被标记为可疑的，或者被舍弃从而防止错误的不透明度测量。

但是，如果测量被验证，那么在步骤204中，处理器100可以从剩余的测量中确定不透明度百分比。具体而言，不透明度百分比可以通过计算参考通道输出的斜率对CO₂通道输出的斜率来确定。另外，可以转化这些结果来提供林格耳曼(Ringelman)标度当量。简言之，林格耳曼标度当量通过使不透明度百分比等同于0到5间的数来确定。林格耳曼标度是适当受训练的观察者使用的不透明度标度，它与不透明度的比较如下：

不透明度	林格耳曼当量
不透明度	林格耳曼当量	0％	0
15％	1	0％	0
15％	1	30％	2
50％	3	30％	2
50％	3	70％	4
100％	5	70％	4

在确定了不透明度百分比后，可取地通过一个或多个验证程序来检验不透明度的测量。具体而言，根据一个实施方案，所有在预定量以下的不透明度百分比应该被标记为可疑值。在一个实施方案中，预定的量可以为-5.0％，但是也可以使用其它的值。

另外，在使用最小二乘法确定参考斜率中，还可以根据公知的方法来确定斜率的误差值。基于该斜率误差，通过将该值与预定的值相乘来确定不透明度的误差值。根据一个实施方案，例如，预定因子可以是1000。根据本发明另一个实施方案，该因子可以是100。如果该不透明度误差超过了预定值，那么不透明度百分比测量值被标记为可疑值。例如，不透明度误差的预定值可以是2％。

另外，在不透明度某个水平以上的不透明度百分比测量值被标记为可疑值或者被舍弃。例如，可以确定高于约50％不透明度的测量值应该被舍弃，因为可能这种高的不透明度值不容易被准确读取，反而可能显示光阻塞或者其它类型的不反映废气流不透明度的临时问题。例如还可以使用其它的预定值，例如70％、80％、90％或100％。

在柴油机动车辆的情况中，最优选的检验方法是比较不透明度测量值与同时采集的CO测量值，因为柴油车辆的CO排放和废气不透明度之间有一个关联。使用该方法，CO和不透明度测量之间的预定关联可以用来确定特定的不透明度测量是否应该被认为是有效、可疑或无效的。

因此，根据本发明的装置可以在简短的时间间隔内远程确定移动车辆的不透明度。此外，因为许多现有的排放监测装置将参考通道用于其它的目的，所以根据本发明的装置可以与现有系统一起使用来提供不透明度的测量。根据一个实施方案，与现有系统一起使用处理器100使现有排放监测系统同时监测不透明度。因此，可以最小化更新成本。

多波长不透明度测量

图5是根据本发明一个实施方案的多波长不透明度测量系统的示意图。该系统可包含能够产生多波长EM辐射的源12。例如，源12可以包含大量能在EM光谱可辨区(differentiable regions)产生EM辐射的源(例如源12A、源12B......、源12N)。例如，在本发明三波长的实施方案中，源12可包含一个红外(IR)源(例如碳化硅电热点火器、可调谐二极管激光器等)、可见源(例如He-Ne激光器)和紫外(UV)源(例如氙、汞、氘或其他的弧光灯)。

尽管源12以图5中包含分离源(例如源12A、源12B......、源12N)来表示，本发明并没有限制于此。可以使用能够在可辨波长区产生EM辐射的单一源(例如可调谐激光源等)、可调谐及不连续波长源的组合，或者一些产生可辨波长EM辐射的其它方案。

源12产生被引导通过排放源(例如废气流16)的EM辐射20。辐射20可以以任何适当的方式引导通过排放源。例如，辐射20可以使用适当的光学器件(例如透镜、反光镜、射线分离器、偏光器、滤光器、回射器(retro-reflector)及其他光学器件)来直接引导通过排放源。

如图5示意指示，从多源(例如源12A、源12B......、源12N)释放的辐射可以汇聚成单束射线，但是本发明并不限于此。多束射线可以被引导通过排放源(例如废气流16)，或者使用其它的射线几何构型，例如某些射线可以源于不同于其它射线的位置(例如射线可以源于位于排放源对面位置的源)。例如，在一个实施方案中，IR和UV源可以位于排放源一面，并且可见源位于排放源的另一面。在这种实施方案中，IR和UV辐射完成一次通过废气流16，而可见辐射实现二次通过废气流。可以使用回射器或其它射线引导装置(例如透镜、镜子、射线分离器等)来引导射线。

在同时检测废气流16组分浓度的本发明实施方案中，一个或多个源12A......、源12N可以被调谐成合适吸收波长的波长。也可以使用其它的方案。例如，对于吸收测量和不透明度测量可以提供单独的源12，或者相同的源12被交替地调谐成吸收和不透明度测量波长。

当通过排放源(例如废气流16)时，部分入射辐射20被排放源中的组分颗粒吸收、散射或减弱。在离开排放源后，通过废气后的辐射22被导入适当的检测器14中。例如，在三射线实施方案中，UV辐射可以使用单色器或二极管阵列(例如硅二极管阵列)来检测，可见光辐射用光电倍增管(PMT)(如果需要，以及滤光器)，并且IR辐射用适当的IR检测器(例如光电二极管等)来检测。也可以使用其它的检测器(例如电荷耦合器件(CCD)，或其它辐射检测器)。

图5为源检测器组合一次通过几何图(即辐射20在到达检测器14前一次通过排放源)，但是本发明并不限于此。例如，源12和检测器14可以位于排放源的同一面，并且可以使用适当的光学器件(例如透镜、镜子、射线导向器等)来引导通过废气后的辐射22到达检测器14。其它的几何结构也是可能的。

检测器14的信号可被输入处理器100。处理器100可包含任何适当的处理装置。例如，个人计算机、端盖或笔记本计算机、手提式处理器、独立的处理装置，或者任何其它能够实施本文所述处理功能的装置。

如图1、3和6中所示，处理器100可以包含大量执行处理功能的模块。例如，处理器100可以包含不透明度确定模块102、强度比较模块602、相对浓度模块604、校正模块606和处理模块608。尽管所示处理器100具有大量独立模块，本发明并不限于此。模块(例如102、602等)可以包含单个软件包、独立软件包、或者能够使处理器100实现本文所述功能的其它一些软件模块组合的例行子程序。

不透明度检测系统的操作可以参照图7来描述。图7表示根据本发明一个实施方案确定排放源不透明度的方法。不同波长的EM辐射被引导通过如700所示的废气流。如上所述，辐射可以使用适当的射线导向器来引导，并且可以包含一种或多种EM辐射的射线。还如上所述，至少有一些EM辐射被方便地选择来相应于由于“烟尘”颗粒而发生吸收和/或散射的波长(例如对于IR为0.8～4微米；对于可见光为400～800纳米；对于UV为200～223及223～400纳米)。它们被共同称为“不透明度波长”。另外，可以方便地选择一个或多个EM波长来相应于一种或多种排放源组分(例如CO、CO₂、NO、NO_x、HC、H₂O等)的吸收波长。

EM辐射被按照702所示来检测。如上所述，EM辐射可以以任何适当的方式并且在EM辐射已经通过排放源任何次数后检测。来自检测器(例如检测器14)的信号被通到处理器(例如处理器100)。

接下来进行检测器中信号的信息处理。处理可以以不同于图7中所示的顺序来进行。这通过图7中704和706项的相邻安置来示意地表示。

处理器100按照704所示来确定不透明度波长的强度变化。处理器100可以以任何适当方式来实现强度变化的确定。例如，可以使用强度比较模块(例如模块602)。在某些实施方案中，强度变化是检测器14用未经过废气流16的射线测量的射线信号强度与用通过废气流16的射线测量的信号强度的比较。这种测量可以通过任何如上所述的适当方案来实现(例如前阻塞信号指示车辆通过前的状态，后阻塞信号指示车辆通过后的状态)。

处理器100还可以按照706所示来确定一种或多种废气流组分(例如CO、CO₂、NO、NO_x、HC、H₂O等)相对浓度。相对浓度可以如上所述获得，或者以任何其它适当的方式来获得。

相对浓度值可以用于与不透明度测量值关联。可以使用任何浓度值来关联，但是，使用CO和CO₂浓度值之和可以是有利的。例如，如果CO₂浓度测量的结果是有效的CO₂值，并且如果CO浓度测量的结果是有效的CO值，那么在不透明度波长处吸收与观测的CO、CO₂和的关联就是燃料比不透明度(即每加仑燃料的烟尘)的测量。可选地，关联可以是针对排放源中的总碳量，对于大多数烃燃料等价于CO₂+CO+6HC。在大多数情况下，CO₂项占优势并且其本身可以用作第一近似关联值。

不透明度波长测量的关联可以如708所示来进行。关联可以以任何适当的方式来进行。例如，不透明度波长的强度变化(例如在704中获得)可以与在相同时间间隔期间进行的CO₂测量的变化相比较。

关联度可以以任何适当的方式来评价。例如，关联可以与预定的标准(例如斜率标准误差低于20％斜率值的回归线)来比较，从而确定不透明度波长测量是否是有效的。这在710中表示。

如果710的评价指示不透明度波长测量是无效的，那么如712所示，数据被传输到其它的处理程序。其它的处理包括标志或标记数据为可疑的或无效的、舍弃数据、或者其它适当的处理。

如果710的评价指示不透明度波长测量是有效的，那么按714所示继续处理。在714处，预定数量的多次不透明度波长测量被比较。可以比较任何次的不透明度波长测量。例如，在三波长的实施方案中，可以比较IR、UV和可见光波长的不透明度波长测量。

可以比较不透明度波长测量来评价任何适合的标准。例如，可以比较预定数量次不透明度波长射线的强度变化(例如通过和没有通过排放源)。

在716处，可以评价714的比较。可以使用任何适当的评价。例如，可以评价预定数量的强度变化测量的等价程度。

如果714的评价结果为比较是无效的(例如测量不符合预定的等价程度)，那么数据被进行如718所示的其它处理。718处的处理包含任何适合的处理程序(例如标记、舍弃等)。

如果714的评价结果为比较是有效的(例如测量符合预定的等价程度)，那么处理可以继续，计算排放源不透明度值。这在720中表示。

排放源不透明度值的计算可以以任何适合的方式来实现。例如，强度测量的有效变化(例如在704确定并在710和716验证)可以被平均化，从而报告排放源的不透明度值。还可以用数据的加权平均值或其它操作方法来计算不透明度值。

单色不透明度测量

EM辐射射线中小的非吸收颗粒(例如烟尘)降低了射线的透射能。单色EM射线的降低量典型地由比耳(Beer)定律定义：

T = e^{- k_{s} n_{s}}

式中，T是特定波长下光的透射比，n_s是光束每单位横截面的烟尘量，且k_s是适用于特定波长EM辐射和给定粒径的消光系数。k_s的单位与n_s相反。

如上面所讨论，车辆废气流16中的CO₂量的确定是公知的。还如上所述，来自废气的CO₂是车辆内发生的燃烧过程的直接结果。废气中产生的CO₂量通常正比于燃烧过程中涉及的燃料量。

废气流中烟尘的成分通常也是燃烧过程的结果。因此，对于给定的发动机操作条件，假定所产生的烟尘量还与产生的CO₂量成比例是合理的。即：

n_{s} = {kn}_{{co}_{2}}

式中，n_s是烟尘量，k是比例常数，并且n_CO2是CO₂的量。

上面的公式通常应用于整个废气流，或者假定所有的测量涉及相同的部分，应用于部分废气流。因此，比耳定律可以重新表述如下：

T = e^{- k_{s} n_{s}} = e^{- k_{s} {kn}_{C O_{2}}} = e^{- K_{s} n_{C O_{2}}}

式中K_s是k_s和k的乘积。

上面的公式意味着通过用一个EM辐射射线同时测量CO₂量(n_CO2)，并且然后用另一个EM辐射射线通过相同的空间体积测量透射比(T)，不透明度的值K_s可以如下计算：

K_{s} = \frac{\ln (\frac{1}{T})}{n_{{CO}_{2}}}

式中，T是单色EM辐射的测量透射比(T)，其波长足够短以感应烟尘颗粒，并且还是不会受汽车废气典型气体吸收的波长(例如0.8～4微米、400～800纳米、200～223、223～400纳米等)。从K_s的测量值和k_s文献值可以直接确定每千克或每加仑燃料的颗粒质量排放。

单色不透明度测量系统的一个实施方案可包含能够检测车辆废气排放的远程排放传感系统(RES)，RES另外可以测量并补偿废气中的颗粒。这如图8所示。例如，RES包含发射能够检测废气组分的EM辐射的源12，以及能够检测废气流16不透明度的单色(即单一或几乎单一波长)EM源800。组合的源12、800可包含多个能发射不同波长EM辐射的源、能够在多波长上调谐的单一源，或者一些EM透射源的其它组合。

图9是阐述计算不透明度K_s值方法的流程图。排放源组分的量在900处测量。测量可以在任何适当的时间进行(例如单色EM辐射通过排放源略前、略后或同时)。测量900还可以用于任何适当的排放源组分(例如NO、NO_x、CO、CO₂、H₂O、HC等)，但是如上面所讨论，用来测量CO₂是有利的。

单色EM辐射被引导通过如902所示的排放源。如上所述，该操作也可以在任何适当的时间进行(前、后或同时)。但是，应该小心地确保单色EM辐射和测量900基本上针对相同体积的排放源进行。例如，测量基本上相同的排放源体积可以使用射线传输之间零点几秒钟的延迟(例如0～5毫秒)，或者通过将组合的射线通过排放源体积来实现。

单色EM辐射透射比的测量在904进行。透射比可以以任何适当的方式测量(例如如上所述用检测器14测量)。

不透明度值K_s值的计算在906进行。计算可以以任何适当的方式进行。例如，可以使用处理器100来根据下面的关系式计算不透明度值：

K_{s} = \frac{\ln (\frac{1}{T})}{n_{{CO}_{2}}}

在一些实施方案中，不透明度的测量在与非吸收烟尘颗粒的质均直径(mass mean diameter)的平均值可比较的波长下实施。例如，可以使用EM光谱紫外(UV)部分的波长(例如200～400纳米，不包括224～232纳米)。

另外，对不透明度选择的EM辐射波长可以选自UV光谱部分，因为对UV光谱部分废气组分(例如CO、CO₂、NO、NO_x、HC等)的吸收基本上可以忽略。这就使透射比测量相对不受废气组分吸收影响。

另外，用来测量不透明度的波长可以基本上是单色的，或者具有相对狭窄的带宽。通过维持相对狭窄带宽的EM辐射，源于比耳定律的计算应用更准确并且与试验良好一致(例如K_s和n_CO2之间大约线性关联)。例如，可以使用激光或分光计来提供相对单色测量的EM辐射。可以使用其它的源。

用来检测EM辐射的检测器可以根据所用EM辐射源的类型来选择。例如，如果从源发射UV辐射，那么可以使用UV检测器。在某些实施方案中，可以使用UV分光计来检测由源发射的EM辐射。可以使用其它的检测器。

在本发明的一个实施方案中，废气排放中不透明度的测量可以根据下面的方案来实现。EM源12、800引导EM辐射射线(例如20)通过废气流16。例如，红外(IR)和UV辐射的组合射线可以被引导通过车辆的废气流。可以以已知方式用射线的IR成分来测量CO₂的量及其它的废气组分。射线的UV成分可用来测量通过废气流相同部分(即空间体积)的射线透射比。如上所述，透射比(T)和废气组分量(例如n_CO2)的测量可用于根据下面的公式计算烟尘密度值(K_s)：

K_{s} = \frac{\ln (\frac{1}{T})}{n_{{CO}_{2}}}

可以使用其它方案来记录废气组分(例如CO₂)和不透明度的测量。例如，第一个EM辐射线(例如来自源12)的一个源被首先引导通过一部分废气流，并且第二个EM辐射射线(例如来自源800)的一个源被稍后(例如几分之几毫秒)引导通过废气流16，从而记录废气组分量和透射比。

在某些实施方案中，不透明度值(K_s)可以用作其它废气排放测量值的校正因子。例如，在某些情况下，K_s与波长关联标度因子一起用来校正废气组分浓度的相对量(例如CO、NO、NO_x、HC等的量)的测量。

另外，不透明度(K_s)可以用作能在废气排放监测中使用的独立测量值。例如，可记录K_s值并且与表示合适车辆操作条件的预定值比较。例如，在预定范围之外的K_s记录值可能会导致排放试验中被监测车辆的“失效”。不透明度值的其它用途也是可能的。

从本文公开的本发明说明书及实践考虑，本发明的其它实施方案和用途对于本领域技术人员是明显的。本说明书和实施例应该被认为仅是示例性的。本发明的范围仅由附加的权利要求所限定。

Claims

1、一种确定废气流的不透明度值的方法，该方法包括下列步骤：

引导包括至少两种不同不透明度波长电磁辐射的射线通过废气流，其中，在一种不透明度波长上废气流中电磁辐射的衰减主要是由于在废气流中存在颗粒引起的散射导致的；

在射线已经通过废气流后检测射线；

确定该至少两种不同不透明度波长电磁辐射中每种由于射线通过废气流引起的射线强度变化；

比较该至少两种不同不透明度波长电磁辐射的所确定的强度变化；

当确定该至少两种不同不透明度波长电磁辐射的所确定的强度变化在预定的等价程度内相符时，确定与该至少两种不同不透明度波长电磁辐射的所确定的强度变化相关的不透明度值；以及

如果确定该至少两种不同不透明度波长电磁辐射的所确定的强度变化在预定的等价程度内不相符，舍弃该至少两种不同不透明度波长电磁辐射的所确定的强度变化而不进行不透明度值确定。

2、权利要求1的方法，其中所述射线还包括：

在红外光谱中的第一不透明度波长；

在可见光谱中的第二不透明度波长，以及

在紫外光谱中的第三不透明度波长。

3、一种使用测量行驶车辆废气排放的远程排放传感系统来测量不透明度的方法，该方法包括：

引导至少两种不同不透明度波长电磁辐射通过废气流，其中，在一种不透明度波长上废气流中电磁辐射的衰减主要是由于在废气流中存在颗粒引起的散射导致的；

在该至少两种不同不透明度波长电磁辐射通过废气流后对其进行检测；

确定废气流中存在的车辆废气组分的相对浓度；

确定该至少两种不同不透明度波长电磁辐射中每种由于射线通过废气流引起的强度变化；

将该至少两种不同不透明度波长电磁辐射中每种的强度变化与所确定的车辆废气组分的相对浓度相关联；

记录关联于所确定的车辆废气组分的相对浓度的该至少两种不同不透明度波长电磁辐射中每种的有效不透明度值；

比较该至少两种不同不透明度波长电磁辐射的强度变化，以确定该至少两种不同不透明度波长电磁辐射的强度变化是否在预定的等价程度内相符；

如果该至少两种不同不透明度波长电磁辐射的强度变化被确定为在预定的等价程度内相符时，计算与有效不透明度平均值成比例的报告不透明度值，以及

如果该至少两种不同不透明度波长电磁辐射的强度变化被确定为在预定的等价程度内不相符，舍弃该至少两种不同不透明度波长电磁辐射的所确定的强度变化而不进行报告不透明度值的计算。

4、权利要求3的方法，进一步包括：

引导第三种不同不透明度波长电磁辐射通过废气流。

5、权利要求4的方法，其中：

所述至少两种不同不透明度波长电磁辐射的第一种包括在红外光谱中的波长；

所述至少两种不同不透明度波长电磁辐射的第二种包括在可见光谱中的波长；以及

所述第三种不同不透明度波长电磁辐射包括在紫外光谱中的波长。

6、一种测量车辆废气流不透明度的远程传感系统，该系统包括：

引导至少两种不同不透明度波长的电磁辐射通过废气流的源，其中，在一种不透明度波长上废气流中电磁辐射的衰减主要是由于在废气流中存在颗粒引起的散射导致的；

检测该至少两种不同不透明度波长的电磁辐射并且产生输出信号的检测器；以及

包括以下模块的处理器：

相对浓度模块，其确定废气流中存在的车辆废气组分的相对浓度；

强度变化模块，其至少部分基于输出信号来确定该至少两种不同不透明度波长的由于射线通过废气流引起的强度变化；

关联模块，其使该至少两种不同不透明度波长的强度变化与车辆废气组分的相对浓度关联，并且记录基本上关联于所确定的车辆废气组分相对浓度的该至少两种不同波长中每种的有效不透明度值；以及

计算模块，其比较预定次数该至少两种不同不透明度波长电磁辐射的强度变化，以确定该至少两种不同不透明度波长电磁辐射的强度变化是否在预定的等价程度内相符，当所确定的强度变化被确定为在预定的等价程度内相符时，则计算与有效不透明度值成比例的报告不透明度值，以及当所确定的强度变化被确定为在预定的等价程度内不相符时，舍弃该至少两种不同不透明度波长电磁辐射的所确定的强度变化而不进行报告不透明度值的计算。

7、权利要求6的系统，还包括：

包括第三种不同不透明度波长的电磁辐射的源。

8、权利要求7的系统，其中

所述至少两种不同不透明度波长的电磁辐射的第一种包括在红外光谱中的波长；

所述至少两种不同不透明度波长的电磁辐射的第二种包括在可见光谱中的波长；并且

所述第三种不同不透明度波长包括在紫外光谱中的波长。