DE69530636T2

DE69530636T2 - Infrarotfühler für Stickstoffoxyd mit Wasserdampfkompensation

Info

Publication number: DE69530636T2
Application number: DE69530636T
Authority: DE
Inventors: Lane H. Rubin; Michael D. Goleta Jack
Original assignee: ENVIROTEST SYSTEMS CORP SUNNYVALE; Envirotest Systems Corp
Current assignee: ENVIROTEST SYSTEMS CORP SUNNYVALE; Envirotest Systems Corp
Priority date: 1994-05-05
Filing date: 1995-02-02
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2015-02-03
Also published as: EP0681179B1; JPH0843288A; TW271465B; AU673786B2; DE69530636D1; ES2199229T3; US5418366A; CA2141004A1; AU1162095A; KR100206682B1; KR950033475A; CA2141004C; EP0681179A1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Sensoren, die auf bestimmte chemische Substanzen ansprechen, und insbesondere einen optischen Sensor zur Erfassung einer Konzentration von Stickoxid (NO) in einem Abgas von einem Fahrzeug, einem Schornstein oder dergleichen.
Umweltverschmutzung ist ein ernstes Problem, das besonders in städtischen Bereichen akut ist. Eine Hauptursache dieser Verschmutzung sind Abgasemissionen von Kraftfahrzeugen. Offizielle Normen sind festgelegt worden, um die zulässigen Mengen von Schadstoffen in Autoabgasen zu regeln, und in einigen Bereichen sind periodische Kontrollen oder "Smog Checks" notwendig, um zu gewährleisten, dass Fahrzeuge diese Normen erfüllen.
Es gibt jedoch immer noch eine große Anzahl von Fahrzeugen, die auf öffentlichen Straßen in Betrieb sind, die die Normen nicht erfüllten. Ferner ist festgestellt worden, dass eine unverhältnismäßig große Menge an Verschmutzung durch einer relativ kleinen Anzahl von Fahrzeugen hervorgerufen wird.
Stark verschmutzende Fahrzeuge können selbst in Gebieten betrieben werden, in denen periodische Emissionskontrollen erforderlich sind. Einige ältere Fahrzeuge und spezielle Typen von Fahrzeugen sind von diesen Kontrollen ausgenommen.
Anti-Verschmutzungsvorrichtungen, die bei neueren Fahrzeugen eine vorgeschriebene Ausstattung sind, erfüllen ihren beabsichtigten Zweck der Reduzierung der Verschmutzungen im Fahrzeugabgas auf innerhalb vorgeschriebener Pegel. Jedoch ist von einigen Fahrzeugbesitzern er kannt worden, dass eine Anti-Verschmutzungseinrichtung die Motorleistung herabsetzen kann.
Aus diesem Grund können einige Fahrzeugbesitzer mit mechanischem Fachwissen jegliche Reparatur ausführen, die erforderlich ist, um ihre Fahrzeuge in einen Zustand zu versetzen, in dem sie die vorgeschriebenen Kontrollen passieren, und anschließend anti-verschmutzende Vorrichtungen entfernen und/oder die Fahrzeuge für den normalen Gebrauch in den Anfangszustand mit einer damit verbundenen Zunahme der Abgasemissionen zurückversetzen.
Ein Anti-Verschmutzungsprogramm, das gänzlich von obligatorischen periodischen Inspektionen abhängt, die an feststehenden Einrichtungen durchgeführt werden, ist daher unzulänglich. Es ist notwendig, Fahrzeuge, die tatsächlich unter Missachtung vorgeschriebener Emissionsnormen betrieben werden, zu identifizieren, und entweder zu fordern, dass sie in Übereinstimmung mit den Normen gebracht oder außer Betrieb genommen werden.
Ein System zur Fernerfassung von Kraftfahrzeug-Abgasemissionen ist in einem Artikel mit dem Titel "ANALYTICAL APPROACH – IR Long-Path Photometry: A Remote Sensing Tool for Automotive Emissions", von G. Bishop et al., in Analytical Chemistry 1989, 61, 617A beschrieben. Ein Infrarotstrahl wird durch die Abgaswolke eines Kraftfahrzeuges zu einer Sensoreinheit gesendet, die einen Strahlteiler umfasst, der den Strahl in einen Kohlendioxid (CO₂)-Kanal und einen Kohlenmonoxid (CO)-Kanal aufteilt.
Der Strahl in dem CO₂-Kanal durchdringt ein Bandpassfilter, das den spektralen Absorptionsbereich von Kohlendioxid isoliert, und trifft auf einen Fotovoltaik-Detektor. Der Strahl in dem CO-Kanal tritt durch ein drehbares Gasfilter-Rad, dessen eine Hälfte eine CO- und Wasser stoff (H₂) Mischung und dessen andere Hälfte Stickstoff (N₂) enthält. Von dem Filter-Rad tritt der Strahl in dem CO-Kanal durch ein weiteres Bandpassfilter, das den spektralen Absorptionsbereich von Kohlenmonoxid isoliert, und trifft auf einen weiteren Fotovoltaik-Detektor.
Die Ausgangssignale der Detektoren variieren entsprechend der Durchlässigkeit der Fahrzeugabgaswolke bei den jeweiligen Wellenlängen und somit den Konzentrationen von CO und CO₂ in der Wolke. Der CO/H₂-Teil des Filter-Rades liefert ein Referenz-Ausgangssignal, während der N₂-Teil ein Kohlenmonoxid-Ausgangssignal liefert.
Grundlinien-Sensorausgangssignale werden gewonnen, wenn kein Fahrzeug durch den Strahl fährt und wenn der Strahl vor der Erfassung der Wolke durch ein Fahrzeug blockiert wird. Diese Werte werden als Referenzwerte zur Kalibrierung der Ausgangssignale der Detektoren verwendet, wenn die Wolke tatsächlich erfasst wird. Die Detektor-Ausgangssignale, die den Durchlässigkeiten bei den jeweiligen Wellenlängen entsprechen, werden anschließend gemäß vorbestimmten Funktionen verarbeitet, um die relativen Prozentsätze von CO₂ und CO in der Fahrzeug-Abgaswolke zu bestimmen.
Das System ist angeblich in der Lage, die Zusammensetzung des Abgases sich bewegender Fahrzeuge zu erfassen, und kann angeblich zur Identifizierung von verschmutzenden Fahrzeugen zum Zweck der Durchsetzung bzw. Geltendmachung verwendet werden. Es weist jedoch bestimmte Nachteile auf.
Zum Beispiel ist eine genaue Ausrichtung erforderlich, um zu gewährleisten, dass die Strahlen in den beiden Wegen in gleicher Weise auf den Detektoren auftreffen. Ein kleiner Fehler durch Fehlausrichtung kann die Messgenauigkeit stark herabsetzen. Die zwei Fotovoltaik-Detektoren sind voneinander entfernt und erfordern zur Temperaturregulierung getrennte Kühleinheiten. Ein kleiner Unterschied in der Temperatur sowie kleine Fehlanpassungen bei anderen Charakteristiken der Detektoren können die Messgenauigkeit ebenfalls stark herabsetzen.
Das drehbare Filter-Rad ist eine mechanische Einheit, die teuer ist und zu mechanischen Fehlfunktionen neigt. Die Konzentrationen der Gase in dem Filter müssen bei genauen werten gehalten werden, um exakte Messungen zu erzielen. Es ist außerdem auch schwierig, das System zur Erfassung weiterer Schadstoffarten zu erweitern, da jeder weitere Kanal einen weiteren Strahlungsteiler, Detektor etc. erfordert und die oben beschriebenen Probleme aufweisen wird.
Das US Patentanmeldung mit der Nummer 08/199 788, eingereicht am 10.9.93, mit dem Titel "Optical Sensing Apparatus For Remotely Measuring Exhaust Gas Composition of Moving Motor Vehicles", von Michael D. Jack et al., die später zurückgezogen wurde, lehrt ein auf IR basierendes System, das die genannten Probleme überwindet. Diese System verwendet eine Anzahl von nebeneinander in einem Abstand zueinander angeordnete Fotodetektoren, die auf unterschiedliche Wellenlängen ansprechen, welche spektralen Absorptionspeaks von Komponenten der Zusammensetzung einer Abgaswolke, einschließlich Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserkohlenstoff, entsprechen.
Ein besonders giftiger Schadstoff, der jedoch von allen bekannten Typen von Systemen nicht erfasst wird, oder der nur ungenau erfasst wird, ist Stickoxid (NO).
Standard-Infrarottechniken wie FTIR versagen bei der Quantifizierung von NO in der Atmosphäre aufgrund der er heblichen Störung durch Wasserabsorption in Absorptionsbanden im Bereich um 5,2 μm und 6,2 μm, in denen NO absorbiert. Versuche, die Wasserabsorptionsbande zu subtrahieren, sind aufgrund der begrenzten Genauigkeit, mit der das Absoprtionsspektrum von Wasser über den gesamten Spektralbereich, in dem FTIR naturgemäß abtasten muss, modelliert werden kann, nicht erfolgreich.
Alternative IR-Laseransätze, die Obertontechniken verwenden, sind ebenfalls unzureichend, zumindest teilweise aufgrund der Anforderung, die Wasserdampfabsorption zu kompensieren, und einer Anforderung, eine sehr exakte Temperaturkontrolle bereitzustellen.
Ein alternativer Ansatz verwendet eine UV-Absorption in dem Spektralbereich um 270 nm. Obwohl eine NO-Absorption in diesem Spektralbereich stark ist, ist die Anwendung dieses Ansatzes auf bewegende Fahrzeuge aufgrund der Störung durch natürliche Schadstoffe, d. h. die Aromaten Benzol und Toluol, die in dem Kraftfahrzeug-Abgas vorhanden sind, schwierig. Die Vielzahl von in einer typischen Abgaswolke ausgestoßenen Aromaten und die dadurch verursachte Absorption macht eine Kompensation für die Aromaten schwierig, und begrenzt die Genauigkeit der Messung.
Die WO-A-89 offenbart einen Gasanalysator, der die Konzentration von NO, H₂O und CO₂ in einer Probe bestimmt, die als eine Probenzelle in den Analysator eingesetzt ist. Er verwendet einen Abschreckschritt zur Elimination von H₂O.
Die WO-A-92 12411 verwendet eine Kombination von IRund UV-Bestrahlungen, um NO von H₂O zu differenzieren.
Es ist zu beachten, dass viele dieser Probleme verstärkt auftreten, wenn gefordert wird, dass das Abgasver schmutzungs-Erfassungssystem portabel ist, und in weniger idealen Umgebungen betrieben werden kann, wie etwa, wenn es erwünscht ist, Fahrzeuge zu überwachen, die auf einer Straße unterwegs sind wie etwa einer Landstraße oder einer Autobahn.
ZIELE DIESER ERFINDUNG
Es ist daher ein Ziel dieser Erfindung, ein System zur genauen Quantifizierung einer Menge an NO in einer Abgaswolke bereitzustellen, das die vorher genannten sowie weitere Probleme überwindet, die den verschiedenen, oben beschriebenen Ansätzen immanent sind.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, ein auf IR basierendes System und ein Verfahren zur genauen Quantifizierung einer Konzentration an NO in einer Abgaswolke bereitszustellen, wobei das System und das Verfahren für einen Umgebungswasserdampf und ebenso für den in der Wolke vorhandenen Wasserdampf kompensiert.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, eine abgedichtete Gaszelle bereitzustellen; die die Fähigkeit besitzt, ein Weglängenprodukt zur Verwendung bei der Kalibrierung eines Abgasemissionssystems zu variieren.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorangegangenen und weitere Probleme werden überwunden, und die Erfindung wird verwirklicht von einem System (10) zur Bestimmung der NO-Konzentration in einer Abgaswolke (14), mit:
einer Quelle (18, 22, 24) elektromagnetischer Strahlung, um eine Strahlung, die eine Mehrzahl von Wellenlän gen aufweist, entlang eines Lichtweges zu richten, der durch die Abgaswolke führt;
einem ersten Sensormittel (32, 32a), das ein Ausgangssignal liefert, um ein Betrag einer Absorption der Strahlung innerhalb einer Bande von ersten Wellenlängen anzuzeigen, die durch das Vorhandensein von NO in der Abgaswolke verursacht wird, das einen ersten Fotodetektor (32) und ein erstes Schmalbandfilter (30) umfasst, das zwischen dem ersten Fotodetektor und der Abgaswolke angeordnet ist, wobei das erste Filter einen Wellenlängendurchlassbereich mit einer vorbestimmten Breite hat, der eine Wellenlänge von 5,26 Mikrometer enthält;
einem zweiten Sensormittel (32, 32b), das ein Ausgangssignal liefert, um ein Betrag einer Absorption der Strahlung innerhalb einer Bande von zweiten Wellenlängen anzuzeigen, die durch das Vorhandensein von Wasser entlang des Lichtweges verursacht wird, das einen zweiten Fotodetektor (32) und ein zweites Schmalbandfilter (30) umfasst, das zwischen dem zweiten Fotodetektor und der Abgaswolke angeordnet ist, wobei das zweite Filter einen Wellenlängendurchlassbereich mit einer vorbestimmten Breite hat, der eine Wellenlänge von 5,02 Mikrometer enthält;
einem Mittel (38, 42) mit Eingängen, die mit den Ausgängen des ersten Sensormittels und des zweiten Sensormittels gekoppelt sind, um die angezeigte Absorption innerhalb des ersten Bandes von Wellenlängen entsprechend der angezeigten Absorption innerhalb des zweiten Bandes von Wellenlängen und entsprechend einem vorbestimmten NO-Absorptionsmodifizierungsfaktor zu kompensieren.
Ein algorithmische Verarbeitung von Signalen, die von IR-Detektoren stammen, in Verbindung mit einem Referenz kanal kompensiert Veränderungen einer IR-Quelle, und ermöglicht darüber hinaus eine genaue Echtzeitkompensation sowohl des Wassers. in der Atmosphäre als auch des Wassers, das in dem Abgas des Kraftfahrzeugs ausgestoßen wird. In dieser Erfindung wird die Konzentration an Wasser infolge der relativen Feuchtigkeit (R. H., relative humidity) und des in einem Fahrzeug ausgestoßenen Abgases als Untergrund bestimmt, indem in eine geeignete Wasserabsorptionsbande, zum Beispiel in Banden, die bei 1998 cm^–1 oder 2003 cm^–1 zentriert sind, gemessen wird, wobei ein Schmalbandfilter Strahlung nur innerhalb eines schmalen Spektralbereichs auswählt, der nahe bei dem (den) Resonanzabsorptionspeak(s) von NO liegt.
Eine Kompensation für das Vorhandensein von Wasserdampf erfolgt durch die Verwendung einer Nachschlagetabelle, die durch Modellierung und Messungen erzeugt wird. Es ist gezeigt, das die Genauigkeit dieser Nachschlagetabelle 2% oder besser ist. Es ist gezeigt, dass die endgültige Empfindlichkeit des Systems bei einer genauen Kompensation der Absorption durch die Wasserbande nur durch die Breite des Spektralfilters um die NO-Linie begrenzt ist. Mit einem Spektralfilter zum Beispiel, der eine Breite von 1% aufweist, kann eine Konzentration von NO erfasst werden, die gleich wie oder geringer als 500 ppm ist, selbst bei hohen Pegeln an Wasser in dem Abgas und mit hohen Pegeln an relativer Feuchtigkeit (bis zu ungefähr 60%).
Dieser Ansatz liefert somit eine genaue, quantitative Messung von NO und Wasserdampf unter Verwendung von IR-Strahlungskanälen in Einklang mit Schmalbandfiltern. Eine Schmalbandkompensation ermöglicht Empfindlichkeiten für Autoabgase bis hinab zu 100 ppm.
Die Lehre dieser Erfindung überwindet die oben beschriebenen Nachteile bei den FTIR- und UV-Messtechniken, die durch Ungenauigkeiten aufgrund unvollständiger Kompensation für Wasser über das gesamte Spektralband und durch ungenaue Kompensation für störende, UV-absorbierende Stoffarten (z. B. Aromaten), für die a priori nicht kompensiert werden kann.
Diese Erfindung stellt somit in ihrem ersten Aspekt ein System zur Erfassung von NO in einer Abgaswolke bereit. Das System umfasst eine Quelle zur Erzeugung eines Lichtstrahls und zum Richten des Lichtstrahls durch die Abgaswolke, wobei der Lichtstrahl Wellenlängen innerhalb einer vorbestimmten Bande von Wellenlängen innerhalb des infraroten (IR) Strahlungsspektrums aufweist. Das System umfasst darüber hinaus eine Strahlungssensor/Filter-Anordnung mit einem ersten Kanal zur Bestimmung eines gemessenen NO-Transmissionswertes für eine erste vorbestimmte Bande von Wellenlängen, einen zweiten Kanal zur Bestimmung eines gemessenen Wasser-Transmissionswertes für eine zweite vorbestimmte Bande von Wellenlängen, einen dritten Kanal zur Bestimmung eines gemessenen Referenz-Transmissionswertes für eine dritte vorbestimmte Bande von Wellenlängen, die so gewählt sind, dass sie von der Abgaswolke stark absorbiert werden, und einen vierten Kanal zur Bestimmung eines gemessenen Verbrennungsnebenprodukt-Transmissionswertes für eine vierte vorbestimmte Bande von Wellenlängen. Ein Datenprozessor spricht auf die Ausgangssignale der Kanäle an, um einen effektiven NO-Transmissionswert von dem NO-Transmissionswert zu bestimmen, der durch (a) den gemessenen Wasser-Transmissionswert, (b) einen vorbestimmten Faktor, der für die Absorption durch Wasser innerhalb der ersten Bande von Wellenlängen kompensiert, und (c) den Referenz-Transmissionswert skaliert ist. Der Datenprozessor dient ferner der Konvertierung des effektiven NO-Transmissionswertes in eine relativen NO-Konzentration eingesetzt werden, indem ein vorbestimmter Kalibrierungsfaktor verwendet wird, und der Konvertierung des relativen NO-Transmissionswertes in einen NO-Konzentrationswert, indem der gemessene Verbrennungsnebenprodukt-Transmissionswert verwendet wird.
Darüber hinaus besteht eine abgedichtete Kalibrierzelle gemäß dieser Erfindung aus einem Gehäuse, das durch ein Paar von IR-transparenten Kolben in zwei Kammern unterteilt ist. Das Gehäuse weist an seinen gegenüberliegenden Enden IR-transparente Fenster auf, so dass ein Strahl durch das Gehäuse und ebenfalls durch die transparenten Kolben treten kann. Eine erste Kammer enthält ein erwärmtes Gemisch aus Gasen, die von Bedeutung sind (z. B. NO, CO₂ und H₂O), in einem gewünschten Verhältnis. Das Gemisch wird auf einer gewünschten Temperatur gehalten. Das Konzentrations-Weglängen-Produkt innerhalb der abgedichteten Zelle wird dadurch verändert, dass das Gemisch von Gasen zwischen der ersten Kammer und einem angefügten, leckdichten erwärmten Gasbehälter, der auch eine Flüssigwasserquelle enthalten kann, umverteilt wird.
Eine mechanische Veränderung des Weglängen-Produkts durch die Kalibrierzelle wird dadurch bewerkstelligt, dass ein erster der Kolben mit einem zweiten der Kolben durch zwei ringförmige Permanent- oder elektrisch angesteuerte Magnete magnetisch bewegt wird. Dies wird mit einer Druckgasquelle verwirklicht, die mit einer zweiten Kammer innerhalb des Gehäuses verbunden ist. Wird die zweite Kammer unter Druck gesetzt, so verursacht dies eine Bewegung des zweiten Kolbens, der durch Ausüben einer magnetischen Kraft auf den ersten Kolben eine Verlagerung des ersten Kolbens bewirkt und das Volumen des Gasgemischs in der ersten Kammer verringert. Eine Rückstellkraft wird durch Federn ausgeübt.
Weitere Ausführungsformen der dichten Zweikammer-Zelle verwenden einen Balg, um den ersten Kolben zu verlagern, oder eine elektrostatisch betätigte Verlagerung des ersten Kolbens. Eine weitere Ausführungsform verwendet den Balg oder die elektrostatische Verschiebung in Kombination mit einem aufblasbaren Behälter.
Durch die Verwendung der dichten Kalibrierzelle können die NO-, H₂O- und CO₂-Detektoren schnell im Feld bzw. vor Ort kalibriert werden. Insbesondere werden dadurch, dass die Zelle ein dichtes System ist, keine Gase an die Atmosphäre freigesetzt, woraus folgt, dass es nicht notwendig ist, Ersatzkalibrierungsgaskanister zu beschaffen und zu transportieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben ausgeführten und weitere Vorteile der Erfindung sind in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung klarer dargestellt, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen:
1 ein Blockdiagramm eines Abgasverschmutzungs-Erfassungssystems ist, das die Mehrkanal-NO-Sensor-Ausführungsform dieser Erfindung umfasst;
2 die unmittelbare Nähe des Wasserdampf-Absorptiosnspektrums zu dem gewünschten NO-Absorptionsspektrums grafisch darstellt;
3 die Wirkung von verschiedenen idealen Filtern auf die Messung der NO-Absorptionsbande grafisch darstellt;
4 zwei in Frage kommende NO-Spektrallinien (5,2617 μm und 5,2629 μm) oberhalb von Untergrund-Wasser dampflinien für verschiedene Pegel relativer Feuchtigkeit grafisch darstellt, und ein Erfordernis offensichtlich macht, den Wasserdampf-Untergrund abzuziehen;
5 eine (nicht maßstabsgetreue) Querschnittsansicht einer Gaskalibrierzelle gemäß einem Aspekt dieser Erfindung ist;
6 ein logisches Flussdiagramm ist, dass ein Verfahren dieser Erfindung zur Bestimmung der NO-Konzentration in einer Abgaswolke veranschaulicht;
7 ein logisches Flussdiagramm ist, das ein Verfahren dieser Erfindung zur Überwachung der Abgasemissionen von auf einer Straße fahrenden Fahrzeugen darstellt;
8A und 8B Diagramme sind, die die Verwendung dieser Erfindung bei Messung einer Emission von einem stark emittierenden Fahrzeug (1875 ppm) bzw. einem relativ niedrig emittierenden Fahrzeug darstellen, wobei 8B darüber hinaus die Kompensation von Wasserdampf in der Abgaswolke zeigt; und
9A–9C jeweils eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform einer dichten Kalibrierzelle darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist ein Überblicksdiagramm des Systems, das ein Mehrkanal-NO-Sensorsystem 10 dieser Erfindung zur Anwendung auf ein Fahrzeug 12 darstellt, dass eine Abgaswolke 14 ausstößt, während das Fahrzeug entlang der Straße 16 fährt. Es versteht sich, dass das Fahrzeug 12 nicht ein Teil des Systems 10 bildet. Es versteht sich weiterhin, dass diese Erfindung auch verwendet werden kann, um NO-Emissionen von einem Schornstein, einem Kamin oder dergleichen zu quantifizieren, und nicht nur auf die Anwendung bei Fahrzeugen begrenzt ist, die Verbrennungsmotoren haben, die NO als Bestandteil ihres Abgases ausstoßen. Allgemein ist diese Erfindung zur Bestimmung der NO-Konzentration in einer Gaswolke anwendbar, die von irgendeiner natürlichen oder Menschen gemachten Quelle ausgestoßen wird.
Es versteht sich ferner, dass die Lehre dieser Erfindung in einer unabhängigen Weise verwendet werden kann, um lediglich die NO-Konzentration in einer Emission zu quantifizieren, oder enthalten sein in oder in Verbindung mit einem System des Typs verwendet werden kann, das in der oben referenzierten US Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 08/199 788, eingereicht am 10.09.93, mit dem Titel "Optical Sensing Apparatus For Remotely Measuring Exhaust Gas Composition of Moving Motor Vehicles", von Michael D. Jack et al. beschrieben ist.
Das System 10 umfasst eine IR-Quelle 18, vorzugsweise eine Breitband-IR-Quelle wie etwa einen Glühstab, der eine bedeutende IR-Strahlungsausgangsleistung im Bereich von ungefähr 3 Mikrometer bis ungefähr 6 Mikrometer hat. Die IR-Quelle 18 liefert einen Strahl 20, der wahlweise durch einen Zerhacker 22 (nominal 200 Zyklen pro Sekunde) und einen Strahlbilder 24, wie etwa einen Reflektor, geschickt werden kann. Der Strahl 20 ist so angeordnet, dass er durch die Abgaswolke 14 des Fahrzeugs 12 hindurch tritt, wenn das Fahrzeug auf der Fahrbahn 16 in Bewegung ist. Der Durchtritt des IR-Strahls 20 durch die Abgaswolke 14 hat die selektive, teilweise Absorption verschiedener Wellenlängen innerhalb des Breitbandstrahls zur Folge, wobei die selektive Absorption aufgrund des Vorhandenseins von NO, Wasserdampf, CO₂ oder anderen Molekülarten innerhalb des Abgases auftritt.
Nach dem Durchtritt durch die Wolke 14, tritt der Strahl 20 durch eine optionale IR-transparente Gaszelle 26 (5), die zu Kalibrierungszwecken benutzt wird, und anschließend durch einen Strahlintegrator oder Diffusor 28. Der gestreute Strahl wird auf eine Mehrzahl n von Schmalbandfiltern 30 gerichtet, wobei n gleich einer Anzahl von Messkanälen des Systems 10 ist. Jedes Filter 30 ist so ausgewählt, dass es eine vorbestimmte schmale Bande von Wellenlängen auf einen zugeordneten IR-Detektor von einer Mehrzahl von IR-Detektoren 32 hindurchlässt. Jeder Detektor 32 gibt ein elektrisches Signal an einen Eingang eines entsprechenden Messkanals aus, der aus einer geeigneten analogen Elektronik 34 (z. B. Verstärkern), einem n-Kanal-Analog/Digital(A/D)-Wandler 36 und einem Datenprozessor 38 besteht, der eine zugeordnete Ausgabevorrichtung 40 aufweist. Der Datenprozessor 38 liefert die erforderliche Datenverarbeitung der Ausgangssignale von dem A/D-Wandler 36. Der Datenprozessor 38 ist mit einer Nachschlagetabelle (NST) 42 gekoppelt, deren Verwendung nachstehend ausführlich beschrieben ist. Die NST 42 ist am leichtesten als ein Speicherbereich (Halbleiter und/oder Festplatte) implementiert, auf den der Datenprozessor 38 zugreifen kann. Ein geeigneter Kühler 44 wie etwa eine thermo-elektrische (TE) Vorrichtung wird zur Kühlung jener Typen von IR-Detektoren 32 verwendet, die auf einen Betriebspunkt gekühlt werden müssen, der unterhalb der Umgebungstemperatur liegt.
Bei einer derzeit bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung gibt es vier spektrale Messkanäle. Diese sind ein spektraler NO-Kanal 32a (der einen Filter 30 mit einem Durchlassbereich aufweist, welcher bei 5,26 μm zentriert ist), ein spektraler H₂O-Kanal 32b (der einen Filter 30 mit einem Durchlassbereich aufweist, welcher bei 5,02 μm zentriert ist), einen ersten spektralen Referenz oder CO₂-Kanal 32c (der einen Filter 30 mit einem Durchlassbereich aufweist, der bei 4,4 μm zentriert ist), und einem zweiten spektralen Referenz (REF) – Kanal 32d (der einen Filter 30 mit einem Durchlassbereich aufweist, welcher bei 3,8 μm zentriert ist). Es können auch, wenn gewünscht, zusätzliche Kanäle zur Messung weiterer Schadstoffe hinzugefügt werden.
Im allgemeinen ist der spektrale NO-Kanal 32a bei Resonanzabsorptionspeaks in der Nähe von 5,2 μm angeordnet, der spektrale Wasserdampfkanal 32b befindet sich in einem Bereich starker Wasserabsorption, wo Fundamentallinien nicht sättigen, der erste spektrale Referenzkanal 32c wird zur Normierung der Schadstoffe auf die normalen Verbrennungsprodukte, z. B. CO₂, verwendet, und der zweite spektrale Referenz (REF) – Kanal 32d ist in einem Bereich vorgesehen, in dem keine atmosphärischen oder Fahrzeugemissionsgase absorbieren.
Der spektrale REF-Kanal ist vorgesehen, um die anderen drei spektralen Kanäle vor Veränderungen zu kompensieren, die verursacht sind durch: (a) Schwankungen des Ausgangssignals der IR-Quelle 18, (b) Feststoffe in Form von Straflenstaub und (c) Feststoffe in der Abgaswolke 14, sowie jegliche anderen Faktoren, die die Lichtintensität reduzieren können, die die Detektoren 32 erreicht. Somit arbeitet der spektrale REF-Kanal, um eine Grundlinien-Ausgangsleistung zu erzeugen, die unabhängig von der gemessenen Schadstoffmolekülart (NO, H₂O und CO₂) ist. Das Ausgangssignal des spektralen REF-Kanals 32d wird verwendet, um, etwa durch Teilung, die drei spektralen Kanäle 32a–32c für Schadstoffmolekülarten zu normieren.
Die Detektoren 32 bestehen vorzugsweise aus Materialien hoher Nachweisbarkeit (Empfindlichkeit), und werden darüber hinaus vorzugsweise auf einem oder verbunden mit einem gemeinsamen Substrat hergestellt. Geeignete Beispiele umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, fotoleitendes HgCdTe (Te-gekühlt), InSb, das auf 77 K (Temperatur von flüssigem Stickstoff) gekühlt ist, oder nicht gekühlte Detektoren, wie jene, die auf Bolometern, Thermosäulen, Pyroelektrika und Pb-Salz-Detektoren basieren. Jeder Detektor 32 ist zur Verstärkung mit der Elektronik 34 konfiguriert und liefert als solches ein elektrisches Signal an einen der vier spektralen Messkanäle. Fotodetektoren können ebenfalls verwendet werden.
Die Detektoren 32 sind vorzugsweise mit einem lichtundurchlässigen Material wie Aluminiumoxid, optisch voneinander isoliert, um ein optisches Nebensprechen zu minimieren. Die optischen Filter 30, die die vorbestimmten Durchlassbereiche aufweisen, werden vorzugsweise auf einem transparenten Substrat ausgebildet und anschließend durch ein optisch transparentes Klebemittel an die Elemente der Dektoren 32 geklebt. Zum Beispiel sind die Filter 30 auf einem Substrat ausgebildet, das aus Germanium (Ge) besteht, wobei die Filter 30 als mehrschichtige, dielektrische Stapel ausgebildet sind, die mehrere Schichten aus Zinksulfid (ZnS) umfassen.
Beispielhafte Abmessungen von jedem der Detektoren 30 betragen ungefähr 1 × 1 Millimeter, obwohl die Erfindung nicht darauf begrenzt ist. Diese Abmessungen sind ausreichend groß, um die Filter 32 unterzubringen, wobei sie immer noch ein großes Rauschverhältnis erreichen. Der integrale Aufbau der Fotodetektoranordnung (Detektoren und Filter) gewährleistet, dass die Fotodetektoren bei gleicher Temperatur arbeiten, wodurch Ungenauigkeiten, hervorgerufen durch Temperaturunterschiede, beseitigt werden. Wenn erforderlich, kann die Temperatur der Detektoren 32 durch den Kühler 44 geregelt werden.
Der Strahlintegrator 28 umfasst vorzugsweise einen plan-konvexen Linsenabschnitt 28a. Ein rechtwinkliges Feld von flachen Facetten ist in einer konvexen Oberfläche der Linse 28a ausgebildet. Die Facetten brechen Segmente von Licht von jeweiligen Abschnitten des einfallenden Strahls 20 so in Richtung einer zentralen Achse, dass die gebrochenen Lichtsegmente auf den Fotodetektoren 32 einander überlagert sind. Das überlagerte Bild, das auf die Detektoren 32 auftrifft, ist ein homogenisiertes und Bemitteltes Bild, das durch die Facetten gebrochen ist, und repräsentiert daher die mittlere Intensität des Strahls 20. Eine Sammellinse kann wahlweise verwendet werden, um die Größe des homogenisierten Bildes auf den Fotodetektoren 32 zu verkleinern.
Die Prinzipien einer bevorzugten Ausführungsform des Strahlintegrators 28 sind in dem US Patent Nr. 4 195 913 mit dem Titel "OPTICAL INTEGRATION WITH SCREW SUPPORTS", herausgegeben am 1. April 1980, an D. Dourte offenbart. Ein Strahlintegrator, der zur Ausübung der Erfindung geeignet ist, ist im Handel von Spawr Optical Research, Inc. of Corona, CA, erhältlich.
Es sollte klar sein, dass die Konfiguration des Strahlintegrators 28, der zur Ausübung der Erfindung geeignet ist, nicht auf die mehrfacettige Ausführungsform begrenzt ist, die oben beschrieben ist. Zum Beispiel kann der Strahlintegrator 28 durch eine Sammel- oder Zerstreuungslinse verwirklicht sein, die auf den Fotodetektoren 32 ein defokussiertes Bild des Strahls 20 erzeugt. Der Strahlintegrator 36 kann ferner durch Verwenden einer reflektiven, statt einer brechenden Ausführung verwirklicht sein.
Ein Verfahren dieser Erfindung, dargestellt in 6, umfasst die folgenden Schritte: (A) Kalibrierung des Systems 10 unter Verwendung der Zelle 26, (B) Messung der Untergrund-Wasserdampfkonzentration unter Verwendung der Absorption der Wasserbande (zum Beispiel bei Wellenlängen von 1998 cm^–1 oder 2023 cm^–1), (C) Untergrundnormierung für die Wasserdampfabsorption in der NO-Bande und (D) Echtzeitmessungen der Autoabgastransmission in den spektralen NO-, Wasserdampf- und CO₂-Kanälen 32a–32c, ergänzt um einen nächsten Schritt (E) der algorithmischen Kompensierung für das von dem Fahrzeug 12 ausgestoßene Wasser durch Verwendung der Nachschlagetabelle 42. Wie oben beschrieben ist, enthält die Nachschlagetabelle 42 Einträge, die eine Absorption durch Wasserdampf in dem spektralen Wasserkanal 32b zu der Absorption durch Wasserdampf in dem (den) ausgewählten spektralen NO-Bande (Bändern) in Beziehung setzt.
In diesem Zusammenhang zeigt 2 einen bedeutsamen spektralen Bereich um 5,26 μm, eine der bevorzugten NO-Absorptionslinien. Die Wasserstoffabsorptionsbande ist bei etwa 5,02 μm gezeigt. Der REF-Bereich bei ungefähr 3,8 μm ist nicht gezeigt.
3 zeigt ein gestrecktes Spektrum um die 5,26 μm-NO-Linie und veranschaulicht die Verwendung mehrerer unterschiedlicher Spektralbreiten (0,1%, 0,3% und 1%) für den NO-Filter 30. Die (mit "A" bezeichnete") starke Linie veranschaulicht einen Fall mit einer relativen Feuchtigkeit von 60% bei Null ppm NO in der Abgaswolke 14, während die (mit "B" bezeichnete) dünnere Linie den Fall mit einer relativen Feuchtigkeit von 60% bei 1000 ppm NO in der Abgaswolke 14 zeigt. Die Kennlinie von 3 geht von "perfekten" Durchlassbereichsfiltern 30 aus, die vertikale Seiten und einen Durchlässigkeitsgrad von 100 haben. Der "Prozent-Differenz"-Ausdruck ist ein Maß für die Wirkung des NO auf den Bereich unter der Kennlinie.
Ein Verhältnis von NO-Absorption zu Wasserabsorption ist in Tabelle 1 als Funktion der relativen Feuchtigkeit und des spektralen Durchlassbereichs (bestimmt durch denjenigen der Filter 30, der benutzt wird) gezeigt.
Tabelle 1: Verhältnis der Absorption durch 1000 pm NO zur Absorption durch Wasser in einer spektralen Bande um 5,2 μm als Funktion der spektralen Filterbreite und der relativen Feuchtigkeit.
Die Einträge der Tabelle 1 berücksichtigen auch das Vorhandensein von Wasserdampf, der in der Abgaswolke 14 vorhanden ist. Wie gezeigt, und für eine relative Feuchtigkeit von 60% über zum Beispiel eine Länge des Lichtweges von 30 Fuß und eine NO-Konzentration von 1000 ppm, variiert das Verhältnis der relativen Absorption der Wasserlinie zu der relativen Absorption aufgrund des NO von 29% für einen 0,1%-Filter bis 4% für einen 1%-Filter. Dieses Verhältnis bestimmt somit die Genauigkeit der Feld/Labor-Kalibrierung, die notwendig ist, um NO mit einer gegebenen Empfindlichkeit zu messen. Zum Beispiel beträgt das Verhältnis von integrierter NO-Absorption zu spektraler Wasserabsorption im Falle eines 1%-Filters 4%. Daher beträgt die Grenze der Erfassung bei 60% R. H. und einem Abstand zwischen der IR-Quelle 18 und den Detektoren 32 von 30 Fuß bei einer 2%-igen Genauigkeit der Korrektur der Nachschlagetabelle 500 ppm NO. Demgegenüber beträgt das Konzentrationsverhältnis bei einem NO-Filter 30, der einen 0,1%-Durchlassbereich aufweist, 29%. Für diesen Fall beträgt die Erfassungsgrenze bei 60% R. H. und einem Abstand von 30 Fuß 100 ppm NO bei einer Genauigkeit von 2%.
Das Folgende ist ein Beispiel einer NO_x-Nachschlagtabelle 42.
Das Diagramm der 4 zeigt die Wichtigkeit der Subtraktion der oder Kompensation für die Absorption durch den Wasserdampfuntergrund. In 4 zeigen die spektralen Kurven für unterschiedliche Mengen an relativer Feuchtigkeit den monotonen Offset der NO-Grundlinie gegenüber der relativen Feuchtigkeit. Für diesen lineare Shift, der einem Flat-Top-Absorptionsintegral entspricht, wird sehr genau kompensiert, wenn ein Schmalband-NO-Filter 30 verwendet wird.
Eine Kalibrierung bezüglich Veränderungen in der durch die Quelle 18 gelieferten Beleuchtung über die verschiedenen Detektoren 32 wird vorzugsweise durch die Verwendung der erwärmten Kalibrierzelle 26, die in 5 dargestellt ist, erreicht.
Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung besteht die Kalibrierzelle 26 aus einem Gehäuse 50, das durch ein Paar von IR-transparenten Kolben 52 und 54 in zwei Kammern 26a und 26b unterteilt ist. Das Gehäuse 50 weist an seinen gegenüberliegenden Enden IR-transparente Fenster 50a und 50b auf, um den Durchtritt des Strahls 20 durch das Gehäuse und ebenfalls durch die transparenten Kolben 52 und 54 zu ermöglichen. Die Kammer 26b enthält ein erwärmtes Gemisch aus bedeutsamen Gasen (z. B. NO, CO₂ und H₂O) in einem gewünschten Prozentsatz, wie zum Beispiel 2%, 15% bzw. 15%. Andere Gase wie CO (15%) sind typischerweise ebenso vorgesehen wie verschiedene Kohlenwasserstoffe (2%). Das Kalibrierungsgasgemisch wird auf einer Temperatur von zum Beispiel ungefähr 100C gehalten. Das Konzentrations-Weglängen-Produkt innerhalb der dichten Zelle 26 wird durch Umverteilung des Gemisches aus Gasen zwischen der optisch transparenten Kammer 26b und einem angefügten leckdichten Gasbehälter 56 verändert, der auch eine Flüssigwasserquelle enthalten kann. Der Behälter 56 umfasst ein Heizgerät 56a, und die Kammer 26a umfasst ebenfalls ein Heizgerät 26c zur Aufrechterhaltung der gewünschten Temperatur.
Eine mechanische Veränderungen der Weglänge durch die Zelle 26 wird durch ein magnetisches Bewegen des Kolbens 54 mit dem Kolben 52 durch zwei ringförmige Permanentoder elektrisch angesteuerte Magnete (52a und 52b) erreicht. Dies wird durch einen Druckgas (Luft) – Tank 58 und eine Leitung 60 bewerkstelligt, die mit der Kammer 26a verbunden ist. Ein Unterdrucksetzen der Kammer 26a bewirkt, dass sich der Kolben 52 nach rechts in der Zeichnung bewegt, wodurch mittels der Magnete 52a und 52b eine abstoßende magnetische Kraft auf den Kolben 54 ausgeübt wird. Dies bewirkt, dass sich der Kolben 54 ebenfalls nach rechts bewegt, wodurch sich das Volumen des Gasgemisches in der Kammer 26a durch die Leitung 62 und den dichten Behälter 56 verringert und somit das Weglängen-Produkt innerhalb der Zelle 26 verändert wird. Durch die Druckfedern 64 und 66 wird eine Rückstellkraft aufgebracht.
Durch die Verwendung der Kalibrierzelle 26 können die NO-, H₂O- und CO₂-Detektoren 32 vor Ort schnell relativ zueinander kalibriert werden. Insbesondere, dadurch, dass die Zelle 26 ein dichtes System ist, werden keine Gase an die Atmosphäre abgegeben, und als Folge davon ist es nicht notwendig, Ersatzkalibriergaskanister zu beschaffen und zu transportieren. Da NO als eine giftige Substanz angesehen wird, ist dies ein bedeutender Vorteil.
Während der eigentlichen Messung von einer oder mehreren Abgaswolken, kann die Kalibrierzelle 26 aus dem Strahl entfernt werden. Alternativ dazu kann die Kalibrierzelle 26 so gesteuert werden, dass sie das Volumen der Kammer 26a auf Null verringert. Die minimale Absorption des Strahls 20, während er durch die Zelle 26 hindurchtritt, wird, wie zuvor beschrieben, durch die Messung des spektralen REF-Kanals kompensiert.
Die Verwendung weiterer Ansätze wie ein Balg oder Dreh-/Schubschleusen, sind ebenfalls im Bereich dieser Erfindung.
Als ein Beispiel wird Bezug genommen auf 9A–9C zur Veranschaulichung weiterer Ausführungsformen der Kalibrierzelle.
9A zeigt eine Kalibrierzelle 70, die einen Balg 72 umfasst, der über die Ventile 76a und 76b von einem Druckluftzylinder 74 bewegt wird. Das Ventil 76b wird geöffnet, um den Balg 72 zu belüften. Der Balg 72 bewegt über eine IR-transparente Kupplung 78 einen Kolben 80. Der Kolben 80 dient dazu, die Weglänge durch eine Kammer 82 für eine Strahlung zu ändern, die sich von einer Quel- le 84 zu einem Detektor 86 ausbreitet. Diese Ausführungsform umfasst einen dehnbaren Behälter 88, um die gewünschte Gasmischung und ferner, vorzugsweise, Wasserdampf zu der Kammer 82 zu liefern.
9B zeigt eine Ausführungsform einer Kalibrierzelle 90, die Elektromagnete 92 verwendet, um die Länge des Lichtweges durch eine Kammer 94 zu ändern. Die Elektromagnetbaugruppe 92a ist bewegbar und wird durch den Elektromagnet 92b kontrolliert angezogen oder abgestoßen. Die bewegbare Elektromagnetbaugruppe 92 ist mit Federn 96 vorgespannt. Der ausdehnbare Behälter 88 wird wie bei der Ausführungsform der 9A verwendet, um die Kammer 94 mit dem gewünschten Gasgemisch zu versorgen.
9C zeigt eine Ausführungsform einer Kalibrierzelle 100, die mit einem Elektromagnet 102 mit umkehrbarer Polarität und einem ringförmigen Permanentmagnet 104 arbeitet. Der ringförmige Permanentmagnet 104 kann zum Beispiel eine magnetisierte Samarium-Kobalt-Scheibe sein, die ein mittig angeordnetes IR-transparentes Fenster 104 aufweist. Der Magnet ist in einer Lagerungsbaugruppe 106 enthalten. Eine Umkehrung der Polarität des Elektromagnets 102 bewirkt eine Bewegung des Magnets 104, der die Lichtweglänge durch eine Gas enthaltende Kammer 108 ändert. Die Kammer 108 ist, wie bei den Ausführungsformen 9A und 9B, zudem mit dem ausdehnbaren Behälter 88 verbunden.
Beim Betrieb des Systems 10 führt eine von dem Datenprozessor 38 der 1 ausgeführte Signalverarbeitungsroutine das in 6 dargestellte Verfahren aus. Der Datenprozesser normiert das Signal in der NO-Bande sowohl durch die in dem REF-Kanal bestimmte Transmission als auch durch die in dem Wasserdampfkanal bestimmte Transmission, konvertiert durch die Verwendung der Nachschla getabelle 42 zu einer Resttransmission von Wasser in der NO-Bande. Diese Normierung wird kontinuierlich sowohl für Untergrundmessungen als auch für dynamische Emissionsmessungen unter Verwendung des folgenden funktionalen Ausdrucks durchgeführt: T(NO)eff = T(NO)/(T(H2O) × {Nachschlag(H2O-Bande nach NO-Bande)} × T(REF)), wobei T(NO)_eff die effektive NO-Transmission, T(NO) die gemessene NO-Transmission, T(H₂O) die gemessene Wassertransmission, Nachschlag(H₂O-Bande zu NO-Bande) eine vorbestimmte Wasser/NO-Absorptionskorrektur, die aus der Nachschlagtabelle 42 gewonnen wird, und T(REF) die gemessene spektrale REF-Kanal-Transmission ist.
Die relative NO-Konzentration in der Abgaswolke 14 wird unter Verwendung zwischen Transmission und Konzentration des NO-Detektors 32, erstellt während der Werkskalibrierung und entsprechend der Aktualisierung während der Feldkalibrierung unter Verwendung der Zelle 26, von dem voranstehenden Ausdruck abgeleitet. Die tatsächliche NO-Konzentration in der Abgaswolke 14 wird als das Verhältnis von NO in der Wolke 14 zu der gemessenen Konzentration von CO₂ in der Wolke, multipliziert mit der relativen Konzentration von CO₂ in dem Abgas bestimmt, die unter Verwendung eines effektiven C : H-Verhältnisses für einen "Durchschnitts"-Kraftstoff bestimmt wird.
Mit anderen Worten, das Verfahren bestimmt zuerst die effektive NO-Transmission aus der gemessenen NO-Transmission, skaliert durch (a) die gemessene Wassertransmission, (b) den Faktor der Nachschlagtabelle und (c) das REF-Kanal-Ausgangssignal, der für Feststoffe, Staub und dergleichen kompensiert, die den Strahl 20 verdunkeln können. Nachdem die effektive NO-Transmission bestimmt wor den ist, wird dieser Wert unter Verwendung der von den Werkskalibrierungen gewonnenen Ergebnisse, die zuletzt durch die Verwendung der bekannten NO-Konzentration innerhalb der Kalibrierzelle 26 aktualisiert wurden, in eine relative NO-Konzentration umgewandelt. Nachdem die relative NO-Konzentration bestimmt worden ist, wird dieser Wert unter Verwendung der gemessenen CO₂-Konzentration und unter Annahme des effektiven C : H-Verhältnisses für einen typischen Kraftstoff in eine tatsächliche NO-Konzentration umgewandelt.
8A und 8B sind Diagramme, die die Verwendung dieser Erfindung zur Messung einer Emission eines Fahrzeugs mit hoher Emission (1875 ppm) bzw. eines Fahrzeugs mit vergleichsweise niedriger Emission erläutern, wobei 8B ferner die Kompensation für Wasserdampf in der Abgaswolke zeigt.
Das Gesamtverfahren des Systems 10 ist in dem Flussdiagramm der 7 dargestellt. Das System 10 ist für einen bedienten Betrieb oder für einen unbedienten Betrieb geeignet, sobald die Komponenten aufgestellt und kalibriert worden sind.
Das System 10 wartet darauf, dass ein Fahrzeug 12 durch den Strahl 20 fährt. Dies wird durch einen scharfen Abfall der Amplituden des Ausgangssignals der Fotodetektoren 32 angezeigt, wenn das Fahrzeug 12 den Strahl 20 blockiert. Dies erzeugt einen Trigger, der eine Messung der NO-Konzentration der Fahrzeugabgaswolke 14 initiiert.
Die von den Detektoren 32 ausgegebenen Signalamplituden werden scharf ansteigen, wenn das hintere Ende des Fahrzeugs 12 den Strahl 20 freigibt. Dies zeigt an, dass der Strahl 20 nicht blockiert ist und durch die Abgaswolke 14 des Fahrzeugs 12 hindurchtritt.
Der Datenprozessor 38 integriert die Ausgangssignale von den Detektoren 32 während der Intervalle, während der die Fotodetektoren 32 durch den Zerhacker 22 freigegeben sind. Auf diese Weise werden die Ausgangssignale der Fotodetektoren 32 periodisch abgetastet und verarbeitet.
Der Datenprozessor 38 berechnet anschließend auf der Grundlage der Amplituden der Signale von den Fotodetektoren 32 die Zusammensetzung der Wolke 14 hinsichtlich wenigstens des Prozentsatzes oder der Konzentration des enthaltenen NO. Diese Daten können, zusammen mit dem Video von der Kamera 46 auf dem Monitor 40 angezeigt werden, wie es in 1 veranschaulicht ist. Dieser Vorgang wird über eine vorbestimmte Zeitspanne, zum Beispiel eine halbe Sekunde, ausgeführt, was für das System 10 ausreichend ist, um eine genaue Messung zu durchzuführen. Der Datenprozessor 38 bestimmt anschließend, ob die Zusammensetzung innerhalb bestimmter Regelungstoleranzen liegt. Wenn ja, führt Vorrichtung 10 einen Reset durch und wartet auf das nächste Fahrzeug. Wenn nicht, womit angezeigt wird, dass das Fahrzeug 12 eine übermäßige Verschmutzung erzeugt, blendet der Datenprozessor 38 einen Videorahmen von der Kamera 46 ein, wobei das Video eine Identifizierungscharakteristik des Fahrzeugs 12 wie etwa ein Bild des Kennzeichens enthält, überlagert wenigstens die Daten der NO-Konzentration dem Videorahmen und speichert den kombinierten Video- und Datenrahmen in einer Massenspeichervorrichtung wie einer Festplatte ab.
Die Daten können zur Verwendung bei der Durchsetzung bzw. Geltendmachung, wie etwa bei der Versendung einer Übertretungsnachricht an den Besitzer des Fahrzeugs, zu einem späteren Zeitpunkt abgerufen werden. Es ist ebenfalls im Umfang der Erfindung, einen gespeicherten Videound Datenrahmen für jedes Fahrzeug, das durch den Strahl 20 hindurchtritt, anstatt nur für verschmutzende Fahrzeuge, für Anwendungen wie etwa die Erzeugung einer Datenbasis der Abgaszusammensetzung für unterschiedliche Typen und Fabrikate von Fahrzeugen zu speichern.
Eine Anzahl von Modifikationen kann an dem System 10 ausgeführt werden, die in den Umfang dieser Erfindung fallen. Zum Beispiel muss die Kalibrierzelle 26 nicht erforderlich sein, wenn die anfängliche werkskalibrierung der Detektoren als ausreichend angesehen wird. Darüber hinaus können auch weitere Detektoren mit geeigneten Filtern verwendet werden, um andere bedeutsame Molekülarten wie CO und/oder Kohlenwasserstoffe zu messen.
Obwohl somit die Erfindung insbesondere mit Bezug auf ihre bevorzugte Ausführungsform gezeigt und beschrieben worden ist, wird es für den Fachmann selbstverständlich sein, dass Änderungen in der Form und den Einzelheiten gemacht werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ein System (10) zur Bestimmung der NO-Konzentration in einer Abgaswolke (14), mit: – einer Quelle (18, 22, 24) elektromagnetischer Strahlung, um eine Strahlung, die eine Mehrzahl von Wellenlängen aufweist, entlang eines Lichtweges zu richten, der durch die Abgaswolke führt; – ein erstes Sensormittel (32, 32a) mit einem Ausgang zur Anzeige eines Grades der Absorption der Strahlung innerhalb eines Bandes von ersten Wellenlängen aufgrund des Vorhandenseins von NO in der Abgaswolke verursacht, das einen ersten Fotodetektor (32) und ein erstes Schmalbandfilter (30) umfasst, das zwischen dem ersten Fotodetektor und der Abgaswolke angeordnet ist, wobei das erste Filter einen Wellenlängendurchlassbereich mit einer vorbestimmten Breite hat, der eine Wellenlänge von 5,26 Mikrometer enthält; – ein zweites Sensormittel (32, 32b) mit einem Ausgang zur Anzeige eines Grades der Absorption der Strahlung innerhalb eines Bandes von zweiten Wellenlängen aufgrund des Vorhandenseins von Wasser entlang des Lichtweges, das einen zweiten Fotodetektor (32) und ein zweites Schmalbandfilter (30) umfasst, das zwischen dem zweiten Fotodetektor und der Abgaswolke angeordnet ist, wobei das zweite Filter einen wellenlängendurchlassbereich mit einer vorbestimmten Breite hat, der eine Wellenlänge von 5,02 Mikrometer enthält; – ein Mittel (38, 42) mit Eingängen, die mit den Ausgängen des ersten Sensormittels und des zweiten Sensormittels gekoppelt sind, um die angezeigte Absorption innerhalb des ersten Bandes von Wellenlängen entspre chend der angezeigten Absorption innerhalb des zweiten Bandes von Wellenlängen und entsprechend einem vorbestimmten NO-Absorptionsmodifizierungsfaktor zu kompensieren.
System nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte NO-Absorptionsmodifizierungsfaktor in einem Nachschlagetabellenmittel (42) gespeichert ist.
System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, das ferner umfasst: – ein drittes Sensormittel (32, 32c) mit einem Ausgang zur Anzeige eines Grades der Absorption der Strahlung innerhalb eines Bandes von dritten Wellenlängen aufgrund des Vorhandenseins eines vorbestimmten Verbrennungsprodukts in der Abgaswolke; und wobei – das Bestimmungsmittel ein Mittel zur Bestimmung einer NO-Konzentration in der Abgaswolke aus der kompensierten angezeigten Absorption innerhalb des ersten Bandes von Wellenlängen und entsprechend der Anzeige von dem Ausgang des dritten Sensormittels umfasst.
System nach Anspruch 3, wobei das vorbestimmte Verbrennungsprodukt CO₂ ist.
System nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, das darüber hinaus umfasst: – ein viertes Sensormittel (32, 32d) mit einem Ausgang zur Anzeige einer Veränderung der Intensität der Strahlung innerhalb eines Bandes von vierten Wellenlängen, die so gewählt sind, dass sie nicht wesentlich in der Abgaswolke absorbiert werden; und wobei – das Bestimmungsmittel auf das Ausgangssignal des vierten Sensormittels anspricht, um die angezeigte Absorption innerhalb des ersten Bandes von Wellenlängen und ebenso die angezeigte Absorption innerhalb des zweiten Bandes von Wellenlängen entsprechend der durch das vierte Sensormittel ausgegebenen Anzeige zu kompensieren.
System nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, wobei die Quelle elektromagnetischer Strahlung eine Strahlung innerhalb eines Bandes von Wellenlängen aussendet, das ein Band von ungefähr 3 Mikrometer bis ungefähr 6 Mikrometer umfasst, wobei das erste Band von Wellenlängen eine Wellenlänge von ungefähr 5,26 Mikrometer enthält, und wobei das zweite Band von Wellenlängen eine Wellenlänge von ungefähr 5,02 Mikrometer enthält.
Ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das darüber hinaus ein Mittel (28) zur Homogenisierung der Strahlung nach dem Durchtritt der Strahlung durch die Abgaswolke umfasst, wobei das Homogenisierungsmittel zwischen dem ersten Filter und der Abgaswolke bzw. dem zweiten Filter und der Abgaswolke angeordnet ist.
Ein System nach Anspruch 3, das ferner eine Kalibrierzelle (26) umfasst, die zwischen dem ersten, dem zweiten und dem dritten Sensormittel und der Abgaswolke angeordnet ist, so dass die Strahlung durch die Kalibrierzelle hindurchtritt, wobei die Kalibrierzelle ein Fach mit einem Volumen aufweist, das NO, Wasser und wenigstens ein Verbrennungsprodukt in einer vorbestimmten Konzentration enthält, wobei die Kalibrierzelle ferner ein Mittel umfasst, um das Volumen des Fachs kontrolliert zu verändern.
Verfahren zur Bestimmung der NO-Konzentration in einer Abgaswolke, das die Schritte umfasst: – Senden eines Lichtstrahls (20) durch eine Abgaswolke (14), wobei der Lichtstrahl Wellenlängen innerhalb eines vorbestimmten Bandes von Wellenlängen innerhalb des infraroten Spektrums aufweist; – Bestimmen eines gemessenen NO-Transmissionswertes für ein erstes vorbestimmtes Band von Wellenlängen; – Bestimmen eines gemessenen Wassertransmissionswertes für ein zweites vorbestimmtes Band von Wellenlängen; – Bestimmen eines gemessenen Referenz-Transmissionswertes für ein drittes vorbestimmtes Band von Wellenlängen, die so gewählt sind, dass sie von der Abgaswolke nicht wesentlich absorbiert werden; – Bestimmen eines gemessenen Transmissionswertes von Verbrennungsnebenprodukten für ein viertes vorbestimmtes Band von Wellenlängen; – Bestimmen eines effektiven NO-Transmissionswertes aus den gemessenen NO-Transmissionswerten, der skaliert wird durch (a) den gemessenen Wassertransmissionswert, (b) einen vorbestimmten Faktor, der eine Absorption durch Wasser innerhalb des ersten vorbestimmten Bandes von Wellenlängen kompensiert, und (c) den Referenz-Transmissionswert; – Umwandeln des effektiven NO-Transmissionswertes in eine relative NO-Konzentration unter Verwendung eines vorbestimmten Kalibrierungsfaktors; und – Umwandeln des relativen NO-Transmissionswertes in einen NO-Konzentrationswert unter Verwendung des gemessenen Transmissionswertes der Verbrennungsnebenprodukte.