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確保試驗結果準確性具有重要意義。本研究在不同海拔下分別利用不同濃度的標準氣體、氣體分割器等設備對市面上主流的便攜式排放測試分析儀進行線性化檢查，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。通過對數據的整理分析得出推薦線性系數，在進入其他不同海拔地區試驗時使用此線性系數可消除海拔對分析儀準確性的影響從而保證實際行駛排放試驗結果的準確性。該研究對整車企業及檢測機構確保不同海拔下實際行駛排放試驗結果準確性具有實際參考價值。

關鍵詞：海拔 線性化檢查 線性系數 實際行駛排放試驗

1 前言

我國現行排放標準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）》中均增加了整車實際道路排放測試試驗，要求對實際行駛過程中對的NOx和CO等污染物進行監測。其中環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行實際行駛排放試驗的需求。

實際行駛排放試驗需要用到便攜式排放測試分析儀（PEMS），法規中對PEMS設備進行了一系列的要求，其中包括至少每三個月檢查一次線性檢查（對分析儀系統進行維修后，或對分析儀所做的更改可能影響到校準時也應進行校驗）。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（加熱型化學發光檢測器）；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、環境溫度、載荷等條件對實際行駛污染物排放試驗結果的影響，但是并未提出這類條件對PEMS氣體分析儀的影響。先后有有高德成、董利昆、何南翎[6-8]等對汽車尾氣分析儀的日常檢查與線性調整方法原理、溯源等進行了研究，但未進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研究的空白。本文重點進行基于NDIR法和HCLD法的氣體分析儀不同海拔下的線性特性，以獲得線性系數來消除海拔對分析儀準確性的影響，從而提高實際道路排放測試試驗結果的準確性，詳見正文內容。其他原理氣體分析儀可參照此方法進行驗證從而消除海拔的影響。

2 測試設備及測試方法

2.1 物料

所需物料主要為各濃度標準氣體及氣體分割器（GDC）等，詳細信息如表1所示：

2.2 測試設備

2.2.1 HORIBA OBS-ONE型便攜式排放測試系統

該設備主要由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（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）組成。

2.2.2 AVL M.O.V.E型便攜式排放測試系統

該設備主要由Charger模塊（設備充電器）、Accus模塊（移動電源）、E-Box模塊（電源分配、擴充網口）、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）、System Control模塊（中央控制單元、接收外部信號（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分析儀對壓力變化較為敏感，隨海拔升高，讀數逐漸降低，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，響應時間變長，分析儀穩定性和準確性下降。針對高原，設備需要加大旁通流量，泵壓需在不同海拔下進行標定，流量計需在不同海拔下進行全量程標定。

2.4 PEMS設備不同海拔下線性檢查和使用方法及注意事項

2.4.1 標定流程

將系統調整到stand-by狀態。設置標氣濃度，點擊Gas模塊各分析單元右側向下小三角箭頭，點擊Span Gas，出現Component Span Gas對話窗，根據標氣濃度設置各組分濃度。將空氣和標氣氣瓶連接到Gas模塊，并打開氣瓶閥門，將壓力設置為100Kpa，單擊Gas操作界面下Cal進行設備標定，標定結束后，系統返回原始狀態，確認無報警。關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1-2小時的熱機，Stand by狀態下穩定后，在20℃、45%RH濕度左右環境下進行分析儀的線性檢查、響應時間檢查。在低溫環境下，需要給設備外殼包保溫棉為分析儀保溫。

當完成了各個海拔下線性檢查和調整后，需要進行線性度校驗和分析儀重復性和噪聲精度檢查，全部通過后再使用SPAN氣體標定數次，方可進行該海拔下的正式試驗。待設備轉到另一海拔時，需重新進行線性檢查或直接使用之前同海拔下的線性數據替代，完成后需要進行精度檢查和標定確認。

3 各海拔條件下分析單元線性檢查

3.1 法規要求

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）》中規定如下：

普通海拔條件：海拔高度不高于700m。

擴展海拔條件：海拔高度高于700m，不高于1300m。

進一步擴展的海拔條件：海拔高度高于或等于1300m，但不高于2400m。

試驗環境條件應該滿足上述規定，如果環境溫度和海拔高度條件中至少有一個被擴展，環境條件就成為“擴展環境條件”。

3.2 海拔點選擇及準備工作

選取以下幾個海拔點進行標定：平原、海拔1300m、海拔1900m、海拔2400m。

帶上標準氣體和GDC氣體分割器設備，到達目的地海拔城市后對PEMS設備進行組裝、連接、熱機并進行檢查確認。

3.3 AVL公司PEMS（M.O.V.E）設備線性檢查步驟

（1）開機熱機后，新建試驗，點擊mantance checks，點擊linearity checks。跳出3個線性檢查界面：GDC狀態界面、GDC和氣體設置界面、GDC信號和氣體參數界面；

（2）設置參數前需要點擊停止測試（目前軟件界面默認線性10個點，滿足法規要求）；

（3）如先做NO線性檢查，將NO標氣的濃度輸入到對應表中，將NO前的√點亮；

（4）選擇檢查程序，有5個步驟，選前三個；

（5）進入GDC stats界面GDC和開始的界面控制都在下方的11個深色控制條上；

（6）先點擊GAS divider control 中的gas divider reset/standby控制GDC進入Standby狀態，一般GDC會有動作響應（聲音變化）；

（7）點擊Purge all lines反吹GDC，此時GDC有一陣聲音響起，等待聲響結束；

（8）點擊gas pems gdcontrol中的avl gas pems standby，將GAS分析儀進入到Standby狀態；

（9）進行零氣和span氣的測試；

（10）標氣連接好后點擊GDC sequence control 中的GD sequence start 開始進行線性檢查；

（11）輸入檢查名稱等信息；

（12）開始后提示氣體的正確連接-點OK；

（13）提示GDC的正確連接--點OK；

（14）開始進行零點調整，自動進行SPAN點的調整，等待零點和SPAN點的穩定和讀數；

（15）開始進行正式線性檢查，從第一個點到第11個點，等待自動線性檢查，一般需要20分鐘左右。如其中一個點不合格，超過線性限值，會自動停止測試（也可以不勾選自動停止）；

（16）全部測試點完成后，系統自動保存數據。

4 線性化結果總結分析

外出時帶上標準氣體和GDC氣體分割器設備，到達目的地海拔城市后對PEMS設備進行組裝、連接、熱機、標定、線性化和線性度檢查調整、線性化參數調整后的標定檢查確認。下圖為CO分析儀在平原和1900m海拔下的線性系數和曲線差異圖片。

通過上述對比分析，總結線性系數如下表所示：

其他分析儀及海拔點的對比圖片不再進行說明，可類似總結。

5 結論

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，受氣壓影響小；

海拔差在600m內時對分析儀影響也小；

在以后進行其他不同海拔試驗時只需使用第3條中線性系數更新替代就可消除海拔對分析儀的準確性影響。

通過上述論點，從降低海拔對分析儀準確性的影響出發，為整車企業在不同海拔進行RDE/PEMS試驗時結果準確性提供支撐。

參考文獻：

[1]中華人民共和國環境保護部.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）[S].北京：中國環境出版社，2016.

[2]中華人民共和國生態環境部.GB 17691-2018， 重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S].

[3]鄧蛟，武鑫.環境溫度對輕型車實際道路排放試驗結果的影響[J].小型內燃機與車輛技術，2022，51（04）：56-59.

[4]唐為義，李樹宇，李權.不同海拔下輕型汽油車PN排放特性RDE測試研究[J].內燃機，2022，38（03）：11-15.

[5]宋東，鄭永明，劉爽，梁大平. 重型柴油車不同載荷下實際道路行駛排放特性[C]//.2020中國汽車工程學會年會論文集（3）.，2020：102.DOI：10.26914/c.cnkihy.2020.023444.

[6]高德成，吳九牛，何銀霞，宋雨謙.汽車尾氣分析儀的日常檢查與線性調整[J].中國計量，2022，No.317（04）：127-129.DOI：10.16569/j.cnki.cn11-3720/t.2022.04.028.

[7]董利昆，馮占闖，王剛.工況排放分析儀線性化校準方法及原理探討[J].汽車零部件，2017（01）：73-74.DOI：10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.01.019.

[8]何南翎.關于工況排放測試系統線性化校準與量值溯源[J].中國計量，2009，No.163（06）：80-81.DOI：10.16569/j.cnki.cn11-3720/t.2009.06.025.