基于NDIR法和HCLD法的气体分析仪不同海拔下的线性特性研究

刘爽　陈秋伶　唐兴贵

摘 要：研究气体分析仪在不同海拔下的线性特性对确保试验结果准确性具有重要意义。本研究在不同海拔下分别利用不同浓度的标准气体、气体分割器等设备对市面上主流的便携式排放测试分析仪进行线性化检查，得到基于NDIR法和HCLD法的气体分析仪在不同海拔下的线性特性。通过对数据的整理分析得出推荐线性系数，在进入其他不同海拔地区试验时使用此线性系数可消除海拔对分析仪准确性的影响从而保证实际行驶排放试验结果的准确性。该研究对整车企业及检测机构确保不同海拔下实际行驶排放试验结果准确性具有实际参考价值。

关键词：海拔 线性化检查 线性系数 实际行驶排放试验

1 前言

我国现行排放标准GB 18352.6—2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》、GB17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》中均增加了整车实际道路排放测试试验，要求對实际行驶过程中对的NOx和CO等污染物进行监测。其中环境条件里的海拔条件要求海拔高度不高于2400m[1-2]。上述要求则带来了在不同海拔条件下进行实际行驶排放试验的需求。

实际行驶排放试验需要用到便携式排放测试分析仪（PEMS），法规中对PEMS设备进行了一系列的要求，其中包括至少每三个月检查一次线性检查（对分析仪系统进行维修后，或对分析仪所做的更改可能影响到校准时也应进行校验）。目前市场上主流的PEMS气体分析仪主要为HORIBA和AVL两家公司的。日本HORIBA公司的PEMS（OBS-ONE）原理为如下：NO&NOx：HCLD（加热型化学发光检测器）；CO&CO2：NDIR（不分光红外）。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月先后有邓蛟、唐为义、李树宇、宋东[3-5]等分别提出海拔、环境温度、载荷等条件对实际行驶污染物排放试验结果的影响，但是并未提出这类条件对PEMS气体分析仪的影响。先后有有高德成、董利昆、何南翎[6-8]等对汽车尾气分析仪的日常检查与线性调整方法原理、溯源等进行了研究，但未进行不同海拔条件下气体分析仪线性化特性的研究。

综上，为了解决目前无相关研究的空白。本文重点进行基于NDIR法和HCLD法的气体分析仪不同海拔下的线性特性，以获得线性系数来消除海拔对分析仪准确性的影响，从而提高实际道路排放测试试验结果的准确性，详见正文内容。其他原理气体分析仪可参照此方法进行验证从而消除海拔的影响。

2 测试设备及测试方法

2.1 物料

所需物料主要为各浓度标准气体及气体分割器（GDC）等，详细信息如表1所示：

2.2 测试设备

2.2.1 HORIBA OBS-ONE型便携式排放测试系统

该设备主要由FA模块（测量THC浓度）、GA模块（测量CO、CO2、NOx浓度）、CC模块（中央控制单元，接收外部信号（GPS，气象站，OBD信息等）、PE模块（切换电源、用于市电和电瓶之间电源切换）及PN模块（测量颗粒数）组成。

2.2.2 AVL M.O.V.E型便携式排放测试系统

该设备主要由Charger模块（设备充电器）、Accus模块（移动电源）、E-Box模块（电源分配、扩充网口）、Gas PEMS iS/iS+模块（测量CO、CO2、NO、NO2、N2O浓度）、PN PEMS iS模块（测量颗粒数）、System Control模块（中央控制单元、接收外部信号（GPS、气象站、OBD信息等））及EFM模块（测量体积流量）组成。

2.3 测量原理介绍

HORIBA公司的PEMS（OBS-ONE）气体分析仪原理为：NO&NOx：HCLD；CO&CO2：NDIR。

AVL公司PEMS（M.O.V.E）分析仪原理为：NO&NO2：NDUV；CO&CO2：NDIR。

NDIR分析仪对压力变化较为敏感，随海拔升高，读数逐渐降低，由于受大气压影响，气压下降，泵效率降低（2400m，降低15%以上）、取样流量下降-分析仪可用分析气体量少于高压地区，响应时间变长，分析仪稳定性和准确性下降。针对高原，设备需要加大旁通流量，泵压需在不同海拔下进行标定，流量计需在不同海拔下进行全量程标定。

2.4 PEMS设备不同海拔下线性检查和使用方法及注意事项

2.4.1 标定流程

将系统调整到stand-by状态。设置标气浓度，点击Gas模块各分析单元右侧向下小三角箭头，点击Span Gas，出现Component Span Gas对话窗，根据标气浓度设置各组分浓度。将空气和标气气瓶连接到Gas模块，并打开气瓶阀门，将压力设置为100Kpa，单击Gas操作界面下Cal进行设备标定，标定结束后，系统返回原始状态，确认无报警。关闭气瓶阀门并断开气体管路连接。

便携式排放测试分析仪和GDC连接通讯后经1-2小时的热机，Stand by状态下稳定后，在20℃、45%RH湿度左右环境下进行分析仪的线性检查、响应时间检查。在低温环境下，需要给设备外壳包保温棉为分析仪保温。

当完成了各个海拔下线性检查和调整后，需要进行线性度校验和分析仪重复性和噪声精度检查，全部通过后再使用SPAN气体标定数次，方可进行该海拔下的正式试验。待设备转到另一海拔时，需重新进行线性检查或直接使用之前同海拔下的线性数据替代，完成后需要进行精度检查和标定确认。

3 各海拔条件下分析单元线性检查

3.1 法规要求

GB 18352.6—2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》中规定如下：

普通海拔条件：海拔高度不高于700m。

扩展海拔条件：海拔高度高于700m，不高于1300m。

进一步扩展的海拔条件：海拔高度高于或等于1300m，但不高于2400m。

试验环境条件应该满足上述规定，如果环境温度和海拔高度条件中至少有一个被扩展，环境条件就成为“扩展环境条件”。

3.2 海拔点选择及准备工作

选取以下几个海拔点进行标定：平原、海拔1300m、海拔1900m、海拔2400m。

带上标准气体和GDC气体分割器设备，到达目的地海拔城市后对PEMS设备进行组装、连接、热机并进行检查确认。

3.3 AVL公司PEMS（M.O.V.E）设备线性检查步骤

（1）开机热机后，新建试验，点击mantance checks，点击linearity checks。跳出3个线性检查界面：GDC状态界面、GDC和气体设置界面、GDC信号和气体参数界面；

（2）设置参数前需要点击停止测试（目前软件界面默认线性10个点，满足法规要求）；

（3）如先做NO线性检查，将NO标气的浓度输入到对应表中，将NO前的√点亮；

（4）选择检查程序，有5个步骤，选前三个；

（5）进入GDC stats界面GDC和开始的界面控制都在下方的11个深色控制条上；

（6）先点击GAS divider control 中的gas divider reset/standby控制GDC进入Standby状态，一般GDC会有动作响应（声音变化）；

（7）点击Purge all lines反吹GDC，此时GDC有一阵声音响起，等待声响结束；

（8）点击gas pems gdcontrol中的avl gas pems standby，将GAS分析仪进入到Standby状态；

（9）进行零气和span气的测试；

（10）标气连接好后点击GDC sequence control 中的GD sequence start 开始进行线性检查；

（11）输入检查名称等信息；

（12）开始后提示气体的正确连接-点OK；

（13）提示GDC的正确连接--点OK；

（14）开始进行零点调整，自动进行SPAN点的调整，等待零点和SPAN点的稳定和读数；

（15）开始进行正式线性检查，从第一个点到第11个点，等待自动线性检查，一般需要20分钟左右。如其中一个点不合格，超过线性限值，会自动停止测试（也可以不勾选自动停止）；

（16）全部测试点完成后，系统自动保存数据。

4 线性化结果总结分析

外出时带上标准气体和GDC气体分割器设备，到达目的地海拔城市后对PEMS设备进行组装、连接、热机、标定、线性化和线性度检查调整、线性化参数调整后的标定检查确认。下图为CO分析仪在平原和1900m海拔下的线性系数和曲线差异图片。

通过上述对比分析，总结线性系数如下表所示：

其他分析仪及海拔点的对比图片不再进行说明，可类似总结。

5 结论

平原和1900m海拔下CO/CO2的NDIR分析仪差异最大，表明其受大气压影响大，NO/NOX的HCLD分析仪变化小，受气压影响小；

海拔差在600m内时对分析仪影响也小；

在以后进行其他不同海拔试验时只需使用第3条中线性系数更新替代就可消除海拔对分析仪的准确性影响。

通过上述论点，从降低海拔对分析仪准确性的影响出发，为整车企业在不同海拔进行RDE/PEMS试验时结果准确性提供支撑。

参考文献：

[1]中华人民共和国环境保护部.GB 18352.6-2016， 轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].北京：中国环境出版社，2016.

[2]中华人民共和国生态环境部.GB 17691-2018， 重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].

[3]邓蛟，武鑫.环境温度对轻型车实际道路排放试验结果的影响[J].小型内燃机与车辆技术，2022，51（04）：56-59.

[4]唐为义，李树宇，李权.不同海拔下轻型汽油车PN排放特性RDE测试研究[J].内燃机，2022，38（03）：11-15.

[5]宋東，郑永明，刘爽，梁大平. 重型柴油车不同载荷下实际道路行驶排放特性[C]//.2020中国汽车工程学会年会论文集（3）.，2020：102.DOI：10.26914/c.cnkihy.2020.023444.

[6]高德成，吴九牛，何银霞，宋雨谦.汽车尾气分析仪的日常检查与线性调整[J].中国计量，2022，No.317（04）：127-129.DOI：10.16569/j.cnki.cn11-3720/t.2022.04.028.

[7]董利昆，冯占闯，王刚.工况排放分析仪线性化校准方法及原理探讨[J].汽车零部件，2017（01）：73-74.DOI：10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.01.019.

[8]何南翎.关于工况排放测试系统线性化校准与量值溯源[J].中国计量，2009，No.163（06）：80-81.DOI：10.16569/j.cnki.cn11-3720/t.2009.06.025.