汽車排放瞬態(tài)工況法測量用氣體流量分析儀

1、引言

　　汽車污染是當(dāng)前人們最為關(guān)心和急需解決的重要課題之一。作為汽車排氣污染物的檢測的重要方法,簡易瞬態(tài)工況法（VMAS法，IG法）可以統(tǒng)計(jì)排放總質(zhì)量，監(jiān)控車輛的真實(shí)排放情況，設(shè)備成本不高，測量比較準(zhǔn)確，與新車認(rèn)證檢測結(jié)果具有相關(guān)性，可以檢測NO相關(guān)因子等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為人們研究的熱點(diǎn)。VMAS（Vehicle Mass Analysis System）檢測方法在美國和歐洲都有很好的應(yīng)用基礎(chǔ)，而目前我國應(yīng)用的VMAS測試系統(tǒng)的流量分析儀基本上都是進(jìn)口的，尤其以美國sensors公司的產(chǎn)品最多，該產(chǎn)品不僅價(jià)格高，維護(hù)修理很不方便,而且不利于與底盤測功機(jī)、氣體分析儀等組成完整的測試系統(tǒng)完成二次開發(fā)。為此，我們進(jìn)行了流量分析儀的研究，旨在降低設(shè)備成本、促進(jìn)產(chǎn)品的國產(chǎn)化。

　　2、流量分析儀工作原理

　　VMAS測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 VMAS測試系統(tǒng)組成

　　汽車在底盤測功機(jī)上按國標(biāo)要求的特定工況行駛，底盤測功機(jī)模擬車輛在不同工況下的加速慣量和道路行駛的瞬態(tài)工況負(fù)荷，汽車原始排放尾氣一部分通過采樣探頭直接進(jìn)入高精度五氣分析儀，分析尾氣排放中CO、CO2、HC、NOX、O2的濃度值。同時(shí)，其余全部尾氣經(jīng)過收集裝置，由周圍空氣進(jìn)行稀釋后在風(fēng)機(jī)的作用下送入流量分析儀測量稀釋氣的體積流量，并將體積流量測量值送入主控計(jì)算機(jī)，同時(shí)五氣分析儀的氣體濃度分析結(jié)果和底盤測功機(jī)的行駛速度和里程也送入主控計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)氣體濃度、體積、稀釋比、速度、時(shí)間計(jì)算出汽車尾氣中有害氣體CO、CO2、HC、NOX的總體排放量(g/km)。其中稀釋比Ｄil根據(jù)空氣中的氧濃度、混合氣的氧濃度以及汽車原始排放氣體中的氧濃度按式1計(jì)算得到。

（1）

3、流量分析儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　通用的渦街流量儀表,因表體大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法安裝在氣體流量分析儀上，為滿足使用要求,采用新的設(shè)計(jì)思路，將三角柱式渦街發(fā)生體和壓電式渦街檢測探頭直接安裝在氣體流量分析儀的取樣管上，設(shè)計(jì)成一體化的結(jié)構(gòu)形式，因而結(jié)構(gòu)更加緊湊。

　　流量分析儀的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，取樣管總長為800mm，根據(jù)工作時(shí)氣體的流量范圍，確定流量分析儀的管道內(nèi)直徑D為 100mm，各傳感器的安裝位置見圖中標(biāo)注。

1-氧濃度傳感器2-壓力取樣孔 3-三角柱渦街發(fā)生體
4-壓電式渦街檢測探頭 5-溫度傳感器
圖2 流量分析儀的整體結(jié)構(gòu)

　　選擇三角柱式渦街發(fā)生體，這種發(fā)生體產(chǎn)生的渦街信號(hào)強(qiáng)，因?yàn)殇鰷u在它的邊界層分離點(diǎn)是固定的，所以斯特羅哈爾數(shù)相對恒定，大約為S1=0.16，渦街頻率與流量的線性關(guān)系好。將三角柱垂直安裝在氣體管道中，氣體繞過擾流柱時(shí)，出現(xiàn)附面層分離，在擾流柱的左右兩側(cè)后方會(huì)交替產(chǎn)生旋渦，根據(jù)卡門渦街理論，渦街頻率與流速的關(guān)系為，其中：d-三角柱的底邊寬度，取為28mm；u-流體流速。根據(jù)D、d值，確定三角柱的參數(shù) L1，L2及θ值，如圖3。

圖3 三角柱的結(jié)構(gòu)(單位:mm)

根據(jù)雷諾數(shù)計(jì)算公式，式中：ν-空氣的運(yùn)動(dòng)粘度，在標(biāo)準(zhǔn)壓力下20℃時(shí)，流量范圍140m3/h~930m3/h對應(yīng)的雷諾數(shù)為3.3~21.9 ×104，滿足渦街測量的上下限要求，且具有理想的儀表系數(shù)。理論計(jì)算儀表系數(shù)K為：
（3)

S1、S2分別為管道的橫截面積和三角柱的迎風(fēng)面積，最終的儀表系數(shù)應(yīng)以標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為準(zhǔn)。

　　4、流量分析儀的電路設(shè)計(jì)

　　流量分析儀的電路設(shè)計(jì)包括流量傳感器、氧濃度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器四種傳感器的選型及測量電路設(shè)計(jì)，電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4流量分析儀的電路框圖

　　4.1 流量傳感器

　　采用壓電式檢測漩渦的方式，當(dāng)氣體流經(jīng)管道時(shí)，三角柱產(chǎn)生的渦街周期性的對探頭的壓電陶瓷產(chǎn)生作用力，使之產(chǎn)生周期性變化的電荷，通過電荷放大電路，再經(jīng)過逐級(jí)濾波、整形轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的方波電壓脈沖，頻率為44Hz至297Hz，幅值約為8.8V。該信號(hào)通過光電隔離，一方面可抑制來自測試現(xiàn)場的干擾，一方面將幅值將到5V以下，送入單片機(jī)進(jìn)行周期測量。由于渦街的頻率與氣體流量成正比，通過測量電壓脈沖的頻率（周期）來測量氣體體積流量。
渦街流量傳感器的電路結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 渦街流量計(jì)電路原理框圖

　　4.2 氧傳感器

　　采用A-02/T型氧濃度傳感器，該產(chǎn)品依據(jù)PTB 18.10設(shè)計(jì)，主要針對汽車尾氣測量。在干燥環(huán)境中，氧濃度在0~100%范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出模擬電壓信號(hào)7 ~ 13.5 mV，響應(yīng)時(shí)間不超過5秒，線性誤差<0.5%，工作壓力范圍75~125kPa，有NTC溫度補(bǔ)償。通過測量電路進(jìn)行信號(hào)放大，并進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)節(jié)和增益調(diào)節(jié)，使其電路輸出電壓0~2.40V，對應(yīng)的氧氣濃度為 0~22.5%。

　4.3 溫度傳感器

　　采用Pt100鉑電阻作為感溫元件，將它與金屬保護(hù)管、絕緣材料做成一體的鎧裝結(jié)構(gòu)，以減小混合氣中的有害氣體和雜質(zhì)影響鉑電阻的性能。為提高測溫精度，進(jìn)行了多點(diǎn)標(biāo)定，在軟件中采用分段線性化的方法。同時(shí)，為提高傳感器的抗干擾能力，采用三線制的電路結(jié)構(gòu)。實(shí)際測試該傳感器的測溫精度在（5~150）℃范圍內(nèi)優(yōu)于1.0℃。

　　4.4 壓力傳感器

　　壓力測量采用MPXA6115A系列片上集成式硅壓力傳感器，該傳感器內(nèi)部集成了雙極運(yùn)算放大器電路和薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)電路，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 MPXA6115A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　經(jīng)測試，傳感器的輸出電壓信號(hào)與輸入氣體壓力具有非常好的線性關(guān)系，輸入氣體絕對壓力在15kPa~115kPa范圍內(nèi)變化時(shí)，其最大相對誤差不大于1%。

　　4.5 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

　　采用C8051F021單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理核心，完成溫度、壓力、流量、氧濃度信號(hào)的采集與處理。C8051F021單片機(jī)內(nèi)部集成了多通道 12位逐次逼近型ADC轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率達(dá)100kps，采用內(nèi)部電壓基準(zhǔn)發(fā)生器產(chǎn)生2.4V高精度基準(zhǔn)電壓，溫度系數(shù)為15×10-6/℃。溫度、壓力、氧濃度傳感器的輸出，經(jīng)過零點(diǎn)調(diào)節(jié)和增益調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)成0~2.40V的電壓信號(hào)，進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換的精度為0.025%。

　　流量傳感器的輸出為44Hz至297Hz的方波電壓脈沖，對于這一頻率范圍的信號(hào)，采用測量周期的方法，更方便、更準(zhǔn)確。選擇計(jì)數(shù)器TIME0 用來計(jì)數(shù)，進(jìn)行周期測量。采用22.1184MHz主頻的十二分之一作為計(jì)數(shù)脈沖，16位的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)誤差為±1，周期測量的不確定度約為萬分之二。

　　單片機(jī)將三路AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)和周期測量值進(jìn)行定標(biāo)，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度、壓力、氧濃度和流量值，通過串口傳入主控計(jì)算機(jī)。在控計(jì)算機(jī)上采用VB 語言編寫了計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的通訊程序及人機(jī)界面程序，進(jìn)行測量參數(shù)的顯示和存盤，并留有接口，可與五氣分析儀及底盤測功機(jī)的控制程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成汽車最終排放量的計(jì)算

　　5、實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

　　為了驗(yàn)證流量分析儀的測量精度，將流量分析儀的流量、溫度、壓力、氧氣濃度四個(gè)傳感器分別進(jìn)行標(biāo)定，并進(jìn)行綜合精度評定。其中溫度測量精度±1℃，壓力測量精度優(yōu)于1%，氧濃度測量精度優(yōu)于0.5%，完全滿足國家標(biāo)準(zhǔn)對測試儀器的要求。

　　由于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較多，本文只給出了主要傳感器渦街流量傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)。

　　將氣體流量分析儀安裝在直徑為100mm的管道上進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，以LXH系列臨界流音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置作為流量標(biāo)準(zhǔn)，通過選擇12個(gè)音速噴嘴的不同組合來調(diào)整氣道中氣體的流量，在測量范圍140m3/h至930m3/h內(nèi)，選取5個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

1 流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1中看出，流量分析儀的平均儀表系統(tǒng)為1159.91，基本誤差為0.93%。通過對流量分析儀中的流量傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，我們可以看出，流量測量的偏差不超過1%，與美國sensors公司生產(chǎn)的同類產(chǎn)品的5%相比，精度有較大提高，并且成本大大降低，適合在國內(nèi)大規(guī)模推廣使用。