1、引言
汽車污染是當前人們最為關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)計排放總質量，監(jiān)控車輛的真實排放情況，設備成本不高，測量比較準確，與新車認證檢測結果具有相關性，可以檢測NO相關因子等一系列優(yōu)點，成為人們研究的熱點。VMAS（Vehicle Mass Analysis System）檢測方法在美國和歐洲都有很好的應用基礎，而目前我國應用的VMAS測試系統(tǒng)的流量分析儀基本上都是進口的，尤其以美國sensors公司的產品最多，該產品不僅價格高，維護修理很不方便,而且不利于與底盤測功機、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，我們進行了流量分析儀的研究，旨在降低設備成本、促進產品的國產化。
2、流量分析儀工作原理
VMAS測試系統(tǒng)的結構如圖1所示。
圖1 VMAS測試系統(tǒng)組成
汽車在底盤測功機上按國標要求的特定工況行駛，底盤測功機模擬車輛在不同工況下的加速慣量和道路行駛的瞬態(tài)工況負荷，汽車原始排放尾氣一部分通過采樣探頭直接進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，其余全部尾氣經過收集裝置，由周圍空氣進行稀釋后在風機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算機，同時五氣分析儀的氣體濃度分析結果和底盤測功機的行駛速度和里程也送入主控計算機，計算機根據(jù)氣體濃度、體積、稀釋比、速度、時間計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計算得到。
（1）
3、流量分析儀的結構設計
通用的渦街流量儀表,因表體大、結構復雜，無法安裝在氣體流量分析儀上，為滿足使用要求,采用新的設計思路，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，設計成一體化的結構形式，因而結構更加緊湊。
流量分析儀的整體結構如圖2所示，取樣管總長為800mm，根據(jù)工作時氣體的流量范圍，確定流量分析儀的管道內直徑D為 100mm，各傳感器的安裝位置見圖中標注。
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構
選擇三角柱式渦街發(fā)生體，這種發(fā)生體產生的渦街信號強，因為漩渦在它的邊界層分離點是固定的，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系好。將三角柱垂直安裝在氣體管道中，氣體繞過擾流柱時，出現(xiàn)附面層分離，在擾流柱的左右兩側后方會交替產生旋渦，根據(jù)卡門渦街理論，渦街頻率與流速的關系為，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 三角柱的結構(單位:mm)
根據(jù)雷諾數(shù)計算公式，式中：ν-空氣的運動粘度，在標準壓力下20℃時，流量范圍140m3/h~930m3/h對應的雷諾數(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面積，最終的儀表系數(shù)應以標定實驗的結果為準。
4、流量分析儀的電路設計
流量分析儀的電路設計包括流量傳感器、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計，電路結構框圖如圖4所示。
圖4流量分析儀的電路框圖
3.1 流量傳感器
采用壓電式檢測漩渦的方式，當氣體流經管道時，三角柱產生的渦街周期性的對探頭的壓電陶瓷產生作用力，使之產生周期性變化的電荷，通過電荷放大電路，再經過逐級濾波、整形轉化成相應的方波電壓脈沖，頻率為44Hz至297Hz，幅值約為8.8V。該信號通過光電隔離，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，送入單片機進行周期測量。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構如圖5。
圖5 渦街流量計電路原理框圖
3.2 氧傳感器
采用A-02/T型氧濃度傳感器，該產品依據(jù)PTB 18.10設計，主要針對汽車尾氣測量。在干燥環(huán)境中，氧濃度在0~100%范圍內變化時，輸出模擬電壓信號7 ~ 13.5 mV，響應時間不超過5秒，線性誤差<0.5%，工作壓力范圍75~125kPa，有NTC溫度補償。通過測量電路進行信號放大，并進行零點調節(jié)和增益調節(jié)，使其電路輸出電壓0~2.40V，對應的氧氣濃度為 0~22.5%。
3.3 溫度傳感器
采用Pt100鉑電阻作為感溫元件，將它與金屬保護管、絕緣材料做成一體的鎧裝結構，以減小混合氣中的有害氣體和雜質影響鉑電阻的性能。為提高測溫精度，進行了多點標定，在軟件中采用分段線性化的方法。同時，為提高傳感器的抗干擾能力，采用三線制的電路結構。實際測試該傳感器的測溫精度在（5~150）℃范圍內優(yōu)于1.0℃。
3.4 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，該傳感器內部集成了雙極運算放大器電路和薄膜電阻網絡電路，內部結構見圖6。
圖6 MPXA6115A的內部結構
經測試，傳感器的輸出電壓信號與輸入氣體壓力具有非常好的線性關系，輸入氣體絕對壓力在15kPa~115kPa范圍內變化時，其最大相對誤差不大于1%。
3.5 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
采用C8051F021單片機作為數(shù)據(jù)處理核心，完成溫度、壓力、流量、氧濃度信號的采集與處理。C8051F021單片機內部集成了多通道12位逐次逼近型ADC轉換器，轉換速率達100kps，采用內部電壓基準發(fā)生器產生2.4V高精度基準電壓，溫度系數(shù)為15×10-6/℃。溫度、壓力、氧濃度傳感器的輸出，經過零點調節(jié)和增益調節(jié)，調節(jié)成0~2.40V的電壓信號，進入單片機進行AD轉換，AD轉換的精度為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，采用測量周期的方法，更方便、更準確。選擇計數(shù)器TIME0用來計數(shù)，進行周期測量。采用22.1184MHz主頻的十二分之一作為計數(shù)脈沖，16位的計數(shù)器，計數(shù)誤差為±1，周期測量的不確定度約為萬分之二。
單片機將三路AD轉換后的數(shù)據(jù)和周期測量值進行定標，轉換成相應的溫度、壓力、氧濃度和流量值，通過串口傳入主控計算機。在控計算機上采用VB語言編寫了計算機與單片機的通訊程序及人機界面程序，進行測量參數(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的控制程序進行數(shù)據(jù)交換，完成汽車最終排放量的計算。
5、實驗與結論
為了驗證流量分析儀的測量精度，將流量分析儀的流量、溫度、壓力、氧氣濃度四個傳感器分別進行標定，并進行綜合精度評定。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%，完全滿足國家標準對測試儀器的要求。
由于實驗項目較多，本文只給出了主要傳感器渦街流量傳感器的標定實驗方法及數(shù)據(jù)。
將氣體流量分析儀安裝在直徑為100mm的管道上進行了標定實驗，以LXH系列臨界流音速噴嘴氣體流量標準裝置作為流量標準，通過選擇12個音速噴嘴的不同組合來調整氣道中氣體的流量，在測量范圍140m3/h至930m3/h內，選取5個標定點，實驗數(shù)據(jù)見表1。
表1 流量標定實驗數(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定實驗，我們可以看出，流量測量的偏差不超過1%，與美國sensors公司生產的同類產品的5%相比，精度有較大提高，并且成本大大降低，適合在國內大規(guī)模推廣使用。
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