用氣體流量分析儀測量汽車排放

　　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)計排放總質(zhì)量，監(jiān)控車輛的真實排放情況，設(shè)備成本不高，測量比較準確，與新車認證檢測結(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，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(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口的，尤其以美國sensors公司的產(chǎn)品最多，該產(chǎn)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(shè)備成本、促進產(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(jīng)過收集裝置，由周圍空氣進行稀釋后在風(fēng)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(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計

　　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(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，出現(xiàn)附面層分離，在擾流柱的左右兩側(cè)后方會交替產(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(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)以標定實驗的結(jié)果為準。

　　4、流量分析儀的電路設(shè)計

　　流量分析儀的電路設(shè)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(shè)計，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，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(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 渦街流量計電路原理框圖

　　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，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，輸出模擬電壓信號7 ~ 13.5 mV，響應(yīng)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(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%。