汽車排放瞬態(tài)工況法測量用氣體流量分析儀
1、引言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/196685.htm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(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,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(jìn)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(hù)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(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
汽車在底盤測功機上按國標(biāo)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(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,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(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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)定實驗的結(jié)果為準(zhǔn)。
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
3.1 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(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(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(jìn)行信號放大,并進(jìn)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%。
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(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)行了多點標(biāo)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(jié)構(gòu)。實際測試該傳感器的測溫精度在(5~150)℃范圍內(nèi)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(nèi)部集成了雙極運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,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(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)過零點調(diào)節(jié)和增益調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)成0~2.40V的電壓信號,進(jìn)入單片機進(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,采用測量周期的方法,更方便、更準(zhǔn)確。選擇計數(shù)器TIME0用來計數(shù),進(jìn)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(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(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算。
5、實驗與結(jié)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(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(biāo)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(jìn)行了標(biāo)定實驗,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個標(biāo)定點,實驗數(shù)據(jù)見表1。
表1 流量標(biāo)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(biāo)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(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。
參考文獻(xiàn)
[1] 國家環(huán)境保護(hù)總局, 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) GB18285-2005,點燃式發(fā)動機汽車排氣污染物排放限值及測量方法(雙怠速法及簡易工況法)[M],中國環(huán)境出版社,2005
[2] 吳達(dá)科.智能渦街流量計的設(shè)計研究[D],重慶:西南農(nóng)業(yè)大學(xué),2003
[3] 賈云飛,張濤,邢娟,基于FLUENT 對渦街流量傳感器流場仿真及特性研究[J],系統(tǒng)仿真學(xué)報,19 (12),2007:2683-2689
[4] 王肖芬,徐科軍,陳智淵,基于DSP的低成本渦街流量計信號處理系統(tǒng)[J],儀器儀表學(xué)報,27(11),2006:1427-1432
[5] 王超,姜印平,張濤,高精度智能渦街流量變送器的研究[J],儀器儀表學(xué)報,21(4),2000:357-363
[6] 葛蘊珊,楊志強,張學(xué)敏等.在用汽油車瞬態(tài)工況排放測試方法研究[J].汽車工程,29(3),2007:212-215
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