非道路移動(dòng)機(jī)械透射式煙度計(jì)研究與實(shí)現(xiàn)

摘要：透射式煙度計(jì)因使用安全和高效，以及測(cè)量非道路移動(dòng)機(jī)械顆粒排放準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。但非道路移動(dòng)機(jī)械工作地點(diǎn)和環(huán)境特殊，因此，透光式煙度計(jì)的設(shè)計(jì)要求非常苛刻。通過(guò)分析非道路移動(dòng)機(jī)械的工作機(jī)理，使用最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法來(lái)研發(fā)透射式煙度計(jì)，從而使測(cè)量結(jié)果取得較好的精確度。

作者簡(jiǎn)介：劉松良（1978—），男，電子高級(jí)工程師，研究方向：電子技術(shù)。

0   引言

非道路移動(dòng)機(jī)械是社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的重要裝備，廣泛應(yīng)用在礦山開采、路橋建設(shè)和城市建筑中，如瀝青攤鋪機(jī)械、挖掘機(jī)械、鏟土運(yùn)輸機(jī)械、起重機(jī)械、叉車、壓實(shí)機(jī)械、路面施工與養(yǎng)護(hù)機(jī)械、混凝土機(jī)械、掘進(jìn)機(jī)械、樁工機(jī)械、高空作業(yè)機(jī)械、鑿巖機(jī)械等。近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，非道路移動(dòng)機(jī)械總量猛增，加上非道路移動(dòng)機(jī)械以柴油機(jī)為動(dòng)力、工況復(fù)雜且排放控制技術(shù)水平較差，尾氣排放比道路車輛高許多。非道路移動(dòng)機(jī)械排出的顆粒物大且含有多種有毒物質(zhì)，已成為大氣污染環(huán)境、危害人民身體健康的主要來(lái)源之一。2020 年，我國(guó)對(duì)新生產(chǎn)非道路移動(dòng)機(jī)械實(shí)施國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)；有鑒于此，本文主要采用最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法來(lái)研發(fā)透射式煙度計(jì)，用于非道路移動(dòng)機(jī)械顆粒排放的檢測(cè)，并以此來(lái)衡量非道路移動(dòng)機(jī)械的顆粒排放水平。透射式煙度計(jì)具有操作簡(jiǎn)便、響應(yīng)速度快、適應(yīng)性好、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

1   非道路移動(dòng)機(jī)械煙度檢測(cè)原理和方法

由于非道路移動(dòng)機(jī)械的特殊性，自由加速工況排氣煙度測(cè)試更適合非道路移動(dòng)機(jī)械的煙度測(cè)量。自由加速煙度測(cè)試要求在很短的時(shí)間內(nèi)迅速使柴油機(jī)的噴油量達(dá)到最大（油門踏板1 s 踩到底），使柴油機(jī)急劇加速至最高額定轉(zhuǎn)速并保持最高轉(zhuǎn)速3 s，然后立即松開油門踏板，使柴油機(jī)恢復(fù)至怠速狀態(tài)。在自由加速工況下，油量劇烈變化，系統(tǒng)控制進(jìn)排氣的響應(yīng)時(shí)間最少，即工況最惡劣。所以，自由加速煙度測(cè)量的煙度值是非道路移動(dòng)機(jī)械在實(shí)際使用過(guò)程中排出的最大煙度。使用自由加速煙度測(cè)量的方法可有效評(píng)價(jià)非道路移動(dòng)機(jī)械的碳煙甚至顆粒污染物排放。

圖2 軟件控制結(jié)構(gòu)圖

2    非道路移動(dòng)機(jī)械透射式煙度計(jì)設(shè)計(jì)

整個(gè)設(shè)備包括上位機(jī)和下位機(jī)。下位機(jī)主要是對(duì)機(jī)動(dòng)車排放的煙氣進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，動(dòng)態(tài)反映排氣污染物的變化，并且把測(cè)量結(jié)果傳給顯示部分進(jìn)行人機(jī)交互。下位機(jī)設(shè)計(jì)主要分五大模塊：CPU 主從控制模塊、通信模塊、電池供電模塊、溫度測(cè)量控制模塊、煙氣透過(guò)率測(cè)量模塊。上位機(jī)設(shè)計(jì)主要是人機(jī)界面、測(cè)量數(shù)據(jù)串口輸出和打印等。根據(jù)非道路移動(dòng)機(jī)械的特殊工作機(jī)理，本文主要論述非道路移動(dòng)機(jī)械透射式煙度計(jì)的CPU 主從控制模塊、電池供電模塊、通信模塊的設(shè)計(jì)。

2.1 CPU主從控制模塊設(shè)計(jì)

如圖1 所示，主要解決上位機(jī)控制、下位機(jī)控制、上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信等。

2.2 電池供電模塊設(shè)計(jì)

非道路移動(dòng)機(jī)械工作地點(diǎn)一般無(wú)法提供市電供電電源，所有必須有獨(dú)立電源設(shè)計(jì)。本文選取的電源模塊為：多個(gè)新型磷酸鐵鋰動(dòng)力電池串聯(lián)，單個(gè)電池電壓為3.0 V，串聯(lián)15 個(gè)電池后電源電壓為45 V，可以滿足整個(gè)儀器野外供電。

2.3 通信模塊設(shè)計(jì)

為保持測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)有效，測(cè)量數(shù)據(jù)必須實(shí)時(shí)發(fā)送給相關(guān)監(jiān)控部門，所以通信采用無(wú)線WiFi 實(shí)時(shí)發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，安全可靠。

2.4 軟件設(shè)計(jì)采用最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

主要包括溫度測(cè)量控制模塊、煙氣透過(guò)率測(cè)量模塊、CPU 主從控制模塊、通信模塊、電池供電管理模塊等。

2.4.1 溫度測(cè)量控制模塊

主要功能是控制、測(cè)量氣室的溫度以及煙氣的溫度。儀器上電時(shí)溫度量控制模塊給氣室加熱，當(dāng)氣室溫度達(dá)到75 ℃時(shí)，煙度計(jì)的風(fēng)扇開始工作，同時(shí)氣室溫度保持在75 ℃。

2.4.2 煙氣透過(guò)率測(cè)量原理

控制電路給黃綠色LED 燈泡供電（10 Hz 方波），LED 發(fā)出光線經(jīng)過(guò)有煙氣的光通道后照射在光電池上，通過(guò)采集光電池上的電信號(hào)，測(cè)出煙氣透過(guò)率。

3   試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

研究對(duì)象為徐工RP903S 型瀝青攤鋪機(jī)，試驗(yàn)用的一臺(tái)RP903S 相關(guān)技術(shù)參數(shù)為：生產(chǎn)年份2019 年，額定功率164 kW，額定轉(zhuǎn)速(2 000 r/min)。

本文設(shè)計(jì)的透射式煙度計(jì)為：佛山翰創(chuàng)檢測(cè)儀器有限公司MKT601B 型。試驗(yàn)對(duì)比煙度測(cè)量設(shè)備使用日本HORIBA 公司生產(chǎn)的MEXA-600S 型便攜式不透光煙度計(jì)和另一款國(guó)產(chǎn)NHT-6P 型不透光煙度計(jì)。測(cè)量結(jié)果見表1。

4   結(jié)束語(yǔ)

1）本試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)佛山翰創(chuàng)MKT601B 型非道路移動(dòng)機(jī)械透射式煙度計(jì)的設(shè)計(jì)性能，主要是測(cè)量精確度。通過(guò)與日本HORIBA 公司生產(chǎn)的MEXA-600S型便攜式不透光煙度計(jì)和另一款國(guó)產(chǎn)NHT-6P 型不透光煙度計(jì)在同樣測(cè)試環(huán)境和測(cè)試條件下的對(duì)比，佛山翰創(chuàng)MKT601B 型透射式煙度計(jì)不僅達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，而且性能比其他不透光煙度計(jì)好。

2）佛山翰創(chuàng)MKT601B 型非道路移動(dòng)機(jī)械透射式煙度計(jì)打破國(guó)外壟斷，擁有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)和環(huán)保方面具有一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

3）佛山翰創(chuàng)MKT601B 型非道路移動(dòng)機(jī)械透射式煙度計(jì)在電池續(xù)航能力上還有待提升，目前電池支持6 h 續(xù)航。

參考文獻(xiàn)：

[1] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2010,JJG976-2010《透射式煙度計(jì)》檢定規(guī)程[S].

[2] 張蕊,張健.淺談柴油車尾氣排放控制技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J].科技信息，2013(22):330．

[3] 高占斌,張?zhí)煲?陳輝,等.柴油機(jī)煙度測(cè)量方法研究[J].集美大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版）,2006(3):235～238.

[4] 竇蒂,趙艷梅,樊海春,等.柴油車尾氣煙團(tuán)不透光煙度儀的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].綠色科技,2017(14):7-10.

[5] 王長(zhǎng)園,李勇,郭勇.非道路移動(dòng)機(jī)械加速煙度控制方法研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù),2018(2):75-78.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期）