CN101180527B - 大范围连续稀释器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大范围连续稀释器，该大范围连续稀释器用于稀释含有小颗粒的气体以允许其后用仪器对稀释气进行测量。稀释气入口接收稀释气，样品气入口接收样品气。流量表测量样品气流速。混合器接收并以一定的稀释比混合稀释气和样品气。仪器气流出口从混合气流提供进入仪器的精确定义的气流。补充气入口设置成以控制流速提供进入混合气流的补充气。因为稀释气以控制流速流动，且混合气也以控制流速流动，因此补充气的流速的改变会引起样品气流速的响应性变化，从而允许在需要时连续调节并控制稀释比。

Description

大范围连续稀释器 
技术领域
本发明涉及对含有小颗粒的发动机废气或其他气体的稀释。 
背景技术
相关技术说明 
为了表征发动机废气的颗粒物(PM)排放需要稀释发动机废气。因为发动机排放高浓度颗粒，必须以高稀释比(通常大于100∶1)稀释发动机废气，从而达到特定颗粒数仪器的可测量范围。发动机废气颗粒物数浓度可能在大范围内变化。这是由于发动机技术和操作条件的不同。为了满足这些要求并获得精确结果，必须具有大范围稀释能力。 
典型的传统局部流稀释器用质量流量控制器控制稀释气流和总混合气流。通过从总混合气流中减去稀释气流计算样品流。通过将总混合气流除以计算出的样品流计算稀释比。在低稀释条件下，该方法能提供精确的稀释比计算。 
随着稀释比的增加，计算出的稀释比的精确度会下降，这是由于总混合气流和稀释气流测量的不确定性的结果。这样将导致对所述排放的非精确表征。因此，采用典型的传统局部流稀释器的稀释系统的使用被限制在较低的稀释范围，诸如40∶1或更低。 
由于上述原因，需要有经改进的稀释器。 
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种具有大范围稀释能力的稀释含有小颗粒的发动机废气以及其他气体的精确方法。 
本发明的另一个目的在于提供一种在高稀释条件下保持精确性的稀释器。 
本发明设想一种经改进的局部流稀释器。本发明的大范围连续稀释器允许稀释比改变，在优选实施例中，从1∶1到超过1000∶1。稀释比可以在大范围内连续控制，控制的方法是改变混合后引入的小补充流的流速，这样将使样品流的流速发生改变。样品流被直接测量，并且因为是直接测量样品流，稀释器在整个操作范围内提供高度精确的稀释比。 
在实施本发明中提供一种大范围连续稀释器。该稀释器包括稀释气体入口，样品气入口和用于混合稀释气体和样品气的混合器。该稀释器进一步包括混合气出口，用于从混合器接收混合气流。总混合气流由例如临界测流孔或质量流量控制器控制。稀释气流由例如质量流量控制器控制。精确定义的气流(恒定或可变)从混合气流流向测量仪器。
在混合器之后，向总混合气流提供补充气体的气流。这样，通过改变补充气体的流速，样品流速也发生改变。该方法允许连续调节稀释比。稀释比可以在大范围内进行调节。样品流的测量用例如测流孔流量表进行。结果，计算出的稀释比在大稀释范围内都达到精确。 
如果针对具体应用，则反馈控制回路可以控制稀释比。举例来说，当系统要求恒定稀释比时，可以采用比例积分微分(PID)回路通过控制补充气流控制稀释比。 
此外，可以理解，在优选实施例中，由测流孔流量表测量样品流速。在该情形中，可以忽略在测流孔流量表中的颗粒损失。对跨测流孔流量表的压降的精确探测通过针对稀释比应用不同的测流孔流量表得到保证。最合适的流量表可以自动或人工选择。 
在本发明的另一个方面中，为了最小化高稀释比下的小颗粒损失，本发明包括使用在测流孔流量表上游的旁路流，以便减少气流在传输线中的停留时间。 
附图说明
图1是根据本发明的优选实施例制作的大范围连续稀释器；以及 
图2是说明本发明的优选实施例中的方法的方框图。 
具体实施方式
在图1中，优选实施例的大范围连续稀释器总体表示为10。稀释气入口12接收稀释气，样品气入口14接收样品气。混合器16连接至稀释气入口12和样品气入口14，用于接收并以一定的稀释比混合气体。稀释气的流速由质量流量控制器18控制。测流孔流量表20测量样品气流速。旁路流出口22设置在流量表20的上游，以减少样品气流通过传输线15的停留时间，该传输线将入口14连接至预期的采样源，例如发动机废气。 
混合器16具有出口30，所设置的仪器气流出口32提供进入仪器的精确定义的气流。混合气以由临界测流孔34和真空源36提供的控制的流速流动。临界测流孔34可以用质量流量控制器代替。补充气入口38提供补充气，补充气进入由质量流量控制器40控制的混合气流。 
继续参照图1，测流孔流量表20包括绝对压强变换器42，压强变换器44和多个不同尺寸的测流孔流量表。各个测流孔流量表包括阀50，热电偶52和测流孔54。当需要发动机颗粒物(PM)质量测量时，预加权过滤器60和保持器被安装在补充气的上游。 
在本实施例中，反馈控制回路通过改变补充气流控制稀释比，以使稀释比追踪期望值。更具体而言，在加法器66中比较反馈信号64和参考信号62以产生误差信号。PID控制器68基于该误差信号确定用于质量流量控制器40的命令信号。通过该方法，可以追踪恒定的稀释比或任何其他合适的参考信号。 
在操作中有六股气流。以下说明中的所有流速条件都相同，为标准条件或参考条件。Qby-pass是测流孔54上游的旁路流。旁路流的目的是为了最小化样品流在进入流量表20之前的停留时间。采样线中由扩散机制引起的小颗粒(小于20纳米)的颗粒损失被最小化。Qtotal 是系统中的总混合气流。Qtotal由临界测流孔34或质量流量控制器控制为常数。Qair是无颗粒的稀释气流，并且由质量流量控制器18控制为常数。Qs是样品流，并且由测流孔流量表20实时测量。Qmake-up是补充气流。补充气流可以调节，并且其流速由质量流量控制器40控制。在正常操作中，Qmake-up比Qair小得多，但在某些条件下Qmake-up可以大于Qair。Qinstrument是进入仪器或过滤器的气流，其被精确定义并且可以为常数或可变。 
样品流和稀释气体或稀释气在混合器16中混合。混合器16提供样品流和稀释气体的均匀混合。因为稀释气体和样品流的气流在混合器16的上游测量，所以该系统中可以使用任何种类的混合器。在一些应用中需要热稀释气体。可以安装加热系统加热用于这样的用途的稀释气体和混合器。 
稀释器中的气流可以定义为： 
Qtotal＝Qair+Qs+Qmake-up-Qinstrument    (1) 
在该所说明的优选实施例中，总气流和稀释气流在操作过程中保持为常数。 
通过调节补充气流Qmake-up，总气流Qtotal将保持恒定。结果，样品流Qs被改变。举例来说，当补充气流增加时样品流将减少以保持恒定的总气流；相反，当补充气流减少时样品流将增加以保持恒定的总气流。 
稀释比(DR)可以定义为： 
DR = Q air + Q s Q s = 1 + Q air Q s - - - ( 2 )
因为稀释气流不变，稀释比只是样品流的函数。当样品流随着补充流的增加而减少时稀释比增加。相反，当样品流随着补充流的减少而增加时稀释比减少。 
因为补充气体被连续调节，因此样品流连续改变。从而，稀释比被连续控制。不用稀释气流(Qair＝0)时可以实现1∶1的比例。 
样品流Qs由包括多个内部流量表的测流孔流量表20测量。各个内部流量表包括热电偶52，测流孔54和阀50。在操作中，所述阀受到控制以选择合适的内部流量表。当样品流Qs 改变时，跨测流孔54的压降也发生改变。该压降由压强变换器44测量。为了保持压强变换器44的精确压强测量，当系统在高稀释比下运行时(举例来说，大于100∶1并且以小样品流速)，将选择具有较小测流孔的内部流量表。测流孔选择处理被自动或人工控制。如图所示，测流孔流量表20包括一对内部流量表。 
通过测流孔的流速被标定为标准或参考条件下的测流孔上的压强差的函数。标定曲线由精确的流量表产生并表示为多项式方程。对于未具体标定的压强差，这些流速可以用所述方程计算。 
在操作期间，样品流的温度和压强可能并非处于标准或参考条件。绝对压强变换器42和热电偶52分别测量样品流的绝对压强和温度。于是样品流可以校准为标准或参考条件。在上述方程(方程2)中使用经校准的样品流以获取稀释比。 
继续参照图1，该系统配备提供稳定稀释比的PID控制系统。如果在操作期间需要恒定稀释比，则将激活PID控制系统。PID控制器调节补充气体以达到恒定的样品流。结果就能获得恒定的稀释比。在图1中，测流孔流量表20提供反馈信号64，在加法器66中将该反馈信号64与参考信号62进行比较。结果的误差信号由PID控制器68处理，该PID控制器68确定用于质量流量控制器40的命令信号。 
在一些应用中，可能需要检查当样品流关闭时系统中是否存在颗粒。该测试被称为零检查。 
稀释器10提供进行零检查的独特方式。通过调节补充气体使其达到足够大，可以使样品流在相反方向中流动以保持恒定的总气流。结果，没有样品流进入仪器。通过该方法，所述仪器可以检测出系统中是否存在泄漏或者稀释气体中是否存在颗粒。 
当在数量或尺寸测量的同时还需要发动机颗粒物(PM)质量测量时，预加权过滤器和保持器被安装在补充气体的上游，如图1在60处所示。流过过滤器60的气流Qfilter被表示为： 
Qfilter＝Qair+Qs-Qinstrument也可以不同时运行数量或尺寸测量单独获得该测量结果。 
在图2中说明了操作稀释器10的优选方法。在框70，补充气流被提供至总混合气流。 在框72，测量样品气流速以计算稀释比。在框74，通过控制补充气流以改变样品气流速来控制稀释比。 
虽然已对本发明的各个实施例进行了图示和说明，但并非意在用这些实施例图示和说明本发明的所有可能形式。更确切地，说明书中使用的词语是说明性的而非限制性的词语，并且能够理解，可以对本发明进行诸多改变而不背离本发明的精神和范围。 

Claims (17)

1.一种用于稀释含有小颗粒的气体以允许其后用仪器对稀释气进行测量的稀释器，其特征在于，该稀释器包括：
以控制流速接收稀释气的稀释气入口；
接收样品气的样品气入口；
测量样品气流速的流量表；
连接至所述稀释气入口和所述样品气入口，接收并以一定的稀释比混合稀释气和样品气的混合器，该混合器具有以控制流速提供混合气流的出口；
设置成从混合气流提供进入所述仪器的精确定义的气流的仪器气流出口；和
设置成以控制的流速提供进入混合气流的补充气的补充气入口；以及
通过改变补充气流速引起样品气流速的响应性变化，从而使稀释比可连续调节。
2.如权利要求1所述的稀释器，其特征在于，其中所述混合气流速由临界测流孔控制。
3.如权利要求1所述的稀释器，其特征在于，其中所述混合气流速由质量流量控制器控制。
4.如权利要求1所述的稀释器，其特征在于，其中所述稀释气流速由质量流量控制器控制。
5.如权利要求1所述的稀释器，其特征在于，其中用于测量所述样品气流速的流量表包括测流孔流量表。
6.如权利要求1所述的稀释器，其特征在于，其中用于测量所述样品气流速的流量表包括多个不同尺寸的测流孔流量表，以及其中应用于样品气流的测流孔流量表取决于稀释比。
7.如权利要求1所述的稀释器，其特征在于，该稀释器进一步包括：
用于通过改变补充气流控制稀释比以使稀释比追踪预期值的反馈控制回路。
8.如权利要求7所述的稀释器，其特征在于，其中所述反馈控制回路利用比例积分微分进行控制。
9.如权利要求7所述的稀释器，其特征在于，其中所述反馈控制回路设置为追踪恒定的稀释比。
10.如权利要求1所述的稀释器，其特征在于，其中进入仪器的气流为恒定的仪器气流。
11.如权利要求1所述的稀释器，其特征在于，其中进入仪器的气流是精确定义的可变的仪器气流。
12.如权利要求1所述的稀释器，其特征在于，该稀释器进一步包括：
在流量表上游的旁路流出口，用以减少样品流在样品气入口与采样源连接的传输线中的停留时间。
13.如权利要求1所述的稀释器，其特征在于，该稀释器进一步包括：
位于补充气入口上游的过滤器。
14.一种使用如权利要求1所述的稀释器的方法，其特征在于，该方法包括：
控制补充气流速从而引起从样品气入口向外的气流；和
从所述仪器获取测量结果。
15.一种使用如权利要求1所述的稀释器的方法，其特征在于，该方法包括：
调节补充气流速以引起样品气流速的响应性改变。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，其中对补充气流速进行调节以使稀释比追踪预期值。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，其中所述预期值为恒定的稀释比。
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