CN101266156A - 汽车简易瞬态工况法排放检测用便携式气体流量分析仪 - Google Patents

汽车简易瞬态工况法排放检测用便携式气体流量分析仪 Download PDF

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李阳
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Abstract

一种汽车简易瞬态工况法排放检测用便携式气体流量分析仪,包括有取样管和信号采集和处理系统,从取样管进气口到出气口依次设置有:氧浓度传感器、压力取样孔、由三角柱涡街发生体和压电式涡街频率检测探头构成的气体涡街流量传感器,以及温度传感器,各传感器分别通过信号采集和处理系统与主控计算机相连接。信号采集和处理系统包括有:分别对应与氧浓度传感器、气体涡街流量传感器、压力传感器以及温度传感器相连并接收其信号的氧浓度测量电路、流量测量电路、压力测量电路及温度测量电路;与各测量电路的输出相连的单片机信号处理系统。本发明结构紧凑,成本低,可以准确地进行涡街频率检测,可以方便的与主控计算机进行数据交换,便于进行二次开发。

Description

汽车简易瞬态工况法排放检测用便携式气体流量分析仪技术领域本发明涉及一种气体流量分析仪。特别是涉及一种结构紧凑,测量精度高可以方便 的与主控计算机进行数据交换,可以进行二次开发的汽车简易瞬态工况法排放检测用便 携式气体流量分析仪。背景技术随着我国汽车保有量的迅速增长,机动车造成的空气污染不断加重,在大城市中尤 为突出,已经引起了社会公众的广泛关注。我国对在用汽车中汽油车的尾气检测常用的 检测方法为怠速法(或双怠速法),属于无负载检测法,测试价格便宜,试验方法简单 快捷,这种方法已使用了20多年,己经难以跟上国内一些大城市环保加严的需要,国外 更先进的"简易工况检测法"强烈地吸引着我们。国外简易工况法主要有:汽油车瞬态加载法(IM240),汽油车稳态加载加速模拟法 (ASM),汽油车瞬态加载法(VMAS),柴油车加载减速法(LUGDO丽)。我国的国家标准《GB-18285-2005点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方 法(双怠速法及简易工况法)》中规定了在用车排放四种检测方法: 、1. 双怠速法 低怠速、高怠速(2500r/min, 1800 r/min)2. 稳态工况法(ASM法)ASM5025、 ASM25403. 简易瞬态工况法(VMAS法,IG法)4. 瞬态工况法(IM195法)其中VMAS检测方法设备成本适中,测量较准确,与新车认证检测结果有关联性, 可以检测NOx,检测结果可用g/km表示,有利于统计和估计排放总量。因而在国外具有 .很好的应用背景,而在我国的应用也正在起步和推广。VMAS测量系统的原理如图1所示。 目前,国内各大汽车生产企业和机动车检测机构,在采用简易瞬态工况法VMAS方法 进行排放污染物测量过程中,均采用美国sensors公司生产的气体流量分析仪,该仪器 存在以下主要缺点:1、 气体流经的管道机械强度不够,存在畸变,即管道横截面不是圆形,而是椭圆形, 半径变化达到0.5mm;并且机械结构复杂,采用异形铝材拉拔而成,不便于加工制作,特 别是在我国国内加工难度很大。2、 部分元器件及传感器测头在国内购买不到,电路设计过于复杂,维护修理十分不便。3、 通讯协议不开放,进行二次开发比较困难。4、 价格比较昂贵。发明内容本发明所要解决的技术问题是,提供一种采用气体涡街流量传感器、气体压力传感 器、氧气浓度传感器、铂电阻温度传感器四种传感器进行信号检测,单片机进行信号处 理,由异步串行通讯口与主控计算机进行数据交换,完成汽车尾气排放中的实时气体体 积流量Q、温度T、压力P、氧气浓度c四个参数的检测的汽车简易瞬态工况法排放检测 用便携式气体流量分析仪。本发明所采用的技术方案是: 一种汽车简易瞬态工况法排放检测用便携式气体流量分析仪,包括有取样管和信号采集和处理系统,其中,在取样管上从进气口到出气口依次设置有:氧浓度传感器、压力取样孔、气体涡街^量传感器,以及温度传感器,所述的氧浓度传感器、压力取样孔、气体涡街流量传感rf以及温度传感器分别通过信号采集和处理系统与主控计算机相连接。所述的氧浓度传感器在取样管上的设置是:在取样管的管壁上开孔,所述的氧浓度传感器嵌入在其孔内,并与取样管的轴向垂直,所述的压力取样孔是在取样管的管壁上开有的用于压力传感器取样的通孔。 所述的气体涡街流量传感器包括有三角柱涡街发生体和压电式涡街频率检测探头。 所述的三角柱涡街发生体采用三角柱结构,嵌入在取样管的管内,具体是三角柱涡街发生体以与取样管的轴线垂直的方向嵌入取样管内,其三角柱的宽边为上游端,窄边为下、游端。所述的压电式涡街频率检测探头在取样管上的设置是:在取样管的管壁上开孔,所 述的压电式涡街频率检测探头插入其孔内并与取样管的轴向垂直,与三角柱涡街发生体 平行,且保持规定的距离。所述的温度传感器在取样管上的设置是:在取样管的管壁上开孔,所述的温度传感 器插入其孔内,探入取样管内,并与取样管的轴向垂直。所述的信号采集和处理系统包括有:分别对应与氧浓度传感器、气体涡街流量传感 器、压力传感器以及温度传感器相连并接收其信号的氧浓度测量电路、流量测量电路、 压力测量电路及温度测量电路;与氧浓度测量电路、流量测量电路、压力测量电路及温 度测量电路的输出相连的单片机信号处理系统。所述的单片机信号处理系统通过串行接口将处理结果传给主控制计算机。 本发明汽车简易瞬态工况法排放检测用便携式气体流量分析仪的优点是:1、 采用高精度的气体涡街传感器,三角柱式涡街发生体能够产生足够强的涡街,压 电式涡街频率检测方法,可以准确地进行涡街频率检测,气体体积流量的测量精度达1%;2、 将三角柱式涡街发生体和压电式涡街检测探头直接安装在便携式气体流量分析仪 的取样管上,结构更加紧凑;3、 PtlOO铂电阻安装在涡街发生体和检测探头的下游,Ptl00铂电阻直径很小,插入深度小,且与涡街发生体和检测探头保持足够的距离;压力检测用的气体取样管和氧浓 度传感器安装在气体管道壁上,但不探入管道,这种结构避免了对涡街信号的影响;4、 机械结构合理、美观,成本仅为进口同类设备的l/3;5、 具有通用的串口协议,可以方便的与主控计算机进行数据交换,便于进行二次开发。附图说明图1是现有技术的VMAS测量系统的原理示意图; 图2是本发明的整体结构示意图; 图3是图2的A-A断面示意图;图4是图2中三角柱式涡街发生体的结构示意图; 图5是本发明的整体电路框图; .图6是压力测量电路原理图; -图7是氧浓度测量电路原理图; 图8是温度测量电路原理图;图9流量测量电路原理图。 其中:1:氧浓度传感器 2:压力取样孔3:三角柱涡街发生体 4:压电式涡街频率检测探头5:温度传感器 6:取样管7:气体涡街流量传感器 8:压力传感器9:氧浓度测量电路 10:流量测量电路11:压力测量电路 12:温度测量电路13:单片机信号处理系统 14:主控制计算机具体实施方式下面结合实施例和附图对本发明的汽车简易瞬态工况法排放检测用便携式气体流量 分析仪做出详细说明。如图2、图3所示,本发明的汽车简易瞬态工况法排放检测用便携式气体流量分析仪, 包括有取样管6、信号采集和处理系统,其中,在取样管6上从进气口到出气口依次设置 有:氧浓度传感器l、压力取样孔2、气体涡街流量传感器7以及温度传感器5,所述的 氧浓度传感器1、压力取样孔2、气体涡街流量传感器7以及温度传感器5分别通过信号 采集和处理系统与主控计算机14相连接。所述的氧浓度传感器1在取样管6上的设置是:在取样管6的管壁上开孔,所述的 氧浓度传感器1嵌入在其孔内,但不探入取样管内,并与取样管6的轴向垂直,并与涡街发生体3保持足够的距离。氧浓度传感器1采用A-02/T型氧气浓度传感器,将氧气浓 度转化为与之成正比的电压信号,其输出电压7mv〜13.5mv对应氧气浓度为0〜100%, 通过氧气浓度测量电路进行信号放大,并进行零点调节和增益调节,使其电路输出电压 0〜2. 43V,对应的氧气浓度为0〜22. 5%。所述的压力取样孔2是在取样管6的管壁上开有的用于压力传感器8取样的通孔。压力 传感器8采用MPXA6115A系列片上集成式硅压力传感器,该压力传感器8采用先进的微机械 加工技术,由双极放大电路和薄膜电阻网络产生电压信号,经半导体进行信号处理后输 出正比于输入气体绝对压力的电压信号,并且具有温度补偿功能。输入气体绝对压力 15kPa〜115kPa范围变化时,输出电压信号与输入气体压力具有非常好的线性关系,其最 大压力绝对误差不大于l. 5kPa。通过测量电路进行信号放大,经过零点调节和增益调节, 使其电路输出电压0〜2. 43V,对应绝对压力70kPa〜120kPa。所述的气体涡街流量传感器7包括有三角柱涡街发生体3和压电式涡街频率检测探 头4。如图4所示,所述的三角柱涡街发生体3采用三角柱结构,嵌入在取样管6的管道 内,具体是三角柱涡街发生体3以与取样管6的轴线垂直的方向嵌入取样管6内,其三 角柱的宽边a为上游进气口端,窄边b为下游出气口端,所述的三角柱涡街发生体3垂 直取样管6的轴线。三角柱涡街发生体产生的涡街信号强,涡街频率与流量的线性关系 好。所述的压电式涡街频率检测探头4在取样管6上的设置是:在取样管6的管壁上开 孑L,所述的压电式涡街频率检测探头4插入其孔内并与取样管6的轴向垂直,与三角柱 涡街发生体3平行。当气体流经管道时,三角柱涡街发生体3产生的涡街周期性的对压电式涡街频率检 测探头4的压电陶瓷产生作用力,使之产生周期性变化的电荷,通过电荷放大电路转化 成相应的电压脉冲,由于涡街的频率与气体流速成正比,所以电路的输出电压脉冲的频 率与气体体积流量成正比,通过测量电路的输出电压脉冲的频率(周期)来测量气体体 积流量,经标定此种传感器的测量精度达1%。所述的温度传感器5在取样管6上的设置是:在取样管6的管壁上开孔,所述的温 度传感器5插入其孔内并与取样管6的轴向垂直,并与压电式涡街频率检测探头4保持 足够的距离。温度传感器5采用PtlOO铂电阻作为温度传感器,温度的变化使PtlOO的 电阻值变化,通过平衡电桥将PtlOO电阻的变化转化成电压的变化,并采用三线制以消 除导线阻值带来的影响。通过测量电路进行信号放大,并进行零点调节和增益调节,使 其电路输出电压0〜2.43V,对应温度为5°C〜150°C。如图5所示,所述的信号采集和处理系统包括有:分别对应与氧浓度传感器l、气体 涡街流量传感器7、压力传感器8以及温度传感器5相连并接收其信号的氧浓度测量电路 9、流量测量电路IO、压力测量电路11及温度测量电路12;与氧浓度测量电路9、流量测量电路10、压力测量电路11及温度测量电路12的输出相连的单片机信号处理系统13。 单片机信号处理系统13通过串行接口将处理结果传给主控制计算机14。单片机信号处理系统13采用单片机C8051F021作数据处理系统的核心,对温度传感 器5、压力传感器8、氧浓度传感器l的测量电压信号进行A/D转换,对涡街流量传感器 7输出的脉冲进行周期测量,并通过适当的运算,计算出相应的温度、压力、流量、氧气 浓度,将计算结果通过串口传递给主控计算机14,采用VB编制了主控计算机14与气体 流量分析仪的通讯程序和人机界面,在主控计算机上可以实现四种传感器在某一特点测 量范围的精确标定,四种测量数据的实时显示、数据存储等。压力测量电路11如图6所示,其中,作为压力传感器8的芯片MPXA6115A设置在压 力测量电路的输入端,压力测量电路的输出端与构成单片机信号处理系统13的单片机 C8051F021信号输入端的脚AINO. 1相连。流量测量电路10如图9所示,其中,流量测量电路的两个输入端分别与构成气体涡 街流量传感器7的压电式涡街频率检测探头4的两个接线端子相连,流量测量电路的输 •出端与构成单片机信号处理系统13的单片机C8051F021信号输入端的脚PO. 2相连。温度测量电路12如图8所述,其中,作为温度传感器5的电阻Ptl00设置在温度测 量电路的输入端,温度测量电路12的输出端与构成微处理器13的单片机C8051F021信 号输入端的脚AINO.O相连。 .氧浓度测量电路9如图7所示,其中,氧气浓度测量电路的输入端与A-02/T型氧浓 度传感器1的信号输出端相连,A-02/T型氧浓度传感器1的接地端与氧浓度测量电路9 的地相接,氧浓度测量电路9的输出端与构成单片机信号处理系统13的单片机C8051F021 信号输入端的脚AIN0.2相连。本发明的汽车简易瞬态工况法排放检测用便携式气体流量分析仪,能够很好的与底 '盘测功机、气体浓度分析仪、主控计算机协调地工作,完成在用汽车(汽油车)的瞬态 简易工况法排气污染物总量的测量,满足国家标准GB-18285-2005对测试设备的要求, 具有广阔的应用前景。

Claims (9)

1.一种汽车简易瞬态工况法排放检测用便携式气体流量分析仪,其特征在于,包括有取样管(6)和信号采集和处理系统,其中,在取样管(6)上从进气口到出气口依次设置有:氧浓度传感器(1)、压力取样孔(2)、气体涡街流量传感器(7),以及温度传感器(5),所述的氧浓度传感器(1)、压力取样孔(2)、气体涡街流量传感器(7)以及温度传感器(5)分别通过信号采集和处理系统与主控计算机(14)相连接。
2. 根据权利要求1所述的汽车简易瞬态工况法排放检测用便携式气体流量分析仪, 其特征在于,所述的氧浓度传感器(1)在取样管(6)上的设置是:在取样管(6)的管 壁上开孔,所述的氧浓度传感器(1)嵌入在其孔内,并与取样管(6)的轴向垂直,
3. 根据权利要求1所述的汽车简易瞬态工况法排放检测用便携式气体流量分析仪, 其特征在于,所述的压力取样孔(2)是在取样管(6)的管壁上开有的用于压力传感器(8)取样的通孔。
4. 根据权利要求1所述的汽车简易瞬态工况法排放检测用便携式气体流量分析仪, 其特征在于,所述的气体涡街流量传感器(7)包括有三角柱涡街发生体(3)和压电式涡 街频率检测探头(4)。
5. 根据权利要求4所述的汽车简易瞬态工况法排放检测用便携式气体流量分析仪, 其特征在于,所述的三角柱涡街发生体(3)采用三角柱结构,嵌入在取样管(6)的管内, 具体是三角柱涡街发生体(3)以与取样管(6)的轴线垂直的方向嵌入取样管(6)内, 其三角柱的宽边(a)为上游端,窄边(b)为下游端。
6. 根据权利要求4所述的汽车简易瞬态工况法排放检测用便携式气体流量分析仪, 其特征在于,所述的压电式涡街频率检测探头(4)在取样管(6)上的设置是:在取样 管(6)的管壁上开孔,所述的压电式涡街频率检测探头(4)插入其孔内并与取样管(6) 的轴向垂直,与三角柱涡街发生体(3)平行,且保持规定的距离。
7. 根据权利要求1所述的汽车简易瞬态工况法排放检测用便携式气体流量分析仪, 其特征在于,所述的温度传感器(5)在取样管(6)上的设置是:在取样管(6)的管壁 上开孔,所述的温度传感器(5)插入其孔内,探入取样管内,并与取样管(6)的轴向 垂直。
8. 根据权利要求1所述的汽车简易瞬态工况法排放检测用便携式气体流量分析仪, 其特征在于,所述的信号采集和处理系统包括有:分别对应与氧浓度传感器(1)、气体 涡街流量传感器(7)、压力传感器(8)以及温度传感器(5)相连并接收其信号的氧浓 度测量电路(9)、流量测量电路(10)、压力测量电路(11)及温度测量电路(12); 与氧浓度测量电路(9)、流量测量电路(10)、压力测量电路(11)及温度测量电路(12) 的输出相连的单片机信号处理系统(13)。
9. 根据权利要求8所述的汽车简易瞬态工况法排放检测用便携式气体流量分析仪, 其特征在于,所述的单片机信号处理系统(13)通过串行接口将处理结果传给主控制计 算机(14)。
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