CN101661010B - 一种汽车尾气排放检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽车尾气排放检测装置和方法，该装置包括一个或多个气体传感器、数据采集装置、以及数据处理装置，该数据处理装置存储有针对待测气体组分的电压-浓度斜率，其中，所述电压-浓度斜率为一组或多组电压-浓度斜率，每组电压-浓度斜率中具有多个电压-浓度斜率，分别对应于一种待测气体组分的多个浓度区段所对应的多个电压区段；所述数据处理装置对于每种待测气体组分确定数据采集装置输出的数字电压所属的电压区段，并根据与所属的电压区段相对应的电压-浓度斜率计算出与所述数字电压相对应的该种待测气体组分的浓度。由于使用了与不同数字电压区段相对应的多个电压-浓度斜率计算浓度，从而提高了有害气体浓度的检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车尾气排放检测装置和方法。
背景技术
目前城市污染越来越严重，空气中含有大量的CO、HC(碳氢化合物)、NO、NO2等有害气体，这些有害气体在很大成分上源自汽车尾气排放，因此，治理尾气排放不合格的汽车是很重要的工作。需要采用专门的设备对汽车排放的尾气进行检测，得出汽车尾气中有害气体的浓度，再根据国家颁布的相关汽车尾气排放标准，判断被检测的汽车是否合格。
如图1所示，现有的汽车尾气排放检测装置通常包括依次相连的气体传感器10、数据采集装置20和数据处理装置30，所述传感器用于检测汽车尾气中有害气体的浓度，并将代表检测结果的模拟电压信号输入到数据采集装置20；数据采集装置20，用于将从所述气体传感器10接收的模拟电压信号转换为数字电压，并将数字电压输出到数据处理装置30；数据处理装置30中预先存储有电压-浓度斜率，该数据处理装置30根据所述数字电压和电压-浓度斜率计算与所述数字电压相对应的浓度。
然而，在现有技术中的汽车尾气排放检测装置中，在根据电压计算浓度时仅使用了一种电压-浓度斜率，即粗略地认为电压与浓度之间的关系完全遵循所述电压-浓度斜率所定义的线性关系。但实际上，浓度与电压的关系并非是线性的。因此，针对所有的电压，均采用固定的电压-浓度斜率计算浓度是不精确的。
发明内容
为了克服现有技术中的汽车尾气排放检测装置浓度检测结果不够精确的缺陷，本发明提供了一种能够精确检测有害气体浓度的汽车尾气排放检测装置。
本发明提供的汽车尾气排放检测装置包括：一个或多个气体传感器，用于感测汽车尾气中的一种或多种待测气体组分的浓度，获取代表感测结果的模拟电压信号，并将该模拟电压信号发送到数据采集装置；数据采集装置，用于将所述模拟电压信号转换为数字电压，并将数字电压输出到数据处理装置；以及数据处理装置，存储有针对待测气体组分的电压-浓度斜率，用于对于每种待测气体组分根据该种待测气体组分的电压-浓度斜率和所述数字电压计算与该数字电压相对应的该种待测气体组分的浓度，其中，所述电压-浓度斜率为一组或多组电压-浓度斜率，每组电压-浓度斜率中具有多个电压-浓度斜率，分别对应于一种待测气体组分的多个浓度区段所对应的多个电压区段；所述数据处理装置对于每种待测气体组分确定数据采集装置输出的数字电压所属的电压区段，并根据与所属的电压区段相对应的电压-浓度斜率计算出与所述数字电压相对应的该种待测气体组分的浓度。
相应地，本发明还提供一种汽车尾气排放检测方法，该方法包括以下步骤：A、感测汽车尾气中一种或者多种待测气体组分的浓度，得到代表检测结果的模拟电压信号；C、将步骤A得到的模拟电压信号转换为数字电压；以及D、对于每种待测气体组分根据该种待测气体组分的电压-浓度斜率和所述数字电压，计算与该数字电压相对应的该种待测气体组分的浓度；其中，所述步骤D中的电压-浓度斜率为一组或多组电压-浓度斜率，每组电压-浓度斜率中具有多个电压-浓度斜率，分别对应于一种待测气体组分的多个浓度区段所对应的多个电压区段；所述步骤D包括：对于每种待测气体组分确定步骤C得到的所述数字电压所属的电压区段，并根据与所属的电压区段相对应的电压-浓度斜率计算出与所述数字电压相对应的该种待测气体组分的浓度。
在本发明提供的多种汽车尾气排放检测装置和方法中，由于使用了与不同数字电压区段相对应的多个电压-浓度斜率计算浓度，相对于现有技术中使用单一的电压-浓度斜率来计算浓度来说，提高了有害气体浓度的检测精度。
附图说明
图1是现有的汽车尾气排放检测装置的结构图；
图2是根据本发明的一个实施方式的汽车尾气排放检测装置的结构图；
图3是本发明提供的信号调理电路的结构图；
图4是本发明提供的与不同数字电压区段相对应的多个电压-浓度斜率的示意图；
图5是本发明提供的汽车尾气排放检测方法的流程图。
具体实施方式
下面参考附图详细描述本发明。
如图1所示，本发明提供了一种汽车尾气排放检测装置，该装置包括：一个或多个气体传感器10，用于感测汽车尾气中的一种或多种待测气体组分的浓度，获取代表感测结果的模拟电压信号，并将该模拟电压信号发送到数据采集装置20；数据采集装置20，用于将所述模拟电压信号转换为数字电压，并将数字电压输出到数据处理装置30；以及数据处理装置30，存储有针对待测气体组分的电压-浓度斜率，用于对于每种待测气体组分根据该种待测气体组分的电压-浓度斜率和所述数字电压计算与该数字电压相对应的该种待测气体组分的浓度，其中，所述电压-浓度斜率为一组或多组电压-浓度斜率，每组电压-浓度斜率中具有多个电压-浓度斜率，分别对应于一种待测气体组分的多个浓度区段所对应的多个电压区段；所述数据处理装置30对于每种待测气体组分确定数据采集装置20输出的数字电压所属的电压区段，并根据与所属的电压区段相对应的电压-浓度斜率计算出与所述数字电压相对应的该种待测气体组分的浓度。
其中，所述气体传感器10可以为NO传感器、NO2传感器、HC传感器和CO传感器中的至少一种，例如，用于检测NO的传感器CF-100、用于检测NO2的传感器S-20等等。当然所述气体传感器10并不限于上述NO传感器、NO2传感器、HC传感器和CO传感器，而可以是能够检测各种待测气体组分的浓度的各种传感器。
其中，每种待测气体组分的浓度区段密度为10％浓度范围内浓度区段的个数为1-5个，所述浓度区段密度是指10％浓度范围所被划分成的浓度区段的个数。所述多个浓度区段为通过将浓度为零到该种待测气体组分最大可能浓度的范围均匀划分而形成的多个浓度区段，这种浓度区段的划分方式适用于那些待测气体组分的浓度在零到该种待测气体组分最大可能浓度的范围内均匀出现的情况，这样可以保证零到该种待测气体组分最大可能浓度的范围内的所用电压-浓度斜率均可以得到优化，使得在该浓度范围内出现的所有浓度均可被准确地检测。
当然所述浓度区段的划分方式还是可以是这样：所述多个浓度区段为通过将浓度为零到该种待测气体组分最大可能浓度的范围划分而形成的多个浓度区段；在所述浓度为零到该种待测气体组分最大可能浓度的范围内，对于待测气体组分浓度越有可能出现的浓度范围，该浓度范围的浓度区段密度越大。此种划分方式在气体组分浓度出现较为频繁的浓度范围进行了更细地划分，从而可以在使用少量气体进行标定的情况，有针对性地进行标定，使得该浓度范围的电压-浓度斜率更加能够准确地反映出电压与浓度之间的关系，使得气体组分浓度检测的结果更为精确。
在实际测量过程中，无用的噪声和干扰信号总是伴随着气体传感器10所输出的模拟电压信号而出现。在现有的某些汽车尾气排放检测装置中，在数据采集装置20对气体传感器10输出的模拟电压信号进行采集之前，通常会对模拟电压信号进行放大处理。然而仅进行放大处理并不能有效地改善数据采集装置20所采集的模拟电压信号的精度，因为在放大的过程中，模拟电压信号中的噪声和干扰信号也得到了放大，该噪声和干扰信号会影响到模拟电压信号的采集。因此，优选情况下，如图2所示，本发明的汽车尾气排放检测装置还包括信号调理模块40，该信号调理模块40连接在所述气体传感器10和数据采集装置20之间，用于减小从气体传感器10发送到数据采集装置20的模拟电压信号中的噪声和干扰。
其中，由于随着汽车尾气的排放，汽车尾气中所述待测气体组分的浓度一直处于变化的状态，所述气体传感器10输出的模拟电压信号是交流电压信号，如图3所示，所述信号调理模块40可以包括依次相连的交流放大器410、开关式乘法器420、低通滤波器430和直流放大器440，所述交流放大器410的输入端与气体传感器10的输出端相连，所述直流放大器410的输出端与数据采集装置20的输入端相连。所述交流放大器410用于对所述交流电压信号进行交流放大，将其放大到能够驱动开关式乘法器工作的水平，并将放大后的交流电压信号输出到开关式乘法器420；所述开关式乘法器420利用具有有效频率和相位的参考信号，将所述被放大的交流电压信号中具有所述有效频率和相位的交流电压信号调制为直流电压信号分量，而与参考信号频率不相同的交流电压信号被调整成交流电压信号分量，并将调制后的信号输出到低通滤波器430；所述低通滤波器430用于滤除所述交流电压信号分量，并将所述直流电压信号分量输出到所述直流放大器440；所述直流放大器440用于对所述直流电压信号分量进行直流放大，将其放大到数据处理装置可识别的水平，并将放大后的直流电压信号分量输出到数据采集装置20。在已知有效模拟电压信号的频率和相位(在此称为有效频率和相位)的情况下，通过使用具有上述电路结构的信号调理模块40可以很大程度上减少模拟电压信号中的噪声和干扰信号。其中，上述参考信号是占空比50％的方波参考信号，且具有有效模拟电压信号的频率和相位，该方波可以通过触发电路、相移电路、方波形成电路和驱动级等来获得。
优选情况下，所述数据采集装置20在固定周期内对模拟电压信号进行多次采样，然后计算该固定周期内的多个采样电压值的平均值，以求得数字电压。传统的模数转换方法是将在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号采样，然后再将这些采样值转换成输出的数字量；而本发明的数据采集装置20则是在多个选定的固定周期内进行多次采样，并将这些采样值的平均值转换成输出的数字量。通过本发明的此种方式来将模拟电压信号转化为数字电压，可以进一步地减小噪声对数字电压的影响，复现被噪声淹没的模拟电压信号的波形。所述数据采集装置可以为具有16位精度AD芯片的数据采集卡，这样可以转换出具有更高精度的数字电压。其中所述固定周期可以根据实际需要来进行设定，例如可以为5-10ms，而在该固定周期内的采样次数可以为10-16次。
其中，所述一组电压-浓度斜率通过利用具有不同浓度的所述待测气体组分的气体进行标定而得到，对于两个端点为A1、A2的浓度区段的电压-浓度斜率的标定过程如下：I、将含有所述待测气体组分的浓度分别为A1的气体作用于气体传感器10，记录此时数据采集装置20输出的数字电压U1；II、将含有所述待测气体组分的浓度分别为A2的气体作用于气体传感器10，记录此时数据采集装置20输出的数字电压U2；III、由此针对浓度区间A1-A2的电压-浓度斜率为
不同数字电压区段与其相对应的显示浓度的曲线的实例如图4所示，其中虚线部分为理想直线(即斜率是固定的)，实线部分为具有与不同数字电压区段相对应的多个电压-浓度斜率的实际曲线。而实际上，在使用本本发明提供的汽车尾气排放检测装置之前，需要使用某一待测气体组分浓度为0的气体对该汽车尾气排放检测装置进行零点标定，即确定在施加待测气体组分浓度为0的气体时，汽车尾气排放检测装置所检测出的浓度。基于此原因，图5中理想直线与实际曲线的起始点的位置不同。
其中，数据处理装置30还可以包括显示装置，该显示装置用于显示输出结果。
相应地，如图5所示，本发明还提供了一种汽车尾气排放检测方法，该方法包括以下步骤：A、感测汽车尾气中一种或者多种待测气体组分的浓度，得到代表检测结果的模拟电压信号；C、将步骤A得到的模拟电压信号转换为数字电压；以及D、对于每种待测气体组分根据该种待测气体组分的电压-浓度斜率和所述数字电压，计算与该数字电压相对应的该种待测气体组分的浓度；其中，所述步骤D中的电压-浓度斜率为一组或多组电压-浓度斜率，每组电压-浓度斜率中具有多个电压-浓度斜率，分别对应于一种待测气体组分的多个浓度区段所对应的多个电压区段；所述步骤D包括：对于每种待测气体组分确定步骤C得到的所述数字电压所属的电压区段，并根据与所属的电压区段相对应的电压-浓度斜率计算出与所述数字电压相对应的该种待测气体组分的浓度。
其中，所述待测气体组分可以为NO、NO2、HC和CO中的至少一种。
其中，每种待测气体组分的浓度区段密度为10％浓度范围内浓度区段的个数为1-5个，所述浓度区段密度是指10％浓度范围所被划分成的浓度区段的个数。
其中，所述多个浓度区段为通过将浓度为零到该种待测气体组分最大可能浓度的范围均匀划分而形成的多个浓度区段。
其中，所述多个浓度区段为通过将浓度为零到该种待测气体组分最大可能浓度的范围划分而形成的多个浓度区段；在所述浓度为零到该种待测气体组分最大可能浓度的范围内，对于待测气体组分浓度越有可能出现的浓度范围，该浓度范围的浓度区段密度越大。
其中，所述模拟电压信号是交流电压信号，所述步骤A和C之间还包括：B、减小所述模拟电压信号中的噪声和干扰。所述步骤B包括：B1、对所述交流电压信号进行交流放大；B2、利用具有有效频率和相位的参考信号，将所述被放大的交流电压信号中具有所述有效频率和相位的交流电压信号调制为直流电压信号分量，而与参考信号频率不相同的交流电压信号被调整成交流电压信号分量；B3、滤除所述交流电压信号分量；B4、对所述直流电压信号分量进行直流放大，并将放大后的直流电压信号分量应用于步骤C。
其中，所述步骤C包括：在固定周期内对模拟电压信号进行多次采样，然后将该固定周期内的多个采样电压值相加求平均，以求得数字电压。其中所述固定周期可以根据实际需要来进行设定，例如可以为5-10ms，而在该固定周期内的采样次数可以为10-16次。
其中，所述与不同数字电压区段相对应的多个电压-浓度斜率通过利用具有不同浓度的所述待测气体组分的气体标定而制成，具体方法参考上述的方法。
通过使用本发明提供的种汽车尾气排放检测装置和方法，由于与不同数字电压区段相对应的多个电压-浓度斜率、信号调理模块40的有效滤除噪声、以及数据采集装置20的以多点平均的方式将模拟电压信号转化为数字电压，从而提高了对有害气体浓度的检测精度。
Claims (13)
1.一种汽车尾气排放检测装置，该装置包括：
一个或多个气体传感器(10)，用于感测汽车尾气中的一种或多种待测气体组分的浓度，获取代表感测结果的模拟电压信号，并将该模拟电压信号发送到数据采集装置(20)；
数据采集装置(20)，用于将所述模拟电压信号转换为数字电压，并将数字电压输出到数据处理装置(30)；以及
数据处理装置(30)，存储有针对待测气体组分的电压-浓度斜率，用于对于每种待测气体组分根据该种待测气体组分的电压-浓度斜率和所述数字电压计算与该数字电压相对应的该种待测气体组分的浓度，
其特征在于，所述电压-浓度斜率为一组或多组电压-浓度斜率，每组电压-浓度斜率中具有多个电压-浓度斜率，分别对应于一种待测气体组分的多个浓度区段所对应的多个电压区段；所述数据处理装置(30)对于每种待测气体组分确定数据采集装置(20)输出的数字电压所属的电压区段，并根据与所属的电压区段相对应的电压-浓度斜率计算出与所述数字电压相对应的该种待测气体组分的浓度。
2.根据权利要求1所述的汽车尾气排放检测装置，其中，每种待测气体组分的浓度区段密度为10％浓度范围内浓度区段的个数为1-5个，所述浓度区段密度是指10％浓度范围所被划分成的浓度区段的个数。
3.根据权利要求2所述的汽车尾气排放检测装置，其中，所述多个浓度区段为通过将浓度为零到该种待测气体组分最大可能浓度的范围进行划分而形成的多个浓度区段，划分方式为：将浓度为零到该种待测气体组分最大可能浓度的范围均匀划分；或者，在所述浓度为零到该种待测气体组分最大可能浓度的范围内，对于待测气体组分浓度越有可能出现的浓度范围，对该浓度范围进行划分以使得该浓度范围的浓度区段密度越大。
4.根据权利要求1所述的汽车尾气排放检测装置，其中，所述汽车尾气排放检测装置还包括信号调理模块(40)，该信号调理模块(40)连接在所述气体传感器(10)和数据采集装置(20)之间，用于减小从气体传感器(10)发送到数据采集装置(20)的模拟电压信号中的噪声和干扰。
5.根据权利要求4所述的汽车尾气排放检测装置，其中，所述模拟电压信号是交流电压信号，所述信号调理模块(40)包括依次相连的交流放大器(410)、开关式乘法器(420)、低通滤波器(430)和直流放大器(440)，所述交流放大器(410)的输入端与气体传感器(10)的输出端相连，直流放大器(440)的输出端与数据采集装置(20)相连；
所述交流放大器(410)用于对所述交流电压信号进行交流放大，并将放大后的交流电压信号输出到开关式乘法器(420)；
所述开关式乘法器(420)利用具有有效频率和相位的参考信号，将所述被放大的交流电压信号中具有所述有效频率和相位的交流电压信号调制为直流电压信号分量，而与参考信号频率不相同的交流电压信号被调整成交流电压信号分量，并将调制后的信号输出到低通滤波器(430)；
所述低通滤波器(430)用于滤除所述交流电压信号分量，并将所述直流电压信号分量输出到所述直流放大器(440)；
所述直流放大器(440)用于对所述直流电压信号分量进行直流放大，并将放大后的直流电压信号分量输出到数据采集装置(20)。
6.根据权利要求1所述的汽车尾气排放检测装置，其中，所述数据采集装置(20)在5-10ms的周期内对模拟电压信号进行10-16次采样，然后计算该周期内的多个采样电压值的平均值，求得与该平均值相对应的数字电压。
7.根据权利要求4、5或6所述的汽车尾气排放检测装置，其中，所述一组电压-浓度斜率通过利用具有不同浓度的所述待测气体组分的气体进行标定而得到，对于两个端点为A1、A2的浓度区段的电压-浓度斜率的标定过程如下：
I、将含有所述待测气体组分的浓度分别为A1的气体作用于气体传感器(10)，记录此时数据采集装置(20)输出的数字电压U1；
II、将含有所述待测气体组分的浓度分别为A2的气体作用于气体传感器(10)，记录此时数据采集装置(20)输出的数字电压U2；
III、由此针对浓度区间A1-A2的电压-浓度斜率为
。
8.一种汽车尾气排放检测方法，该方法包括以下步骤：
A、感测汽车尾气中一种或者多种待测气体组分的浓度，得到代表检测结果的模拟电压信号；
C、将步骤A得到的模拟电压信号转换为数字电压；以及
D、对于每种待测气体组分根据该种待测气体组分的电压-浓度斜率和所述数字电压，计算与该数字电压相对应的该种待测气体组分的浓度；
其特征在于，所述步骤D中的电压-浓度斜率为一组或多组电压-浓度斜率，每组电压-浓度斜率中具有多个电压-浓度斜率，分别对应于一种待测气体组分的多个浓度区段所对应的多个电压区段；
所述步骤D包括：对于每种待测气体组分确定步骤C得到的所述数字电压所属的电压区段，并根据与所属的电压区段相对应的电压-浓度斜率计算出与所述数字电压相对应的该种待测气体组分的浓度。
9.根据权利要求8所述的汽车尾气排放检测方法，其中，每种待测气体组分的浓度区段密度为10％浓度范围内浓度区段的个数为1-5个，所述浓度区段密度是指10％浓度范围所被划分成的浓度区段的个数。
10.根据权利要求9所述的汽车尾气排放检测方法，其中，所述多个浓度区段为通过对浓度为零到该种待测气体组分最大可能浓度的范围进行划分而形成的多个浓度区段，划分方式为：将浓度为零到该种待测气体组分最大可能浓度的范围均匀划分；或者，在所述浓度为零到该种待测气体组分最大可能浓度的范围内，对于待测气体组分浓度越有可能出现的浓度范围，对该浓度范围进行划分以使得该浓度范围的浓度区段密度越大。
11.根据权利要求8所述的汽车尾气排放检测方法，其中，所述模拟电压信号是交流电压信号，所述步骤A和C之间还包括：B、减小所述模拟电压信号中的噪声和干扰，该步骤B包括：
B1、对所述交流电压信号进行交流放大；
B2、利用具有有效频率和相位的参考信号，将所述被放大的交流电压信号中具有所述有效频率和相位的交流电压信号调制为直流电压信号分量，而与参考信号频率不相同的交流电压信号被调整成交流电压信号分量；
B3、滤除所述交流电压信号分量；
B4、对所述直流电压信号分量进行直流放大，并将放大后的直流电压信号分量应用于步骤C。
12.根据权利要求8所述的汽车尾气排放检测方法，其中，所述步骤C包括：在5-10ms的周期内对模拟电压信号进行10-16次采样，然后计算该周期内的多个采样电压值的平均值，求得与该平均值相对应的数字电压。
13.根据权利要求11或12所述的汽车尾气排放检测方法，其中，所述一组电压-浓度斜率通过利用具有不同浓度的所述待测气体组分的气体进行标定而得到，对于两个端点为A1、A2的浓度区段的电压-浓度斜率的标定过程如下：
I、利用含有所述待测气体组分的浓度分别为A1的气体进行标定，记录与浓度A1相对应的数字电压U1；
II、利用含有所述待测气体组分的浓度分别为A2的气体进行标定，记录与浓度A2相对应的数字电压U2；
III、由此针对浓度区间A1-A2的电压-浓度斜率为
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130320 Termination date: 20210828 |
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