CN103868781B - 大范围精确比例稀释器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大范围精确比例稀释器,包括：以接收样品气的样品气入口；以控制流量并接收稀释气的稀释气入口；连接稀释气入口以控制稀释气从其通过的第一电磁阀；连接样品气入口和稀释气入口以控制样品气和稀释气从其通过的球阀；连接第一电磁阀出口和文丘里流量计或针孔流量计入口用以标定该稀释器的质量流流量计系统；连接至稀释气入口和样品气入口，接收稀释气和样品气并以精确的测量混合气流量的文丘里流量计或针孔流量计；连接文丘里流量计或针孔流量计并向测量仪器提供均匀混合并具有精确稀释比例的混合气流出口；和连接至文丘里流量计或针孔流量计的流量控制系统；以及通过标定该稀释器并经流量控制系统调节而提供大范围的精确稀释比例。
Description
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
发动机废气中通常含有大量的颗粒物。美国环境保护局对发动机废气可见物进行了如下定义：高温发动机废气在测量前需要稀释到低于52°C的温度，然后用过滤纸过滤废气，被收集于滤纸上的物质为发动机排放的可见物。在此定义下，许多不同的稀释系统被开发和应用。
全流稀释系统是其中的一种，它用于稀释全部汽车发动机废气。此类稀释系统价格昂贵，体积庞大，并受限于发动机的最大废气排量，因此此类稀释器的应用受到了限制。部分流稀释系统是另一类得以广泛应用的稀释系统，它具有体积小，不受发动机最大废气排放量的限制，便于移动，价格相对便宜等特点，此类稀释系统已逐渐被许多国家环保机构所接纳用于发动机废气的排放物的测量和官方认证。大多数部分流稀释系统能够保证在小范围内准确的稀释比例，比如稀释比例4到40的范围以内。一旦稀释比例超出以上范围，精确的稀释比例则无法得以保障。就其原因，为传统部分流稀释系统的工作原理所至。
为了从根本上降低颗粒物排放，必须对颗粒物特性、颗粒物大小、数量进行研究，这要求稀释比例往往大大高于40:1。因此有必要开发和研究一种稀释系统能够提供大范围的稀释比例，并且精确度不受稀释比例大小影响。在2011年9月,欧洲汽车颗粒物排放标准正式实施，该标准要求所有柴油机驱动的家用小汽车固体颗粒物排放需要被检测并不能超标。在此标准的推动下，具有高精度、大范围的稀释比并无颗粒物损失的稀释器将拥有广大的市场。
中国发明专利CN101180527B公布了一种大范围连续稀释器，通过对补充气的流量的改变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。
本发明拟采用不增加补充气，且不需要单独的混合器等更简明的方式达到大范围稀释的目的，同时，需要保证精确的稀释比。
基于以上的原因，需要有一种大范围精确比例稀释器。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种对含有小颗粒的发动机废气和其他气体具有大范围精确比例的稀释器；
本发明的另一个目的在于提供一种对大范围精确比例稀释器的标定方法。
本发明提供了一种用于稀释发动机废气的稀释装置，该稀释器能够提供大范围的精确的稀释比例，并且在稀释的同时，几乎不会引起发动机废气颗粒物的任向损失，从而为发动机颗粒物的测量提供了精确的稀释气体。
本发明的稀释器包括：
以接收样品气的样品气入口；
以控制流量并接收稀释气的稀释气入口；
连接稀释气入口以控制稀释气从其通过的第一电磁阀；
连接样品气入口和稀释气入口以控制样品气和稀释气从其通过的球阀；
连接第一电磁阀出口和文丘里流量计或针孔流量计入口用以标定该稀释器的质量流流量计系统；
连接至稀释气入口和样品气入口，接收稀释气和样品气并以精确的测量混合气流量的文丘里流量计或针孔流量计；该文丘里流量计或针孔流量计具有混合气流出口；和
连接文丘里流量计或针孔流量计并向测量仪器提供均匀混合并具有精确稀释比例混合气流出口；
连接至文丘里流量计或针孔流量计以控制混合气流量并连接至质量流流量计系统以调节样品气流量的流量控制系统；该流量控制系统具有连通大气的混合气流出口；
实际操作中，首先确定稀释比例和稀释气体质量流量；进而计算样品流流量，并根据该流量选定质量流流量计和电磁阀组合；进而关闭球阀，并打开第一电磁阀，控制稀释气体到设定值；进而通过流量控制系统使质量流流量计读数达到所期望的样品流流量;进而保存并控制文丘里流量计或针孔流量计读数到当前值；在标定时，通过流经文丘里流量计或针孔流量计的混合气体流量与流经质量流流量计系统的样品气流量和稀释气体流量之和的比值确定修订系数，以及通过修订系数获得实时稀释比例并将其与预设的稀释比例误差控制在安全的误差范围内；再进而打开球阀，关闭第一电磁阀和质量流流量计系统内所有电磁阀；以使该稀释器被控制在精确的稀释比例。
此外，在优选的技术方案中，可以通过比例/积分/微分（PID)控制器驱动流量控制系统追踪恒定的稀释比。
在一个方面，可以通过在流量控制系统中设置由一组或一组以上的质量流流量计和电磁阀；每一组流量计和电磁阀仅负责一定范围的流体测量和标定，从而确保了大范围的精确流体测量。
在一个方面，所述文丘里流量计或针孔流量计由于气体流过流量计时产生一定的压差，用以均匀混合气体，以替代在现有技术里稀释器之中专门设置的混合器。
在另一个方面，可以通过稀释气体质量流控制器来控制稀释气体的流量。
可以理解的是，本发明设想利用在文丘里流量计或针孔流量计上游的旁路流，大部分样品气通过旁路流出口流出稀释器。该旁路流的作用是增加进入稀释器的样品气量，从而降低颗粒物在连接稀释器和发动机排气管之间的输送管道内的停留时间，并最终达到降低颗粒物在输送管道内的损失。
附图说明：
图1是根据本发明的大范围精确比例稀释器结构图；
图2是本发明的大范围精确比例稀释器正常工作时流体在稀释器内气体流程图；
图3是本发明的大范围精确比例稀释器标定时气体流程图；
图4是本发明标定时的大范围精确比例稀释器的结构图；以及
图5是本发明的大范围精确比例稀释器操作原理框图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
图1展示此发动机废气稀释器的工作原理。该稀释器在正常工作时，第一电磁阀101和质量流流量计系统中的电磁阀102、103均关闭，球阀104开启到最大位置。此球阀104可以采用自动控制，也可以采取手动控制，一旦它全部开启，它几乎对流体不会产生任向阻力。汽车或发动机废气从稀释器上的样品气入口105进入，大部分样品气通过旁路流106的出口流出稀释器。该旁路流106的作用是增加进入稀释器的废气量，从而降低颗粒物在连接稀释器和发动机排气管之间的输送管道内的停留时间，并最终达到降低颗粒物在输送管道内的损失。另一部分样品气进入稀释器后和稀释气混合，通过球阀进入文丘里流量计或针孔流量计107，混合气体在该流量计中得以充分的混合和精确的测量。
用于稀释发动机废气的稀释气是一种清洁的不含任何颗粒物的气体，它可以是通过过滤的不含颗粒物的空气或氮气，也可以是其它气体。它的流量由一个精确的质量流控制器108所控制。在整过正常的运行过程中，稀释气流量被控制在一个预先设定的恒定值。文丘里流量计或针孔流量计107则通过精确的测量气体进入流量计时的绝对气压和温度，并测量气体流过流量计时的压差，从而精确地计算气体的质量流量。该类流量计在测量质量流的同时，不会引起气体中颗粒物的损失，并且由于气体流过流量计时产生的一定的压差，这将有助于气体和颗粒物的均匀混合。因此在本发明的稀释器里，文丘里流量计或针孔流量计不仅起着测量流量的作用，而且它具有帮助气体及颗粒物均匀混合的作用，从而此新发明的稀释器不需要象传统的稀释器一样安装额外混合器帮助气体混合。
混合气流出文丘里流量计或针孔流量计之后，一部分通过连通测量仪器的出口进入测量仪器110，另一部分则进入一个流量控制系统111。该流量控制系统能够把流经文丘里流量计或针孔流量计的混合气控制在一个恒定值。为了把混合气气流精确地控制在设定值，一个比例/积分/微分控制器112被用来控制流量控制装置。当文丘里流量计或针孔流量计测量的流量低于所设定值，比例/积分/微分控制器驱动流量控制装置增加通过流经文丘里流量计或针孔流量计的流量，从而使之达到设定值。反之，当文丘里流量计或针孔流量计测量的流量高于所设定值，比例/积分/微分控制器驱动流量控制装置降低通过流经文丘里流量计或针孔流量计的流量，从而使之达到设定值。最后，混合气通过流量控制装置排入大气或专用的废气管道。图2展示了在稀释器正常工作时气体在稀释器内的流动方向。
该稀释器不同于传统稀释装置的最大特点是它能提供大范围的精确稀释比例，稀释比例可以定义为：流过文丘里流量计或针孔流量计的混合气体质量流与流过球阀的废气质量流的比例。该定义可由等式1来表示：
其中，DR是稀释比例，Qs是流经球阀的样品气质量流量，QT是流经文丘里流量计或针孔流量计的混合气流量，QD是稀释气体的质量流量。
为了达到大范围的精确稀释比例，在每次稀释器进行正常工作前，稀释器均要进行流量标定，从而确保精确的气体流量，该标定过程可以手动，也可被自动控制。在质量流流量计系统113中的质量流流量计和电磁阀将被用来标定该稀释器。该质量流流量计系统113由质量流流量计和电磁阀组成，它包括一组或多组质量流流量计和电磁阀，拥有两组质量流流量计和电磁阀的质量流流量计系统被呈现在图1中。通常，每一个质量流流量计都有一定的工作范围，如在该工作范围以内，流量能够得以精确测量，但是如所需测量的流量超过允许的误差范围，所测流量精确度将会大大地降低。为了解决以上问题，多个流量计和电磁阀被用于质量流流量计系统中，每一组流量计和电磁阀仅负责一定范围的流体测量和标定，从而确保了大范围的精确流体测量。在实际操作中，可以根据具体所需标定流量手动或由计算机软件自动选择某一组合适的流量计和电磁阀。最终，稀释器的稀释比例范围以及所采用的质量流流量计的测量范围和精确度决定了是否采用超过一组以上的流量计和电磁阀。
为了便于解释本稀释器的工作原理，作者将参照图1所示的结构图加以说明。在图1中，电磁阀102和103均为常开电磁阀，此类电磁阀在末通电时处于开启状态，此项设计有助避免在某些工况，比如稀释器在预热时，其它通道可能均处于关闭状态，如此时测量仪与稀释器相连并且仪器处于正常运转状态，很有可能没有足够的气流流入测量仪器，从而损坏测量仪器。但如果此时电磁阀102和103处于开启状态，以上所叙情形将可以避免，并且有效地保护了仪器不受损坏。
每次在稀释器正常运转前，稀释气体流量和稀释器上的稀释比例需要预先确定，并将在正常运转时保持不变。流经球阀的废气质量流量Qs可以从等式1中计算出来，然后根据该流量的大小，可以确定质量流流量计系统中流量计和电磁阀的组合。在此我们假设质量流流量计114和电磁阀102被确定为所需选用的组合。
综上所叙，在每次稀释器进行正常工作前，稀释器均要进行流量标定。此时，球阀处于关闭状态，第一电磁阀和常开电磁阀102开启，常开电磁阀103关闭，稀释气体质量流量控制器控制该流量到预定值QD。然后，调节流量控制系统使得质量流流量计114所测流量等于根据等式l所计算流经球阀的样品气质量流量Qs。稀释气体流经第一电磁阀与进入质量流流量计114的气体混合，经过C点会合并进入文丘里流量计或针孔流量计。然后，混合气体分作两路，一路流入测量仪器，另一路则进入流量控制系统111。在此过程中，比例/积分/微分控制器驱动流量控制系统把流入质量流测量计114的气体控制在所计算的Qs所允许的误差范围内。所计算的Qs被用作比例/积分/微分控制器的设定值。图4展示了在标定时比例-积分-微分控制器的控制简图。
流经文丘里流量计或针孔流量计的混合气体流量将被记录并保留，此流量可由字母QTr表示。由于文丘里流量计或针孔流量计具有一定测量误差，其值(QTr)也许不同于稀释气体流量QD和流经球阀的样品气质量流量Qs的总和。一旦质量流量QD,Qs,和QTr得到稳定值，则完成了此标定过程。通常，此标定过程可在几秒至一分钟以内完成。图3呈现了在标定过程中，气体在稀释器内的流动方向。
在标定完成之后，球阀打开，同时常闭第一电磁阀和常开电磁阀102和103关闭，QTr被用作输入比例/积分/微分控制器的设定值(参考图1)，流经文丘里流量计或针孔流量计的混合气体流量被精确控制在设定值QTr。稀释器进入了正常工作状态，气体在稀释器中的流动方向如图2所示。
稀释器的时实稀释比例可以用等式2和3来计算，其中，a为流经文丘里流量计或针孔流量计所测流量的修订系数，QTr为在标定时所测流经文丘里流量计或针孔流量计流量的平均值，QD为在标定时稀释气体的平均流量，Qs为标定时所测流经质量流流量计系统的平均流量；DRi为在某一时间i的实时稀释比例，QTri为在某一时间i所测流经文丘里流量计或针孔流量计的混合气体流量，QDi为在某一时间i稀释气体的流量。
根据以上所述稀释器的工作原理，图5归纳了其操作步骤以便更清楚地解释新发明的稀释器。
虽然已对本发明的具体实施方式进行了图示和说明，但并非意味用上述实施方式的图示和说明表征本发明所有可能的形式，更确切的，说明书中所用到的词语是说明性的而非限定性的，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 (9)
1.一种用于稀释含有小颗粒的气体以及对气体进行测量的大范围精确比例稀释器，其特征在于，该稀释器包括：
以接收样品气的样品气入口；
以控制流量并接收稀释气的稀释气入口；
连接稀释气入口以控制稀释气从其通过的第一电磁阀；
连接样品气入口和稀释气入口以控制样品气和稀释气从其通过的球阀；
连接第一电磁阀出口和文丘里流量计或针孔流量计入口用以标定该稀释器的质量流流量计系统；
连接至稀释气入口和样品气入口，接收稀释气和样品气并以精确的测量混合气流量的文丘里流量计或针孔流量计；该文丘里流量计或针孔流量计具有混合气流出口；和
连接文丘里流量计或针孔流量计并向测量仪器提供均匀混合并具有精确稀释比例混合气流出口；
连接至文丘里流量计或针孔流量计以控制混合气流量并连接至质量流流量计系统以调节样品气流量的流量控制系统；该流量控制系统具有连通大气的混合气流出口；以及
通过标定该稀释器并经流量控制系统调节从而提供大范围的精确稀释比例；
在文丘里流量计或针孔流量计上游的旁路流，用以减少样品气在输送管道中的停留时间。
2.如权利要求1所述的稀释器，其特征在于，所述稀释气入口进一步连接稀释气体质量流控制器，所述稀释气流量由稀释气体质量流量控制器控制。
3.如权利要求1所述的稀释器，其特征在于，所述质量流流量计系统由一组或一组以上质量流流量计和电磁阀组成。
4.如权利要求1所述的稀释器，其特征在于，所述流量控制系统通过比例/积分/微分控制器驱动以控制混合气的气流。
5.如权利要求1所述的稀释器，其特征在于，所述文丘里流量计或针孔流量计由于气体流过流量计时产生一定的压差，用以均匀混合气体。
6.如权利要求3所述的稀释器，其特征在于，所述电磁阀为常开电磁阀，以确保足够的气流流入测量仪器使其在预热过程中不受损坏。
7.如权利要求1所述的稀释器，其特征在于，所述流量控制系统设置为调节并追踪恒定的稀释比。
8.一种大范围精确比例稀释器的流量标定方法，其特征在于，包括如下步骤：A、在质量流流量计系统中设置一组或一组以上流量计和电磁阀，每一组流量计和电磁阀负责一定范围的流体测量和标定；B、计算样品流流量，并根据该流量选定质量流流量计和电磁阀组合；C、待流经文丘里流量计或针孔流量计的混合气体流量、流经球阀的样品气流量和稀释气体流量稳定；从而确保了大范围的精确流体测量。
9.一种使用如权利要求1所述的稀释器的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：A、确定稀释比例和稀释气体质量流量；B、计算样品流流量，并
根据该流量选定质量流流量计和电磁阀组合；C、关闭球阀，并打开第一电磁阀，控制稀释气体到设定值；D、通过流量控制系统使质量流流量计读数达到所期望的样品流流量;E、保存并控制文丘里流量计或针孔流量计读数到当前值；F、在标定时，通过流经文丘里流量计或针孔流量计的混合气体流量与流经质量流流量计系统的样品气流量和稀释气体流量之和的比值确定修订系数，以及通过修订系数获得实时稀释比例并将其与预设的稀释比例误差控制在安全的误差范围内；G、打开球阀，关闭第一电磁阀和质量流流量计系统内所有电磁阀；以使该稀释器被控制在精确的稀释比例。
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