CN105334146A - 一种直接测量发动机尾气颗粒物数目浓度的检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接测量发动机尾气颗粒物数目浓度的检测装置，包括进气管、毛细管、连接管、饱和器、冷凝器、中间连接件、混合腔、光学粒子计数器和柴油机颗粒物过滤器，其中，所述连接管的一端插入所述中间连接件中，在这端，所述进气管套接于该连接管中，所述进气管顶端连接所述毛细管，该毛细管插入到所述冷凝器中，所述连接管的另一端与所述饱和器连通，所述中间连接件与所述冷凝器连通，并与所述饱和器连通，所述冷凝器的上端连接混合腔，所述光学粒子计数器连接所述混合腔，所述柴油机颗粒物过滤器设置于所述饱和器的内部。本发明利用简易方式去除发动机尾气中可挥发性物质的影响，只测量其中固态颗粒物数目浓度，节约检测成本。

Description

一种直接测量发动机尾气颗粒物数目浓度的检测装置

技术领域

本发明涉及环境监控设备领域，具体涉及一种直接测量发动机尾气颗粒物数目浓度的检测装置。

背景技术

机动车排放颗粒物是大气环境颗粒物的重要来源。发动机排气颗粒物数目浓度，按粒径呈三峰分布，核态颗粒(<50nm)，聚合态颗粒(50nm——500nm)，粗颗粒(>500nm)。发动机排气物中，核态颗粒质量只占颗粒物质量的0.1％-10％，却占总数量的90％，核态颗粒虽然质量权重低，但是在总颗粒物数目占主体，检测发动机排气物颗粒主要检测核态颗粒的数量。且有研究表明，微细颗粒物相比于大颗粒物更易于在人体肺泡内沉积，对人体危害更大。可见，核态颗粒物的检测至关重要。

欧洲排放法规，对发动机尾气质量监控，引入颗粒物总数目浓度上限要求。同时，由于发动机尾气中存在可挥发性物质，其蒸发冷凝具有不确定性，因而为准确稳定衡量发动机排放水平，欧盟法规要求在利用凝聚核粒子计数器(CondensationParticleCounter)测量发动机尾气前，需先利用可挥发性物质移除设备(VPR:VolatileParticleRemover)去除可挥发性物质，但这增加了系统的检测复杂性和检验成本。

目前，我国企业开发的尘埃粒子计数器只能检测300nm以上的颗粒物，且并不能满足发动机尾气检测的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可直接测量发动机尾气颗粒物浓度的检测装置，以解决现有装置需要增加可挥发性物质移除设备，才能准确测量的技术问题，该装置能使得固态颗粒物准确计数，并有效降低了检测装置的复杂性与检测成本。

本发明提供了一种测量发动机尾气颗粒物数目浓度的检测装置，包括进气管、毛细管、连接管、饱和器、冷凝器、中间连接件、混合腔、光学粒子计数器和柴油机颗粒物过滤器，其中，所述连接管的一端插入所述中间连接件中，在这端，所述进气管套接于该连接管中，所述进气管顶端连接所述毛细管，该毛细管插入到所述冷凝器中，所述连接管的另一端与所述饱和器连通，所述中间连接件与所述冷凝器连通，并与所述饱和器连通，所述冷凝器的上端连接所述混合腔，所述光学粒子计数器连接所述混合腔，所述柴油机颗粒物过滤器设置于所述饱和器的内部。

在一些实施例中，优选为，所述冷凝器与所述混合腔和所述中间连接件的连接处设置有绝热板。

在一些实施例中，优选为，所述饱和器中设置有第一温度传感器，所述冷凝器中设置有第二温度传感器。

在一些实施例中，优选为，所述连接管中设置有第一高效过滤器和第一转子流量计。

在一些实施例中，优选为，所述检测装置还包括出气管，所示出气管连接所述光学粒子计数器，在所述出气管的末端设有泵。

在一些实施例中，优选为，所述检测装置还包括第二转子流量计和第二高效过滤器，所述第二高效过滤器连接所述混合腔，所述第二转子流量计连接所述第二高效过滤器。

在一些实施例中，优选为，在所述出气管上，所述泵之前，设置有节流孔、第三高效过滤器和第三转子流量计。

在一些实施例中，优选为，所述节流孔的两端设有第一压差传感器，所述冷凝器和所述节流孔的前端设有第二压差传感器,所述冷凝器和所诉饱和器的入口设有第三压差传感器。

在一些实施例中，优选为，所述饱和器和所述冷凝器的表面设置有保温材料。

在一些实施例中，优选为，所述保温材料外表面覆盖有绝缘材料。

本发明提供的测量发动机尾气颗粒物数目浓度的检测装置，检测时，运用在饱和器和冷凝器高温下运行，能保证可挥发性物质不冷凝，从而准确测量发动机尾气中固态颗粒物数目浓度。该产品用于直接测量汽车尾气中固态颗粒物数目浓度，免除可挥发性物质移除装置。采用混合腔结构，利用洁净气流将冷凝器流出气流冷却到一定温度，并使用导热系数极低的纳米材料绝热板将冷凝器与混合腔绝热，保证光学粒子计数器不受损坏。在检测管道中安装流量计，流量计的使用，便于实现流量参数调节，抵消对不同采样条件对计数效率的影响。

本发明提供的测量发动机尾气颗粒物数目浓度的检测装置，可直接进行检测，免除使用可挥发性物质移除装置，并实现测量10nm以上固态颗粒物。

附图说明

图1是本发明一优选实施例的结构示意图。

图2是本发明另一优选实施例的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面请参考附图并结合实施例来详细说明本发明，附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制。

为了解决目前凝聚核粒子计数器(CondensationParticleCounter)测量发动机尾气前，需先利用可挥发性物质移除设备(VPR:VolatileParticleRemover)来去除可挥发性物质，增加检测复杂性和检测成本等不足，本发明提供一种可直接测量发动机尾气颗粒物数目浓度的检测装置。

实施例1

测量发动机尾气颗粒物数目浓度的检测装置，其结构示意图如图1所示，包括由进气管1、毛细管8、连接管2、饱和器5、冷凝器6、中间连接件7、混合腔10、光学粒子计数器3和柴油机颗粒物过滤器4，其中，连接管2一端连接中间连接件7，连接管7的一端插入中间连接件7中，但并不与连接件连通，在这端，进气管1套接入连接管2中，进气管1一端设有毛细管8，毛细管8穿过所述连接管，毛细管8的长度可到达冷凝器，即毛细管8与冷凝器6相通，连接管2另一端连通饱和器5，柴油机颗粒物过滤器4安装在所述饱和器4的内部，所述中间连接件7与冷凝器6连通，并与饱和器5连通，冷凝器6的上端连接混合腔10，光学粒子计数器3的连接混合腔10。进气管与毛细管连接采用套管设置，即从进气管中进入的气流一部分可从毛细管中进入中间连接件中，另一部分可从进气管中进入到连接管中，进一步流入到饱和器中。

具体地，饱和器5与中间连接件7可使用螺栓连接，并使用密封胶，以保证气密性；连接管2与中间连接件7使用螺钉连接，并涂有密封胶；冷凝器6与中间连接件7可使用螺钉连接，其紧固力能保证冷凝器6与中间连接件7气密性良好；混合腔10与冷凝器6使用螺钉连接，其紧固力能保证冷凝器6与混合腔10气密性良好；混合腔10与光学粒子计数器3通过管道使用螺纹连接。

当该检测装置工作时，饱和器和冷凝器均加热到150℃以上，且饱和器温度高于冷凝器温度，饱和器中存放有耐高温且热扩散率大于质量扩散率的有机工质，有机工质可采用葵二酸二辛酯，从而保证携带有机工质的鞘气流经饱和器到达冷凝器时，达到过饱和状态。柴油机颗粒物过滤器为多孔质结构，其主要作用为浸润有机工质，便于使流经饱和器的鞘气达到饱和状态。含气溶胶的气流从毛细管流出，其中颗粒物在足够的过饱度条件下会急剧增长到特定尺寸(一般为微米级尺寸)，在该尺寸下，液滴达到平衡状态，既不蒸发也不冷凝。

采样气流从进气管的入口吸入，沿管路向上流动，到达顶部时产生分流，少量气流从毛细管直接进入冷凝器，绝大多数气流沿管道外围套管向下流动，充当鞘气，依次流经连接管、饱和器、中间连接件、冷凝器，最终两部分气流均流经混合腔。

光学粒子计数器由激光器、透镜、光电二极管等部件组成，光路与气流交并区域构成“光敏区”，当有0.3微米以上的颗粒物通过光敏区时，其散射光强被透镜聚焦到光电二极管上，产生脉冲信号，利用脉冲信号的频率和从毛细管进入的气溶胶流量计算得采样气中颗粒物总数目浓度。

为了延长光学粒子计数器的使用寿命，避免其受热损坏，在冷凝器的两端设有绝热板9。即冷凝器6与混合腔10的连接处设有绝热板9；冷凝器6与中间连接件7的连接处设有绝热板9。

采用混合腔，将冷凝器流出气流冷却到一定温度，并采用导热系数极低的纳米材料的绝热板，将冷凝器与混合腔绝热，保证了光学粒子计数器不受损坏。

为了能有效控制通过饱和器和冷凝器中的温度，在饱和器中设置有第一温度传感器，所述冷凝器中设置有第二温度传感器。

实施例2

在实例1的基础上，为使检测的气体中的一部分变为洁净空气，以使之充当鞘气，在连接管中设置了第一高效过滤器；为能有效控制气流进入装置进行检测，在连接管上设有第一转子流量计。第一转子流量计可设置在第一高效过滤器后连通饱和器的连接管上。

为降低从冷凝器出口气体温度，从而保证出口气流不损坏光电单元，在混合腔的另一端设置入口，入口前端连接第二高效过滤器，为其同时提供了洁净的气流,用于稀释检测的气流。第二高效过滤器与混合腔可采用管道连接；为能有效控制稀释气体流量以选择合适工作条件保证最大限度计数，在第二高效过滤器的前端设置了第二转子流量计，第二转子流量计与第二高效过滤器可采用管道连接。

为能给各气路提供足够能量，将泵布置于光学粒子计数器的末端，即可在光学粒子计数器的出口处连接出气管，出气管末端安装泵。

为能方便流量校准，在出气管上设有节流孔，节流孔设置在泵之前。

为了减少对环境污染，在出气管上设置有第三高效过滤器，为了调节合适总流量，在第三高效过滤器后端设置有第三转子流量计。

为了减少散热损失，并保证饱和器和冷凝器温度尽量均匀，在饱和器和冷凝器表面均裹有石棉等保温材料。

为了避免饱和器和冷凝器受导电影响检测结果，在饱和器和冷凝器表面都裹有石棉等保温材料的基础上，在其外表面再覆盖有绝缘材料。

如图2所示，采样气流(即待测气体)从入气管1的入口吸入，沿管路向上流动，到达顶部时产生分流，少量气流(默认为30ml/min，但可根据第一转子流量计12开度调节其大小)从毛细管8直接进入冷凝器6，绝大多数气流沿管道外围套管即连接管2向下流动，充当鞘气，依次流经第一高效过滤器11、第一转子流量计12、饱和器5、中间连接件7、冷凝器6，最终两部分气流均流经混合腔10。

稀释气流和冷凝器出口的气流均由泵13提供动力，稀释气流是指图2中混合腔左路气流。稀释气流依次流经第二转子流量计16，第二高效过滤器15,进而成为洁净空气进入混合腔10。混合腔10进一步冷却由冷凝器6出口的气体，以保证光学粒子计数器3中的光电元器件不受损坏，调节第二转子流量计16开度可控制稀释气流量，从而寻求合适的工作条件。经混合腔10流出气体依次流经光学粒子计数器3、节流孔14、第三高效过滤器17、第三转子流量计18、泵13，排出。调节第三转子流量计18的开度，可控制总采样流量。采用多流量计能够实现实时监测。

具体实时监测时，该检测装置还包括电控单元，该电控单元包括温度传感器和压力传感器组成的数据采集和处理单元、单片机及外围电路板、PC。温度传感器使用热电偶温度传感器，布置于饱和器和冷凝器，分别监控二者温度，节流孔两端布置一压力传感器，冷凝段和节流孔前端布置一压差传感器，传感器信号被采集，并通过单片机及其外围电路板进行处理，并可利用串口通信程序与PC通信。饱和器和冷凝器中布有温度传感器，用于检测饱和器和冷凝器工作温度，并实时传输给单片机，第一温度传感器测量饱和器温度，信号传给单片机，第二温度传感器测量冷凝器温度，信号传给单片机。有颗粒物通过光敏区时产生脉冲信号，光学粒子计数器3输出脉冲信号输送给单片机及外围电路板处理。

节流孔两端设有第一压差传感器，冷凝器及节流孔前端分别利用三通与第二压差传感器连接，冷凝器及饱和器入口分别利用三通与第三压差传感器连接，第一压差传感器测量节流孔两端压差信号，输送给单片机及外围电路板，第二压差传感器测量冷凝器与节流孔前端压差，信号输送给单片机及外围电路板，第三压差传感器测量冷凝器与饱和器入口压差，信号输送给单片机及外围电路板。第一压差传感器用于测量、校正流经冷凝器的流量，第二压差传感器用于测量、校正总流量，第三压差传感器用于测量、校正流经毛细管的流量。

工作温度可由单片机下位机或PC进行设置，通过信号分别设置冷凝器温度和饱和器温度，保证仪器在合理工作范围。冷凝器中及节流孔两端布压力传感器，其压力与仪器工作流量有一一对应关系，通过标准仪器标定，即可根据压差信号获得流量值。

PC中编有Labview程序，可对仪器各项参数进行设置，同时可实现颗粒物浓度连续测量。其界面上显示经单片机及外围电路板处理后的节流孔前后压差信号、光电单元产生的脉冲信号2、节流孔前端与冷凝器压差信号、冷凝器温度信号、饱和器温度信号。同时可以设置冷凝器温度,和饱和器温度。当仪器工作条件与目标不相符时，可以改变饱和器和冷凝器温度。由标定后的节流孔前后压差信号和节流孔前端与冷凝器压差信号可获得毛细管流量，加上光电单元产生的脉冲频率信号可计算得待测气体中颗粒物数目浓度。

具体工作过程：

打开泵13，仪器总流量由第三转子流量计18的开度调节，第一转子流量计12默认状态下全开，减少鞘气回路流阻，从而减小毛细管8流量，提高仪器测量浓度上限。调节第一转子流量计12和第二转子流量计16开度，保证稀释比在合适范围。由PC设定饱和器及冷凝器工作温度，饱和器5和冷凝器6表面均裹有石棉保温材料，减少散热损失，并保证饱和器V和冷凝器温度尽量均匀。待各温度参数达到设定要求后，比对两压差流量计参数是否在标定曲线范围，若合理，则开始测量。由光电产生的脉冲信号幅值从几百mV到2V不等，需在单片机及其外围电路板上进行放大处理并计量脉冲频率，由脉冲频率及毛细管流量获得采样气中颗粒物数目浓度。也就是说，颗粒物数目浓度是由毛细管中流量确定的。

本发明的检测装置与常温凝聚核粒子计数器进行对比，以评价其对单分散粒子的计数效率。结果表明，该仪器能以百分之百计数效率测量10nm以上固态颗粒物。

本发明能检测到10nm颗粒物，突破传统尘埃粒子计数器检测下限。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种测量发动机尾气颗粒物数目浓度的检测装置，其特征在于，包括进气管、毛细管、连接管、饱和器、冷凝器、中间连接件、混合腔、光学粒子计数器和柴油机颗粒物过滤器，其中，所述连接管的一端插入所述中间连接件中，在这端，所述进气管套接于该连接管中，所述进气管顶端连接所述毛细管，该毛细管插入到所述冷凝器中，所述连接管的另一端与所述饱和器连通，所述中间连接件与所述冷凝器连通，并与所述饱和器连通，所述冷凝器的上端连接所述混合腔，所述光学粒子计数器连接所述混合腔，所述柴油机颗粒物过滤器设置于所述饱和器的内部。

2.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述冷凝器的与所述混合腔和所述中间连接件的连接处设置有绝热板。

3.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述饱和器中设置有第一温度传感器，所述冷凝器中设置有第二温度传感器。

4.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述连接管中设置有第一高效过滤器和第一转子流量计。

5.如权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括出气管，所示出气管连接所述光学粒子计数器，在所述出气管的末端设有泵。

6.如权利要求5所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括第二转子流量计和第二高效过滤器，所述第二高效过滤器连接所述混合腔，所述第二转子流量计连接所述第二高效过滤器。

7.如权利要求6所述的检测装置，其特征在于，在所述出气管上，所述泵之前，设置有节流孔、第三高效过滤器和第三转子流量计。

8.如权利要求7所述的检测装置，其特征在于，所述节流孔的两端设有第一压差传感器，所述冷凝器和所述节流孔的前端设有第二压差传感器，所述冷凝器和所诉饱和器的入口设有第三压差传感器。

9.如权利要求1-8中任一所述的检测装置，其特征在于，所述饱和器和所述冷凝器的外表面设置有保温材料。

10.如权利要求9中任一所述的检测装置，其特征在于，所述保温材料外表面覆盖有绝缘材料。