CN112857918A - 一种移动源尾气颗粒物采样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动源尾气颗粒物采样装置及方法，装置包括控制器、采样装置、流量计、工况监测装置和延时启动装置；采样装置包括采样管、分流管和多个采样通道，采样通道设有第一电磁阀、计时器和采样膜，延时启动装置连接第一电磁阀和计时器；流量计测量尾气的流量；工况监测装置获取移动源的实时工况。与现有技术相比，本发明设有多个采样通道，能够根据工况切换采样通道，不需要停机更换采样膜就可以实现对单一工况长时间的足量采样；设置了延时启动装置，当工况切换时，根据当前的实时尾气流量和排气系统的容积计算尾气流动的延时时间，避免了因尾气流动延迟而导致的采样不精准的情况，采样膜的采样样本与工况精准对应，提升了测量精度。

Description

一种移动源尾气颗粒物采样装置及方法

技术领域

本发明涉及尾气采样领域，尤其是涉及一种移动源尾气颗粒物自动采样装置及方法。

背景技术

随着技术的进步和社会的发展，机动车保有量不断增加，机动车排放已经成为空气污染的重要因素，为了更好的管控机动车排放，评估机动车的排放性能，进行机动车排放测试是很有必要的。

机动车排放性能测试主要是测试尾气中颗粒物和其他排放物的含量。传统的机动车排放性能测试往往是在实验室台架上进行的，虽然可以重复测量不同工况下的排放性能，但是，由于机动车实际行驶时道路工况复杂多变，实验室测试无法反映机动车在道路上的实际排放水平。

移动源排放测试如PEMS是当下普及程度极高的一种污染物测试手段，将排放检测设备安装在实际道路行驶的机动车上，进行尾气中颗粒污染物的采样，测量得到车辆在实际行驶过程中的排放特性，为后续分析排放特性、评估大气环境、检测或优化发动机及后处理设备等提供依据。但是，现有的移动源颗粒物采样设备均为自制或单一通道滤膜采样形式，针对特定工况进行采样时，由于道路、交通、不可避免的起停或者航行路线等因素，移动源无法按单一工况长时间行驶的现象，因此采样滤膜无法进行单一工况长时间的足量采样，或者在采样过程中需要停机频繁人工更换采样滤膜的情况，使用极不方便，也降低了测试精度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种移动源尾气颗粒物自动采样装置及方法，改进了尾气颗粒物采样装置，设有多个采样通道，能够根据工况切换采样通道，不需要停机更换采样膜就可以实现对单一工况长时间的足量采样，提升了测试精度；设置了延时启动装置，当工况切换时，根据当前的实时尾气流量和排气系统的容积计算尾气流动的延时时间，计算方法简单，延时时间计算精确；控制器通过延时启动装置打开或关闭采样通道，避免了因尾气流动延迟而导致的采样不精准的情况，采样膜的采样样本与工况精准对应，进一步提升了测量精度。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种移动源尾气颗粒物采样装置，包括控制器、采样装置、流量计和工况监测装置，还包括延时启动装置；

所述控制器分别与采样装置、流量计、工况监测装置和延时启动装置连接；

所述采样装置包括采样管、分流管和多个采样通道，所述采样管的进气端连接至移动源的尾气排放口，所述采样管的出气端连接至分流管的进气端，所述分流管的出气端分别与多个采样通道的入气口连接；

各个采样通道的入气口分别设有第一电磁阀，延时启动装置分别与各个第一电磁阀连接，所述第一电磁阀根据延时启动装置的启动信号打开或关闭采样通道；各个采样通道上还设有计时器，延时启动装置分别与各个计时器连接，所述计时器根据延时启动装置的启动信号开始或停止计时并将计时数据传输至控制器；

各个采样通道的出气口均为漏斗状结构，漏斗状结构的小端与采样通道的入气口连通，各个漏斗状结构的大端处分别设有采样膜；

所述流量计安装于采样管的进气端，用于测量尾气的流量并将测量结果传输至控制器；

所述工况监测装置用于获取移动源的实时工况并将其传输至控制器。

进一步的，所述移动源尾气颗粒物采样装置还包括电源，所述电源分别与控制器、采样装置和流量计连接，用于为控制器、采样装置和流量计提供工作电源。

进一步的，所述采样装置还包括采样膜托盘，所述采样膜托盘连接至各个采样通道的出气口，用于将采样膜固定在各个采样通道的出气口。

进一步的，所述采样装置还包括尾管，所述尾管的进气端分别与各个采样通道的出气口连接，用于排出经过采样膜的尾气。

更进一步的，所述尾管的进气端为漏斗状结构，各个采样通道的出气口连接至漏斗状结构的大端。

更进一步的，所述尾管的进气端还与分流管的出气端连接，尾管的进气端设有第二电磁阀，所述第二电磁阀与控制器连接，根据控制器的控制信号连接或断开分流管与尾管。

更进一步的，所述尾管的进气端为漏斗状结构，分流管的出气端连接至漏斗状结构的大端。

进一步的，所述流量计为包含NO_x传感器的流量计。

进一步的，所述延时启动装置为延时时间可调的延时启动电路。

进一步的，所述工况监测装置与移动源的OBD系统或移动源的GPS系统连接，并将OBD信号或GPS信号传输至控制器。

进一步的，所述采样通道的数量为6个。

进一步的，所述控制器上设有显示屏和输入装置。

一种移动源尾气颗粒物自动采样方法，基于如上所述的移动源尾气颗粒物自动采样装置，包括以下步骤：

S1：控制器通过工况监测装置获取移动源的当前工况；

S2：获取当前工况的延时时间t_d，若当前工况所对应的采样通道已经完成采样，则经过时间t_d后关闭所有采样通道的第一电磁阀和计时器，打开第二电磁阀，执行步骤S4；若当前工况所对应的采样通道没有完成采样，则经过时间t_d后打开当前工况所对应的采样通道的第一电磁阀和计时器，关闭第二电磁阀、其余采样通道的第一电磁阀和计时器，执行步骤S3；

S3：控制器获取当前工况所对应的采样通道的计时器的计时数据，得到当前工况所对应的采样通道的采样时间总和，若当前工况所对应的采样通道的采样时间总和不小于当前工况的采样阈值，则当前工况所对应的采样通道已经完成采样，关闭所有采样通道的第一电磁阀和计时器，打开第二电磁阀，执行步骤S4；若当前工况所对应的采样通道的采样时间总和小于当前工况的采样阈值，则直接执行步骤 S4；

S4：如果所有采样通道均完成采样，则结束尾气颗粒物采样，否则，控制器通过工况监测装置获取移动源的当前工况，如果当前工况发生改变，则执行步骤 S2，否则，重复步骤S3。

进一步的，所述步骤S1和步骤S4中，通过工况监测装置获取移动源的当前工况具体为：获取移动源的OBD信号，所述OBD信号包括发动机工作参数：发动机功率、发动机转速和扭矩；将OBD信号依次和各个工况限值区间对比，若OBD信号属于一个工况限值区间，则将该工况限值区间所对应的工况作为移动源的当前工况。

更进一步的，各个工况限值区间是根据移动源的型号预设置的。

进一步的，所述步骤S2中，获取当前工况的延时时间t_d具体为获取流量计测量得到的实时尾气流量Q_e，根据实时尾气流量Q_e和排气系统的容积V_e计算当前工况的延时时间t_d，计算公式为：

t_d＝V_e/Q_e

其中，排气系统的容积V_e是在进行尾气颗粒物采样之前测量的，t₀为发动机启动时刻，t₁为流量计第一次测量得到尾气的时刻，Q为t₀时刻至t₁时刻流量计测量得到的实时尾气流量。

进一步的，所述步骤S3中，采样阈值是根据移动源的型号和当前工况的排放速率预设置的。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)改进了尾气颗粒物采样装置，设有多个采样通道，能够根据工况切换采样通道，不需要停机更换采样膜就可以实现对单一工况长时间的足量采样，提升了测试精度。

(2)设置了延时启动装置，控制器通过延时启动装置打开或关闭采样通道，避免了因尾气流动延迟而导致的采样不精准的情况，采样膜的采样样本与工况精准对应，进一步提升了测量精度。

(3)采样通道的出气口为漏斗状，便于采样通道内的尾气充分流经采样膜，提升了样本的采集效率和采样精度。

(4)设置了采样膜托盘，通过采样膜托盘将采样膜固定在各个采样通道的出气口，便于更换和取放采样膜。

(5)设置了尾管，将流经采样膜后的尾气整流汇聚后排出，便于对采样后的尾气进行后续处理，且尾管的进气端为漏斗状，能够更加顺利的汇聚流经采样通道的尾气。

(6)每个采样通道上设有计时器，可以统计各个采样通道的采样时间总和，从而及时取下完成采样的采样膜，以免过度采样。

(7)尾管的进气端还与分流管的出气端连接，当采样膜完成采样或者不需要继续采样时，尾气可以不经采样通道直接排出。

(8)当工况切换时，根据当前的实时尾气流量和排气系统的容积计算尾气流动的延时时间，计算方法简单，延时时间计算精确。

附图说明

图1为实施例中移动源尾气颗粒物采样装置的结构示意图；

图2为实施例中采样装置的结构示意图；

图3为实施例中移动源尾气颗粒物采样方法的流程图；

附图标记：1、控制器，2、采样装置，201、采样管，202、分流管，203、采样通道，204、第一电磁阀，205、采样膜托盘，206、尾管，207、采样膜，3、流量计，4、工况监测装置，5、电源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

一种移动源尾气颗粒物采样装置，如图1所示，包括控制器1、采样装置2、流量计3和工况监测装置4，还包括延时启动装置；控制器1分别与采样装置2、流量计3、工况监测装置4和延时启动装置连接。

如图2所示，采样装置2包括采样管201、分流管202和多个采样通道203，采样管201的进气端连接至移动源的尾气排放口，采样管201的出气端连接至分流管202的进气端，分流管202的出气端分别与多个采样通道203的入气口连接；各个采样通道203的入气口分别设有第一电磁阀204，延时启动装置分别与各个第一电磁阀204连接，第一电磁阀204根据延时启动装置的启动信号打开或关闭采样通道203；各个采样通道203上还设有计时器，延时启动装置分别与各个计时器连接，计时器根据延时启动装置的启动信号开始或停止计时并将计时数据传输至控制器 1；各个采样通道203的出气口均为漏斗状结构，漏斗状结构的小端与采样通道203 的入气口连通，各个漏斗状结构的大端处分别设有采样膜207；

流量计3安装于采样管201的进气端，用于测量尾气的流量并将测量结果传输至控制器1；工况监测装置4用于获取移动源的实时工况并将其传输至控制器1。

移动源尾气颗粒物采样装置还包括电源5，电源5分别与控制器1、采样装置 2和流量计3连接，用于为控制器1、采样装置2和流量计3提供工作电源5。

采样装置2还包括采样膜托盘205，采样膜托盘205连接至各个采样通道203 的出气口，用于将采样膜207固定在各个采样通道203的出气口，便于更换和取放采样膜。

采样装置2还包括尾管206，尾管206的进气端分别与各个采样通道203的出气口连接，用于排出经过采样膜207的尾气。

具体使用过程如下：

将采样管201的进气端连接至移动源的尾气排放口，尾气经采样管201进入分流管202；在分流管202的出气端连接有多个采样通道203，本实施例中，采样通道203的数量为6个，控制器1打开采样通道203入气口处的第一电磁阀204，则尾气进入该采样通道203，经过设于采样通道203出气口处的采样膜207。

由于6个采样通道203的位置不同，为了便于排出尾气，设置了尾管206，经过采样膜207的尾气整流至尾管206，再经由尾管206排出。本实施例中，尾管206 的进气端为漏斗状结构，各个采样通道203的出气口连接至漏斗状结构的大端。尾管206漏斗状结构的进气端能够汇聚多个采样通道203的出气口，尾气能更顺利的经尾管206流出。

为了便于采样膜207的取放和固定，设置了采样膜托盘205，采样膜207放置在采样膜托盘205上，采样通道203的出气口连接至采样膜托盘205上放置采样膜 207的位置。本实施例中，各个采样通道203的出气口均为漏斗状结构，漏斗状结构的小端与采样通道203的入气口连通，各个漏斗状结构的大端处分别设有采样膜 207。采样通道203漏斗状结构的出气口与采样膜207的形状相配合，使得采样通道203中的尾气充分流经采样膜207。

本实施例中，6个采样通道203的采样膜207分别用来采集不同工况下的尾气样品，如第一个采样通道203采集第一种工况下的尾气，此时，第一个采样通道 203上的第一电磁阀204打开，其余采样通道203上的第一电磁阀204关闭；第三个采样通道203采集第三种工况下的尾气，此时，第三个采样通道203上的第一电磁阀204打开，其余采样通道203上的第一电磁阀204关闭。

流量计3为包含NO_x传感器的流量计，当检测到NO_x时，表明此时排气系统中的空气已经排空，后续流经流量计3的气体为尾气。

工况监测装置4与移动源的OBD系统或移动源的GPS系统连接，并将OBD 信号或GPS信号传输至控制器1。控制器1根据OBD信号或GPS信号判断移动源当前的工况，进而切换至对应的采样通道203。如当前的OBD信号或GPS信号属于第四种工况的工况限值区间，则移动源的当前工况为第四种工况。各个工况的限值区间是提前设置好的。

由于尾气产生后流经排气系统再进入移动源尾气颗粒物采样装置，因此，工况改变后需要经过一段延迟时间后，采集到的尾气才是该工况下的尾气，控制器1 可以通过延时启动装置打开和关闭第一电磁阀204，以提高每种工况下尾气采样的精确度。本实施例中，延时启动装置为延时时间可调的延时启动电路，可以通过控制器1调节延时启动装置的延时时间。

由于移动源在实际行驶中工况多变，而且有的工况持续的总时间较长，有的工况持续的总时间较短，因此在每个采样通道203上分别设置了计时器，采样通道 203上的计时器与第一电磁阀204同时启动，同时停止，这样，通过计时器可以统计该采样通道203的采样时间总和。控制器1记录每一个采样通道203的采样时间总和，如果一个采样通道203的采样时间总和达到采样阈值，表明该采样膜207 完成采样，则可以取下该采样通道203的采样膜207，以免过度采样。

由于在测试过程中，可能无法及时取下已经完成采样的采样膜207，故尾管206 的进气端还与分流管202的出气端连接，当采样膜完成采样或者不需要继续采样时，尾气可以不经采样通道直接排出。尾管206的进气端设有第二电磁阀，第二电磁阀与控制器1连接，根据控制器1的控制信号连接或断开分流管202与尾管206。当完成某个工况下的采样后，后续移动源以该工况行驶时，直接将尾气自分流管202 排入尾管206，如第二个采样通道203采集第二种工况下的尾气，经过一段时间的采样后，第二个采样通道203上的采样膜207完成采样，后续移动源再次切换到第二种工况行驶时，不再打开第二个采样通道203的第一电磁阀204，直接将尾管206 进气端的第二电磁阀打开，尾气通过尾管206排出。

为了及时了解采样状况，控制器1上设有显示屏，可以显示采样信息，如各个采样通道的采样时间总和、移动源的当前工况等等。控制器1上还设有输入装置，可以输入相关参数，如采样时间的采样阈值、各个工况的工况限值区间等。

一种移动源尾气颗粒物自动采样方法，如图3所示，包括以下步骤：

S1：控制器1通过工况监测装置4获取移动源的当前工况；

S2：获取当前工况的延时时间t_d，若当前工况所对应的采样通道203已经完成采样，则经过时间t_d后关闭所有采样通道203的第一电磁阀204和计时器，打开第二电磁阀，执行步骤S4；若当前工况所对应的采样通道203没有完成采样，则经过时间t_d后打开当前工况所对应的采样通道203的第一电磁阀204和计时器，关闭第二电磁阀、其余采样通道203的第一电磁阀204和计时器，执行步骤S3；

S3：控制器1获取当前工况所对应的采样通道203的计时器的计时数据，得到当前工况所对应的采样通道203的采样时间总和，若当前工况所对应的采样通道 203的采样时间总和不小于当前工况的采样阈值，则当前工况所对应的采样通道 203已经完成采样，关闭所有采样通道203的第一电磁阀204和计时器，打开第二电磁阀，执行步骤S4；若当前工况所对应的采样通道203的采样时间总和小于当前工况的采样阈值，则直接执行步骤S4；

S4：如果所有采样通道203均完成采样，则结束尾气颗粒物采样，否则，控制器1通过工况监测装置4获取移动源的当前工况，如果当前工况发生改变，则执行步骤S2，否则，重复步骤S3。

步骤S1和步骤S4中，通过工况监测装置4获取移动源的当前工况具体为：获取移动源的OBD信号，OBD信号包括发动机工作参数：发动机功率、发动机转速和扭矩；将OBD信号依次和各个工况限值区间对比，若OBD信号属于一个工况限值区间，则将该工况限值区间所对应的工况作为移动源的当前工况。其中，各个工况限值区间是根据移动源的型号、排放测试的需求和测试人员的测试经验等预设置的。

步骤S2中，获取当前工况的延时时间t_d具体为获取流量计3测量得到的实时尾气流量Q_e，根据实时尾气流量Q_e和排气系统的容积V_e计算当前工况的延时时间t_d，计算公式为：

t_d＝V_e/Q_e

其中，排气系统的容积V_e是在进行尾气颗粒物采样之前测量的，t₀为发动机启动时刻，t₁为流量计3第一次测量得到尾气的时刻，Q为t₀时刻至t₁时刻流量计3 测量得到的实时尾气流量。

步骤S3中，采样阈值是根据移动源的型号、当前工况的排放速率、排放测试的需求和测试人员的测试经验等预设置的。

也可以根据移动源的型号和排放测试标准GB/T16157-1996《固定污染源排气颗粒物测定与气态污染物采样方法》等设置工况限值区间、采样阈值。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种移动源尾气颗粒物采样装置，包括控制器(1)、采样装置(2)、流量计(3)和工况监测装置(4)，其特征在于，还包括延时启动装置；

所述控制器(1)分别与采样装置(2)、流量计(3)、工况监测装置(4)和延时启动装置连接；

所述采样装置(2)包括采样管(201)、分流管(202)和多个采样通道(203)，所述采样管(201)的进气端连接至移动源的尾气排放口，所述采样管(201)的出气端连接至分流管(202)的进气端，所述分流管(202)的出气端分别与多个采样通道(203)的入气口连接；

各个采样通道(203)的入气口分别设有第一电磁阀(204)，延时启动装置分别与各个第一电磁阀(204)连接，所述第一电磁阀(204)根据延时启动装置的启动信号打开或关闭采样通道(203)；各个采样通道(203)上还设有计时器，延时启动装置分别与各个计时器连接，所述计时器根据延时启动装置的启动信号开始或停止计时并将计时数据传输至控制器(1)；

各个采样通道(203)的出气口均为漏斗状结构，漏斗状结构的小端与采样通道(203)的入气口连通，各个漏斗状结构的大端处分别设有采样膜(207)；

所述流量计(3)安装于采样管(201)的进气端，用于测量尾气的流量并将测量结果传输至控制器(1)；

所述工况监测装置(4)用于获取移动源的实时工况并将其传输至控制器(1)。

2.根据权利要求1所述的一种移动源尾气颗粒物采样装置，其特征在于，所述移动源尾气颗粒物采样装置还包括电源(5)，所述电源(5)分别与控制器(1)、采样装置(2)和流量计(3)连接，用于为控制器(1)、采样装置(2)和流量计(3)提供工作电源(5)。

3.根据权利要求1所述的一种移动源尾气颗粒物采样装置，其特征在于，所述采样装置(2)还包括采样膜托盘(205)，所述采样膜托盘(205)连接至各个采样通道(203)的出气口，用于将采样膜(207)固定在各个采样通道(203)的出气口。

4.根据权利要求1所述的一种移动源尾气颗粒物采样装置，其特征在于，所述采样装置(2)还包括尾管(206)，所述尾管(206)的进气端分别与各个采样通道(203)的出气口连接，用于排出经过采样膜(207)的尾气，所述尾管(206)的出气端为漏斗状结构，各个采样通道(203)的出气口连接至漏斗状结构的大端。

5.根据权利要求4所述的一种移动源尾气颗粒物采样装置，其特征在于，所述尾管(206)的进气端还与分流管(202)的出气端连接，尾管(206)的进气端设有第二电磁阀，所述第二电磁阀与控制器(1)连接，根据控制器(1)的控制信号连接或断开分流管(202)与尾管(206)。

6.一种移动源尾气颗粒物自动采样方法，其特征在于，基于如权利要求1-5中任一所述的移动源尾气颗粒物自动采样装置，包括以下步骤：

S1：控制器(1)通过工况监测装置(4)获取移动源的当前工况；

S2：获取当前工况的延时时间t_d，若当前工况所对应的采样通道(203)已经完成采样，则经过时间t_d后关闭所有采样通道(203)的第一电磁阀(204)和计时器，打开第二电磁阀，执行步骤S4；若当前工况所对应的采样通道(203)没有完成采样，则经过时间t_d后打开当前工况所对应的采样通道(203)的第一电磁阀(204)和计时器，关闭第二电磁阀、其余采样通道(203)的第一电磁阀(204)和计时器，执行步骤S3；

S3：控制器(1)获取当前工况所对应的采样通道(203)的计时器的计时数据，得到当前工况所对应的采样通道(203)的采样时间总和，若当前工况所对应的采样通道(203)的采样时间总和不小于当前工况的采样阈值，则当前工况所对应的采样通道(203)已经完成采样，关闭所有采样通道(203)的第一电磁阀(204)和计时器，打开第二电磁阀，执行步骤S4；若当前工况所对应的采样通道(203)的采样时间总和小于当前工况的采样阈值，则直接执行步骤S4；

S4：如果所有采样通道(203)均完成采样，则结束尾气颗粒物采样，否则，控制器(1)通过工况监测装置(4)获取移动源的当前工况，如果当前工况发生改变，则执行步骤S2，否则，重复步骤S3。

7.根据权利要求6所述的一种移动源尾气颗粒物自动采样方法，其特征在于，所述步骤S1和步骤S4中，通过工况监测装置(4)获取移动源的当前工况具体为：获取移动源的OBD信号，所述OBD信号包括发动机工作参数：发动机功率、发动机转速和扭矩；将OBD信号依次和各个工况限值区间对比，若OBD信号属于一个工况限值区间，则将该工况限值区间所对应的工况作为移动源的当前工况。

8.根据权利要求7所述的一种移动源尾气颗粒物自动采样方法，其特征在于，各个工况限值区间是根据移动源的型号预设置的。

9.根据权利要求6所述的一种移动源尾气颗粒物自动采样方法，其特征在于，所述步骤S2中，获取当前工况的延时时间t_d具体为获取流量计(3)测量得到的实时尾气流量Q_e，根据实时尾气流量Q_e和排气系统的容积V_e计算当前工况的延时时间t_d，计算公式为：

t_d＝V_e/Q_e

其中，排气系统的容积V_e是在进行尾气颗粒物采样之前测量的，t₀为发动机启动时刻，t₁为流量计(3)第一次测量得到尾气的时刻，Q为t₀时刻至t₁时刻流量计(3)测量得到的实时尾气流量。

10.根据权利要求6所述的一种移动源尾气颗粒物自动采样方法，其特征在于，所述步骤S3中，采样阈值是根据移动源的型号和当前工况的排放速率预设置的。

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