機動車顆粒物快速檢測儀的研制

田衛(wèi)東，譚建偉，葛蘊珊，郝利君，王 欣，王保軍，宗磊強

(1.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081；2.北京專用車輛研究所，北京 100072)

0 引言

機動車是人們日常生活中重要的交通工具，機動車的使用為國民經濟的發(fā)展做出突出貢獻的同時其尾氣中的顆粒物也造成了嚴重的空氣污染[1-4]。機動車尾氣顆粒物的實際道路檢測是規(guī)范機動車使用、減少機動車排放顆粒物對環(huán)境造成的污染的重要手段之一。目前，針對實際道路上機動車尾氣中顆粒物的檢測手段主要以煙度測量為主。隨著技術的進步，機動車尾氣煙度較之前有了明顯的減小。但是，研究發(fā)現，機動車尾氣中的顆粒物對環(huán)境造成的影響并沒有隨著尾氣煙度的降低而明顯減弱，其原因在于尾氣中大量的細顆粒物對大氣環(huán)境的影響雖然大，但包含大量細顆粒物的尾氣卻沒有明顯煙度[5-7]。因此，單純的煙度測量已經無法滿足機動車道路檢測的要求，必須通過測量機動車尾氣中顆粒物的質量濃度和數量濃度來對機動車尾氣中顆粒物的濃度進行進一步的監(jiān)管。

目前，測量機動車尾氣中顆粒物濃度的設備主要有AVL483，OBS-ONE等。但這些設備存在著環(huán)境適應性差、不能同時測量尾氣中顆粒物的質量濃度和數量濃度、不能測量發(fā)動機原排等缺點，無法與今后機動車顆粒物實際道路檢測的要求相匹配。為此，本文重新設計了一款新的機動車尾氣顆粒物快速檢測儀。檢測儀以電荷法作為顆粒物測量的基本原理同時對硬件電路和軟件工作流程進行設計，實現了對機動車尾氣中的顆粒物質量濃度和數量濃度的快速實時測量。

1 檢測原理

之前的研究表明，空氣可以被高壓電離，顆粒物可以作為攜帶電荷的載體。所以本次設計的機動車顆粒物快速檢測儀以電荷法為基本原理，其工作過程如圖1所示，傳感器內置的法拉第杯內安裝有電暈充電器，清潔空氣在靜電頭處被電暈產生的2 kV高壓放電電離產生一定數量的正電荷，待測尾氣由樣氣入口處進入傳感器流經電子喉管時，空氣電離產生的正離子和待測尾氣中的顆粒物充分混合，與顆粒物結合的正離子隨氣流排出，剩余的自由正離子被位于中央的正極電壓推向傳感器壁面被傳感器捕捉。當離子進入法拉第杯后會產生電流，電流的大小與顆粒物的數量濃度和質量濃度的關系如式(1)～式(3)所示[8-9]。因此通過測量放大后的電流即可算出尾氣中顆粒物的質量濃度和數量濃度。

圖1 檢測儀的測量原理

(1)

CN=N/(vt)×106

(2)

(3)

式中：N為離子個數；t為響應時間，s；I為測得的電流大小，A；e為原電荷，e=1.6×10-19C；v為體積流量，m3/s；ρ為顆粒物平均密度，g/cm3；R為顆粒物的平均半徑，m；CN為數量濃度，個/cm3；CM為質量濃度，mg/m3。

2 系統設計

本次開發(fā)的機動車顆粒物快速檢測儀采用模塊化設計[10]。檢測儀主要由電源模塊、進氣模塊、顆粒物快速檢測模塊、數據處理模塊、數據存儲電路、USB接口電路以及藍牙通訊電路等組成。檢測儀的總體結構如圖2所示，開關控制著檢測儀檢測工作的開始，按下開機鍵后檢測儀開始自動預熱，預熱完畢即可正常進行測量工作。在實際測量過程中，進氣模塊在將氣體傳送到顆粒物檢測模塊之前先對待測尾氣進行預處理，去除其中摻雜的液態(tài)水、灰塵等雜質得到溫度、濕度均符合測量要求的氣體之后再將氣體傳送到顆粒物檢測模塊進行檢測。得到初始測量數據之后，顆粒物快速檢測模塊將初始數據傳遞給數據處理模塊進行分析處理，得到待測尾氣中顆粒物質量濃度和數量濃度的連續(xù)測量結果之后，將測量結果反饋到顆粒物快速檢測模塊，通過液晶顯示器進行顯示，并自動存儲。同時通過藍牙通訊電路將測量數據顯示在道路執(zhí)法工作人員的執(zhí)法終端，作為執(zhí)法人員判斷待測車輛是否符合國家排放標準的檢測依據。

圖2 快速檢測儀基本結構

2.1 主要硬件電路

此次開發(fā)的機動車顆粒物快速檢測儀采用24 V的直流電壓進行供電，但是檢測儀的部分零部件需采用5 V的直流電進行供電，且部分元件對直流電壓的穩(wěn)定性要求很高，因此必須對儀器的輸出電壓進行設計，在輸出穩(wěn)定電壓的同時消除紋波。檢測儀的電源電路如圖3所示，電流流經保護電阻Rx和二極管D1進入LM2596型開關電壓調節(jié)器，瞬態(tài)抑制二極管D2的作用是防止電源電壓正負極接反而引起電路故障，開關調節(jié)器將輸入電壓由24 V降低至8 V后，通過電感L1消除紋波之后經過LM1117低壓差電壓調節(jié)器輸出5 V的固定電壓，為目標元件供電。

圖3 控制器電源電路

2.2 系統軟件設計

結合實際道路執(zhí)法檢測工作的使用需求及用戶體驗等多方面因素，機動車實際道路快速檢測儀的軟件程序需進行合理地設計開發(fā)。本次設計使用KIT2編程器進行固件燒寫和程序下載[11]。檢測儀工作的主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

除此之外，軟件系統還包括其他子程序，例如，為保證測量結果的準確性，待測尾氣進入檢測儀時其壓力應保持在一定的范圍之內(145～155 kPa)，因此當儀器穩(wěn)定工作時若其壓力不符合檢測要求，儀器的報警系統將會啟動，直到操作人員將壓力調整至滿足檢測要求的范圍之后報警系統才會停止報錯，實驗才能繼續(xù)正常進行。

3 實驗測試及其結論

本次開發(fā)的機動車顆粒物快速檢測儀主要用于對實際道路機動車尾氣中顆粒物質量濃度和數量濃度的測量工作，為了保證測量結果的真實性和可靠性，檢測儀分別在臺架和實際道路條件下經過了穩(wěn)定性及一致性測試。

3.1 發(fā)動機臺架測試

發(fā)動機臺架測試設備連接如圖5所示，實驗過程中檢測儀和AVL483同時連接在同一臺發(fā)動機上，發(fā)動機分別運行了國際統一規(guī)定的瞬態(tài)測試循環(huán)(WHTC循環(huán))和穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)(WHSC循環(huán))[12-13]。檢測儀和AVL483同時對發(fā)動機尾氣中顆粒物的質量濃度進行同步實時測量。通過對比檢測儀與AVL483對尾氣中顆粒物質量濃度的連續(xù)測量數據的相對大小來衡量檢測儀測量結果的準確性，通過計算兩種設備測量結果的相關性系數來衡量檢測儀的測量穩(wěn)定性。

圖5 發(fā)動機臺架測試設備連接圖

(a)實時測量結果

(a)實時測量結果

2種循環(huán)下，檢測儀和AVL483的測量結果和相關性分析分別如圖6和圖7所示，通過對2種儀器測量數據的分析可知：在2種測試循環(huán)下AVL483的測量結果(y)和檢測儀的測量結果(x)分別滿足如下關系式：

yWHTC=0.994 3x+0.014
yWHSC=0.961x-0.18

通過對測量數據的分析可知，雖然2種儀器的測量原理以及所測量顆粒物的粒徑范圍有所不同，但是，檢測儀和AVL483對尾氣中顆粒物質量濃度的測量結果在測量曲線反映出了明顯的“同步性”。而相關性分析的結果表明，檢測儀和AVL483的測量結果呈現出了明顯的“線性化”的特點，在WHTC測試循環(huán)下2種儀器對于尾氣中顆粒物質量濃度的測量結果的相關系數為99%，在WHSC測試循環(huán)下的相關系數為96%。所以，可以得出結論：本次設計的便攜式機動車顆粒物檢測儀符合國家對檢測設備測量準確性方面的要求。

3.2 實際道路測試

在實際道路檢測過程中，檢測儀可能受到高溫、高寒等環(huán)境條件的影響從而無法準確地測量出待測尾氣中顆粒物的濃度。因此在保證了檢測儀在臺架測試條件下的穩(wěn)定性和一致性后還應對實際道路下檢測儀的穩(wěn)定性和一致性進行分析評價。

顆粒捕集器(DPF)是降低重型車尾氣中顆粒物濃度的后處理設備之一，在正常工作的情況下DPF對機動車尾氣中顆粒物數量的脫除率可以達到85%以上，出現部分老化或發(fā)生故障時DPF對顆粒物的脫除率會明顯降低。為了判斷機動車顆粒物快速檢測儀在實際道路下的穩(wěn)定性和一致性，檢測儀分別對經過DPF處理前后的尾氣中顆粒物的數量濃度進行測量。之后將根據測量結果計算出的脫除率與理論上不同工作狀態(tài)的DPF的脫除率進行比較，以判斷檢測儀在實際道路檢測工作中的穩(wěn)定性和一致性。實驗過程中發(fā)動機轉速、DPF的已知工作狀態(tài)以及測量結果如表1所示。

表1 經過DPF處理前后尾氣中顆粒物數量濃度對比數據表

根據表1的實驗結果可知，根據檢測儀的測量結果所計算出的脫除率的大小符合DPF的實際工作狀態(tài)。所以，可以得出結論：檢測儀可以在實際道路檢測工作中穩(wěn)定地運行，并能準確測量出尾氣中顆粒物的濃度。

4 結論

本文通過硬件系統設計和軟件編程實現了對機動車尾氣顆粒物的質量濃度和數量濃度的同步實時測量，同時實現了對測量數據的連續(xù)處理和實時傳輸。開發(fā)出的機動車顆粒物快速檢測儀具有測量精度高、環(huán)境適應性強等優(yōu)點。機動車顆粒物快速檢測儀的開發(fā)不僅為機動車尾氣中顆粒物濃度的測量提供了新的測量工具，同時有力地推動了實際道路執(zhí)法檢測工作的進行，為進一步加強對機動車排放污染物的監(jiān)管發(fā)揮著重要的作用。