田衛(wèi)東，譚建偉，葛蘊(yùn)珊，郝利君，王 欣，王保軍，宗磊強(qiáng)

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.北京專用車輛研究所，北京 100072)

0 引言

機(jī)動車是人們?nèi)粘Ｉ钪兄匾慕煌üぞ撸瑱C(jī)動車的使用為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出突出貢獻(xiàn)的同時(shí)其尾氣中的顆粒物也造成了嚴(yán)重的空氣污染[1-4]。機(jī)動車尾氣顆粒物的實(shí)際道路檢測是規(guī)范機(jī)動車使用、減少機(jī)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(shí)際道路上機(jī)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(shù)的進(jìn)步，機(jī)動車尾氣煙度較之前有了明顯的減小。但是，研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)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(xì)顆粒物對大氣環(huán)境的影響雖然大，但包含大量細(xì)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(jīng)無法滿足機(jī)動車道路檢測的要求，必須通過測量機(jī)動車尾氣中顆粒物的質(zhì)量濃度和數(shù)量濃度來對機(jī)動車尾氣中顆粒物的濃度進(jìn)行進(jìn)一步的監(jiān)管。

目前，測量機(jī)動車尾氣中顆粒物濃度的設(shè)備主要有AVL483，OBS-ONE等。但這些設(shè)備存在著環(huán)境適應(yīng)性差、不能同時(shí)測量尾氣中顆粒物的質(zhì)量濃度和數(shù)量濃度、不能測量發(fā)動機(jī)原排等缺點(diǎn)，無法與今后機(jī)動車顆粒物實(shí)際道路檢測的要求相匹配。為此，本文重新設(shè)計(jì)了一款新的機(jī)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(shí)對硬件電路和軟件工作流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)動車尾氣中的顆粒物質(zhì)量濃度和數(shù)量濃度的快速實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)的機(jī)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(nèi)置的法拉第杯內(nèi)安裝有電暈充電器，清潔空氣在靜電頭處被電暈產(chǎn)生的2 kV高壓放電電離產(chǎn)生一定數(shù)量的正電荷，待測尾氣由樣氣入口處進(jìn)入傳感器流經(jīng)電子喉管時(shí)，空氣電離產(chǎn)生的正離子和待測尾氣中的顆粒物充分混合，與顆粒物結(jié)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(dāng)離子進(jìn)入法拉第杯后會產(chǎn)生電流，電流的大小與顆粒物的數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度的關(guān)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(zhì)量濃度和數(shù)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(gè)數(shù)；t為響應(yīng)時(shí)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(shù)量濃度，個(gè)/cm3；CM為質(zhì)量濃度，mg/m3。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次開發(fā)的機(jī)動車顆粒物快速檢測儀采用模塊化設(shè)計(jì)[10]。檢測儀主要由電源模塊、進(jìn)氣模塊、顆粒物快速檢測模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲電路、USB接口電路以及藍(lán)牙通訊電路等組成。檢測儀的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，開關(guān)控制著檢測儀檢測工作的開始，按下開機(jī)鍵后檢測儀開始自動預(yù)熱，預(yù)熱完畢即可正常進(jìn)行測量工作。在實(shí)際測量過程中，進(jìn)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(jìn)行預(yù)處理，去除其中摻雜的液態(tài)水、灰塵等雜質(zhì)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(jìn)行檢測。得到初始測量數(shù)據(jù)之后，顆粒物快速檢測模塊將初始數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行分析處理，得到待測尾氣中顆粒物質(zhì)量濃度和數(shù)量濃度的連續(xù)測量結(jié)果之后，將測量結(jié)果反饋到顆粒物快速檢測模塊，通過液晶顯示器進(jìn)行顯示，并自動存儲。同時(shí)通過藍(lán)牙通訊電路將測量數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)的檢測依據(jù)。

圖2 快速檢測儀基本結(jié)構(gòu)

2.1 主要硬件電路

此次開發(fā)的機(jī)動車顆粒物快速檢測儀采用24 V的直流電壓進(jìn)行供電，但是檢測儀的部分零部件需采用5 V的直流電進(jìn)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(jìn)行設(shè)計(jì)，在輸出穩(wěn)定電壓的同時(shí)消除紋波。檢測儀的電源電路如圖3所示，電流流經(jīng)保護(hù)電阻Rx和二極管D1進(jìn)入LM2596型開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，瞬態(tài)抑制二極管D2的作用是防止電源電壓正負(fù)極接反而引起電路故障，開關(guān)調(diào)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(jīng)過LM1117低壓差電壓調(diào)節(jié)器輸出5 V的固定電壓，為目標(biāo)元件供電。

圖3 控制器電源電路

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際道路執(zhí)法檢測工作的使用需求及用戶體驗(yàn)等多方面因素，機(jī)動車實(shí)際道路快速檢測儀的軟件程序需進(jìn)行合理地設(shè)計(jì)開發(fā)。本次設(shè)計(jì)使用KIT2編程器進(jìn)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(tǒng)還包括其他子程序，例如，為保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，待測尾氣進(jìn)入檢測儀時(shí)其壓力應(yīng)保持在一定的范圍之內(nèi)(145～155 kPa)，因此當(dāng)儀器穩(wěn)定工作時(shí)若其壓力不符合檢測要求，儀器的報(bào)警系統(tǒng)將會啟動，直到操作人員將壓力調(diào)整至滿足檢測要求的范圍之后報(bào)警系統(tǒng)才會停止報(bào)錯(cuò)，實(shí)驗(yàn)才能繼續(xù)正常進(jìn)行。

3 實(shí)驗(yàn)測試及其結(jié)論

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

3.1 發(fā)動機(jī)臺架測試

發(fā)動機(jī)臺架測試設(shè)備連接如圖5所示，實(shí)驗(yàn)過程中檢測儀和AVL483同時(shí)連接在同一臺發(fā)動機(jī)上，發(fā)動機(jī)分別運(yùn)行了國際統(tǒng)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(shí)對發(fā)動機(jī)尾氣中顆粒物的質(zhì)量濃度進(jìn)行同步實(shí)時(shí)測量。通過對比檢測儀與AVL483對尾氣中顆粒物質(zhì)量濃度的連續(xù)測量數(shù)據(jù)的相對大小來衡量檢測儀測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過計(jì)算兩種設(shè)備測量結(jié)果的相關(guān)性系數(shù)來衡量檢測儀的測量穩(wěn)定性。

圖5 發(fā)動機(jī)臺架測試設(shè)備連接圖

(a)實(shí)時(shí)測量結(jié)果

(a)實(shí)時(shí)測量結(jié)果

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

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

通過對測量數(shù)據(jù)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(zhì)量濃度的測量結(jié)果在測量曲線反映出了明顯的“同步性”。而相關(guān)性分析的結(jié)果表明，檢測儀和AVL483的測量結(jié)果呈現(xiàn)出了明顯的“線性化”的特點(diǎn)，在WHTC測試循環(huán)下2種儀器對于尾氣中顆粒物質(zhì)量濃度的測量結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為99%，在WHSC測試循環(huán)下的相關(guān)系數(shù)為96%。所以，可以得出結(jié)論：本次設(shè)計(jì)的便攜式機(jī)動車顆粒物檢測儀符合國家對檢測設(shè)備測量準(zhǔn)確性方面的要求。

3.2 實(shí)際道路測試

在實(shí)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(zhǔn)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(yīng)對實(shí)際道路下檢測儀的穩(wěn)定性和一致性進(jìn)行分析評價(jià)。

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(shè)備之一，在正常工作的情況下DPF對機(jī)動車尾氣中顆粒物數(shù)量的脫除率可以達(dá)到85%以上，出現(xiàn)部分老化或發(fā)生故障時(shí)DPF對顆粒物的脫除率會明顯降低。為了判斷機(jī)動車顆粒物快速檢測儀在實(shí)際道路下的穩(wěn)定性和一致性，檢測儀分別對經(jīng)過DPF處理前后的尾氣中顆粒物的數(shù)量濃度進(jìn)行測量。之后將根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算出的脫除率與理論上不同工作狀態(tài)的DPF的脫除率進(jìn)行比較，以判斷檢測儀在實(shí)際道路檢測工作中的穩(wěn)定性和一致性。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、DPF的已知工作狀態(tài)以及測量結(jié)果如表1所示。

表1 經(jīng)過DPF處理前后尾氣中顆粒物數(shù)量濃度對比數(shù)據(jù)表

根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，根據(jù)檢測儀的測量結(jié)果所計(jì)算出的脫除率的大小符合DPF的實(shí)際工作狀態(tài)。所以，可以得出結(jié)論：檢測儀可以在實(shí)際道路檢測工作中穩(wěn)定地運(yùn)行，并能準(zhǔn)確測量出尾氣中顆粒物的濃度。

4 結(jié)論

本文通過硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件編程實(shí)現(xiàn)了對機(jī)動車尾氣顆粒物的質(zhì)量濃度和數(shù)量濃度的同步實(shí)時(shí)測量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對測量數(shù)據(jù)的連續(xù)處理和實(shí)時(shí)傳輸。開發(fā)出的機(jī)動車顆粒物快速檢測儀具有測量精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)動車顆粒物快速檢測儀的開發(fā)不僅為機(jī)動車尾氣中顆粒物濃度的測量提供了新的測量工具，同時(shí)有力地推動了實(shí)際道路執(zhí)法檢測工作的進(jìn)行，為進(jìn)一步加強(qiáng)對機(jī)動車排放污染物的監(jiān)管發(fā)揮著重要的作用。