汽车排气分析流量计.doc

汽车排气分析流量计一、概述轻型汽油车简易瞬态工况污染物排放检测系统（简称 Vmas 系统）是基于轻型汽油车污染物质 量排放的测试系统。与基于浓度排放测试的汽油车稳态加载污染物排放系统（简称 ASM 系统）相 比，Vmas 系统能够直接获取汽车污染物的排放总质量，可以更为准确地模拟车辆实际的工作状 态，更客观、公正地判断车辆的排放状态。 Vmas 系统由可以模拟加速惯量和道路行驶阻力的底盘测功机、专用汽车排气（五气）分析 仪、汽车排气分析流量计（以下简称流量计）、计算机控制系统组成。用底盘测功机以模拟车量在 道路上行驶瞬态工况负荷，用通过汽车排气（五气）分析仪采样探头直接获取汽车原始排放气体 CO、CO2、HC、NO、O2 浓度值，用流量计测量经过风机抽入流量测量管稀释气体流量、压力、温 度、稀释氧浓度(其中稀释气体由除去进入汽车排气分析仪的汽车尾气之外，剩余尾气和环境混合 而成。通过测量汽车排出原始气体 O2 浓度和混合稀释气体 O2 浓度计算稀释前后稀释气体的稀释 比，可以得到汽车排放实际流量，再利用气体状态方程 pV=MRT/计算出汽油车尾气中 NOX 、 CO、HC 单位时间（路程）内质量（检测结果为 g/km），可以实时分析车辆在道路负荷工况下排 放气体污染物排放质量，对于全面评价车量的排放状况、估算机动车污染物排放总质量及制定切实 可行的机动车污染物控制规划具有重要意义,其中 p 为气体压力（单位为：Pa），V 为气体体积 （单位为：m3），T 为气体温度（单位为：K），M 为气体质量（单位为：g），为 1 摩尔数气体 质量（单位为：g/mol），R 为常数（R=8.31J? mol-1? K-1）。 汽车排气分析仪检测器由 CO、CO2、HC 红外检测平台与 NO 红外检测平台或电化学传感器、 O2 电化学传感器等组成，其作用是用来测量汽车排出原始气体 CO、CO2、HC、NO、O2 的浓度 值。 图 1 4 流量计由气体采集软管、风机、流量测量管、流量传感器、（O2）氧化锆传感器、温度传感 器、压力传感器、废气排出软管组成，用来测量汽车排出剩余气体和空气混合气的流量、温度、压 力、稀释气体氧（O2）的浓度。 Vmas 硬件系统是在 ASM 系统基础加上流量计组成，根据汽车排气（五气）分析仪测得的 CO、CO2、HC、NO、O2 瞬间浓度值和流量计测得的混合气体瞬间流量、温度、压力、稀释气体 （氧）O2 浓度，通过积分求出污染物排放总质量。 Vmas 系统测量过程： 1. 模拟车辆实际行走工况 将被测车辆驶上底盘测功机，按相关标准控制底盘测功机给被测车辆加减载，按相关标准要求 行走速度线路图控制被测车辆的速度。 2. 汽车排出原始气体测量 将汽车排气（五气）分析仪取样探头插进汽油车排气管内，抽取汽车排出气体的原始气体，测 出汽车排出的原始气体中 CO、CO2、HC、NO、O2 的浓度值 CCO、CCO2、CHC、CNO、CO2Raw。 3混合气体的测量 利用风机通过气体采集软管，将汽油车排出全部剩余气体（除进入汽车排气（五气）分析仪的 尾气之外）和空气混合气体全部被抽进流量测量气管，测出混合气体瞬间流量、温度、压力、稀释 氧（O2）浓度 Vmix、Tmix、Pmix、CO2Dil。 4 稀释比 K 计算 利用环境氧（O2）浓度 CO2Back、汽油车排放气体中原始氧（O2）浓度 CO2Raw、稀释氧（O2） 浓度 CO2Dil 通过公式（1）计算出其气体的稀释比 K。 K= 式中：K 稀释比； CO 2back ? CO 2 dil CO 2back ? CO 2 raw （1） CO2 back 背景（环境）气体中氧气的浓度，单位为：10-2； CO2 dil 稀释气体中氧气的浓度，单位为：10-2； CO2 raw 排放气体中氧气的浓度，单位为：10-2； 5 气体流量转换 利用公式（2）将被测气体流量转换成标准状态下的流量； VS = Vmix pmix T0 p0 t mix + T0 （2） 式中：Vs 折合到标准状态下 Vmas 的流量，单位：m3/min； Vmix 流量计测量的气体流量，单位：m3/min； p0 标准大气压，单位：101325 Pa； T0 标准状态下的温度，单位：273.15K； pmix Vmas 测量的压力，单位：Pa； tmix Vmas 测量的温度，单位：； 5 6标准状态下汽油车排气（以下简称汽车排气）的流量； VsE = Vs K + Vraw praw T0 p0 t raw + T 0 （3） 式中：VSE 标准状态下汽车排气流量，单位：m3/min； Vs 标准状态下进入流量计气体流量，单位：m3/min； Vraw 被分流到汽车排气（五气）分析仪气体流量，单位：m3/min； p0 标准大气压，单位：101325 Pa； T0 标准状态下的温度，单位：273.15K； praw 红外检测平台测量的压力，单位：Pa； traw 红外检测平台测量的温度，单位：； K 气体稀释比 7气体浓度转换为单位时间的质量； AHC、NO2 单位时间（s）的质量： p0 C VSE ? 10 3 Mt = 60 R T0 式中： Mt 单位时间的气体质量，单位：mg/s； C 排气 HC 或 NO2 的浓度，单位：10-6； VSE 标准状态下汽车排气的流量，单位：m3/min； p0 标准大气压，单位：101325 Pa； T0 标准状态下的温度，单位：273.15K； （4） 为 1 摩尔气体的质量，单位为：g/mol，HC：86g/mol NO2：46g/mol； R 普适气体恒量，单位：8.31J? mol ? K ； BCO、CO2 单位时间（s）的质量： -1 -1 p0 C VSE ? 10 3 Mt = 60 R T0 式中：Mt 单位时间的气体质量，单位：毫克/秒（mg/s）； C 排气里的 CO 或 CO2 气体浓度，单位：10-2； VSE 标准状态下汽车排气的流量，单位：m3/min； p0 标准大气压，单位：101325 Pa； T0 标准状态下的温度，单位：273.15K； 为 1 摩尔气体的质量，单位为：g，CO：28g/mol CO2：44g/mol； R 普适气体恒量，单位：8.31J? mol ? K ； 8气体排气总量的计算 -1 -1 （5） 根据 Vmas 系统测量出来的各种气体单位时间（s）内瞬间质量经过积分计算出汽车每公理排 气总量。 6 二、流量检测系统特点、组成及各部份的作用 1 流量检测系统组成 如图 2 所示，流量检测系统由进气管、抽风机、流量测量管、扰流杆、超声波传感器、温度传 感器、氧化锆氧传感器、压力传感器、排气管等组成。 图 2 进气管是将汽车排放出来的全部尾气（除去进入汽车排气分析仪的气体）和空气混合气体导流入流量测量管的进气管道。 抽风机是用来抽取汽油车排放出来的全部尾气（除去进入汽车排气分析仪的气体）和空气混合气体，使其全部进入流量测量管内。 流量测量管（内装有扰流杆、超声波传感器、温度传感器、压力传感器、氧华锆传感器。）是汽油车排出的全部尾气（除去进入汽车排气分析仪的气体）和空气混合气的测量管道。 扰流杆是流量测量的重要主件之一，是流量测量的重要组成部分，是产生涡街旋涡的重要零件。 超声波传感器是流量测量传感器，流量信号就是依靠超声波传感器获得。 温度传感器是汽油车排放出的全部尾气（除去进入汽车排气分析仪的气体）和空气混合气体温度测量的传感器。 氧化锆传感器是汽油车排放出的全部尾气（除去进入汽车排气分析仪的气体）和空气混合气体氧浓度的测量传感器。 压力传感器是汽车排放出的全部尾气（除去进入汽车排气分析仪的气体）和空气混合气体压力测量的传感器。 7 排气管是将汽车排放出的全部尾气（除去进入汽车排气分析仪的气体）和空气混合气体通过检测系统后需要排到外面去的出气管道。 2 特点 采用原装进口超声波传感器，利用涡街测量原理进行气体流量测量，采用原装进口氧化锆进行 稀释气体氧浓度测量，流量和稀释氧测量稳定性好、测量精度高，完全达到美国 sensors 公司原装 进口 Vmas 流量计在稀释气体流量（m3/min）、稀释氧（O2 ）浓度（%）、温度（）、压力 （Pa）方面的测量技术要求，可以取代同类型的进口流量计，完全能够满足国家标准 GB185252005点燃式发动机汽车排气污染物排放限值与测量方法（双怠速法和简易工况法）、上海地方 标准 DB31/XX-XX点燃式在用汽车排气污染物排放限值与测量方法、北京地方标准 DB 11/1232000轻型汽油车简易瞬态工况排放标准测量要求。 三、流量测量原理 图 3 图 4 如图 3 所示。混合气体由流量测量管进口进入，经过扰流杆后产生涡街旋涡，对超声波发射传 感器发射的等幅高频超声波进行干涉，使超声波接收传感器接收到如图 4 所示的超声波。其中包络 线的频率就是经过扰流杆后所产生的涡街旋涡频率，经过扰流杆后产生涡街旋涡与气体的流量成正 8 比，气体流量大经过扰流杆后产生涡街旋涡就多，反之就少，通过电路进行解调，解调出包络线， 用单片机读出包络线的频率，就可以测出气体的流量。 四、主要技术参数（1）额定工作环境 a) 温度： 0 45 ； b) 相对湿度：90%； c) 大气压力：86.0kPa110.0kPa； d) 电源电压：AC 220 V22 V； e) 电源频率：50 Hz0.5Hz； （2）预热时间：20 min； （3）测量范围 a) 流量：（70160）L/s； b) O2： （ 0.525.0）%vol； c) 温度：-570； d) 压力：80.0kPa110.0kPa； （4）分辨率 a) 流量：0.1L/s； b) O2： 0.02% vol； c) 温度：0.2 d) 压力：0.2kPa； （5）示值误差 a) 流量：4%； b) O2： 5% (F.S)； c) 温度：1 d) 压力：3%； （6）重复性 a) 流量：2.0%； b) O2： 相对标准偏差应不大于 1.5%； （7）O2 响应时间 O2 响应时间20s （8）O2 稳定性 a) O2 零点飘移：2.5%(F.S)； b) O2 量距飘移：2.5(F.S)%； （9）压力回程误差 压力的回程误差应小于：3%； (10)消耗功率：1000W (11)外型尺寸：约1400mm（长）450mm（宽）810mm（高） （12）质量：约60kg 。 9 五、安装 1. 安放要求 将流量计安放在平坦、水平场地上。安放位置选定后，应把流量计底座上四个脚轮锁紧， 防止流量计在使用过程中发生移动。若要移动流量计则应松开底座上四个脚轮锁紧机构。 远离被测车辆行车通道的场地，防止检测过程中被检车辆撞坏流量计。 流量计须安放在通风的场地上，被测车辆排出的废气能快速排出检查现场。 流量计位置附近应留有一个直径大于120mm的废气排放口，以便安放排气管道，使被测车 辆排出的废气排到检测场外。 流量计摆放的位置附近应留有放置进气、抽气管道的空间。 2. 电源要求 流量计需要两组AC200V供电电源：一组用于流量计风机电机供电的AC220V动力电源；一 组是供其余部件使用的AC220V电源。这两组电源必需分开供电，用于风机供电的AC220V 电源最好采用动力电源；用于流量计其它部件供电的AC220V电源最好采用照明线路供 电。 流量计应安装在远离强磁场地方，防止电磁干扰。供电电源要有良好的接地端，避开干扰 源的影响。 流量计输出信号线、控制信号线与其它设备连接时，其它设备也要接好地线。 3. 气管安装 如图5所示。将排气管一端套在流量测量管废气排出口处，用管夹将连接处夹紧，使连接 处不漏气，将排气管另一端置于室外。 图 5 如图6所示。将进气管1其中一端套在风机进风口上，用管夹将连接处夹紧，使连接处不 漏气；将进气管1另一端套在三通上，用管夹将连接处夹紧，使连接处不漏气。 10 图 6 如图6所示：a)将进气管2、进气管3其中一端分别套在三通上，用管夹将连接处夹紧，使 连接处不漏气；b)将进气管2、进气管3另一端分别套在喇叭口连接管上，用管夹将连接 处夹紧，使连接处不漏气。 4. 电缆连接 a) 如图 7a 所示。将风机电机供电电缆连接到动力电源插座上； b) 如图 7b 所示。将流量计主机供电电缆连接到照明电源插座上； 图 7a 图 7b 图 8 c) 将通迅电缆接到流量计的 RS232 通信接口上，其中 RS232 接口的管脚定义如图 8 所示。 11 六、操作方法 打开风机电源开关，让风机预热 30 分钟，等风机流量基本稳定后再进行测量。（注： 风 注 机未开时不得将流量计进气 端的喇叭口套在被测车辆排气口上 以防被测汽油车辆排出的 汽油车辆排出 机未开时不得将 流量计进气端的喇叭口 套在被测车辆排气口上 ， 以防被测 汽油 车辆排出 的 废气 流量计 进气端的喇叭口 套在被测车辆排气口上， 含有的水蒸 在无环境空气混合的情况下，凝结在流量测量管里，损坏安装在流量测量管内 水蒸气 里 含有的 水蒸 气 在无环境空气混合 的 情况下 ， 凝结在流量测量管里 ， 损坏 安装在流量测量管内 各种传感器。 部 各种传感器 。 ） 打开流量计主机（流量测量管）电源开关，让流量测量管内部各测量部件预热 30 分 钟。（注 ： 主机 在预热过程中不得将 流量计 进气 端喇叭口 套在被测 汽油 车辆 废气 排 气 口上 ， 其 注 主机在预热过程中不得将流量计进气 端喇叭口套在被测汽油车辆废气排 口上， 在预热过程中不得将流量计进气端喇叭口套在被测汽油车辆废气 附近也不要停放发动机已起动的机动车 以防机动车排出的废气进入流量计 测量管道， 机动车， 机动车排出 流量计的 附近也不要停放发动机 已 起动的 机动车 ， 以防 机动车 排出 的 废气进入 流量计 的 测量管道 ， 影响 氧化锆自动调零。 氧化锆自动调零 。 ） 预热完毕后，通过流量计的串行通信口发送调零命令，使流量计调零。（注： 在调零过程 注 不得将流量计 气端喇叭口套在被测汽油车辆废气排气口上， 附近也不要停放发动机已 流量计进 中 不得将 流量计 进 气端喇叭口套在被测汽油车辆废气排气口上 ， 其 附近也不要停放发动机 已 起 的机动车， 以防机动车排出的废气进入流量计 测量管道，影响流量计调零， 致使流量计 机动车排出 流量计的 流量计调零 流量计测 动 的机动车 ， 以防 机动车 排出 的 废气进入 流量计 的 测量管道 ， 影响 流量计 调零 ， 致使 流量计 测 量不准。 量不准 。 ） 图 9 如图 9 所示。将流量计的喇叭口套在被测车辆废气排放管道上，让被测车辆排出的全 部废气一路通过取样软探头组件与取样管导入汽车排气分析仪，另一路则与空气混合后进入流 量测量管里（如图 10）。（注： 被测车辆为双排气管时 ， 应将 流量计 的两个进气喇叭口分别套 注 被测车辆为双排气管时，应将流量计 流量计的两个进气喇叭口分别套 在被测车辆的两个排气口上，让被车辆两个排气口排出的气体全部（除去导入汽车排气分析仪 导入汽车排气 在被测车辆的两个排气口上 ， 让被车辆两个排气口排出的气体全部 （除去导入汽车排气分析仪 的气体）进入 流量 流量计 被测车辆为单排气管时， 流量计的两个进气喇叭口中 的两个进气喇叭口中任 的气体）进入流量计 ； 被测车辆为单排气管时 ， 取 流量计 的两个进气喇叭口中 任 一个套在被测 车辆的排气口上，让被车辆排气口排出的气体全部（除去导入汽车排气分析仪的气体 进入流 导入汽车排气分析仪的气体） 车辆的排气口上 ， 让被车辆排气口排出的气体全部 （除去导入汽车排气分析仪的气体）进入 流 量计， 取下放置在另外一个喇叭口 上取样探头等组件， 另外一个喇叭口上取样探头等组件 悬挂在喇叭口上的橡胶塞子塞住 量计 ， 取下放置在 另外一个喇叭口 上取样探头等组件 ， 并 用 悬挂在喇叭口上的橡胶 塞子塞住 该样气出口。 该样气出口 。 ） 通过串行通信口发送取数命令，获取流量计实时测量的各种流量参数值。 12 图A FLA-502 A 汽车排气分析流量仪 管长2米 管长3米4米 FLA-502 FLV-1000 图10 13 七、仪器标定 1.标定前准备 配备标准气：浓度为16.0%O 2 (标定用气)、4.5%O 2 、19.0%O 2 (分别用检查示值误差)瓶装 标准气体各1瓶； 预热： (1)氧化锆、压力、温度标定时，要关闭风机电源，流量计主机电源开关置开。 (2)流量标定时，接通风机及主机电源，流量计主机通电预热不小于20min。 2.氧化锆标定 （1）如图11所示。将浓度约为4.5%的O2标准气通入氧化锆气室，控制标准气体流量（如无特 殊规定均按1L/min流量通入）。 （2）等待流量计读数稳定后，通过串行口O2标定命令输入O2浓度参数。 （3）将浓度约为16.0%的O2标准气通入氧化锆气室，控制标准气体的流量（如无特殊规定均按 1L/