非道路移动机械透射式烟度计研究与实现

刘松良

摘 要：透射式烟度计因使用安全和高效，以及测量非道路移动机械颗粒排放准确度高等优点得到广泛应用。但非道路移动机械工作地點和环境特殊，因此，透光式烟度计的设计要求非常苛刻。通过分析非道路移动机械的工作机理，使用最优化设计方法来研发透射式烟度计，从而使测量结果取得较好的精确度。

关键词：非道路移动机械；透射式烟度计；自由加速烟度；最优化设计方法；柴油机

0 引言

非道路移动机械是社会主义现代化建设的重要装备，广泛应用在矿山开采、路桥建设和城市建筑中，如沥青摊铺机械、挖掘机械、铲土运输机械、起重机械、叉车、压实机械、路面施工与养护机械、混凝土机械、掘进机械、桩工机械、高空作业机械、凿岩机械等。近年来，随着我国城市化进程加快，非道路移动机械总量猛增，加上非道路移动机械以柴油机为动力、工况复杂且排放控制技术水平较差，尾气排放比道路车辆高许多。非道路移动机械排出的颗粒物大且含有多种有毒物质，已成为大气污染环境、危害人民身体健康的主要来源之一。2020年，我国对新生产非道路移动机械实施国四排放标准；有鉴于此，本文主要采用最优化设计方法来研发透射式烟度计，用于非道路移动机械颗粒排放的检测，并以此来衡量非道路移动机械的颗粒排放水平。透射式烟度计具有操作简便、响应速度快、适应性好、安全可靠等优点。

1 非道路移动机械烟度检测原理和方法

由于非道路移动机械的特殊性，自由加速工况排气烟度测试更适合非道路移动机械的烟度测量。

自由加速烟度测试要求在很短的时间内迅速使柴油机的喷油量达到最大（油门踏板1 s踩到底），使柴油机急剧加速至最高额定转速并保持最高转速3 s，然后立即松开油门踏板，使柴油机恢复至怠速状态。在自由加速工况下，油量剧烈变化，系统控制进排气的响应时间最少，即工况最恶劣。所以，自由加速烟度测量的烟度值是非道路移动机械在实际使用过程中排出的最大烟度。使用自由加速烟度测量的方法可有效评价非道路移动机械的碳烟甚至颗粒污染物排放。

2 非道路移动机械透射式烟度计设计

整个设备包括上位机和下位机。下位机主要是对机动车排放的烟气进行连续测量，动态反映排气污染物的变化，并且把测量结果传给显示部分进行人机交互。下位机设计主要分五大模块：CPU主从控制模块、通信模块、电池供电模块、温度测量控制模块、烟气透过率测量模块。上位机设计主要是人机界面、测量数据串口输出和打印等。根据非道路移动机械的特殊工作机理，本文主要论述非道路移动机械透射式烟度计的CPU主从控制模块、电池供电模块、通信模块的设计。

2.1 CPU主从控制模块设计

如图1所示，主要解决上位机控制、下位机控制、上位机和下位机之间的通信等。

2.2 电池供电模块设计

非道路移动机械工作地点一般无法提供市电供电电源，所有必须有独立电源设计。本文选取的电源模块为：多个新型磷酸铁锂动力电池串联，单个电池电压为3.0 V，串联15个电池后电源电压为45 V，可以满足整个仪器野外供电。

2.3 通信模块设计

为保持测量数据的真实有效，测量数据必须实时发送给相关监控部门，所以通信采用无线WiFi实时发送测量数据，安全可靠。

2.4 软件设计采用最优化设计方法

主要包括温度测量控制模块、烟气透过率测量模块、CPU主从控制模块、通信模块、电池供电管理模块等。

2.4.1 温度测量控制模块

主要功能是控制、测量气室的温度以及烟气的温度。仪器上电时温度量控制模块给气室加热，当气室温度达到75 ℃时，烟度计的风扇开始工作，同时气室温度保持在75 ℃。

2.4.2 烟气透过率测量原理

控制电路给黄绿色LED灯泡供电（10 Hz方波），LED发出光线经过有烟气的光通道后照射在光电池上，通过采集光电池上的电信号，测出烟气透过率。

3 试验结果对比分析

研究对象为徐工RP903S型沥青摊铺机，试验用的一台RP903S相关技术参数为：生产年份2019年，额定功率164 kW，额定转速（2 000 r/min）。

本文设计的透射式烟度计为：佛山翰创检测仪器有限公司MKT601B型。试验对比烟度测量设备使用日本HORIBA公司生产的MEXA-600S型便携式不透光烟度计和另一款国产NHT-6P型不透光烟度计。测量结果见表1。

4 结束语

1）本试验的目的是检验佛山翰创MKT601B型非道路移动机械透射式烟度计的设计性能，主要是测量精确度。通过与日本HORIBA公司生产的MEXA-600S型便携式不透光烟度计和另一款国产NHT-6P型不透光烟度计在同样测试环境和测试条件下的对比，佛山翰创MKT601B型透射式烟度计不仅达到国家标准要求，而且性能比其他不透光烟度计好。

2）佛山翰创MKT601B型非道路移动机械透射式烟度计打破国外垄断，拥有完全知识产权，在环境监测和环保方面具有一定的社会经济价值。

3）佛山翰创MKT601B型非道路移动机械透射式烟度计在电池续航能力上还有待提升，目前电池支持6 h续航。

参考文献：

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