机动车颗粒物快速检测仪的研制

田卫东，谭建伟，葛蕴珊，郝利君，王 欣，王保军，宗磊强

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081；2.北京专用车辆研究所，北京 100072)

0 引言

机动车是人们日常生活中重要的交通工具，机动车的使用为国民经济的发展做出突出贡献的同时其尾气中的颗粒物也造成了严重的空气污染[1-4]。机动车尾气颗粒物的实际道路检测是规范机动车使用、减少机动车排放颗粒物对环境造成的污染的重要手段之一。目前，针对实际道路上机动车尾气中颗粒物的检测手段主要以烟度测量为主。随着技术的进步，机动车尾气烟度较之前有了明显的减小。但是，研究发现，机动车尾气中的颗粒物对环境造成的影响并没有随着尾气烟度的降低而明显减弱，其原因在于尾气中大量的细颗粒物对大气环境的影响虽然大，但包含大量细颗粒物的尾气却没有明显烟度[5-7]。因此，单纯的烟度测量已经无法满足机动车道路检测的要求，必须通过测量机动车尾气中颗粒物的质量浓度和数量浓度来对机动车尾气中颗粒物的浓度进行进一步的监管。

目前，测量机动车尾气中颗粒物浓度的设备主要有AVL483，OBS-ONE等。但这些设备存在着环境适应性差、不能同时测量尾气中颗粒物的质量浓度和数量浓度、不能测量发动机原排等缺点，无法与今后机动车颗粒物实际道路检测的要求相匹配。为此，本文重新设计了一款新的机动车尾气颗粒物快速检测仪。检测仪以电荷法作为颗粒物测量的基本原理同时对硬件电路和软件工作流程进行设计，实现了对机动车尾气中的颗粒物质量浓度和数量浓度的快速实时测量。

1 检测原理

之前的研究表明，空气可以被高压电离，颗粒物可以作为携带电荷的载体。所以本次设计的机动车颗粒物快速检测仪以电荷法为基本原理，其工作过程如图1所示，传感器内置的法拉第杯内安装有电晕充电器，清洁空气在静电头处被电晕产生的2 kV高压放电电离产生一定数量的正电荷，待测尾气由样气入口处进入传感器流经电子喉管时，空气电离产生的正离子和待测尾气中的颗粒物充分混合，与颗粒物结合的正离子随气流排出，剩余的自由正离子被位于中央的正极电压推向传感器壁面被传感器捕捉。当离子进入法拉第杯后会产生电流，电流的大小与颗粒物的数量浓度和质量浓度的关系如式(1)～式(3)所示[8-9]。因此通过测量放大后的电流即可算出尾气中颗粒物的质量浓度和数量浓度。

图1 检测仪的测量原理

(1)

CN=N/(vt)×106

(2)

(3)

式中：N为离子个数；t为响应时间，s；I为测得的电流大小，A；e为原电荷，e=1.6×10-19C；v为体积流量，m3/s；ρ为颗粒物平均密度，g/cm3；R为颗粒物的平均半径，m；CN为数量浓度，个/cm3；CM为质量浓度，mg/m3。

2 系统设计

本次开发的机动车颗粒物快速检测仪采用模块化设计[10]。检测仪主要由电源模块、进气模块、颗粒物快速检测模块、数据处理模块、数据存储电路、USB接口电路以及蓝牙通讯电路等组成。检测仪的总体结构如图2所示，开关控制着检测仪检测工作的开始，按下开机键后检测仪开始自动预热，预热完毕即可正常进行测量工作。在实际测量过程中，进气模块在将气体传送到颗粒物检测模块之前先对待测尾气进行预处理，去除其中掺杂的液态水、灰尘等杂质得到温度、湿度均符合测量要求的气体之后再将气体传送到颗粒物检测模块进行检测。得到初始测量数据之后，颗粒物快速检测模块将初始数据传递给数据处理模块进行分析处理，得到待测尾气中颗粒物质量浓度和数量浓度的连续测量结果之后，将测量结果反馈到颗粒物快速检测模块，通过液晶显示器进行显示，并自动存储。同时通过蓝牙通讯电路将测量数据显示在道路执法工作人员的执法终端，作为执法人员判断待测车辆是否符合国家排放标准的检测依据。

图2 快速检测仪基本结构

2.1 主要硬件电路

此次开发的机动车颗粒物快速检测仪采用24 V的直流电压进行供电，但是检测仪的部分零部件需采用5 V的直流电进行供电，且部分元件对直流电压的稳定性要求很高，因此必须对仪器的输出电压进行设计，在输出稳定电压的同时消除纹波。检测仪的电源电路如图3所示，电流流经保护电阻Rx和二极管D1进入LM2596型开关电压调节器，瞬态抑制二极管D2的作用是防止电源电压正负极接反而引起电路故障，开关调节器将输入电压由24 V降低至8 V后，通过电感L1消除纹波之后经过LM1117低压差电压调节器输出5 V的固定电压，为目标元件供电。

图3 控制器电源电路

2.2 系统软件设计

结合实际道路执法检测工作的使用需求及用户体验等多方面因素，机动车实际道路快速检测仪的软件程序需进行合理地设计开发。本次设计使用KIT2编程器进行固件烧写和程序下载[11]。检测仪工作的主程序流程如图4所示。

图4 主程序流程图

除此之外，软件系统还包括其他子程序，例如，为保证测量结果的准确性，待测尾气进入检测仪时其压力应保持在一定的范围之内(145～155 kPa)，因此当仪器稳定工作时若其压力不符合检测要求，仪器的报警系统将会启动，直到操作人员将压力调整至满足检测要求的范围之后报警系统才会停止报错，实验才能继续正常进行。

3 实验测试及其结论

本次开发的机动车颗粒物快速检测仪主要用于对实际道路机动车尾气中颗粒物质量浓度和数量浓度的测量工作，为了保证测量结果的真实性和可靠性，检测仪分别在台架和实际道路条件下经过了稳定性及一致性测试。

3.1 发动机台架测试

发动机台架测试设备连接如图5所示，实验过程中检测仪和AVL483同时连接在同一台发动机上，发动机分别运行了国际统一规定的瞬态测试循环(WHTC循环)和稳态测试循环(WHSC循环)[12-13]。检测仪和AVL483同时对发动机尾气中颗粒物的质量浓度进行同步实时测量。通过对比检测仪与AVL483对尾气中颗粒物质量浓度的连续测量数据的相对大小来衡量检测仪测量结果的准确性，通过计算两种设备测量结果的相关性系数来衡量检测仪的测量稳定性。

图5 发动机台架测试设备连接图

(a)实时测量结果

(a)实时测量结果

2种循环下，检测仪和AVL483的测量结果和相关性分析分别如图6和图7所示，通过对2种仪器测量数据的分析可知：在2种测试循环下AVL483的测量结果(y)和检测仪的测量结果(x)分别满足如下关系式：

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

通过对测量数据的分析可知，虽然2种仪器的测量原理以及所测量颗粒物的粒径范围有所不同，但是，检测仪和AVL483对尾气中颗粒物质量浓度的测量结果在测量曲线反映出了明显的“同步性”。而相关性分析的结果表明，检测仪和AVL483的测量结果呈现出了明显的“线性化”的特点，在WHTC测试循环下2种仪器对于尾气中颗粒物质量浓度的测量结果的相关系数为99%，在WHSC测试循环下的相关系数为96%。所以，可以得出结论：本次设计的便携式机动车颗粒物检测仪符合国家对检测设备测量准确性方面的要求。

3.2 实际道路测试

在实际道路检测过程中，检测仪可能受到高温、高寒等环境条件的影响从而无法准确地测量出待测尾气中颗粒物的浓度。因此在保证了检测仪在台架测试条件下的稳定性和一致性后还应对实际道路下检测仪的稳定性和一致性进行分析评价。

颗粒捕集器(DPF)是降低重型车尾气中颗粒物浓度的后处理设备之一，在正常工作的情况下DPF对机动车尾气中颗粒物数量的脱除率可以达到85%以上，出现部分老化或发生故障时DPF对颗粒物的脱除率会明显降低。为了判断机动车颗粒物快速检测仪在实际道路下的稳定性和一致性，检测仪分别对经过DPF处理前后的尾气中颗粒物的数量浓度进行测量。之后将根据测量结果计算出的脱除率与理论上不同工作状态的DPF的脱除率进行比较，以判断检测仪在实际道路检测工作中的稳定性和一致性。实验过程中发动机转速、DPF的已知工作状态以及测量结果如表1所示。

表1 经过DPF处理前后尾气中颗粒物数量浓度对比数据表

根据表1的实验结果可知，根据检测仪的测量结果所计算出的脱除率的大小符合DPF的实际工作状态。所以，可以得出结论：检测仪可以在实际道路检测工作中稳定地运行，并能准确测量出尾气中颗粒物的浓度。

4 结论

本文通过硬件系统设计和软件编程实现了对机动车尾气颗粒物的质量浓度和数量浓度的同步实时测量，同时实现了对测量数据的连续处理和实时传输。开发出的机动车颗粒物快速检测仪具有测量精度高、环境适应性强等优点。机动车颗粒物快速检测仪的开发不仅为机动车尾气中颗粒物浓度的测量提供了新的测量工具，同时有力地推动了实际道路执法检测工作的进行，为进一步加强对机动车排放污染物的监管发挥着重要的作用。