矿用柴油机车一氧化碳尾气实时检测技术研究

刘隽宁 朱锋

（国能神东煤炭集团有限责任公司 陕西省榆林市 719315）

国家生态环境部于2018年发布了《GB17691-2018 重型柴油车污染物排放限值及测量方法(第六阶段)》，规定了重型柴油机车尾气的排放限值标准。根据环保部统计年鉴，2020年全国机动车一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、颗粒物(PM)、碳氢化物(HC)四项污染物排放核算达到1593.0万吨，其中CO 排放769.7 万吨，是汽车尾气排放污染物中最主要的组成部分。

矿用防爆柴油车是广泛应用于煤矿井下的辅助运输车辆，近年来的保有量越来越多，尾气排放的污染问题也日益凸显，对防爆柴油机车尾气排放实时检测及监控已经成为矿山辅助运输管理的当务之急。对于相对密闭的煤矿井下应用场所，柴油机车尾气中的CO 对人员的伤害尤其需要重视，所以对柴油机车尾气中CO 的实时检测及报警保护是一个迫切的应用需求。

对于CO 气体检测，目前业界常用的CO 传感器采用电化学技术原理，其具有灵敏度高、精度高、误差小等优点，是目前最优选及最广泛的技术方案。电化学传感器本质上是一种微燃料电池，基本原理是两个电极浸没在电解液中，CO 气体扩散进入传感器在两个电极分别发生氧化和还原反应，进而产生电位差，通过测量两个电极的电压，进而测量CO 浓度。基于CO 传感器的工作原理，其工作温度范围不超过60℃，而柴油机车尾气的温度可高达800℃，远超CO传感器的工作温度范围，所以柴油机尾气中的CO 气体实时检测是一个非常棘手的工程问题。

基于长期在国家能源集团下属煤矿的工作经验，通过对传感器技术研究及柴油机车尾气实时检测工程问题分析，开发了一套完整的矿用柴油机车尾气CO 实时检测的解决方案，并研发了一款可应用于煤矿井下复杂应用环境、符合安标技术规范要求的本质安全型防爆尾气实时监测装置，解决了柴油机车尾气中高温CO 的实时检测和报警保护的问题。

1 技术方案

图1是实现柴油机车尾气中CO 实时监测装置的系统框图，装置主要由本安电源单元、尾气取样及冷却单元、CO检测及数据采集单元、主控制器单元组成。各个单元的主要功能：

图1：一氧化碳实时检测装置系统框图

（1）本安电源单元：通过本安防爆设计，确保设备符合煤矿本安设计规范的要求，为检测装置供电。

（2）尾气取样及冷却单元：通过特殊的结构设计，配合可精确控制的微机电气泵，实现柴油机车尾气的实时取样、冷却降温，获取满足检测要求的尾气样本。

（3）CO 检测及数据采集单元：采用独立气室设计，储存冷却后的尾气样本，配合内置的CO 电化学传感器及数据采集电路，确保尾气检测的稳定性及准确性；

（4）主控制器单元：作为系统的控制核心，主要包括三个业务模块，分别是尾气温度监测及微机电气泵控制模块、CO 数据处理模块、CAN 接口协议处理模块，实现精确的尾气取样控制、精确的取样尾气温度控制及CO 数据的预处理及传输。

设计的总体技术方案工作流程：

（1）通过微机电气泵抽气及排气实现尾气自动取样及净化；

（2）取样尾气经过优化设计的冷却装置对所取样的尾气进行降温，并实时监测所取样气体的温度，采用闭环控制算法控制微机电气泵，使得所取样尾气温度控制在传感器额定工作温度范围内，以解决电化学CO 传感器工作温度范围低于实时排放尾气的温度的问题，确保传感器的正常工作；

（3）通过优化设计的气室结构，配合主控制器单元的相关数据处理算法，实现柴油机车尾气的数据采集，并将实时检测数据的实时上传。

2 技术方案详细设计

2.1 本安电源单元

本安电源单元框图见图2所示。遵照本质安全型防爆设计规范要求进行电路设计，实现矿用本安型防爆装置。

图2：一氧化碳实时检测装置本安电源设计框图

本安电源单元采用宽电压设计，满足12V/24V 车载电压范围设计，使得装置兼容各种电压范围柴油机安装及使用。电源采用过压保护，防反接设计，消除车辆各种电源域干扰及保护，确保设备工作的可靠性和稳定性。

板上DC-DC 及LDO 电路设计，将车辆输入电压降压为5V/3.3V，工作电流按照80%降额设计，以满足设备的电气功耗要求。其中5V 电源最大支持3A，满足本装置大功率电气部件供电要求；LDO 最大支持1A，以满足本装置主控单元的供电要求。

双级本安保护电路采用晶闸管及大功率稳压二极管组合电路，以符合本安电路的故障诊断及保护要求，一级电路故障后可以有效短接保护，确保不损害后级电路以及防电火花点火隐患。

2.2 尾气取样及冷却模块设计

目前柴油机车尾气温度最高可达到800℃，远远超过电化学CO 传感器最高不超过60℃的工作温度范围，若电化学CO 传感器直接检测柴油机车尾气可造成传感器探头的永久性损坏。故本单元通过结构设计，配合电子电气控制融合的技术方案来实现高温尾气的取样及冷却，有效获取可满足实时检测的CO 样本气体。

柴油机车尾气取样及冷却模块主要实现方案框图参见图1，主要方案如下：

（1）按照矿用防爆柴油车的技术规范要求，尾气排气需要通过冷却水箱降温，降温后经过冷却水箱后的尾气温度可以降低到80℃左右。

冷却水箱每日维护，一个班次冷却水箱的水排空。由于CO 在水中的溶解度为0.002838g，几乎不溶于水，冷却水对气体的CO 浓度测试精度几乎没有影响。通过现场柴油机车恒定转速下的静态场景验证，未经过冷水箱的尾气及经过冷水箱后的尾气测试，尾气中CO 的浓度测试结果基本一致。

在经过冷却水箱后的柴油机车排气管处开孔，将一段铜质的环形冷却装置一端通过铜管与尾气排气管连接，连接处采用预制件隔热，防止机车尾气排气管本身的热量传导至环形冷装置处，造成冷却装置温度升高，利用铜金属的导热性快、可塑性强的特点，对机车尾气进行二次降温。

铜金属环形管的长度为3M，管内径约4mm。按照此配置一次取样所需气体流量(V)为：

V：气体流量，单位为mL;

r：管道半径，单位为cm;

L：管道长度，单位为cm;

二次冷却装置的设计指标为温度降低50℃，按照微机电气泵吸气流量以及对应的冷却设计指标，二次冷却装置需要满足的冷却热量为：

Q 为空气吸收的热量，单位为焦耳(J);

m 为空气密度1.29kg/m；

c 空气比热容，约为1000 J/(kg.℃)；

Δt 为温度差值，单位为℃。

按照热功耗转换关系，热功耗为9.675W•s。

微机电气泵抽气流量最大为500mL/min，二次冷却装置采用高效插片散热器以增加散热面积。按照牛顿冷却定律：

Q 为换热量，单位为W；

A 为热接触表面积，单位m;

h 为换热系数，单位W/(m•K);

Th 为散热器平均温度；

Ta 为空气温度。

采用自然冷却方式，h 约为5W/(m*K)，空气温度Ta 取25℃，散热器平均温度取40℃，则散热器面积计算为：

按照降额80%的设计容限，采用总散热面积为0.16 平方米的插片散热器。

（2）装置采用可精确控制的双向微机电气泵，微机电气泵可以在电气控制下实现抽气及排气、抽气及排气流量控制。微机电气泵一端通过前置管道与排气管连接，另一个端与独立气室连接。该气室用于储存所取样的柴油机车尾气，确保所检测尾气样本处于稳定状态，使得CO 检测数据稳定、可靠、准确及一致性高。

（3）在进气端放置一个高精度温度传感器，该温度传感器数据传输至主控制器，由控制器内部的“尾气温度检测及微机电气泵控制模块”单元对气体温度的实时监测，并通过控制算法实现对微机电气泵的控制，确保CO 传感器检测气体符合工作温度范围，并能实现气室内检测尾气样本的稳定性。

2.3 一氧化碳检测及数据采集单元

柴油机车尾气CO检测及数据采集模块置于独立气室内，含一个CO 电化学传感器及一套传感器信号采集处理电路板。CO 传感器探头检测气室内尾气的CO 含量，信号采集及处理电路将CO 传感器探头输出的小信号进行采集，并经过偏移消除、放大等处理，获取有效的CO 浓度数据。

信号采集及处理电路设计框图如图3所示。

图3：一氧化碳检测即数据采集模块设计

CO 电化学传感器检测气室内的尾气中的CO 含量，电化学电极产生小信号电势。由于负电极极化很慢，导致存在一定的偏移，即使在传感器正极信号稳定后，负电极信号仍然会发生偏移。通过增加偏置消除电路，确保每次检测过程中传感器的参考电极及负极低于100uV 的偏压，降低电化学传感器的稳定时间，提升响应时间及测试精度。

通过偏执消除电路处理后的传感器信号接入一个高精度运算放大电路将小信号进行放大，放大后信号经过模数转换器ADC 进行信号采集，将模拟信号转换为可传输和存储的数字量数据，数字量数据传输至处理模块的CPU 内部进行预处理，并通过接口协议转换，将采集并处理后的CO 数据输出至装置主控制器单元。

2.4 主控制器单元

主控制器单元是整个装置的控制核心，主要包括三大模块：

（1）尾气温度监测及微机电气泵控制模块；

（2）一氧化碳数据处理模块；

（3）CAN 接口协议处理模块。

2.4.1 尾气温度检监测及微机电气泵控制模块

尾气温度监测及微机电气泵控制模块的控制算法流程如图4所示。

图4：温度监测及微机电气泵模块控制算法流程图

第一步：上电初始化后，通过温度传感器实时检测所抽取气体的温度,若温度超过正常工作需要满足的起始温度阈值，主控制器控制微机电气泵排气，同时抽取空气来达到冷却散热装置的目的，并实时检测温度直到冷却装置温度低于起始工作温度阈值；该温度阈值是通过大量的实际测试得到的经验值，该起始温度阈值为不超过40℃。

第二步：当冷却装置温度满足起始工作温度后，控制单元控制微机电气泵抽气，并实时监测气体温度，若气体温度超过报警阈值55℃，则立即控制微机电气泵反转，抽取空气中的自然风冷却散热装置，并实时检测温度，直到环形冷却管温度低于起始工作温度阈值。

第三步：据前计算，所抽气体流量达到200ml 可确保获取尾气样本，通过脉冲宽度调制（PWM）降低微机电气泵的抽气流速，该抽气流速根据实际测试中辅助以专业的风速测量仪器，经过测试验证50ml/min 可确保气室中的尾气样本处于稳定的状态，进而确保CO 测试数据的稳定和精确。当完成尾气取样后，CO 传感器元件及对应的数据预处理模块采集CO 浓度数据，并实时传输至CO 数据处理模块。

在实际测量过程中，实时监测采集尾气温度，若温度超过报警阈值，则主控制单元立即控制微机电气泵反转，抽取空气中的自然风冷却散热装置，并实时检测温度，直到冷却装置温度低于起始工作温度阈值；

第四步：当完成当次尾气CO 数据采集后，立即控制微机电气泵排气，通过洁净的空气一方面清空气室中的尾气样本，为下一次尾气样本获取做准备，另一方面通过洁净空气清洁管道中的残留，防止在抽气过程中污染尾气样本，造成CO 实时监测数据的偏差。根据实际测试，排气时间设为10秒。

第五步：当完成气室及管道清洁后，重新循环执行，实现尾气气体样本的获取以及实时CO 浓度检测。

2.4.2 一氧化碳数据处理模块

CO 数据处理模块的主要功能是将采集到的实时CO 数据做预处理，剔除在数据测量过程中的异常数据，确保实时上传至平台端数据的准确性、稳定性及一致性。

基于前端的结构及数据预处理电路上的措施，有效提升了在一次测量周期中的数据的基本稳定及一致性。根据装置的前端数据采集设计以及采集数据分析，数据符合正态分布特征，CO 数据处理模块针对前端采集到的CO 浓度数据，算法采用拉依达(Pau’ta Criteron)法则以及均方根正态分布算法剔除异常数据，CO 数据处理模块的处理流程如下：

第一步：每个采样周期连续采样数据100 组；

第二步：计算采样数据的平均值，计算公式为：

第三步：计算采样数据的标准差，计算公式为：

在本算法中采用标准差作为σ，即σ=S。

第四步：剔除异常数据。

根据正态分布的3σ 法则，标准差是一组数据平均值分散程度的度量，一组数组的随机误差分布在(μ-3σ,μ+3σ)区间内的概率为99.7%。故按照3σ 法则来筛选异常数据，若数据偏离(μ-3σ,μ+3σ)区间的数据被认为是异常数据，对于异常数据采用剔除方法，即将数组内的所有数据与标准差做运算，若差值大于3σ 则认为该数据异常，剔除该数据。计算公式为：

第五步：有效数据上传。

按照算法剔除异常数据后的数据进行数据组包，传输至CAN 接口协议处理模块。

2.4.3 CAN 接口协议处理模块

CAN 接口协议处理模块是数据协议组织及数据上传模块，其主要功能是将CO 处理模块发送过来的数据进行本地缓存，然后按照配置的CAN 报文协议，将数据通过CAN接口协议打包，通过CAN 总线传输至上一级数据终端。

控制器的内部存储单元划分独立的配置文件空间，存储CAN 报文配置文件。

配置文件可选为DBC 或者XML 文件，配置文件可配置信息：

CAN 报文协议：可实现对CAN 报文的协议通讯；

CAN 报文波特率：可设置不同波特率。

3 结果验证

3.1 一氧化碳精度验证

为了更准确检验测试精度，采用CO 标准气样进测试验证，分别选择了3 种浓度CO 标样气体检验，每种气样采集5 组数据，检验结果如表1所示。

表1：CO 测试检验表

3.2 气体温度验证

实际安装于柴油机车排气管，间隔1 分钟统计机车运行过程中取样尾气温度，统计报表如图5所示。

图5：尾气取样温度

根据统计结果，开机约15 分钟后，尾气温度将达到正常工作温度，装置的温控算法有效的将取样尾气温度控制在CO 电化学传感器的工作温度范围内，满足设计指标要求。

4 结论

设计开发的矿用本安型柴油机车尾气CO 实时检测及报警保护装置，并通过实车试装测试及相关验证，满足设计指标要求。

（1）符合本安防爆技术规范要求，满足矿用柴油机车应用场景。

（2）通过水冷及二级冷却装置设计，配合气体流量控制及温度监测算法，解决了传统电化学CO 传感器无法应用于高温气体检测的痛点，解决了目前矿用柴油机车尾气CO实时检测的问题。

（3）通过创新型的尾气取样结构以及独立气室结构设计，融合微机电气泵流量控制算法，前端数据采集电路设计及数据处理算法，提升了柴油机车尾气CO 检测数据的可靠性、精确性、一致性。

（4）实验室测试及实车安装测试结果表明，所研制的本安型柴油机车尾气CO 实时检测装置具有良好的测试效果，为矿用井下柴油机车尾气实时检测技术提供了完整的解决方案，奠定了一定的理论和试验基础，具有现实的推广意义。