專利名稱：大范圍連續(xù)稀釋器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對含有小顆粒的發(fā)動機(jī)廢氣或其他氣體的稀釋。
背景技術(shù)：
相關(guān)技術(shù)說明
為了表征發(fā)動機(jī)廢氣的顆粒物(PM)排放需要稀釋發(fā)動機(jī)廢氣。因為發(fā)動機(jī)排放高濃度 顆粒，必須以高稀釋比(通常大于100:1)稀釋發(fā)動機(jī)廢氣，從而達(dá)到特定顆粒數(shù)儀器的可測 量范圍。發(fā)動機(jī)廢氣顆粒物數(shù)濃度可能在大范圍內(nèi)變化。這是由于發(fā)動機(jī)技術(shù)和操作條件的 不同。為了滿足這些要求并獲得精確結(jié)果，必須具有大范圍稀釋能力。
典型的傳統(tǒng)局部流稀釋器用質(zhì)量流量控制器控制稀釋氣流和總混合氣流。通過從總混合 氣流中減去稀釋氣流計算樣品流。通過將總混合氣流除以計算出的樣品流計算稀釋比。在低 稀釋條件下，該方法能提供精確的稀釋比計算。
隨著稀釋比的增加，計算出的稀釋比的精確度會下降，這是由于總混合氣流和稀釋氣流 測量的不確定性的結(jié)果。這樣將導(dǎo)致對所述排放的非精確表征。因此，采用典型的傳統(tǒng)局部 流釋器的稀釋系統(tǒng)的使用被限制在較低的稀釋范圍，諸如40:1或更低。
由于上述原因，需要有經(jīng)改進(jìn)的稀釋器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于提供一種具有大范圍稀釋能力的稀釋含有小顆粒的發(fā)動機(jī)廢氣以 及其他氣體的精確方法。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種在高稀釋條件下保持精確性的稀釋器。
本發(fā)明設(shè)想一種經(jīng)改進(jìn)的局部流稀釋器。本發(fā)明的大范圍連續(xù)稀釋器允許稀釋比改變， 在優(yōu)選實施例中，從1:1到超過1000:1。稀釋比可以在大范圍內(nèi)連續(xù)控制，控制的方法是改 變混合后引入的小補(bǔ)充流的流速，這樣將使樣品流的流速發(fā)生改變。樣品流被直接測量，并 且因為是直接測量樣品流，稀釋器在整個操作范圍內(nèi)提供高度精確的稀釋比。
在實施本發(fā)明中提供一種大范圍連續(xù)稀釋器。該稀釋器包括稀釋氣體入口，樣品氣入口
和用于混合稀釋氣體和樣品氣的混合器。該稀釋器進(jìn)一步包括混合氣出口，用于從混合器接 收混合氣流?？偦旌蠚饬饔衫缗R界測流孔或質(zhì)量流量控制器控制。稀釋氣流由例如質(zhì)量流 量控制器控制。精確定義的氣流(恒定或可變)從混合氣流流向測量儀器。
在混合器之后，向總混合氣流提供補(bǔ)充氣體的氣流。這樣，通過改變補(bǔ)充氣體的流速， 樣品流速也發(fā)生改變。該方法允許連續(xù)調(diào)節(jié)稀釋比。稀釋比可以在大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。樣品 流的測量用例如測流孔流量表進(jìn)行。結(jié)果，計算出的稀釋比在大稀釋范圍內(nèi)都達(dá)到精確。
如果針對具體應(yīng)用，則反饋控制回路可以控制稀釋比。舉例來說，當(dāng)系統(tǒng)要求恒定稀釋 比時，可以采用比例/積分/微分(PID)回路通過控制補(bǔ)充氣流控制稀釋比。
此外，可以理解，在優(yōu)選實施例中，由測流孔流量表測量樣品流速。在該情形中，可以 忽略在測流孔流量表中的顆粒損失。對跨測流孔流量表的壓降的精確探測通過針對稀釋比應(yīng) 用不同的測流孔流量表得到保證。最合適的流量表可以自動或人工選擇。
在本發(fā)明的另一個方面中，為了最小化高稀釋比下的小顆粒損失，本發(fā)明包括使用在測 流孔流量表上游的旁路流，以便減少氣流在傳輸線中的停留時間。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例制作的大范圍連續(xù)稀釋器；以及 圖2是說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例中的方法的方框圖。
具體實施例方式
在圖1中，優(yōu)選實施例的大范圍連續(xù)稀釋器總體表示為10。稀釋氣入口 12接收稀釋氣， 樣品氣入口 14接收樣品氣?；旌掀?6連接至稀釋氣入口 12和樣品氣入口 14,用于接收并 以一定的稀釋比混合氣體。稀釋氣的流速由質(zhì)量流量控制器18控制。測流孔流量表20測量 樣品氣流速。旁路流出口 22設(shè)置在流量表20的上游，以減少樣品氣流通過傳輸線15的停留 時間，該傳輸線將入口 14連接至預(yù)期的采樣源，例如發(fā)動機(jī)廢氣。
混合器16具有出口 30，所設(shè)置的儀器氣流出口 32提供進(jìn)入儀器的精確定義的氣流?；?合氣以由臨界測流孔34和真空源36提供的控制的流速流動。臨界測流孔34可以用質(zhì)量流量 控制器代替。補(bǔ)充氣入口38提供補(bǔ)充氣，補(bǔ)充氣進(jìn)入由質(zhì)量流量控制器40控制的混合氣流。
繼續(xù)參照圖1，測流孔流量表20包括絕對壓強(qiáng)變換器42，壓強(qiáng)變換器44和多個不同尺 寸的測流孔流量表。各個測流孔流量表包括閥50，熱電偶52和測流孔54。當(dāng)需要發(fā)動機(jī)顆
粒物(PM)質(zhì)量測量時，預(yù)加權(quán)過濾器60和保持器被安裝在補(bǔ)充氣的上游。
在本實施例中，反饋控制回路通過改變補(bǔ)充氣流控制稀釋比，以使稀釋比追蹤期望值。 更具體而言，在加法器66中比較反饋信號64和參考信號62以產(chǎn)生誤差信號。PID控制器 68基于該誤差信號確定用于質(zhì)量流量控制器40的命令信號。通過該方法，可以追蹤恒定的 稀釋比或任何其他合適的參考信號。
在操作中有六股氣流。以下說明中的所有流速條件都相同，為標(biāo)準(zhǔn)條件或參考條件。 Qby.pass是測流孔54上游的旁路流。旁路流的目的是為了最小化樣品流在進(jìn)入流量表20之前 的停留時間。采樣線中由擴(kuò)散機(jī)制引起的小顆粒(小于20納米)的顆粒損失被最小化。Qt。tal 是系統(tǒng)中的總混合氣流。Qt。tal由臨界測流孔34或質(zhì)量流量控制器控制為常數(shù)。Qai「是無顆粒 的稀釋氣流，并且由質(zhì)量流量控制器18控制為常數(shù)。Qs是樣品流，并且由測流孔流量表20
實時測量。Qmake-up是補(bǔ)充氣流。補(bǔ)充氣流可以調(diào)節(jié)，并且其流速由質(zhì)量流量控制器40控制。 在正常操作中，Qmake-up比Qair小得多，但在某些條件下Qmake-up可以大于Qair。 Qinstrument是 進(jìn)入儀器或過濾器的氣流，其被精確定義并且可以為常數(shù)或可變。
樣品流和稀釋氣體或稀釋氣在混合器16中混合?；旌掀?6提供樣品流和稀釋氣體的均 勻混合。因為稀釋氣體和樣品流的氣流在混合器16的上游測量，所以該系統(tǒng)中可以使用任何 種類的混合器。在一些應(yīng)用中需要熱稀釋氣體?？梢园惭b加熱系統(tǒng)加熱用于這樣的用途的稀 釋氣體和混合器。
稀釋器中的氣流可以定義為
<formula>formula see original document page 6</formula>在該所說明的優(yōu)選實施例中，總氣流和稀釋氣流在操作過程中保持為常數(shù)。
通過調(diào)節(jié)補(bǔ)充氣流Qmake-up，總氣流Qt。tal將保持恒定。結(jié)果，樣品流Qs被改變。舉例來 說，當(dāng)補(bǔ)充氣流增加時樣品流將減少以保持恒定的總氣流；相反，當(dāng)補(bǔ)充氣流減少時樣品流 將增加以保持恒定的總氣流。
稀釋比(DR)可以定義為
<formula>formula see original document page 6</formula>(2)
因為稀釋氣流不變，稀釋比只是樣品流的函數(shù)。當(dāng)樣品流隨著補(bǔ)充流的增加而減少時稀 釋比增加。相反，當(dāng)樣品流隨著補(bǔ)充流的減少而增加時稀釋比減少。因為補(bǔ)充氣體被連續(xù)調(diào)節(jié)，因此樣品流連續(xù)改變。從而，稀釋比被連續(xù)控制。不用稀釋
氣流(Qair=0)時可以實現(xiàn)1:1的比例。
樣品流Qs由包括多個內(nèi)部流量表的測流孔流量表20測量。各個內(nèi)部流量表包括熱電偶 52，測流孔54和閥50。在操作中，所述閥受到控制以選擇合適的內(nèi)部流量表。當(dāng)樣品流Qs 改變時，跨測流孔54的壓降也發(fā)生改變。該壓降由壓強(qiáng)變換器44測量。為了保持壓強(qiáng)變換 器44的精確壓強(qiáng)測量，當(dāng)系統(tǒng)在高稀釋比下運(yùn)行時(舉例來說，大于100:1并且以小樣品流 速)，將選擇具有較小測流孔的內(nèi)部流量表。測流孔選擇處理被自動或人工控制。如圖所示， 測流孔流量表20包括一對內(nèi)部流量表。
通過測流孔的流速被標(biāo)定為標(biāo)準(zhǔn)或參考條件下的測流孔上的壓強(qiáng)差的函數(shù)。標(biāo)定曲線由 精確的流量表產(chǎn)生并表示為多項式方程。對于未具體標(biāo)定的壓強(qiáng)差，這些流速可以用所述方 程計算。
在操作期間，樣品流的溫度和壓強(qiáng)可能并非處于標(biāo)準(zhǔn)或參考條件。絕對壓強(qiáng)變換器42和 熱電偶52分別測量樣品流的絕對壓強(qiáng)和溫度。于是樣品流可以校準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)或參考條件。在上 述方程(方程2)中使用經(jīng)校準(zhǔn)的樣品流以獲取稀釋比。
繼續(xù)參照圖1，該系統(tǒng)配備提供穩(wěn)定稀釋比的PID控制系統(tǒng)。如果在操作期間需要恒定 稀釋比，則將激活PID控制系統(tǒng)。PID控制器調(diào)節(jié)補(bǔ)充氣體以達(dá)到恒定的樣品流。結(jié)果就能 獲得恒定的稀釋比。在圖1中，測流孔流量表20提供反饋信號64，在加法器66中將該反饋 信號64與參考信號62進(jìn)行比較。結(jié)果的誤差信號由PID控制器68處理，該P(yáng)ID控制器68 確定用于質(zhì)量流量控制器40的命令信號。
在一些應(yīng)用中，可能需要檢査當(dāng)樣品流關(guān)閉時系統(tǒng)中是否存在顆粒。該測試被稱為零檢查。
稀釋器10提供進(jìn)行零檢查的獨特方式。通過調(diào)節(jié)補(bǔ)充氣體使其達(dá)到足夠大，可以使樣品 流在相反方向中流動以保持恒定的總氣流。結(jié)果，沒有樣品流進(jìn)入儀器。通過該方法，所述 儀器可以檢測出系統(tǒng)中是否存在泄漏或者稀釋氣體中是否存在顆粒。
當(dāng)在數(shù)量或尺寸測量的同時還需要發(fā)動機(jī)顆粒物(PM)質(zhì)量測量時，預(yù)加權(quán)過濾器和保 持器被安裝在補(bǔ)充氣體的上游，如圖1在60處所示。流過過濾器60的氣流Q艦「被表示為
Qfito =Qaif +QS -Q^自t也可以不同時運(yùn)行數(shù)量或尺寸測量單獨獲得該測量結(jié)果。 在圖2中說明了操作稀釋器10的優(yōu)選方法。在框70，補(bǔ)充氣流被提供至總混合氣流。
在框72，測量樣品氣流速以計算稀釋比。在框74，通過控制補(bǔ)充氣流以改變樣品氣流速來控 制稀釋比。
雖然已對本發(fā)明的各個實施例進(jìn)行了圖示和說明，但并非意在用這些實施例圖示和說明 本發(fā)明的所有可能形式。更確切地，說明書中使用的詞語是說明性的而非限制性的詞語，并 且能夠理解，可以對本發(fā)明進(jìn)行諸多改變而不背離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于稀釋含有小顆粒的氣體以允許其后用儀器對稀釋氣進(jìn)行測量的大范圍連續(xù)稀釋器，其特征在于，該稀釋器包括以控制流速接收稀釋氣的稀釋氣入口；接收樣品氣的樣品氣入口；測量樣品氣流速的流量表；連接至所述稀釋氣入口和所述樣品氣入口，接收并以一定的稀釋比混合稀釋氣和樣品氣的混合器，該混合器具有以控制流速提供混合氣流的出口；設(shè)置成從混合氣流提供進(jìn)入所述儀器的精確定義的氣流的儀器氣流出口；和設(shè)置成以控制的流速提供進(jìn)入混合氣流的補(bǔ)充氣的補(bǔ)充氣入口；以及通過改變補(bǔ)充氣流速引起樣品氣流速的響應(yīng)性變化，從而使稀釋比可連續(xù)調(diào)節(jié)。
2. 如權(quán)利要求1所述的稀釋器，其特征在于，其中所述混合氣流速由臨界測流孔控制。
3. 如權(quán)利要求1所述的稀釋器，其特征在于，其中所述混合氣流速由質(zhì)量流量控制器控制。
4. 如權(quán)利要求1所述的稀釋器，其特征在于，其中所述稀釋氣流速由質(zhì)量流量控制器控制。
5. 如權(quán)利要求1所述的稀釋器，其特征在于，其中用于測量所述樣品氣流速的流量表包括 測流孔流量表。
6. 如權(quán)利要求1所述的稀釋器，其特征在于，其中用于測量所述樣品氣流速的流量表包括 多個不同尺寸的測流孔流量表，以及其中應(yīng)用于樣品氣流的測流孔流量表取決于稀釋比。
7. 如權(quán)利要求1所述的稀釋器，其特征在于，該稀釋器進(jìn)一步包括 用于通過改變補(bǔ)充氣流控制稀釋比以使稀釋比追蹤預(yù)期值的反饋控制回路。
8. 如權(quán)利要求7所述的稀釋器，其特征在于，其中所述反饋控制回路利用比例沐口、分/微分進(jìn) 行控制。
9. 如權(quán)利要求7所述的稀釋器，其特征在于， 釋比。
10. 如權(quán)利要求1所述的稀釋器，其特征在于，
11. 如權(quán)利要求1所述的稀釋器，其特征在于， 器氣流。
12. 如權(quán)利要求1所述的稀釋器，其特征在于，在流量表上游的旁路流出口，用以減少樣B^i停留時間。其中所述反饋控制回路設(shè)置為追蹤恒定的稀其中進(jìn)入儀器的氣流為恒定的儀器氣流。 其中進(jìn)入儀器的氣流是精確定義的可變的儀該稀釋器進(jìn)一步包括流在樣品氣入口與采樣源連接的傳輸線中的
13.如權(quán)利要求1所述的稀釋器，其特征在于，該稀釋器進(jìn)一步包括: 位于補(bǔ)充氣入口上游的過濾器。
14. 一種使用如權(quán)利要求1所述的大范圍連續(xù)稀釋器的方法，其特征在于，該方法包括: 控制補(bǔ)充氣流速從而引起從樣品氣入口向外的氣流；和 從所述儀器獲取測量結(jié)果。
15. —種使用如權(quán)利要求1所述的大范圍連續(xù)稀釋器的方法，其特征在于，該方法包括 調(diào)節(jié)補(bǔ)充氣流速以引起樣品氣流速的響應(yīng)性改變。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，其中對補(bǔ)充氣流速進(jìn)行調(diào)節(jié)以使稀釋比追蹤 預(yù)期值。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，其中所述預(yù)期值為恒定的稀釋比。
全文摘要
本發(fā)明提供一種大范圍連續(xù)稀釋器，該大范圍連續(xù)稀釋器用于稀釋含有小顆粒的氣體以允許其后用儀器對稀釋氣進(jìn)行測量。稀釋氣入口接收稀釋氣，樣品氣入口接收樣品氣。流量表測量樣品氣流速?；旌掀鹘邮詹⒁砸欢ǖ南♂尡然旌舷♂寶夂蜆悠窔?。儀器氣流出口從混合氣流提供進(jìn)入儀器的精確定義的氣流。補(bǔ)充氣入口設(shè)置成以控制流速提供進(jìn)入混合氣流的補(bǔ)充氣。因為稀釋氣以控制流速流動，且混合氣也以控制流速流動，因此補(bǔ)充氣的流速的改變會引起樣品氣流速的響應(yīng)性變化，從而允許在需要時連續(xù)調(diào)節(jié)并控制稀釋比。
文檔編號G01N1/00GK101180527SQ200680011482
公開日2008年5月14日 申請日期2006年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月11日
發(fā)明者淺野一郎, 強(qiáng) 魏 申請人:株式會社堀場制作所