技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于移動(dòng)源排放測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于測量柴油車尾氣排放的細(xì)顆粒物測量裝置。

背景技術(shù)：

細(xì)顆粒物是造成區(qū)域性霧霾的重要原因，移動(dòng)源中的柴油車由于燃料與燃燒性質(zhì)的特點(diǎn)，排放的顆粒物濃度較高，特別是大功率的柴油車，其尾氣顆粒物濃度是同功率等級汽油車的幾倍甚至幾十倍。現(xiàn)已有關(guān)于柴油車顆粒物的限排標(biāo)準(zhǔn)，未來將會(huì)有更為嚴(yán)苛的限排標(biāo)準(zhǔn)，對現(xiàn)實(shí)工況下的柴油車尾氣排放細(xì)顆粒物管控手段將更加多樣，而管控基礎(chǔ)為對現(xiàn)實(shí)工況下的尾氣排放細(xì)顆粒物進(jìn)行排放量統(tǒng)計(jì)，而細(xì)顆粒物量化基礎(chǔ)為依托一套準(zhǔn)確測量現(xiàn)實(shí)工況下柴油車尾氣排放細(xì)顆粒物的便攜車載式測量系統(tǒng)，更好地服務(wù)于柴油車細(xì)顆粒物排放的監(jiān)管。

尾氣排放的細(xì)顆粒物測量方法主要有β射線吸收法、微量振蕩天平法、重量法以及激光射線法。被用于便攜車載式的測量裝備需要體積小，安裝方便，易于操作與集成。上述4種方法中，β射線吸收法、微量振蕩天平法成本高、裝置復(fù)雜且不易于安裝攜帶。同時(shí)，由于現(xiàn)實(shí)工況下的尾氣排放測量具有相當(dāng)大的不確定性，因此，需要進(jìn)行平行采樣保證測量的準(zhǔn)確性。本發(fā)明選取了兩種常用于車載便攜式尾氣排放測量系統(tǒng)的重量法與激光散射的方法，進(jìn)行硬件與軟件的集成，構(gòu)建了一套適用于現(xiàn)實(shí)工況下便于攜帶與安裝的車載尾氣排放測量系統(tǒng)。

目前柴油車尾氣排放車載便攜式細(xì)顆粒物測量系統(tǒng)主要存在以下不足：1.市場上沒有專門針對現(xiàn)實(shí)工況下的柴油車尾氣排放細(xì)顆粒物的車載測量系統(tǒng)。2.現(xiàn)有的車載便攜式尾氣排放細(xì)顆粒物測量系統(tǒng)能夠測量的細(xì)顆粒物種類有限。3.濾膜稱重法方便進(jìn)行采集樣品的組分分析，但現(xiàn)有的顆粒物測量系統(tǒng)中重量法的應(yīng)用不夠廣泛，本發(fā)明將重量法充分應(yīng)用于車載便攜式測量系統(tǒng)中。4.本發(fā)明首次采用多通道采樣法，利用重量法與激光散射法進(jìn)行同時(shí)采樣，結(jié)果可比對，保證準(zhǔn)確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。本發(fā)明目的在于提供一種適用于移動(dòng)源中柴油車尾氣排放的顆粒物排放測量系統(tǒng)。具備同時(shí)測量柴油車尾氣排放細(xì)顆粒物：PM_2.5、PM₁₀、TSP的功能，利用濾膜稱重法與激光散射法進(jìn)行采樣，其中濾膜稱重法采用多通道進(jìn)行定稀釋比采樣，所采集的樣品方便進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與組分分析。整個(gè)濾膜稱重法測量顆粒物的系統(tǒng)體積小巧，安裝操作方便。激光散射法同樣可檢測PM_2.5、PM₁₀、TSP，同時(shí)將顆粒物濃度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與相關(guān)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行上傳，方便在現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測以及后續(xù)分析。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種柴油車尾氣排放顆粒物便攜式車載測試系統(tǒng), 包括與柴油車的排氣管相連接的多通道可保溫采樣管（1），與采樣管（1）連接的柴油車氣態(tài)污染物測量單元（2）和基于濾膜稱重法的顆粒物測量單元（4），其中與采樣管（1）連接的柴油車氣態(tài)污染物測量單元（2）包含有前置過濾器（3）。基于濾膜稱重法的顆粒物測量單元中包含可調(diào)節(jié)稀釋比多通道采樣稀釋器（5），空氣過濾器（6），可將顆粒物粒徑分離的純不銹鋼材質(zhì)切割器與濾膜托盤（7），基于濾膜稱重法的顆粒物測量單元保溫裝置（8），基于激光原理的顆粒物在線測量單元（9），測量柴油車引擎參數(shù)的傳感器集成模塊（10），基于北斗定位的記錄柴油車行駛速度的BDS模塊（11），排氣體積流量測量模塊（12）數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與實(shí)時(shí)傳輸模塊（13），數(shù)據(jù)收集與顯示終端（14），數(shù)據(jù)處理模塊（15），供電系統(tǒng)（16）。其結(jié)構(gòu)為附圖中圖1所示，柴油車氣態(tài)污染物測量單元（2）圖中位置2、基于濾膜稱重法的顆粒物測量單元（4）圖中位置1、基于激光原理的在線顆粒物測量單元（9）圖中位置3。同時(shí)測量柴油車引擎參數(shù)的傳感器集成模塊（10）圖中位置4，基于北斗定位的記錄柴油車行駛速度的BDS模塊（11）圖中位置5分別對柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)與行駛速度進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，排氣體積流量測量模塊（12）圖中位置6，以上所有現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與實(shí)時(shí)傳輸模塊（13）圖中位置7中進(jìn)行實(shí)時(shí)儲(chǔ)存與傳輸。

該系統(tǒng)可測量柴油車尾氣排放的氣態(tài)污染物的質(zhì)量濃度、油耗、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等多個(gè)參數(shù)。實(shí)時(shí)穩(wěn)定地輸出移動(dòng)源的實(shí)時(shí)污染物的質(zhì)量排放速率、油耗速率、尾氣排放質(zhì)量與體積速率，可獲得多種測量方法的顆粒物排放質(zhì)量濃度與排放因子。

所述采樣管（1）包括能夠采集氣態(tài)污染物的采樣管與多通道全不銹鋼材質(zhì)的采樣管，全不銹鋼材質(zhì)的多通道采樣管有單通道、雙通道、3通道可供選擇，各通道的采樣流量一致，范圍在0-5L/min可調(diào)節(jié)。

所述適于測量柴油車尾氣中氣態(tài)污染物單元（2）包括前置過濾器、可測量O₂、NOx、NO、CO、CO₂、HC一體化傳感器平臺。且其前置過濾器（3）可過濾稀釋空氣中的顆粒物，降低進(jìn)入一體化平臺尾氣中的顆粒物濃度，防止平臺損壞。

所述基于濾膜稱重法的顆粒物測量單元（4）結(jié)構(gòu)如附圖中圖2所示，尾氣由圖2中5所示位置由泵提供抽氣動(dòng)力進(jìn)入可調(diào)節(jié)的定稀釋比多通道采樣稀釋器（5）如圖中標(biāo)號為1的位置。同時(shí)，經(jīng)過空氣過濾器（6）由圖中2所示位置與尾氣同時(shí)進(jìn)入稀釋器。在稀釋腔中混合后以恒定的流速分三路依次進(jìn)入可將顆粒物粒徑分離的純不銹鋼材質(zhì)切割器與濾膜托盤（7）即圖中3、4所示位置。其中測量PM_2.5與PM₁₀需要切割器，測量TSP時(shí)則不需要切割器。經(jīng)過一定的時(shí)間，顆粒物沉降于濾膜托盤中的濾膜上。該可調(diào)節(jié)的定稀釋比多通道采樣稀釋器（5）稀釋比范圍可為10~60之間，所使用的濾膜為47mm規(guī)格，體積小，材質(zhì)為特氟龍或石英，方便于后續(xù)的顆粒物組分分析。同時(shí)，各單元在采樣過程中具有保溫裝置（8），避免冷凝造成的顆粒物損失。

所述基于激光原理的顆粒物在線測量單元（9）可同時(shí)或選擇性測量PM_2.5、PM₁₀、TSP?？蓪?shí)時(shí)輸出顆粒物的質(zhì)量濃度與粒子數(shù)，所測量的數(shù)據(jù)可實(shí)施存儲(chǔ)或在線收集。

所述測量柴油車引擎參數(shù)的傳感器集成模塊（10）所收集的引擎運(yùn)行轉(zhuǎn)速，進(jìn)氣歧管壓力與溫度、尾氣排放溫度、環(huán)境溫度與壓力，所測數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)反映柴油車引擎運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并用于油耗的計(jì)算。

所述基于北斗定位的記錄柴油車行駛速度的BDS模塊（11），利用國內(nèi)開發(fā)的BDS技術(shù)對柴油車行駛過程進(jìn)行精確定位，實(shí)時(shí)記錄柴油車的行駛速度。

所述排氣體積流量測量模塊（12），選用適合于測量柴油車尾氣排放的流量計(jì)對柴油車尾氣排放體積流量進(jìn)行準(zhǔn)確記錄。

所述數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與實(shí)時(shí)傳輸模塊（13）將上述所有電控單元與模塊：柴油車氣態(tài)污染物測量單元（2）和基于濾膜稱重法的顆粒物測量單元（4），基于濾膜稱重法的顆粒物測量單元保溫裝置（8），基于激光原理的顆粒物在線測量單元（9），測量柴油車引擎參數(shù)的傳感器集成模塊（10），基于北斗定位的記錄柴油車行駛速度的BDS模塊（11）中采集的所有原始數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的備份，提供了儲(chǔ)存卡與USB接出口供用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。同時(shí)將數(shù)據(jù)在線或離線傳輸至數(shù)據(jù)收集與顯示終端（14）。

所述數(shù)據(jù)收集與顯示終端（14）與數(shù)據(jù)處理模塊（15）相連接，數(shù)據(jù)處理模對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行同步化、質(zhì)量控制后，根據(jù)質(zhì)量守恒定律、燃燒過程、理想氣體方程計(jì)算出柴油車尾氣排放的秒級質(zhì)量速率、秒級油耗速率、秒級氣態(tài)污染物排放速率、秒級顆粒物排放速率，得出柴油車顆粒物的準(zhǔn)確細(xì)顆粒物排放狀況與排放因子，同時(shí)據(jù)收集與顯示終端（14）可對所有模塊進(jìn)行開關(guān)控制。

本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

采用了濾膜稱重法進(jìn)行現(xiàn)實(shí)工況下柴油車尾氣排放顆粒物測量，方便了柴油車尾氣排放顆粒物的后續(xù)組分分析。

實(shí)現(xiàn)兩種現(xiàn)實(shí)工況下顆粒物測量典型方法同時(shí)比對的柴油車尾氣排放顆粒物測量系統(tǒng)的建立。

所采集的顆粒物數(shù)據(jù)為現(xiàn)實(shí)工況下柴油車尾氣排放顆粒物代表性數(shù)據(jù)，具有一定的監(jiān)管參考價(jià)值。

該系統(tǒng)測量與數(shù)據(jù)計(jì)算方法決定了系統(tǒng)相較于其他測量系統(tǒng)省去了相當(dāng)一部分硬件，降低了成本，減小了體積，方便攜帶與安裝。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明柴油車尾氣排放細(xì)顆粒物車載測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖：

其中1為柴油車氣態(tài)污染物測量單元（2）;2為基于濾膜稱重法的顆粒物測量單元（4）;3為基于激光原理的顆粒物在線測量單元（9）；4為同時(shí)測量柴油車引擎參數(shù)的傳感器集成模塊（10）；5為基于北斗定位的記錄柴油車行駛速度的BDS模塊（11）；6為體積流量的傳感器模塊（12）；7為數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與實(shí)時(shí)傳輸模塊（13）。

附圖2為本發(fā)明柴油車尾氣排放細(xì)顆粒物車載測量系統(tǒng)中基于濾膜稱重法單元結(jié)構(gòu)示意圖:

其中1為可調(diào)節(jié)的定稀釋比多通道采樣稀釋器（5）;2為空氣過濾器（6）;3為切割器；4為濾膜托盤；5為抽氣泵。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

如附圖所示，本實(shí)施例一種柴油車尾氣排放細(xì)顆粒物車載測量系統(tǒng)，包括與柴油車的尾氣管相連接的多通道可保溫采樣管1，與采樣管1連接的柴油車氣態(tài)污染物測量單元2和基于濾膜稱重法的顆粒物測量單元4，其中氣態(tài)污染物測量單元2包含有前置過濾器3?；跒V膜稱重法的顆粒物測量單元4中包含可調(diào)節(jié)的定稀釋比多通道采樣稀釋器5，空氣過濾器6，可將顆粒物粒徑分離的純不銹鋼材質(zhì)切割器與濾膜托盤7，基于濾膜稱重法的顆粒物測量單元保溫裝置8，基于激光原理的顆粒物在線測量單元9，測量柴油車引擎參數(shù)的傳感器集成模塊10，基于北斗定位的記錄柴油車行駛速度的BDS模塊11排氣體積流量測量模塊12，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與實(shí)時(shí)傳輸模塊13，數(shù)據(jù)收集與顯示終端14，數(shù)據(jù)處理模塊15，供電系統(tǒng)16。

下面對本實(shí)施例一種柴油車尾氣排放細(xì)顆粒物車載測量系統(tǒng)，各部分詳細(xì)說明如下：

與柴油車的尾氣管相連接的多通道可保溫采樣管1：采樣管包括了適合柴油車尾氣排放的氣態(tài)污染物采樣的PVC管與細(xì)顆粒物采樣的純不銹鋼采樣管，由于系統(tǒng)中有兩個(gè)測量細(xì)顆粒物的單元，因此顆粒物為雙通道采樣管，同時(shí)采樣管配備為其保溫的伴熱管。

柴油車氣態(tài)污染物測量單元2：包括O₂、NO₂、NO電化學(xué)傳感器和CO、CO₂、HC測量平臺，可測量柴油車尾氣排放上述氣體的百分比濃度，采樣頻率可進(jìn)行自行設(shè)置，可設(shè)置范圍為1-10Hz之間。

基于濾膜稱重法的顆粒物測量單元4：采用濾膜稱重法進(jìn)行細(xì)顆粒物的測量，由可調(diào)節(jié)的定稀釋比多通道采樣稀釋器5，空氣過濾器6，可將顆粒物粒徑分離的純不銹鋼材質(zhì)切割器與濾膜托盤7，基于濾膜稱重法的顆粒物測量單元保溫裝置8構(gòu)成，其中進(jìn)入可調(diào)節(jié)稀釋比的多通道采樣稀釋器5的稀釋空氣由空氣過濾器6進(jìn)行吸附性凈化，過濾稀釋空氣中的顆粒物，保證進(jìn)入稀釋器的空氣潔凈度。同時(shí)依據(jù)管道中流體力學(xué)的原理對稀釋器中的管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)與稀釋腔的口徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證尾氣與潔凈空氣在稀釋腔中充分混合，同時(shí)保證進(jìn)入切割器的混合氣流量依據(jù)切割器的規(guī)格保持恒定，考慮系統(tǒng)攜帶方便與體積小，使用5L/min或10L/min的切割器，為減少顆粒物可能出現(xiàn)的冷凝損失，整個(gè)單元配備安全的低功率保溫裝置，

基于激光原理的顆粒物在線測量單元（9）：由激光散射原理記錄PM_2.5、PM₁₀、TSP質(zhì)量濃度與粒子數(shù)，內(nèi)部自帶切割器，采樣流量可設(shè)置為1-10L/min，采樣頻率可達(dá)10Hz，其數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)儲(chǔ)存與在線傳輸。

測量柴油車引擎參數(shù)的傳感器集成模塊10：該模塊包括測量柴油車轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣歧管壓力與溫度、進(jìn)入空濾氣體的溫度與壓力、尾氣排放溫度與壓力、環(huán)境溫度與壓力共9路傳感器與OBD集成模塊，9路傳感器為高精度傳感器，與AD數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊相連接，輸出柴油車引擎運(yùn)行的所有參數(shù)。

基于北斗定位的記錄柴油車行駛速度的BDS模塊11：使用國內(nèi)北斗衛(wèi)星對柴油車經(jīng)緯度、高程進(jìn)行精準(zhǔn)的定位，為研究柴油車的尾氣排放特征提供準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。

排氣體積流量測量模塊12：綜合考慮柴油車尾氣的物理性質(zhì)，選取依據(jù)卡門渦街原理生產(chǎn)的流量計(jì)對柴油車尾氣排放體積流量進(jìn)行測量。

數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與實(shí)時(shí)傳輸模塊13：所有具備數(shù)據(jù)輸出特性的測量單元均與該模塊相連接，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的儲(chǔ)存與傳輸，儲(chǔ)存功能為實(shí)現(xiàn)模塊的原始數(shù)據(jù)備份功能，根據(jù)用戶的需求進(jìn)行接出口設(shè)置。其中傳輸方式分為有線與無線，供用戶進(jìn)行選擇，不論何種數(shù)據(jù)傳輸方式，均可對柴油車進(jìn)行在線的數(shù)據(jù)測量。

數(shù)據(jù)收集與顯示終端14：接收來自數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與實(shí)時(shí)傳輸模塊13發(fā)出的所有數(shù)據(jù)，可圖形化顯示柴油車實(shí)時(shí)的氣態(tài)污染物與來自激光原理測量細(xì)顆粒物的排放變化情況，并將排放曲線儲(chǔ)存于終端中。同時(shí)，該終端會(huì)根據(jù)已有的測量數(shù)據(jù)，當(dāng)測量儀器出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出警報(bào)提醒。該終端主要為兩種形式：開源化的上位機(jī)軟件與自行研發(fā)的高度集成數(shù)顯終端。

數(shù)據(jù)處理模塊15：對所有現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進(jìn)行同步化、無效數(shù)據(jù)剔除、不連續(xù)數(shù)據(jù)填補(bǔ)、數(shù)據(jù)的計(jì)算，該模塊嵌套于數(shù)據(jù)收集與顯示終端14中，另外一種形式為配合開源化上位機(jī)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的代碼形式。

供電系統(tǒng)16：為整個(gè)測量系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電源，主要為可充電蓄電池與超靜音小型發(fā)電機(jī)、必要時(shí)配備裝置由車輛電瓶進(jìn)行供電。

本發(fā)明測試系統(tǒng)的工作原理為：當(dāng)柴油車引擎發(fā)動(dòng)后，排放的尾氣通過柴油車的尾氣管相連接的多通道可保溫采樣管1，經(jīng)由前置過濾器3進(jìn)入柴油車氣態(tài)污染物測量單元2，同時(shí)進(jìn)入基于濾膜稱重法的顆粒物測量單元4、基于激光原理的顆粒物在線測量單元9，三個(gè)單元的采樣泵即刻開啟進(jìn)行采樣。同時(shí)測量柴油車引擎參數(shù)的傳感器集成模塊10，基于北斗定位的記錄柴油車行駛速度的BDS模塊11排氣體積流量測量模塊12開啟進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。測試所有的數(shù)據(jù)會(huì)在數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與實(shí)時(shí)傳輸模塊13中進(jìn)行實(shí)時(shí)保存并傳輸至數(shù)據(jù)收集與顯示終端14。數(shù)據(jù)處理模塊15同時(shí)對所有采集數(shù)據(jù)進(jìn)行前處理、質(zhì)量控制，并將氣態(tài)污染物與引擎參數(shù)結(jié)合后，運(yùn)用質(zhì)量守恒原理、理想氣體方程與燃燒過程可準(zhǔn)確計(jì)算出移動(dòng)源的尾氣秒級質(zhì)量排放和油耗速率，測量逐秒的燃油消耗量，計(jì)算出柴油車車基于里程的排放因子或基于油耗的排放因子、時(shí)間累積的柴油車尾氣排放量。這些結(jié)果以數(shù)據(jù)或圖形的形式在數(shù)據(jù)收集與顯示終端14上進(jìn)行展示，輸入基于濾膜稱重法的濾膜采集結(jié)果后，激光與濾膜稱重法的測量結(jié)果可通過數(shù)據(jù)處理模塊15進(jìn)行顆粒物排放因子與排放速率的比對，并最終在數(shù)據(jù)收集與顯示終端14上顯示比對結(jié)果。