一種柴油機(jī)排放煙度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)儀及檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種柴油機(jī)排放煙度檢測(cè)裝置及方法，具體地說(shuō)是一種利用紅外波段光譜吸收及調(diào)制解調(diào)技術(shù)進(jìn)行柴油機(jī)排放煙度檢測(cè)的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，柴油機(jī)作為現(xiàn)代工業(yè)及生活不可或缺的動(dòng)力裝置，其排放問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣污染物主要包括氣態(tài)污染物和顆粒物。顆粒物PM指在溫度不超過(guò)325K(52°C )的稀釋排氣中，由規(guī)定的過(guò)濾介質(zhì)上收集到的所有物質(zhì)。煙指懸浮在柴油機(jī)排氣流中，能吸收、反射或折射光線的顆粒。煙度是度量煙的一個(gè)指標(biāo)。發(fā)動(dòng)機(jī)向空氣中排放的各種顆粒，嚴(yán)重威脅著生態(tài)環(huán)境及人類的健康安全，因此從可持續(xù)發(fā)展的角度，必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放即煙度進(jìn)行有效的檢測(cè)和控制。
[0003]目前，國(guó)際上對(duì)柴油機(jī)排放煙度的儀器測(cè)量方法主要有兩種:①過(guò)濾法:以一定量排氣樣氣通過(guò)濾紙，以濾紙上留下的碳粒重量或以濾紙表面的光反射率來(lái)比較測(cè)量。②光透過(guò)法:利用排氣流粒子吸光特性來(lái)測(cè)量，即以在排氣管出口一定距離的直徑方向的光的透過(guò)度來(lái)測(cè)量。過(guò)濾法需要對(duì)排放尾氣進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間收集采樣，且不同濾紙對(duì)不同尺寸的顆粒成分吸附能力有效大區(qū)別，其測(cè)試精度不高，由于濾紙式煙度計(jì)僅僅是尾氣顆粒對(duì)濾紙的染黑度，而沒(méi)有考慮藍(lán)煙、白煙等因素影響，所以在測(cè)量穩(wěn)態(tài)工況下的尾氣還是比較準(zhǔn)確的。但是在瞬態(tài)工況下，濾紙式煙度計(jì)不能夠完成瞬間或持續(xù)的測(cè)量。光透式煙度計(jì)可以真實(shí)的反映出發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況下的尾氣排放，針對(duì)于濾紙法具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，利用光透法可對(duì)柴油機(jī)排放中的顆粒物進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，根據(jù)米散射理論得到柴油機(jī)排放中的瞬態(tài)顆粒物濃度，但其缺點(diǎn)也較為明顯，光透法是根據(jù)光源被顆粒物吸收或散射的那部分光能來(lái)判別的，其受到光強(qiáng)自身波動(dòng)及環(huán)境因素影響較大，在測(cè)試過(guò)程中具有一定的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)高精度實(shí)時(shí)在線測(cè)量的柴油機(jī)排放煙度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)儀。本發(fā)明的目的在于提供一種柴油機(jī)排放煙度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)方法。
[0005]本發(fā)明的柴油機(jī)排放煙度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)儀包括檢測(cè)池、可調(diào)諧激光器、激光控制器、光電探測(cè)器、鎖相放大器和計(jì)算機(jī)，柴油機(jī)的尾氣排入檢測(cè)池中，激光控制器控制可調(diào)諧激光器輸出調(diào)制激光照射檢測(cè)池，光電探測(cè)器對(duì)透過(guò)光進(jìn)行接收探測(cè)并將電信號(hào)傳輸給鎖相放大器，經(jīng)鎖相放大器分析處理后的數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)顯示。
[0006]本發(fā)明的柴油機(jī)排放煙度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)方法為:
[0007]首先針對(duì)柴油機(jī)排放中的某種氣體組分的吸收峰譜線選取合適的可調(diào)諧激光器，利用激光器控制器控制激光器輸出，使激光器的輸出波長(zhǎng)在氣體分子吸收峰附近以一定的頻率掃描，將調(diào)制后的光信號(hào)通過(guò)被測(cè)氣體，利用光電探測(cè)器對(duì)通過(guò)氣體的光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，并將轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)輸入到鎖相放大器中，分析其諧波信號(hào)；所述分析其諧波信號(hào)具體包括:首先利用諧波信號(hào)中二次諧波的波峰值與一次諧波的波峰值比值計(jì)算得出氣體分子的真實(shí)濃度值，進(jìn)而反演出對(duì)應(yīng)的二次諧波峰值，通過(guò)顆粒物的米散射理論計(jì)算出二次諧波誤差與排放中顆粒物濃度的關(guān)系。
[0008]本發(fā)明的柴油機(jī)排放煙度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)方法還可以包括:
[0009]1、在掃描信號(hào)上加載高頻正弦信號(hào)。
[0010]2、所述使激光器的輸出波長(zhǎng)在氣體分子吸收峰附近以一定的頻率掃描過(guò)程中，采用低頻鋸齒波為掃描信號(hào)，頻率為200Hz。
[0011]3、所述高頻正弦信號(hào)的頻率為10kHz、峰值為4mA。
[0012]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有柴油機(jī)排放煙度計(jì)難以實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)在線測(cè)量的問(wèn)題，提供了一種光學(xué)非接觸式煙度測(cè)試儀器及方法。本發(fā)明采用光譜吸收法，將米散射理論與諧波調(diào)制理論相結(jié)合，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)尾氣排放顆粒物濃度的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，又可以有效避免光透法中測(cè)量值受光源能量及環(huán)境因素的影響，可更好的解決目前柴油機(jī)排放中顆粒物濃度的測(cè)試需求。
[0013]本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)排放煙度高精度實(shí)時(shí)在線測(cè)試裝置包括柴油機(jī)1、檢測(cè)池2、可調(diào)諧激光器3、激光控制器4、光電探測(cè)器5、鎖相放大器6、計(jì)算機(jī)7。柴油機(jī)1運(yùn)行過(guò)程中將尾氣排放排入檢測(cè)池2中，激光控制器4控制可調(diào)諧激光器3輸出滿足測(cè)試需要的調(diào)制激光，利用光電探測(cè)器5對(duì)透過(guò)光進(jìn)行接收探測(cè)，并將電信號(hào)傳輸給鎖相放大器6，經(jīng)分析處理后的數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)7顯示給用戶。
[0014]本發(fā)明的柴油機(jī)排放煙度高精度實(shí)時(shí)在線測(cè)試方法，首先針對(duì)柴油機(jī)排放中的某種氣體組分(如NO、C0等)的吸收峰譜線選取合適的可調(diào)諧激光器，利用激光器控制器控制激光器輸出，使得其輸出波長(zhǎng)在氣體分子吸收峰附近以一定的頻率掃描，同時(shí)為消除低頻背景噪聲對(duì)測(cè)試精度的影響，在掃頻信號(hào)上加載高頻正弦信號(hào)，將調(diào)制后的光信號(hào)通過(guò)被測(cè)氣體，利用光電探測(cè)器對(duì)通過(guò)氣體的光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，并將轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)輸入到鎖相放大器中，分析其諧波信號(hào)，具體的講:經(jīng)鎖相放大器進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)變換后的一次諧波及二次諧波的峰值均與信號(hào)光強(qiáng)成正比，二次諧波的峰值與氣體分子的濃度成正比，而排放中顆粒物濃度不同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致二次諧波的峰值有所變化，根據(jù)這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，首先利用諧波信號(hào)中二次諧波的波峰值與一次諧波的波峰值比值計(jì)算得出氣體分子的真實(shí)濃度值(因比值可約去光強(qiáng)項(xiàng)，可有效避免顆粒對(duì)光強(qiáng)的衰減所帶來(lái)的誤差)，進(jìn)而反演出對(duì)應(yīng)的二次諧波峰值，而實(shí)際測(cè)到的二次諧波峰值是在顆粒物影響下產(chǎn)生的，因此兩者之間有偏差，此偏差即由排放中的顆粒物引起，通過(guò)顆粒物的米散射理論可計(jì)算出二次諧波誤差與排放中顆粒物濃度的關(guān)系。
[0015]本發(fā)明采用可調(diào)諧激光器作為探測(cè)光源，屬于非接觸式測(cè)試方法，利用低頻鋸齒波加載高頻正弦波調(diào)制信號(hào)的方法，有效避免低頻噪聲對(duì)探測(cè)的影響；針對(duì)調(diào)制信號(hào)中一次諧波及二次諧波的峰值均與初始光強(qiáng)成正比的特點(diǎn)，采用諧波信號(hào)的比值消除信號(hào)光自身波動(dòng)及環(huán)境因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響；利用二次諧波與一次諧波的比值反演出氣體組分的真實(shí)濃度，然后再反推出無(wú)顆粒反射下二次諧波的峰值，利用二次諧波前后的峰值差結(jié)合米散射理論，計(jì)算出柴油機(jī)排放中煙度值。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明的柴油機(jī)排放煙度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)儀示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)的描述。
[0018]本實(shí)施方式所述的實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)排放煙度高精度實(shí)時(shí)在線測(cè)試方法，選取可調(diào)諧激光器3作為探測(cè)光源，其輸出特性隨控制電流線性變化，包括其輸出波長(zhǎng)及功率，因柴油機(jī)排放中的氣體分子具有不同的吸收峰譜線，因此在選取激光器時(shí)其波長(zhǎng)輸出特性必須與某種氣體分子的吸收峰對(duì)應(yīng)。利用激光器控制器4，控制激光器使其輸出波長(zhǎng)在氣體分子吸收峰附近以一定的頻率掃描，此發(fā)明中采用低頻鋸齒波為掃描信號(hào)，頻率為200Hz，同時(shí)為消除低頻背景噪聲對(duì)測(cè)試精度的影響，在掃頻信號(hào)上加載高頻正弦信號(hào)，此發(fā)明中采用頻率為10kHz峰峰值為4mA的調(diào)制信號(hào)，將調(diào)制后的光信號(hào)通過(guò)檢測(cè)池2，柴油機(jī)1運(yùn)行中排出的尾氣可接入到檢測(cè)池2中，在柴油機(jī)排氣量較大時(shí)可將檢測(cè)池2放入柴油機(jī)1排氣管中，利用光電探測(cè)器5對(duì)通過(guò)氣體的光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，因可調(diào)諧激光器2在工作過(guò)程中針對(duì)氣體分子的吸收峰進(jìn)行掃面，因此其輸出將在氣體吸收峰處產(chǎn)生較大光損耗，然后將轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)輸入到鎖相放大器6中，鎖相放大器6可以將探測(cè)器輸出的電信號(hào)進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)變化，并在頻域內(nèi)進(jìn)行計(jì)算分析，可有效消除時(shí)域內(nèi)的噪聲，煙度值計(jì)算具體的講:經(jīng)鎖相放大器進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)變換后的一次諧波及二次諧波的峰值均與信號(hào)光強(qiáng)成正比，二次諧波的峰值與氣體分子的濃度成正比，而排放中的顆粒物會(huì)對(duì)光強(qiáng)產(chǎn)生衰減作用，排放中顆粒物濃度不同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致二次諧波的峰值有所變化，本發(fā)明即根據(jù)這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算柴油機(jī)排放中的煙度值，首先利用諧波信號(hào)中二次諧波的波峰值與一次諧波的波峰值比值計(jì)算得出氣體分子的真實(shí)濃度值(因比值可約去光強(qiáng)項(xiàng)，可有效避免顆粒對(duì)光強(qiáng)的衰減所帶來(lái)的誤差)，進(jìn)而反演出真實(shí)濃度下對(duì)應(yīng)的二次諧波峰值，而實(shí)際測(cè)到的二次諧波峰值是在顆粒物影響下產(chǎn)生的，因此兩者之間有偏差，此偏差即由排放中的顆粒物引起，通過(guò)顆粒物的米散射理論可計(jì)算出二次諧波誤差與排放中顆粒物濃度的關(guān)系。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種柴油機(jī)排放煙度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)儀，其特征是:包括檢測(cè)池、可調(diào)諧激光器、激光控制器、光電探測(cè)器、鎖相放大器和計(jì)算機(jī)，柴油機(jī)的尾氣排入檢測(cè)池中，激光控制器控制可調(diào)諧激光器輸出調(diào)制激光照射檢測(cè)池，光電探測(cè)器對(duì)透過(guò)光進(jìn)行接收探測(cè)并將電信號(hào)傳輸給鎖相放大器，經(jīng)鎖相放大器分析處理后的數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)顯示。2.—種柴油機(jī)排放煙度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)方法，其特征是:首先針對(duì)柴油機(jī)排放中的某種氣體組分的吸收峰譜線選取合適的可調(diào)諧激光器，利用激光器控制器控制激光器輸出，使激光器的輸出波長(zhǎng)在氣體分子吸收峰附近以一定的頻率掃描，將調(diào)制后的光信號(hào)通過(guò)被測(cè)氣體，利用光電探測(cè)器對(duì)通過(guò)氣體的光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，并將轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)輸入到鎖相放大器中，分析其諧波信號(hào)；所述分析其諧波信號(hào)具體包括:首先利用諧波信號(hào)中二次諧波的波峰值與一次諧波的波峰值比值計(jì)算得出氣體分子的真實(shí)濃度值，進(jìn)而反演出對(duì)應(yīng)的二次諧波峰值，通過(guò)顆粒物的米散射理論計(jì)算出二次諧波誤差與排放中顆粒物濃度的關(guān)系。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的柴油機(jī)排放煙度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)方法，其特征是:在掃描信號(hào)上加載高頻正弦信號(hào)。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的柴油機(jī)排放煙度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)方法，其特征是:所述使激光器的輸出波長(zhǎng)在氣體分子吸收峰附近以一定的頻率掃描過(guò)程中，采用低頻鋸齒波為掃描信號(hào)，頻率為200Hz。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的柴油機(jī)排放煙度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)方法，其特征是:所述高頻正弦信號(hào)的頻率為10kHz、峰值為4mA。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的柴油機(jī)排放煙度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)方法，其特征是:所述高頻正弦信號(hào)的頻率為10kHz、峰值為4mA。
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種柴油機(jī)排放煙度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)儀及檢測(cè)方法。取合適的可調(diào)諧激光器，利用激光器控制器控制激光器輸出，使激光器的輸出波長(zhǎng)在氣體分子吸收峰附近以一定的頻率掃描，將調(diào)制后的光信號(hào)通過(guò)被測(cè)氣體，利用光電探測(cè)器對(duì)通過(guò)氣體的光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，并將轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)輸入到鎖相放大器中，分析其諧波信號(hào)；分析其諧波信號(hào)包括：利用諧波信號(hào)中二次諧波的波峰值與一次諧波的波峰值比值計(jì)算得出氣體分子的真實(shí)濃度值，反演出對(duì)應(yīng)的二次諧波峰值，計(jì)算出二次諧波誤差與排放中顆粒物濃度的關(guān)系。本發(fā)明即可實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)尾氣排放顆粒物濃度的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，又可以有效避免光透法中測(cè)量值受光源能量及環(huán)境因素的影響。
【IPC分類】G01N21/39
【公開(kāi)號(hào)】CN105319183
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510777375
【發(fā)明人】劉龍, 楊曉濤, 謝文強(qiáng), 馬修真, 王忠巍, 袁志國(guó)
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年2月10日
【申請(qǐng)日】2015年11月13日