一种柴油车尾气排放颗粒物便携式车载测试系统的制作方法

技术领域

本发明属于移动源排放测试技术领域，具体涉及一种适用于测量柴油车尾气排放的细颗粒物测量装置。

背景技术：

细颗粒物是造成区域性雾霾的重要原因，移动源中的柴油车由于燃料与燃烧性质的特点，排放的颗粒物浓度较高，特别是大功率的柴油车，其尾气颗粒物浓度是同功率等级汽油车的几倍甚至几十倍。现已有关于柴油车颗粒物的限排标准，未来将会有更为严苛的限排标准，对现实工况下的柴油车尾气排放细颗粒物管控手段将更加多样，而管控基础为对现实工况下的尾气排放细颗粒物进行排放量统计，而细颗粒物量化基础为依托一套准确测量现实工况下柴油车尾气排放细颗粒物的便携车载式测量系统，更好地服务于柴油车细颗粒物排放的监管。

尾气排放的细颗粒物测量方法主要有β射线吸收法、微量振荡天平法、重量法以及激光射线法。被用于便携车载式的测量装备需要体积小，安装方便，易于操作与集成。上述4种方法中，β射线吸收法、微量振荡天平法成本高、装置复杂且不易于安装携带。同时，由于现实工况下的尾气排放测量具有相当大的不确定性，因此，需要进行平行采样保证测量的准确性。本发明选取了两种常用于车载便携式尾气排放测量系统的重量法与激光散射的方法，进行硬件与软件的集成，构建了一套适用于现实工况下便于携带与安装的车载尾气排放测量系统。

目前柴油车尾气排放车载便携式细颗粒物测量系统主要存在以下不足：1.市场上没有专门针对现实工况下的柴油车尾气排放细颗粒物的车载测量系统。2.现有的车载便携式尾气排放细颗粒物测量系统能够测量的细颗粒物种类有限。3.滤膜称重法方便进行采集样品的组分分析，但现有的颗粒物测量系统中重量法的应用不够广泛，本发明将重量法充分应用于车载便携式测量系统中。4.本发明首次采用多通道采样法，利用重量法与激光散射法进行同时采样，结果可比对，保证准确性。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题。本发明目的在于提供一种适用于移动源中柴油车尾气排放的颗粒物排放测量系统。具备同时测量柴油车尾气排放细颗粒物：PM_2.5、PM₁₀、TSP的功能，利用滤膜称重法与激光散射法进行采样，其中滤膜称重法采用多通道进行定稀释比采样，所采集的样品方便进行统计与组分分析。整个滤膜称重法测量颗粒物的系统体积小巧，安装操作方便。激光散射法同样可检测PM_2.5、PM₁₀、TSP，同时将颗粒物浓度的实时数据与相关的计算结果进行上传，方便在现场进行数据观测以及后续分析。

为达到以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种柴油车尾气排放颗粒物便携式车载测试系统, 包括与柴油车的排气管相连接的多通道可保温采样管（1），与采样管（1）连接的柴油车气态污染物测量单元（2）和基于滤膜称重法的颗粒物测量单元（4），其中与采样管（1）连接的柴油车气态污染物测量单元（2）包含有前置过滤器（3）。基于滤膜称重法的颗粒物测量单元中包含可调节稀释比多通道采样稀释器（5），空气过滤器（6），可将颗粒物粒径分离的纯不锈钢材质切割器与滤膜托盘（7），基于滤膜称重法的颗粒物测量单元保温装置（8），基于激光原理的颗粒物在线测量单元（9），测量柴油车引擎参数的传感器集成模块（10），基于北斗定位的记录柴油车行驶速度的BDS模块（11），排气体积流量测量模块（12）数据储存与实时传输模块（13），数据收集与显示终端（14），数据处理模块（15），供电系统（16）。其结构为附图中图1所示，柴油车气态污染物测量单元（2）图中位置2、基于滤膜称重法的颗粒物测量单元（4）图中位置1、基于激光原理的在线颗粒物测量单元（9）图中位置3。同时测量柴油车引擎参数的传感器集成模块（10）图中位置4，基于北斗定位的记录柴油车行驶速度的BDS模块（11）图中位置5分别对柴油车发动机参数与行驶速度进行数据记录，排气体积流量测量模块（12）图中位置6，以上所有现场测量数据在数据储存与实时传输模块（13）图中位置7中进行实时储存与传输。

该系统可测量柴油车尾气排放的气态污染物的质量浓度、油耗、车速、发动机转速等多个参数。实时稳定地输出移动源的实时污染物的质量排放速率、油耗速率、尾气排放质量与体积速率，可获得多种测量方法的颗粒物排放质量浓度与排放因子。

所述采样管（1）包括能够采集气态污染物的采样管与多通道全不锈钢材质的采样管，全不锈钢材质的多通道采样管有单通道、双通道、3通道可供选择，各通道的采样流量一致，范围在0-5L/min可调节。

所述适于测量柴油车尾气中气态污染物单元（2）包括前置过滤器、可测量O₂、NOx、NO、CO、CO₂、HC一体化传感器平台。且其前置过滤器（3）可过滤稀释空气中的颗粒物，降低进入一体化平台尾气中的颗粒物浓度，防止平台损坏。

所述基于滤膜称重法的颗粒物测量单元（4）结构如附图中图2所示，尾气由图2中5所示位置由泵提供抽气动力进入可调节的定稀释比多通道采样稀释器（5）如图中标号为1的位置。同时，经过空气过滤器（6）由图中2所示位置与尾气同时进入稀释器。在稀释腔中混合后以恒定的流速分三路依次进入可将颗粒物粒径分离的纯不锈钢材质切割器与滤膜托盘（7）即图中3、4所示位置。其中测量PM_2.5与PM₁₀需要切割器，测量TSP时则不需要切割器。经过一定的时间，颗粒物沉降于滤膜托盘中的滤膜上。该可调节的定稀释比多通道采样稀释器（5）稀释比范围可为10~60之间，所使用的滤膜为47mm规格，体积小，材质为特氟龙或石英，方便于后续的颗粒物组分分析。同时，各单元在采样过程中具有保温装置（8），避免冷凝造成的颗粒物损失。

所述基于激光原理的颗粒物在线测量单元（9）可同时或选择性测量PM_2.5、PM₁₀、TSP。可实时输出颗粒物的质量浓度与粒子数，所测量的数据可实施存储或在线收集。

所述测量柴油车引擎参数的传感器集成模块（10）所收集的引擎运行转速，进气歧管压力与温度、尾气排放温度、环境温度与压力，所测数据可实时反映柴油车引擎运转状态，并用于油耗的计算。

所述基于北斗定位的记录柴油车行驶速度的BDS模块（11），利用国内开发的BDS技术对柴油车行驶过程进行精确定位，实时记录柴油车的行驶速度。

所述排气体积流量测量模块（12），选用适合于测量柴油车尾气排放的流量计对柴油车尾气排放体积流量进行准确记录。

所述数据储存与实时传输模块（13）将上述所有电控单元与模块：柴油车气态污染物测量单元（2）和基于滤膜称重法的颗粒物测量单元（4），基于滤膜称重法的颗粒物测量单元保温装置（8），基于激光原理的颗粒物在线测量单元（9），测量柴油车引擎参数的传感器集成模块（10），基于北斗定位的记录柴油车行驶速度的BDS模块（11）中采集的所有原始数据进行实时的备份，提供了储存卡与USB接出口供用户进行数据备份。同时将数据在线或离线传输至数据收集与显示终端（14）。

所述数据收集与显示终端（14）与数据处理模块（15）相连接，数据处理模对原始数据进行同步化、质量控制后，根据质量守恒定律、燃烧过程、理想气体方程计算出柴油车尾气排放的秒级质量速率、秒级油耗速率、秒级气态污染物排放速率、秒级颗粒物排放速率，得出柴油车颗粒物的准确细颗粒物排放状况与排放因子，同时据收集与显示终端（14）可对所有模块进行开关控制。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

采用了滤膜称重法进行现实工况下柴油车尾气排放颗粒物测量，方便了柴油车尾气排放颗粒物的后续组分分析。

实现两种现实工况下颗粒物测量典型方法同时比对的柴油车尾气排放颗粒物测量系统的建立。

所采集的颗粒物数据为现实工况下柴油车尾气排放颗粒物代表性数据，具有一定的监管参考价值。

该系统测量与数据计算方法决定了系统相较于其他测量系统省去了相当一部分硬件，降低了成本，减小了体积，方便携带与安装。

附图说明

附图1为本发明柴油车尾气排放细颗粒物车载测量系统结构示意图：

其中1为柴油车气态污染物测量单元（2）;2为基于滤膜称重法的颗粒物测量单元（4）;3为基于激光原理的颗粒物在线测量单元（9）；4为同时测量柴油车引擎参数的传感器集成模块（10）；5为基于北斗定位的记录柴油车行驶速度的BDS模块（11）；6为体积流量的传感器模块（12）；7为数据储存与实时传输模块（13）。

附图2为本发明柴油车尾气排放细颗粒物车载测量系统中基于滤膜称重法单元结构示意图:

其中1为可调节的定稀释比多通道采样稀释器（5）;2为空气过滤器（6）;3为切割器；4为滤膜托盘；5为抽气泵。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如附图所示，本实施例一种柴油车尾气排放细颗粒物车载测量系统，包括与柴油车的尾气管相连接的多通道可保温采样管1，与采样管1连接的柴油车气态污染物测量单元2和基于滤膜称重法的颗粒物测量单元4，其中气态污染物测量单元2包含有前置过滤器3。基于滤膜称重法的颗粒物测量单元4中包含可调节的定稀释比多通道采样稀释器5，空气过滤器6，可将颗粒物粒径分离的纯不锈钢材质切割器与滤膜托盘7，基于滤膜称重法的颗粒物测量单元保温装置8，基于激光原理的颗粒物在线测量单元9，测量柴油车引擎参数的传感器集成模块10，基于北斗定位的记录柴油车行驶速度的BDS模块11排气体积流量测量模块12，数据储存与实时传输模块13，数据收集与显示终端14，数据处理模块15，供电系统16。

下面对本实施例一种柴油车尾气排放细颗粒物车载测量系统，各部分详细说明如下：

与柴油车的尾气管相连接的多通道可保温采样管1：采样管包括了适合柴油车尾气排放的气态污染物采样的PVC管与细颗粒物采样的纯不锈钢采样管，由于系统中有两个测量细颗粒物的单元，因此颗粒物为双通道采样管，同时采样管配备为其保温的伴热管。

柴油车气态污染物测量单元2：包括O₂、NO₂、NO电化学传感器和CO、CO₂、HC测量平台，可测量柴油车尾气排放上述气体的百分比浓度，采样频率可进行自行设置，可设置范围为1-10Hz之间。

基于滤膜称重法的颗粒物测量单元4：采用滤膜称重法进行细颗粒物的测量，由可调节的定稀释比多通道采样稀释器5，空气过滤器6，可将颗粒物粒径分离的纯不锈钢材质切割器与滤膜托盘7，基于滤膜称重法的颗粒物测量单元保温装置8构成，其中进入可调节稀释比的多通道采样稀释器5的稀释空气由空气过滤器6进行吸附性净化，过滤稀释空气中的颗粒物，保证进入稀释器的空气洁净度。同时依据管道中流体力学的原理对稀释器中的管道进行结构与稀释腔的口径进行设计，保证尾气与洁净空气在稀释腔中充分混合，同时保证进入切割器的混合气流量依据切割器的规格保持恒定，考虑系统携带方便与体积小，使用5L/min或10L/min的切割器，为减少颗粒物可能出现的冷凝损失，整个单元配备安全的低功率保温装置，

基于激光原理的颗粒物在线测量单元（9）：由激光散射原理记录PM_2.5、PM₁₀、TSP质量浓度与粒子数，内部自带切割器，采样流量可设置为1-10L/min，采样频率可达10Hz，其数据可实现实时储存与在线传输。

测量柴油车引擎参数的传感器集成模块10：该模块包括测量柴油车转速、进气歧管压力与温度、进入空滤气体的温度与压力、尾气排放温度与压力、环境温度与压力共9路传感器与OBD集成模块，9路传感器为高精度传感器，与AD数模转换模块相连接，输出柴油车引擎运行的所有参数。

基于北斗定位的记录柴油车行驶速度的BDS模块11：使用国内北斗卫星对柴油车经纬度、高程进行精准的定位，为研究柴油车的尾气排放特征提供准确的参考数据。

排气体积流量测量模块12：综合考虑柴油车尾气的物理性质，选取依据卡门涡街原理生产的流量计对柴油车尾气排放体积流量进行测量。

数据储存与实时传输模块13：所有具备数据输出特性的测量单元均与该模块相连接，对所有数据进行实时的储存与传输，储存功能为实现模块的原始数据备份功能，根据用户的需求进行接出口设置。其中传输方式分为有线与无线，供用户进行选择，不论何种数据传输方式，均可对柴油车进行在线的数据测量。

数据收集与显示终端14：接收来自数据储存与实时传输模块13发出的所有数据，可图形化显示柴油车实时的气态污染物与来自激光原理测量细颗粒物的排放变化情况，并将排放曲线储存于终端中。同时，该终端会根据已有的测量数据，当测量仪器出现异常时发出警报提醒。该终端主要为两种形式：开源化的上位机软件与自行研发的高度集成数显终端。

数据处理模块15：对所有现场采集数据进行同步化、无效数据剔除、不连续数据填补、数据的计算，该模块嵌套于数据收集与显示终端14中，另外一种形式为配合开源化上位机软件进行设计的代码形式。

供电系统16：为整个测量系统提供稳定的直流电源，主要为可充电蓄电池与超静音小型发电机、必要时配备装置由车辆电瓶进行供电。

本发明测试系统的工作原理为：当柴油车引擎发动后，排放的尾气通过柴油车的尾气管相连接的多通道可保温采样管1，经由前置过滤器3进入柴油车气态污染物测量单元2，同时进入基于滤膜称重法的颗粒物测量单元4、基于激光原理的颗粒物在线测量单元9，三个单元的采样泵即刻开启进行采样。同时测量柴油车引擎参数的传感器集成模块10，基于北斗定位的记录柴油车行驶速度的BDS模块11排气体积流量测量模块12开启进行数据收集。测试所有的数据会在数据储存与实时传输模块13中进行实时保存并传输至数据收集与显示终端14。数据处理模块15同时对所有采集数据进行前处理、质量控制，并将气态污染物与引擎参数结合后，运用质量守恒原理、理想气体方程与燃烧过程可准确计算出移动源的尾气秒级质量排放和油耗速率，测量逐秒的燃油消耗量，计算出柴油车车基于里程的排放因子或基于油耗的排放因子、时间累积的柴油车尾气排放量。这些结果以数据或图形的形式在数据收集与显示终端14上进行展示，输入基于滤膜称重法的滤膜采集结果后，激光与滤膜称重法的测量结果可通过数据处理模块15进行颗粒物排放因子与排放速率的比对，并最终在数据收集与显示终端14上显示比对结果。