汽车排气分析流量计

汽车排气分析流量计一、概述轻型汽油车简易瞬态工况污染物排放检测系统（简称 Vmas 系统）是基于轻型汽油车污染物质 量排放的测试系统。与基于浓度排放测试的汽油车稳态加载污染物排放系统（简称 ASM 系统）相 比，Vmas 系统能够直接获取汽车污染物的排放总质量，可以更为准确地模拟车辆实际的工作状 态，更客观、公正地判断车辆的排放状态。 Vmas 系统由可以模拟加速惯量和道路行驶阻力的底盘测功机、专用汽车排气（五气）分析 仪、汽车排气分析流量计（以下简称流量计）、计算机控制系统组成。用底盘测功机以模拟车量在 道路上行驶瞬态工况负荷，用通过汽车排气（五气）分析仪采样探头直接获取汽车原始排放气体 CO 、CO2、HC 、NO 、O2 浓度值，用流量计测量经过风机抽入流量测量管稀释气体流量、压力、温 度、稀释氧浓度(其中稀释气体由除去进入汽车排气分析仪的汽车尾气之外，剩余尾气和环境混合 而成。通过测量汽车排出原始气体 O2 浓度和混合稀释气体 O2 浓度计算稀释前后稀释气体的稀释 比，可以得到汽车排放实际流量，再利用气体状态方程 pV=MRT/μ计算出汽油车尾气中 NOX 、 CO 、HC 单位时间（路程）内质量（检测结果为 g/km），可以实时分析车辆在道路负荷工况下排 放气体污染物排放质量，对于全面评价车量的排放状况、估算机动车污染物排放总质量及制定切实 可行的机动车污染物控制规划具有重要意义, 其中 p 为气体压力（单位为：Pa ），V 为气体体积 （单位为：m3），T 为气体温度（单位为：K ），M 为气体质量（单位为：g ），μ为 1 摩尔数气体 质量（单位为：g/mol），R 为常数（R=8. 31J? mol-1? K-1）。 汽车排气分析仪检测器由 CO 、CO2、HC 红外检测平台与 NO 红外检测平台或电化学传感器、 O2 电化学传感器等组成，其作用是用来测量汽车排出原始气体 CO 、CO2、HC 、NO 、O2 的浓度 值。 图 1 4 流量计由气体采集软管、风机、流量测量管、流量传感器、（O2）氧化锆传感器、温度传感 器、压力传感器、废气排出软管组成，用来测量汽车排出剩余气体和空气混合气的流量、温度、压 力、稀释气体氧（O2）的浓度。 Vmas 硬件系统是在 ASM 系统基础加上流量计组成，根据汽车排气（五气）分析仪测得的 CO 、CO2、HC 、NO 、O2 瞬间浓度值和流量计测得的混合气体瞬间流量、温度、压力、稀释气体 （氧）O2 浓度，通过积分求出污染物排放总质量。 Vmas 系统测量过程： 1. 模拟车辆实际行走工况 将被测车辆驶上底盘测功机，按相关标准控制底盘测功机给被测车辆加减载，按相关标准要求 行走速度线路图控制被测车辆的速度。 2. 汽车排出原始气体测量 将汽车排气（五气）分析仪取样探头插进汽油车排气管内，抽取汽车排出气体的原始气体，测 出汽车排出的原始气体中 CO 、CO2、HC 、NO 、O2 的浓度值 CCO 、CCO2、CHC 、CNO 、CO2Raw 。 3．混合气体的测量 利用风机通过气体采集软管，将汽油车排出全部剩余气体（除进入汽车排气（五气）分析仪的 尾气之外）和空气混合气体全部被抽进流量测量气管，测出混合气体瞬间流量、温度、压力、稀释 氧（O2）浓度 Vmix 、Tmix 、Pmix 、CO2Dil 。 4． 稀释比 K 计算 利用环境氧（O2）浓度 CO2Back 、汽油车排放气体中原始氧（O2）浓度 CO2Raw 、稀释氧（O2） 浓度 CO2Dil 通过公式（1）计算出其气体的稀释比 K 。 K= 式中：K ——稀释比； CO 2back ? CO 2 dil CO 2back ? CO 2 raw （1） CO2 back ——背景（环境）气体中氧气的浓度，单位为：10-2； CO2 dil ——稀释气体中氧气的浓度，单位为：10-2； CO2 raw ——排放气体中氧气的浓度，单位为：10-2； 5． 气体流量转换 利用公式（2）将被测气体流量转换成标准状态下的流量； VS = Vmix × pmix T0 × p0 t mix + T0 （2） 式中：Vs ——折合到标准状态下 Vmas 的流量，单位：m3/min； Vmix ——流量计测量的气体流量，单位：m3/min； p0 ——标准大气压，单位：101325 Pa； T0 ——标准状态下的温度，单位：273. 15°K ； pmix —— Vmas 测量的压力，单位：Pa ； tmix —— Vmas 测量的温度，单位：℃； 5 6．标准状态下汽油车排气（以下简称汽车排气）的流量； VsE = Vs × K + Vraw × praw T0 × p0 t raw + T 0 （3） 式中：VSE ——标准状态下汽车排气流量，单位：m3/min； Vs ——标准状态下进入流量计气体流量，单位：m3/min； Vraw ——被分流到汽车排气（五气）分析仪气体流量，单位：m3/min；

p0 ——标准大气压，单位：101325 Pa； T0 ——标准状态下的温度，单位：273. 15°K ； praw ——红外检测平台测量的压力，单位：Pa ； traw ——红外检测平台测量的温度，单位：℃； K ——气体稀释比 7．气体浓度转换为单位时间的质量； A ．HC 、NO2 单位时间（s ）的质量： p0 × C × VSE × ? × 10 3 Mt = 60 × R × T0 式中： Mt ——单位时间的气体质量，单位：mg/s； C ——排气 HC 或 NO2 的浓度，单位：10-6； VSE ——标准状态下汽车排气的流量，单位：m3/min； p0 ——标准大气压，单位：101325 Pa； T0 ——标准状态下的温度，单位：273. 15°K ； （4） μ ——为 1 摩尔气体的质量，单位为：g/mol，HC ：86g/mol NO2：46g/mol； R ——普适气体恒量，单位：8. 31J? mol ? K ； B ．CO 、CO2 单位时间（s ）的质量： -1 -1 p0 × C × VSE × ? × 10 3 Mt = 60 × R × T0 式中：Mt ——单位时间的气体质量，单位：毫克/秒（mg/s）； C ——排气里的 CO 或 CO2 气体浓度，单位：10-2； VSE ——标准状态下汽车排气的流量，单位：m3/min； p0 ——标准大气压，单位：101325 Pa； T0 ——标准状态下的温度，单位：273. 15°K ； μ ——为 1 摩尔气体的质量，单位为：g ，CO ：28g/mol CO2：44g/mol； R ——普适气体恒量，单位：8. 31J? mol ? K ； 8．气体排气总量的计算 -1 -1 （5） 根据 Vmas 系统测量出来的各种气体单位时间（s ）内瞬间质量经过积分计算出汽车每公理排 气总量。 6 二、流量检测系统特点、组成及各部份的作用

1． 流量检测系统组成 如图 2 所示，流量检测系统由进气管、抽风机、流量测量管、扰流杆、超声波传感器、温度传 感器、氧化锆氧传感器、压力传感器、排气管等组成。 图 2 进气管是将汽车排放出来的全部尾气（除去进入汽车排气分析仪的气体）和空气混合气体导流入流量测量管的进气管道。 抽风机是用来抽取汽油车排放出来的全部尾气（除去进入汽车排气分析仪的气体）和空气混合气体，使其全部进入流量测量管内。 流量测量管（内装有扰流杆、超声波传感器、温度传感器、压力传感器、氧华锆传感器。）是汽油车排出的全部尾气（除去进入汽车排气分析仪的气体）和空气混合气的测量管道。 扰流杆是流量测量的重要主件之一，是流量测量的重要组成部分，是产生涡街旋涡的重要零件。 超声波传感器是流量测量传感器，流量信号就是依靠超声波传感器获得。 温度传感器是汽油车排放出的全部尾气（除去进入汽车排气分析仪的气体）和空气混合气体温度测量的传感器。 氧化锆传感器是汽油车排放出的全部尾气（除去进入汽车排气分析仪的气体）和空气混合气体氧浓度的测量传感器。 压力传感器是汽车排放出的全部尾气（除去进入汽车排气分析仪的气体）和空气混合气体压力测量的传感器。 7 排气管是将汽车排放出的全部尾气（除去进入汽车排气分析仪的气体）和空气混合气体通过检测系统后需要排到外面去的出气管道。 2． 特点 采用原装进口超声波传感器，利用涡街测量原理进行气体流量测量，采用原装进口氧化锆进行 稀释气体氧浓度测量，流量和稀释氧测量稳定性好、测量精度高，完全达到美国 sensors 公司原装 进口 Vmas 流量计在稀释气体流量（m3/min）、稀释氧（O2 ）浓度（%）、温度（℃）、压力 （Pa ）方面的测量技术要求，可以取代同类型的进口流量计，完全能够满足国家标准 GB185252005《点燃式发动机汽车排气污染物排放限值与测量方法（双怠速法和简易工况法）》、上海地方 标准 DB31/XX-XX《点燃式在用汽车排气污染物排放限值与测量方法》、北京地方标准 DB 11/1232000《轻型汽油车简易瞬态工况排放标准》测量要求。 三、流量测量原理 图 3 图 4 如图 3 所示。混合气体由流量测量管进口进入，经过扰流杆后产生涡街旋涡，对超声波发射传 感器发射的等幅高频超声波进行干涉，使超声波接收传感器接收到如图 4 所示的超声波。其中包络 线的频率就是经过扰流杆后所产生的涡街旋涡频率，经过扰流杆后产生涡街旋涡与气体的流量成正 8 比，气体流量大经过扰流杆后产生涡街旋涡就多，反之就少，通过电路进行解调，解调出包络线， 用单片机读出包络线的频率，就可以测出气体的流量。 四、主要技术参数（1）额定工作环境 a) 温度： 0 ℃～45 ℃； b) 相对湿度：≯90%； c) 大气压力：86. 0kPa ～110. 0kPa ； d) 电源电压：AC 220 V±22 V； e) 电源频率：50 Hz±0. 5Hz ； （2）预热时间：20 min； （3）测量范围 a) 流量：（70～160）

L/s； b) O2： （ 0. 5～25. 0）%vol； c) 温度：-5℃～70℃； d) 压力：80. 0kPa ～110. 0kPa ；

（4）分辨率 a) 流量：0. 1L/s； b) O2： 0. 02% vol； c) 温度：0. 2 ℃ d) 压力：0. 2kPa ； （5）示值误差 a) 流量：±4%； b) O2： ±5% (F. S) ； c) 温度：±1 ℃ d) 压力：±3%； （6）重复性 a) 流量：±2. 0%； b) O2： 相对标准偏差应不大于 1. 5%； （7）O2 响应时间 O2 响应时间≤20s （8）O2 稳定性 a) O2 零点飘移：±2. 5%(F. S) ； b) O2 量距飘移：±2. 5(F. S)%；

（9）压力回程误差 压力的回程误差应小于：≤3%； (10)消耗功率：1000W (11)外型尺寸：约1400mm （长）×450mm （宽）×810mm （高） （12）质量：约60kg 。 9 五、安装 1. 安放要求 ⑴ 将流量计安放在平坦、水平场地上。安放位置选定后，应把流量计底座上四个脚轮锁紧， 防止流量计在使用过程中发生移动。若要移动流量计则应松开底座上四个脚轮锁紧机构。 ⑵ 远离被测车辆行车通道的场地，防止检测过程中被检车辆撞坏流量计。 ⑶ 流量计须安放在通风的场地上，被测车辆排出的废气能快速排出检查现场。 ⑷ 流量计位置附近应留有一个直径大于120mm 的废气排放口，以便安放排气管道，使被测车 辆排出的废气排到检测场外。 ⑸ 流量计摆放的位置附近应留有放置进气、抽气管道的空间。 2. 电源要求 ⑴ 流量计需要两组AC200V 供电电源：一组用于流量计风机电机供电的AC220V 动力电源；一 组是供其余部件使用的AC220V 电源。这两组电源必需分开供电，用于风机供电的AC220V 电源最好采用动力电源；用于流量计其它部件供电的AC220V 电源最好采用照明线路供 电。 ⑵ 流量计应安装在远离强磁场地方，防止电磁干扰。供电电源要有良好的接地端，避开干扰 源的影响。 ⑶ 流量计输出信号线、控制信号线与其它设备连接时，其它设备也要接好地线。 3. 气管安装 ⑴ 如图5所示。将排气管一端套在流量测量管废气排出口处，用管夹将连接处夹紧，使连接 处不漏气，将排气管另一端置于室外。 图 5 ⑵ 如图6所示。将进气管1其中一端套在风机进风口上，用管夹将连接处夹紧，使连接处不 漏气；将进气管1另一端套在三通上，用管夹将连接处夹紧，使连接处不漏气。 10 图 6 ⑶ 如图6所示：a) 将进气管2、进气管3其中一端分别套在三通上，用管夹将连接处夹紧，使 连接处不漏气；b) 将进气管2、进气管3另一端分别套在喇叭口连接管上，用管夹将连接 处夹紧，使连接处不漏气。 4. 电缆连接 a) 如图 7a 所示。将风机电机供电电缆连接到动力电源插座上； b) 如图 7b 所示。将流量计主机供电电缆连接到照明电源插座上； 图 7a 图 7b 图 8 c) 将通迅电缆接到流量计的 RS232 通信接口上，其中 RS232 接口的管脚定义如图 8 所示。 11 六、操作方法 ① 打开风机电源开关，让风机预热 30 分钟，等风机流量基本稳定后再进行测量。（注： 风 注 机未开时不得将流量计进气 端的喇叭口套在被测车辆排气口上 以防被测汽油车辆排出的 汽油车辆排出 机未开时不得将 流量计进气端的喇叭口 套在被测车辆排气口上 ， 以防被测 汽油 车辆排出 的 废气 流量计 进气端的喇叭口 套在被测车辆排气口上， 含有的水蒸 在无环境空气混合的情况下，凝结在流量测量管里，损坏安装在流量测量管内 水蒸气 里 含有的 水蒸 气 在无环境空气混合 的 情况下 ， 凝结在流量测量管里 ， 损坏 安装在流量测量管内 各种传感器。 部 各种传感器 。 ） ② 打开流量计主机（流量测量管）电源开关，让流量测量管内部各测量部件预热 30 分 钟。（注 ： 主机 在预热过程中不得将 流量计 进气 端喇叭口 套在被测 汽油 车辆 废气 排 气 口上 ， 其 注 主机在预热过程中不得将流量计进气 端喇叭口套在被测汽油车辆废气排 口上， 在预热过程中不得将流量计进气端喇叭口套在被测汽油车辆废气 附近也不要停放发动机已起动的机动车 以防机动车排出的废气进入流量计 测量管道， 机动车， 机动车排出 流量计的 附近也不要停放发动机 已 起动的 机动车 ， 以防 机动车 排出 的 废气进入 流量计 的 测量管道 ， 影响 氧化锆自动调零。 氧化锆自动调零 。 ） ③ 预热完毕后，通过流量计的串行通信口发送调零命令，使流量计调零。（注： 在调零过程 注 不得将流量计 气端喇叭口套在被测汽油车辆废气排气口上， 附近也不要停放发动机已 流量计进 中 不得将 流量计 进 气端喇叭口套在被测汽油车辆废气排气口上 ， 其 附近也不要停放发动

机 已 起 的机动车， 以防机动车排出的废气进入流量计 测量管道，影响流量计调零， 致使流量计 机动车排出 流量计的 流量计调零 流量计测 动 的机动车 ， 以防 机动车 排出 的 废气进入 流量计 的 测量管道 ， 影响 流量计 调零 ， 致使 流量计 测 量不准。 量不准 。 ） 图 9 ④ 如图 9 所示。将流量计的喇叭口套在被测车辆废气排放管道上，让被测车辆排出的全 部废气一路通过取样软探头组件与取样管导入汽车排气分析仪，另一路则与空气混合后进入流 量测量管里（如图 10）。（注： 被测车辆为双排气管时 ， 应将 流量计 的两个进气喇叭口分别套 注 被测车辆为双排气管时，应将流量计 流量计的两个进气喇叭口分别套 在被测车辆的两个排气口上，让被车辆两个排气口排出的气体全部（除去导入汽车排气分析仪 导入汽车排气 在被测车辆的两个排气口上 ， 让被车辆两个排气口排出的气体全部 （除去导入汽车排气分析仪 的气体）进入 流量 流量计 被测车辆为单排气管时， 流量计的两个进气喇叭口中 的两个进气喇叭口中任 的气体）进入流量计 ； 被测车辆为单排气管时 ， 取 流量计 的两个进气喇叭口中 任 一个套在被测 车辆的排气口上，让被车辆排气口排出的气体全部（除去导入汽车排气分析仪的气体 进入流 导入汽车排气分析仪的气体） 车辆的排气口上 ， 让被车辆排气口排出的气体全部 （除去导入汽车排气分析仪的气体）进入 流 量计， 取下放置在另外一个喇叭口 上取样探头等组件， 另外一个喇叭口上取样探头等组件 悬挂在喇叭口上的橡胶塞子塞住 量计 ， 取下放置在 另外一个喇叭口 上取样探头等组件 ， 并 用 悬挂在喇叭口上的橡胶 塞子塞住 该样气出口。 该样气出口 。 ） ⑤ 通过串行通信口发送取数命令，获取流量计实时测量的各种流量参数值。 12 图

A FLA-502 A 汽车排气分析流量仪 管长2米 管长3米～4米 FLA-502 FLV -1000 图10 13

七、仪器标定 1. 标定前准备 配备标准气：浓度为16. 0%O 2 (标定用气) 、4. 5%O 2 、19. 0%O 2 (分别用检查示值误差) 瓶装 标准气体各1瓶； 预热： (1)氧化锆、压力、温度标定时，要关闭风机电源，流量计主机电源开关置开。 (2)流量标定时，接通风机及主机电源，流量计主机通电预热不小于20min 。 2. 氧化锆标定 （1）如图11所示。将浓度约为4. 5%的O2标准气通入氧化锆气室，控制标准气体流量（如无特 殊规定均按1L/min流量通入）。 （2）等待流量计读数稳定后，通过串行口O2标定命令输入O2浓度参数。 （3）将浓度约为16. 0%的O2标准气通入氧化锆气室，控制标准气体的流量（如无特殊规定均按 1L/min的流量通入）。 （4）待读数稳定后，通过串行口O2标定命令输入O2浓度参数。 （5）通过串行口读取状态码，检查O2浓度标定是否成功，如果不成功请重新标定。 (6) 通入不同浓度的O2标准气，验证O2的准确性，如果不准确请重新标定。 图 11 3. 压力标定 （1）用标准压力计读取环境压力标准值，并作好记录。 （2）通过串行口标定命令输入压力参数。 （3）通过串行口读取流量计状态码，检查压力标定是否成功，如果不成功请重新标定。 (4) 改变加在传感器上的压力，验证压力准确性，如果不准确请重新标定。 注：在作压力标定时应关闭风机电源（风机停止工作），以防风机在运转过程中 压力不稳定造成压力标定不准确。

4. 温度标定 14 （1）用标准温度计读取环境温度标准值，并作好记录。 （2）通过串行口标定命令输入温度参数。 （3）通过串行口读取仪器状态码，检查仪器温度标定是否成功，如果不成功请重新标定。 （4）改变温度传感器温度，验证温度准确性，如果不准确请重新标定。 注：在温度标定过程中最好关掉风机，以防风机在运转过程中温度不稳定造成温 度标定不准确。 5. 流量标定 （1）接通风机及流量计主机电源，通电预热不小于20min ，等稳定后再进行流量标定。 （2）如图12所示。调节风机进风量，使标准流量计示值约为10m /min。 （3）等读数稳定后，通过串行口流量标定命令输入流量参数。 （4）调节风机进风量，使标准流量计显示值约为4m /min。 （5）等待读数稳定后，通过串行口流量标定命令输入流量参数。 （6）通过串行口读取流量计状态码，检查流量计流量标定是否成功，如果不成功请重新标定。 （7）改变风机的进风量，验证流量准确性，如果不准确请重新标定。 3 3 图 12 八、通讯说明 1. 硬件连接 RS-232 串 行 接 口 的 输 出 接 口 （ 如 图 8 所