1、电子测量与仪器学报 2009年增刊随车式汽车尾气分析仪的设计徐辉 徐洋(重庆邮电大学自动化学院，重庆400065)摘要：针对汽车尾气检测技术落后的问题，介绍了利用A删9开发的汽车尾气分析仪。该分析仪使用不分光红外线法(NDIR)分析Ic、c0和cO浓度；电化学方法分析02和NOx浓度；采用霍尔传感器测量机动车速度；采用热线式流量计测量机动车捧llj尾气的流量，能够测量不同工况下机动车尾气5种气体成分。试验结果表明，该仪器相对误差较小，具有推广应用前景。关键宇。随r乍式：尾气分析仪；检测故障中图分类号：1146748 文献标识码：Design on Portable Engine Exhaust
2、 Gas AnalyzerXu HUi，XuYang(Chongqing University of Post and Telecommunication,Chongqing，400065，China)Abstract：Aiming at the problem of Iaggard engine exhaust detection technique，a new engine exhaust analyzer was developedby using of the board ARM9The analyzers call test the five kinds of exhaust gas
3、 at the different operating modeIt used thenon-dispersive infrmed method(NDIR)to analysis of HC，CO and CO concentration，the electrochemical methods to test NOxand 02，the hall sensor measuring speed and the hotline flowmetcr measuring the flow of exhaust gasThe test results show thatthe relative erro
4、r ofthe portable engine exhaust gas analyzer is minor，and it has a promotion ofapplication foregroundKey words：portable，exhaust gas analyzer,checking malfunction式下车辆的尾气排放数据【21。1引言2 系统综述伴随着汽车数量的增加，给环境带来了，眦重的威胁。实现对汽车尾气污染进行有效控制已成为我国环境保护一项刻不容缓的任务。汽车通过排气管所排出的污染物成分和浓度与发动机的技术状况密切相关。汽车排放的尾气中，具有多种有害气体和微粒如C0、
5、HC、NOx等，影响人们的生活和健康，所以通过对汽车尾气污染进行检测对评价发动机技术状况和保护人类生存环境都具有重要意义。目前，测试方法中指出的工况法测尾气污染物限值所需的设备有底盘测功机和排气分析系统。但其占用面积大，操作复杂，实验准备时间长，测试条件受限，成本极高。限于静态的道路截面检测，无法抉得汽车在实际运行条件下尾气排放随车速和加速度的动态变化。随车式尾气分析仪恰好能获取实际情况下所有的可能的驾驶模基金项目：重庆科委资助项H项lI编号：2008AA6002整个系统由中央控制单元、尾气取样单元、气体流量测量单元、速度测试单元以及相关辅助设备组成。首先对汽车尾气精确采样，再南中央控制单元进
6、行标准计算，通过LCD触摸屏控制整个系统。该尾气分析仪中央控制单元采用WinCE嵌入式操作系统作为核心控制单元，使用VS2008进行软件设计，其控制操作简单、界面直观。3硬件设计构架31设计思路该分析仪要求随车测量工况尾气排放，必须满足几点：外形尺、J，J、，携带方便，配置LCD触摸屏具有打印功能；为满足工况法，配置气体流量计、车速传感器；精确的CO、HC、N0x、02、C02等5种气体成份采样、测量装置。具体硬件设计原理框图，如图1所示。电子测量与仪器学报 一 2009年增千|J打印机仪表显示ARM9开发板LCD触摸屏气体流量计，D转换【，一气体采 模块l叫样装置霍尔传感器图1分析仪硬件设计
7、原理框图由图l可见，该分析仪车速传感器采用霍尔传感器，把主体固定在前支架上，2个圆形磁钢放置在发动机齿轮轮辋上，通过齿轮转动测量车速。通过气体流量计实时获取行驶中汽车所排尾气的流量，获得的流帚值送至信号转换和处理单元。车轮转速信号和气体流量信号最终都在A删9开发板上得到处理。气体采样装置将尾气采集后经粉尘过滤器、水分离器后送给气体传感器检测，气体传感器获取汽车尾部所排废气成份的数据，并传送到信号转换和处理单元。信号转换和处理单元将获得的数据信息输送给AP619开发板，经A蹦9开发板内部存储的工作程序完成最终处理，并将相关信息送LCD显示，测量结果通过微型打印机输出131(测量时的一些控制信息通
8、过触摸屏输送给AP319开发板)。32气体采用装置原理图设计分析仪的采样装置原理图，如图2所示。鞲；髓I,J NDIRl传感器I lI传感嚣糯甲图2分析仪气体采样装置原理图从排气管进来的气体通过取样管后进入对偶限值过滤器(能滤除气体中的水滴和95直径大于01 u m的微粒)。三头电磁阀用来选择汽车尾气样气或者调零气体。水气过滤器不能通过任何液态水，也不能通过任何细小的微粒。通水气过滤器后的气体被抽到双头阀。最后，气体被分成2个部分：通过限流器后进入传感器：被排到空气中。电化学传感器安装在采样系统的末端。取样系统设计中把尾气中的水气和微粒最大限度地滤除，这样可以提高传感器测量时的精度。气体通过采
9、样后进入气体传感器，传感器输出OlOOmY的电信号，模拟信号通过AD转换后变成微机能处理的数字信号。气体流量计与霍尔传感器也将通过AD转换模229块将采集的模拟信号转换为数字信号，再通过串口传输到中央控制单元，数字信号通过开发板的嵌入式软件按进行处理。4分析仪采集数据处理方法41汽车车速测量开发板根据霍尔传感器送入的脉冲信号计算汽车车速，若每秒输入脉冲数为N，轮齿间的距离记做T，则摩托车的车速为：V=NT(kmh)其中，齿距计算公式为：T=m(m=dz)d是齿轮商径，z是轮齿数量HI。42尾气流量测量此仪器使用热线式流量计，其依据是热线式空气流量计热线传感系数和h与空气流鼍M的关系：|Il=a
10、+D,fff式中(It、6一系数。热平衡方程为：Rul2=(n+p厢)以AT式中热线阻值，靠一散热面积，r传热线温度差。热线式电流I与传感器系数h的平方根成正比的关系：I t丽囚此通过热线式电压确定空气流最。43尾气各成分测量尾气污染物测最值的计算，排放测试结果应进行稀释校正及湿度校正，计算10次有效测试的算术平均值51，试验中汽车排出的碳氢化合物、一氧化碳、氮氢化物浓度测量结果计算公式如F：Cnc(i)x DF(O=且r一Cco(i)x DF(i)ccD=生广CNo(i)DF(i)x Ku(i)cD=且石一Cc，HC排放平均浓度，i0矗：Cco，CO排放平均浓度，；鬻酗电子测量与仪器学报 2
11、009年增刊CMo，N0排放平均浓度，1旷；ck(f)，第i秒HC排放平均浓度，10“；c品(f)，第i秒C噼放平均浓度，；cD(D，第i秒N0排放平均浓度，10“；DF(O，第i秒稀释系数；酶(j)，第i秒稀释校正系数。5软件设计51分析仪数据采样系统数据采样系统的主要功能是采集汽车尾气，测出各种污染物的稀释后浓度值，最后由数据处理程序整理出个工况F对应的瞬态浓度值。采样程序，如图3所示。由此可知道各_T况F污染物浓度排放值得高低，有针对性地对发动机电控系统进行标定和对排放控制措施进行调整，以达剑高价排放法规要求。测试排放物浓度的仪器是r哑)IR，它的T作原理是基于大多数非对称分子对称分子对
12、红外波段中一定波长具有吸收能力，其吸收程度与被测气体的浓度有关。例如C0能够吸收波长。45-5 11 m的红外光线，C02能够吸收波长4-45 la m的红外光线等。图3分析仪数据采样程序示意图52分析仪测试软件设计采片jVC编写测试软件，可以实现串口数据的输入、处理和输出。测试程序，如图4所示，程序设置好各个控键的功能，执行相应的控键就能进入相应的模块。整个程序除了分析仪测试程序外，还包括用户数据输入输出程序，Access存储数据。通过编写程序，可以实现数据的直接打印161 171。230o唑!l!一主界面(初始化)i一眄司蕊日7N秒j!L一 实时数据显示I选择功能信息交换模块堕垫塑堂堡鉴I
13、亟匦亟图亘圃荪孺丽丽瓶磊藕巫画圜司图4分析仪测试程序示意图在测量之前应该对仪器进行预热和调零工作，仪器可以自动完成这两项工作，并可以用空气作为调零的标准气，同时在仪表上显示为0。当汽车启动时，仪表的测试数据随着实时数据的变化而变化，当测试数据超过GBl82852005标准规定最人允许值时，分析仪报警，并可以根据超标数据推断引起该数据超标的可能原因。53试验结果分析实验中，笔者使用尾气分析仪分别用标准气进行了10次随机测试，测量了CH、CO和N0的浓度。该废气分析仪与标准气数值的相对误差平均值分别为295、103、305；5次怠速试验与其理论气数值的相对误差平均值分别为316、115、287；3
14、次工况试验与其理论气数值的相对误差平均值分别为332、124、351。试验数据与标准气数值误差小于4，基本符合GBl8285-2005标准。6结论该尾气分析仪采用NDIR对HC，C0和C02进行测量，采用电化学传感器对NOx和O 2i|114量，按照GBl8285-2005标准编写数据处理程序，满足GBl8285-2005标准的双怠速和简易稳态T况法的检测要求。该分析仪具有体积小、操作简单、显示直观、成本低等特点。用于车载系统，能对汽车尾气排放的污染物进行实时监测；当污染物超标时，又具有报警功能提醒驾驶员及时对汽车检修维护。由此可见，随乍式尾气分析仪的设计促进了尾气测量的迅速发展，并对汽车故障
15、测试起了一定的推动作用，具有广阔的市场前景。电子测量与仪器学报 2009年增刊参考文献：1覃有钧，陈鲁言汽车尾气污染(第一版)M】广州：中山大学出版社，19952Sjocdin Akc,L_enncr MagnusOn-road msI嘲n舶协ofsingle vehicle pollutant emissions,Spccd and accelerationfor large fleets of vehicles in different嘶c environmentsJThc Scienofthe Total Environment,1995169：157-,1653吴诰跬汽车电子控制技术和
16、车内局域网M北京：电子工业出版社。2004作者简介：徐辉(1982-)，女，硕十生，重庆邮电大学自动化专业，主要研究方向：汽车电子与嵌入式系统。徐洋(1977-)，男，讲师，重庆邮电大学自动化学院，主要研究方向：嵌入式系统开发以及汽车电子。23l4陈特放，石英春。张桂新霍尔传感器在机车测速中的应用，电子时代J2006年第4期1141155中华人民共和国国家质量技术监督局GBl8285-2005点燃式发动机汽车捧气污染物排放限值及测量方法(双怠速法及简易工况法)s北京：中国环境科学出版社，2005：l076中华人民共和国国家质量技术监督局GB7258_2004机动车运行安全技术条件Is北京：中国环境科学出版社，2004：22-237张基温CH程序开发教程M北京：清华大学出版社，2002
