1、引言

　　汽車污染是當(dāng)前人們最為關(guān)心和急需解決的重要課題之一。作為汽車排氣污染物的檢測(cè)的重要方法,簡易瞬態(tài)工況法（VMAS法，IG法）可以統(tǒng)計(jì)排放總質(zhì)量，監(jiān)控車輛的真實(shí)排放情況，設(shè)備成本不高，測(cè)量比較準(zhǔn)確，與新車認(rèn)證檢測(cè)結(jié)果具有相關(guān)性，可以檢測(cè)NO相關(guān)因子等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為人們研究的熱點(diǎn)。VMAS（Vehicle Mass Analysis System）檢測(cè)方法在美國和歐洲都有很好的應(yīng)用基礎(chǔ)，而目前我國應(yīng)用的VMAS測(cè)試系統(tǒng)的流量分析儀基本上都是進(jìn)口的，尤其以美國sensors公司的產(chǎn)品最多，該產(chǎn)品不僅價(jià)格高，維護(hù)修理很不方便,而且不利于與底盤測(cè)功機(jī)、氣體分析儀等組成完整的測(cè)試系統(tǒng)完成二次開發(fā)。為此，我們進(jìn)行了流量分析儀的研究，旨在降低設(shè)備成本、促進(jìn)產(chǎn)品的國產(chǎn)化。

　　2、流量分析儀工作原理

　　VMAS測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 VMAS測(cè)試系統(tǒng)組成

　　汽車在底盤測(cè)功機(jī)上按國標(biāo)要求的特定工況行駛，底盤測(cè)功機(jī)模擬車輛在不同工況下的加速慣量和道路行駛的瞬態(tài)工況負(fù)荷，汽車原始排放尾氣一部分通過采樣探頭直接進(jìn)入高精度五氣分析儀，分析尾氣排放中CO、CO2、HC、NOX、O2的濃度值。同時(shí)，其余全部尾氣經(jīng)過收集裝置，由周圍空氣進(jìn)行稀釋后在風(fēng)機(jī)的作用下送入流量分析儀測(cè)量稀釋氣的體積流量，并將體積流量測(cè)量值送入主控計(jì)算機(jī)，同時(shí)五氣分析儀的氣體濃度分析結(jié)果和底盤測(cè)功機(jī)的行駛速度和里程也送入主控計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)氣體濃度、體積、稀釋比、速度、時(shí)間計(jì)算出汽車尾氣中有害氣體CO、CO2、HC、NOX的總體排放量(g/km)。其中稀釋比Ｄil根據(jù)空氣中的氧濃度、混合氣的氧濃度以及汽車原始排放氣體中的氧濃度按式1計(jì)算得到。

（1）

　　3、流量分析儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　通用的渦街流量儀表,因表體大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法安裝在氣體流量分析儀上，為滿足使用要求,采用新的設(shè)計(jì)思路，將三角柱式渦街發(fā)生體和壓電式渦街檢測(cè)探頭直接安裝在氣體流量分析儀的取樣管上，設(shè)計(jì)成一體化的結(jié)構(gòu)形式，因而結(jié)構(gòu)更加緊湊。

　　流量分析儀的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，取樣管總長為800mm，根據(jù)工作時(shí)氣體的流量范圍，確定流量分析儀的管道內(nèi)直徑D為 100mm，各傳感器的安裝位置見圖中標(biāo)注。

1-氧濃度傳感器2-壓力取樣孔 3-三角柱渦街發(fā)生體
4-壓電式渦街檢測(cè)探頭 5-溫度傳感器
圖2 流量分析儀的整體結(jié)構(gòu)

　　選擇三角柱式渦街發(fā)生體，這種發(fā)生體產(chǎn)生的渦街信號(hào)強(qiáng)，因?yàn)殇鰷u在它的邊界層分離點(diǎn)是固定的，所以斯特羅哈爾數(shù)相對(duì)恒定，大約為S1=0.16，渦街頻率與流量的線性關(guān)系好。將三角柱垂直安裝在氣體管道中，氣體繞過擾流柱時(shí)，出現(xiàn)附面層分離，在擾流柱的左右兩側(cè)后方會(huì)交替產(chǎn)生旋渦，根據(jù)卡門渦街理論，渦街頻率與流速的關(guān)系為，其中：d-三角柱的底邊寬度，取為28mm；u-流體流速。根據(jù)D、d值，確定三角柱的參數(shù) L1，L2及θ值，如圖3。

圖3 三角柱的結(jié)構(gòu)(單位:mm)

根據(jù)雷諾數(shù)計(jì)算公式，式中：ν-空氣的運(yùn)動(dòng)粘度，在標(biāo)準(zhǔn)壓力下20℃時(shí)，流量范圍140m3/h~930m3/h對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)為3.3~21.9 ×104，滿足渦街測(cè)量的上下限要求，且具有理想的儀表系數(shù)。理論計(jì)算儀表系數(shù)K為：

（3)

　　S1、S2分別為管道的橫截面積和三角柱的迎風(fēng)面積，最終的儀表系數(shù)應(yīng)以標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為準(zhǔn)。

　　4、流量分析儀的電路設(shè)計(jì)

　　流量分析儀的電路設(shè)計(jì)包括流量傳感器、氧濃度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器四種傳感器的選型及測(cè)量電路設(shè)計(jì)，電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4流量分析儀的電路框圖

　　4.1 流量傳感器

　　采用壓電式檢測(cè)漩渦的方式，當(dāng)氣體流經(jīng)管道時(shí)，三角柱產(chǎn)生的渦街周期性的對(duì)探頭的壓電陶瓷產(chǎn)生作用力，使之產(chǎn)生周期性變化的電荷，通過電荷放大電路，再經(jīng)過逐級(jí)濾波、整形轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的方波電壓脈沖，頻率為44Hz至297Hz，幅值約為8.8V。該信號(hào)通過光電隔離，一方面可抑制來自測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的干擾，一方面將幅值將到5V以下，送入單片機(jī)進(jìn)行周期測(cè)量。由于渦街的頻率與氣體流量成正比，通過測(cè)量電壓脈沖的頻率（周期）來測(cè)量氣體體積流量。
渦街流量傳感器的電路結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 渦街流量計(jì)電路原理框圖

　　4.2 氧傳感器

　　采用A-02/T型氧濃度傳感器，該產(chǎn)品依據(jù)PTB 18.10設(shè)計(jì)，主要針對(duì)汽車尾氣測(cè)量。在干燥環(huán)境中，氧濃度在0~100%范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出模擬電壓信號(hào)7 ~ 13.5 mV，響應(yīng)時(shí)間不超過5秒，線性誤差0.5%，工作壓力范圍75~125kPa，有NTC溫度補(bǔ)償。通過測(cè)量電路進(jìn)行信號(hào)放大，并進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)節(jié)和增益調(diào)節(jié)，使其電路輸出電壓0~2.40V，對(duì)應(yīng)的氧氣濃度為 0~22.5%。