甲醇燃料汽车尾气非常规成分检测分析仪的设计

甲醇燃料汽车尾气非常规成分检测分析仪的设计 甲醇燃料汽车尾气非常规成分检测分析仪 的设计 第21卷第4期 2007年12月 黑龙江工程学院(自然科学版) JournalofHeilongjiangInstituteofTechnology Vo1.21N0.4 Dee.,2007 甲醇燃料汽车尾气非常规成分检测分析仪的设计 强添纲,崔淑华,尹继辉 (东北林业大学交通学院,黑龙江哈尔滨150040) 摘要:采用红外光谱分析原理,设计甲醇燃料汽车尾气非常规成分检测分析仪,主要针对甲醇燃料汽车非常规成 分中的甲醇,甲醛,乙醛,苯等4种主要污染物进行检测分析.提出分析仪的主要技术指标,给出分析仪的设计结 构,并对大气压力和环境温度对于测量结果的影响进行补偿修正.采用C语言开发分析仪的软件系统,检测分析结 果可实现适时显示,并可通过通讯接VI,将数据传送到PC机,作进一步的数据分析与处理. 关键词:甲醇燃料;尾气;非常规;分析仪 中图分类号:TM935.21文献标识码:B文章编 号:1671—4679(2007)04—0043—03 Designofanalyzerusedforinspectionunregulatedexhaustfrom methanol—fueledvehicles QIANGTian—gang,CUIShu—hua,YINJi—hui (TrafficCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China) Abstract:Basedonthetheoryofinfraredspectrum,theinfraredanalyzersystemofunregulatedexhaustfrom methanol—fueledvehiclesisdescribed.Thissystemismostlyappliedtoanalyzetheconcentrationofmethanol, formaldehyde,acetaldehydeandbenzeneandtorectifytheresultcausedbyentironmentaltemperatureandair pressure.ByuseofClanguageaanalyzermftwaresystemisdeveloped.Usingtheanalyzerinspectionresultsare instantlydisplayedandtransmittedtoPCforfurtherdataanalysisandprocessing. Keywords:methanol;unregulate;exhaust;analyzer 目前,世界上已知的有可能代替石油用于汽车 的能源有电能,氢气,醇类(甲醇,乙醇),醚类(二甲 醚),液化石油气,压缩天然气,太阳能,生物质能. 其中甲醇燃料作为汽车的代用燃料,由于其所具备 的优点成为众多代用燃料中发展较快的新能源.汽 油机燃用甲醇/汽油的混合燃料时,发动机的动力性 和经济性改善,尾气中的CO,HC和O)(排放降 低,但尾气中含有其它的非常规成分.常规的汽车 尾气分析仪不能对甲醇/汽油燃料燃烧后的汽车尾 气中的非常规成分进行检测分析,必须设计研究专 用的甲醇燃料汽车尾气非常规成分检测分析仪. 1检测参数的选择 已有的研究明,汽油机燃用甲醇或甲醇/汽油 的混合燃料时,尾气中含有甲醇,甲醛,乙醛,苯,乙 烯,顺2一丁烯,反2一丁烯,异丙醇,二甲醛丙烯酸 收稿日期:2007—03—14 作者简介:强添纲(1968,),男,副教授,博士研究生,研究方向:载 运工具运用工程. 甲酯,2一丁酮,异丁烷,丙烯醇等多种非常规有害成 分.其中的甲醇,甲醛,乙醛,苯对生态环境和人体 健康具有较大的影响,所以本仪器主要用于甲醇,甲 醛,乙醛和苯浓度的测量. 2主要技术指标 目前,国内外尚无甲醇燃料汽车尾气非常规成 分的具体控制.根据发动机台架试验测得的具 体数据,并参照《中华人民共和国国家标准——大气 污染物综合排放标准》中甲醇,甲醛,乙醛和苯的最 高允许排放浓度限制值,本文所设计的甲醇燃料汽 车尾气非常规成分检测分析仪主要技术指标如下: 1)测量范围: 甲醇:0,300ppm; 甲醛:0,100ppm; 乙醛:0,100ppm; 苯:0--20ppm. 2)NJ]量精度: 甲醇:1ppm; ? 44?黑龙江工程学院(自然科学版)第21卷 甲醛:1ppm; 乙醛:1ppm; 苯:0.1ppm. 3)预热时间:少于15min. 4)响应时间:少于10S. 5)测试气体流量:8L/min. 6)采样频率:1Hz. 3检测原理 红外甲醇燃料汽车尾气非常规成分检测分析是 根据双原子或多原子分子气体(如甲醇燃料汽车尾 气非常规成分中的甲醇,甲醛,乙醛,苯等)均能吸收 一 定波长的红外线能量的原理.其吸收能量的红外 线波长称为特征波长,吸收程度用吸收系数反映. 如图1所示,红外光源发出的红外线能量为 J.,它通过一个长度为L的气室之后,能量为J. 如果气室中有吸收红外线能量的气体时,则能量J 满足 Jl:Ioe一舰. (1) 式中:K为气体的红外线吸收系数,c为被测气体 的浓度,L为气室的长度.当气体的种类一定时K 值确定;当气室长度L一定时,由式(1)可知,,的 大小仅与气体浓度c有关.此时根据测量出的J 大小即可得知被测气体浓度.由于每种气体都具有 2 特定的特征吸收谱带和特征频率,在特征频率附近 的光谱产生强烈的吸收,根据气体红外光谱吸收的 强弱,检测分析出甲醇燃料汽车尾气非常规成分的 浓度. 图1红外检测仪工作原理图 4检测分析仪的结构设计 检测分析仪的内部结构如图2所示. 测量前,仪器进行预热,电磁阀14动作,膜式泵 由清洁空气入口吸入空气,经活性碳过滤器过滤,排 出仪器内残留气体.测量时,将取样探头13插入汽 车排气管中,尾气经外置式过滤器12过滤后,由膜 式泵2吸入仪器,通过冷凝物分离器16分离出尾气 中的水分后,进入测量单元5,分离出的水分由排水 口排出.红外线发生器3发出的红外线,通过测量 单元,并经过滤光片6后被红外接收测量元件7接 收.由于甲醇,甲醛,乙醛,苯化合物分子吸收特定 波长的红外线,因此,可以通过红外线测量系统测得 其含量. ff 清洁样品n 空气入口气体” AN13 J 排水Cl J 排气口 图2甲醇燃料汽车尾气非常规成分检测分析仪的内部结构图 1.流量传感器2.膜式泵3.红外线面光源4.同步电机5.测量单元6.滤 光器7.红外线接收器8放大器 9.D转换器10.套筒式过滤器11.冷凝物分离器12.外置过滤器13.检 测探头14.电磁阀15.活性炭过滤装置 16.压力传感器17.温度传感器 ,丫 第4期强添纲,等:甲醇燃料汽车尾气非常规成分检测分析仪的设 计?45? 红外线发生器产生的红外光,分别经过4个测 定用气路和一个比较用气路.一方面,4个测定用 气路侧的钽酸锂热释电探测器分别将待测混合气体 中甲醇,甲醛,乙醛和苯的浓度信息转变成电信号. 此信号经电压跟随放大,选频放大电路放大,模 一 数转换电路模数转换后送入单片机中;另一方面, 比较用气路侧的监测探测器将穿过比较用气路侧的 光信号也转变成电信号.此电信号被分成两路:一 路经电压跟随放大电路,选频放大电路放大,模数转 换电路模一数转换后送入单片机中;另一路则经整 形放大电路整形放大,并经软件适当延时后去同步, 触发各个需要同步,触发的器件.单片机按照编定的 软件进行浓度的计算,其结果由液晶IJ=【)适时显示. 采用红外吸收原理检测甲醇燃料汽车尾气非常 规成分时,需要考虑到检测气体实际所处的环境,考 虑环境因素对检测气体的影响.为了抵消外界环境 因素对甲醇燃料汽车尾气非常规排放成分的检测精 度影响,在系统外围设计了测量环境温度,大气压力 的传感器,将这些影响信号传人单片机,采用补偿法 由单片机按编定的算法进行处理,实现对环境因素 的抵消或补偿. 5软件设计 该检测分析仪的软件系统采用c语言开发(其 软件框图如图3所示),能独立地实现信号采集,数 图3甲醇燃料汽车尾气非常规成分检测分析仪 软件系统结构图 据处理,数值显示功能,以实现甲醇燃料汽车尾气非 常规成分的浓度测量.此外还具有与工业PC机通 讯的功能,通过通讯接口,可将甲醇燃料汽车尾气非 常规成分检测分析仪的测量数据传送到PC机,以 便作进一步的数据分析与处理. 6结束语 检测分析仪采用了基于红外光谱吸收原理的甲 醇,甲醛,甲酸和苯浓度探测器系统,并以8051单片 机为主机,组成了甲醇燃料汽车尾气非常规成分检 测分析仪.该检测分析仪具有以下特点: 1)多组份固体光学平台,无运动部件,预热时间 短,防震性能好,运行稳定,精度高,线性好. 2)采用压力,温度补偿技术,可消除外界环境变 化的影响,具有极佳的稳定性,可自动消除零点漂移 误差. 3)N量程序自动控制,开机一键完成,待机时间 过长,可自动进入休眠状态,直到按任意键触发. 从国内外情况来看,尽管甲醇燃料的生产技术, 专用甲醇燃料的汽车技术都比较成熟,但是对甲醇 燃料汽车尾气非常规成分的系统检测手段还未建 立.本文设计的检测分析仪基本满足对甲醇燃料汽 车尾气非常规成分的一般检测要求,为实现快速检 测奠定基础.为今后制定甲醇燃料汽车尾气非常规 成分的排放标准和技术改造提供科学的依据;对控 制甲醇燃料汽车的排放水平,降低它们对环境和人 类的有害影响,有着积极的现实意义. 参考文献 [1]施柏煊.激光光声光谱法检测甲醇内燃机燃烧排放气体 成分的研究[J].内燃机工程,1999(3):49—53. [2]吕胜春,李晖,Eddy,等.甲醇汽油混合燃料发动机非常规 排放成分测量方法研究[J].内燃机,2006,24(1):57 — 61. [3]郭振武,王延怀.检测尾气CO和HC的红外检测仪[J]. 汽车运用,2000(8):24. [4]施德恒,刘新建,许启富.利用红外光谱吸收原理的CO 浓度测量装置研究[J].光学技术,2001(1):91—94. [5]魏德华,习华勇,王文军.尾气分析仪数据采集与处理系 统开发[J].机电产品开发与创新,2004,17(3):22,24. [6]李业德,李业刚,贾鹏.微电脑红外汽车尾气分析仪[J]. 山东工程学院,2002,16(3):11—13. [7]邝江涛,候民贤,刘刚,等.汽车尾气检测分析仪的设计 [J].现代科学仪器,2001(1):44—46. [8]蒋宁涛,汪洋,刘刚,等.甲醇汽车燃油箱蒸发物吸附装置 性能的研究[J].热科学与技术,2005,4(1):63—66. [责任编辑:刘文霞]