CN110296918B - 一种柴油机排放颗粒物浓度在线检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种柴油机排放颗粒物浓度在线检测装置及检测方法，涉及颗粒物浓度检测领域，目的是为了解决现有柴油机排放污染浓度测试技术测量精度低、装置结构复杂的问题。本发明使用气体探测器检测柴油机排气管中某种气体的浓度；使用温度控制器和信号发生器控制LD激光器，使其输出波长在一定范围内扫描，该范围覆盖所述气体的两个吸收峰；LD激光器输出的激光经过排气管，从排气管出射的激光由光电探测器进行探测；锁相放大器以LD激光器的激励信号作为参考信号对光电探测器输出的信号进行分析，得到两个一次谐波信号，并根据两个一次谐波信号计算得到柴油机排放颗粒物浓度，本发明结构简单，测量精度高，适用于汽车尾气、柴油机等排放中颗粒浓度的测量。
Description
技术领域
本发明涉及颗粒物浓度检测领域。
背景技术
当今社会，柴油机因具有输出功率上限高、输出功率范围广、环境适应性强等优点已经被广泛应用于各个领域。但再柴油机得到大量广泛应用的同时，柴油机排放的废气对环境造成了严重污染，影响着人类的身体健康。柴油机排放的废气主要由以下几部分组成，碳氢化合物、碳氧化合物、氮氧化合物以及颗粒物。其中碳氢化合物和一氧化碳含量较低，相比于同种工况下汽油机，仅为汽油机排放废气的十几分之一；但柴油机排放废气中颗粒物的排放量远高于同种工况下的汽油机。其颗粒物粒径大多属于μm级与nm级，排放后能严重影响人类身体健康与自然环境。综上所述，柴油机在各个领域得到广泛应用同时，其排放的颗粒物也对环境造成极其严重的影响，因此从绿色环保的角度，必须对发动机颗粒物的排放进行有效的检测和控制。
现有柴油机排放污染物浓度测试方法大多属于采样分析法，采样分析法即对污染物先进行分离，将各种颗粒物分别单独分离出来，再进行仪器检测。采样分析法在进行大型柴油机污染物排放的再行测量时，具有极大局限性，通常采用采样分析法进行柴油机排放污染物的测试测量的商用测试仪器体积庞大，测量结构复杂，流程繁琐，并且需要干燥、过滤等预处理及标定环节。最近流行的另外一种方法是光透过法测量颗粒物排放的浓度，目前光透过法有两种常见的计算方法，一种是直接测量法来计算颗粒物的浓度，这种方法的是直接用激光穿过被测物质，然后另一端有个接收器，根据衰减程度的不同，可以计算排放颗粒物的浓度，这种方法的优点是操作和设备简单，容易搭建，缺点是精度低，容易受到周围空间的扰动，对于柴油机测试来说；另一种是根据二次谐波测量排放颗粒物的浓度，这种方法需要使用锁向放大器对原始信号进行调制解调，得到一次谐波和二次谐波的幅度信号，谐波峰值均与信号光强成正比，二次谐波的峰值与气体分子的浓度成正比，然后根据二次谐波与一次谐波的比值得到颗粒物浓度。这种方法可以去除杂乱的噪声，但是需要两路信号，装置复杂，不容易摆放，而且排放物中的颗粒物会对光强产生衰减作用，根据衰减程度的不同来确定排放中颗粒物的浓度会导致二次谐波的峰值有所变化，降低了测量粘度。
发明内容
本发明是为了解决现有柴油机排放污染浓度测试技术测量精度低、装置结构复杂的问题。现提供一种柴油机排放颗粒物浓度在线检测装置及检测方法。
本发明所述的一种柴油机排放颗粒物浓度在线检测装置包括：信号发生器1、温度控制器2、LD激光器3、气体探测器4、光电探测器5、滤波放大器6、锁相放大器7和低通滤波器8；
信号发生器1产生的信号为加载有高频正弦调制信号的低频锯齿波扫描信号，该信号作为参考信号发送至锁相放大器7，同时，还用于激励LD激光器3，使LD激光器3输出波长在一定范围内变化的激光，温度控制器2用于控制LD激光器3的工作温度，所述激光经过柴油机的排气管后由光电探测器5接收，光电探测器5输出的信号经过滤波放大器6滤波后作为待检测信号发送至锁相放大器7，锁相放大器7用于根据参考信号来分析待检测信号，得到一次谐波信号，所述一次谐波信号经过低通滤波器8滤波后发送至计算机9，气体探测器4用于检测排气管内某种气体的浓度。
进一步地，所述装置还包括准直器，用于对LD激光器3输出的激光进行准直。
进一步地，所述低频锯齿波扫描信号的频率为250Hz。
进一步地，所述高频正弦调制信号的频率为10KHz，峰值为5mA。
进一步地，所述计算机内嵌入由软件实现的计算模块，所述计算模块包括以下单元：
气体浓度计算单元：根据公式
计算每个一次谐波所对应的C2，其中，C2为根据一次谐波得到的所述气体的浓度，Sampl为一次谐波信号的峰峰值，Scenter为一次谐波信号的中心值，α0为吸收峰中心波数的吸收系数，L为总的气体吸收光程，S1-max为一次谐波波峰处的强度值，S1-min为一次谐波波谷处的强度值，PW为高频正弦波调制引起的光功率调制系数，Δν为频率调制幅度；
平均粒径计算单元：根据公式
计算排放颗粒物的平均粒径D32，其中，
C1为气体探测器探测到的气体浓度值；
颗粒物数目计算单元：根据公式
或公式
计算颗粒物数目N；
颗粒物体积浓度计算单元：根据公式
计算颗粒物体积浓度CV。
本发明所述的一种柴油机排放颗粒物浓度在线检测方法为：
使用气体探测器检测柴油机排气管中某种气体的浓度；
控制LD激光器，使其输出波长在一定范围内扫描，该范围覆盖所述气体的两个吸收峰λ1和λ2；
使LD激光器输出的激光经过柴油机的排气管，从所述排气管出射的激光由光电探测器进行探测；
锁相放大器以LD激光器的激励信号作为参考信号对光电探测器输出的信号进行分析，得到两个一次谐波信号；
根据两个一次谐波信号计算得到柴油机排放颗粒物浓度，计算过程如下：
根据公式
计算每个一次谐波所对应的C2，其中，C2为根据一次谐波得到的所述气体的浓度，Sampl为一次谐波信号的峰峰值，Scenter为一次谐波信号的中心值，α0为吸收峰中心波数的吸收系数，L为总的气体吸收光程，S1-max为一次谐波波峰处的强度值，S1-min为一次谐波波谷处的强度值，PW为高频正弦波调制引起的光功率调制系数，Δν为频率调制幅度；
根据公式
计算排放颗粒物的平均粒径D32，其中，
为气体探测器探测到的气体浓度值；
根据公式
或公式
计算颗粒物数目N；
根据公式
计算颗粒物体积浓度CV。
上述装置及方法只用一台激光器一路信号就可以测量到排放颗粒物的浓度，大大简化了实验设备。采用可调谐激光器作为探测光源，属于非接触式测试方法，利用低频锯齿波加载高频正弦波调制信号的方法，有效避免低频噪声对探测的影响；采用光谱吸收法，将米散射理论与谐波调制理论相结合，即可实现对柴油机尾气排放颗粒物浓度的实时在线检测，又可以有效避免光透法中测量值受光源能量及环境因素的影响，提高了测量精度，重复性好，可更好的满足目前柴油机排放中颗粒物浓度的测试需求。此外，本发明扩展了新的测量思路，为以后应用到各种实际领域中，例如汽车排放尾气的颗粒物测量、船用柴油机排放尾气的颗粒物测量等，都能有一个很好的参考和学习的对照。
附图说明
图1为实施方式一所述的一种柴油机排放颗粒物浓度在线检测装置的原理框图；
图2为实施方式一中气体不同浓度所对应的一次谐波的波形图，图中的C与C2表示同一含义。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种柴油机排放颗粒物浓度在线检测装置包括：信号发生器1、温度控制器2、LD激光器3、气体探测器4、光电探测器5、滤波放大器6、锁相放大器7和低通滤波器8；
信号发生器1产生的信号为加载有高频正弦调制信号的低频锯齿波扫描信号，该信号作为参考信号发送至锁相放大器7，同时，还用于激励LD激光器3，使LD激光器3输出波长在一定范围内变化的激光，温度控制器2用于控制LD激光器3的工作温度，所述激光经过柴油机的排气管后由光电探测器5接收，光电探测器5输出的信号经过滤波放大器6滤波后作为待检测信号发送至锁相放大器7，锁相放大器7用于根据参考信号来分析待检测信号，得到一次谐波信号，所述一次谐波信号经过低通滤波器8滤波后发送至计算机9，气体探测器4用于检测排气管内某种气体的浓度。
所述低频锯齿波扫描信号的频率为250Hz。
所述高频正弦调制信号的频率为10KHz，峰值为5mA。
上述装置还可以包括准直器，用于对LD激光器3输出的激光进行准直。
调节温度能够控制器控制DFB激光器的工作温度，使DFB激光器输出固定的波长，根据排气管内气体吸收峰的不同来调节温度控制器或更换不同型号的激光器。信号发生器1产生的信号加载到DFB激光器上，则DFB激光器能够产生波长在一定范围内变化的激光，该范围应当至少覆盖所述的气体两个吸收峰。如果激光器输出的激光是发散的，可以用准直器进行准直，准直器使激光器光纤头出来的激光束形成直径在毫米量级的近似平行光束，平行光束直径跟准直器内的透镜参数有关，本实施方式中准直后的光束直径约为3mm。柴油机工作时将尾气排到排放管道里，在排气管两边打两个12mm的圆孔，并装上合适的CaF2镜片，进行密封处理。准直后的激光通过一侧的CaF2镜片进入排气管道，经过气体吸收后从另一侧的CaF2镜片出射。激光通过50cm长的管道，透射出的激光被光电探测器接收，转变为电信号后，滤波放大器滤掉该电信号中的一部分噪音信号，并对较弱的电信号进行放大，经过滤波放大后的电信号进入锁向放大器，锁向放大器对电信号进行傅里叶级数计算，并在频域内进行计算分析，得到一次谐波信号，用低通滤波器滤掉所述一次谐波信号中的高频信号，滤波后的一次谐波信号输入到计算机中进行信号处理。用MATLAB软件进行仿真，得到所述气体不同浓度下的一次谐波信号，发现一次谐波峰峰值与气体浓度成正比，如图2所示，因此可以根据一次谐波波峰的衰减程度来计算柴油机排放颗粒物的浓度。
注意，本实施方式中提及的气体指排气管内的某一种气体。
所述计算机内嵌入由软件实现的计算模块，所述计算模块包括以下单元：
气体浓度计算单元：根据公式
计算每个一次谐波所对应的C2，其中，C2为根据一次谐波得到的所述气体的浓度，Sampl为一次谐波信号的峰峰值，Scenter为一次谐波信号的中心值(如图2的箭头所示，一次谐波信号的中心值是指一次谐波信号波峰与波谷的中间位置对应的强度)，α0为吸收峰中心波数的吸收系数，L为总的气体吸收光程，S1-max为一次谐波波峰处的强度值，S1-min为一次谐波波谷处的强度值，PW为高频正弦波调制引起的光功率调制系数，Δν为频率调制幅度；
平均粒径计算单元：根据公式
计算排放颗粒物的平均粒径D32，其中，
C1为气体探测器探测到的气体浓度值；
颗粒物数目计算单元：根据公式
或公式
计算颗粒物数目N；
颗粒物体积浓度计算单元：根据公式
计算颗粒物体积浓度CV。
具体实施方式二：参照图1和图2本实施方式所述的一种柴油机排放颗粒物浓度在线检测方法为：
使用气体探测器检测柴油机排气管中某种气体的浓度；
控制LD激光器，使其输出波长在一定范围内扫描，该范围覆盖所述气体的两个吸收峰；
使LD激光器输出的激光经过柴油机的排气管，从所述排气管出射的激光由光电探测器进行探测；
锁相放大器以LD激光器的激励信号作为参考信号对光电探测器输出的信号进行分析，得到两个一次谐波信号；
根据两个一次谐波信号计算得到柴油机排放颗粒物浓度，计算过程如下：
根据公式
计算每个一次谐波所对应的C2，其中，C2为根据一次谐波得到的所述气体的浓度，Sampl为一次谐波信号的峰峰值，Scenter为一次谐波信号的中心值，α0为吸收峰中心波数的吸收系数，L为总的气体吸收光程，S1-max为一次谐波波峰处的强度值，S1-min为一次谐波波谷处的强度值，PW为高频正弦波调制引起的光功率调制系数，Δν为频率调制幅度；
根据公式
计算排放颗粒物的平均粒径D32，其中，
为气体探测器探测到的气体浓度值；
根据公式
或公式
计算颗粒物数目N；
根据公式
计算颗粒物体积浓度CV。
上述方法的原理如下：
从锁向放大器得到的强度频率调制的一次谐波信号可表示为公式(1)：
SFM-1(x)＝-I0PWΔν+I0α0CLs1(x) (1)
式中I0为初始光强，PW为高频正弦波调制引起的光功率调制系数，C为吸收气体体积浓度百分比，L为总的气体吸收光程，Δν为频率调制幅度，s1(x)是归一化的洛伦兹线型函数的一次谐波，α0为吸收峰中心波数的吸收系数。
一次谐波的峰峰值可以用最大值S1-max和最小值S1-min来表示为公式(2)：
Sampl＝I0α0CL(S1-max-S1-min) (2)
最大值S1-max在一次谐波的波峰处，最小值S1-min在一次谐波的波谷处。公式(1)和公式(2)中的吸收气体体积浓度百分比C即为根据一次谐波得到的气体浓度，在后续计算过程中用C2表示。
由于光强的波动会对一次谐波检测产生干扰，因此需采取措施抑制光强波动的影响。吸收谱线中心吸收频率处的一次谐波的中心值为：
Scenter＝-I0PWΔν (3)
一次谐波的峰峰值与中心值的比值为：
这样就能排除激光光强波动对采集信号的影响。在柴油机正常运转情况下，得到的一次谐波峰值同时受到气体浓度和颗粒物浓度两方面影响，采用某一种气体的探测器可以实时得知排气管内的气体浓度C1，根据探测器得到的浓度C1与一次谐波得到的浓度C2做比，根据消光法就可得到柴油机排放碳烟颗粒物的浓度了。
由消光法可知公式为：
I0为初始光强，I为透过柴油机排放管后的光强，τ为浊度，由公式(5)可知：
λ是入射光波长，D是被测颗粒直径，m是颗粒相对于周围介质的相对折射率，N是颗粒物的数目，
消光系数kext可以用Mie散射理论来计算。因为消光系数是λ,D,m的函数，因此公式(6)中有两个不确定的量N和D。又因为柴油机的颗粒物粒径在一定范围内，因此引入了平均粒径D32，用D32来代表柴油机的颗粒物粒径。
采用波长分别为λ1和λ2的两束激光，因为消光系数kext(λ,D,m)与波长有关，不同波长激光的消光比也是不相同的，因此可得公式(7)和(8)：
注意，本发明中，作为下角标的λ1和λ2表示波长为λ1和λ2两种情况，并不表示利用波长进行计算。例如，
表示波长为λ1时
的值。
由公式(7)和(8)的比值可得公式(9)：
从探测器的探测结果可以得到
和
的值，即
和
的数值，而且m、λ1和λ2都是已知量，因此公式(9)右边项就是消光系数比值与D32的函数，因为
这个函数随D32的增大呈震荡性，所以如果解公式(9)会产生多值现象，但是柴油机排放物的颗粒物粒径的范围是已知的，因此可以缩小范围，确定唯一解的平均粒径D32，进而得到消光系数
和
再把任意一个消光系数代入到公式(7)和(8)中，可得到颗粒物数目N。
根据公式(10)可得颗粒物体积浓度为：
Claims (5)
1.一种柴油机排放颗粒物浓度在线检测装置，其特征在于，包括：信号发生器、温度控制器、LD激光器、气体探测器、光电探测器、滤波放大器、锁相放大器和低通滤波器；
信号发生器产生的信号为加载有高频正弦调制信号的低频锯齿波扫描信号，该信号作为参考信号发送至锁相放大器，同时，还用于激励LD激光器，使LD激光器输出波长在一定范围内变化的激光，温度控制器用于控制LD激光器的工作温度，所述激光经过柴油机的排气管后由光电探测器接收，光电探测器输出的信号经过滤波放大器滤波后作为待检测信号发送至锁相放大器，锁相放大器用于根据参考信号来分析待检测信号，得到一次谐波信号，所述一次谐波信号经过低通滤波器滤波后发送至计算机，气体探测器用于检测排气管内某种气体的浓度；
所述计算机内嵌入由软件实现的计算模块，所述计算模块包括以下单元：
气体浓度计算单元：根据公式
计算每个一次谐波所对应的C2，其中，C2为根据一次谐波得到的所述气体的浓度，Sampl为一次谐波信号的峰峰值，Scenter为一次谐波信号的中心值，α0为吸收峰中心波数的吸收系数，L为总的气体吸收光程，S1-max为一次谐波波峰处的强度值，S1-min为一次谐波波谷处的强度值，PW为高频正弦波调制引起的光功率调制系数，Δν为频率调制幅度；
平均粒径计算单元：根据公式
计算排放颗粒物的平均粒径D32，其中，
C1为气体探测器探测到的气体浓度值，λ1和λ2分别为柴油机排气管中某种气体的两个吸收峰，
分别为对应于λ1和λ2的消光系数，m是颗粒相对于周围介质的相对折射率；
颗粒物数目计算单元：根据公式
或公式
计算颗粒物数目N；
颗粒物体积浓度计算单元：根据公式
计算颗粒物体积浓度CV。
2.根据权利要求1所述的一种柴油机排放颗粒物浓度在线检测装置，其特征在于，还包括准直器，用于对LD激光器输出的激光进行准直。
3.根据权利要求1所述的一种柴油机排放颗粒物浓度在线检测装置，其特征在于，所述低频锯齿波扫描信号的频率为250Hz。
4.根据权利要求1所述的一种柴油机排放颗粒物浓度在线检测装置，其特征在于，所述高频正弦调制信号的频率为10KHz，峰值为5mA。
5.一种柴油机排放颗粒物浓度在线检测方法，其特征在于，
使用气体探测器检测柴油机排气管中某种气体的浓度；
控制LD激光器，使其输出波长在一定范围内扫描，该范围覆盖所述气体的两个吸收峰λ1和λ2；
使LD激光器输出的激光经过柴油机的排气管，从所述排气管出射的激光由光电探测器进行探测；
锁相放大器以LD激光器的激励信号作为参考信号对光电探测器输出的信号进行分析，得到两个一次谐波信号；
根据两个一次谐波信号计算得到柴油机排放颗粒物浓度，计算过程如下：
根据公式
计算每个一次谐波所对应的C2，其中，C2为根据一次谐波得到的所述气体的浓度，Sampl为一次谐波信号的峰峰值，Scenter为一次谐波信号的中心值，α0为吸收峰中心波数的吸收系数，L为总的气体吸收光程，S1-max为一次谐波波峰处的强度值，S1-min为一次谐波波谷处的强度值，PW为高频正弦波调制引起的光功率调制系数，Δν为频率调制幅度；
根据公式
计算排放颗粒物的平均粒径D32，其中，
C1为气体探测器探测到的气体浓度值，
分别为对应于λ1和λ2的消光系数，m是颗粒相对于周围介质的相对折射率；
根据公式
)或公式
计算颗粒物数目N；
根据公式
计算颗粒物体积浓度CV。
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