【正文】 氣體。本文僅對(duì)課題中需要檢測(cè)的 CO、HC、 CO三種氣體作如下分析： CO 是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣過濃或燃燒質(zhì)量不佳時(shí)，易生成 CO 而從排氣管排出。按模塊功能 設(shè)計(jì)軟件包括：數(shù)據(jù)采集模塊，系統(tǒng)標(biāo)定模塊和各氣體組分濃度的顯示界面。其次，設(shè)計(jì)完成紅外氣體分析儀輸出信號(hào)的調(diào)理電路，包括信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)的放大電路、信號(hào)的抗干擾濾波電路等的設(shè)計(jì)。通過對(duì)檢測(cè)方法的分析比較最終確定采用非分光紅外檢測(cè)技術(shù)，并根據(jù)該技術(shù)進(jìn)行了理論分析。目前尾氣檢測(cè)多采用微控制器作為核心處理器，本系統(tǒng)運(yùn)用高性能的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，準(zhǔn)確可靠的采集檢測(cè)數(shù)據(jù)，并利用虛擬儀器的思想進(jìn)行軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)軟件界面簡(jiǎn)單，操作方便，有很強(qiáng)的擴(kuò)張性，軟件的修改更新也非常方便，大大提高了系統(tǒng)的可操作性和發(fā)展性。因?yàn)橐话闱闆r下三氣分析儀就能滿足基本的檢測(cè)檢測(cè)需求，所以我們通常用選用三氣檢測(cè)分析儀。 盡管如此，我國(guó)紅外汽車尾氣分析儀技術(shù)水平與國(guó)外還存在很大差距。尾氣分析儀為診斷維修結(jié)構(gòu)復(fù)雜的現(xiàn)代汽車帶來了極大的便利，很多維修企業(yè)都開始引進(jìn)尾氣分析儀，以適應(yīng)現(xiàn)代汽車維修的需要。由于當(dāng)時(shí)占絕對(duì)數(shù)量的化油器式汽車結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，尾氣分析儀的診斷作用很少派上用場(chǎng)。瑞典汽車故障診斷設(shè)備公司生產(chǎn)的 “ MULTI— GAS—PRO”五氣分析儀，英國(guó)凱恩梅公司生產(chǎn)的 AUTO 系列二氣，四氣及五氣分析基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng) 4 儀，美國(guó) OTC 公司生產(chǎn)的五氣分析儀等。 80 年代以來，紅外氣體分析技術(shù)在不斷地完善，對(duì)于一些問題，如精確測(cè)量低濃度氣體，提高儀器抗干擾性等，人們正在尋求解決的方法。最初的產(chǎn)品采用光譜響應(yīng)寬的半導(dǎo)體紅外探測(cè)器和有許多不同波長(zhǎng)濾光片的切光輪結(jié)合，設(shè)計(jì)成時(shí)間多光束系統(tǒng)。 1938 年世界上第一臺(tái)紅外氣體分析儀問世。它推動(dòng)了汽車工業(yè)的革命：同時(shí)帶動(dòng)了燃料、凈化技術(shù)及監(jiān)測(cè)儀器等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。面對(duì)這種現(xiàn)狀，研制出適合我國(guó)國(guó)情的機(jī)動(dòng)車尾氣檢測(cè)系統(tǒng)是加快推行環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)快速健康發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。 如何保證抽測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，政府出臺(tái)了各種政策、法規(guī)和辦法，其中各級(jí)環(huán)境監(jiān)測(cè)部門所進(jìn)行的尾氣抽測(cè)工作充分利用抽測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理、匯總、統(tǒng)計(jì)，找出規(guī)律，為汽車尾氣防治管理工作提供科學(xué)依據(jù)，是一項(xiàng)非常有意義的工作。同時(shí)，大量汽車尾氣污染物的排放也給整個(gè)地球環(huán)境造成了不小的危害，例如汽車排放尾氣中的大量 CO2 就是直接造成全球溫室效應(yīng)的根本元兇之一。人們期待著可以更加自由地享受經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的舒適便利的生活，而又不被空氣污染所困擾。 世界工業(yè)化進(jìn)程引起的能源大 量消耗，導(dǎo)致大氣 CO2的劇增。因此，肺里的血紅蛋白不與氧結(jié)合而與 CO 結(jié)合，致使人體缺氧，引起頭痛、頭暈、嘔吐等中毒癥狀，嚴(yán)重時(shí)造成死亡。而汽油是目前汽車 (點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī) )最普遍使用的常規(guī)燃料，其中主要有 20％的丁、戊烷，45％高碳烷、烯烴、芳烴及其它添加劑，氫碳比控制在約 ： 1，以辛烷值衡量抗爆性能，理論上正庚烷的抗爆性能最差 (70％ )，異辛烷最高 (100％ )。 中國(guó)人口眾多，能源和土地資源相對(duì)短缺，如此汽車保有量，已經(jīng)對(duì)能源供應(yīng)、環(huán)境保護(hù)、交通通暢和城市秩序帶來巨大壓力。青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 前言 隨著中國(guó)的經(jīng)濟(jì)迅速增長(zhǎng)，汽車普及率越來越高，汽車的設(shè)計(jì)開發(fā)、生產(chǎn)、銷售也進(jìn)入了發(fā)展的快車道。據(jù)調(diào)查全國(guó)五分之一的大城市由于汽車尾 氣排放，空氣污染嚴(yán)重。汽車排放的主要污染物是：一氧化碳 (CO)、二氧化碳 (CO2)、氮氧化合物 (NOx)硫化物和微粒物 (有碳煙、鉛氧化物等重金屬氧化物和煙灰等組成 )。 CO 的容許限度規(guī)定為 8h 內(nèi) 100ppm。其中約 30％來自汽車排氣。為此，如何應(yīng)用汽車新技術(shù)降低機(jī)動(dòng)車排放尾氣污染，正成為科研工作者、汽車生產(chǎn)商、政府有關(guān)管理部門的重 要工作。 要減少汽車尾氣污染物對(duì)人體和環(huán)境的危害，首先必須做好檢測(cè)工作。 為貫徹《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》和《中華人民共和國(guó)大氣污染防治法》，控制發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物對(duì)環(huán)境的污染，以及配合當(dāng)前我國(guó)機(jī)動(dòng)車行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和企業(yè)認(rèn)證，國(guó)家要求各機(jī)動(dòng)車生產(chǎn)企業(yè)必須加強(qiáng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放量的檢測(cè)和控制。“機(jī)動(dòng)車尾氣紅外檢測(cè)系統(tǒng)的研究”的研究課題正是在此背景下產(chǎn)生的。常用的氣體分析方法有：電化學(xué)法；電氣法，如熱導(dǎo)式和半導(dǎo)體式；色譜法 (層析法 )：光學(xué)吸收法 (紅外吸收法和紫外吸收法 )等。在 50 年代，以費(fèi)因格 格夫和勒夫特為代表研制出了有選擇性的光聲氣體檢測(cè)器，使不分光型紅外氣體分析儀技術(shù)趨于成熟。有代表性的產(chǎn)品是 Kent公司生產(chǎn)的 IR500 型紅外氣體分析儀。隨著現(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)在紅外吸收光譜分析中發(fā)揮了重要作用，不但用來數(shù)據(jù)處理，記錄分析結(jié)果，通過求解線性方程對(duì)多組分混合物進(jìn)行定量分析，而且承擔(dān)紅外氣體 分析儀的其它許多自動(dòng)化、多功能的任務(wù)。它們都具有小型化，交直流兩用供電，可多參數(shù)測(cè)量，數(shù)據(jù)精確等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)時(shí)尾氣分析儀產(chǎn)品也比較單一，主要用于怠速工況的檢測(cè)，而且國(guó)內(nèi)相關(guān)生產(chǎn)廠家也少之又少。同時(shí)，人們對(duì)汽車尾氣排放造成的環(huán)境污染日益重視，按照環(huán)保法規(guī)要求，汽車必須定期進(jìn)行尾氣檢測(cè)。這主要表現(xiàn)為：紅外氣體分析理論的基礎(chǔ)研究不完善、不系統(tǒng) 、不深入：產(chǎn)品受環(huán)境影響比較嚴(yán)重；可靠性差；自動(dòng)他水平低；智能化水平低；某些高性能產(chǎn)品沒有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)等。本課題僅討論研究三氣分析儀。下面介紹一下本論文的主要工作內(nèi)容： 1．分析紅外輻射的特性，確定了利 用 CO、 CO2 和 HC 在中紅外光區(qū)的吸收光譜進(jìn)行檢測(cè)。通過紅外吸收光譜的理論和氣體的紅外吸收光譜分析，根據(jù) CO、 CO2 和 HC 的吸收差異確定 CO、 CO2 和 HC 的特征吸收峰。再次，選擇一款數(shù)據(jù)采集卡完成其與計(jì)算機(jī)以及輸入信號(hào)的連接，并在在上為計(jì)算機(jī)中利用 LabVIEW 軟件完成對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的相關(guān)配置。 本章小結(jié) 本章首先回顧了汽車紅外分析檢測(cè)技術(shù)的目的和意義，介紹了其在國(guó)內(nèi)外發(fā)展的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了汽車尾氣檢測(cè)的必要性。特別是發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，混合氣供給偏濃，發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)中的氣體壓力和溫度不高，燃燒速度減慢，因不完全燃燒所生成的 CO 濃度增高；發(fā)動(dòng)機(jī)在加速過程中供給較濃混合氣，或因點(diǎn)火過分推遲補(bǔ)燃增多時(shí)，均會(huì)使 CO 的排放量增加。汽車排放污染物中， HC 的 20％～ 25％來自曲軸箱竄氣， 20％來自化油器和燃油箱中的蒸發(fā)，其余則由發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管排出。其中約 30％來自汽 車尾氣。 用不分光紅外分析 (NDIR) NDIR 是英文 Non． Dispersive Infrared Analyzer 的簡(jiǎn)稱，是目前測(cè)定 CO 的最好的方法。 NDIR 法的是建立在惰性氣體不吸收紅外線能量，而異原子組成的氣體如汽車尾氣中的 CO、 HC、 CO2等均能吸收一定波長(zhǎng)的紅外線能量的基礎(chǔ)上。 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng) 8 表 21不同氣體的特征波長(zhǎng)和吸收系數(shù) Table 21 the characteristics of different gases wavelength and absorption coefficient 氣體種類 CO CO2 CH4 C6H14 NO 特征波長(zhǎng)（ μ m） 吸收系數(shù) K 110 60 90 不分光紅外分析儀，可測(cè)量 CO、 CO CH C6H1 NO 等多種氣體成分，當(dāng)然測(cè)量時(shí)需在檢測(cè)室內(nèi)充入相應(yīng)的氣體。故在要求高精度 測(cè)量時(shí)，不分光紅外分析儀不能用來測(cè)量 HC【 7】 。根據(jù)通入氣體前后的幅值變化，可以得到尾氣各組分含量的檢測(cè)結(jié)果。下面給出氧傳感器使用電化學(xué)法檢測(cè) O2濃度的原型。經(jīng)試驗(yàn)其輸出的電壓信號(hào)與環(huán)境壓力之間的關(guān)系是線性的，以在儀器氣路設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量將氧傳感器安裝在儀器的出氣口，使該處的氣體壓力與環(huán)境大氣的壓力盡量接近以得到穩(wěn)定可靠的輸出結(jié)果。氧傳感器的壽命由與氧氣接觸的反應(yīng)量決定，較高的溫度和氧濃度會(huì)增加傳感器的輸出，從而縮短其有效時(shí)間。此類儀器可以連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，但是配套價(jià)格昂貴。因此，各國(guó)權(quán)威機(jī)構(gòu)廣泛推薦的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣分析的標(biāo)準(zhǔn)方法是：用氫火焰離子化法分析 HC，用不分光紅外吸收法 分析 CO、 CO2，用磁壓法或氧化鋯法分析排放尾氣中的氧，用化學(xué)發(fā)光法分析 NO、 NOx。 2． 3． 1 怠速法 怠速法是機(jī)動(dòng)車空擋靜止在怠速下測(cè)試其排放尾氣的各種成分，結(jié)果均是濃度值。 怠速法是我國(guó)早期排放標(biāo)準(zhǔn)中采用的一種方法，相比于雙怠速法、模擬工青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 況法來說，檢測(cè)要求并不嚴(yán)格，國(guó) III 標(biāo)準(zhǔn)等測(cè)試規(guī)程已經(jīng)不采用這 類檢測(cè)方法。 根據(jù)法規(guī)要求，雙怠速測(cè)量的具體檢測(cè)流程是： 1．高怠速測(cè)量廢氣： 發(fā)動(dòng)機(jī)從怠速狀態(tài)加速至 70％額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn) 30s 后，用油門踏板將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制在 50％額定功率轉(zhuǎn)速或制造廠技術(shù)文件中規(guī)定的高怠速轉(zhuǎn)速。 2． 3． 3 簡(jiǎn)易工況法 簡(jiǎn)易工況法 (ASM)是機(jī)動(dòng)車在測(cè)功機(jī)上按特定低速／高速工況規(guī)范模擬在道路上運(yùn)行，測(cè)試其排放尾氣的各種成分，各成分的分析結(jié)果是濃度或質(zhì)量。檢測(cè)時(shí)如果第一種狀態(tài)達(dá)標(biāo)，第二種狀態(tài)可免試，兩種狀態(tài)檢測(cè)時(shí)間共為 6 分鐘，如圖 24 所示。 汽油機(jī)瞬態(tài)排放檢測(cè)技術(shù)可以分為間接測(cè)量和直接測(cè)量?jī)煞N：間接測(cè)量是基于穩(wěn)態(tài)勢(shì)所用的排放取樣技術(shù)和常規(guī)分析儀器測(cè)量瞬態(tài)排放數(shù)據(jù)。按照排放取樣部位的不同有缸內(nèi)測(cè)量和排氣管測(cè)量?jī)深悺? 第 1 節(jié)簡(jiǎn)述了尾氣中 CO、 HC、 CO2 和 NOx 的生成機(jī)理。 第 3 節(jié)介紹了國(guó)家法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)下的排放檢測(cè)方法，包括怠速法、雙怠速法和簡(jiǎn)易工況法的測(cè)試要求和流程。通過 LabVIEW 圖形化的編程語(yǔ)言編寫軟件實(shí)現(xiàn)相應(yīng)硬件的功能，不僅使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期縮短而且降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本。傳感器能轉(zhuǎn)換信息存在的能量形式，通常是將其它能量形式轉(zhuǎn)換成電量形式，以便進(jìn)一步加工處理，傳感器的輸出往往總是電信號(hào)。 本系統(tǒng)使用的是美國(guó) PerkinElmer 公司的 TPS4339 型號(hào)紅外氣體傳感器。每個(gè)熱電堆芯片都有 的感應(yīng)區(qū)來接收紅外輻射。由于熱電堆探測(cè)器對(duì)溫度的變化量敏基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng) 16感，因此通過對(duì)紅外光源的調(diào)制來得到熱電堆信號(hào)的交流變化，適合探測(cè)器的測(cè)量。 放大部分的放大器包括通用集成運(yùn)算放大器、儀用放大器、程控增益放大器、隔離放大器。按頻率特性可將有源濾波器分為低通 (LPF)、高通 (HPF)、帶通 (BPF)和帶阻 (BEF)等四種。這四路信號(hào)的調(diào)理電路相似，不同之處在與放大系數(shù)稍有不同，本系統(tǒng)僅 以 CO 信號(hào)的調(diào)理電路為例進(jìn)行分析。 由二階高通有源濾波電路 (見圖 36)， 基于 虛擬儀器的 汽車尾氣檢測(cè)系統(tǒng) 18 圖 36 二階有源高通濾波器 Figure 36 secondorder active highpass filter 可以得到傳遞函數(shù)為 20212)()()(?????????? jQjjAUUjA ufiO 其中 0 1 2 1 21R R C C? ? ω 0稱為通帶截止頻率 1 2 1 21 1 2 1 2 2 (1 )fR R C CQ C R C R R C A?? ? ? ? Q 稱為品質(zhì)因數(shù) 1 ff aRA R? ?? Auf稱為放大倍數(shù) 為保證電路穩(wěn)定，應(yīng)滿足 0)1(221211 ???? fACRRCRC ? 即： 2211211 CR CRRRAuf ??? 因?yàn)樵ㄐ蔚念l率約為 2Hz，所以高通濾波器的截止頻率為 1Hz，于是 HzRCf 12 12 00 ??? ??? 取 C1=C2= F，則 R1=， R2= 選擇不同的 Q 值，可以使濾波器在 ω 0附件的特性逼近要求的形狀，本 系青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 統(tǒng)取 Q=1， 則 Auf=2， R1=10kΩ， 則 Rf=10KΩ。 圖 38二階有源低通