汽車(chē)尾氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汽車(chē)尾氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0汽車(chē)尾氣體積分?jǐn)?shù)的測(cè)量隨著新標(biāo)準(zhǔn)的頒布，對(duì)汽車(chē)尾氣排放污染物的限制將更加嚴(yán)格。以熱電堆傳感器為核心的非分光(NDIR)紅外氣體分析儀,作為一種快速、準(zhǔn)確的氣體分析儀器,應(yīng)用日漸增加。尤其是汽車(chē)尾氣的測(cè)量,可實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量汽車(chē)尾氣中3種主要的組分CO2、CO、HC的體積分?jǐn)?shù)。它即克服了薄膜電容微音器作為傳感器對(duì)振動(dòng)的過(guò)于敏感,又克服了電化學(xué)傳感器的反應(yīng)耗盡。結(jié)合紅外光源及先進(jìn)的電子技術(shù),儀器電路采用低功耗嵌入式系統(tǒng),使儀器在體積、功耗、性能、價(jià)格上具有以往儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。所設(shè)計(jì)的紅外尾氣氣體濃度傳感器系統(tǒng)用來(lái)測(cè)量尾氣中污染氣體的體積分?jǐn)?shù),從而為汽車(chē)尾氣的排放污染物控制提供了有力的保障,以達(dá)到減少環(huán)境污染和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的。1系統(tǒng)原理1.1堆傳感器的原理熱電堆傳感器采用先進(jìn)的硅基顯微機(jī)械加工技術(shù),將上百個(gè)熱電偶連接在一起,能夠感應(yīng)紅外輻射,熱電堆傳感器是一種自生的紅外傳感器,傳感器前面裝有紅外帶通濾波器,可使傳感器只對(duì)特定的氣體吸收頻帶起作用,傳感器有敏感的紅外吸收窗,吸收窗面積越大光功率越高,當(dāng)紅外光照射到吸收窗時(shí),即在輸出引腳上產(chǎn)生與入射光功率成正比的輸出信號(hào)電壓,信號(hào)頻率很低,-3dB衰減頻率大約為10Hz.1.2氣體體積分?jǐn)?shù)c紅外光束在穿越氣體之后,強(qiáng)度會(huì)減弱,光強(qiáng)的損失是單位體積內(nèi)的活性氣體分子數(shù)量的函數(shù),即氣體體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)。氣體分子對(duì)紅外光的吸收作用只發(fā)生在紅外光的某個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)為中心的小區(qū)間內(nèi),并且不同氣體的吸收峰在不同的波長(zhǎng)點(diǎn)上,如CO2在4.26μm,CO在4.64μm,HC在3.4μm,所以可同時(shí)檢測(cè)有紅外吸收作用的多種氣體的體積分?jǐn)?shù),例如:可同時(shí)測(cè)量和監(jiān)測(cè)大氣中的重要?dú)怏wCO2、CO、NOx的體積分?jǐn)?shù)。已知強(qiáng)度的紅外光束在特定波長(zhǎng)區(qū)間上的光強(qiáng)損失可用于直接檢測(cè)對(duì)應(yīng)氣體的體積分?jǐn)?shù)。實(shí)際檢測(cè)系統(tǒng)前端由紅外光源、氣室和熱電堆傳感器組成,如圖1所示。熱電堆傳感器的紅外接收窗前面覆蓋著窄帶濾光片,可拾取對(duì)應(yīng)某種氣體的紅外吸收光波,從而實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)與電壓的轉(zhuǎn)換。為保證精確檢測(cè),必須保證光源、氣室、傳感器在同一光軸中心上。設(shè)入射光是平行光,強(qiáng)度為I0,出射光的強(qiáng)度為I,氣室長(zhǎng)度為L(zhǎng),當(dāng)氣室中的分子數(shù)dN的吸收所造成的光強(qiáng)減弱為dI時(shí),根據(jù)朗伯-比爾吸收定律:dI/I=-KdN式中K為比例常數(shù)。經(jīng)積分得lnT=-KN+a(1)式中:N為吸收氣體介質(zhì)的分子總數(shù);a為積分常數(shù),顯然有N∝cL.則式(1)可寫(xiě)成:I=exp(a)exp(-KN)=exp(a)exp(-μcL)=I0exp(-μcL)(2)式中c為氣體體積分?jǐn)?shù)。式(2)表明光強(qiáng)在氣室中隨體積分?jǐn)?shù)c及長(zhǎng)度L按指數(shù)規(guī)律衰減。吸收系數(shù)取決于氣體特性,各種氣體的吸收系數(shù)μ互不相同。對(duì)同一氣體,μ隨入射波長(zhǎng)而變。若當(dāng)氣室中含有i種吸收氣體時(shí),則式(2)應(yīng)改為I=I0exp(-L∑μici)(3)因此對(duì)于多種混合氣體,為了分析特定組分,應(yīng)該在對(duì)應(yīng)檢測(cè)氣體的傳感器前安裝相應(yīng)吸收波長(zhǎng)的窄帶濾光片,使傳感器的信號(hào)變化只反映被測(cè)氣體濃度變化。2系統(tǒng)的基本框圖從傳感器輸出的信號(hào)十分微弱,極易受外界的干擾,因此穩(wěn)定可靠的前置放大電路是關(guān)鍵。系統(tǒng)采用高精密、低漂移的模擬放大電路OP07,原理圖如圖2所示。為了抑制外界的電磁干擾,必須采用電磁屏蔽措施,并將傳感器與前級(jí)放大電路單獨(dú)放在同一塊電路板上,并且后續(xù)處理要采用窄帶濾波電路。此部分框圖如圖3所示。前置放大輸出的信號(hào)通過(guò)兩級(jí)放大電路,可加入電位器放大倍數(shù)調(diào)整電路,以便于調(diào)試,為了得到穩(wěn)定的直流輸出信號(hào),在此之后還要有絕對(duì)值檢波電路和兩級(jí)二階有源濾波器。此時(shí)得到的信號(hào)已經(jīng)可以直接進(jìn)入A/D,傳輸?shù)組CU信號(hào)處理部分。值得關(guān)注的是傳感器的輸出信號(hào)大小是與汽車(chē)尾氣的體積分?jǐn)?shù)成反比的,當(dāng)吸進(jìn)的是空氣時(shí),信號(hào)的A/D值接近最大值。圖4為單片機(jī)控制部分的基本框圖。單片機(jī)選用P89C668,P89C668內(nèi)帶64KBFlashEPROM、8KBRAM,既可以并行編程,也可以ISP和IAP編程,串行在系統(tǒng)編程可以在實(shí)際的成型產(chǎn)品中通過(guò)ISP端口編程下載升級(jí)程序。該器件在6個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行1條指令,是傳統(tǒng)的8051的2倍,片內(nèi)有PWM控制單元、可編程計(jì)數(shù)器陣列PCA、I2C串行接口等系統(tǒng)需要的擴(kuò)展資源。以P89C668為控制核心,以熱電堆傳感器為氣體敏感元件,構(gòu)成了多輸入/輸出的尾氣檢測(cè)控制系統(tǒng)。3系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件部分由主程序和多個(gè)子程序模塊組成。主程序主要由所有顯示菜單和系統(tǒng)主循環(huán)組成,對(duì)應(yīng)每次按鍵判斷發(fā)生事件。通過(guò)不斷查詢,完成系統(tǒng)的每個(gè)功能,主程序流程圖如圖5所示。軟件由KEILC編程實(shí)現(xiàn),便于模塊化編寫(xiě)、修改和維護(hù)升級(jí)。系統(tǒng)的檢測(cè)子模塊是系統(tǒng)的核心,其中檢測(cè)數(shù)據(jù)用的是插值算法,流程圖如圖6所示。由于傳感器輸出的信號(hào)是按指數(shù)變化的,并非線性,因此程序應(yīng)使用查表法,先用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量,得到多組數(shù)據(jù),然后用插值法對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,最后送顯示單元。4復(fù)配濾光片的體積分?jǐn)?shù)圖7為實(shí)際測(cè)量的2組數(shù)據(jù)的折線圖,實(shí)驗(yàn)中,先搭建由紅外燈、氣室、傳感器組件構(gòu)成的測(cè)量通道,注意三者成一條光路直線,傾斜角小于3°。然后通過(guò)程序控制采集數(shù)據(jù)。從圖7的折線可見(jiàn):對(duì)應(yīng)第1組CO2的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)6%以后,斜率明顯變小,反映在結(jié)果上,即測(cè)量已沒(méi)有實(shí)際意義,無(wú)法得到正確的結(jié)果。由國(guó)外的資料數(shù)據(jù)顯示當(dāng)采用4.26μm(吸收最強(qiáng)區(qū)域)的濾光片時(shí),必須滿足CO2體積分?jǐn)?shù)與氣室長(zhǎng)度的乘積不超過(guò)10000ppm·m(1ppm=10-6)。典型的氣室長(zhǎng)度為20cm,它的準(zhǔn)確測(cè)量上限為5%,與第1組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合,符合汽車(chē)尾氣中CO2體積分?jǐn)?shù)較高的事實(shí)。這時(shí)解決方案為選用其他較弱的吸收峰,例如4.43μm波長(zhǎng)處。當(dāng)濾光片改為4.43μm波長(zhǎng)時(shí),得到第2組數(shù)據(jù),繪成第2組折線,可見(jiàn)線性度明顯提高。5長(zhǎng)期使用效果該傳感器系統(tǒng)滿足了汽車(chē)尾氣檢測(cè)的實(shí)際要求,測(cè)量精度達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求(CO:±5%,CO2:±5%,HC:±5%