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[摘 要]本文在碳平衡法测试原理的启发下，采用了自主设计的内锥流量计来测量稀释尾气的流量，通过专业的气体分析装置得到稀释排气中的CO，CO2，HC，NOX 的含量，采用变频器对高压离心风机的电机进行调速以改变稀释排气的流量来满足不同排放的车型，运用单片机和相应的传感器技术，依靠RS232通信技术将关键的参数输入到计算机中，通过建立的计算模型得出排气中主要污染物的排放值和汽车等速情况下的百公里燃油消耗量。在与油耗仪的实际测量值进行对比中发现，本系统的精度满足要求并且测量稳定性比较好，满足汽车排放和燃油消耗测量的需要。
[关键词]锥形流量计 燃油消耗 变频器 碳平衡法
中图分类号：U467 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）33-0095-01
1.引言
国内汽车工业发展得较晚，相比于美国等发达国家，测试系统的开发水平有较大的差距[1]。由于一些关键技术难题没有得到解决，汽车燃油经济性的检测没有得到及时重视。随后我国在90年代中期引入多参数的尾气分析装置，但是这些装备在科研单位的手中还是主要运用在汽车的尾气排放测量上，对于更为高效且简易的碳平衡检测方法依然没有做出足够的重视。
2. 碳平衡原理及系统设计
2.1基于碳平衡的油耗計算方法
碳平衡原理就是利用质量守恒定律[2]，通过对尾气中CO，CO2和HC含量的测量，并利用排气中碳的总量应该与燃油中碳的质量相等，得到汽车百公里油耗的计算公式如下：
（a）装备汽油机的车辆：
（2-1）
（b）装备柴油机的车辆：
（2-2）
式中：
FC—油耗，L/100km；HC—碳氢排放量，g/km；CO—排放量，单位g/km；CO2—CO2排放量，单位g/km；D—15℃下燃料的密度，单位kg/L。
2.2 内锥流量计的设计
内锥流量计是差压式流量计的一种，其结构示意图如下图所示：
本文自主设计的内锥流量计，前锥角36度，后锥角140度，流量计的内径为150mm，等效直径比为0.6，不确定度为±0.5%，取压口设计有螺纹用于与传感器的连接。
内锥流量计的原理基础是流体力学中的伯努利定律[3]，其基本原理是在稀释气体流动到椎体前方不远时，测出这一点的绝对压力值作为基准静压力，然后当气体流经锥体时，由于锥体的作用，管道的横截面积减小，而此时流体则需要加快它的流速来使能量保持恒定。于是锥体后部的压力随之降低，通过锥体内部空腔将锥体后部的压力引出并测量前后的压力差。同时利用高精度的温度传感器测试前部的温度。其流量可以用如下公式计算：
（3-1）
式中 K：标准状态下的流量计的流量系数；ΔP：锥体前后的压力差，kpa；P1：锥体前部的绝对压力值，kpa；T为入口的绝对温度，K。
2.3 系统所需传感器
（1） 差压传感器：西门子压差传感器 QBE63-DP01 差压范围：0-10kpa，输出信号DC：0-10V，电源电压直流20-30V。
特点：适用于中性和轻度腐蚀的气体和液体。
（2） 绝对压力传感器：陶瓷压力传感器 量程0-10Mpa，供电电压DC5-30V，工作温度-40-145摄氏度
特点：抗冲击，抗振动，抗腐蚀性好，工作温度范围较宽[4]。
（3） 温度传感器：PT100热电阻温度传感器 温度采集范围-200-850摄氏度
特点：有较高的精度及良好的稳定性，性能可靠。
2.4气体分析装置
根据GBT19233-2008的要求，对几种主要的排气污染物的测量装置进行了选型。
（1）选择不分光红外线吸收（ NDIR ）型来分析稀释气体中的二氧化碳一氧化碳[15]。
工作原理：被测气体选择性地吸收红外线，而气体的浓度则决定了其吸收程度，当红外线通过气体时，气体会吸收红外线中的一些波段特征波长的红外线，从而降低了红外线的能量，从而减少了红外线的能力，最后测出该气体的浓度，把电信号的形式输入到废气浓度显示装置。
（2）选择氢火焰离子化（ FID ）型来分析稀释气体中HC的浓度。
工作原理：它的能源来自于氢气与空气中燃烧产生的火焰，当有机气体进入之后，在火焰高能的作用下解离成正负离子，在火焰上下有收集极和极化极两个电极，在电极的作用下电子会做出相应的定向移动，电子的定向移动会产生微弱的电流，电流流经高阻值电阻转化为电压信号，经过放大器放大之后，记录仪记录下相应的信号。
（3）选择化学发光（ CLD ）型来分析稀释气体中的NOX的浓度。
工作原理：，为反应式，当取样气进入仪器时，首先要经过NOX转化装置，在这个装置中二氧化氮转化为一氧化氮，然后全部的一氧化氮经反应，输出的直流电流与NOX成正比，其浓度通过相应的显示单元显示。
以上三款气体分析装置的功能涵盖了本文所需要测量的稀释尾气中的污染物，每一款气体分析装置，系统专门配置了标气和零气单元，来对分析仪进行定期的标定，保证分析仪的测量的准确性。
3.系统的工作过程
（1） 车子在底盘测功机上，由驾驶员操作稳定到一定车速，并由串口RS485将车速信号输送到计算机；
（2） 将耐高温的伸缩软管口接到汽车的排气管上；
（3） 通过计算机发出信号给变频器，让变频器改变风机的电机频率，使风机的风量发生改变，原则上让稀释气体中的碳含量尽量地高，以减少误差，但必须保证不会出现冷凝现象。同时计算机发出信号给气体分析装置，开始进行气体污染物浓度的分析，分析结束后将四个主要污染物的含量数据输送到计算机，此时由计算机控制电磁阀的开断，来实现稀释空气中的污染物的测量工作，为了之后校正，从而极大的降低空气中的污染物对最终测试结果的影响。数据通讯同样依靠RS485串口。
（4） 稀释气体经过自主设计的内锥流量计时由内锥流量计上采集到的压力，压差以及温度信号在经过处理后计算出流量，并通过RS485将流量信号输送到计算中；
（5） 系统从气象台获取相应的参数比如大气压力信号，以及其他的一些温度和湿度信号；
（6） 计算机将收集过来的各项数据进行整理，运用其中已经编写好的计算模型快速准确地测量出排气中四个典型污染物的每公里排放值和汽车行驶一百公里所消耗的燃油量。
（7） 将各项计算结果通过显示单元直观地呈现给用户。
参考文献
[1]Austinand T C，Hellman K H.Passenger Car Fuel Economy-Trends and
Influencing Factors.SAE.730790.
[2] 李兴华.密度浓度测量[M].北京：中国计量出版社，1991.
[3] 贾伯年，俞朴.传感器技术[M].南京：东南大学出版社，1992.
[4] 刘军，王云.汽车油耗智能快速测试系统的开发[J]镇江：2011，18（5），729-730
[关键词]锥形流量计 燃油消耗 变频器 碳平衡法
中图分类号：U467 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）33-0095-01
1.引言
国内汽车工业发展得较晚，相比于美国等发达国家，测试系统的开发水平有较大的差距[1]。由于一些关键技术难题没有得到解决，汽车燃油经济性的检测没有得到及时重视。随后我国在90年代中期引入多参数的尾气分析装置，但是这些装备在科研单位的手中还是主要运用在汽车的尾气排放测量上，对于更为高效且简易的碳平衡检测方法依然没有做出足够的重视。
2. 碳平衡原理及系统设计
2.1基于碳平衡的油耗計算方法
碳平衡原理就是利用质量守恒定律[2]，通过对尾气中CO，CO2和HC含量的测量，并利用排气中碳的总量应该与燃油中碳的质量相等，得到汽车百公里油耗的计算公式如下：
（a）装备汽油机的车辆：
（2-1）
（b）装备柴油机的车辆：
（2-2）
式中：
FC—油耗，L/100km；HC—碳氢排放量，g/km；CO—排放量，单位g/km；CO2—CO2排放量，单位g/km；D—15℃下燃料的密度，单位kg/L。
2.2 内锥流量计的设计
内锥流量计是差压式流量计的一种，其结构示意图如下图所示：
本文自主设计的内锥流量计，前锥角36度，后锥角140度，流量计的内径为150mm，等效直径比为0.6，不确定度为±0.5%，取压口设计有螺纹用于与传感器的连接。
内锥流量计的原理基础是流体力学中的伯努利定律[3]，其基本原理是在稀释气体流动到椎体前方不远时，测出这一点的绝对压力值作为基准静压力，然后当气体流经锥体时，由于锥体的作用，管道的横截面积减小，而此时流体则需要加快它的流速来使能量保持恒定。于是锥体后部的压力随之降低，通过锥体内部空腔将锥体后部的压力引出并测量前后的压力差。同时利用高精度的温度传感器测试前部的温度。其流量可以用如下公式计算：
（3-1）
式中 K：标准状态下的流量计的流量系数；ΔP：锥体前后的压力差，kpa；P1：锥体前部的绝对压力值，kpa；T为入口的绝对温度，K。
2.3 系统所需传感器
（1） 差压传感器：西门子压差传感器 QBE63-DP01 差压范围：0-10kpa，输出信号DC：0-10V，电源电压直流20-30V。
特点：适用于中性和轻度腐蚀的气体和液体。
（2） 绝对压力传感器：陶瓷压力传感器 量程0-10Mpa，供电电压DC5-30V，工作温度-40-145摄氏度
特点：抗冲击，抗振动，抗腐蚀性好，工作温度范围较宽[4]。
（3） 温度传感器：PT100热电阻温度传感器 温度采集范围-200-850摄氏度
特点：有较高的精度及良好的稳定性，性能可靠。
2.4气体分析装置
根据GBT19233-2008的要求，对几种主要的排气污染物的测量装置进行了选型。
（1）选择不分光红外线吸收（ NDIR ）型来分析稀释气体中的二氧化碳一氧化碳[15]。
工作原理：被测气体选择性地吸收红外线，而气体的浓度则决定了其吸收程度，当红外线通过气体时，气体会吸收红外线中的一些波段特征波长的红外线，从而降低了红外线的能量，从而减少了红外线的能力，最后测出该气体的浓度，把电信号的形式输入到废气浓度显示装置。
（2）选择氢火焰离子化（ FID ）型来分析稀释气体中HC的浓度。
工作原理：它的能源来自于氢气与空气中燃烧产生的火焰，当有机气体进入之后，在火焰高能的作用下解离成正负离子，在火焰上下有收集极和极化极两个电极，在电极的作用下电子会做出相应的定向移动，电子的定向移动会产生微弱的电流，电流流经高阻值电阻转化为电压信号，经过放大器放大之后，记录仪记录下相应的信号。
（3）选择化学发光（ CLD ）型来分析稀释气体中的NOX的浓度。
工作原理：，为反应式，当取样气进入仪器时，首先要经过NOX转化装置，在这个装置中二氧化氮转化为一氧化氮，然后全部的一氧化氮经反应，输出的直流电流与NOX成正比，其浓度通过相应的显示单元显示。
以上三款气体分析装置的功能涵盖了本文所需要测量的稀释尾气中的污染物，每一款气体分析装置，系统专门配置了标气和零气单元，来对分析仪进行定期的标定，保证分析仪的测量的准确性。
3.系统的工作过程
（1） 车子在底盘测功机上，由驾驶员操作稳定到一定车速，并由串口RS485将车速信号输送到计算机；
（2） 将耐高温的伸缩软管口接到汽车的排气管上；
（3） 通过计算机发出信号给变频器，让变频器改变风机的电机频率，使风机的风量发生改变，原则上让稀释气体中的碳含量尽量地高，以减少误差，但必须保证不会出现冷凝现象。同时计算机发出信号给气体分析装置，开始进行气体污染物浓度的分析，分析结束后将四个主要污染物的含量数据输送到计算机，此时由计算机控制电磁阀的开断，来实现稀释空气中的污染物的测量工作，为了之后校正，从而极大的降低空气中的污染物对最终测试结果的影响。数据通讯同样依靠RS485串口。
（4） 稀释气体经过自主设计的内锥流量计时由内锥流量计上采集到的压力，压差以及温度信号在经过处理后计算出流量，并通过RS485将流量信号输送到计算中；
（5） 系统从气象台获取相应的参数比如大气压力信号，以及其他的一些温度和湿度信号；
（6） 计算机将收集过来的各项数据进行整理，运用其中已经编写好的计算模型快速准确地测量出排气中四个典型污染物的每公里排放值和汽车行驶一百公里所消耗的燃油量。
（7） 将各项计算结果通过显示单元直观地呈现给用户。
参考文献
[1]Austinand T C，Hellman K H.Passenger Car Fuel Economy-Trends and
Influencing Factors.SAE.730790.
[2] 李兴华.密度浓度测量[M].北京：中国计量出版社，1991.
[3] 贾伯年，俞朴.传感器技术[M].南京：东南大学出版社，1992.
[4] 刘军，王云.汽车油耗智能快速测试系统的开发[J]镇江：2011，18（5），729-730