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废气分析仪解析

[来源:来自网络] [作者:不详] [日期:18-08-04] [点击:]

 

废气分析仪
废气分析仪一种分析仪,一般是基于气体的红外吸收原理,即由多原子组成的气体分子,在某一特定波长范围内,吸收红外光能量与气体浓度成正比的关系,进行工作的。 [1]  用于测量机动车汽油发动机排放废气中的HC、CO、CO2、O2浓度。其中对HC、CO、CO2采用先进的NDIR不分光红外分析技术进行检测,对O2采用最新的电化学分析技术进行检测。
 
应用
汽车废气分析仪主要用于对汽车排放污染物进行测量,广泛应用于汽车修理厂、汽车制造厂、汽车综合性能(安全性能)检测站和环境监测站等场所,不同类型的用户选择不同类型的产品。对于安全检测站、综合性能检测站,主要配套检测线专用的四气/五气废气分析仪;对于大型交通维修企业,首选四气/五气,其次选择二气废气分析仪;对于环保的路检、抽检和复检机动车排污检测机构或部门,首选四气/五气,其次是二气废气分析仪;对于主修或检测汽油车的企业,需要购买汽油车专用废气分析仪;对于主修或检测柴油车的企业,需要购买滤纸式烟度计或不透光度计;对于汽油车和柴油车混杂检测维修的企业,需要同时配备汽油车废气分析仪或烟度计等设备,也可考虑购买汽柴合一的废气分析仪。 
测试原理
废气分析仪最常用的测试原理主要有:
不分光红外线分析原理(NDIR)、电化学原理,此外还有氢火焰离子化法(FID)、化学发光法(CLD),磁气压力法等。根据不同的原理,就相应有不同结构的检测器(通常称仪器的传感器),分别适合测试不同类别的气体成分。
不分光红外吸收法仪器结构简单、寿命长、测量精度高、反应速度快、运行费用低、操作简便,可用于分析测试CO(一氧化碳)、CO2(二氧化碳)、HC(碳氢化合物),NO(氮氧化物)等气体的浓度,因而被广泛用于汽车排放污染物浓度的分析。即特定气体分子(含原子)有特定的波长,可以吸收红外线,并且在恒定条件下其吸收量与气体的浓度成正比。因此,检测器输出电信号,经数据处理后由液晶屏显示部分(如液晶屏)显示出来或将信号输出供后续处理。
电化学法可用于测量O2、NO、SO2等,检测器是电化学式的,属消耗性的,寿命多为两年以内。此类检测器结构小巧简单、价格低廉、易于更换,但美中不足是寿命短。当有气体通过时会输出与气体浓度成良好线性的电压、电流信号,通过一定的电路处理输送给显示器。
氢火焰离子化法测量HC具有准确度高、输出与碳原子数成良好线关系的优点,多用于高精度测量试验。此类仪器可以连续长时间钡(试,反应快、测试精度高、结构简单、易维护,但配套价格昂贵。目前在国内主要用于汽车与发动机的研究开发、汽车与摩托车生产一致性认证与检查。
而化学发光法分析测试NO/NOx、等成分同样具有灵敏度高、反应速度快、性好等特点。其它类似氢火焰离子化法。
因此,用氢火焰离子化法分析HC,用不分光原理分析CO,CO2,用磁压法或氧化错法分析发动机排放的氧,用化学发光法分析NO/NOX,这些方法被各国权威机构广泛推荐为发动机排气分析的标准方法。但由于他们结构较复杂、配套费用较高(数百万至数千万人民币)、操作不够简便,目前只应用于发动机或汽车/摩托车整车排气分析。正如大家现在常提到的汽车欧Ⅰ、欧Ⅱ、欧Ⅲ、欧Ⅳ(最新)排放标准应用的仪器就是此类仪器,也是目前国家发改委要求汽车/摩托车厂家必备的形式认证及生产一致性检查测试设备,足见政府对控制未来汽车污染的决心。
仪器的检测器(俗称光学平台)是仪器的心脏部分,内部的光源辐射出来的红外光被调制成一定频率的光束,此光束通过采样(检测室)气室,然后再穿过滤光片进人检测器。样品检测器接收到这些光信号,便转换成电信号输出,系统进行数据处理,从而获得被测气体的相应浓度。
目前国内汽车/摩托车生产下线检测、汽车维修检测、在用汽车污染检测、汽车污染检测与治理等领域使用的仪器,主要应用不分光原理和电化学原理的小型仪器,费用较低,在国外也有使用氢火焰离子化法、化学发光法等大型仪器,但费用昂贵。现在国家在用机动车污染检测规范标准要求使用的仪器是前者,不过未来使用的要求会逐渐提高。
污染检测测试方法
国家在用机动车污染检测标准规定的测试方法主要有:
①怠速法,即机动车空挡静止在怠速下测试其排放尾气的各种成分,各成分的分析结果均是浓度;
②双怠速法,即机动车空挡静止经过高怠速、低怠速测试其排放尾气的各种成分,各成分的分析结果也是浓度;
③简易工况法,即机动车在测功机上按特定低速/高速工况规范模拟在道路上运行,测试其排放尾气的各种成分,各成分的分析结果是浓度或质量。
数据显示方式
通常小型汽车尾气仪的数据显示主要有三种方式:
①电压、电流表指针指示:国内、外最早的分析仪器通常采用的方式,靠指针指示,直观简便,多采用模拟技术,精度多为10%,在1993年前存在并流行,目前已是淘汰产品;
②LED数码管显示:比指针方式更进一步的显示方式,这种方式简单可靠、数字大而明亮、仪器功能增强,多是模拟或数字处理技术,精度多为10%,从1994年开始到现在均有生产,但此类仅为从模拟技术到数字技术的过渡;
③LCD液晶显示器:可显示汉字和较复杂的图形,控制系统复杂,功能强大,测试精度高,仪器档次高,菜单引导操作简便易行,采用现代计算机、单片机等数字处理技术,精度多为3一5%,是现在应用的主潮流。
主要结构
目前国内使用最为广泛的废气分析仪是非扩散型红外线式废气分析仪(NDIR)。这种仪器主要由取样装置、分析装置浓度指示装置和校准装置等构成。取样装置由取样探头、滤清器、导管(由特殊材料制作,要求管壁不吸附气体、不与被测气体发生化学反应以确保测量精确度)、水分离器、和气泵组成,作用就是从汽车的排气管中吸入废气,滤掉灰尘和水分送往分析装置;分析装置由红外光源、测量气室、标准气室、切光扇轮和检测室组成,检测室由两个相互被带金属的隔膜隔开相同的密闭气室构成,气室内充有一定浓度的与被测气体相同的气体,气室的一端装有两个相同的由滤光镜构成的光窗,两个平行放置的管形气室(一根气室是标准气室,内部充满不吸收红外线的N2气体,另一根为标本气室,标本气体从中通过)的一端分别正对着分析室的两个光窗,另一端与红外线光源对正,标本气中不含被测气时,红外线穿过两根管型气室时均未被吸收,通过光窗分别进入检测室的两气室中能量相等,两个检测气室气体密度相同,中间隔膜也不会弯曲,隔膜上的金属片与临近金属片(构成一个平行板电容器)的间隙未变,因此平行板电容量未变;如果标本气体中有一定浓度的被测气体,致使部分能量被带走,两个检测气室内能量不等,一气室内密度大(由于部分能量被吸收,所获能量减小,温度相对降低,压力相对减小),另一气室内密度未变(维持以前压力),中间隔膜鼓向一边,平行板电容的容量变化,此变化量与标本气中被测气体浓度有关,电容的变化量就定义了被测气体的浓度,不同的被测气体对不同波长的红外线有不同的吸收特性,因此测量不同气体应使用不同波长的红外线;将不同的电容变化量换算为电流变化量用仪表表示,就构成了气体浓度指示装置。
主要用途
对普通的修理工而言,尾气分析仪往往仅作为车辆检侧并控制尾气、测试汽车排放污染物参数的普通设备,它的检测诊断发动机燃烧状况的诊断功能远没有被充分发挥。因此尾气分析仪设备的应用培训教育仍是提高维修技师应用仪器水平的重要内容。利用仪器进行科学诊断,继而做出准确判断,是维修的关键。
尾气分析仪的一般用途:
(1)对机动车的排放情况进行检测,监测其污染物的排放水平,判断排放污染物是否合格或超标;
(2)对化油器式车辆进行检测、调整并使之空燃比处于合理水平,提高燃烧效率,降低污染物排放;
(3)对电喷车、装有三元催化器的电喷车通过检测诊断,可以监测其电控系统、燃烧系统、催化转化系工作是否正常,达到发现问题相应找出解决问题的目的。
(4)检测汽车排放系统是否存在泄漏、破损。
(5)可检查包括燃烧情况、点火能量、进气效果、供油情况、机械情况等诸多发动机故障;
(6)其它涉及的诊断用途,如采用OBD接口技术,进行系统故障代码的诊断,判断其空燃比、氧传感器等是否正常等。 [2] 
应用配置特点
尾气分析仪用户群体特点及应用配置特点
根据不同的检测要求与规范,要选择合适的汽车尾气分析仪,即达到规范要求并满足使用的便利性是主要的选择依据。任何片面的选择都是不恰当的。
(1)汽车研发及制造检测、3S/4S服务站应首选五气仪,零级精度,价格在3一9万元之间;
(2)安全检测站、综合性能检测站:按国家公安部、交通部相关最新标准要求新建、改建检测线必须配套使用四气或五气分析仪,一级或零级精度,价格在2一7万元。
(3)一、二类维修企业应该首选四气仪或五气仪,价格在2.5一5.5万元之间,如北京、上海、天津、广州、深圳等环保要求严格的城市。经济落后地区或环保要求较松的地区大多选择二气分析仪,价格在12一2.5万元之间。
(4)环保的路检、抽检、复检等机动车排污检测:首选四气/五气仪,其次是二气仪。
(5)I/M检测站:推荐使用五气仪,零级精度,价格在3一20万元之间;
(6)简易工况法检测站:推荐使用五气仪,零级精度,价格在6一30万元之间。
此外,正确选购仪器的考虑因素(按先后顺序)是:①适用性;②性价比;③服务;④价格。 [2] 
主要类型
单组分、双光路、电容式废气分析仪
废气分析仪的两个光源发出能量相等的两束红外光IRD,ISD;切光片是一个周期性旋转的扇形挡光片,在旋转过程中将两束光周期性地遮断、打开;参比气室充有不吸收红外光的气体(例如N2);样品气体从样品气室的入口流入,从出口流出;电容式检测器由一片金属膜分隔成左右两个接收室;两接收室充有一定浓度和组分的被测气体,金属膜旁有一平板电极,与金属膜构成一平板式电容器。
当样气中被测气体浓度为0%时,样品气室内没有红外光能量被吸收,因此,光源光投射到样品气室后IS=ISD
此类仪器的主要结构特征是:每一个检测机构只分析一种气体成分(称组分);双光路;采用电容式检测器。
这类型废气分析仪在切光片周期性地遮断、打开红外光的过程中,电容量也产生周期性的变化,其变化量正比于被测气体的浓度。将电容变化量通过相应电路检测出来,就可知被测气体的浓度。
这种类型废气分析仪的结构是一种经典型的结构,从60年代起开始在国外应用,国内80年代的汽车废气分析仪采用的就是此项技术(例如MEXA一324E型汽车废气分析仪)。这类废气分析仪的特点如下:技术比较成熟;结构复杂,加工精度要求高;一个检测机构只能测试一种组分;检测器密封性要求高。
多组分、单光路、半导体式废气分析仪
随着半导体材料技术的发展,半导体红外检测器(例如热电堆检测器、热释电检测器)在汽车废气分析仪上得到了广泛应用,其发展趋势将取代前述电容式检测器。这种多组分、单光路、半导体式废气分析仪结构的主要特征是:每一个检测机构可以分析2种或3种组分;单光路;采用半导体检测器。
从光源发出的红外光投射到样品气室,当样气中被测组分(CO,HC)浓度为0%时,没有红外光被吸收,通过滤光片之后到达半导体红外检测器上的红外光能量最强,半导体红外检测器输出信号最大;当样气中被测组分浓度不为0%时,CO和HC气体将分别吸收部分相应波长的红外光能量,使到达其相应半导体红外检测器上的红外光能量减少,输出信号减小通过比较半导体红外检测器输出洁号减小的程度,就可测算出相应的CO,HC气体浓度
光路中的滤光片是一种窄带通滤光片,它仅允许相应于CO(或HC)红外吸收波长的那部分红外光通过,其他波长截止因此,在其后的半导体红外检测器的输出信号只反映某一相应的气体(CO或HC)浓度,从而实现在一个光路中检测多种气体组分的功能
切光片按一定转速旋转,将光源发出的红外光周期性地遮断、打开,使半导体红外检测器输出交变信号,从而使整个机构工作更稳定.灵敏度更高。
此种结构是一种比较光进的结构,从80年代初期开始在国外投人使用,国内也有部分厂家在近年生产出采用上述结构的仪器,其特点如下:结构简单.在一个检测机构上可完成多种组分的检测;可靠性高;在放大及信号处理模块中采用单片计算机技术后,可方便地实现自动调零、线性化、压力补偿、温度补偿、数字显示和通讯等先进功能。

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