基于扩散荷电法的机动车排放颗粒物数浓度测量系统电子学设计与实验研究

发布时间：2020-03-29 12:05

【摘要】：随着国民经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高,我国的机动车保有量已超过3.25亿辆并持续增长,以机动车为代表的移动源对环境污染的贡献日益凸显,其中机动车排放颗粒物已成为PM2.5的重要来源之一。由于机动车排放颗粒物体积小、重量轻,仅监测颗粒物的质量浓度不足以反映其污染特征,因此我国机动车最新的排放标准还对数浓度的限值作了明确要求。本文开展了基于扩散荷电法的机动车排放颗粒物数浓度测量系统电子学设计与实验研究,完成了微电流测量模块和静态法拉第杯气溶胶静电计的研制与性能评估测试,实现了集扩散荷电、带电量测量及总体数浓度反演于一体的机动车排放颗粒物数浓度测量系统的集成,并开展了反演算法研究以及台架比对测试实验。主要成果如下:(1)基于微电流测量原理,设计了一种高精度宽动态范围且无量程切换的fA级微弱电流测量模块。采用阻抗法搭建1-V转换电路,结合电平转换与高精度AD转换电路实现了fA级微电流的测量,并建立了对应的测量模型与温度效应模型。通过对模型和噪声影响因素的分析,给出了电路中关键器件的选取规则和电路板设计与处理方法。为了研究温度、器件等因素对微电流测量电路性能的影响,搭建了三种不同量程不同灵敏度的微电流测量电路并分别进行了线性校准、零点漂移测试和噪声测试;测试结果表明,线性度分别优于0.25%、0.85%、1.20%;零点漂移的峰峰值分别约为340 fA、45 fA、20 fA;噪声的均方根值分别为3.31 fA、1.01 fA和0.31 fA;动态范围分别为115.6 dB、105.9 dB和96.2 dB。(2)基于静态法拉第杯原理,设计了一种高探测效率的静态法拉第杯气溶胶静电计,建立了带电量测量模型,分析了温度和器件关键参数对测量误差的影响。最后,对该模块进行了流量校准、流量稳定性、零点漂移、探测效率以及比对测试。测试结果表明,当流量设置为2L/min时,采样流量误差小于±0.004L/min;零点漂移电流峰峰值为510 fA;颗粒物探测效率(粒径5nm)优于96.6%;与TSI-3068B进行I小时以上的比对,统计相关性优于0.99,且在均方根噪声(1 fA)相同时量程范围是TSI-3068B的40倍。(3)设计了差分式测量方案,完成基于扩散荷电法的机动车排放颗粒物数浓度测量系统的研制,建立了数浓度反演算法,探索了势阱电压与采样流量对数浓度反演的影响,基于实验开展了算法验证和测量系统标定工作,初步完成了整车台架/PEMS(Portable Emission Measurement System)比对测试实验。结果表明:在重型柴油车和轻型汽油车台架实验中,自研设备与HORBIA的MEXA-2000SPCS的统计相关性分别优于89.3%和73.7%;在轻型汽油车PEMS实验中,自研设备与HORBIA的OBS-ONE和AVL的AVL M.O.V.E的统计相关性分别优于93.6%和90.1%。
【图文】：

北京,颗粒物,超细颗粒物,固体颗粒物

１．２机动车排放颗粒物特征与ＰＭＰ计划逡逑机动车排放的颗粒物中，除了燃料燃烧产生的固体颗粒物外，还存在许多的逡逑半挥发性以及挥发性物质。这类物质随着尾气排出后温度与压力等的变化，凝结逡逑增长为固态或液态颗粒物。研究表明［＆１，不论是排放的固体颗粒物还是由半挥发逡逑性以及挥发性物质凝结增长形成的颗粒物，，大部分为超细颗粒物（粒径＜１００ｎｍ）。逡逑超细颗粒物具有较大的比表面积，它们可吸附更多其他有毒污染物，沉积在呼吸逡逑系统的更深处，需要的清除时间更长，转运到其他器官的概率也更高，具有很高逡逑的生物有效性和毒性因此对人体的危害性比大颗粒物更为严重。逡逑２逡逑

发动机排放

为了促进机动车生产商对技术的革新以降低颗粒物排放，欧洲和美国都制相关的机动车排放标准。我国的机动车排放法规起步较晚，于１９８３年颁布一批机动车尾气污染控制排放标准［１＾。目前，我国的机动车排放标准主要欧洲标准体系。鉴于机动车排放颗粒物粒径小、质量轻，占总体质量浓度比，但占数浓度的比重较大，仅仅测量机动车排放颗粒物的质量浓度己经不足映其对环境污染的影响程度，联合国欧洲经济委员会（ＵＮ－ＥＣＥ）的污染与工作组（ＧＲＰＥ）制订了邋ＰＭＰＣＴｈｅ邋Ｐａｒｔｉｃｌｅ邋Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ邋Ｐｒｏｇｒａｍｍｅ）计划ｍｕ】
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X831

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