透射式烟度计光通道有效长度测量方法

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透射式烟度计光通道有效长度测量方法
邱长缨
（佛山市南华仪器股份有限公司,广东 佛山 528251）
摘　要：本文介绍了三种透射式烟度计光通道有效长度测量方法，并通过实际试验进行分析比较，得出各种方法的优缺点。

试验结果表明，稳态比较法是最优的光通道有效长度测量方法。

关键词：机动车排放检测；透射式烟度计；光通道有效长度；吸收比；光吸收系数
0　前言
近年来车辆排气污染已成为主要的城市空气污染，国家对机动车排放要求也越来越严格。

我国于2018年发布了GB36886、GB3847等标准，对柴油发动机排气污染物的检测限值已大大降低，透射式烟度计已成为柴油机动车排放检测不可缺少的仪器。

其中光通道有效长度是一项非常重要的参数，它直接影响测量的准确性。

因此光通道有效长度测量已成为透射式烟度计研发及认证过程中重要的一环。

1　透射式烟度计测量原理
见图1，烟气由进气口进入测量室，然后分成左右两部分，再经左右风帘出口排出外部。

风帘减少烟气对透镜地污染。

发光二极管发出的光通过左透镜、测量室、右透镜，汇聚于光电转换器上。

烟气浓度量越高，光衰减越大，光电转换器的电信号就越弱，烟气对环境的
污染程度越大。

图1　透射式烟度计的测量原理
光源发出的光穿过充满烟气测量区到达光接收器的传输百分比定义为透射比τ。

%1000
×ΦΦ=
τ （1）
式中：
Φ——穿过烟气的测量区到达接收器上的光通量，单位：lm；0Φ——穿过干净空气的测量区到达接收器上的光通量，单位：
lm。

光穿过充满烟气的测量区到达接收器的光传输衰减率定义为吸收比N。

1N τ=− （2）
不同厂家仪器，烟气通过的测量有效区域的长度是不同的，所测得的N 值也是不同的。

为便于比较，引入光吸收系数k（Beer-Lambert 定律确定的系数），用以衡量烟气地污染程度，单位：m -1。

()()11ln ln 1k N L L
τ=−=−− （3）
式中：
L——光通道有效长度。

指光束通过被测烟气区域的有效长度，单位：m。

可见，光吸收系数已经去除了测量区域长度的影响，不同厂家仪器的测量结果都可以进行比较，因此GB3847将k 规定为排放检测的
判定数据。

由（3）式可见，L 的准确性对k 的计算至关重要。

见图1，如果测量室左右两侧没有保护风帘，则L 可以认为是两端透镜面的距离。

但由于保护风帘的存在，使实际的L 小于这个距离，须进行测定。

2　光通道有效长度的测量原理
目前光通道有效长度的测量主要是通过比较方法来实现的，其原理是：如果有两个烟度计，一个是未知光通道有效长度的被测烟度计1，另一个是已知光通道有效长度的参比烟度计2。

将相同浓度的烟气通入两台仪器。

烟度计1测量的光吸收系数：
1)
11ln(1L N k −−
= （4）烟度计2测量的光吸收系数：
2
)
21ln(2L N k −−
= （5）
由于两台烟度计都是测量同一种烟气，因此应有：
21k k = （6）
将（4）和（5）代入（6）式，则被测烟度计1的光通道有效长度：
)
21ln()
11ln(21N N L L −−×
= （7）
3　光通道有效长度的测量方法
根据以上原理，光通道有效长度的测量主要有自比较，以及与其它透射式烟度计比较两种方法。

下面通过对本公司的NHT-6透射式烟度计（光通道有效长度为215mm）进行试验，介绍各种光通道有效长度的测量方法。

3.1　自比较方法
此方法是通过比较被测烟度计结构更改前后的测量结果，从而得出被测烟度计的光通道有效长度。

3.1.1　试验方法
图2　自比较方法数据变化过程
（1）测量光通道两透镜面的距离L2。

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（2）将稳定浓度的烟气通入被测烟度计，待读数稳定后记录吸收比示值N1。

（3）然后迅速使风帘风扇停止。

使风帘出口处瞬间充满烟气。

烟度计的示值将迅速上升，然后进入稳定状态（见图2），记录吸收比示值N2。

按式（7）计算L1。

3.1.2　数据分析
由试验数据（表1）可见，此方法每次测量的L1变化较大，这是由于被测烟度计存在关闭风帘风扇的过程，风帘风扇停止后，两侧透镜直接受烟气污染，测量数据很不稳定。

从不稳定信号中识别有效的数据段，主观因素的影响较大，数据准确性差、可信度低。

当烟气压力过大时，甚至没有明显数据变化过程，须重复多次试验，因此成功率较低。

此方法只需使用一台烟度计，但要改装仪器，操作过程复杂。

表
1　自比较方法试验数据（L2=278mm）
3.2　与其它烟度计比较的方法
具体方法有如下两种：3.2.1　稳态比较法
此方法是通过同时比较被测烟度计与参比烟度计（已知光通道有效长度）的测量结果，从而得出被测烟度计的光通道有效长度。

（1）试验方法：
1）测量或确认参比烟度计的光通道有效长度L2。

2）将稳定浓度的烟气同时通入两台烟度计，待示值稳定后，同时记录被测烟度计的吸收比N1、参比烟度计吸收比N2。

按式（7）计算L1。

（2）数据分析。

使用AVL 公司的AVL439（L2=430mm）作为参比烟度计进行本试验。

由试验数据（表2）可见，每次测量的L1变化较少，这是由于被测烟度计没有关闭风帘的过程，两侧透镜有风帘保护，没有受烟气污染，测量数据稳定性、准确性好，可信度高。

另外，此方法无须改装仪器，操作过程简单。

但须使用两台烟度计，参比烟度计的光通道有效长度必须是准确的。

表
2　稳态比较法试验数据
3.2.2　瞬态比较法
此方法是在稳态比较法的基础上演变而来，但参比烟度计是由相同型号的烟度计改装而来，每次试验的时间较短。

（1）试验方法：
1）使用相同厂家型号的两台烟度计进行比较试验，一台作为被测烟度计，另一台进行改装作为参比烟度计（见图1）。

参比烟度计在测量烟室两端出口与透镜之间各安装一个玻璃固定架，用于挡住风帘进入，使烟气可完全充满两个玻璃固定架之间的空间。

测量两个玻璃固定架玻璃面之间的距离作为参比烟度计的光通道有效长度L2。

2）对两台烟度计同时进行自由加速试验，烟气同时进入两台烟度计，记录被测烟度计吸收比峰值N1、参比烟度计吸收比峰值N2。

按式（7）计算L1。

（2）数据分析。

使用两台本公司的NHT-6进行试验，一台改装为参比烟度计（L2=210mm）。

由试验数据（表3）可见，此方法每次测量的L1变化不大，准确性比稳态比较法稍差，主要原因是参比烟度计两侧固定架上的玻璃直接受到烟气的污染，重复试验须清洁两端玻璃表面，但由于记录数据是峰值，受烟气污染的影响比自比较法要少，因此准确性和稳定性稍好，操作简单。

但要求使用两台相同厂家相同型号的烟度计，使测量特性基本相同（例如：响应时间等）。

参比烟度计两个玻璃固定架之间的距离应接近实际的光通道有效长度（210~220mm），从而使两台烟度计的物理响应时间基本相同，提高L1的准确性。

表
3　瞬态比较法试验数据
4　结束语
通过三种光通道有效长度测量方法的比较，可以看出各有优缺点。

但从稳定性、准确性、可操作性等方面综合比较，稳态比较法最优，瞬态比较法次之，自比较法最差。

在具备已知光通道有效长度的烟度计的情况下，应优先选用稳态比较法，否则可以选用瞬态比较法，而自比较法则不建议采用。

参考文献：
[1]JJG 976-2010 透射式烟度计[S].北京：国家质量监督检验检疫总局,2010.
[2]JJF 1482-2014 透射式烟度计型式评价大纲[S].北京：国家质量监督检验检疫总局,2014.
[3]GB 3847-2018 柴油车污染物排放限值及测量方法（自由加速及加载减速法）[S].北京：生态环境部、国家市场监督管理总局,2018.[4]ISO 11614:1999(E)[S].1999.
[5]AVL 439 Opacimeter Operating Manual[Z].Austria:2006.作者简介：邱长缨（1972-）,男,广东佛山人,本科,电子工程师,主要从事机动车检测设备及环境监测设备研发。

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如此，他们就大大减少工作量，提高了技能。

参考文献：
[1]王进明.产品模块化设计中接口信息模型研究[J].农业机械学报,2018(09):226-229.[2]张艳亮.模块化设计理论及在客车车身设计中的应用研究[J].汽车电器,2018(10):7-8.
[3]潘将.在电气设计中如何减少大型客车的自燃隐患[J].汽车电器,2018(04):22-23.
[4]谈梁.基于广义模块化的产品族规划设计研究[J].现代制造工程,2018(12):93-98.。