基于超声波传感器的汽车尾气流速测量原型设计与性能评估

为解决汽车尾气流速测量中传统侵入式技术精度不足的问题，研究人员开发了双通道超声波流量计原型(PUF)，通过C1/C2采样场景优化和0.2采样率设置，在3-12?m/s流速范围内实现5.43%-6.87%误差率，为非侵入式排放监测提供了新方案。

　　

在汽车工业与环保法规日益严格的背景下，尾气流速测量成为评估排放性能的关键指标。传统热丝风速计(Hot Wire Anemometer, HWA)等侵入式测量技术会干扰流场特性，且难以应对高温、高湿的尾气环境。超声波流量计(Ultrasonic Flowmeter, UF)因其非侵入特性成为理想替代方案，但现有设备在低流速(<3?m/s)时误差显著，且缺乏针对汽车尾气湍流特性的优化设计。

来自巴西塞阿拉州立大学(UECE)能源转换实验室(LCE)的Mona Lisa Moura Oliveira团队，在《Sensors and Actuators A: Physical》发表研究，开发了原型超声波流量计(Prototype Ultrasonic Flowmeter, PUF)。该系统包含超声波读取模块(URM)、控制与数据采集单元(CDAU)和再处理单元(RU)，通过双声学通道设计补偿流场扰动，并创新性地提出C1(20次读数平均)和C2(前5次读数平均)两种采样模式。研究团队在风洞实验室和实车环境下，以3?m/s、6?m/s、9?m/s和12?m/s为基准流速进行测试，同时对比HWA与巴西标准ABNT NBR 15855/2010的符合性。

关键技术包括：1) 基于渡越时间差法的双通道超声波测量；2) 采用0.2采样率(每秒5次)的数据采集策略；3) 针对低流速工况的C1/C2采样模式优化；4) 汽油车尾气实况测试平台搭建。

测试结果揭示：在低于3?m/s流速时，PUF与HWA均出现显著误差(最高达12%)，这与皮托管(Pitot tube)在低压差下的灵敏度局限有关。但在3-12?m/s区间，PUF表现出稳定性能：3?m/s时误差2.92%，12?m/s时降至5.43%，显著优于传统设备。C2采样模式在动态工况下响应更快，而C1模式更适合稳态测量。

结论部分指出：PUF在汽车尾气测量中展现出工程应用潜力，其非侵入特性避免了传统设备的流场干扰问题。研究首次验证了低成本超声波传感器在高温、湍流环境中的可行性，为车载排放监测系统开发提供了新思路。未来工作需进一步优化低流速算法并扩展至柴油车等高污染场景。

该研究由巴西国家科学技术发展委员会(CNPq)和塞阿拉州研究基金会(Funcap)资助，团队成员Francisco Sales Avila Cavalcante强调，该原型机的商业化成本可比现有设备降低60%，对发展中国家机动车排放管控具有特殊价值。