CN101281162B - 变频型氧传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可将敏感电池片和氧泵片组合在一起将氧浓度的测量变换成对时间t测量的新型无孔变频型氧传感器。其包括敏感电池片、氧泵片和玻璃密封釉，其中：玻璃密封釉是具有通孔的筒体；玻璃密封釉一端的沿口连接有敏感电池片；玻璃密封釉另一端的沿口连接有氧泵片；敏感电池片、氧泵片和玻璃密封釉围成一个密闭的空气腔；敏感电池片的内表面均布有敏感电池片内电极；敏感电池片的外表面均布有敏感电池片外电极；氧泵片内表面均布有氧泵片内电极；氧泵片外表面均布有氧泵片外电极。山于其测量方法新颖并且工艺简单，很容易实现工业化大规模生产，具有广泛的适用性。

Description

变频型氧传感器

技术领域

本发明涉及一种用于测量环境中氧气浓度的传感器，尤其涉及变频型氧传感器。

背景技术

氧浓度的测量和控制在各种产业领域都有着重要的作用，人们利用YSZ固体电解质具有良好的氧离子导电特性用来制作浓差电压型、界限电流型氧传感器。其中界限电流型氧传感器由于具有测量精度高、无需参考气体的特点而得到广泛的应用。目前组成界限电流型氧传感器的工作机理有小孔扩散型、多孔扩散型以及致密扩散障碍层型等。但是这几种传感器也都存在着某些缺点和不足，如小孔型界限电流氧传感器长时间使用易使小孔堵塞变形，多孔型界限电流氧传感器的孔隙率难于控制，传感器一致性较差，并且长时间使用多孔的孔隙透气性也会发生变化，致密扩散障碍层型也存在着对温度过于敏感的不足，这些均会造成传感器的测试精度大幅下降；并且上述传感器均建立在对电信号的测量基础上实现对氧浓度的间接测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供提出一种可将敏感电池片和氧泵片组合在一起将氧浓度的测量变换成对时间t测量的新型无孔变频型氧传感器。该传感器具有宽范围检测、工艺简单和成本低廉的优点。

本发明主要由敏感电池片、氧泵片、玻璃密封釉及电路四部分构成。其中敏感电池片和氧泵片均为Y₂O₃稳定的ZrO₂固体电解质陶瓷片，在其两面采用丝网印刷方式制备有内外Pt电极及其引线。然后用高温玻璃密封釉沿敏感电池、氧泵的陶瓷片的周边密封成微小的密闭空气腔。通过稳恒电流源给氧泵片施加大小恒定、方向交变的电流，实现敏感电池片内外浓差电压在E₁至E₂范围的交替变化，通过时间测量仪测得敏感电池片内外浓差电压在E₁至E₂范围变化的时间t，实现对被测气体氧分压P₁的测量。

本发明所采用的技术方案为：变频型氧传感器，包括敏感电池片、氧泵片和玻璃密封釉，其中：玻璃密封釉是具有通孔的筒体；玻璃密封釉一端的沿口连接有敏感电池片；玻璃密封釉另一端的沿口连接有氧泵片；敏感电池片、氧泵片和玻璃密封釉围成一个密闭的空气腔；敏感电池片的内表面均布有敏感电池片内电极；敏感电池片的外表面均布有敏感电池片外电极；氧泵片内表面均布有氧泵片内电极；氧泵片外表面均布有氧泵片外电极。

为优化本技术方案所采取的技术措施还包括：敏感电池片内电极和氧泵片内电极经导线并联，还相连接有时间测量仪一端，时间测量仪另一端连接敏感电池片外电极；时间测量仪一端还连接有稳恒电流源；稳恒电流源的另一端连接氧泵片外电极。

敏感电池片内电极还相连接有时间测量仪一端，时间测量仪另一端连接敏感电池片外电极；氧泵片内电极还连接有稳恒电流源；氧泵片外连接有电极稳恒电流源的另一端。

敏感电池片是Y₂O₃稳定的ZrO₂固体电解质陶瓷片；敏感电池片的Y₂O₃摩尔含量为7％至10％；敏感电池片的厚度为0.2mm至1mm。

敏感电池片外电极材料为金属Pt，并且烧结温度为850℃至1250℃。

氧泵片是Y₂O₃稳定的ZrO₂固体电解质陶瓷片；氧泵片的Y₂O₃摩尔含量为7％至10％；氧泵片的厚度为0.2mm至1mm。

氧泵片内电极材料为金属Pt，并且烧结温度为850℃至1250℃。

玻璃密封釉的处理温度为750℃至1000℃。

本发明电流型氧传感器具有高温400℃至700℃下工作信号稳定、可检测氧气浓度范围为0.1％至99％的优点。另外，由于其测量方法新颖并且工艺简单，很容易实现工业化大规模生产，具有广泛的适用性。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构图；

图2是本发明实施例1、2氧分压-电压-电流周期变化图；

图3是本发明实施例1、2时间t与被测氧分压的关系曲线；

图4是本发明实施例2的结构图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

图标号说明：敏感电池片1、氧泵片2、空气腔3、玻璃密封釉4、稳恒电流源5、时间测量仪6、敏感电池片外电极7、敏感电池片内电极8、氧泵片内电极9、氧泵片外电极10、电极引线11。

图1是本发明实施例1的结构图；图2是本发明实施例1、2氧分压-电压电流周期变化图；图3是本发明实施例1、2时间t与被测氧分压的关系曲线；图4是本发明实施例2的结构图。

实施例1：变频型氧传感器，包括敏感电池片、氧泵片和玻璃密封釉，其中：玻璃密封釉是具有通孔的筒体；玻璃密封釉一端的沿口连接有敏感电池片；玻璃密封釉另一端的沿口连接有氧泵片；敏感电池片、氧泵片和玻璃密封釉围成一个密闭的空气腔；敏感电池片的内表面均布有敏感电池片内电极；敏感电池片的外表面均布有敏感电池片外电极；氧泵片内表面均布有氧泵片内电极；氧泵片外表面均布有氧泵片外电极。

敏感电池片内电极和氧泵片内电极经导线并联，还相连接有时间测量仪一端，时间测量仪另一端连接敏感电池片外电极；时间测量仪一端还连接有稳恒电流源；稳恒电流源的另一端连接氧泵片外电极。

敏感电池片是Y₂O₃稳定的ZrO₂固体电解质陶瓷片；敏感电池片的Y₂O₃摩尔含量为7％至10％；敏感电池片的厚度为0.2mm至1mm。

敏感电池片外电极材料为金属Pt，并且烧结温度为850℃至1250℃。

氧泵片是Y₂O₃稳定的ZrO₂固体电解质陶瓷片；氧泵片的Y₂O₃摩尔含量为7％至10％；氧泵片的厚度为0.2mm至1mm。

氧泵片内电极材料为金属Pt，并且烧结温度为850℃至1250℃。

玻璃密封釉的处理温度为750℃至1000℃。

实施例2：变频型氧传感器，包括敏感电池片、氧泵片和玻璃密封釉，其中：玻璃密封釉是具有通孔的筒体；玻璃密封釉一端的沿口连接有敏感电池片；玻璃密封釉另一端的沿口连接有氧泵片；敏感电池片、氧泵片和玻璃密封釉围成一个密闭的空气腔；敏感电池片的内表面均布有敏感电池片内电极；敏感电池片的外表面均布有敏感电池片外电极；氧泵片内表面均布有氧泵片内电极；氧泵片外表面均布有氧泵片外电极。

敏感电池片内电极还相连接有时间测量仪一端，时间测量仪另一端连接敏感电池片外电极；氧泵片内电极还连接有稳恒电流源；稳恒电流源的另一端连接氧泵片外电极。

敏感电池片是Y₂O₃稳定的ZrO₂固体电解质陶瓷片；敏感电池片的Y₂O₃摩尔含量为7％至10％；敏感电池片的厚度为0.2mm至1mm。

敏感电池片外电极材料为金属Pt，并且烧结温度为850℃至1250℃。

氧泵片是Y₂O₃稳定的ZrO₂固体电解质陶瓷片；氧泵片的Y₂O₃摩尔含量为7％至10％；氧泵片的厚度为0.2mm至1mm。

氧泵片内电极材料为金属Pt，并且烧结温度为850℃至1250℃。

玻璃密封釉的处理温度为750℃至1000℃。

其具体的测氧原理为：保持传感器工作温度T，先通过稳恒电流源5对氧泵片2施加恒定的由氧泵片外电极10流向氧泵片内电极9方向的泵氧电流I，促使在氧泵片内电极9测发生如下的电化学反应：

O₂+4e^-→2O^2-

将空气腔3中的氧气变为氧离子，并在电场驱动下通过氧泵片2由氧泵片内电极9侧向氧泵片外电极10侧漂移，并在氧泵片外电极10测发生如下的电化学反应：

2O^2-→O₂+4e^-

将氧离子还原成氧气，并释放到空气腔外部，将空气腔3内的氧逐步泵出，减少空气腔3内氧分压P₂，增大空气腔3内外氧浓度的差异。根据能斯特方程可使敏感电池片外电极7、敏感电池片内电极8间的浓差电压E不断增大。当达到预定的电压E₂时，在保持大小恒定的条件下翻转泵氧电流方向，即-I，将氧从外界泵进空气腔3内，增加空气腔3内氧分压P₂，缩小空气腔3内外氧浓度的差异，使敏感电池片外电极7、敏感电池片内电极8间的浓差电压E不断减小。当减少到预定的电压E₁时，又将电流在保持大小恒定的条件下再次翻转，如此周而复始，其中t为浓差电压在E₁至E₂范围变化所需的时间，可通过时间测量仪6测得，测试时将电压E₁设为开启计时阈值，E₂为关闭计时阈值。这样空气腔3内氧分压P₂、敏感电池片1内外浓差电压E、氧泵片2泵氧电流I将形成如图2所示的一个周期为t的周期变化。并且这几个参量间以及空气腔3外被测气体氧分压P₁应存在着一定的数学关系，其具体推导如下：

假设在时间t内给氧泵片2施加恒定的由氧泵片外电极10流向氧泵片内电极9方向的泵氧电流I，从腔内向外泵出了n摩尔氧气，使空气腔3内的氧分压由P₂变为P₂′，敏感电池片外电极7、敏感电池片内电极8间的浓差电压由E₁变为E₂。根据法拉第电荷守恒定律，可得：

It＝4nF……………………式1

其中，F为法拉第常数。假设空气腔3内氧气为理想气体，体积为V，则：

$(P_2-P_2^{\′})V=\mathrm{nRT}$ …………………式2

其中，R为气体常数。由式1、式2可得：

$P_2-P_2^{\′}=\frac{\mathrm{ItRT}}{4\mathrm{FV}}$ …………………………式3

根据能斯特方程，由泵氧过程开始状态，其中空气腔3内的氧分压P₂，敏感电池片外电极7、敏感电池片内电极8间的浓差电压E₁；以及，末了状态，其中空气腔3内的氧分压P₂′，敏感电池片外电极7、敏感电池片内电极8间的浓差电压E₂以及腔外被测气体氧分压P₁，可得：

$E_1=-\frac{\mathrm{RT}}{4F}\ln \frac{P_2}{P_1}\⇒\frac{P_2}{P_1}=e^{-\frac{4{\mathrm{FE}}_1}{\mathrm{RT}}}$ …………………式4

$E_2=-\frac{\mathrm{RT}}{4F}\ln \frac{P_2^{\′}}{P_1}\⇒\frac{P_2^{\′}}{P_1}=e^{-\frac{4{\mathrm{FE}}_2}{\mathrm{RT}}}$ …………………式5

由式3、式4、式5可得：

$\frac{P_2-P_2^{\′}}{P_1}=e^{-\frac{4{\mathrm{FE}}_1}{\mathrm{RT}}}-e^{-\frac{4{\mathrm{FE}}_2}{\mathrm{RT}}}=\frac{\mathrm{ItRT}}{4{\mathrm{FVP}}_1}$ …………………式6

∴ $\frac{t}{P_1}=\frac{4\mathrm{FV}}{\mathrm{IRT}}(e^{-\frac{4{\mathrm{FE}}_1}{\mathrm{RT}}}-e^{-\frac{4{\mathrm{FE}}_2}{\mathrm{RT}}})$ …………………式7

当传感器定型后，F、R为常数，T、E1、E2、V、I已知时，由式7可看出，时间t与被测气体氧分压P₁成正比关系。

对于将氧由腔外泵出腔内的过程，由于保持氧泵的电流大小一致，浓差电压的变化范围E₁至E₂也相同，因此，泵进与泵出是一对可逆的过程，此泵进过程的时间与被测气体氧分压也应有式7的关系。

本发明变频型氧传感器在实际工作中需要有专用的发热体加热到400至700℃。

图3所示为此变频型氧传感器在T＝650℃工作温度条件下、施加氧泵的电流I＝20μA，被测气体氧浓度变化范围为0.1至99％时，选取不同E₁至E₂范围的时间t与被测气体氧分压P₁的关系曲线，图中t_out和t_in分别表示将氧气泵出空气腔3外，敏感电池片1内外电极浓差电势由E₁变化到E₂的时间和将氧气泵入空气腔3内，敏感电池片1内外电极浓差电势由E₂变化到E₁的时间，其他类似。

从图3中可以看出：

1、在不同E₁至E₂范围内，时间t与被测氧分压P₁的各项实验数据均呈现出非常好的线性相关关系，与理论推导公式8高度符合；

2、在相同的E₁至E₂范围内，泵进与泵出时间实验数据显示，两种之间相差很小，其与被测氧分压P₁的线性关系也几乎一致，因此在图3上已表现出高度重叠，无法区分。这也证实我们上述理论推断的成立：泵进与泵出是一对可逆的过程。

Claims (8)

1.变频型氧传感器，包括敏感电池片(1)、氧泵片(2)和玻璃密封釉(4)，其特征是：所述的玻璃密封釉(4)是具有通孔的筒体；所述的玻璃密封釉(4)一端的沿口连接有所述的敏感电池片(1)；所述的玻璃密封釉(4)另一端的沿口连接有所述的氧泵片(2)；所述的敏感电池片(1)、氧泵片(2)和玻璃密封釉(4)围成一个密闭的空气腔(3)；所述的敏感电池片(1)的内表面均布有敏感电池片内电极(8)；所述的敏感电池片(1)的外表面均布有敏感电池片外电极(7)；所述的氧泵片(2)内表面均布有氧泵片内电极(9)；所述的氧泵片(2)外表面均布有氧泵片外电极(10)；

所述的敏感电池片内电极(8)和氧泵片内电极(9)经导线(11)并联，还相连接有时间测量仪(6)一端，时间测量仪(6)另一端连接所述的敏感电池片外电极(7)；时间测量仪(6)一端还连接有稳恒电流源(5)；稳恒电流源(5)的另一端连接所述的氧泵片外电极(10)。

2.根据权利要求1所述的变频型氧传感器，其特征是：所述的敏感电池片(1)是Y₂O₃稳定的ZrO₂固体电解质陶瓷片；所述的敏感电池片(1)的Y₂O₃摩尔含量为7％至10％；所述的敏感电池片(1)的厚度为0.2mm至1mm；所述的敏感电池片外电极(7)材料为金属Pt，并且烧结温度为850℃至1250℃。

3.根据权利要求1所述的变频型氧传感器，其特征是：所述的氧泵片(2)是Y₂O₃稳定的ZrO₂固体电解质陶瓷片；所述的氧泵片(2)的Y₂O₃摩尔含量为7％至10％；所述的氧泵片(2)的厚度为0.2mm至1mm；所述的氧泵片内电极(9)材料为金属Pt，并且烧结温度为850℃至1250℃。

4.根据权利要求3所述的变频型氧传感器，其特征是：所述的玻璃密封釉(4)的处理温度为750℃至1000℃。

5.变频型氧传感器，包括敏感电池片(1)、氧泵片(2)和玻璃密封釉(4)，其特征是：所述的玻璃密封釉(4)是具有通孔的筒体；所述的玻璃密封釉(4)一端的沿口连接有所述的敏感电池片(1)；所述的玻璃密封釉(4)另一端的沿口连接有所述的氧泵片(2)；所述的敏感电池片(1)、氧泵片(2)和玻璃密封釉(4)围成一个密闭的空气腔(3)；所述的敏感电池片(1)的内表面均布有敏感电池片内电极(8)；所述的敏感电池片(1)的外表面均布有敏感电池片外电极(7)；所述的氧泵片(2)内表面均布有氧泵片内电极(9)；所述的氧泵片(2)外表面均布有氧泵片外电极(10)；

所述的敏感电池片内电极(8)还相连接有时间测量仪(6)一端，时间测量仪(6)另一端连接所述的敏感电池片外电极(7)；所述的氧泵片内电极(9)还连接有稳恒电流源(5)；稳恒电流源(5)的另一端连接所述的氧泵片外电极(10)。

6.根据权利要求5所述的变频型氧传感器，其特征是：所述的敏感电池片(1)是Y₂O₃稳定的ZrO₂固体电解质陶瓷片；所述的敏感电池片(1)的Y₂O₃摩尔含量为7％至10％；所述的敏感电池片(1)的厚度为0.2mm至1mm；所述的敏感电池片外电极(7)材料为金属Pt，并且烧结温度为850℃至1250℃。

7.根据权利要求5所述的变频型氧传感器，其特征是：所述的氧泵片(2)是Y₂O₃稳定的ZrO₂固体电解质陶瓷片；所述的氧泵片(2)的Y₂O₃摩尔含量为7％至10％；所述的氧泵片(2)的厚度为0.2mm至1mm；所述的氧泵片内电极(9)材料为金属Pt，并且烧结温度为850℃至1250℃。

8.根据权利要求7所述的变频型氧传感器，其特征是：所述的玻璃密封釉(4)的处理温度为750℃至1000℃。

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