CN108318563A - 一种制氧机用氧浓度检测传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制氧机用氧浓度检测传感器，包括透氧层、设置在透氧层下表面的绝缘层、设置在绝缘层下表面的加热器层、设置在透氧层和绝缘层之间的空腔以及设置在透氧层和绝缘层之间的扩散障通道层；透氧层的上方设有外电极和外电极引脚，透氧层的下方设有内电极和内电极引脚，外电极和内电极相对形成泵氧对电极；加热器层内置加热器，加热器具有引线脚；内电极设置在空腔内；扩散障通道层的一端与外部被测气氛相通，另一端与空腔相通。本发明结构简单，采用加热电路内置的方式，缩短传感器的启动时间，陶瓷基的透氧特性、耐高温及耐腐蚀特性综合利用；且氧浓度的检测不受被测气体温度及流量等环境因素的影响。
Description
技术领域
本发明涉及高氧浓度检测传感器，特别涉及一种制氧机用氧浓度检测传感器。
背景技术
现有的制氧机氧浓度检测传感器主要有超声波传感器、氧化锆基传感器和电化学传感器三种类型，其中超声波型氧传感器只能对二元组分的气体氧浓度进行检测，氧浓度检测上限只有95％，且受被检测气体湿度、温度影响较大；电化学氧传感器需要经常校准也易受被检测气体温度影响，使用寿命偏短；现有的氧化锆基氧传感器容易受气体流量影响，需要取样检测，不能对被测气体中的氧浓度进行直接检测，且采用电炉丝加热寿命有限，且该类型传感器不能完全连续监测，通过旁路分流，脉冲式监测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种以陶瓷固体电解质为透氧层，以氧化铝为基体的制氧机用氧浓度检测传感器。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种制氧机用氧浓度检测传感器，所述传感器包括：
一透氧层，透氧层的上表面设有外电极和外电极引脚，透氧层的下表面设有内电极和内电极引脚，外电极和内电极相对形成泵氧对电极；
一设置在透氧层下方的绝缘层；
一设置在绝缘层下方的加热器层，加热器层内置加热器，加热器具有引线脚；
一设置在透氧层和绝缘层之间的空腔，内电极设置在空腔内；
一设置在透氧层和绝缘层之间的扩散障通道层，扩散障通道层的一端与外部被测气氛相通，另一端与空腔相通。
在本发明的一个实施例中，所述透氧层为固体电解质透氧层，由5-8％mol钇稳定氧化锆制成，其厚度为100-500μm。
在本发明的一个实施例中，所述绝缘层由致密Al2O3陶瓷材料制成，其厚度为5-500μm。
在本发明的一个实施例中，所述加热器层由致密Al2O3陶瓷材料制成，其厚度为10-500μm。
在本发明的一个实施例中，所述外电极与内电极均为多孔Pt电极，其厚度为10-20μm。
在本发明的一个实施例中，所述加热器为Pt加热电路，其厚度为15-30μm。
在本发明的一个实施例中，所述扩散障通道层由多孔氧化铝或氧化锆陶瓷材料制成。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明采用冷端采样与高温检测相结合的方式，检测氧气浓度时不受被测气氛温度、湿度、流量的影响，氧气浓度检测上限更高，不需要取样检测；采用复合陶瓷基及加热器内置结构，传感器启动时间短，陶瓷基传感器耐腐蚀性强，寿命长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明传感器的整体爆炸图；
图2为本发明传感器的截面图；
图3为本发明传感器的响应曲线图；
图4为本发明传感器的泵氧电流与O2浓度关系曲线图；
图中数字和字母所表示的相应部件名称：
10、透氧层 11、外电极 12、外电极引脚 13、内电极 14、内电极引脚 20、绝缘层30、加热器层 31、加热器 32、引线脚 40、空腔 50、扩散障通道层。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图1和图2所示，本发明公开了一种制氧机用氧浓度检测传感器，传感器包括透氧层10、设置在透氧层下方的绝缘层20、设置在绝缘层下方的加热器层30、设置在透氧层和绝缘层之间的空腔40以及设置在透氧层和绝缘层之间的扩散障通道层50。
透氧层10的上表面设有外电极11和外电极引脚12，透氧层10的下表面设有内电极13和内电极引脚14，此内电极13还设置在空腔40内；外电极11和内电极13相对形成泵氧对电极，外电极11与内电极13均为多孔Pt电极，其厚度为10-20μm；透氧层10为固体电解质透氧层，由5-8％mol钇稳定氧化锆制成，其厚度为100-500μm。
绝缘层20由致密Al2O3陶瓷材料制成，其厚度为5-500μm。
加热器层30内置加热器31，加热器31具有引线脚32；加热器层30由致密Al2O3陶瓷材料制成，其厚度为10-500μm，加热器31为Pt加热电路，其厚度为15-30μm。
扩散障通道层50的一端(冷端)与外部被测气氛相通，另一端(热端)与空腔40相通；热端位于加热器31的上方，远离采样冷端，热端不受气流影响；扩散障通道层50由多孔氧化铝或氧化锆陶瓷材料制成。
本发明的工作原理如下：
工作时在加热器31的引线脚32两端施加一定值的加热电压，使传感器敏感层达到400-1000℃工作温度；氧传感器敏感层由外电极11、透氧层10和内电极13构成；多孔氧化铝或氧化锆陶瓷构成了被测氧气扩散的扩散障通道层50；传感器工作时在外电极引脚12与内电极引脚14之间施加0-2.0V的泵氧电压，同时检测泵氧电流Ip；
Ip＝C·S/L·(Po2′-Po2＂)
C:扩散常数；
S:扩散障通道层的横截面积；
L:扩散障通道层的长度；
Po2′：被测氧气分压；
Po2＂：空腔内部的氧气分压，Po2＂在泵氧电流达到平台时维持在趋向于零。
根据上述关系：泵氧电流Ip的平台值与被测气氛中的氧分压Po2成正比关系，即一个特定的Po2成对应一定的泵氧电流Ip值，通过泵氧电流Ip值大小计算O2浓度。
如图3所示为本发明传感器的冷启动曲线图，传感器分别在8V、10V和12V加热电压，0.8V泵氧电压条件下，空气中泵氧电流Ip达到稳定平台所需要的时间分别为12.5s、8.5s、6.5s、从图中可以看出本发明传感器启动迅速；如图4所示，为O2浓度与泵氧电流Ip的关系曲线图，当O2浓度为21％、92％和99.999％时，平台电流分别为9.5μA、106μA和480μA，特性的O2浓度对应一定的平台电流，传感器可以实现O2浓度的在线检测。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种制氧机用氧浓度检测传感器，其特征在于，所述传感器包括：
一透氧层，透氧层的上表面设有外电极和外电极引脚，透氧层的下表面设有内电极和内电极引脚，外电极和内电极相对形成泵氧对电极；
一设置在透氧层下方的绝缘层；
一设置在绝缘层下方的加热器层，加热器层内置加热器，加热器具有引线脚；
一设置在透氧层和绝缘层之间的空腔，内电极设置在空腔内；
一设置在透氧层和绝缘层之间的扩散障通道层，扩散障通道层的一端与外部被测气氛相通，另一端与空腔相通。
2.根据权利要求1所述的制氧机用氧浓度检测传感器，其特征在于，所述透氧层为固体电解质透氧层，由5-8％mol钇稳定氧化锆制成，其厚度为100-500μm。
3.根据权利要求1所述的制氧机用氧浓度检测传感器，其特征在于，所述绝缘层由致密Al2O3陶瓷材料制成，其厚度为5-500μm。
4.根据权利要求1所述的制氧机用氧浓度检测传感器，其特征在于，所述加热器层由致密Al2O3陶瓷材料制成，其厚度为10-500μm。
5.根据权利要求1所述的制氧机用氧浓度检测传感器，其特征在于，所述外电极与内电极均为多孔Pt电极，其厚度为10-20μm。
6.根据权利要求1所述的制氧机用氧浓度检测传感器，其特征在于，所述加热器为Pt加热电路，其厚度为15-30μm。
7.根据权利要求1所述的制氧机用氧浓度检测传感器，其特征在于，所述扩散障通道层由多孔氧化铝或氧化锆陶瓷材料制成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |