CN110487967A - 一种利用空气的NOx传感器在线校正方法及信号采集装置 - Google Patents

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胡明雪
张文文
陈丝雨
范子钰
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Abstract

本发明公开了一种利用空气的NOx传感器在线校正方法，属于氮氧传感器技术领域，主要解决的是现有氮氧传感器校正复杂、效果差的技术问题，所述方法为设置一密闭反应器并使所述密闭反应器内空气中的氮气和氧气化合生成氮氧化物，通过待测传感器实时检测所述氮氧化物浓度得到实测值，根据所述氮氧化物浓度的真实值和实测值得到实测值‑真实值拟合曲线，在实际工作中根据所述实测值‑真实值拟合曲线对所述待测传感器进行校正。本发明还公开了一种利用空气的NOx传感器在线校正信号采集装置。本发明操作简单、校正效果好。

Description

一种利用空气的NOx传感器在线校正方法及信号采集装置
技术领域
本发明涉及氮氧传感器技术领域，更具体地说，它涉及一种利用空气的NOx传感器在线校正方法及信号采集装置。
背景技术
随着汽车保有量的快速增长，汽车带给人们便捷的同时，也因为中国针对汽车工业的法律法规、产业链结构不完善等因素，造成了机动车排放对大气的高度污染。根据国家权威部门发布的数据，中国机动车造成的城市大气污染高达30％以上，机动车排放物中大量的PM、CO、NOx、HC对环境及人体系统造成极大的污染和伤害。
2018年6月28日，生态环境部发布了《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(简称重型车国六标准)。重型车国六融合了欧标和美标的先进之处，并针对我国的实际情况提出了更严格的要求。其中，氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)排放限值和国五相比分别加严了77％和67％。车用智能型氮氧传感器，主要用于柴油机尾气排放尿素后处理系统选择性催化还原系统(缩写SCR)，用于在线测量尾气排放中氮氧化物含量，确定尾气排放是否达标，控制催化还原剂尿素的喷射量。N0x传感器SCR中的最关键部件之一，在国IV、国V、京IV、京V阶段应用时的作用为：在发动机运行过程中，实时在线检测发动机排气管尾气的N0x浓度(包括NO和NO2)，以便对N0x排放是否满足法规要求进行检测。
本公司生产出的车用智能型氮氧传感器的使用寿命≥24万公里，约为8-10年。而在实际长时间使用过程中，气敏传感器存在着各种各样的问题，漂移就是其中一个不可忽视且难以避免的问题。传感器漂移指的是，气敏传感器的输出信号在同样的气体氛围下由于环境温湿度差异、自身老化等因素而发生变化的现象。传感器的漂移将会对气体检测精度产生影响，严重的话会产生误报或漏报，因此需要在传感器工作一段时间后进行重新标定或进行漂移补偿。
根据传感器漂移所表现出来的特征，漂移可被分为两类，即短期漂移和长期漂移。短期漂移一般是可逆的。长期漂移相比于短期漂移，则是另外一个概念。它是传感器响应模式在较长使用时间范围内产生的一种缓慢的波动和变化。具体而言，是指传感器阵列的响应图谱相对同一分析对象随时间所产生的变化。引起传感器长期漂移的主要原因有以下几点：①传感器本身老化，进而引起响应基线和灵敏度的变化；②传感器采样过程中非确定性的化学吸附改变了传感器的响应特性；③热机械降解、传感器中毒等因素。
可见，传感器的长期漂移由多方面因素共同决定，且这些因素由于传感器本身特性及其使用状况而千差万别。到目前为止，金属氧化物半导体型传感器都不可避免地会发生漂移，进行漂移补偿一直是气体传感器技术中研究的重点及难点。
对于传感器漂移，主要有两个解决途径，一个是通过在物理、化学、材料以及制造工艺等多个方面实现突破，提高传感器本身的可靠性和稳定性，使之不产生漂移，但这个方向属于材料学范畴且成本太高；另外一个突破方向是，通过研究信号处理算法，对传感器漂移带来的影响进行补偿或者抑制。显然，后者的成本较低且可行性更强。
近年来，许多学者均基于信号处理提出了针对漂移补偿的方法，通常有多成分校正法、自适应校正法、正交信号校正法等。但这些方法大多停留在理论分析上，很难应用于实际使用中对气体传感器的漂移补偿，并且都是在离线的条件下进行分析。而现有的且实际使用中的气体传感器漂移补偿系统装置复杂，而且大都在漂移规律为线性的假设下进行的，传感器漂移问题是个复杂的非线性问题，因此校正效果并不佳。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，本发明的目的一是提供一种操作简单、校正效果好的利用空气的NOx传感器在线校正方法。
本发明的目的二是提供一种操作简单、校正效果好的利用空气的NOx传感器在线校正信号采集装置。
为了实现上述目的一，本发明提供一种利用空气的NOx传感器在线校正方法，设置一密闭反应器并使所述密闭反应器内空气中的氮气和氧气化合生成氮氧化物，通过待测传感器实时检测所述氮氧化物浓度得到实测值，根据所述氮氧化物浓度的真实值和实测值得到实测值-真实值拟合曲线，在实际工作中根据所述实测值-真实值拟合曲线对所述待测传感器进行校正。
作为进一步地改进，得到所述实测值-真实值拟合曲线具体包括以下步骤：
S1.获取所述氮氧化物浓度在各化合时间点所对应的实测值和真实值(xi,yi)，1≤i≤k；
S2.设定m阶多项式进行拟合：
为了使拟合出的近似曲线能尽量反映所给数据的变化趋势，要求偏差平方和最小，即：
得到am···a2、a1、m、b的值，从而得到所述实测值-真实值拟合曲线，其中，xi为第i时间点对应的实测值，yi为第i时间点对应的真实值，k为化合时间点的总数，min为最小值。
进一步地，将所述实测值-真实值拟合曲线存入ECU的存储单元，所述ECU根据所述待测传感器实际工作中的实测值查询所述实测值-真实值拟合曲线得到实际工作中氮氧化物浓度的真实值。
进一步地，所述密闭反应器内氮氧化物浓度的真实值为通过所述密闭反应器内空气中氮气和氧气的化合时间确定。
进一步地，所述密闭反应器内设有一对放电电极，所述密闭反应器外侧设有连接所述放电电极的电源及高压模块，所述密闭反应器一侧设有用于安装待测传感器的安装孔。
为了实现上述目的二，本发明提供一种利用空气的NOx传感器在线校正信号采集装置，包括密闭反应器，所述密闭反应器内设有一对放电电极，所述密闭反应器外侧设有连接所述放电电极的电源及高压模块，所述密闭反应器一侧设有用于安装待测传感器的安装孔。
作为进一步地改进，所述密闭反应器另一侧设有换气门。
进一步地，所述电源及高压模块与放电电极之间设有控制开关。
有益效果
本发明与现有技术相比，具有的优点为：本发明通过设置一密闭反应器并使密闭反应器内空气中的氮气和氧气化合生成氮氧化物，通过待测传感器实时检测氮氧化物浓度得到实测值，根据氮氧化物浓度的真实值和实测值得到实测值-真实值拟合曲线，在实际工作中根据实测值-真实值拟合曲线对待测传感器进行校正，与传统气体传感器漂移补偿系统的复杂装置相比，本发明的密闭反应器结构简单，原料为空气，降低了成本及工艺难度，且环保，算法设计不停留在理论分析上，具有实际应用价值，并且不是离线的对几个离散点的漂移补偿，而是充分考虑到传感器漂移的非线性，利用空气对NOx传感器全量程在线漂移进行校正，操作简单、校正效果好。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的密闭反应器中NOx浓度与通电时间的关系曲线图；
图3为本发明的密闭反应器中NOx浓度真实值与待测传感器实测值的关系曲线图。
其中：1-密闭反应器、2-待测传感器、3-放电电极、4-电源及高压模块、5-换气门、6-控制开关、7-电弧。
具体实施方式
下面结合附图中的具体实施例对本发明做进一步的说明。
空气是指地球大气层中的气体混合，因此空气属于混合物，它主要由氮气、氧气、稀有气体(氦、氖、氩、氪、氙、氡)，二氧化碳以及其他物质(如水蒸气、杂质等)组合而成。其中氮气的体积分数约为78％，氧气的体积分数约为21％。实验证明，空气中恒定组成部分的含量百分比，在离地面100km高度以内几乎是不变的。因此，一般说来，氮气和氧气的含量是比较固定的，这对于人类和其它动植物的生存是非常重要的，也是本次专利的基础。
氮气，化学式为N2，通常状况下是一种无色无味的气体，而且一般氮气比空气密度小。氮气的化学性质不活泼，常温下很难跟其他物质发生反应，但在高温、高能量条件下可与某些物质发生化学变化，用来制取对人类有用的新物质。在放电条件下,氮气才可以和氧气化合生成氮氧化物，主要通过以下两个反应来进行：
2NO+O2＝2NO2。
参阅图1-3，一种利用空气的NOx传感器在线校正方法，设置一密闭反应器1并使密闭反应器1内空气中的氮气和氧气化合生成氮氧化物，通过待测传感器2实时检测氮氧化物浓度得到实测值，根据氮氧化物浓度的真实值和实测值得到实测值-真实值拟合曲线，在实际工作中根据实测值-真实值拟合曲线对待测传感器2进行校正。
在本实施例中，得到实测值-真实值拟合曲线具体包括以下步骤：
S1.获取所述氮氧化物浓度在各化合时间点所对应的实测值和真实值(xi,yi)，1≤i≤k；
S2.设定m阶多项式进行拟合：
为了使拟合出的近似曲线能尽量反映所给数据的变化趋势，要求偏差平方和最小，即：
得到am···a2、a1、m、b的值，从而得到所述实测值-真实值拟合曲线，实测值-真实值拟合曲线为真实值与实测值之间的映射关系，其中，xi为第i时间点对应的实测值，yi为第i时间点对应的真实值，k为化合时间点的总数，min为最小值。
将实测值-真实值拟合曲线存入ECU的存储单元，ECU根据待测传感器2实际工作中的实测值查询实测值-真实值拟合曲线得到实际工作中氮氧化物浓度的真实值，实现NOx传感器全量程在线漂移校正。密闭反应器1内氮氧化物浓度的真实值为通过密闭反应器1内空气中氮气和氧气的化合时间确定，即利用化学反正方程式和实验可以确定反应器1中实际存在的NOx浓度。
一种利用空气的NOx传感器在线校正信号采集装置，包括密闭反应器1，密闭反应器1内设有一对放电电极3，放电电极3之间用于放电产生电弧7。电弧7中心温度可达1000℃以上，这种条件下空气中的N2和O2会开始发生化学反应生成NOx。通过化学方程式以及实验可以定量确定生成的NOx含量。如图2所示为密闭反应器1中NOx浓度与通电时间的关系曲线图，通过控制通电时间来控制空气中的N2和O2发生化学反应的时间，从而间接控制生成的NOx浓度含量。密闭反应器1外侧设有连接放电电极3的电源及高压模块4，密闭反应器1一侧设有用于安装待测传感器2的安装孔，待测传感器2安装好后保证气密性。密闭反应器1另一侧设有换气门5，换气门5打开后可以得到新的空气。电源及高压模块4与放电电极3之间设有控制开关6，方便控制放电电极3的放电时间。关于电弧，当电源提供较大功率的电能时，若极间电压不高，如小于100伏，两极间气体或金属蒸气中可持续通过较强的电流，如10～100A，并发出强烈的光辉并产生高温，温度大于1000℃，这就是电弧放电，电弧是一种自持放电现象，能维持相当长的电弧稳定燃烧而不熄灭。在本实施例中，密闭反应器1的容积为1L，电源及高压模块4为3～6V直流电源和高压模块，可在输出端得到1万伏的直流高压，设置电弧间的距离10～20mm，通电产生电弧，促使化学反应的进行。本装置结构简单，价格低廉，易于实现。可以依实际情况，每隔一段使用时间后将传感器放入上述装置中做校正。在获取NOx浓度与通电时间的关系曲线图时，可以使用标准氮氧传感器安装在密闭反应器1的安装孔上，然后给放电电极3通电，通过标准氮氧传感器实时检测密闭反应器1内生成的NOx含量，并绘制出上述的NOx浓度与通电时间的关系曲线图。
本发明通过设置一密闭反应器并使密闭反应器内空气中的氮气和氧气化合生成氮氧化物，通过待测传感器实时检测氮氧化物浓度得到实测值，根据氮氧化物浓度的真实值和实测值得到实测值-真实值拟合曲线，在实际工作中根据实测值-真实值拟合曲线对待测传感器进行校正，与传统气体传感器漂移补偿系统的复杂装置相比，本发明的密闭反应器结构简单，原料为空气，降低了成本及工艺难度，且环保，算法设计不停留在理论分析上，具有实际应用价值，并且不是离线的对几个离散点的漂移补偿，而是充分考虑到传感器漂移的非线性，利用空气对NOx传感器全量程在线漂移进行校正，操作简单、校正效果好。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (8)

1.一种利用空气的NOx传感器在线校正方法，其特征在于，设置一密闭反应器(1)并使所述密闭反应器(1)内空气中的氮气和氧气化合生成氮氧化物，通过待测传感器(2)实时检测所述氮氧化物浓度得到实测值，根据所述氮氧化物浓度的真实值和实测值得到实测值-真实值拟合曲线，在实际工作中根据所述实测值-真实值拟合曲线对所述待测传感器(2)进行校正。
2.根据权利要求1所述的一种利用空气的NOx传感器在线校正方法，其特征在于，得到所述实测值-真实值拟合曲线具体包括以下步骤：
S1.获取所述氮氧化物浓度在各化合时间点所对应的实测值和真实值(xi,yi)，1≤i≤k；
S2.设定m阶多项式进行拟合：
为了使拟合出的近似曲线能尽量反映所给数据的变化趋势，要求偏差平方和最小，即：
得到am···a2、a1、m、b的值，从而得到所述实测值-真实值拟合曲线，其中，xi为第i时间点对应的实测值，yi为第i时间点对应的真实值，k为化合时间点的总数，min为最小值。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用空气的NOx传感器在线校正方法，其特征在于，将所述实测值-真实值拟合曲线存入ECU的存储单元，所述ECU根据所述待测传感器(2)实际工作中的实测值查询所述实测值-真实值拟合曲线得到实际工作中氮氧化物浓度的真实值。
4.根据权利要求1所述的一种利用空气的NOx传感器在线校正方法，其特征在于，所述密闭反应器(1)内氮氧化物浓度的真实值为通过所述密闭反应器(1)内空气中氮气和氧气的化合时间确定。
5.根据权利要求1所述的一种利用空气的NOx传感器在线校正方法，其特征在于，所述密闭反应器(1)内设有一对放电电极(3)，所述密闭反应器(1)外侧设有连接所述放电电极(3)的电源及高压模块(4)，所述密闭反应器(1)一侧设有用于安装待测传感器(2)的安装孔。
6.一种利用空气的NOx传感器在线校正信号采集装置，其特征在于，包括密闭反应器(1)，所述密闭反应器(1)内设有一对放电电极(3)，所述密闭反应器(1)外侧设有连接所述放电电极(3)的电源及高压模块(4)，所述密闭反应器(1)一侧设有用于安装待测传感器(2)的安装孔。
7.根据权利要求6所述的一种利用空气的NOx传感器在线校正信号采集装置，其特征在于，所述密闭反应器(1)另一侧设有换气门(5)。
8.根据权利要求6所述的一种利用空气的NOx传感器在线校正信号采集装置，其特征在于，所述电源及高压模块(4)与放电电极(3)之间设有控制开关(6)。
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