CN111220316A - 使用受控泄露原理的耐腐蚀压力传感器设计 - Google Patents

使用受控泄露原理的耐腐蚀压力传感器设计 Download PDF

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Abstract

一种用于测量氨或包括氨或另一种腐蚀性气体的气体混合物的压力的装置，所述装置包括：压力传感器；所述压力传感器的壳体；其中，所述压力传感器包括：膜，所述膜将氨压力空间与非空间隔开并且具有直接暴露于氨的侧面并且能够表现出对氨压力的物理响应；和换能器，其位于所述非压力空间中并且能够将所述膜对所述氨压力的所述物理响应转换为能够传递的压力信号，其中在所述氨压力空间和所述非压力空间之间提供具有第一和第二密封件的双密封结构，其中在所述第一密封件和所述第二密封件之间的中间空间通过出口与所述壳体外部连通。

Description

使用受控泄露原理的耐腐蚀压力传感器设计
技术领域
本发明涉及低成本且耐用的传感器，用于通过确保氨气不能从加压区域(源)泄漏到传感器的、在传感器壳体中的信号处理电子器件所位于的区域中来测量氨气或其他侵蚀性或腐蚀性气体的压力。该装置和方法也可用于其他系统或构思，其中，这些系统或构思需要耐用且低成本地测量腐蚀性气体的浓度或压力。
背景技术
氨是一种具有许多应用的广泛使用的化学品。一种具体的应用是作为还原剂用于选择性催化还原(SCR)来自燃烧过程的废气中的NOX。用于选择性催化还原NOX(SCR)的直接氨气加气提供了比传统AdBlue系统(http://www.amminex.com/Files/Filer/amminex/Johannessen_CTI_conference_SCR_Systems_2010.pdf)具有显著性能优势的措施。涉及固态分子氨的吸附或吸收的氨存储方法可以避免加压液氨的安全危害并且能够将氨用于移动应用。当通过加热的储存材料的热解吸产生气体(例如氨)时，关键是测量释放的氨的压力以使能够反馈给加热控制器。对于汽车领域而言，具有低故障率的耐用硬件以及低成本部件尤为重要，这是因为该领域非常注重价格和质量。
如该文献中所解释的那样，传统的汽车压力传感器用于例如测量汽车流体(例如燃料或
Figure BDA0001923528690000011
)的液压压力，而当应用于氨气时，由于从膜的测量点到传感器电子器件的氨的超低泄漏，因此传统的汽车压力传感器已经显示出耐久性的挑战，从而在现场试验中导致出现传感器故障。
因此，需要一种用于耐用的氨气压力传感器的新型方法和装置，并且本发明解决了这个问题，同时几乎没有增加传统传感器类型的附加成本。
发明内容
本发明涉及一种用于测量氨气压力的低成本且耐用的压力传感器，而同时没有氨通过加压氨源和传感器壳体中的信号转换电子器件之间的密封材料/在所述密封材料周围发生泄漏的风险。即使在远低于与例如气体安全性相关的正常要求的超低的泄漏率下，气体也可能在几个月甚至几年的时间尺度上腐蚀传感器电子器件并且导致传感器故障。本发明使用双密封结构原理，其中，从密封结构之间的区域至周围环境设置有故意放置的孔(通气泄漏)以便以简单和低成本的方式克服该问题。受控泄漏原理(CLP)易于实施，增加的成本非常低，并且已经证明可以解决问题。
总述
通常用陶瓷传感器主体制造用于大排量汽车应用的压力传感器，该传感器主体具有压敏膜，该压敏膜根据膜上的压力“弯曲”。通过传感器元件和紧凑的电子器件，膜的物理响应被转换成信号，通过导线可以将所述信号传输出连接到需要或记录信号的主设备的传感器壳体。例如在汽车领域中使用的传统传感器用于测量汽车流体(例如燃料或
Figure BDA0001923528690000021
)的压力，而这些流体被泵送到使用位置，例如需要一定液压供应压力的喷射器，以便正常地施加剂量。传感器通常使用O形环来密封要安装传感器的流体管线或容器与传感器本身之间的接合部。更重要的是，O形环定位成避免与测量膜接触的汽车流体接触测量膜另一侧上的传感器电子器件。
最近在汽车应用中使用氨已经产生了对低成本氨压力传感器的需求。现场试验表明，用于例如AdBlue系统的传统压力传感器通常与氨相容，但长期现场测试显示出问题，因为从根本上说没有任何东西是100％紧密的：通过O形环/O形环周围的超低氨泄漏并且随后在传感器电子器件附近存在非常低浓度的氨会导致传感器因被腐蚀而随时间失效。已经观察到根据电子器件制造的正常原理进行适当涂覆的PCB(印刷电路板)是这种情况。
为了解决问题进行不同尝试，其包括例如环氧树脂密封以代替O形环以及双O形环(即使单独的O形环比正常的泄漏率要求更紧密几个数量级)。挑战结果是在小型传感器主体和壳体中，即使超低泄漏率也可能最终导致传感器电子器件附近的低浓度但仍然不期望的氨浓度水平，这仅仅是由于运行数月的时间尺度。已经观察到该问题在运行6﹣12个月后出现。
经验证，膜的加压区与参考侧之间的O形环在实现正常泄漏率目标方面很紧密。但是超低泄漏仍然导致在电子器件附近缓慢建立氨浓度，所述电子器件将膜对压力升高的响应转换为传感器信号。
本发明通过所谓的受控泄漏原理(CLP)解决了上述挑战。CLP解决方案简单、低成本，随后的现场测试表明问题已解决。在一些示例中，通常安装有位于陶瓷传感器主体和传感器壳体之间的O形环的传感器经过重新设计能够使用例如串联的双O型环。
提供一种用于测量氨气或者包含氨或任何其他腐蚀性气体的气体混合物的压力的装置。除氨之外的腐蚀性气体的示例是氯化氢、二氧化氮、二氧化硫。该装置包括压力传感器和压力传感器的壳体。压力传感器包括膜，该膜将氨压力空间与非压力空间隔开并且具有直接暴露于氨并且能够表现出对氨压力的物理响应的侧面。压力传感器还包括位于非压力空间中的换能器，该换能器能够将膜对氨压力的物理响应转换成可传输的压力信号。在氨压力空间和非压力空间之间提供双密封结构。双密封结构具有第一和第二密封件，其中第一和第二密封件之间的中间空间通过出口与壳体外部连通。
在一些实施例中，即使应用用于换能器的标准涂层，压力传感器的换能器也易受氨的腐蚀，如上所述。
在一些实施例中，通过在第一和第二密封件之间提供出口，双密封结构确保即使通过第一密封件的氨的超低泄漏也不会在第一和第二密封件之间建立可以使氨通过第二密封件抵达非压力空间的氨的压力或浓度(或包含氨的气体压力或浓度)。
在一些实施例中，第一和第二密封件是两个与氨相容的O形环，其中，与氨的相容性意味着O形环能够承受氨而不会在使用该装置的领域中在预期的浓度下受到损害。
使用两个密封件(例如，两个O形环)的正常好处是甚至更低的泄漏率。然而，本发明并不旨在利用由第二密封件(例如O形环)提供的附加的氨泄漏保护，这是因为在周围环境和两个密封件(例如O形环)间的区域之间的传感器主体中进行受控的泄漏。这提供了可以通过/围绕第一O形环的任何氨的扩散稀释的手段，原因在于周围环境的氨浓度基本为零，所述周围环境现在与密封件(例如O形环)之间的区域流体接触。
因此，产生无限扩散槽以消除氨积聚在第二密封件(例如，O形环)的“清洁侧”上，并且随后没有污染或腐蚀物损坏电子器件。两个密封件(例如O形环)之间的区域将包含正常的环境空气并且任何通过第一O形环泄漏的氨将被稀释到周围环境中。例如实施为O形环的第二密封件用于保持其他正常不需要的物质远离电子器件。
术语“周围环境”并不一定是真正的周围环境。它也可能是对不含腐蚀性气体的不同类型工艺气体的受控泄漏的产物，然后这种工艺气体设置成与两个密封结构之间的区域流体接触，以防止氨或任何其他腐蚀性气体从源或测量点迁移到传感器壳体中的电子器件。
如下面的一些实施例所示，本发明消除了氨干扰压力传感器的问题，并且能够使用在汽车领域中应用氨气的常规传感器技术。压力传感器的寿命可以保持在市场所需的水平。如果重新设计传感器主体/壳体以容纳第二密封件(例如：O形环)保持是简单的，那么增加的孔和第二密封件(例如O形环)材料的成本几乎可以忽略不计。
本发明涉及一种用于气体压力传感器的装置，用以通过借助受控泄漏原理保护传感器电子器件来测量氨或其它侵蚀性/腐蚀性气体的压力或包含氨的气体混合物的压力，其中传感器配备有双重密封结构，所述双重密封结构之间具有中间空间，该中间空间通过出口与壳体外部连通。
可以设想不同的密封环或不同的密封材料作为第一和第二密封结构。这可能与实施为面对腐蚀气体的O形环的密封件与传感器壳体的面向具有传感器电子器件的区域的上部部分不相容的情况相关。
在一些实施例中，出口被制成为穿过壳体壁的一个或者更多孔，其中，总横截面积具有至少1μm、10μm、0.1mm或1mm的等效水力直径(hydraulic diameter)。
实际上，用于受控泄漏的孔的尺寸例如受以下两个因素限制：
﹣最小直径(或水力直径的等效尺寸)：通常受生产方法或机器的限制。小于1微米的孔通常不易制造。与传统制造方法兼容的典型孔尺寸将大于1μm、10μm、0.1mm或1mm。
﹣最大直径(或水力直径的等效尺寸)：装置中可用于在O形环之间形成孔的空间。通常，孔的直径将小于5mm、2.5mm、1mm、0.5mm或0.1mm。
在一个使用示例中，具有正常内部O形环保护的传感器是完全相容的AdBlue；其还以液体形式包含来自尿素分子分解的一些氨。然而，即使暴露于氨气的所有涉及的材料与氨完全相容，将其用于氨气在车辆上运行6﹣9个月之后也会出现现场问题。对传感器的内部结构进行适度修改以使第二O形环与第一O形环相同，并且在这两个环之间，贯穿塑料壳体将直径为1mm的孔制成为两个O形环之间的空隙。在实验室中对这种经过修改的传感器进行了正常的密封性测试后，则将传感器置于现场测试中，一年的初始验证期间没有出现类似传统传感器的故障，现在新的传感器类型具有在使用氨解吸形式的固态存储介质作为NOx还原剂的汽车NOx还原系统上现场运行大约两年的运行时间。
压力传感器例如是用于从废气中还原NOx的系统的必需部分，因为它可以用于控制与氨结合的固体材料的加热以产生可以由传感器测量的解吸压力。
任何金属氨合物盐或相似类型的吸附氨或吸收氨的材料是相关应用示例，其中，本发明的装置和方法特别有用。
在一些实施例中，传感器的换能器的信号的产生基于电容或电感耦合、应变电阻抗弯效应和压阻以及压电效应中的至少一种。
由这种传感器感测由氨压力引起的换能器所在的膜上的应力和变形。
在一些实施例中，换能器包括印刷电路板。印刷电路板可用于转换由例如电感变化、电容变化、压电感应电流或电阻率变化引起的物理(电)信号转换为表示氨压力的数字信号或归一化(normalized)电信号。
在一些实施例中，膜附接到固定装置，并且电子换能器也附接到固定装置。因此，膜相对于固定装置的任何变形可以直接传递到换能器，该换能器也附接到固定装置并且例如也附接到膜上。因此，在一些实施例中，换能器层是对直接施加到膜上的应变或弯曲敏感的材料层。
在一些实施例中，压力传感器是差压传感器。差压传感器测量压力水平的差异，例如，氨压力空间与上述非压力空间中的压力之间的差值。
在一些实施例中，压力传感器是表压传感器(gauge pressure sensor)，其测量压力空间中相对于大气压力的压力。其中，非压力空间具有压力平衡通道，所述压力平衡通道通往所述第二密封件的以及第一和第二密封件之间出口的下游的大气。
实施为方法或装置的本发明特别有利于用于通过稀薄燃烧发动机驱动的柴油车辆或卡车(或需要氨存储的类似应用)的废气中的SCR催化剂来还原NOx的固态氨存储系统。
在一些实施例中，压力传感器是绝对压力传感器。绝对压力传感器通常测量相对于真空压力的氨压力。
此外，提供一种用于从废气中还原NOx的系统，由此提供氨作为NOx还原的添加剂。该系统包括：用于氨的固体存储介质；加热装置，其适于加热固体储存介质以从固体存储介质中解吸气态氨并将解吸的氨供应给用于NOx还原的SCR催化剂(作为催化装置的示例)；以及具有如上所述的压力测量装置的控制器。控制器基于借助压力测量装置对响应于固体存储介质的加热而产生的氨压力进行的压力测量来控制加热装置。
在该系统中，固态氨存储介质的存储材料例如是金属氨络物(metal amminecomplex)，如Sr(NH3)8Cl2、Ca(NH3)8Cl2、Mn(NH3)6Cl2、Mg(NH3)6Cl2、或其混合物。
还提供了一种从贫废气中还原NOx的方法，其中氨作为NOx还原的添加剂。该方法包括：
﹣提供用于氨的固体存储介质；
﹣提供适合加热固体存储介质的加热装置；
﹣如上所述，提供具有压力测量装置的控制器；
﹣用加热装置加热固体存储介质，以从固体存储介质中解吸气态氨，并将解吸的氨供给SCR装置以进行NOx还原；
﹣通过压力测量装置测量响应于固体存储介质的加热而产生的氨气压力；
﹣根据压力测量控制加热装置；
﹣将解吸的氨供应到SCR装置以进行NOx还原。
本发明还设想使用计量的氨通过选择催化还原(SCR)从内燃机废气进行NOx还原。
在需要从固体存储介质中获得受控的气体剂量的类似应用中的方法或实施例的其他特征和用途是所公开的方法中固有的或者对于本领域技术人员来说从以下实施例的详细描述和附图中显而易见。
附图说明
图1示出了连接到气体区域的传统传感器的结构，将针对所述气体区域测量压力；
图2示出了根据受控泄漏原理(CLP)的传感器形式的本发明的实施例；
图3示出了CLP的其他实施例的概况；
图4示出了从传感器壳体的外部看到的CLP的实施例的示意图；
图5示出了用于从废气中还原NOx的实施例系统的示意图，该系统包括根据图1至图4中所示的CLP的传感器；
图6示出了从废气中还原NOx的方法的示意流程图。
具体实施方式
图1示出了传统压力传感器的典型布局。膜片(1)放置在陶瓷的本体或固定装置(3)中或其上，其中，需要传感器/信号电子器件(2)位于壳体(5)中并且通过导线(4)与需要信号的装置(未示出)接触。传感器主体(3)放置在壳体(5)中并具有O形环(6)以避免流体介质与电子器件(2)接触。此外，传感器通常与气体区域(例如容器或流管(7))安装成相互接触。图1以基本上旋转对称的形式绘制，除了电线和气体区域的图示之外。因此，膜通常是盘形的。存在O形环(8)以密封其中传感器安装在流体管线或容器(7)中的区域，但该部分与本发明无关。存在超低泄漏问题的O形环被标记为(6)，并且氨浓度可能在电子器件(2)附近的体积中缓慢积聚。
图2示出了传感器壳体(5)，其具有传感器主体(3)、膜(1)、电子器件(2)、电线(4)和常规使用的O形环(6)以及最后根据本发明的解决方案：第二O形环(9)和通过传感器壳体通往周围环境的受控泄漏部(10)。即使以旋转对称方式绘制，但是泄漏部(10)也不是二维狭缝而是孔。因此，泄漏部(10)仅绘制在图的一侧上。
图3示出了传感器壳体(5)中的相同类型的实施例，但是这里作为实施例的简单变型的示例，示出了具有直径、角度和放置的这三种不同组合的孔。而且，两个O形环的放置不同，仅仅是为了说明对于本发明而言放置O形环的地点并不重要。类似地，通过传感器主体向周围环境提供受控泄漏的孔的尺寸或放置对于实现本发明的效果也不是至关重要的。
图4用于示出作为传感器壳体(5)中的小孔(10)的受控泄漏的放置和从传感器单元上升的电线(4)。
图5示意性地示出了P传感器(P-sensor)(110)，例如，本文所述的压力测量装置，其可位于SCR系统中，其中发动机(17)将排气(19)引导至SCR催化剂(18)并且可以从固体储存系统中加入氨。该系统可以包含一个或多个隔离(20)且由加热元件加热(13、13a、13b)的存储单元【小的(11)或多个大的(14a，14b)】，并且具有中间阀(112e、112f)和计量控制HW，其至少通过P传感器(110)和计量阀(130)起作用，例如，所有这些都由控制器(111)控制。P传感器可能对控制氨的解吸至关重要。可以通过加热一个或多个固体单元产生压力。额外阀门和加热器的数量可取决于存储单元的总数。考虑到本文所述的发明，计量阀和/或P传感器的使用的组合可能是无关紧要的。
图6示出了从贫废气中还原NOx的方法的示意性流程图，其中氨用作NOx还原的添加剂。
在活动S1中，例如，提供用于氨的固体存储介质。在活动S2中，例如，提供适于加热固体存储介质的加热装置。在活动S3中，例如，控制器设置有压力测量装置。在活动S4中，例如，固体存储介质由加热装置加热，以从固体存储介质中解吸气态氨。例如，在活动S5中，通过压力测量装置测量响应于固体存储介质的加热产生的氨气压力。在活动S6中，例如，基于压力测量来控制加热装置。在活动S7中，例如，将解吸的氨供应到SCR装置，用于NOX还原。

Claims (15)

1.一种用于测量氨的或者包括氨或其他腐蚀性气体的气体混合物的压力的压力测量装置，所述压力测量装置包括：
压力传感器；
所述压力传感器的壳体；
其中，所述压力传感器包括：膜，所述膜将氨压力空间与非压力空间隔开并具有直接暴露于氨的侧面，并且所述膜能够表现出对氨压力的物理响应；和换能器，所述换能器位于所述非压力空间中并且能够将所述膜对氨压力的物理响应转换为能够传递的压力信号，其中在所述氨压力空间和所述非压力空间之间提供具有第一密封件和第二密封件的双密封结构，其中所述第一密封件和所述第二密封件之间的中间空间通过出口与壳体外部连通。
2.根据权利要求1所述的压力测量装置，其中所述换能器易受氨的腐蚀。
3.根据权利要求1或2所述的压力测量装置，其中通过在所述第一密封件和第二密封件之间提供所述出口所述双密封结构确保了：即使是通过所述第一密封件的氨的超低泄漏也不会在所述第一密封件和第二密封件之间建立能够使氨通过所述第二密封件抵达所述非压力空间的氨的压力或浓度。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的压力测量装置，其中，所述第一密封件和第二密封件是与氨相容的两个O形环。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的压力测量装置，其中，所述出口制成为穿过所述壳体的壁的一个或多个孔，所述孔的总横截面积具有至少1μm、10μm、0.1mm或1mm的等效水力直径。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的压力测量装置，其中，所述换能器的所述信号的产生基于电容或电感耦合、抗应变电阻抗弯效应和压阻效应以及压电效应中的至少一种。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的压力测量装置，其中，所述换能器包括印刷电路板。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的压力测量装置，其中，所述膜附接到固定装置，并且电子换能器也附接到所述固定装置。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的压力测量装置，其中，所述换能器是对直接施加到所述膜上的应变或弯曲敏感的材料层。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的压力测量装置，其中，所述压力传感器是差压传感器。
11.根据权利要求10所述的压力测量装置，其中，所述压力传感器是表压传感器，所述表压传感器测量所述压力空间中相对于大气压力的压力，并且其中所述非压力空间具有压力平衡通道，所述压力平衡通道在所述第一密封件和第二密封件之间出口的下游并且在第二密封件的下游通入大气。
12.根据权利要求1至7中任一项所述的压力测量装置，其中所述压力传感器是绝对压力传感器。
13.一种用于从贫废气中还原NOx的系统，其中氨作为用于NOx还原的添加剂，所述系统包括：
﹣用于氨的固体存储介质；
﹣加热装置，所述加热装置适于加热所述固体存储介质以从所述固体存储介质中解吸气态氨并将解吸的氨供应至SCR催化装置以进行所述NOx还原；和
﹣控制器，所述控制器具有根据权利要求1至12中任一项所述的压力测量装置，以基于借助于压力测量装置对响应加热所述固体存储介质而产生的氨压力进行的压力测量来控制所述加热装置。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述固态氨存储介质的存储材料是金属氨络物，如Sr(NH3)8Cl2、Ca(NH3)8Cl2、Mn(NH3)6Cl2、Mg(NH3)6Cl2、或其混合物。
15.一种从贫废气中还原NOx的方法，其中氨作为用于NOx还原的添加剂，所述方法包括：
﹣提供用于氨的固体存储介质；
﹣提供适合加热所述固体存储介质的加热装置；
﹣提供具有根据权利要求1至12中的任意一项所述的压力测量装置的控制器；
﹣用所述加热装置加热所述固体存储介质，以从所述固体存储介质中解吸气态氨；
﹣通过所述压力测量装置测量响应于所述固体存储介质的加热而产生的氨气压力；
﹣基于对氨气压力的测量控制所述加热装置；
﹣将解吸的氨供应到SCR装置以进行NOx还原。
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