CN112415073A

CN112415073A - 气体传感器及其标定方法

Info

Publication number: CN112415073A
Application number: CN202011329715.3A
Authority: CN
Inventors: 赵振兴; 石伟
Original assignee: Great Wall Motor Co Ltd
Current assignee: Great Wall Motor Co Ltd
Priority date: 2020-11-24
Filing date: 2020-11-24
Publication date: 2021-02-26
Anticipated expiration: 2040-11-24
Also published as: CN112415073B

Abstract

本发明公开了一种气体传感器及其标定方法，气体传感器包括固体电解质、第一负电极、第一正电极、第一电压表、气体捕捉件以及温控件；固体电解质的内部具有空腔，固体电解质开设有与空腔连通的气体入口；第一负电极和第一正电极形成第一闭合回路，第一负电极位于空腔中并与固体电解质接触，第一正电极位于空腔外部并与固体电解质接触；第一电压表并联入第一闭合回路；气体捕捉件设置于第一负电极，气体捕捉件配置为能够在不同温度下选择性地捕捉H₂、CO以及CH₄中的一者；温控件配置为能够改变气体捕捉件的温度。本发明的气体传感器能够准确地检测尾气中的H₂、CO以及CH₄的含量。

Description

气体传感器及其标定方法

技术领域

本发明涉及气体检测技术领域，具体地涉及一种气体传感器及其标定方法。

背景技术

根据当前轻型柴油车(LDD)的排放法规，可以发现NO_X排放呈现更严格趋势，而为了控制NO_X的排放，需要先检测后处理系统中的尾气中的H₂含量，才可以知道是否可以对尾气的后处理工作进行升温除硫等操作。另外，对于尾气中的CO和CH₄的含量也需要准确地进行检测。但是，现有技术中并没有能够对尾气中的H₂、CO以及CH₄的含量进行准确检测的传感器产品。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的问题，提供一种气体传感器，该气体传感器能够准确地检测尾气中的H₂、CO以及CH₄的含量。

为了实现上述目的，本发明提供一种气体传感器，所述气体传感器包括固体电解质、第一负电极、第一正电极、第一电压表、气体捕捉件以及温控件；所述固体电解质的内部具有空腔，所述固体电解质开设有与所述空腔连通的气体入口；所述第一负电极和所述第一正电极形成第一闭合回路，所述第一负电极位于所述空腔中并与所述固体电解质接触，所述第一正电极位于所述空腔外部并与所述固体电解质接触；所述第一电压表并联入所述第一闭合回路；所述气体捕捉件设置于所述第一负电极，所述气体捕捉件配置为能够在不同温度下选择性地捕捉H₂、CO以及CH₄中的一者；所述温控件配置为能够改变所述气体捕捉件的温度。

可选的，所述气体捕捉件为SnO₂-ZnO材料制成。

可选的，所述温控件为加热电阻。

本发明还提供一种气体传感器，所述气体传感器包括固体电解质、第一负电极、第一正电极、第一电压表以及气体捕捉件；所述固体电解质的内部具有空腔，所述固体电解质开设有与所述空腔连通的气体入口；所述第一负电极和所述第一正电极形成第一闭合回路，所述第一负电极位于所述空腔内部并与所述固体电解质接触，所述第一正电极位于所述空腔外部并与所述固体电解质接触；所述第一电压表并联入所述第一闭合回路；所述气体捕捉件设置于所述第一负电极，所述气体捕捉件为WO₃材料制成。

可选的，所述固体电解质包括由ZrO₂材料制成的基体。

可选的，所述固体电解质包括添加入所述基体中的Y₂O₃或CaO。

可选的，所述固体电解质中的Y₂O₃或CaO的含量占ZrO₂的含量的体积比例为8％～10％。

可选的，所述气体传感器包括第二负电极、第二正电极以及第二电压表；所述固体电解质内部的空腔分为相互连通的第一腔室和第二腔室，所述第一负电极位于所述第一腔室中，所述第二负电极和所述第二正电极形成第二闭合回路，所述第二负电极位于所述第二腔室中并与所述固体电解质接触，所述第二正电极位于所述空腔外部并与所述固体电解质接触；所述第二电压表并联入所述第二闭合回路。

可选的，所述第一负电极、所述第一正电极、所述第二负电极、所述第二正电极中的至少一者为Pt涂层。

通过上述技术方案，当尾气通过气体入口进入所述固体电解质的空腔之后，尾气中的H₂、CO或者CH₄会被所述气体捕捉件捕捉而聚集在所述第一负电极附近，由于所述第一负电极在所述第一闭合回路中具有负极电压而使得所述第一负电极上的氧分子得到电子形成氧离子，因此，所述第一负电极附近的H₂、CO或者CH₄会与氧离子进行反应进而释放出电子，从而造成所述第一负电极的电流值的变化，因此，所述第一电压表能够通过所述第一负电极的电流值的变化而得到第一电压值，该第一电压值就代表了H₂、CO或者CH₄的含量。另外，通过操作所述温控件能够改变所述气体捕捉件的温度，进而使得所述气体捕捉件能够选择性地捕捉H₂、CO以及CH₄中的一者。因此，本发明的气体传感器能够准确地检测尾气中的H₂、CO以及CH₄的含量。

本发明还提供一种上述的气体传感器的标定方法，所述标定方法包括以下步骤：S1、将所述气体传感器置于全氧环境中；S2、所述第一电压表形成第一电压值，所述第二电压表形成第二电压值，根据所述第一电压值和所述第二电压值之间的差值形成标准偏差值。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是现有技术中的车辆尾气后处理的流程示意图；

图2是本发明的气体传感器的一种实施方式的示意图。

附图标记说明

10-固体电解质，11-第一腔室，12-第二腔室，21-第一负电极，22-第一正电极，23-第一电压表，24-第一电源，30-气体捕捉件，40-温控件，51-第二负电极，52-第二正电极，53-第二电压表，54-第二电源

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

当前，行业内对于轻型柴油车的尾气后处理流程如图1所示。其中，

LNT：稀燃NO_X捕集技术(leanNO_Xtrap，LNT)。也被称作氮氧化物存储还原(NO_Xstorage and reduction，NSR)，在国Ⅵ法规阶段被广泛应用于轻型柴油车后处理系统。

DPF(Diesel Particulate Filter)：柴油颗粒捕集器。

SCR(Selective Catalytic Reduction)：选择性催化还原装置。

LNT载体内部涂层中含有贵金属Pt、Pd、Rh，特别引入了BaCO₃，BaCO₃的作用是存储NO₂和还原NO₂。但是在LNT涂覆BaCO₃的时候会不可避免的产生不定量的BaO，而BaO也可以起到BaCO₃相同的存储NO₂和还原NO₂作用。例如，当LNT内部温度低于300℃时，BaCO₃和BaO的作用是存储NO₂，当LNT内部温度高于300℃时，BaCO₃和BaO的作用是释放NO₂，被释放的NO₂流到SCR系统被反应净化掉。因为300℃以上的NO₂流到SCR时，达到了SCR工作的“门槛温度”190℃。如果LNT内部温度低于300℃，有造成NO₂流到SCR时低于SCR工作的“门槛温度”190℃，造成NO₂未被反应净化掉。

在上述的尾气后处理流程中，“硫中毒”是LNT存在一个致命的缺点，脱硫的过程被行业内称为DeSO_X，“BaO硫中毒”的过程如下：

燃油中的S+O₂→SO₂ (式1)，

BaO+¹/₂O₂+SO₂→BaSO₄ (式2)，

BaSO₄是一种不能助力NO_X反应的物质，使得LNT的存储NO_X和NO_X转化功能降低，但BaSO₄是可以在高温下(650℃以上)还原为BaO的。其反应机理如下：

BaSO₄+H₂→BaO+H₂O+SO₂ (式3)，

SO₂+3H₂→H₂S+2H₂O (式4)，

但是，如果在没有H₂的情况下，即便在650℃以上的高温下，BaSO₄也不会还原为BaO，而是被烧结为不可逆状态，也就是说，如果在没有H₂的情况下，BaSO₄将永远不可以恢复为BaO。因此，在上述的脱硫过程中，需要明确地检测H₂的含量。

另外，根据BaO存储NO_X的原理：

BaO+2NO₂+¹/₂O₂→Ba(NO₃)₂ (式5)，

以及Ba(NO₃)₂释放NO_X的原理：

Ba(NO₃)₂+CO₂→BaCO₃+3NO₂+¹/₂O₂ (式6)

Ba(NO₃)₂+3H₂+CO₂→BaCO₃+2NO+2CO₂ (式7)

Ba(NO₃)₂+¹/₃C₃H₆→BaCO₃+2NO+H₂O (式8)

可以知道，H₂是Ba(NO₃)₂释放NO_X的关键物质。因此，在尾气后处理流程中，检测并知晓H₂的含量尤为重要。

另外，CO和CH₄也是车辆尾气的主要污染物，因此，对于CO和CH₄的检测也非常重要。

为此，本发明提供了一种气体传感器，如图2所示，该气体传感器包括固体电解质10、第一负电极21、第一正电极22、第一电压表23、气体捕捉件30以及温控件40；固体电解质10的内部具有空腔，固体电解质10开设有与空腔连通的气体入口；第一负电极21、第一正电极22和第一电源24形成第一闭合回路，第一负电极21位于空腔中并与固体电解质10接触，第一正电极22位于空腔外部并与固体电解质10接触；第一电压表23并联入第一闭合回路；气体捕捉件30设置于第一负电极21，气体捕捉件30配置为能够在不同温度下选择性地捕捉H₂、CO以及CH₄中的一者；温控件40配置为能够改变气体捕捉件30的温度。

在上述实施方式中，当尾气通过气体入口进入固体电解质10的空腔之后，尾气中的H₂、CO或者CH₄会被气体捕捉件30捕捉而聚集在第一负电极21附近，由于第一负电极21在第一闭合回路中具有负极电压而使得第一负电极21上的氧分子得到电子形成氧离子，因此，第一负电极21附近的H₂、CO或者CH₄会与氧离子进行反应进而释放出电子，从而造成第一负电极21的电流值的变化，因此，第一电压表23能够通过第一负电极21的电流值的变化而得到第一电压值，该第一电压值就代表了H₂、CO或者CH₄的含量。另外，通过操作温控件40能够改变气体捕捉件30的温度，进而使得气体捕捉件30能够选择性地捕捉H₂、CO以及CH₄中的一者。因此，本发明的气体传感器能够准确地检测尾气中的H₂、CO以及CH₄的含量。

应当理解的是，气体捕捉件30可以有多种材料制成，只要其能够通过温度的变化而选择性地捕捉H₂、CO以及CH₄中的一者即可。例如，在本发明的一种实施方式中，气体捕捉件30为SnO₂-ZnO材料制成。当气体捕捉件30的温度低于150℃时，SnO₂-ZnO材料能够高效地捕捉CH₄，当气体捕捉件30的温度在150～200℃时，SnO₂-ZnO材料能够高效地捕捉CO，当气体捕捉件30的温度高于400℃时，SnO₂-ZnO材料能够高效地捕捉H₂，因此，通过温控件40控制气体捕捉件30的温度能够使气体捕捉件30选择性地捕捉H₂、CO以及CH₄中的一者。

应当理解的是，温控件40可以设计为多种形式，只要其能够改变气体捕捉件30的温度即可，例如，温控件40可以对气体捕捉件30进行加热也可以对气体捕捉件30进行冷却降温。在本发明的一种实施方式中，为了降低成本、简化气体传感器的整体结构，温控件40为加热电阻，也就是说，气体捕捉件30能够通过加热电阻进行加热升温，而停止加热后即可自行冷却降温。

在仅针对H₂进行捕捉的检测环境中，为了能够提高对于H₂的捕捉效率，本发明的一种实施方式中，气体捕捉件30采用WO₃材料制成，不同于SnO₂-ZnO材料需要加温至400℃才能对H₂进行捕捉，WO₃材料无需升温即可高效地捕捉H₂，因此，这种实施方式中，无需操作温控件40，甚至可以省去温控件40。

在上述的实施方式中，固体电解质10可以由多种材料制成，只要其能够发生氧离子流动即可。例如，固体电解质10包括由ZrO₂材料制成的基体。

在以ZrO₂主要材料的基体的两端施加电压时，负极电压处的氧分子得到电子形成氧离子，氧离子通过固体电解质10中的氧空位迅速地迁移到低氧浓度侧的正极电压处，在正极电压处，氧离子再失去电子以氧分子状态被释放出来。

为了提高氧离子空位的浓度，并使得ZrO₂在低温下以四方体或立方体的固体形式存在，在本发明的一种实施方式中，固体电解质10包括添加入基体中的Y₂O₃或CaO，同时，Y₂O₃或CaO还能够使ZrO₂在晶胞中存在较大空隙，使得氧离子在空位中畅通无阻，提高其导电率以及氧离子流动率。

进一步的，固体电解质10中的Y₂O₃或CaO的含量占ZrO₂的含量的体积比例为8％～10％，优选地，Y₂O₃或CaO的含量占ZrO₂的含量的体积比例为8％时效果最佳。

在实际中，尾气中的H₂时有时无，O₂也是时多时少，所以第一电压表23的变化难以区分是H₂的变化造成还是O₂的变化造成。为了解决这一问题，在本发明的一种实施方式中，气体传感器还包括第二负电极51、第二正电极52以及第二电压表53；固体电解质10内部的空腔分为相互连通的第一腔室11和第二腔室12，第一负电极21位于第一腔室11中，第二负电极51、第二正电极52和第二电源54形成第二闭合回路，第二负电极51位于第二腔室12中并与固体电解质10接触，第二正电极52位于空腔外部并与固体电解质10接触；第二电压表53并联入第二闭合回路。由于第二负电极51并没有设置气体捕捉件30，因此，氧气在第二负电极51处得到电子成为氧离子，第二负电极51处的氧离子通过固体电解质10向第二正电极52移动，即可形成一定的电压，从而在第二电压表53上反映出来，通过第二电压表53与第一电压表23的比较，即可知晓H₂的变化造成的电压变化是多少。

应当理解的是，上述的电极可以由多种材料制成，在本发明的一种实施方式中，第一负电极21、第一正电极22、第二负电极51以及第二正电极52均为Pt涂层。

通过上述的实施方式，本发明的气体传感器能够准确地检测尾气中的H₂、CO以及CH₄的含量。

本发明还提供一种上述的气体传感器的标定方法，该标定方法包括以下步骤：

S1、将气体传感器置于全氧环境中；

S2、第一电压表23形成第一电压值，第二电压表53形成第二电压值，根据第一电压值和第二电压值之间的差值形成标准偏差值。

例如，用V_IP1表示第一电压值，用V_IP2表示第二电压值，将本发明的气体传感器置于全氧环境中进行标定：

假设，第一气体传感器的V_IP1-V_IP2＝0.4V，那么，出厂时可将此第一气体传感器的控制单元的“V_IP1-V_IP2”定义为标准偏差值。

假设，第二气体传感器的V_IP2-V_IP1＝0.3V，那么，出厂时可将此第二气体传感器的控制单元的“V_IP1-V_IP2”定义为标准偏差值。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种气体传感器，其特征在于，所述气体传感器包括固体电解质(10)、第一负电极(21)、第一正电极(22)、第一电压表(23)、气体捕捉件(30)以及温控件(40)；

所述固体电解质(10)的内部具有空腔，所述固体电解质(10)开设有与所述空腔连通的气体入口；

所述第一负电极(21)和所述第一正电极(22)形成第一闭合回路，所述第一负电极(21)位于所述空腔中并与所述固体电解质(10)接触，所述第一正电极(22)位于所述空腔外部并与所述固体电解质(10)接触；

所述第一电压表(23)并联入所述第一闭合回路；

所述气体捕捉件(30)设置于所述第一负电极(21)，所述气体捕捉件(30)配置为能够在不同温度下选择性地捕捉H₂、CO以及CH₄中的一者；

所述温控件(40)配置为能够改变所述气体捕捉件(30)的温度。

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述气体捕捉件(30)为SnO₂-ZnO材料制成。

3.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述温控件(40)为加热电阻。

4.一种气体传感器，其特征在于，所述气体传感器包括固体电解质(10)、第一负电极(21)、第一正电极(22)、第一电压表(23)以及气体捕捉件(30)；

所述第一负电极(21)和所述第一正电极(22)形成第一闭合回路，所述第一负电极(21)位于所述空腔内部并与所述固体电解质(10)接触，所述第一正电极(22)位于所述空腔外部并与所述固体电解质(10)接触；

所述第一电压表(23)并联入所述第一闭合回路；

所述气体捕捉件(30)设置于所述第一负电极(21)，所述气体捕捉件(30)为WO₃材料制成。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的气体传感器，其特征在于，所述固体电解质(10)包括由ZrO₂材料制成的基体。

6.根据权利要求5所述的气体传感器，其特征在于，所述固体电解质(10)包括添加入所述基体中的Y₂O₃或CaO。

7.根据权利要求6所述的气体传感器，其特征在于，所述固体电解质(10)中的Y₂O₃或CaO的含量占ZrO₂的含量的体积比例为8％～10％。

8.根据权利要求1-4中任意一项所述的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器包括第二负电极(51)、第二正电极(52)以及第二电压表(53)；所述固体电解质(10)内部的空腔分为相互连通的第一腔室(11)和第二腔室(12)，所述第一负电极(21)位于所述第一腔室(11)中，所述第二负电极(51)和所述第二正电极(52)形成第二闭合回路，所述第二负电极(51)位于所述第二腔室(12)中并与所述固体电解质(10)接触，所述第二正电极(52)位于所述空腔外部并与所述固体电解质(10)接触；所述第二电压表(53)并联入所述第二闭合回路。

9.根据权利要求8所述的气体传感器，其特征在于，所述第一负电极(21)、所述第一正电极(22)、所述第二负电极(51)、所述第二正电极(52)中的至少一者为Pt涂层。

10.一种权利要求8或9所述的气体传感器的标定方法，其特征在于，所述标定方法包括以下步骤：

S1、将所述气体传感器置于全氧环境中；

S2、所述第一电压表(23)形成第一电压值，所述第二电压表(53)形成第二电压值，根据所述第一电压值和所述第二电压值之间的差值形成标准偏差值。