CN1141674A - 测定混合气体中氧气含量的探测器 - Google Patents
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Abstract
一种用于测定混合气体中氧气含量的探测器，尤其是一种用于测定内燃机废气中氧气含量的探测器，包含一第一泵电解单元(10)和一第二泵电解单元(20)，一位于内部的参考气体源(15)和一与混合气体相连通的测量气体空间(22)，一用于第一泵电解单元(10)和第二泵电解单元(20)的电极(11，12，21)，一用于第一泵电解单元(10)的第一泵电压(Up1)和一用于第二泵电解单元(20)的第二泵电压(Up2)，第一泵电压(Up1)和第二泵电压(Up2)是这样被设置的，通过该第一泵电压(Up1)泵入到参考气体源(15)中的氧气多于通过该第二泵电压(Up2)从参考气体源(15)中泵出的氧气。第二泵电压(Up2)形成一泵电流(IM)，该泵电流(IM)被作为混合气体中氧气含量的尺度而测量。
Description
技术背景
本发明涉及一种用于测定混合气体中氧气含量的探测器，尤其涉及一种如独立权利要求中所述的用于测定内燃机废气中氧气含量的探测器，文件DE36 32 456 C2中介绍了一种此类型的探测器，该类型的探测器没有采用大气空气作为基准气体或参考气体，而是将待测量混合气体中的氧气被泵入一参考气体源中，此外，该类型的探测器具有总是包含有两个电极和一个气体空间的一第一泵电解单元和一第二泵电解单元，在该气体空间中总是设有第一泵电解单元和第二泵电解单元的一个电极，并且该气体空间通过一扩散结构与混合气体连通。第一泵电解单元的第二电极与参考气体源相连通，第二泵电解单元的第二电极暴露于混合气体中。通过第一泵电解单元，在泵电流的作用下，氧气总是被从测量空间泵入参考气体源中。第二泵电解单元借助一双向调整作用，在测量气体空间中通过氧气的泵出和泵入形成一近似常数的氧气分压。第二泵电解单元的泵电压与一参考电压相比较，按照该泵电压与参考电压的电压差，泵电流被双向调节。该泵电流用作测定混合气体中氧气含量的尺度。
本发明的优点
具有如独立权利要求中所述特征的探测器具有如下的优点，即在测定混合气体中氧气含量的过程中不需要泵电流的双向调整，从而简化了所述的电子处理方法。
通过从属权利要求中所述的方法可实现本发明传感器的具优点的其他结构。其优点尤其在于，第二泵电解单元的工作电压是这样设置的，在λ＝1时产生的第二泵电解单元的泵电压为零。因此可以实现，第一泵电解单元和第二泵电解单元的电极之间的总电压不会增加一导致电解质分解的电压值。由于在参考气体源中所设置的第一泵电解单元和第二泵电解单元的电极被作为一个总电极而使用，因此，减少了该探测器的连接导线的数目。其优点尤其在于，该参考气体源位于一多孔的加热元件绝缘体内，并形成一通向大气空气的压力平衡连接部。
附图
图中所示为本发明的两个实施例，该两个实施例将在下面的实施例描述中被详细说明。图1为本发明探测器的第一实施例的截面图，图2为本发明探测器的第二实施例的截面图。
实施例描述
图1所示的探测器包含一个具有一第一电极11和一第二电极12的参考电解单元10，一个具有一第三电极21的测量电解单元20，及一个电阻加热元件30。该电极11，12，21与一个氧离子导电的固体电解质体13相连。该电极11，12，21例如由铂或铂-金属陶瓷制成。电阻加热元件30借助一电绝缘体31埋入固体电解质体13，并且该电阻加热元件30例如同样由构成上述电极的材料制成。第一电极11置于固体电解质体13的外表面侧并与混合气体直接接触。在该第一电极11之上可附加覆盖上一层图中没有示出的多孔的防护层。
固体电解质体13由许多图中没有详细示出的固体电解质薄膜制成，在该固体电解质薄膜之中，电极11，12，21，绝缘体31和电阻加热元件30被作为镀层而设于其内。该包含所述镀层的固体电解质薄膜被共同层压和烧结。此种传感元件的制造方法一般是已知的，因此就不再对其详细说明了。氧化锆尤其适于作为该固体电解质体13的材料，该氧化锆通过具有类似于4价锆阳离子半径的2价和/或3价氧化物被稳定化，例如该氧化物为氧化钙(CaO)或氧化钇(Y2O3)。
在固体电解质体13中设有一测量气体空间22，在测量气体空间22中设有一第三电极21。该测量气体空间22具有一扩散结构23，该扩散结构23通过填充一种多孔材料例如氧化铝而制成。一扩散通道24与测量气体空间22相通，以使待测量混合气体可通过该扩散通道24到达测量气体空间22。
固体电解质体13包含另外一个具有一例如通向混合气体的压力平衡连接部16的气体空间15，在该气体空间15中设有一第二电极12，通过向气体空间15泵入氧气，而在气体空间15内形成一内部的参考气体源。为了避免在气体空间15中出现超压，一部分被泵入气体空间15内的氧气通过压力平衡连接部16被释放到混合气体中。该压力平衡连接部16可避免可被氧化的混合气体反向扩散到气体空间15内。
代替电极12，也可在气体空间15内设置两个单独的电极，一个为参考电解单元10的电极，另一个为测量电解单元20的电极。该电极例如可由一多孔的氧化铝层制成。另外还可以想象，可将该多孔电极的孔隙作为气体空间15。
参考电解单元10和测量电解单元20作为泵电解单元而工作，参考电解单元10的电极11和12与第一工作电压UB1相连，测量电解单元20的电极12和21与第二工作电压UB2相连。该工作电压UB1和UB2抵抗一能斯脱电压，该能斯脱电压在λ＜1时约为900mV，在λ＝1时约为450mV，在λ＞1时约为30mV。工作电压UB1的极性为，电极11作为阴极，电极12作为阳极，由此使氧气从电极11被泵向电极12。工作电压UB2具有以下一种极性，即在贫混合气体中电极21作为阴极而电极12作为阳极，在富混合气体中电极12作为阴极而电极21作为阳极。这就是说，当混合气体从贫向富转换时，电极的极性也随之转换。这可以实现，将工作电压UB2调整到一个λ＝1时的能斯脱电压值，该电压值例如为450mV。
该传感器工作的条件是，在气体空间15内的氧气分压总是高于混合气体中的氧气分压。因此工作电压UB1被调整为一值，该值确保了从参考电解单元10中泵入到气体空间15中的氧气总是多于在富混合气体中转换极性时从气体空间15泵入到测量电解单元20中的氧气。该值可在下述条件下实现：
UB1＞2UNF－UB2
其中，UNF＝在富混合气体中的能斯脱电压。
在本实施例中，工作电压UB2被调整到450mV，与此相应，工作电压UB1至少应为1350mV(2×900mV－450mV＝1350mV)，在本实施例中，工作电压UB1为1.6V。
工作电压UB1产生一个第一泵电压UP1，并由此产生一恒定的、例如50uA的泵电流Ip，借助该电极11与电极12之间的泵电流Ip，氧气被不断地泵入到气体空间15中。
该探测器按如下方式工作。待测量混合气体的氧气分压在参考电解单元10的电极11上产生，并通过扩散结构23在测量电解单元20的电极21上产生。在贫混合气体的情况(λ＞1)，由于泵电压Up1的作用，在电极11上的氧气减少，并以离子形式被泵送到电极12，并以氧气的形式释放。因此，在气体空间15中形成一较混合气体高的氧气分压。由于一约30mV的能斯脱电压作用于一1.6V的工作电压UB1，因此而形成一仅比工作电压UB1小一点的1570mV的泵电压UP1，该相同的能斯脱电压同样作用于第二工作电压UB2。一420mV的泵电压UP2同样将氧气从测量气体空间22泵入到气体空间15。由此形成一极限电流IM，该极限电流IM被作为用于测定混合气体中氧气分压的尺度。
废气中的氧气分压近似于化学计量学中的燃料-空气-比例关系(λ＝1)，第一工作电压UB1和第二工作电压UB2对应于一在该氧气分压下相应的450mV的能斯脱电压，因此泵电压Up1减到大约1150mV，泵电压Up2减到零，因此当λ＝1时没有泵电流IM的流动。
在富混合气体的情况下(λ＜1)，第一工作电压UB1和第二工作电压UB2对应于一在λ＜1时的氧气分压下大约900mV的能斯脱电压。第一泵电压减小到700mV。450mV的第二工作电压同样对应于一900mV的能斯脱电压，因此泵电压Up2的极性转换，电极12为阴极而电极21为阳极。由此，电极12上的氧气减少并以离子形式被抽送到电极21，并在测量气体空间22中释放。因此由电压差形成的450mV的泵电压UP2形成一正极限电流IM。该正极限电流IM在相反的方向上流动。该正极限电流IM的数值反映了混合气体中的氧气分压大小。因此，当λ＜1时，泵电压UP1大于与其相对的泵电压Up2，从参考电解单元10抽入到气体空间15中的氧气大于从气体空间15排出到测量电解单元20中的氧气。因此，气体空间1.5中的氧气分压大于混合气体中的氧气分压。
通过一没有示出的处理电路，电流方向和极限电流IM的数值可以被测量到，并被输送到一图中没有示出的电子控制电路中，借此而调整燃料混合气中的燃料-空气-比例关系，因此，该探测器可用于测定贫、中和富混合气体中的氧气含量。
本发明的另一实施例如图2所示，在固体电解质体13中设有一个用于电阻加热元件30的多孔的加热元件绝缘体33。在该加热元件绝缘体33中设有参考电解单元10的第二电极12。该加热元件绝缘体33形成一气体空间15。本实施例的电极12在加热元件绝缘体33中被制成大面积的电极，该电极12不仅面对设于外表面上的电极11，而且面对位于测量气体空间22中的电极21。用于气体空间15的压力平衡连接部在图2中没有示出，它位于探测器的连接端，因此，具有测量气体源的气体空间15不是通向混合气体，而是通向大气。因此可避免混合气体中的气体成分向气体空间15中的反向扩散。图2所示的探测器的工作方式于图1所示的探测器的工作方式相似。
Claims (9)
1.一种用于测定混合气体中氧气含量的探测器，尤其是一种用于测定内燃机废气中氧气含量的探测器，包含一第一电化学泵电解单元和一第二电化学泵电解单元，一位于内部的参考气体源和一与混合气体相连通的测量气体空间，一用于第一泵电解单元和第二泵电解单元的电极，一用于第一泵电解单元的第一泵电压和一用于第二泵电解单元的第二泵电压，氧气借助该第一泵电压被泵入到测量气体空间，该第二泵电压产生一作为测定氧气含量的尺度的泵电流，其特征在于，所述第一泵电压(UP1)和第二泵电压(UP2)是这样被设置的，通过该第一泵电压(UP1)泵入到参考气体源(15)中的氧气多于通过该第二泵电压(UP2)从参考气体源(15)中泵出的氧气。
2.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述第一泵电解单元(10)被加载一第一工作电压(UB1)，第二泵电解单元(20)被加载一第二工作电压(UB2)，在相应的能斯脱电压的作用下，第一泵电压(UP1)总是大于第二泵电压(UP2)，该第二泵电压(UP2)可为相对于第一泵电压(UP1)转换了极性的电压。
3.如权利要求2所述的探测器，其特征在于，第一泵电解单元(10)的工作电压(UB1)按下列条件确定，
UB1＞2UNF－UB2
其中，UNF＝在富混合气体中的能斯脱电压。
4.如权利要求2或3所述的探测器，其特征在于，所述工作第二泵电压(UP2)具有一λ＝1时的能斯脱电压值，该值最佳为450mV
5.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，在所述参考气体源(15)中设有一第一泵电解单元(10)的电极和一第二泵电解单元(20)的电极。
6.如权利要求5所述的探测器，其特征在于，所述在参考气体源(15)中设有的第一泵电解单元(10)的电极和第二泵电解单元(20)的电极连通在一起。
7.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，在测量气体空间(22)中设有一第二泵电解单元(20)的电极(21)，并且该测量气体空间(22)通过一扩散结构(23)与混合气体相连通。
8.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述参考气体源(15)具有一压力平衡连接部(16)，该压力平衡连接部(16)通向混合气体和/或大气空气。
9.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述参考气体源(15)由一多孔的加热元件绝缘体(33)构成。
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