CN115112740B - 一种监测氨含量的传感器及监测尾气中氨含量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种监测氨含量的传感器及监测尾气中氨含量的方法。传感器包括基体，基体上分别设置有进气口和出气口，基体内分别设置有第一腔室(4)和第二腔室(7)，第二腔室与第一腔室均连通进气口，第二腔室与第一腔室还均连通出气口；第一腔室用于使尾气中的目标气体发生氧化反应，并能测量出未参与该反应的氧气所引起的电流变化或电压变化，目标气体包括HC、CO和H2中的一种或多种；第二腔室用于使尾气中的氨气及目标气体均发生氧化反应，并能测量出未参与该反应的氧气所引起的电流变化或电压变化。该传感器可以为SCR、SDPF装置的氮氧化物精确反应反馈重要的“氨含量”信息，有助于避免氨喷射超标。
Description
技术领域
本发明涉及机动车辆尾气排放检测领域，具体地，涉及一种监测氨含量的传感器及监测尾气中氨含量的方法。
背景技术
解读轻型柴油车(LDD)排放法规，可以发现从国5(CNⅤ)升级到国6b(CNⅥb)NOX排放限值下降了82.1％，NOX排放呈现更严格趋势。
常规的尾气后处理工艺中，SCR或者SDPF是净化氮氧化物(NOX)的装置，当然他所必须的反应剂是氨气(NH3)，氨(NH3)在SCR或者SDPF中与氮氧化物(NOX)反应如公式(1)～(3)所示：
2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O(1)；8NH3+6NO2→7N2+12H2O(2)；
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O(3)。
式(1)～(3)中所示的三种反应所消耗的NH3数量是不一样的，但是一般情况下，尿素喷射系统的喷射量都会适当过喷(过多喷射NH3)。尿素喷射系统的这种“过量喷射”行为，造成的NH3喷射超标，不仅气体味道很难闻，还可能造成污染。
因此需要开发一种能够测量后处理系统中“氨含量”的传感器。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以监测氨含量的传感器及监测尾气中氨含量的方法，能够监测SCR或者SDPF装置处理后的尾气中的氨含量，可以为SCR、SDPF装置的氮氧化物精确反应反馈重要的“氨含量”信息。
为了实现上述目的，本公开第一方面提供一种监测氨含量的传感器，包括基体，所述基体上分别设置有进气口和出气口，所述基体内分别设置有第一腔室和第二腔室，所述第二腔室与所述第一腔室均连通所述进气口，所述第二腔室与所述第一腔室还均连通所述出气口；其中，所述第一腔室用于使尾气中的目标气体发生氧化反应，并能测量出未参与该反应的氧气所引起的电流变化或电压变化，所述目标气体包括HC、CO和H2中的一种或多种；所述第二腔室用于使尾气中的氨气及所述目标气体均发生氧化反应，并能测量出未参与该反应的氧气所引起的电流变化或电压变化。
可选地，该传感器还包括：固体电解质基体、第一铂电极、第二铂电极、钳位电极、第三铂电极、第四铂电极、第一电源、第一电信号测定装置、第二电源、第二电信号测定装置和钳位电信号测定装置；所述固体电解质基体形成为所述基体，所述固体电解质基体允许氧离子流通；所述第一铂电极覆于所述第一腔室的顶部内壁上，所述第二铂电极覆于所述固体电解质基体的顶部外壁上；所述第一电源的一极连接与所述第一铂电极，另一极与所述第二铂电极连接；所述第三铂电极覆于所述第二腔室的顶部内壁上；所述第四铂电极覆于所述固体电解质基体的顶部外壁上；所述第二电源的一极与所述第三铂电极，另一极与所述第四铂电极连接；所述第一电信号测定装置与所述第一铂电极和所述第二铂电极连接；所述第二电信号测定装置与所述第三铂电极和第四铂电极连接；所述固体电解质基体还设有水平凹槽形式的钳位电极气体流道，所述钳位电极气体流道的开口与外部大气环境连通处，所述钳位电极覆于所述钳位电极气体流道的上侧壁，所述钳位电信号测定装置与所述钳位电极和所述第一铂电极连接。
可选地，该传感器还包括测试气体主流道、第一气体支流道和第二气体支流道；所述固体电解质基体包括相对设置的左侧壁和右侧壁；所述第一腔室和所述第二腔室沿由左至右的方向上设于所述固体电解质基体内；所述第一腔室和所述第二腔室之间具有间隔；所述第一腔室设有朝向所述右侧壁的第一气体入口，所述第二腔室设有朝向所述左侧壁的第二气体入口；所述进气口设于所述固体电解质基体的顶部并沿竖直方向向所述固体电解质基体内部延伸形成为所述测试气体主流道；所述测试气体主流道的延伸末端在水平方向上向所述固体电解质基体的左侧壁延伸形成所述第一气体支流道；所述测试气体主流道的延伸末端在水平方向上向所述右侧壁延伸形成所述第二气体支流道；所述第一气体支流道的延伸末端与所述第一腔室的第一气体入口连通，所述第二气体支流道的延伸末端与所述第二腔室的第二气体入口连通；所述第二铂电极位于所述进气口和所述左侧壁之间；所述第四铂电极位于所述进气口和所述右侧壁之间；所述第一腔室的前侧壁和后侧壁分别向所述固体电解质基体外部延伸并贯穿所述固体电解质基体，形成为所述第一腔室的腔室出口；所述第二腔室的前侧壁和后侧壁分别向所述固体电解质基体外部延伸并贯穿所述固体电解质基体，形成为所述第二腔室的腔室出口；所述第一腔室的腔室出口和所述第二腔室的腔室出口形成为所述传感器的出气口。
可选地，所述固体电解质基体的右侧壁上设有钳位电极气体流道入口，所述钳位电极气体流道入口沿水平方向向所述固体电解质基体部延伸形成为所述钳位电极气体流道；所述钳位电极气体流道位于所述第一腔室和第二腔室下方且与所述第一腔室和第二腔室具有间隔。
可选地，所述第二腔室内设有氨气捕捉层和贵金属层，所述第三铂电极覆于所述第二腔室的上侧壁，所述贵金属层覆于所述第三铂电极上，所述氨气捕捉层覆于所述贵金属层上；所述氨气捕捉层包含氨气捕捉颗粒；所述氨气捕捉颗粒包含Ni3V2O8；所述氨气捕捉颗粒的粒径为2～25μm；所述氨气捕捉层的厚度为2～25μm；所述氨气捕捉层的长度为1～10mm；所述氨气捕捉层的宽度为1～8mm；所述贵金属层包含贵金属颗粒；所述贵金属包括Au。
可选地，该传感器还包括加热单元；所述加热单元包括加热电极、加热电阻和加热电压，所述加热电极和加热电阻设于所述固体电解质基体内部；所述加热电极和加热电阻位于所述钳位电极气体流道与所述的固体电解质基体的底部之间，且所述加热电极和加热电阻分别与所述固体电解质基体的底部平行；所述加热电压的一端与所述加热电极连接，另一端与所述加热电阻连接。
本公开第二方面提供一种监测尾气中氨含量的方法，采用本公开第一方面所述的传感器，该方法包括以下步骤：使尾气经所述进气口进入所述传感器，然后分流进入所述第一腔室和第二腔室；获取所述第一腔室的第一电信号值以及所述第二腔室的第二电信号值；根据所述第一电信号值和所述第二电信号值确定所述尾气中的氨气的含量。
可选地，所述的根据所述第一电信号值和所述第二电信号值确定所述尾气中的氨气含量，包括：根据第一电信号测定装置测得的第一电信号值确定所述第一腔室内未与目标气体发生氧化反应的第一氧气量；根据第二电信号测定装置测得的第二电信号值确定所述第二腔室内未与氨气及所述目标气体发生反应的第二氧气量；根据所述第一氧气量和所述第二氧气量的差值确定所述第二腔室内与氨气发生氧化反应的第三氧气量，根据所述第三氧气量确定尾气中氨气的含量。
可选地，该方法还包括：获取钳位电信号测定装置的第三电信号值；判断所述第三电信号值是否大于钳位预设值；若所述第一电信号值大于所述钳位预设值，则控制所述传感器处于富氧工况；若所述第一电信号值不大于所述钳位预设值，则控制所述传感器处于贫氧工况。
可选地，所述的控制所述传感器处于富氧工况，包括：使第一铂电极与第一电源的负极连接，使第二铂电极与第一电源的正极连接；使第三铂电极与第二电源的负极连接，使第四铂电极与第二电源的正极连接。
可选地，所述贫氧工况包括持续第一时间间隔的第一工作状态和持续第二时间间隔的第二工作状态，所述第一工作状态和第二工作状态依次交替切换；所述的控制所述传感器处于贫氧工况，包括：
在第一时间间隔内，使所述第一腔室的第一铂电极与第一电源的正极连接，使第二铂电极与第一电源的负极连接；使所述第二腔室的第三铂电极与第二电源的正极连接，使第四铂电极与第二电源的负极连接；在第二时间间隔内，使所述第一腔室的第一铂电极与第一电源的负极连接，使第二铂电极与第一电源的正极连接；使所述第二腔室的第三铂电极与第二电源的负极连接，使第四铂电极与第二电源的正极连接。
可选地，所述加热电阻用于将第一铂电极、第二铂电极、钳位电极、第三铂电极、第四铂电极加热至600～800℃。
通过上述技术方案，本公开提供了一种监测氨含量的传感器及监测尾气中氨含量的方法，尾气进入传感器后分流进入第一腔室以确定尾气中没有参与目标气体(HC、CO和H2)氧化反应的氧气引起的第一电信号值、进入第二腔室确定尾气中没有参与氨气及目标气体氧化反应的氧气引起的第二电信号值，第一电信号值和第二电信号值之间的差值可反映出第二腔室中与氨气发生反应的氧气的量，进而确定尾气中氨气的含量；该传感器用于监测SCR或者SDPF装置处理后的尾气中氨气的含量时，可以为SCR、SDPF装置的氮氧化物精确反应反馈重要的“氨含量”信息，有助于避免氨喷射超标。
本发明的其他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
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本公开提供的一种监测氨含量的传感器的结构示意图。
图2为本公开提供的传感器中氧气与氧离子的转化原理示意图。
附图标记说明
1-测试气体主流道，2-第一铂电极，3-第二铂电极，4-第一腔室，5-第三铂电极，6-第四铂电极，7-第二腔室，8-钳位电极，9-固体电解质基体，10-第一电源，11-第一电信号测定装置，12-第二电源，13-第二电信号测定装置，14-氨气捕捉颗粒，15-贵金属颗粒，16-钳位电信号测定装置，17-加热电阻，18-加热电压，19-负极区域，20-正极区域，21-固体电解质，22-氧气，23-电子，24-铂电极，25-铂电极
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。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的“第一”、“第二”、“第三”等词仅用于区分不同部件而不含有前后连接顺序等实际含义。在本发明中，使用的方位词如“上”“下”是装置正常使用状态下的上和下，“内”“外”是针对装置轮廓而言的。
如图1所示，本公开第一方面提供了一种监测氨含量的传感器，包括基体，基体上分别设置有进气口和出气口，基体内分别设置有第一腔室4和第二腔室7，第二腔室7与第一腔室4均连通进气口，第二腔室7与第一腔室4还均连通出气口；
其中，氨气第一腔室氨气4氨气用于使尾气中的目标气体发生氧化反应，并能测量出未参与该反应的氧气所引起的电流变化或电压变化，氨气目标气体包括HC、CO和H2中的一种或多种；
氨气第二腔室氨气7氨气用于使尾气中的氨气及氨气目标气体均发生氧化反应，并能测量出未参与该反应的氧气所引起的电流变化或电压变化。
本公开提供了一种监测氨含量的传感器及监测尾气中氨含量的方法，尾气进入传感器后分流进入第一腔室以确定尾气中没有参与目标气体(HC、CO和H2)氧化反应的氧气引起的第一电信号值、进入第二腔室确定尾气中没有参与氨气及目标气体氧化反应的氧气引起的第二电信号值，第一电信号值和第二电信号值之间的差值可反映出第二腔室中与氨气发生反应的氧气的量，进而确定尾气中氨气的含量；该传感器用于监测SCR或者SDPF装置处理后的尾气中氨气的含量时，可以为SCR、SDPF装置的氮氧化物精确反应反馈重要的“氨含量”信息，有助于避免氨喷射超标。
本公开中，可以采用本领域常规选择的电子控制单元(ECU)设备和结构，具有常规处理功能，接受传感器的输入信号，并将输入信号处理成电子控制单元能够处理的信号；存储运行信息和故障信息，分析输入信息并进行相应的计算处理等。本公开中采用的车辆电子控制单元能够接受传感器输入的第一电信号值和第二电信号值；并根据第一电信号值和第二电信号值进行计算以确定第一腔室4未发生反应的第一氧气量和第二腔室7内未发生反应的第二氧气量，并根据计算得到的第一氧气含量和第二氧气含量的差值得到第二腔室7中与氨气发生反应的O2的第三氧气量，进而可以根据预设的氨气与氧气进行氧化反应的数量关系确定发生了氧化反应的氨气的量。进一步地，车辆电子控制单元还可以连接有执行机构，如尿素喷射装置，以根据计算所得氨气的量控制尿素喷射装置执行相应喷射量的调节，例如氨气含量超标则控制尿素喷射装置执行调小喷射量。
一种实施方式中，如图1所示，该传感器还包括：固体电解质基体9、第一铂电极2、第二铂电极3、钳位电极8、第三铂电极5、第四铂电极6、第一电源10、第一电信号测定装置11、第二电源12、第二电信号测定装置13和钳位电信号测定装置16；固体电解质基体9形成为基体，固体电解质基体9允许氧离子流通；
第一铂电极2覆于第一腔室4的顶部内壁上，第二铂电极3覆于固体电解质基体9的顶部外壁上；第一电源10的一极连接与第一铂电极2，另一极与第二铂电极3连接；
第三铂电极5覆于第二腔室7的顶部内壁上；第四铂电极6覆于固体电解质基体9的顶部外壁上；第二电源12的一极与第三铂电极5，另一极与第四铂电极6连接；第一电信号测定装置11与第一铂电极2和第二铂电极3连接；
第二电信号测定装置13与第三铂电极5和第四铂电极6连接。
一种实施方式中，如图1所示，固体电解质基体9还设有水平凹槽形式的钳位电极气体流道，钳位电极气体流道的开口与外部环境大气连通处，钳位电极8覆于钳位电极气体流道的上侧壁，钳位电信号测定装置16与钳位电极8和第一铂电极2连接。
进一步实施方式中，如图1所示，该传感器还包括测试气体主流道1、第一气体支流道和第二气体支流道；固体电解质基体9包括相对设置的左侧壁和右侧壁；第一腔室4和第二腔室7沿由左至右的方向上设于固体电解质基体9内；第一腔室4和第二腔室7之间具有间隔；第一腔室4设有朝向右侧壁的第一气体入口，第二腔室7设有朝向左侧壁的第二气体入口；
进气口设于固体电解质基体9的顶部并沿竖直方向向固体电解质基体9内部延伸形成为测试气体主流道1；测试气体主流道1的延伸末端在水平方向上向固体电解质基体9的左侧壁延伸形成第一气体支流道；测试气体主流道1的延伸末端在水平方向上向右侧壁延伸形成第二气体支流道；第一气体支流道的延伸末端与第一腔室4的第一气体入口连通，第二气体支流道的延伸末端与第二腔室7的第二气体入口连通；
第二铂电极3位于进气口和左侧壁之间；第四铂电极6位于进气口和右侧壁之间；
第一腔室4的前侧壁和后侧壁分别向固体电解质基体9外部延伸并贯穿固体电解质基体9，形成为第一腔室4的腔室出口；第二腔室7的前侧壁和后侧壁分别向固体电解质基体9外部延伸并贯穿固体电解质基体9，形成为第二腔室7的腔室出口；第一腔室4的腔室出口和第二腔室7的腔室出口形成为传感器的出气口。
根据本公开，采用的“左侧壁”、“右侧壁”的方向为图1所示结构的左和右；“前侧壁”和“后侧壁”的方向为图1所示结构的前和后，其中“前”是指以纸面为基准朝向人眼观测的方向，“后”的方向与“前”所指的方向相反。
一种具体实施方式中，如图1所示，固体电解质基体9的右侧壁上设有钳位电极气体流道入口，钳位电极气体流道入口沿水平方向向固体电解质基体9内部延伸形成为钳位电极气体流道；钳位电极气体流道位于第一腔室4和第二腔室7下方且与第一腔室4和第二腔室7具有间隔。
一种实施方式中，如图1所示，第二腔室7内设有氨气捕捉层和贵金属层，第三铂电极5覆于第二腔室7的上侧壁，贵金属层覆于第三铂电极5上，氨气捕捉层覆于贵金属层上；氨气捕捉层包含氨气捕捉颗粒14；
氨气捕捉颗粒包含Ni3V2O8；氨气捕捉颗粒的粒径为2～25μm；
氨气捕捉层的厚度为2～25μm；氨气捕捉层的长度为1～10mm；氨气捕捉层的宽度为1～8mm；
贵金属层包含贵金属颗粒；贵金属包括Au。
本公开中，“氨气捕捉颗粒”是指对氨气具有捕捉效果，且对其他气体例如N2、O2等不具有捕捉效果的材料。沿气体流通方向，本公开提供的传感器可以设置在车辆尾气后处理系统中的SCR装置或者SDPF装置的处理后尾气出口的下游。
根据本公开，氨气捕捉层的长度方向与第三铂电极5的长度方向相同，均为第二腔室7由第二气体入口向固体电解质基体9内部延伸的方向。本公开中，氨气捕捉颗粒14可以采用本领域常规方法涂覆于第三铂电极5表面，且第三铂电极5中的铂颗粒之间存在间隙以允许氧气在铂颗粒间隙得到电子形成氧离子后进入固体电解质基体9中流通或者固体电解质基体9中的氧离子在第三铂电极5失去电子形成氧气分子后经由铂颗粒间隙逸出；氨气捕捉颗粒14之间也具有间隙以储存捕捉到的氨气并且为氨气与氧气发生反应提供反应空间。本公开在第二腔室7内增加贵金属层，金属Au具有帮助氨气与氧气反应的作用，提高反应效率。具体地贵金属颗粒之间也具有间隙。
本公开中第一腔室4和第二腔室7内持续通入尾气，使得第一腔室4和第二腔室7内存在的气体在后续进入的尾气的吹扫作用下经由出气口流出，同时带走了第一腔室4和第二腔室7内氧化反应得到的气体，保证第一腔室4和第二腔室7内气体的新鲜度，防止腔室内氧化反应得到的反应气体过多残留影响氧化反应效率。
本公开采用的氨气捕捉颗粒Ni3V2O8对于氨气捕捉具有唯一性，发明人发现在Ni3V2O8作用下，上式(5)所示的反应基本不会形成或形成的很少，这有利于提高确定氨气含量的准确度。
根据本公开，钳位电信号测定装置16分别连接钳位电极8和第一铂电极2，钳位电极8接触大气环境；以大气环境中氧气含量作为基准，可以由钳位电信号测定装置16得到的钳位电信号来确定进入第一腔室4尾气中的氧气含量。
进一步实施方式中，钳位电信号测定装置16可以具有钳位预设值，可以基于钳位预设值与检测得到的钳位电信号值的大小关系来确定尾气中氧气含量为贫氧或者富氧，钳位预设值一般为0.45V左右。例如若钳位电信号值大于钳位预设值，表示尾气中氧气含量充足，为富氧状态；反之则为贫氧。
一种实施方式中，该传感器具有富氧工况和贫氧工况。
一种具体实施方式中，在富氧工况：
第一腔室内：第一铂电极2与第一电源10的负极连接，第二铂电极3与第一电源10的正极连接；第三铂电极5与第二电源12的负极连接，第四铂电极6与第二电源12的正极连接。
下面对传感器的富氧工况的具体工作原理进行说明：
如图1所示，尾气经由进气口进入测试气体主流道，然后分流分别经由第一测试气体支流道进入第一腔室4、经由第二测试气体支流道进入第二腔室7，本公开将进入两个腔室内的测试气体的物质含量看作是相同的；
在第一腔室内：尾气中的O2与目标气体(HC、CO和H2)在第一铂电极2的催化作用下发生反应，如下式(4)～(6)所示：CO+1/2O2→CO2(4)；HC+O2→H2O+CO2(5)；H2+1/2O2→CO2(6)；其余未与目标气体发生氧化反应的O2在第一铂电极2(第一铂电极2与第一电源10的负极连接)处与电子结合形成氧离子(O2-)，并由第一铂电极2通过固体电解质基体9向第二铂电极3移动，发生电信号变化并被第一电信号测定装置11检测，得到第一电信号值，即在富氧工况下，第一电信号值反映出第一腔室4内由第一铂电极2移动至第二铂电极3的氧离子的数量(记为第一氧气量)；
在第二腔室7中：尾气中的O2与目标气体(HC、CO和H2)在第三铂电极5的催化作用下发生氧化反应，如以上式(4)～(6)所示；并且氨气捕捉颗粒14对于氨气具有捕捉唯一性，其可以捕捉吸附进入第二腔室7的尾气中的氨气并将氨气储存于颗粒间隙中，氨气与氧气也发生氧化反应，如下式(7)～(8)所示：4NH3+5O2→4NO+6H2O(7)；4NH3+3O2→2N2+6H2O(8)；其余未与目标气体和氨气发生氧化反应的氧气在第三铂电极5(第三铂电极5与第二电源12的负极连接)处与电子结合形成氧离子(O2-)，并由第三铂电极5通过固体电解质基体9向第四铂电极6移动，发生电信号变化并被第二电信号测定装置13检测，得到第二电信号值，即在富氧工况下，第二电信号值反映出第二腔室7内由第三铂电极5移动至第四铂电极6的氧离子的数量(记为第二氧气量)；其中，式(5)中所述CH是指汽车尾气中的有害气体碳氢化合物的简称，产生于汽油、柴油燃烧，碳氢化合物和氮氧化物在太阳紫外线的作用下，会产生一种具有刺激性的浅蓝色烟雾，危害较大。在传感器的第一腔室内尾气中氮氢化合物(CH)反应生成二氧化碳和水；
第一氧气量与第二氧气量的差值表示第二腔室7中未发生反应的氧气少于第一腔室4中未发生反应的氧气的数量(记为第三氧气量)，即第二腔室7内与氨气发生氧化反应的氧气的数量，进而得到发生氧化反应的氨气的数量。例如从公式(4)可以看出5个氧气对应4个氨气，这个对应关系可以用来定义电信号(如电流)与氨气的数量关系，例如将第三氧气量乘以4/5即代表氨气的数量。由于传感器对氨气的测量是“代表性测量”，在第二腔室7中氨气与氧气反应生成的氮氧化物并不会造成排放污染。
另一种具体实施方式中，在贫氧工况：具有依次交替进行的第一工作状态和第二工作状态，第一工作状态持续第一时间间隔，所述第二工作状态持续第二时间间隔；其中，
在第一工作状态：第一铂电极2与第一电源10的正极连接，第二铂电极3与第一电源10的负极连接；第三铂电极5与第二电源12的正极连接，第四铂电极6与第二电源12的负极连接；
在第二工作状态：第一铂电极2与第一电源10的负极连接，第二铂电极3与第一电源10的正极连接；第三铂电极5与第二电源12的负极连接，第四铂电极6与第二电源12的正极连接。
下面对传感器的贫氧工况的具体工作原理进行说明：
具体地，第一工作状态为向第一腔室4和第二腔室7补充氧气的过程。
尾气中的氧气含量不足(根据前述内容已知氧气充足或者不充足可以根据钳位电信号测定装置16的钳位预设值进行确定)，可以向第一腔室4以及第二腔室7内补充氧气；
第一腔室4内：第二铂电极3(第二铂电极3与第一电源10的负极连接)处的氧气得到电子形成氧离子，氧离子通过固体电解质基体9向第一铂电极2移动，然后在第一铂电极2处失去电子而以氧分子(O2)的形式逸出，以此向第一腔室4内补充氧气，从而使得第一腔室4内目标气体与氧气充分发生上述反应式(4)～(6)所示的氧化反应；并且氧离子由第二铂电极3移动至第一铂电极2引起电信号变化并被第一电信号测定装置11检测，得到第一电信号值，即在第一工作状态下，第一电信号值反映出第一腔室4中由第二铂电极3移动至第一铂电极2的氧离子的数量；
第二腔室7内：第四铂电极6(第四铂电极6与第二电源12的负极连接)处的氧气得到电子形成氧离子，氧离子通过固体电解质基体9向第三铂电极5移动，然后在第三铂电极5处失去电子而以氧分子(O2)的形式逸出，以此向第二腔室7内补充氧气，从而使尾气中的目标气体在第二腔室7内与氧气发生上述(4)～(6)所示的氧化反应，氨气与氧气发生上式(7)所示的氧化反应；并且氧离子由第四铂电极6移动至第三铂电极5引起电信号变化并被第二电信号测定装置13检测到；即在第一工作状态下，第二电信号值反映出第二腔室7中由第四铂电极6移动至第三铂电极5的氧离子的数量，即向第二腔室补充氧气的数量。本公开中可以控制第二电信号值和第一电信号值相同，即氧离子流通量相同，用以保证向第二腔室7和向第一腔室4内补充氧气的数量基本相同。这一控制过程可以采用第一腔室4的第一电信号值为基准，通过控制系统控制第二电源12的电压来控制第二电信号值与第一电信号值相同。
当第一工作状态运行第一时间间隔后，例如2s，第一腔室4和第二腔室7内具有充足氧气，然后控制传感器切换至第二工作状态，此时第一腔室4和第二腔室7的工作原理可看作与富氧工况相似，确定氨气含量的方法也相似，在此不再赘述。当第二工作状态运行第二时间间隔后，例如2s，继续切换至第一工作状态来补充氧气，如此交替进行。贫氧工作状态可以直至钳位电信号测定装置16得到的钳位电信号大于钳位预设值，然后切换为富氧工况。其中第一时间间隔和第二时间间隔可以各自独立地为1～3s。
需要理解的是，本公开提供的传感器中由于引入的尾气时刻处于流通中，尾气中的氨气在第二腔室7中也会出现“逃逸”现象，因此监测到的氨气的量并非是绝对精准的数值，而是一种“代表性数值”。
一种实施方式中，该传感器还包括电极连接控制装置，电极连接控制装置与钳位电信号测定装置16信号连接，用以根据钳位电信号测定装置16测得的钳位电信号与钳位电信号测定装置16预设的钳位预设值的大小关系控制监测氨含量的传感器的富氧工况或贫氧工况；当处于贫氧工况时，该电极连接控制装置还可以控制第一工作状态和第二工作状态时铂电极与电源连接方式的切换。
一种实施方式中，固体电解质基体9包含ZrO2以及掺杂材料；掺杂材料选自CaO、MgO和稀土氧化物中的至少一种，稀土氧化物选自Y2O3、La2O3、Gd2O3和Sm2O3中的至少一种；
可选的，固体电解质基体9中，ZrO2的颗粒粒径为5～50μm，优选为10～20μm；
可选的，固体电解质基体9中，掺杂材料的颗粒粒径为5～50μm，优选为10～20μm；
可选的，掺杂材料选自Y2O3和CaO中的至少一种；
可选的，固体电解质基体9中的掺杂材料的体积分数为7-10％，优选为7.5-8.5％。
本公开采用的固体电解质基体9的组成有利于提高固体电解质基体9的离子导通性能，添加的掺杂材料既可以提高氧离子空位的浓度，又可以使得ZrO2在低温下以四方体或立方体形式存在，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/氧离子流动率。
本公开中，通过将氧气转化为氧离子并通过固体电解质基体进行传导的工作原理如图2所示。当在固体电解质21的两段施加一电压时(例如1V)，“A区域”19接负极(-)电压，“B区域”20接正极电压。其“A区域”的氧分子(O2)22在铂电极24上得到电子23(4e-)形成氧离子(O2-)，氧离子(O2-)通过固体电解质21中的氧空位，迅速迁移到低氧浓度侧的铂电极25上(“B区域”表面)，由于“B区域”连接“正极(+)”，所以氧离子(O2-)在铂电极25上再失去电子以氧分子(O2)状态被释放出来。
一种实施方式中，该传感器还包括加热单元；加热单元包括加热电极、加热电阻17和加热电压18，加热电极和加热电阻17设于固体电解质基体9内部；加热电极和加热电阻17位于钳位电极气体流道与的固体电解质基体9的底部之间，且加热电极和加热电阻17分别与固体电解质基体9的底部平行；加热电压18的一端与加热电极连接，另一端与加热电阻17连接。
本公开通过在固体电解质基体9中设置加热电阻17来控制固体电解质基体9以及涂覆于固体电解质基体9上的铂电极的温度控制在600～800℃，氧浓差电势符合能斯特方程，也较为稳定。也可以将涂覆于第三铂电极5表面的氨气捕捉颗粒14的温度控制在“600～800℃”，避免被捕捉吸附的氨气与尾气中残余的氮氧化物发生反应，降低了对氨气含量监测效果的不良影响。
一种具体实施方式中，本公开提供的监测氨含量的传感器还可以预先设定氨气含量监测阈值，当检测到的氨气含量超过监测阈值时，说明尾气中氨气含量严重超标，反映出SCR或者SDPF装置的尿素喷射装置喷射的氨气严重超标甚至可能出现氨气长喷等设备故障，因此监测氨含量的传感器触发警报。具体地，氨气含量监测阈值可以为氧气含量的10～20％(以摩尔计)中的任意数值。
一种优选实施方式中，如图1所示，本公开提供了一种监测氨含量的传感器，包括：基体，基体上分别设置有进气口和出气口，基体内分别设置有第一腔室4和第二腔室7，第二腔室7与第一腔室4均连通进气口，第二腔室7与第一腔室4还均连通出气口；该传感器还包括：固体电解质基体9、第一铂电极2、第二铂电极3、钳位电极8、第三铂电极5、第四铂电极6、第一电源10、第一电信号测定装置11、第二电源12、第二电信号测定装置13和钳位电信号测定装置16；固体电解质基体9形成为基体，固体电解质基体9允许电子和氧离子流通；第一铂电极2覆于第一腔室4的顶部内壁上，第二铂电极3覆于固体电解质基体9的顶部外壁上，第一铂电极2与第二铂电极3通过固体电解质基体9连通；第一电源10的一极连接与第一铂电极2，另一极与第二铂电极3连接；第三铂电极5覆于第二腔室7的顶部内壁上；第四铂电极6覆于固体电解质基体9的顶部外壁上；第三铂电极5与第四铂电极6通过固体电解质基体9连通；第二电源12的一极与第三铂电极5，另一极与第四铂电极6连接；第一电信号测定装置11与第一铂电极2和第二铂电极3连接；第二电信号测定装置13与第三铂电极5和第四铂电极6连接；
固体电解质基体9还设有水平凹槽形式的钳位电极气体流道，钳位电极气体流道的开口与外部环境连通处，钳位电极8覆于钳位电极气体流道的上侧壁，钳位电信号测定装置16与钳位电极8和第一铂电极2连接；
该传感器还包括测试气体主流道1、第一气体支流道和第二气体支流道；固体电解质基体9包括相对设置的左侧壁和右侧壁；第一腔室4和第二腔室7沿由左至右的方向上设于固体电解质基体9内；第一腔室4和第二腔室7之间具有间隔；第一腔室4设有朝向右侧壁的第一气体入口，第二腔室7设有朝向左侧壁的第二气体入口；
进气口设于固体电解质基体9的顶部并沿竖直方向向固体电解质基体9内部延伸形成为测试气体主流道1；测试气体主流道1的延伸末端在水平方向上向固体电解质基体9的左侧壁延伸形成第一气体支流道；测试气体主流道1的延伸末端在水平方向上向右侧壁延伸形成第二气体支流道；第一气体支流道的延伸末端与第一腔室4的第一气体入口连通，第二气体支流道的延伸末端与第二腔室7的第二气体入口连通；第二铂电极3位于进气口和左侧壁之间；第四铂电极6位于进气口和右侧壁之间；第一腔室4的前侧壁和后侧壁分别向固体电解质基体9外部延伸并贯穿固体电解质基体9，形成为第一腔室4的腔室出口；第二腔室7的前侧壁和后侧壁分别向固体电解质基体9外部延伸并贯穿固体电解质基体9，形成为第二腔室7的腔室出口；第一腔室4的腔室出口和第二腔室7的腔室出口形成为传感器的出气口；固体电解质基体9的右侧壁上设有钳位电极气体流道入口，钳位电极气体流道入口沿水平方向向固体电解质基体9内部延伸形成为钳位电极气体流道；钳位电极气体流道位于第一腔室4和第二腔室7下方且与第一腔室4和第二腔室7具有间隔；第二腔室7内设有氨气捕捉层和贵金属层，第三铂电极5覆于第二腔室7的上侧壁，贵金属层覆于第三铂电极5上，氨气捕捉层覆于贵金属层上；氨气捕捉层包含氨气捕捉颗粒14；氨气捕捉颗粒14包含Ni3V2O8；氨气捕捉颗粒14的粒径为2～25μm；氨气捕捉层的厚度为2～25μm；氨气捕捉层的长度为1～10mm；氨气捕捉层的宽度为1～8mm；贵金属层包含贵金属颗粒15；贵金属包括Au第二腔室7内设有氨气捕捉层和贵金属层，第三铂电极5覆于第二腔室7的上侧壁，贵金属层覆于第三铂电极5上，氨气捕捉层覆于贵金属层上；氨气捕捉层包含氨气捕捉颗粒14；氨气捕捉颗粒包含Ni3V2O8；氨气捕捉颗粒的粒径为2～25μm；氨气捕捉层的厚度为2～25μm；氨气捕捉层的长度为1～10mm；氨气捕捉层的宽度为1～8mm；贵金属层包含贵金属颗粒；贵金属包括Au；
该传感器还包括加热单元；加热单元包括加热电极、加热电阻17和加热电压18，加热电极和加热电阻17设于固体电解质基体9内部；加热电极和加热电阻17位于钳位电极气体流道与的固体电解质基体9的底部之间，且加热电极和加热电阻17分别与固体电解质基体9的底部平行；加热电压18的一端与加热电极连接，另一端与加热电阻17连接。
本公开第二方面提供一种监测尾气中氨含量的方法，采用本公开第一方面所述的传感器，该传感器结构如图1所示，该方法包括以下步骤：
使尾气经所述进气口进入所述传感器，然后分流进入所述第一腔室4和第二腔室7；
获取所述第一腔室4的第一电信号值以及所述第二腔室7的第二电信号值；根据所述第一电信号值和所述第二电信号值确定所述尾气中的氨气的含量。
一种具体实施方式中，所述的根据所述第一电信号值和所述第二电信号值确定所述尾气中的氨气含量，包括：
根据第一电信号测定装置11测得的第一电信号值确定所述第一腔室4内未与目标气体发生氧化反应的第一氧气量；根据第二电信号测定装置13测得的第二电信号值确定所述第二腔室7内未与氨气及所述目标气体发生反应的第二氧气量；
根据所述第一氧气量和所述第二氧气量的差值确定所述第二腔室7内与氨气发生氧化反应的第三氧气量，根据所述第三氧气量确定尾气中氨气的含量。
本公开中，第一腔室4和第二腔室7内发生反应以及电信号值的产生原理在前述内容已经进行了详细描述，在此不再赘述。
一种实施方式中，该方法还包括：
获取钳位电信号测定装置16的第三电信号值；判断所述第三电信号值是否大于钳位预设值；
若所述第一电信号值大于所述钳位预设值，则控制所述传感器处于富氧工况；
若所述第一电信号值不大于所述钳位预设值，则控制所述传感器处于贫氧工况。
一种具体实施方式中，所述的控制所述传感器处于富氧工况，包括：
使所述第一腔室4的第一铂电极2与第一电源10的负极连接，使第二铂电极3与第一电源10的正极连接；使所述第二腔室7的第三铂电极5与第二电源12的负极连接，使第四铂电极6与第二电源12的正极连接。
另一种具体实施方式中，所述贫氧工况包括持续第一时间间隔的第一工作状态和持续第二时间间隔的第二工作状态，所述第一工作状态和第二工作状态依次交替切换；
所述的控制所述传感器处于贫氧工况，包括：
在第一时间间隔内，使所述第一腔室4的第一铂电极2与第一电源10的正极连接，使第二铂电极3与第一电源10的负极连接；使所述第二腔室7的第三铂电极5与第二电源12的正极连接，使第四铂电极6与第二电源12的负极连接；
在第二时间间隔内，使所述第一腔室4的第一铂电极2与第一电源10的负极连接，使第二铂电极3与第一电源10的正极连接；使所述第二腔室7的第三铂电极5与第二电源12的负极连接，使第四铂电极6与第二电源12的正极连接。
其中富氧工况和贫氧工况的基体工作原理在前述内容已经进行了描述，在此不再赘述。
根据本公开，第一时间间隔和第二时间间隔各自独立地为1～3s。
一种优选实施方式中，所述加热电阻17用于将第一铂电极2、第二铂电极3、钳位电极8、第三铂电极5、第四铂电极6加热至600～800℃。
一种具体实施方式中，所述尾气为经由SDPF装置或者SCR装置处理后的尾气；
所述尾气中，氨气与氧气的摩尔比为0.1～0.2:1。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，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，这些简单变型均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，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。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种监测氨含量的传感器，其特征在于，包括基体，所述基体上分别设置有进气口和出气口，所述基体内分别设置有第一腔室（4）和第二腔室（7），所述第二腔室（7）与所述第一腔室（4）均连通所述进气口，所述第二腔室（7）与所述第一腔室（4）还均连通所述出气口；
其中，所述第一腔室（4）用于使尾气中的目标气体发生氧化反应，并能测量出未参与该反应的氧气所引起的电流变化或电压变化，所述目标气体包括HC、CO和H2中的一种或多种；
所述第二腔室（7）用于使尾气中的氨气及所述目标气体均发生氧化反应，并能测量出未参与该反应的氧气所引起的电流变化或电压变化；
该传感器还包括：固体电解质基体（9）、第一铂电极（2）、第二铂电极（3）、钳位电极（8）、第三铂电极（5）、第四铂电极（6）、第一电源（10）、第一电信号测定装置（11）、第二电源（12）、第二电信号测定装置（13）和钳位电信号测定装置（16）；所述固体电解质基体（9）形成为所述基体，所述固体电解质基体（9）允许氧离子流通；
该传感器还包括测试气体主流道（1）、第一气体支流道和第二气体支流道；所述固体电解质基体（9）包括相对设置的左侧壁和右侧壁；所述第一腔室（4）和所述第二腔室（7）沿由左至右的方向上设于所述固体电解质基体（9）内；所述第一腔室（4）和所述第二腔室（7）之间具有间隔；所述第一腔室（4）设有朝向所述右侧壁的第一气体入口，所述第二腔室（7）设有朝向所述左侧壁的第二气体入口；
所述第一铂电极（2）覆于所述第一腔室（4）的顶部内壁上，所述第二铂电极（3）覆于所述固体电解质基体（9）的顶部外壁上；所述第一电源（10）的一极连接于所述第一铂电极（2），另一极与所述第二铂电极（3）连接；
所述第三铂电极（5）覆于所述第二腔室（7）的顶部内壁上；所述第四铂电极（6）覆于所述固体电解质基体（9）的顶部外壁上；所述第二电源（12）的一极与所述第三铂电极（5）连接，另一极与所述第四铂电极（6）连接；所述第一电信号测定装置（11）与所述第一铂电极（2）和所述第二铂电极（3）连接；
所述第二电信号测定装置（13）与所述第三铂电极（5）和第四铂电极（6）连接；
所述固体电解质基体（9）还设有水平凹槽形式的钳位电极气体流道，所述钳位电极气体流道的开口与外部大气环境连通处，所述钳位电极（8）覆于所述钳位电极气体流道的上侧壁，所述钳位电信号测定装置（16）与所述钳位电极（8）和所述第一铂电极（2）连接；
所述进气口设于所述固体电解质基体（9）的顶部并沿竖直方向向所述固体电解质基体（9）内部延伸形成为所述测试气体主流道（1）；所述测试气体主流道（1）的延伸末端在水平方向上向所述固体电解质基体（9）的左侧壁延伸形成所述第一气体支流道；所述测试气体主流道（1）的延伸末端在水平方向上向所述右侧壁延伸形成所述第二气体支流道；所述第一气体支流道的延伸末端与所述第一腔室（4）的第一气体入口连通，所述第二气体支流道的延伸末端与所述第二腔室（7）的第二气体入口连通。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第二铂电极（3）位于所述进气口和所述左侧壁之间；所述第四铂电极（6）位于所述进气口和所述右侧壁之间；
所述第一腔室（4）的前侧壁和后侧壁分别向所述固体电解质基体（9）外部延伸并贯穿所述固体电解质基体（9），形成为所述第一腔室（4）的腔室出口；所述第二腔室（7）的前侧壁和后侧壁分别向所述固体电解质基体（9）外部延伸并贯穿所述固体电解质基体（9），形成为所述第二腔室（7）的腔室出口；所述第一腔室（4）的腔室出口和所述第二腔室（7）的腔室出口形成为所述传感器的出气口。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述固体电解质基体（9）的右侧壁上设有钳位电极气体流道入口，所述钳位电极气体流道入口沿水平方向向所述固体电解质基体（9）内部延伸形成为所述钳位电极气体流道；所述钳位电极气体流道位于所述第一腔室（4）和第二腔室（7）下方且与所述第一腔室（4）和第二腔室（7）具有间隔。
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第二腔室（7）内设有氨气捕捉层和贵金属层，所述第三铂电极（5）覆于所述第二腔室（7）的上侧壁，所述贵金属层覆于所述第三铂电极（5）上，所述氨气捕捉层覆于所述贵金属层上；所述氨气捕捉层包含氨气捕捉颗粒（14）；
所述氨气捕捉颗粒包含Ni3V2O8；所述氨气捕捉颗粒的粒径为2~25μm；
所述氨气捕捉层的厚度为2~25μm；所述氨气捕捉层的长度为1~10mm；所述氨气捕捉层的宽度为1~8mm；
所述贵金属层包含贵金属颗粒；所述贵金属包括Au。
5.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，该传感器还包括加热单元；所述加热单元包括加热电极、加热电阻（17）和加热电压（18），所述加热电极和加热电阻（17）设于所述固体电解质基体（9）内部；所述加热电极和加热电阻（17）位于所述钳位电极气体流道与所述的固体电解质基体（9）的底部之间，且所述加热电极和加热电阻（17）分别与所述固体电解质基体（9）的底部平行；所述加热电压（18）的一端与所述加热电极连接，另一端与所述加热电阻（17）连接。
6.一种监测尾气中氨含量的方法，其特征在于，采用权利要求1~5中任意一项所述的传感器，该方法包括以下步骤：
使尾气经所述进气口进入所述传感器，然后分流进入所述第一腔室（4）和第二腔室（7）；
获取所述第一腔室（4）的第一电信号值以及所述第二腔室（7）的第二电信号值；根据所述第一电信号值和所述第二电信号值确定所述尾气中的氨气的含量。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的根据所述第一电信号值和所述第二电信号值确定所述尾气中的氨气含量，包括：
根据第一电信号测定装置（11）测得的第一电信号值确定所述第一腔室（4）内未与目标气体发生氧化反应的第一氧气量；根据第二电信号测定装置（13）测得的第二电信号值确定所述第二腔室（7）内未与氨气及所述目标气体发生氧化反应的第二氧气量；
根据所述第一氧气量和所述第二氧气量的差值确定所述第二腔室（7）内与氨气发生氧化反应的第三氧气量，根据所述第三氧气量确定尾气中氨气的含量。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
获取钳位电信号测定装置（16）的第三电信号值；判断所述第三电信号值是否大于钳位预设值；
若所述第一电信号值大于所述钳位预设值，则控制所述传感器处于富氧工况；
若所述第一电信号值不大于所述钳位预设值，则控制所述传感器处于贫氧工况。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的控制所述传感器处于富氧工况，包括：
使所述第一腔室（4）的第一铂电极（2）与第一电源（10）的负极连接，使第二铂电极（3）与第一电源（10）的正极连接；使所述第二腔室（7）的第三铂电极（5）与第二电源（12）的负极连接，使第四铂电极（6）与第二电源（12）的正极连接。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述贫氧工况包括持续第一时间间隔的第一工作状态和持续第二时间间隔的第二工作状态，所述第一工作状态和第二工作状态依次交替切换；
所述的控制所述传感器处于贫氧工况，包括：
在第一时间间隔内，使所述第一腔室（4）的第一铂电极（2）与第一电源（10）的正极连接，使第二铂电极（3）与第一电源（10）的负极连接；使所述第二腔室（7）的第三铂电极（5）与第二电源（12）的正极连接，使第四铂电极（6）与第二电源（12）的负极连接；
在第二时间间隔内，使所述第一腔室（4）的第一铂电极（2）与第一电源（10）的负极连接，使第二铂电极（3）与第一电源（10）的正极连接；使所述第二腔室（7）的第三铂电极（5）与第二电源（12）的负极连接，使第四铂电极（6）与第二电源（12）的正极连接。
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