CN202614722U - 尾气检测传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种尾气检测传感器，具有流动空间、外壳和柱状加热检测部件，流动空间具有外侧进气口，柱状加热检测部件包括柱状绝缘外罩、氧离子导体材料棒体、检测空间以及出气口，柱状绝缘外罩内均匀设置加热体，柱状绝缘外罩上开设有多个内侧进气孔；棒体上设有氧传感器或者氧泵。本实用新型尾气检测传感器受热均匀，不会爆裂，棒体上各电极不易脱落。
Description
技术领域
本实用新型涉及机动车辆尾气排放检测领域，特别涉及一种尾气检测传感器。
背景技术
用空气作氧化剂来源燃烧燃料所产生的废气，通常含有少量但却值得注意的各种氮氧化物（NO、NO2等），统称为NOx。NOx不仅能破坏臭氧层,转化成酸雨,且在阳光下易与碳氢化合物或挥发性有机物作用,产生光化学烟雾,引起呼吸道疾病,严重威胁人类的生存与健康，因此是不受欢迎的。随着社会的发展，机动车辆的数量越来越多，而机动车辆的尾气中包括多种排放物，例如氮氧化物、颗粒物等。为了保护环境，减少机动车辆有害物的排放，通过使用诸如催化转换器的排气系统组件控制排放。当然，还需要多种气体传感器，包括NOx传感器、颗粒物传感器，用于检测排气中的排放物。
由于此种传感器需要在一定温度以上使用，颗粒物与氧气反应的温度在600℃以上，因此，氮氧化物传感器或者颗粒物传感器上均设有加热器。多年来，由于氮氧化物传感器本身为层状结构，因此，氮氧化物传感器中的加热器一直采用片状结构。例如，中国专利97117135.1：氮的氧化物的传感器以及美国专利US6773565：NOX SENSOR均公开了一种NOx传感器。图1是中国专利97117135.1中氮氧化物传感器的部件分解结构示意图，图1中12为氧化铝加热基板；图2是美国专利US6773565中氮氧化物传感器的一种实施例的结构示意图，图2中24a和24b为加热体。由图1、图2可知，上述两份专利文献中，NOx传感器由多层长方形基板构成，传感器上的加热器均设置在其中一层或两层基板上。在实际使用情况下，当机动车辆的发动机不运转时，温度下降，传感器的温度也随之降低，经过一段时间后，传感器上将结有水汽。当下次冷启动机动车辆时，随着传感器上的加热器开始工作，传感器的局部温度将瞬间升高，由于受热不均，容易导致传感器爆裂，从而无法正常工作。并且由于现有的NOx传感器与回执器做成一体，整体尺寸小，热容量小。当发动机处于不同的工况下，尾气温度发生变化时，传感器的工作温度也在发生变化。而这种类型的传感器的输出信号与温度存在很大的相关性，影响测量精度。实际应用时必须增加温度补偿电路来解决上述问题。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是：为了克服现有NOx传感器容易开裂以及电极容易脱落的不足，本实用新型提供一种尾气检测传感器，加热均匀，不易爆裂，使用寿命长。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种尾气检测传感器，具有用于稳定气流的流动空间、外壳和柱状加热检测部件，所述的柱状加热检测部件设置在外壳内部，所述的流动空间为外壳与柱状加热检测部件形成的空间，所述的流动空间具有用于通入被测气体混合物的外侧进气口，所述的柱状加热检测部件包括柱状绝缘外罩、从外部大气环境延伸入外罩内部的氧离子导体材料棒体、由柱状绝缘外罩与棒体形成的检测空间以及设置在外罩上用于与气体检测环境连通的出气口，所述的柱状绝缘外罩内均匀设置加热体，所述的柱状绝缘外罩上远离外侧进气口的一端开设有多个用于将流动空间与检测空间连通的内侧进气孔；所述的棒体上设有氧传感器和氧泵。
所述的棒体上靠近内侧进气孔的位置设有第一氧传感器，棒体上靠近第一氧传感器的位置设有第一氧泵和第三氧传感器。此时，可以作为颗粒物传感器使用。
所述的棒体上从靠近内侧进气孔的位置开始依次设有第一氧传感器和氧泵氧传感器复合体，棒体上靠近第一氧传感器的位置设有第一氧泵，棒体上靠近氧泵氧传感器复合体的位置设有第三氧传感器，所述的氧泵氧传感器复合体为第二氧传感器或第二氧泵。可以作为氮氧化物传感器，也可以作为颗粒物传感器。作为颗粒物传感器时，氧泵氧传感器复合体停止工作，不与外部电路连接。
加热体由氧化铝材料制成并独立设置，热容量大，耐热、耐震性能好，可以承受较大的的热冲击。由加热体对柱状加热检测部件进行幅射式均匀加热，能够保证不产生由于热冲击而失效的现象。对加热体加热功率进行控制，让柱状加热检测部件工作在一个恒定温度下，尾气温度发生变化时，后续的检测不会受温度的影响发生偏差，信号电路中也无需设置温度补偿电路。
一般地，作为优选，所述的棒体采用主要成分为氧化锆的氧离子导体材料。
为了产生进气压力差，保证平稳进气，所述的外侧进气口位于外壳底面上，所述的绝缘外罩靠近外侧进气口的一端具有从外壳内向外凸出的伸出端，所述的出气口位于伸出端底部。
所述的外壳包括筒状的外侧保护件和用于固定在机动车排气管的固定壳，所述的外侧保护件一端与固定壳套装连接。
一种本实用新型所述的尾气检测传感器的颗粒物浓度检测方法，包括以下步骤：
（a）启动加热体，使检测空间内达到颗粒物与氧气反应的温度条件，一般大于600℃，并通过加热体电阻阻值作为温度传感器来控制加热体的功率，确保整个柱状加热检测部件工作在一个恒定的温度中；
（b）将待测尾气通入检测空间；
（c）第一氧泵按恒定的比例将外部大气环境中的氧泵入到检测空间内；
（d）第一氧传感器测量得到待测尾气中的初始氧量，待测尾气继续前行到第三氧传感器，待测尾气前行过程中，颗粒物与氧发生反应，所以到达第三氧传感器时的待测气体中的纯氧含量已经发生变化；
（e）将第一氧传感器所测得的初始氧量加上所述的第一氧泵泵入检测空间内的氧量的总和，再减去第三氧传感器测量到的剩余氧量，得到待测尾气中C、H元素与氧反应所用去的氧量；所述的待测尾气中C、H元素和氧反应所用去的氧量与待测尾气中颗粒物浓度相关，根据其相关的函数关系，即化学方程式的反应关系，计算出颗粒物浓度。
第一种本实用新型所述的尾气检测传感器的NOx浓度检测方法，包括以下步骤：
（a）所述的氧泵氧传感器复合体为第二氧泵；
（b）启动加热体，使检测空间内达到450℃～550℃，并通过加热体电阻阻值作为温度传感器来控制加热体的功率，确保整个柱状加热检测部件工作在一个恒定的温度中；
（c）将待测尾气通入检测空间；
（d）第一氧传感器测量待测尾气中氧浓度，第一氧泵根据第一氧传感器的测量结果将氧泵出或泵入检测空间，使到达第二氧泵的待测尾气中的氧浓度固定；
（e）第二氧泵按恒定的比例从检测空间内泵出氧到外部大气环境中，促使待测尾气中的NO2转化为NO和O2，第三氧传感器测量出NO2分解后待测尾气中NO的总浓度；从而得到待测尾气中NOX总浓度。
这种测量方法需要氧泵控制氧的进出，氧泵的电极容易正反疲劳，电极易损坏，电路控制复杂。因此，实用新型人又设计了第二种NOx浓度检测方法。
第二种本实用新型所述的尾气检测传感器的NOx浓度检测方法，包括以下步骤：
（a）所述的氧泵氧传感器复合体为第二氧传感器；
（b）启动加热体，使检测空间内达到450℃～550℃，并通过加热体电阻阻值作为温度传感器来控制加热体的功率，确保整个柱状加热检测部件工作在一个恒定的温度中；
（c）将待测尾气通入检测空间；
（d）第一氧传感器测量待测尾气中氧浓度，第一氧泵根据第一氧传感器的测量结果将氧泵出或泵入检测空间，使到达第二氧传感器的待测尾气中的氧浓度固定；
（e）第二氧传感器测量此时的氧浓度；此时测的氧量为固定的氧含量加上NOx分解而加入的氧量；
（f）气体继续向后移动，NO2分解成NO和O2，而NO不分解，第三氧传感器测得此时总的氧浓度；
（g）第三氧传感器的测量值减去第二氧传感器的测量值，得到待测尾气中NO2分解出的氧浓度，按NO2分解反应方程式的换算关系得出待测尾气中已经分解的NO2的浓度，结合第二氧传感器的测量值进行计算，得出NOx的总量。
本实用新型的有益效果是，
本实用新型尾气检测传感器，采用柱状绝缘外罩，并且柱状绝缘外罩内均匀设置加热体，对柱状加热检测部件进行幅射式均匀加热，不会产生由于热冲击而失效的现象；由于受热均匀，传感器受热后均匀膨胀，棒体上各电极不易脱落,使用寿命延长；出气口位于外罩底部的中心，外侧进气口位于外壳底面并且相对于外罩缩进一段距离，产生进气压力差，平稳进气，极大降低了随发动机排气量变化而产生的测量波动；尾气经过流动空间再进入检测空间，防止尾气中的油性物质污染或者损伤检测空间中的电极；将加热体以及尾气流动的检测空间独立设置，结构简单，生产制造更加方便。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是中国专利97117135.1中氮氧化物传感器的部件分解结构示意图。
图2是美国专利US6773565中氮氧化物传感器的一种实施例的结构示意图。
图3是本实用新型尾气检测传感器实施例1的结构示意图。
图4是本实用新型尾气检测传感器实施例2的结构示意图。
图5是图4中棒体和各电极的分解结构示意图。
图1中12、氧化铝加热基板。
图2中24a和24b均为加热体。
图3中1、流动空间，2、外壳，2-1、外侧保护件，2-2、固定壳，3、柱状加热检测部件，3-1、柱状绝缘外罩，3-1-1、加热体，3-1-2、内侧进气孔，3-1-3、伸出端，3-2、棒体，3-3、检测空间，3-4、出气口，4、外侧进气口，5、第一氧传感器，6、第一氧泵，7、氧泵氧传感器复合体，8、第三氧传感器。
图4中51、第一电极，61、第二电极，71、第三电极，81、第四电极，9、第五电极，9-1、第五电极引出线，10、第六电极，10-1、第六电极引出线，11、第七电极。
具体实施方式
现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。
如图3、图4所示，本实用新型尾气检测传感器实施例1和实施例2的结构示意图。具有用于稳定气流的流动空间1、外壳2和柱状加热检测部件3，柱状加热检测部件3设置在外壳2内部，流动空间1为外壳2与柱状加热检测部件3形成的空间，流动空间1具有用于通入被测气体混合物的外侧进气口4，柱状加热检测部件3包括柱状绝缘外罩3-1、从外部大气环境延伸入外罩内部的主要成分为氧化锆的棒体3-2、由柱状绝缘外罩3-1与棒体3-2形成的检测空间3-3以及设置在外罩3-1上用于与气体检测环境连通的出气口3-4，柱状绝缘外罩3-1内均匀设置加热体3-1-1，柱状绝缘外罩3-1上远离外侧进气口4的一端开设有多个用于将流动空间1与检测空间3-3连通的内侧进气孔3-1-2。加热体3-1-1为氧化铝加热体。
外壳2包括筒状的外侧保护件2-1和用于固定在机动车排气管的固定壳2-2，所述的外侧保护件2-1一端与固定壳2-2套装连接，另一端端面上开设有用于将尾气导入外侧保护件2-1内部的外侧进气口4，内侧进气孔3-1-2为圆孔，绝缘外罩3-1上远离外侧进气口4的一端圆周均布。外侧进气口4位于外壳2底面上，绝缘外罩3-1靠近外侧进气口4的一端具有从外壳2内向外凸出的伸出端3-1-3，出气口3-4位于伸出端3-1-3底部。
实施例1
如图3所示，棒体3-2呈片状，棒体3-2上从靠近内侧进气孔3-1-2的位置开始依次设有第一氧传感器5和第三氧传感器8，第一氧泵6与第一氧传感器5相对设置。
实施例1的尾气检测传感器作为颗粒物传感器使用，颗粒物浓度检测方法为，包括以下步骤：
（a）启动加热体3-1-1，使检测空间3-3内达到颗粒物与氧气反应的温度条件，一般大于680℃，并通过加热体3-1-1电阻阻值作为温度传感器来控制加热体3-1-1的功率，确保整个柱状加热检测部件3工作在一个恒定的温度中；
（b）将待测尾气通入检测空间3-3；
（c）第一氧泵6按恒定的比例将外部大气环境中的氧泵入到检测空间3-3内；
（d）第一氧传感器5测量得到待测尾气中的初始氧量，待测尾气继续前行到第三氧传感器8，待测尾气前行过程中，颗粒物与氧发生反应，所以到达第三氧传感器8时的待测尾气中的氧含量已经发生变化；
（e）将第一氧传感器5所测得的初始氧量加上所述的第一氧泵6泵入检测空间3-3内的氧量的总和，再减去第三氧传感器8测量到的剩余氧量，得到待测尾气中C、H元素与氧反应所用去的氧量；所述的待测尾气中C、H元素和氧反应所用去的氧量与待测尾气中颗粒物浓度相关，根据其相关的函数关系，即化学方程式的反应关系，计算出颗粒物浓度。
实验对比修正，待测尾气中颗粒物浓度先由激光浓度分析仪（AVL 483 MicroSoot Sensor，AVL李斯特公司生产）测量得出，然后将颗粒物浓度与本实用新型的尾气检测传感器测得的颗粒物浓度值描点画图得出函数关系。
实施例2
如图4所示，棒体3-2呈片状，棒体3-2上从靠近内侧进气孔3-1-2的位置开始依次设有第一氧传感器5，氧泵氧传感器复合体7和第三氧传感器8，氧泵氧传感器复合体7为第二氧传感器或者第二氧泵，第一氧泵6与第一氧传感器5相对设置。如图5所示，第一电极51与第五电极9，第六电极10组成第一氧传感器5；同理，第三电极71与第五电极9，第六电极10组成氧泵氧传感器复合体7，第四电极81与第五电极9，第六电极10组成第三氧传感器8；第二电极61与第七电极11组成第一氧泵6。第五电极引出线9-1为第五电极9从棒体3-2内向外引出的电极，第六电极引出线10-1为第六电极10和第七电极11从棒体3-2内共同向外引出的电极，第五电极9用于控制氧在氧化锆的棒体3-2上的流动方向，即氧的泵入或泵出。
实施例2中尾气检测传感器作为氮氧化物传感器的第一种NOx浓度检测方法，包括以下步骤：
（a）所述的氧泵氧传感器复合体7为第二氧泵；
（b）启动加热体3-1-1，使检测空间3-3内达到500℃～550℃，并通过加热体3-1-1电阻阻值作为温度传感器来控制加热体3-1-1的功率，确保整个柱状加热检测部件3工作在一个恒定的温度中；
（c）将待测尾气通入检测空间3-3；
（d）第一氧传感器5测量待测尾气中氧浓度，第一氧泵6根据第一氧传感器5的测量结果将氧泵出或泵入检测空间3-3，使到达第二氧泵的待测尾气中的氧浓度固定；
（e）第二氧泵按恒定的比例从检测空间3-3内泵出氧到外部大气环境中，促使待测尾气中的NO2转化为NO和O2，第三氧传感器8测量出NO2分解后待测尾气中NO的总浓度；从而得到待测尾气中NOX总浓度。
根据实验对比修正，使输出信号即为尾气中NOX的浓度值。实验方法为：将本实用新型的尾气检测传感器的所测得的NOX浓度与现有的NOx浓度检测仪的测量值作对比，描点画图得出函数关系，然后根据函数关系调整本实用新型的尾气检测传感器的输出信号。
实施例2中尾气检测传感器作为氮氧化物传感器的第二种NOx浓度检测方法，包括以下步骤：
（a）所述的氧泵氧传感器复合体7为第二氧传感器；
（b）启动加热体3-1-1，使检测空间3-3内达到450℃～550℃，并通过加热体3-1-1电阻阻值作为温度传感器来控制加热体3-1-1的功率，确保整个柱状加热检测部件3工作在一个恒定的温度中；
（c）将待测尾气通入检测空间3-3；
（d）第一氧传感器5测量待测尾气中氧浓度，第一氧泵6根据第一氧传感器5的测量结果将氧泵出或泵入检测空间3-3，使到达第二氧传感器的待测尾气中的氧浓度固定；
（e）第二氧传感器测量此时的氧浓度；
（f）气体继续向后移动，NO2分解成NO和O2，而NO不分解，第三氧传感器8测得此时总的氧浓度；
（g）第三氧传感器8的测量值减去第二氧传感器的测量值，得到待测尾气中NO2分解出的氧浓度，按NO2分解反应方程式的换算关系得出待测尾气中已经分解的NO2的浓度，第二氧传感器对于NO的浓度和NO2的浓度所得的测量值的正负相反，则第二氧传感器测得的读数为NO的浓度和NO2的浓度的差值，结合第二氧传感器的测量值进行计算，得出NOx的总量。
根据实验对比修正，使输出信号即为尾气中NOX的浓度值。实验方法为：将本实用新型的尾气检测传感器的所测得的NOX浓度与现有的NOx浓度检测仪的测量值作对比，描点画图得出函数关系，然后根据函数关系调整本实用新型的尾气检测传感器的输出信号。
实施例2中尾气检测传感器作为颗粒物传感器的颗粒物浓度检测方法，包括以下步骤：
（a）启动加热体3-1-1，使检测空间3-3内达到颗粒物与氧气反应的温度条件，一般大于680℃，并通过加热体3-1-1电阻阻值作为温度传感器来控制加热体3-1-1的功率，确保整个柱状加热检测部件3工作在一个恒定的温度中；
（b）将待测尾气通入检测空间3-3；
（c）第一氧泵6按恒定的比例将外部大气环境中的氧泵入到检测空间3-3内，氧泵氧传感器复合体7停止工作；
（d）第一氧传感器5测量得到待测尾气中的初始氧量，待测尾气继续前行到第三氧传感器8，待测尾气前行过程中，颗粒物与氧发生反应，所以到达第三氧传感器8时的待测尾气中的氧含量已经发生变化；
（e）将第一氧传感器5所测得的初始氧量加上所述的第一氧泵6泵入检测空间3-3内的氧量的总和，再减去第三氧传感器8测量到的剩余氧量，得到待测尾气中C、H元素与氧反应所用去的氧量；所述的待测尾气中C、H元素和氧反应所用去的氧量与待测尾气中颗粒物浓度相关，根据其相关的函数关系，即化学方程式的反应关系，计算出颗粒物浓度。
实验对比修正，待测尾气中颗粒物浓度先由激光浓度分析仪（AVL 483 MicroSoot Sensor，AVL李斯特公司生产）测量得出，然后将颗粒物浓度与本实用新型的尾气检测传感器测得的颗粒物浓度值描点画图得出函数关系。
以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (6)
1.一种尾气检测传感器，其特征在于：具有用于稳定气流的流动空间（1）、外壳（2）和柱状加热检测部件（3），所述的柱状加热检测部件（3）设置在外壳（2）内部，所述的流动空间（1）为外壳（2）与柱状加热检测部件（3）形成的空间，所述的流动空间（1）具有用于通入被测气体混合物的外侧进气口（4），所述的柱状加热检测部件（3）包括柱状绝缘外罩（3-1）、从外部大气环境延伸入外罩内部的氧离子导体材料棒体（3-2）、由柱状绝缘外罩（3-1）与棒体（3-2）形成的检测空间（3-3）以及设置在外罩（3-1）上用于与气体检测环境连通的出气口（3-4），所述的柱状绝缘外罩（3-1）内均匀设置加热体（3-1-1），所述的柱状绝缘外罩（3-1）上远离外侧进气口（4）的一端开设有多个用于将流动空间（1）与检测空间（3-3）连通的内侧进气孔（3-1-2）；所述的棒体（3-2）上设有氧传感器和氧泵。
2.如权利要求1所述的尾气检测传感器，其特征在于：所述的棒体（3-2）上靠近内侧进气孔（3-1-2）的位置设有第一氧传感器（5），棒体（3-2）上靠近第一氧传感器（5）的位置设有第一氧泵（6）和第三氧传感器（8）。
3.如权利要求1所述的尾气检测传感器，其特征在于：所述的棒体（3-2）上从靠近内侧进气孔（3-1-2）的位置开始依次设有第一氧传感器（5）和氧泵氧传感器复合体（7），棒体（3-2）上靠近第一氧传感器（5）的位置设有第一氧泵（6），棒体（3-2）上靠近氧泵氧传感器复合体（7）的位置设有第三氧传感器（8），所述的氧泵氧传感器复合体（7）为第二氧传感器或第二氧泵。
4.如权利要求1至3中任一项所述的尾气检测传感器，其特征在于：所述的外侧进气口（4）位于外壳（2）底面上，所述的绝缘外罩（3-1）靠近外侧进气口（4）的一端具有从外壳（2）内向外凸出的伸出端（3-1-3），所述的出气口（3-4）位于伸出端（3-1-3）底部。
5.如权利要求1至3中任一项所述的尾气检测传感器，其特征在于：所述的外壳（2）包括筒状的外侧保护件（2-1）和用于固定在机动车排气管的固定壳（2-2），所述的外侧保护件（2-1）一端与固定壳（2-2）套装连接。
6.如权利要求5所述的尾气检测传感器，其特征在于：所述的外侧进气口（4）位于外壳（2）底面上，所述的绝缘外罩（3-1）靠近外侧进气口（4）的一端具有从外壳（2）内向外凸出的伸出端（3-1-3），所述的出气口（3-4）位于伸出端（3-1-3）底部。
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