CN217304804U - 一种用于检测氨和pm的装置及传感器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于检测氨和PM的装置及传感器，包括：基体，所述基体的一侧具有测量端，所述测量端用于将尾气中的C颗粒转化为CO₂，并能测量这一反应过程中的电流变化或电压变化；所述测量端还用于将周围的NH₃转化为N₂，并能测量这一反应过程中的电阻变化。通过本实用新型提供的装置，能够同时测量NH₃和PM的含量，对NH₃和PM的泄露做出及时的应对措施，有效地维护绿色安全的环境。

Description

一种用于检测氨和PM的装置及传感器

技术领域

本申请涉及传感器领域，特别是涉及一种用于检测氨和PM的装置及传感器。

背景技术

柴油机具有热效率高、经济性能好等特点，普遍应用于物流货车领域，随着柴油机的发展，借助于先进技术，小型汽车也开始采用绿色节能的柴油发动机，但其颗粒物排放污染是影响柴油机乘用化的首要障碍。柴油机排放的颗粒污染物(PM)主要是由干碳、可溶解性有机物和少量的硫酸、硫酸盐构成。随着柴油车排放标准升级，尤其是PM及PM限值的不断收紧，仅依靠发动机本身减少燃烧污染物和柴油氧化催化器已无法满足法规要求。在国Ⅵ、国Ⅴ项目上通过增加DPF来降低PM的排放，是当前公认的降PM的最有效手段之一，净化效率能达到90％以上。

DPF通过其特有的壁流式结构，以及涂覆的含有贵金属的催化剂涂层，实现柴油机尾气中PM与气流的分离。并可以通过主动再生等手段及被动再生等机理，将捕集到的PM通过添加催化剂或喷油升温的方式，提高DPF 中捕集的颗粒物温度，使颗粒物中的碳烟、有机物等可燃物质氧化，形成气体，排出大气。

由于安装在PDF后的SCR作为尾气处理路线中的必不可少的核心单元，其在含氧气氛下，利用还原剂氨气与尾气中的氮氧化合物发生反应，将氮氧化合物催化还原成对环境无害的氮气和水。因此，需要对NH₃的泄漏进行测量。然而相关技术中，并未有能监测NH₃的装置。因此，有必要提供一种能够满足测量PM和NH₃的含量的装置，维护绿色安全的环境。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供了一种用于检测氨和PM的装置和传感器，能够同时测量NH₃和PM的含量，对NH₃和PM的泄露做出及时的应对措施，有效地维护绿色安全的环境。

本实用新型的技术方案是：一种用于检测氨和PM的装置，包括：基体，所述基体的一侧具有测量端，所述测量端用于将尾气中的C颗粒转化为 CO₂，并能测量这一反应过程中的电流变化或电压变化；

所述测量端还用于将周围的NH₃转化为N₂，并能测量这一反应过程中的电阻变化。

可选地，所述基体为导氢板；

所述测量端具有U形凹槽；

所述U形凹槽其中一个槽壁的内外两侧分别涂覆有Pt层，两个所述Pt 层连接形成泵氢单元IP1和氢浓差单元V1；

其中，所述泵氢单元IP1用于将参与C颗粒反应的H⁺从所述一个槽壁的外侧向内侧泵进；

所述氢浓差单元V1用于基于被泵进的所述H⁺所带来的电流变化或电压变化，确定流经所述U形凹槽的C颗粒。

可选地，所述U形凹槽的另一个槽壁的外侧涂覆有测量层，所述测量层连接有第一测量电路，所述测量层用于吸附O₂，使吸附的O₂与所述NH₃发生反应引起所述测量层的电信号变化，所述第一测量电路通过所述电信号变化得到所述测量层的电阻变化。

可选地，所述导氢板远离所述U形凹槽的一侧设有空气腔室，在所述空气腔室内涂覆有比较层，所述比较层连接有第二测量电路，所述第二测量电路用于测量所述比较层的电阻信号。

可选地，所述测量层为WO₃测量层，所述比较层为WO₃比较层。

可选地，所述Pt层包括多个Pt粒，多个所述Pt粒间隔均匀地阵列设置。

可选地，所述Pt层包括多个Pt带，多个所述Pt带间隔均匀地平行设置。

可选地，所述导氢板远离所述测量端的一侧内还设有加热电极，所述加热电极用于烧除流经所述PM检测端的PM。

可选地，所述加热电极的输出端连接控制单元的输入端，所述控制单元控制所述加热电极的启动时间、加热温度和加热时间。

本实用新型还提供了一种传感器，所述传感器具有传感器探头，所述传感器探头包括护罩、内壳、滑石块、进气口和出气口，所述护罩套设于所述内壳外，所述内壳内设置有滑石块，所述滑石块将如上所述的用于检测氨和 PM的装置固定在所述内壳内。

与现有技术相比，本申请包括以下优点：

一种用于检测氨和PM的装置，包括具有测量端的基体，测量端用于将尾气中的C颗粒转化为CO₂，并能测量这一反应过程中的电流变化或电压变化；测量端还用于将周围的NH₃转化为N₂，并能测量这一反应过程中的电阻变化。采用本申请的技术方案，一方面通过测量端用于将流经导氢板外侧的尾气中的C颗粒和H₂O催化生成CO₂和H₂，H₂从导氢板的测量端的外侧迅速迁移到内侧上，H₂的迁移改变了导氢板两侧的电势差/电流差，此电势差/电流差即可转化为H₂的数量信号，由于H₂和C颗粒成线性关系，从而测量出PM的含量；另一方面还通过测量端用于将周围的NH₃转化为N₂，当周边存在NH₃时，O^2-与NH₃发生生成N₂和H₂O，通过形成的电阻差即转化成NH₃的数量信号。通过本实用新型提供的装置，安置在SCR系统的后面，只需一个传感芯片同时达到测量NH₃和PM的含量的需求，解决了未来实现智能化需要同时配备PM传感器和NH₃传感器的问题，实现了传感器的多功能化，为后续尾气后处理系统乃至测量领域的改进提供了技术思路。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对本申请的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型所述用于检测氨和PM的装置的整体示意图；

图2是本实用新型一实施例所述Pt层的整体示意图；

图3是本实用新型又一实施例所述Pt层的整体示意图；

图4是本实用新型又一实施例所述导氢板的物理原理图；

图5是本实用新型又一实施例所述用于检测氨和PM的装置的整体示意图；

图6是本实用新型所述传感器探头的整体示意图。

附图标记说明：

00、基体；01、测量端；1、PM检测端；2、NH₃检测端；3、U形凹槽； 4、Pt层；41、Pt粒；42、Pt带；5、WO₃测量层；6、空气腔室；7、WO₃比较层；8、Pt导电板；9、传感器探头；91、护罩；92、内壳；93、滑石块； 10、尾气；11、加热电极。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1示出了本实用新型的用于检测氨和PM的装置的整体示意图。如图 1所示，本申请的一种用于检测氨和PM的装置，包括：基体00，基体00 的一侧具有测量端01，测量端01用于将尾气中的C颗粒转化为CO₂，并能测量这一反应过程中的电流变化或电压变化；测量端01还用于将周围的NH₃转化为N₂，并能测量这一反应过程中的电阻变化。

本实用新型基体00优选为导氢板，导氢板由BaZrO₃和Sn_0.9In_0.1P₂O₇中的一种或两种组成。当以BaZrO₃或Sn_0.9In_0.1P₂O₇为材料的导氢板，其具有可以催化流经它的“C颗粒和H₂O”，形成CO₂、H⁺和e，并且流通其产生的H⁺。

作为本实施例的延伸，基体00还可以为钇氧化锆导氧板，钇氧化锆导氧板可在高温下发挥出电解质的特性用以流通O^2-。当C颗粒在氧化锆导氧板上被吸附，流通其产生的O^2-，得到电流信号。其中导氧板还可为掺杂CaO 的氧化锆导氧板。

如图1所示，整个填充部分为导氢板，导氢板为U形导氢板，其一侧具有U形凹槽，另一侧为方形导氢板，由于尾气进入DPF系统，流经本装置时，尾气中的C颗粒在导氢板上进行催化还原反应，生成CO₂和H₂，为了流通H⁺，使导氢板的两侧形成回路，因此装置单独作为检测PM或NH₃时，导氢板设为可形成回路的两侧的任意形状均可，通常以方形板状为优。鉴于本装置可同时检测PM和氨气，将导氢板的一侧作为具有U形凹槽状的测量端01，并且该U型导氢板相对于U型连接端的中心轴线相互对称。U型凹槽作为测量端01，当尾气同时从两侧进入导氢板时，U型导氢板的两端可分别设置用于检测PM和NH₃的结构。其中U型凹槽其中一个槽壁即对应于 PM检测端1，U型凹槽的另一个槽壁即对应于NH₃检测端2。

在另外一个实施例中，PM检测端1的两侧分别涂覆有Pt层，两个Pt 层连接形成泵氢单元IP1和氢浓差单元V1；其中，泵氢单元IP1用于将生成的H₂从PM检测端的外侧向U型凹槽内泵入；氢浓差单元V1用于基于被泵入的H₂所带来的电流变化或电压变化，确定流经U形凹槽的C颗粒。

其中Pt层为Pt材料形成的薄膜，Pt材料一方面具有优异的导电性能，另一方面可作为催化剂催化流经PM端1的C颗粒和H₂O发生反应，并将催化出的H⁺以H₂脱附，并随着催化反应的进行，自身不会被催化还原。基于相同的构思，与Pt作用相同的Ni、Ir、Ti等金属或合金及其氧化物也可替代Pt层作为本实用新型的电极材料。由于Pt层能斯特效应贡献最大，因此作为本实用新型的最优选择。

在本实施方式延伸出的另外一个优选实施例中，NH₃检测端2外侧涂覆有测量层，测量层连接有第一测量电路，所述测量层用于吸附O₂，使吸附的 O₂与所述NH₃发生反应引起所述测量层的电信号变化，所述第一测量电路通过所述电信号变化得到所述测量层的电阻变化。

更优选地，测量层为WO₃测量层5。

WO₃为n型半导体金属氧化物，其通过被吸附的目标NH₃与气敏材料表面的化学吸附氧之间的反应而引起器件电信号的变化从而测量出NH₃的含量。通过第一测量电路以器件电阻的形式得到电阻值，具体地，第一测量电路具有两根电极导线，两根电极导线分别与测量层的两端连接，通过万用表的电阻档连接两根导线，得到测量层的电阻变化，从而测量出NH₃的含量。因此作为本实施例的改进，WO₃掺杂金属或金属化合物也可应用于对氨气的敏感捕捉，比如WO₃-Ru、WO₃-Pt、WO₃-Fe₃O₄等。

上述技术方案的工作原理如下：

图4示出了导氢板的物理原理图。如图1和图4所示，PM检测端1和 NH₃检测端2可以提供H⁺的流通，在PM检测端1位于U型凹槽处的两侧施加一电压时，在尾气10流经PM检测端1的第一侧施加正极电压，在PM 检测端1的第二侧施加负极电压，两侧连接形成泵氢单元IP1，PM检测端1 催化其尾气10中的H₂O和C颗粒反应生成CO₂和H₂，H₂在PM检测端1 的第一侧的Pt层4上失去电子(4e)形成H⁺。反应公式如下：

C+2H₂O→CO₂+4H⁺+4e。

H⁺通过PM检测端1迅速迁移到低氢浓度侧的第二侧的Pt层4上，在 PM检测端1的第二侧的Pt层4上H⁺再次得到电子以H₂状态被脱附释放出来，释放出的H₂与周边的NO反应生成H₂O和N₂或者直接与O₂反应生成 H₂O。反应公式如下：

H₂+NO→H₂O+1/2N₂；

2H₂+O₂→2H₂O。

由于尾气10中的H₂O含量高于C颗粒的含量，因此，PM检测端1流通的H+产生的电势差/电流差V1即可代表C颗粒的含量。

通过在NH₃检测端2上位于U形凹槽3处的外侧涂覆WO₃测量层5，

WO₃为n型半导体金属氧化物，其通过被吸附的目标NH₃与气敏材料表面的化学吸附氧之间的反应而引起器件电信号的变化从而测量出NH₃的含量。传感器工作时，WO₃吸附气体中的O₂，并形成吸附离子O^2-，当其周围存在NH₃时，O^2-与NH₃发生如下反应：

NH₃+O^2-→N₂+H₂O+e。

由上述反应可得，NH₃与吸附态的O^2-反应并释放电子，WO₃测量层5 上的电信号发生变化，通过第一测量电路将电信号转换为电阻信号，得到电阻增大，测量端口即可得到器件变化后的电阻，从而测量出NH₃的含量。

通过本实用新型提供的装置，安置在SCR系统的后面，只需一个传感芯片同时达到测量NH₃和PM的含量的需求，解决了未来实现智能化需要同时配备PM传感器和NH₃传感器的问题，实现了传感器的多功能化，为后续尾气后处理系统乃至测量领域的改进提供了技术思路。

可选地，导氢板远离所述U形凹槽的一侧设有空气腔室，在所述空气腔室内涂覆有比较层。比较层为WO₃比较层。同样地，比较层与测量层的材料设置相同，避免由于材料敏感特性不同而引起的测量误差。通过设置空气腔室6，空气腔室6内的已知WO₃比较层7的电阻与测量层的电阻进行比较，系统迅速得到对应的电阻差，此电阻差即为对应的NH₃含量。

图3是本实用新型一实施例Pt层的整体示意图。参照图3所示，Pt层4 包括多个Pt粒41，多个Pt粒41间隔均匀地阵列设置。图4是本实用新型又一实施例Pt层的整体示意图。在本实施方式延伸出的另外一个优选实施例中，Pt层4包括多个Pt带42，多个Pt带42间隔均匀地平行设置。具体地，Pt层4的厚度为10μm。

具体地，任意两个Pt粒41的间隔距离为10μm。其中Pt粒41和Pt带 42可根据实际应用对象任意选择。其具有的Pt组分具有优异的导电性能。经过本发明人的大量创造性劳动，当Pt层4导电的同时设置间隙，即通过本实用新型Pt粒41和Pt带42的设置，可使本实用新型的H⁺具有良好的穿透性，解决了传统的Pt层4的设置挡住气体分子的逃逸的问题。通过限定Pt层4的厚度为10μm，避免由于太厚降低导电层的穿透性，太薄导致导电性性能的下降。

当然地，Pt粒41和Pt带42的长宽根据其匹配的传感器的尺寸而决定，因此不对此进行限定。优选地，采用Pt层4包括多个Pt粒41，多个Pt粒 42间隔均匀地阵列设置的方式，具有包围式的效果，最大提升传感器的工作效率。

作为本实施例的改进，在PM检测端1的一侧设置有Pt导电板8，Pt 导电板8的两侧分别与Pt层4和外部控制元件电连，用于启动泵氢单元IP1。

图5为本实用新型又一实施例用于检测氨和PM的装置的整体示意图。参照图5所示，在另外一个实施例中，PM检测端1内还设有加热电极11，加热电极11用于烧除流经PM检测端1的PM。对于PM传感器另外开发导氢加热电极11，起到“PM自清洁”作用。

进一步地，加热电极11的输出端连接控制单元的输入端，控制单元控制加热电极11的启动时间、加热温度和加热时间。应当理解的是，以控制单元设置发动机每隔5h启动一次为例：控制单元对PM检测端1内的加热电极11进行通电加热，加热到600℃，持续0.5分钟。烧掉PM检测端1上的可能存在的少量的PM。加热电极11的电阻采用的是PM检测端1上的 Pt电极。Pt电极符合能斯特方程，也最稳定。Pt电极的电阻随加热呈线性变化。能斯特方程：Rt＝R0(1+0.00385T)：Rt、R0分别为温度为0℃和T时的铂电阻的阻值。

图6为本实用新型传感器探头的整体示意图。参照图6所示，基于相同的构思，在又一具体实施方式中，本实用新型还提供了一种传感器，包括传感器本体，传感器本体上包括传感器接插头、传感器探头9、主线和电脑板，传感器探头9内固定设置有如上的用于检测氨和PM的装置。

可以理解的是，传感器探头9还包括护罩91、内壳92、滑石块93、进气口和出气口，在内壳92里设置滑石块93，滑石块93将用于检测氨和PM的装置固定在内壳92内，护罩91套设于内壳92外，护罩的一端与内壳92共同形成进气口，护罩的另一端与内壳密封连接，内壳靠近所述进气口的一端形成出气口，内壳上开设有若干通孔，护罩与内壳之间的缝隙形成第一气流通道，内壳与用于检测氨和PM的装置之间的缝隙形成第二气流通道，第一气流通道通过通孔连通第二气流通道，尾气依次流经进气口、第一气流通道、通孔、第二气流通道后，从出气口流出。可以理解的是，滑石块93由滑石粉铸压成型，是传感器常用的密封部件，因此不再赘述其原理与结构。尾气 10同时从通道的两侧的进气口进入流经PM检测端1和NH3检测端2，同时启动NH₃测量和PM测量，并从导氢板位于U形凹槽3处的出气口流出。需要说明的是，流经的尾气10均带有C颗粒和NH₃，本实用新型分别测量一端的NH₃和PM，基于此，对应的数控程序本身具有误差矫正功能，测量的值即可代表尾气中的待测物的值。其中，数控程序的矫正结构和原理不再本实用新型讨论和保护的范围内，因此不再赘述。

应当理解地，本申请说明书尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。

以上对本申请所提供的一种用于检测氨和PM的装置及传感器，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种用于检测氨和PM的装置，其特征在于，包括：基体，所述基体的一侧具有测量端，所述测量端用于将尾气中的C颗粒转化为CO₂，并能测量这一反应过程中的电流变化或电压变化；

所述测量端还用于将尾气中的NH₃转化为N₂，并能测量这一反应过程中的电阻变化。

2.根据权利要求1所述的一种用于检测氨和PM的装置，其特征在于，

所述基体为导氢板；

所述测量端具有U形凹槽；

所述U形凹槽其中一个槽壁的内外两侧分别涂覆有Pt层，两个所述Pt层电连接形成泵氢单元IP1和氢浓差单元V1；

其中，所述泵氢单元IP1用于将C颗粒与H₂O反应生成的H⁺泵入所述U形凹槽内；

所述氢浓差单元V1用于基于被泵入的所述H⁺所带来的电流变化或电压变化，确定流经所述U形凹槽的C颗粒。

3.根据权利要求2所述的一种用于检测氨和PM的装置，其特征在于，所述U形凹槽的另一个槽壁的外侧涂覆有测量层，所述测量层连接有第一测量电路，所述测量层用于吸附O₂，使吸附的O₂与所述NH₃发生反应引起所述测量层的电信号变化，所述第一测量电路通过所述电信号变化得到所述测量层的电阻变化。

4.根据权利要求3所述的一种用于检测氨和PM的装置，其特征在于，所述导氢板远离所述U形凹槽的一侧设有空气腔室，在所述空气腔室内涂覆有比较层，所述比较层连接有第二测量电路，所述第二测量电路用于测量所述比较层的电阻信号。

5.根据权利要求4所述的一种用于检测氨和PM的装置，其特征在于，所述测量层为WO₃测量层，所述比较层为WO₃比较层。

6.根据权利要求2所述的一种用于检测氨和PM的装置，其特征在于，所述Pt层包括多个Pt粒，多个所述Pt粒间隔均匀地阵列设置。

7.根据权利要求2所述的一种用于检测氨和PM的装置，其特征在于，所述Pt层包括多个Pt带，多个所述Pt带间隔均匀地平行设置。

8.根据权利要求2所述的一种用于检测氨和PM的装置，其特征在于，所述导氢板远离所述测量端的一侧内还设有加热电极，所述加热电极用于烧除流经所述导氢板的PM。

9.根据权利要求8所述的一种用于检测氨和PM的装置，其特征在于，所述加热电极的输出端连接控制单元的输入端，所述控制单元控制所述加热电极的启动时间、加热温度和加热时间。

10.一种传感器，所述传感器具有传感器探头，所述传感器探头包括护罩、内壳、滑石块、进气口和出气口，所述护罩套设于所述内壳外，所述内壳内还设置有滑石块，其特征在于，所述滑石块将如权利要求1-9任一项所述的用于检测氨和PM的装置固定在所述内壳内。

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