SU1191817A1 - Датчик дл измерени парциального давлени кислорода - Google Patents

Abstract

1.ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА, содержащий расположенные на поверхности пьезоэлектрической подложки измери- .тельньй и компенсирующий тракты распространени  поверхностных акустических волн с газочувствительным эле ментом, размещенным в измерительном тракте, отличающийс  тем что, с целью повьштени  точности измерени  парциального давлени  кислорода в выхлопных газах двигател  внутреннего сгорани , в компенсирующий введен газочувствительньй элемент, выполненньш из металлоокис- ного полупроводника в виде уплотненного керамического сло , а га зочувствительный элемент-В измерительно м тракте выполнен из металлоокисного полупроводника в виде пористого керамического сло , причем оба элемен-. та выполнены с толщиной не менее де- i баевской длины в полупроводнике. 2. Датчик по П.1, отличаю (Л щийс  тем, что газочувствитель- ные элементы в измерительном и компенснрующих трактах размещены с воздушным зазором не более длины поверхностной акустической волны но отношению к поверхности подложки.

Description

1И

Изобретение относитс  к измерителной технике и может быть использовано дл  анализа отработавших газов . ABHraTBJteft внутреннего сгорани  ДВС ) транспортных средств, в частности в качестве датчика отношени  количества воздуха к количеству топлива в рабочей смеси (в/Т-отношени  ).

Цель изобретени  - ноньшение точности измерени  парциального давле- ни  кислорода в выхлопных газах ДВС.

На фиг. 1 представлен предлагаемый датчик; на фиг. 2 - то же, вид сверху.

Датчик содержит пьезоэлектрическу подложку |На поверхности которой выполнены две нары встречно-штыревых преобразователей (ВШИ ) поверхностнЕлх акустических воли (ПЛВ ) 2-3 и 4-5 соответственно , образующих соотпетст- венно измерительный (2-3) и компенсирующи (4-5) тракты распространени  ПЛВ. Путем включени  каждого из трактов в цепь обратно св зи соответствующих усилителей 6 и 7 обра- зованы ПАВ-ге 1ераторы. Выходные сигналы ИЛВ-генераторов подаютс  на сме ситель 8, выход которого нагружен на фильтр низких частот (ФНЧ ) 9.

В изЕЮ.рительном тракте ме сду вход ным 2 и выходным 3 ВШП ПЛВ размещен газочувствительньш элемент из чувст- вительного к кислороду металлоокисно го полупроводника в виде пористого керамического сло  10. Лналогичпым образом в компенсирующем тракте между входным 4 и выходным 5 ВИ1П ПЛВ размещен элемент из такого же метал- лоокисного полупроводника в виде уплотненного керамического сло  II. Оба элемента выполнены с толщиной не менее дебаевской длины в полупроводнике . Слои 10 и 11 газочувствитель- ных элементов могут быть размещены с .вoздyщны i зазором 12 не более длины ПЛВ но отношению к поверхности подложки .

Пзмерепие парциального давлени  кислорода PQ данным датчиком осуществл етс  следуютдим образом.

Возбужденные входным ВШП 2 и нро- шедшие но поверхности нодложки 1 ПЛВ принимшотс  выходным ВШП 3. Частота, при которой происходит возбу кдение ПАВ-генератора, образованного усшп1- телем 6 (с коэ45фициентом усилени , достаточным дл  компенсации иотерь в звукопроводе )с включенным в цень

8172

его обратной св зи измерительным трактом 2-3, описываетс  уравнением

ZTTn -ijjl. +

где U) - частота генерации;

L - рабоча  длина звукопровода; Lf - электрический сдвиг фазы

во BlilTI 2 и 3 и усилителе 6. Датчик устанавливаетс  в выпускном трубонроводе ДВС и нагреваетс  до рабочей температуры отработавшими газами либо с помощью зигзагообразных нагревательных элементов (не показаны ), размещаемых на внешних поверхност х керамических слоев 10 и 11. Воздействию отработавших газов подвергаетс  внешн   (не обращенна  к подложке 1) сторона слоев 10. и 11 KepaMn4ecKt X элементов , поверхность же прдложки 1 может быть при этом }1аделаю зoлиpo-

вана.

Изменение электропроводности по- лшсристаллических металлоокисных полупроводннков при хемосорбции молекул кислорода обусловлено поверхностными  влени ми в многочисленных контакт1 ы; област х между структурными зернами. Велич И1а проводимости полупроводника

(2)

NKT

где q - зар д носител ;

М - коэффициент, завис щий от формы барьера;

п,- - концентраци  носителей зар да B6jH-i3H барьера ,

N - число барьеров на 1 см длины образп.а;

V - высота барьера;

К - посто5И1на  Больцмана,

Т - температура сло  10. При хемосорб1Ц и на поверхности полупроводника п-типа молекул кислорода происходит увеличение потенциальных барьеров в местах контактов между отдельными зернами поликрис- таллической структуры сло  10, что вызовет уменьшение количества электронов нроводимости в полупроводнике и, следовательно, уменьшение нроводимости сло  10. Зависимость электропроводности сло  10 от изменени 

копцеитрации кислорода ЛС имеет вид I оЫ-V/ где уЗ - коэффициент, характеризующий вли ние изменени  концентрации кислорода на изменение высоты потенциальных барьеров. Дл  максимального изменени  электропроводности сло  10 и минимального времени установлени  равновеси  в материале сло  (повышени  быстродействи  датчика ) необходимо иметь возможно большую новерхность сло , на которой происходит контакт с газ вой фазой. Поэтому газочувствитель- ньй элемент выполнен в виде мелко- зернистого высокопористого полупро- водника керамического сло , получае- мого, например, спеканием шихты из мелкодисперсных порошков полупроводниковой керамики при высоких температурах . В качестве металлоокисньк полупро водников , чувствительных к кислороду , используют соединени  окислов п-типа или р-типа, в частности Pb(Zr,Ti) M.Oj-ZrO, где ,Yb Y,Sm,Ln,Sn02. Таким образом, при изменении парци.ального давлени  кислорода Рр в выхлопных газах ДВС сопротивление ,пористого элемента резко измен етс , например дл  TiO более, чем на 3 пор дка, если стехиометрическое значение о смеси измен етс  от значени , соответствующего бедной смеси , до значени , соответствующего богатой смеси. Распространение на поверхности пьезоподложки 1 в измерительном трак те ПАВ сопровождаетс  распространением св занного с ней электрического пол , примыкающего в полунроводнико- вьй слой 10. Взаимодействие электрического пол  ПАВ со свободными носител ми зар да в полупроводниковом слое 10 измен ет фазовую скорость V ПАВ. Следовательно, изменение пар- циального давлени  кислорода Рд приводит к изменению проводимости d сло 10, т.е. количества свободных носителей в нем, что в свою очередь- вызывает изменение фазовой скорости V ПАВ, и, как следует из (О, приводит к изменению частоты ПАВ-генератора измерительного тракта. Изменени

1191817.4

параметров распространени  ПАВ рассчитываетс  на основе выражени  К e,(l-fb/i1i) 1 + W/i, 2 --г ,гЬь/ьЬ т ; otbfih . Р ()с) J So+Eptbp где и д/з- посто нна  распространени  ПАВ и ее измене- ние; Kj- коэффициент электроме- хапическо св зи; диэлектрические посто нные подложки; Z - поверхностный импеданс полупроводникового сло  ЕС,- диэлектрическа  посто нна  свободного пространства; h - величина воздушного зазора 12. Исходньп рабочий диапазон удельной проводимости полупроводникового сло  1.0 выбираетс  в пределах от i) О0м сьг (выше которой происходит практически полное закорачивание проникающего в слой 10 электрического пол , сопрово;кдающего ПАВ) и до 6 tniri - - - которой число свободных носителей зар да в полупроводниковом слое 10 настолько мало, что оно практически не вли ет на скорость распространени  V ПАВ), Дл  подложки 1 из LiNb03 величина относительного изменени  скорости ПАВ достигает 2% и вьше при изменении Pj. от значени , соответствующего бедной , (, I МПа)|До значени , соответствующего богатой (Рр-IO -О, МПа) смеси. Исходна  электропроводность Ь сло  10 регулируетс  путем введени  различных легирующих добавок (ZnO, благородные металлы и т.д. ). Врем  установлени  равновеси  в материале газочувствительного сло  сильно зависит от пористости керамики . Уплотненна  керамика сло  11 в компенсирующем тракте, выполненна  из того же металлоокисного полупроводника как и слой 10, имеет

-В несколько раз (3-5) больше зерна и меньшую плотность, чем пориста  керс1мика сло  10, что замедл ет установление равновеси  при изменении Pjj до такой степени, -что уплотненна  керамика становитс  не чувствительной к изменени м Рд при частотах регулировани , примен емых в две (-2 Гц). Следовательно, дестабилизирующее вли ние изменений окружающей температуры, одинаковым образом измен ющей проводимость слоев 10 и 11, вызывает идентичные изменени  скорости V ПАВ и частоты ПАВ-генераторов в обоих трактах. Изменение же. P(j воздействует только iна частоту ПАВ-геператора в измери- телыюм тракте, котора  контролируетс  путем смешени  частот измерительного 11 компенсирующего ПАВ-генераторов в смесителе 8 и выделени  разностной частоты фшьтром 9.

Величипа воздушного зазора ) определ ет 3(1х1)ективность взанмодейс ВИЯ ПАВ с носител ми зар да в сло х 10 и 11, а, так как амплитуда электрического нол  ПАВ затухает приблп ,7

зительно экспоненциально с расто нием от поверхности подложки 1 с посто нной затухани  пор дка длины волны А ПАВ, то зазор выбирают минимальной величины, ограничиваемой обычно технологическими и конструктивными со- обршкени ми. Звеличение величины зазора h свыше приводит к недопус-

тимому снижению величины электрического пол , проникающего в слои 10 и 1 1 и соответству ощему снилсению вли ни  изменений Ро2 на. скорость ПАВ. Внутри слоев 10 и 11 электричес-

кое ноле ПАВ затухает в пределах де- баевской длины от поверхности полупроводниковых слоев 10 и 11. Поэтому дл  максималыюго иснользовани  всей области взаимодействи  ПАВ с полупроводнтнсовыми сло ми 10. и И при измене1пп1 PQ толщина d этих слоев ограничиваетс  снизу добаевской -длиной в полупроводнике. Значите1ИзНо уне чичивать толщнну слоеп 10 и 11

сиьпие технологических и конструктивных сообрал ений также нецелесообразно ввиду увеличени  времени установлени  (т.е. С1гижени  быстродействи ).

С, ,:

Claims (2)

1.ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА, содержащий расположенные на поверхности пьезоэлектрической подложки измери— .тельный и компенсирующий тракты распространения поверхностных акустических волн с газочувствительным эле ментом, размещенным в измерительном тракте, отличающийся тем что, с целью повышения точности измерения парциального давления кислорода в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания, в компенсирующий тракт введен газочувствительный элемент, выполненный из металлоокис— ного полупроводника в виде уплотненного керамического слоя, а газочувствительный элемент.в измерительном тракте выполнен из металлоокисного полупроводника в виде пористого керамического слоя, причем оба элемен—. та выполнены с толщиной не менее де— р баевской длины в полупроводнике.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что газочувствитель— ные элементы в измерительном и компенсирующих трактах размещены с воздушным зазором не более длины поверхностной акустической волны по отноше— | нию к поверхности подложки.

S и .,1191817

I

1191