氮氧化物氣體傳感器氧氣干擾的補償方法*

錢顯威， 李雪賓， 周明軍, 宋長營， 簡家文， 鄒 杰

(1.寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211;2.中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150028;3.浙江科瑞信電子科技有限公司，浙江 湖州 313000)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，汽車尾氣、工業(yè)廢氣、垃圾焚燒等燃燒產(chǎn)生的污染氣體給人類生存環(huán)境帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。其中，氮氧化物氣體(NOx，包括NO和NO2)是危害最大且最難處理的污染物之一[1～3]。研究表明，人類在NOx體積分數(shù)為5×10-6的空氣中暴露10 min，即可造成呼吸系統(tǒng)失調(diào)[4]。為了減少NOx排放，使用選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)對燃燒尾氣進行實時脫硝，是目前普遍采用的方式。其中使用基于釔穩(wěn)定氧化鋯制備的雙腔式NOx傳感器搭配專用控制單元對高溫尾氣中的NOx進行實時監(jiān)測，是SCR實現(xiàn)精準(zhǔn)脫硝的必要前提。但目前NOx傳感器及控制單元的國際和國內(nèi)市場均被日本NGK公司、德國大陸集團等國際巨頭所壟斷。

國內(nèi)對SCR技術(shù)有著巨大的需求，為了進一步提高NOx傳感器的測量精度和環(huán)境適應(yīng)性，相關(guān)企業(yè)、高校、科研院所等在陶瓷芯片設(shè)計、制備與封裝、傳感器測試、專用控制器研發(fā)等方面做出了巨大努力與貢獻。但是，目前在使用中發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)NOx傳感器敏感探頭及其搭配的控制單元輸出的NOx體積分數(shù)測量值易受尾氣中氧氣(O2)體積分數(shù)波動的影響。雖然在NOx傳感器工作原理和物理結(jié)構(gòu)上已經(jīng)考慮了O2體積分數(shù)波動帶來的干擾[5～7]，但在實際檢測NOx過程中發(fā)現(xiàn)，僅依靠NOx傳感器的雙腔式物理結(jié)構(gòu)依然無法完全排除O2體積分數(shù)波動帶來的干擾[8，9]。

本文結(jié)合NOx傳感器敏感探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理，基于開放式NOx傳感器控制單元，研究了O2對NOx體積分數(shù)測量的影響規(guī)律，提出了一種適用于自主制備NOx傳感器敏感探頭O2干擾的補償方法，減小了外界O2體積分數(shù)變化對NOx體積分數(shù)測量的影響。

1 NOx傳感器工作原理

經(jīng)典的NOx傳感器敏感探頭核心結(jié)構(gòu)和外部連線如圖1所示，各個電極、空腔以及ZrO2固體電解質(zhì)分別形成主泵、輔助泵和測量泵結(jié)構(gòu)[9～13]。NOx傳感器的控制單元對三個泵進行控制，分解尾氣中NOx氣體，并獲取氧離子(O2-)遷移電流，從而實現(xiàn)對NOx體積分數(shù)的測量[8，12]。

圖1 NOx傳感器的結(jié)構(gòu)和外部連線

NOx傳感器工作時，加熱器將敏感探頭溫度快速穩(wěn)定在780 ℃附近。尾氣首先擴散至第一空腔，并在主泵電壓VP0作用下使絕大部分O2被泵出腔外，產(chǎn)生主泵電流IP0。隨后，剩余10-6級體積分數(shù)的O2及其他成分擴散至第二空腔，在輔助泵電壓VP1作用下進一步被泵出，產(chǎn)生輔助泵電流IP1。最終，尾氣中的NO、NO2在添加了特殊催化劑的測量泵電極作用下分解為N2和O2-，O2-在測量泵電壓VP2作用下被泵出，產(chǎn)生測量泵電流IP2，IP2即表征了污染物中NOx的體積分數(shù)[14]。由此可見，NOx體積分數(shù)僅由NOx分解產(chǎn)生的O2-電流換算獲得。因此，若測量泵附近還有未被泵出的少量O2就會對NOx的測量產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

通過上述原理可知,為實現(xiàn)NOx體積分數(shù)的測量，必須采用合理的多泵聯(lián)動控制。V0、V1和V2分別為主泵電極、輔助泵電極、測量泵電極與參比電極之間的能斯特電壓，通過對這些參數(shù)的測量及設(shè)定成為控制策略之一[15]。目前常用的IP1定值反饋控制策略是對V0、V1定值反饋控制策略的改進，具有良好控制效果[16,17]。本文采用的是由浙江科瑞信電子科技有限公司為本課題組開發(fā)的基于IP1定值反饋控制策略的開放式專用NOx傳感器控制單元。

2 實 驗

傳感器通過自主設(shè)計并對外代工制備，測試系統(tǒng)如圖2所示。具體操作步驟如下：通過多個數(shù)字質(zhì)量流量控制器(mass flow controller,MFC)中產(chǎn)生x%氧氣(O2)+y×10-6一氧化氮(NO)+余氮氣(N2)的模擬氣氛通入測試腔，其中，x=0,1,3,5,8,13,21，y=0,50,100,200,400,500,1 000,2 000，氣體總流量0.2L/min。NOx傳感器安裝在測試腔內(nèi)，與控制單元連接，并通過CAN總線將采集到的數(shù)據(jù)報送至上位機中。上位機軟件可對傳感器相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置：工作溫度為780 ℃；輔助泵電流IP1為7 μA；能斯特電壓值V1和V2為425 mV和435 mV。同時也可以讀取IP0、IP1、IP2和VP0、VP1、VP2的實時數(shù)值。模擬氣氛會經(jīng)過測試腔被NOx傳感器感知，然后經(jīng)過洗氣瓶的處理實現(xiàn)NOx的無害排放。

圖2 測試系統(tǒng)示意

3 結(jié)果分析與補償方法

3.1 主泵泵電壓、泵電流分析

在不同體積分數(shù)O2下，VP0和IP0隨著NO體積分數(shù)變化的趨勢分別如圖3、圖4所示。

圖3 不同O2體積分數(shù)下VP0隨NO體積分數(shù)值變化曲線

圖4 不同NO體積分數(shù)下IP0隨O2體積分數(shù)值變化曲線

圖3中，隨著O2體積分數(shù)增大，為了將更多的O2泵出第一空腔外，VP0從1 % O2體積分數(shù)時的88.76 mV增大到了21 % O2體積分數(shù)時的345.78 mV；而在同一O2體積分數(shù)下，IP0幾乎不隨外界NO體積分數(shù)的增長而產(chǎn)生變化，如圖4所示。并且IP0的數(shù)值與O2呈極高的線性關(guān)系，因此,通過獲取IP0可以實現(xiàn)對尾氣中O2體積分數(shù)的測量，這也說明NOx傳感器是一個高精度的O2傳感器。這為后面采用IP0表征O2體積分數(shù)值，補償O2對NOx體積分數(shù)測量的干擾提供了可能性。

3.2 測量泵泵電壓、泵電流分析

VP2與VP0有相似的增長規(guī)律。圖5中，隨著O2體積分數(shù)增大，VP2從1 % O2體積分數(shù)時的240.16 mV，增長到了21 % O2體積分數(shù)時的415.89 mV。這說明在IP1定值反饋控制策略下，VP2會隨著模擬氣氛中O2體積分數(shù)的變化進行調(diào)整，從而也說明測量泵的工作狀態(tài)會受到模擬氣氛中O2體積分數(shù)的影響。

圖5 不同NO體積分數(shù)下VP2隨O2體積分數(shù)值變化曲線

圖6中，同一O2體積分數(shù)下IP2隨NO體積分數(shù)變化曲線的擬合優(yōu)度(R2)均達到了0.99以上，表明在同一O2體積分數(shù)下的測量泵電流IP2值有很好的線性關(guān)系。但是，在不同O2體積分數(shù)下隨著NO體積分數(shù)的增大，IP2呈開叉趨勢，各O2體積分數(shù)下IP2隨NO體積分數(shù)變化的線性擬合曲線斜率呈增長趨勢，從0 % O2體積分數(shù)時的0.001 18增大到21 % O2體積分數(shù)時的0.001 49。由此可知，隨著外界O2體積分數(shù)增大，IP2受到O2體積分數(shù)的干擾并且差異增大。

圖6 不同O2體積分數(shù)下IP2隨NO體積分數(shù)值線性擬合曲線

3.3 泵電流與NOx體積分數(shù)擬合中氧氣干擾補償方法

通過以上分析可以看出,若直接采用IP2線性擬合NOx體積分數(shù)，會造成極大偏差。初步分析原因：隨著O2體積分數(shù)增大，設(shè)想通過改變VP0和IP0將更多的O2泵出腔外，保持第一空腔內(nèi)O2體積分數(shù)維持在10-6級，減少對第二空腔中NOx體積分數(shù)測量的干擾。但是，實驗數(shù)據(jù)顯示，即使10-6級O2體積分數(shù)的波動也會對NOx體積分數(shù)的擬合帶來顯著的影響，因此,考慮對NOx體積分數(shù)的測量公式中添加O2體積分數(shù)的補償，具體思路如下：

方式1 經(jīng)典測量中僅僅采用IP2來線性擬合NOx體積分數(shù)的算法公式如下

φNOx=a×IP2+b

(1)

式中φNOx為NOx體積分數(shù)值，IP2為測量泵電流，a為斜率，b為截距，視a、b為常數(shù)。但是考慮到實際測量中O2體積分數(shù)波動會對NOx體積分數(shù)值有干擾，因此認為系數(shù)a或者a、b是與O2體積分數(shù)有關(guān)的變量，引入與O2體積分數(shù)有關(guān)的IP0對其進行補償

a=c×IP0+d

(2)

b=e×IP0+f

(3)

式中c、d、e、f為常數(shù)。

方式2 將式(2)代入式(1)可得僅斜率系數(shù)a經(jīng)IP0補償?shù)臄M合公式如下

φNOx=c×IP0×IP2+d×IP2+b

(4)

方式3 將式(2)、式(3)代入式(1)中可得斜率系數(shù)a、截距系數(shù)b均經(jīng)IP0補償?shù)臄M合公式如下

φNOx=c×IP0×IP2+d×IP2+e×IP0+f

(5)

式(4)、式(5)均為推導(dǎo)得到補償O2干擾的擬合公式，其區(qū)別在于:前者僅在斜率上采用IP0對經(jīng)典測量式(1)進行補償，后者在斜率和截距上均采用了IP0對經(jīng)典測量式(1)進行補償。

通過實測數(shù)據(jù)代入計算可以分別得到式(1)具體系數(shù)a、b，式(4)具體系數(shù)b、c、d與式(5)具體系數(shù)c、d、e、f的數(shù)值和NOx體積分數(shù)值的擬合公式

φNOx=-387.336×IP2+774.825

(6)

φNOx=-0.051×IP0×IP2+840.119×IP2-390.413

(7)

φNOx=-0.051×IP0×IP2+840.119×IP2+

0.035×IP0-432.420

(8)

再將實測數(shù)據(jù)經(jīng)過式(6)～式(8)處理，分別得到式(1)、式(4)、式(5)處理后實際NO體積分數(shù)與擬合NO體積分數(shù)的曲線如圖7(a)～(c)所示。

對比圖7可以看出,在圖7(a)中擬合后的NOx體積分數(shù)值隨著O2體積分數(shù)的升高呈開叉趨勢，其曲線斜率值隨著O2體積分數(shù)的升高而不斷增大，最大、最小值相差了0.244。在圖7(b)中其斜率值穩(wěn)定在1.009附近，最大、最小值僅相差0.021，波動較小。但缺點也較明顯，由于截距b為常數(shù)，其對截距的處理使得NOx體積分數(shù)曲線在縱坐標(biāo)方向上不夠收攏，表現(xiàn)為擬合后的NOx體積分數(shù)值較遠地偏離實際值，誤差較大。在圖7(c)中NOx體積分數(shù)值與實際NOx體積分數(shù)值更為接近，且受O2體積分數(shù)的干擾更小。圖8(a)～(d)顯示了在1 %，8%，13%，21% O2體積分數(shù)下方式1～3擬合后NOx體積分數(shù)的誤差數(shù)據(jù)，可以看出:方式3擬合出NOx體積分數(shù)的誤差更接近零點基線，對NOx體積分數(shù)的測量更加精準(zhǔn)。

總之，對比圖7、圖8可以得出結(jié)論，經(jīng)方式3處理的NOx體積分數(shù)值擬合結(jié)果可以使NOx體積分數(shù)值呈現(xiàn)更高的對應(yīng)關(guān)系，對NOx的測量更加精準(zhǔn)，抗外界O2干擾的能力更強，在一定程度上明顯提高了NOx傳感器的測量精度。

圖7 三種方式處理后實際與擬合NO體積分數(shù)曲線

圖8 1 %，8 %，13 %，21 % O2體積分數(shù)下方式1-3擬合NOx體積分數(shù)誤差比較

4 結(jié) 論

本文提出了一種NOx傳感器O2干擾的補償方法，并推導(dǎo)了計算公式。通過實測數(shù)據(jù)代入發(fā)現(xiàn)：該補償方法進一步減小了外界O2體積分數(shù)變化對最終測出的NOx體積分數(shù)值產(chǎn)生的干擾，在測量過程中,O2干擾始終存在的前提下,使測量泵電流與NOx體積分數(shù)值呈現(xiàn)出更好的對應(yīng)關(guān)系，顯著提高了NOx傳感器的測量精度，對NOx傳感器的研究、研發(fā)及生產(chǎn)過程均有重要的指導(dǎo)意義，有望應(yīng)用于NOx傳感器控制單元的實際控制中。