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CN113250798B - 一种氮氧传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氮氧传感器，涉及传感器技术领域。该氮氧传感器包括探头和控制器，探头中设置有铂加热丝，探头与控制器通过线束连接；在氮氧传感器工作时，通过铂加热丝给探头加热，并使得铂加热丝的电阻值等于预设值，在探头周围的排气温度变化过程中，控制器的加热电路通过调整铂加热丝的加热电压或者加热电流以使得铂加热丝的电阻值维持恒定为预设值，控制器根据铂加热丝两端对应的实时加热电压或实时加热电流来计算确定探头周围的实时排气温度。利用氮氧传感器探头里铂加热丝的电阻特性，在控制器里通过监控加热控制数据来倒推计算排气温度的数值，与现有技术相比，在尿素喷射系统中节省了两个温度传感器，大大节约了成本。

Description

一种氮氧传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种氮氧传感器。
背景技术
在发动机尾气排放中，有毒气体包含氮氧，为了检测并控制氮氧的排放量，通常在尾气排放管路上设置有两个氮氧传感器。前氮氧传感器应用于测量氮氧气体的浓度，SCR(尿素喷射系统)然后把该浓度值信号以及尾气排气温度反馈到车辆CAN通讯系统，使尿素喷射系统形成准确的喷射量，从而闭环控制氮氧的排放量；另外，OBD诊断系统可以根据后氮氧传感器输出的氮氧信号判断排放的合格性。
然而，传统的氮氧传感器只能测量氮氧气体和氧气浓度值，不能测量排气温度。为了获得尾气排气温度，需要针对前后氮氧传感器各设置一个温度传感器，这大大增加了SCR的成本。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种氮氧传感器，以解决利用氮氧传感器来测量排气温度的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供了一种氮氧传感器，该氮氧传感器包括探头和控制器，探头为氧化锆陶瓷探头，探头中设置有铂加热丝，探头与控制器通过线束连接；
在氮氧传感器工作时，通过铂加热丝给探头加热，并使得铂加热丝的电阻值等于预设值，在探头周围的排气温度变化过程中，控制器的加热电路通过调整铂加热丝的加热电压或者加热电流以使得铂加热丝的电阻值维持恒定为预设值，控制器根据铂加热丝两端对应的实时加热电压或实时加热电流来计算确定探头周围的实时排气温度。
可选地，利用控制器的Rh检测电路，通过内部电路电压侦测反馈来获取铂加热丝的电阻值，预设值为10.065欧，并且在预设值为10.065欧的情况下，探头的工作温度处于800℃。
可选地，根据所获取的铂加热丝的电阻值，控制器的加热电路通过脉宽调制来调整铂加热丝的加热电压以使得铂加热丝的电阻值维持恒定为预设值，并且控制器根据铂加热丝两端对应的实时加热电压来计算确定探头周围的实时排气温度。
可选地，铂加热丝的加热电压V与加热电路施加的电压脉冲占空比x之间满足如下线性关系：V＝11.985x-0.006。
可选地，铂加热丝的温度T与铂加热丝的加热电压V之间满足如下关系：T＝-7.5V3+137.11V2-708.09V+1560.12。
可选地，在氮氧传感器检测到探头周围的排气中氧气含量等于指定值时，通过改变排气温度，以获取不同排气温度下对应的加热电压的电压脉冲占空比，从而通过数值拟合的方式获得排气温度与电压脉冲占空比之间的关系。
可选地，在指定值为4％的情况下，排气温度与电压脉冲占空比之间的关系满足下式：
y＝-4949.2x2+114923x-725474，其中，x表示电压脉冲占空比，y表示排气温度。
可选地，在指定值为16％的情况下，排气温度与电压脉冲占空比之间的关系满足下式：
y＝-4239.5x2+108428x-692966，其中，x表示电压脉冲占空比，y表示排气温度。
可选地，控制器与安装有氮氧传感器的车辆的CAN总线连接，并且控制器根据所施加的电压脉冲占空比以及排气温度与电压脉冲占空比之间的关系，实时计算排气温度，并且将排气温度反馈至CAN总线。
可选地，车辆的尿素喷射系统与CAN总线连接，尿素喷射系统通过CAN总线获取排气温度。
本发明的有益效果包括：
本发明提供的氮氧传感器包括探头和控制器，探头为氧化锆陶瓷探头，探头中设置有铂加热丝，探头与控制器通过线束连接；在氮氧传感器工作时，通过铂加热丝给探头加热，并使得铂加热丝的电阻值等于预设值，在探头周围的排气温度变化过程中，控制器的加热电路通过调整铂加热丝的加热电压或者加热电流以使得铂加热丝的电阻值维持恒定为预设值，控制器根据铂加热丝两端对应的实时加热电压或实时加热电流来计算确定探头周围的实时排气温度。利用氮氧传感器陶瓷探头里铂加热丝的电阻特性，在氮氧传感器控制器里通过监控加热控制数据来倒推环境温度(排气温度)的数值，与现有技术相比，在尿素喷射系统中节省了两个温度传感器，大大节约了成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例提供的氮氧传感器的结构示意图；
图2示出了本发明实施例提供的氧化锆陶瓷探头的结构示意图；
图3示出了本发明实施例提供的氮氧传感器的传感器温度与铂加热丝电阻值之间的关系曲线；
图4示出了本发明实施例提供的氮氧传感器的传感器温度与铂加热丝的加热电压之间的关系曲线；
图5A和图5B分别示出了本发明实施例提供的氮氧传感器在不同氧气浓度下测量的排气温度与铂加热丝的加热电压PWM之间的关系曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在发动机尾气排放中，有毒气体包含氮氧，为了检测并控制氮氧的排放量，通常在尾气排放管路上设置有两个氮氧传感器。前氮氧传感器应用于测量氮氧气体的浓度，SCR(尿素喷射系统)然后把该浓度值信号以及尾气排气温度反馈到车辆CAN通讯系统，使尿素喷射系统形成准确的喷射量，从而闭环控制氮氧的排放量；另外，OBD诊断系统可以根据后氮氧传感器输出的氮氧信号判断排放的合格性。
然而，传统的氮氧传感器只能测量氮氧气体和氧气浓度值，不能测量排气温度。为了获得尾气排气温度，需要针对前后氮氧传感器各设置一个温度传感器，这大大增加了SCR的成本。为此，本发明提供了一种能够测量排气温度的氮氧传感器。
图1示出了本发明实施例提供的氮氧传感器的结构示意图。如图1所示，该氮氧传感器包括探头101和控制器102，探头101为氧化锆陶瓷探头，探头101中设置有铂加热丝，探头101与控制器102通过线束103连接。控制器102包括接插件121和接插件122。接插件121与线束103连接，接插件122与CAN总线相连接。
图2示出了本发明实施例提供的氧化锆陶瓷探头的结构示意图。如图2所示，该氧化锆陶瓷探头包括从上至下依次层叠的第一氧化锆陶瓷层201、第二氧化锆陶瓷层202、第三氧化锆陶瓷层203、第四氧化锆陶瓷层204、第五氧化锆陶瓷层205和第六氧化锆陶瓷层206，第二氧化锆陶瓷层202中形成有第一腔室207和第二腔室208，第四氧化锆陶瓷层204的右侧形成有空气通道209，在第五氧化锆陶瓷层205和第六氧化锆陶瓷层206之间设置有铂加热丝210。在第一腔室207上侧设置有第一泵氧正电极211和第一泵氧负电极212，在第二腔室208上侧设置有第二泵氧负电极213，在第二腔室208的下侧设置有测量电极214，在空气通道209的上侧设置有参比电极215。第一腔室207的左侧设置有第一扩散通道216，第一腔室207与第二腔室208之间设置有第二扩散通道217。
在氮氧传感器工作时，通过铂加热丝210给探头加热，并使得铂加热丝210的电阻值等于预设值，在探头周围的排气温度变化过程中，控制器的加热电路通过调整铂加热丝210的加热电压或者加热电流以使得铂加热丝的电阻值维持恒定为预设值，控制器根据铂加热丝210两端对应的实时加热电压或实时加热电流来计算确定探头周围的实时排气温度。
综上所述，利用氮氧传感器陶瓷探头里铂加热丝的电阻特性，在氮氧传感器控制器里通过监控加热控制数据来倒推环境温度(排气温度)的数值，与现有技术相比，在尿素喷射系统中节省了两个温度传感器，大大节约了成本。
可选地，利用控制器的Rh检测电路，通过内部电路电压侦测反馈来获取铂加热丝的电阻值，预设值为10.065欧，并且在预设值为10.065欧的情况下，探头的工作温度处于800℃。可选地，根据所获取的铂加热丝的电阻值，控制器的加热电路通过脉宽调制来调整铂加热丝的加热电压以使得铂加热丝的电阻值维持恒定为预设值，并且控制器根据铂加热丝两端对应的实时加热电压来计算确定探头周围的实时排气温度。可选地，铂加热丝的加热电压V与加热电路施加的电压脉冲占空比x之间满足如下线性关系：V＝11.985x-0.006。可选地，铂加热丝的温度T与铂加热丝的加热电压V之间满足如下关系：T＝-7.5V3+137.11V2-708.09V+1560.12。可选地，在氮氧传感器检测到探头周围的排气中氧气含量等于指定值时，通过改变排气温度，以获取不同排气温度下对应的加热电压的电压脉冲占空比，从而通过数值拟合的方式获得排气温度与电压脉冲占空比之间的关系。
可选地，在指定值为4％的情况下，排气温度与电压脉冲占空比之间的关系满足下式：y＝-4949.2x2+114923x-725474，其中，x表示电压脉冲占空比，y表示排气温度。可选地，在指定值为16％的情况下，排气温度与电压脉冲占空比之间的关系满足下式：y＝-4239.5x2+108428x-692966，其中，x表示电压脉冲占空比，y表示排气温度。可选地，控制器与安装有氮氧传感器的车辆的CAN总线连接，并且控制器根据所施加的电压脉冲占空比以及排气温度与电压脉冲占空比之间的关系，实时计算排气温度，并且将排气温度反馈至CAN总线。可选地，车辆的尿素喷射系统与CAN总线连接，尿素喷射系统通过CAN总线获取排气温度。
图3示出了本发明实施例提供的氮氧传感器的传感器温度与铂加热丝电阻值之间的关系曲线；图4示出了本发明实施例提供的氮氧传感器的传感器温度与铂加热丝的加热电压之间的关系曲线；图5A和图5B分别示出了本发明实施例提供的氮氧传感器在不同氧气浓度下测量的排气温度与铂加热丝的加热电压PWM之间的关系曲线。下面将参照图3、图4、图5A和图5B对本发明实施例提供的氮氧传感器测量温度的原理进行详细描述。
氮氧传感器陶瓷探头里有铂加热丝，用来控制陶瓷件工作温度处于800度保持活性，铂加热丝电阻和温度有良好的线性关系(如图3所示)。通过给铂加热丝加电压形成加热功率，使传感器探头处于800度，此时的铂电阻值Rh＝10.065欧(Rh通过控制器内部电路电压侦测反馈)并维持恒定。如图4所示，由于环境排气气体温度不断变化，需要不断调整电压以维持恒定Rh＝10.065欧，控制器中通过PWM(脉宽调制)调节加热电路以及Rh检测电路。控制器根据测量铂电阻两端的电压信号来判断环境气体温度信息，而PWM又是通过方波序列信号占空比来调节电压，从而调整传感器恒定在某一工作温度(例如800度)。加热丝温度和铂电阻电压以及占空比有数值上的关系，例如，在图4中，加热丝温度和铂电阻电压符合三次多项式特征T＝-7.5V3+137.11V2-708.09V+1560.12，而软件控制读出电压和占空比x符合线性关系(例如，实际实施例中测量出V＝11.985x-0.006)；实验中，通过测量不同环境气体温度TEMP以及采集不同占空比得出两者间的关系式存储在软件里(如图5A和图5B)，氮氧传感器工作期间，适时环境气体排气温度y根据此公式里占空比x计算出来再反馈到CAN总线。本申请实施例中仅列举了PWM控制模式，应当理解，实际应用中也可以调节直流电流来控制陶瓷探头加热丝的温度。
传统技术中，温度数据由温度传感器测量获得后输出至SCR控制器DCU，在本发明中，由本发明提供的氮氧传感器获得的排气温度数据输出至CAN总线，SCR再读取CAN总线信号以获取排气温度数据。
综上所述，利用氮氧传感器陶瓷探头里铂加热丝的电阻特性，通过控制器监控温度控制模块(加热丝铂电阻的反馈电压，或PWM占空比或直流加电模块)的控制数据，倒推氮氧传感器周围排气的温度。氮氧传感器周围排气的温度由氮氧传感器提供，并通过氮氧传感器控制器传输给CAN总线，为SCR提供喷射依据。本发明提供的氮氧传感器可以测量氮氧气体浓度值，同时测量氮氧传感器周围的排气温度，为用户省了两个温度传感器，大大节约了成本，并节约了零部件安装空间。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种氮氧传感器，其特征在于，所述氮氧传感器包括探头和控制器，所述探头为氧化锆陶瓷探头，所述探头中设置有铂加热丝，所述探头与所述控制器通过线束连接；
在所述氮氧传感器工作时，通过所述铂加热丝给所述探头加热，并使得所述铂加热丝的电阻值等于预设值，在所述探头周围的排气温度变化过程中，所述控制器的加热电路通过调整所述铂加热丝的加热电压或者加热电流以使得所述铂加热丝的电阻值维持恒定为所述预设值，所述控制器根据所述铂加热丝两端对应的实时加热电压或实时加热电流来计算确定所述探头周围的实时排气温度；
利用所述控制器的Rh检测电路，通过内部电路电压侦测反馈来获取所述铂加热丝的电阻值，所述预设值为10.065欧，并且在所述预设值为10.065欧的情况下，所述探头的工作温度处于800℃；
根据所获取的所述铂加热丝的电阻值，所述控制器的加热电路通过脉宽调制来调整所述铂加热丝的加热电压以使得所述铂加热丝的电阻值维持恒定为所述预设值，并且所述控制器根据所述铂加热丝两端对应的实时加热电压来计算确定所述探头周围的实时排气温度；
在所述氮氧传感器检测到所述探头周围的排气中氧气含量等于指定值时，通过改变排气温度，以获取不同排气温度下对应的加热电压的电压脉冲占空比，从而通过数值拟合的方式获得排气温度与电压脉冲占空比之间的关系；
所述控制器根据所施加的电压脉冲占空比以及所述排气温度与电压脉冲占空比之间的关系，实时计算排气温度。
2.根据权利要求1所述的氮氧传感器，其特征在于，所述铂加热丝的加热电压V与所述加热电路施加的电压脉冲占空比x之间满足如下线性关系：V=11.985x-0.006。
3.根据权利要求2所述的氮氧传感器，其特征在于，所述铂加热丝的温度T与所述铂加热丝的加热电压V之间满足如下关系：T=-7.5V3+137.11V2-708.09V+1560.12。
4.根据权利要求1所述的氮氧传感器，其特征在于，在所述指定值为4%的情况下，排气温度与电压脉冲占空比之间的关系满足下式：
y=-4949.2x2+114923x-725474，其中，x表示电压脉冲占空比，y表示排气温度。
5.根据权利要求1所述的氮氧传感器，其特征在于，在所述指定值为16%的情况下，排气温度与电压脉冲占空比之间的关系满足下式：
y=-4239.5x2+108428x-692966，其中，x表示电压脉冲占空比，y表示排气温度。
6.根据权利要求1所述的氮氧传感器，其特征在于，所述控制器与安装有所述氮氧传感器的车辆的CAN总线连接，并且所述控制器将所述排气温度反馈至所述CAN总线。
7.根据权利要求6所述的氮氧传感器，其特征在于，所述车辆的尿素喷射系统与所述CAN总线连接，所述尿素喷射系统通过所述CAN总线获取所述排气温度。
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