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 信息科學與工程學院，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

隨著社會經濟快速發展，汽車尾氣、工業廢氣、垃圾焚燒等燃燒產生的污染氣體給人類生存環境帶來了嚴峻的挑戰。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體積分數為5×10-6的空氣中暴露10 min，即可造成呼吸系統失調[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進行實時監測，是SCR實現精準脫硝的必要前提。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。

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

本文結合NOx傳感器敏感探頭內部結構、工作原理，基于開放式NOx傳感器控制單元，研究了O2對NOx體積分數測量的影響規律，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體積分數變化對NOx體積分數測量的影響。

1 NOx傳感器工作原理

經典的NOx傳感器敏感探頭核心結構和外部連線如圖1所示，各個電極、空腔以及ZrO2固體電解質分別形成主泵、輔助泵和測量泵結構[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，從而實現對NOx體積分數的測量[8，12]。

圖1 NOx傳感器的結構和外部連線

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，產生主泵電流IP0。隨后，剩余10-6級體積分數的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，產生測量泵電流IP2，IP2即表征了污染物中NOx的體積分數[14]。由此可見，NOx體積分數僅由NOx分解產生的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的測量產生嚴重干擾。

通過上述原理可知,為實現NOx體積分數的測量，必須采用合理的多泵聯動控制。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，通過對這些參數的測量及設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

傳感器通過自主設計并對外代工制備，測試系統如圖2所示。具體操作步驟如下：通過多個數字質量流量控制器(mass flow controller,MFC)中產生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，與控制單元連接，并通過CAN總線將采集到的數據報送至上位機中。上位機軟件可對傳感器相關參數進行設置：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的實時數值。模擬氣氛會經過測試腔被NOx傳感器感知，然后經過洗氣瓶的處理實現NOx的無害排放。

圖2 測試系統示意

3 結果分析與補償方法

3.1 主泵泵電壓、泵電流分析

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

圖3 不同O2體積分數下VP0隨NO體積分數值變化曲線

圖4 不同NO體積分數下IP0隨O2體積分數值變化曲線

圖3中，隨著O2體積分數增大，為了將更多的O2泵出第一空腔外，VP0從1 % O2體積分數時的88.76 mV增大到了21 % O2體積分數時的345.78 mV；而在同一O2體積分數下，IP0幾乎不隨外界NO體積分數的增長而產生變化，如圖4所示。并且IP0的數值與O2呈極高的線性關系，因此,通過獲取IP0可以實現對尾氣中O2體積分數的測量，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體積分數值，補償O2對NOx體積分數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有相似的增長規律。圖5中，隨著O2體積分數增大，VP2從1 % O2體積分數時的240.16 mV，增長到了21 % O2體積分數時的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體積分數的變化進行調整，從而也說明測量泵的工作狀態會受到模擬氣氛中O2體積分數的影響。

圖5 不同NO體積分數下VP2隨O2體積分數值變化曲線

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

圖6 不同O2體積分數下IP2隨NO體積分數值線性擬合曲線

3.3 泵電流與NOx體積分數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，會造成極大偏差。初步分析原因：隨著O2體積分數增大，設想通過改變VP0和IP0將更多的O2泵出腔外，保持第一空腔內O2體積分數維持在10-6級，減少對第二空腔中NOx體積分數測量的干擾。但是，實驗數據顯示，即使10-6級O2體積分數的波動也會對NOx體積分數的擬合帶來顯著的影響，因此,考慮對NOx體積分數的測量公式中添加O2體積分數的補償，具體思路如下：

方式1 經典測量中僅僅采用IP2來線性擬合NOx體積分數的算法公式如下

φNOx=a×IP2+b

(1)

式中φNOx為NOx體積分數值，IP2為測量泵電流，a為斜率，b為截距，視a、b為常數。但是考慮到實際測量中O2體積分數波動會對NOx體積分數值有干擾，因此認為系數a或者a、b是與O2體積分數有關的變量，引入與O2體積分數有關的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。

方式2 將式(2)代入式(1)可得僅斜率系數a經IP0補償的擬合公式如下

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a、截距系數b均經IP0補償的擬合公式如下

φNOx=c×IP0×IP2+d×IP2+e×IP0+f

(5)

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

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

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)

再將實測數據經過式(6)～式(8)處理，分別得到式(1)、式(4)、式(5)處理后實際NO體積分數與擬合NO體積分數的曲線如圖7(a)～(c)所示。

對比圖7可以看出,在圖7(a)中擬合后的NOx體積分數值隨著O2體積分數的升高呈開叉趨勢，其曲線斜率值隨著O2體積分數的升高而不斷增大，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，其對截距的處理使得NOx體積分數曲線在縱坐標方向上不夠收攏，表現為擬合后的NOx體積分數值較遠地偏離實際值，誤差較大。在圖7(c)中NOx體積分數值與實際NOx體積分數值更為接近，且受O2體積分數的干擾更小。圖8(a)～(d)顯示了在1 %，8%，13%，21% O2體積分數下方式1～3擬合后NOx體積分數的誤差數據，可以看出:方式3擬合出NOx體積分數的誤差更接近零點基線，對NOx體積分數的測量更加精準。

總之，對比圖7、圖8可以得出結論，經方式3處理的NOx體積分數值擬合結果可以使NOx體積分數值呈現更高的對應關系，對NOx的測量更加精準，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體積分數曲線

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

4 結 論

本文提出了一種NOx傳感器O2干擾的補償方法，并推導了計算公式。通過實測數據代入發現：該補償方法進一步減小了外界O2體積分數變化對最終測出的NOx體積分數值產生的干擾，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體積分數值呈現出更好的對應關系，顯著提高了NOx傳感器的測量精度，對NOx傳感器的研究、研發及生產過程均有重要的指導意義，有望應用于NOx傳感器控制單元的實際控制中。