PDF《氧化锆 NOx 传感器工作原理》

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2 O N e NO O2- 离子在电压或者浓度差作用下,通过电解质中的氧 离子空位穿透电解质,到达另一电极.离子在电极上 失去电子,形成电流或电势差.

3 氧化锆 NOx 传感器的类型 根据传感器测量原理及被测量,氧化锆 NOx 电化 学传感器可以分为电位型、 电流型、 电阻型三种类型. 3.1 电位型 电位型传感器是通过测得电解质两侧的工作电极 和参比电极之间的电势,依据能斯特公式: U=(RT/4F)ln(Po2Ⅰ/ Po2Ⅱ) (1)式中:U― 氧浓差电势(V) ;

R―气体常数;

T―工作温度;

F―法 拉第常数;

Po2Ⅰ―参比气体氧分压值;

Po2Ⅱ―待测气体 氧分压值,根据此电位差来判断测试气体的浓度. 下面 介绍两类电位型传感器: 第一类称之为平衡类型,这类传感器主要包括测 量气体腔、工作电极、电解质、参比电极和参比气体 腔, 构成浓差电池: 参比气体/参比电极, 电解质 , 工 作电极/待测气体电极(如图 1.a 所示). 其电极对 NOx 分解具有高度特殊催化活性,高催化活性对确保尽快 达到热力学平衡是必须的,使测量时间缩短.基于这 种原理的传感器很多,最早的传感器用 Ba(NO3)2 或Sr(NO3)2 作电解液[3] .后来发展包括 Na-?/?- Al2O3 和NASICON 作电解液,它们的主要不足是在废气中的不 稳定性,低的工作温度难以接近催化剂和发动机的工 作温度[3-8] .相比之下,基于稳定氧化锆制备的 NOx 固 体电解质传感器则具有良好的化学和机械稳定性. 第二类称之为混合电势型传感器. 典型的固态混 合电势型传感器结构如图 1.b 所示,传感器由第一电 极、固态电解质、第二电极构成.传感器使用的两种 不同工作电极同时曝露在待测气体中,它们对 NOx 的 反应不一样.其中第一个电极对 NOx 没反应,第二个 电极使 NOx 分解成 N2 和O2, 使两者之间产生不同电势. 通常第一个电极由 Pt 组成, 第二个电极由对 NOx 具有 催化作用的贵金属 Rh 或者钙钛型复合导体(如La1-xSrxFeO3, La1-xSrxMnO3 和La1-xSrxCrO3)组成;

而固 体电解质主要是 YSZ 或者 CeO2 等.两电极置于由含氧 化性气体和还原性气体组成的被测混合气体同一侧, 可以无需参比气体.各电极的氧化还原反应速率的差 异会产生不同的混合电势,混合电势器件的响应就是 两电极间混合电势差.当多个电化学反应在电极上发 生时,平衡电势就是混合电势,它来自于电极上各个 反应的竞争.采用具有不同催化作用的电极材料的固 态混合电势电化学传感器在不同的电极上产生不同的 平衡电势.对于低浓度的分析气体,可能的控制过程 有质量传输过程和电荷传输过程,而分压比较高的氧 气的控制过程主要是电荷传输过程,这些过程就决定 了混合电势传感器的各种响应模式.这类传感器的优 点是构造简单,生产成本低. 3.2 电流型 NOx 传感器 电流型 NOx 传感器原理是测量恒定电压下通过传 感器的电流.电流型或限流型传感器输出电流与 NOx 浓度呈直线关系,非常适合测量低浓度气体. 图2.a 给出了原理图.传感器包含一个泵电池, 一个限制气体从传感器外部进入测试腔扩散障.扩散 障可能是一个小孔或者是多孔层,在化学电池上施加 恒定电压,氧离子在电解质中传导的情况下,NOx 在 阴极上分解产生成氧离子,氧离子移动穿过电解质到 达另一面的阳极.限流型传感器在正常扩散条件下, 极限电流 IL 与气体浓度有式(2)关系. 参比气体室 参比电极 电解质 工作电极 待测气体室 加热器 电解质 第二电极 第一电极 a b 图 电位型 传感 意图 Figure