CN102536407B - 一种提高测量精度的颗粒物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及车辆尾气排放控制的技术领域，一种提高测量精度的颗粒物传感器，具有导电外壳、筒状的保护件、设置在导电外壳内并与导电外壳绝缘的高压电极，导电外壳接地，高压电极上施加一个高电压；密封空间内、高压电极外围设有金属屏蔽层，金属屏蔽层接地，并且与高压电极绝缘；测量高压电极与导电外壳之间的漏电流、电容容量或电阻阻值，按照函数关系得出待测气体中颗粒物的浓度。本发明的提高测量精度的颗粒物传感器测量精度高，使用寿命长；金属屏蔽层不但去除了干扰漏电流，而且还能防止外部氧化腐蚀的污染物进入内部空间而影响测量精度及使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及车辆尾气排放控制的技术领域，特别涉及一种提高测量精度的颗粒物传感器。
背景技术
柴油车在节能与CO2减排等方面具有一定的优势。同时柴油车尾气排放的颗粒物对人体和环境造成影响。颗粒物排放中PM2.5以下的占80％，且大的颗粒是由小的颗粒团聚而成。我国现在正在加强PM2.5的检测，为制定更严格的排放法规作准备。当前欧美国家已在柴油车上广泛应用颗粒捕集器(DPF)来去除废气中的大多数颗粒。DPF系统的可靠再生和失效监测需要用车载诊断系统(OBD)。
国内外的OBD排放法规在检测颗粒传感器功能上有更严格的要求。美国加州制定了2013年开始执行的OBD排放法规，乘用车和轻型车的颗粒物限值将下降为17.5mg/mile(约10.8mg/km)。欧盟已经拟定了关于乘用车法规的草案，排放标准分三步实施，2014达到20mg/km，2016年达到9mg/km，最终达到标准要求4.5mg/km。我国还未制定相关的OBD限值法规。
随着OBD限值法规的不断严格，需要新型的颗粒传感器精确的监测PM的数值，开展车载诊断系统中新型颗粒物传感器的研究工作对环境保护和节能减排具有积极的意义，可以预见有广阔的市场前景。
德国罗伯特·博世有限公司(BOSCH)，日本特殊陶业株式会社(NTK)等企业都在研究颗粒物传感器；BOSCH与NTK设计的颗粒物传感器为平板式电容与电阻形态，在一个陶瓷基片上做上多条电极，当颗粒物经过时，由于颗粒物浓度不同，电极间的电容量或电阻值发生变化。颗粒物不断在电极表面沉积，此时传感器的电参数量实际是瞬时颗粒物浓度与长时间沉积的叠加，并且长时间的沉积所产生的影响更大，这种传感器将起不到测量瞬时颗粒物浓度的作用，分辨精度达不到10mg/km，满足不了控制排放的要求。
有些颗粒物传感器由于内部密封效果较差，测量尾气中的颗粒物时，一些电路引线、外壳等的氧化污染物将会在间隙内附着，影响测量精度和使用寿命。现有颗粒物传感器采用弹簧压实密封来提高密封效果，如图1所示，美国专利US8047054 Particulate Matter Sensor中通过测量感应棒20表面上的电势或者电势变化量来检测颗粒物浓度的，电连接器21和底座19之间设置弹簧22，弹簧22将电连接器21和底座19往外推，以保证电连接器21和底座19与外部紧密配合，提高密封性。但是，弹簧是由金属材料制成，在高温下容易退火，因而会失去原有的硬度，改变弹簧伸缩性，影响了整个结构的密封效果。密封性降低后将会产生漏气现象，高温的被测量气体流入电缆部分导致电缆绝缘层无法承受，从而无法引线；甚至还会出现漏电现象，产生更大的测量误差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中颗粒物传感器测量精度不高，使用寿命较短的不足，本发明提供一种提高测量精度的颗粒物传感器，颗粒物传感器密封效果好，使用寿命长，采用高压电极测量，测量精度高。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种提高测量精度的颗粒物传感器，具有导电外壳、筒状的保护件、设置在导电外壳内并与导电外壳绝缘的高压电极、用于检测颗粒物浓度的尾气流动空间和用于设置电路的密封空间，所述的导电外壳接地，所述的高压电极与高压电源连接，所述的高压电源的电压为800V～1500V；导电外壳一端与保护件一端密封连接，所述的保护件上设有尾气进口和尾气出口，所述的尾气流动空间为筒状的保护件的内部空间以及导电外壳靠近尾气进口的内部空间，所述的密封空间为导电外壳远离尾气进口的内部空间与高压电极之间的空间。
高压电源的取值原理：发动机尾气中含有不同的物质成份，且颗粒物一般为碳颗粒；经过实验得出，在对高压电极施加电压范围为800V～1500V的高压条件下，尾气中的颗粒物电离或极化成导体，而其他物质，例如水汽、CO2，没有很大影响，在该电压下颗粒物浓度为影响漏电流的主要因素；并且在该电压下，电离后的颗粒物将会按一定规律聚集，从而增大漏电流，减小测量误差，提高精度。
由于结构尺寸较小，高压电极与导电外壳、加热体以及各引线之间不可能将间隙做到足够大，这样，除高压电极与导电外壳尾气流动的间隙存在测量所需的漏电流外，还存在另外的漏电流，这将影响测量精度。为了提高测量精度，将高压电极除位于尾气流动空间的部分外全部与外部干扰进行电极屏蔽，所述的密封空间内、高压电极外围设有金属屏蔽层，所述的金属屏蔽层接地，并且与高压电极绝缘。
颗粒物在所有间隙中都会沉积，沉积后，漏电流就会增加，沉积层达到一定厚度时将会使颗粒物传感器不能正常工作，因此，为了延长使用寿命，所述的密封空间内设有加热器，所述的加热器包括加热体、正极和负极，所述的加热体位于靠近尾气流动空间的一端，所述的负极接地，所述的加热体、正极和负极上均包覆绝缘且耐高温的隔离层，加热体、正极和负极上包覆的隔离层材料为陶瓷。
导电外壳和加热器的负极均接地，由于加热器的负极与导电外壳有一个微小的压降，为了消除这个影响漏电流测量的压降，所述的加热器的负极与导电外壳之间设有地屏蔽层.
所述的加热器的负极、导电外壳和地屏蔽层互相连通；或者根据电路要求，所述的加热器的负极与地屏蔽层互相连通并向外独立引出导线，所述的加热器的负极和地屏蔽层均与导电外壳绝缘。
由于间隙中沉积增多，金属屏蔽层与导电外壳之间的电阻将变小，则该电阻值正好作为一个标杆；为了保证传感器再次进入正常工作状态，还具有用于控制加热器启停的电阻传感控制电路，当金属屏蔽层与地屏蔽层或导电外壳或加热器的负极之间的阻值小于设定值时，电阻传感控制电路控制加热器启动。
为了防止尾气通过间隙直接到引线处，所述的密封空间内、导电外壳与加热器之间的间隙通过粉末填料层和/或金属密封环密封。
为了产生进气压力差，保证平稳进气，所述的尾气流动空间还设置有筒状的外侧保护件，所述的外侧保护件一端与导电外壳一端密封连接，另一端端面上开设有用于将尾气导入外侧保护件内部的外侧进气孔，并且所述的保护件具有从外侧保护件带有外侧进气孔一端的端面伸出的凸出部，所述的尾气出口开设在保护件在凸出部一端的筒底面上，导电外壳远离凸出部的一端以及外侧保护件套装在保护件外部，保护件套装在高压电极靠近尾气进口的外部，所述的尾气进口开设在保护件远离凸出部一端。
由于高压电极上带有高电压，因此，在尾气流动空间必须留出必要的间隙防止在正常测量状态时，高压电极与导电外壳之间放电。为了防止颗粒物进入加热器所在部位的以下部分，延长加热器一次工作的时间，所述的尾气流动空间与密封空间连接处设有迷宫式的颗粒物阻挡器，所述的颗粒物阻挡器包括用于使颗粒物阻挡器的流动通道形成多个转弯道的凸肩和环形密封挡板，所述的凸肩设置在尾气流动空间内、靠近密封空间处的高压电极外表面上，所述的环形密封挡板设置在密封空间靠近尾气流动空间处的导电外壳内表面上。
本发明的提高测量精度的颗粒物传感器的测量方法：将导电外壳接地，在高压电极上施加高电压，电压范围为800V～1500V，待测气体从尾气进口进入尾气流动空间，流过高压电极与导电外壳间的间隙，待测气体中的颗粒物被高压电极电离或极化成导体，且待测气体中的其他物质没有很大变化，测量高压电极与导电外壳之间的漏电流、电容容量或电阻阻值，按照高压电极与导电外壳之间的漏电流、电容容量或电阻阻值与颗粒物的浓度的函数关系得出待测气体中颗粒物的浓度。
金属屏蔽层与地屏蔽层或导电外壳或加热器的负极之间的电阻阻值随间隙中沉积的颗粒物的增加而变小，当金属屏蔽层与地屏蔽层或导电外壳或加热器的负极之间的电阻阻值小于一定值时，加热体开始加热，使密封空间升温，燃烧沉积在密封空间内壁上的颗粒物。
高压电极本身放电燃烧掉尾气流动空间内沉积的颗粒物。
不同的温度下，漏电流值所对应的颗粒物浓度值不同；因为加热器在正常使用时是不工作的，这时加热器的阻值就代表了传感器的工作温度，为了保证在不同工作环境下输出正确的颗粒物浓度信号，根据不同温度下测得的漏电流、电容容量或电阻阻值与颗粒物浓度的函数关系，将加热器的电阻值作为测量颗粒物传感器工作温度的温度传感器，信号输出电路通过测量加热器的电阻值大小对颗粒物传感器的输出信号进行处理与补偿。
颗粒物传感器从高温工作状态到停止工作后，温度降低会引起内部缝隙结露，影响下次正常工作，为了消除结露，在颗粒物传感器进入正常工作状态前或者当颗粒物传感器内的缝隙有结露时，控制加热器启动，将结露蒸发。
本发明的有益效果是，本发明的一种提高测量精度的颗粒物传感器，通过测量高压电极间的漏电流、电容容量或电阻阻值获得颗粒物浓度，测量精度高，使用寿命长；金属屏蔽层不但去除了干扰漏电流，而且还能防止外部氧化腐蚀的污染物进入内部空间而影响测量精度及使用寿命；还具有以下优点：
1、底部进气，出气口位于排气管中心，进气口缩进一段距离，产生进气压力差，平稳进气，极大降低了随发动机排气量变化而带来颗粒物总量变化而产生的测量波动，获得真正尾气中的颗粒物浓度值；
2、尾气经过多道弯到达密封空间，由于转弯的作用以及电场的作用，有效防止了颗粒物沉积，延长加热器一次工作的时间，提高工作效率；
3、粉末填料层和金属密封环这二种密封形式可承受高温，同时确保尾气只能在要求的范围内流动，也防止了尾气将热量带到颗粒物传感器的尾部；
4、颗粒物在所有间隙中都会沉积，沉积后，漏电流就会增加，沉积层达到一定厚度时将会使颗粒物传感器不能正常工作，由于间隙中沉积增多，金属屏蔽层与导电外壳之间的电阻将变小，则该电阻值正好作为一个标杆，当小到一个数值时，加热器工作燃烧掉沉积物，保证了传感器现次进入正常工作状态，延长颗粒物传感器的使用寿命；
5、不同的温度下，漏电流值所对应的颗粒物浓度值不同，由于加热器在正常使用时是不工作的，这时加热器的阻值就代表了传感器的工作温度，用加热器作为传感器工作温度的温度传感器，保证了在不同工作环境下输出正确的颗粒物浓度信号。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是美国专利US8047054 Particulate Matter Sensor实施例的结构示意图。
图2是本发明的提高测量精度的颗粒物传感器最优实施例的结构示意图。
图3是图2中A处的局部放大图。
图4是本发明的提高测量精度的颗粒物传感器中气体在尾气流动空间内的流向示意图。
图1中19、底座，20、感应棒，21、电连接器，22、弹簧。
图2、图3和图4中1、外壳，2-1、电极吸杯，2-2、电极棒，3、尾气流动空间，4、密封空间，5、地屏蔽层，6、金属屏蔽层，7、加热体，8、正极，9、负极，10、隔离层，11、粉末填料层，12-1、第一金属密封环，12-2、第二金属密封环，12-3、第三金属密封环，13、外侧保护件，13-1、外侧进气孔，14、保护件，14-1、凸出部，14-2、尾气出口，14-3、尾气进口，15-1、第一凸肩，15-2、第二凸肩，17、陶瓷绝缘层，18、凸圈，d，流动通道的间距。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图2、图3所示，本发明的颗粒物传感器最优实施例的结构示意图。具有导电外壳1、筒状的保护件14、设置在导电外壳1内并与导电外壳1绝缘的高压电极、用于检测颗粒物浓度的尾气流动空间3和用于设置电路的密封空间4，所述的导电外壳接地，所述的高压电极与高压电源连接，所述的高压电源的电压为800V～1500V；导电外壳1一端与保护件14一端密封连接，所述的保护件14上设有尾气进口14-3和尾气出口14-2，所述的尾气流动空间3为筒状的保护件14的内部空间以及导电外壳1靠近尾气进口14-3的内部空间，所述的密封空间4为导电外壳1远离尾气进口14-3的内部空间与高压电极之间的空间。
高压电极在尾气流动空间3部分为一个电极吸杯2-1，在密封空间4部分为带外螺纹的电极棒2-2，电极吸杯2-1与电极棒2-2螺纹连接，电极棒2-2外围包覆有一层陶瓷绝缘层17。
密封空间4内、高压电极外围设有金属屏蔽层6，金属屏蔽层6接地，并且与高压电极绝缘。
密封空间4内设有加热器，加热器包括加热体7、正极8和负极9，加热体7位于靠近尾气流动空间3的一端，负极9接地，加热体7、正极8和负极9上均包覆绝缘且耐高温的隔离层10，加热体7、正极8和负极9上包覆的隔离层10材料为陶瓷。
加热器的负极9与导电外壳1之间设有地屏蔽层5。
加热器的负极9、导电外壳1和地屏蔽层5互相连通；或者根据电路要求，所述的加热器的负极与地屏蔽层互相连通并向外独立引出导线，所述的加热器的负极和地屏蔽层均与导电外壳绝缘。
还具有用于控制加热器启停的电阻传感控制电路，当金属屏蔽层6与地屏蔽层5之间的阻值小于一定值时，电阻传感控制电路控制加热器启动。
密封空间4内、导电外壳1与加热器之间的间隙通过粉末填料层11和/或金属密封环密封：在电极吸杯2-1与密封空间内的陶瓷绝缘层17的接触面上设置第一金属密封环12-1；加热器的隔离层10的内表面设有凸圈18，电极棒2-2外围的陶瓷绝缘层17设置与凸圈18相配合的凹槽，在凸圈18与凹槽配合处设有第二金属密封环12-2和第三金属密封环12-3；在密封空间4内的加热器与导电外壳1的间隙处设有粉末填料层11。
尾气流动空间3还设置有筒状的外侧保护件13，外侧保护件13一端与导电外壳1一端密封连接，另一端端面上开设有用于将尾气导入外侧保护件13内部的外侧进气孔13-1，并且保护件14具有从外侧保护件13带有外侧进气孔13-1一端的端面伸出的凸出部14-1，尾气出口14-2开设在保护件14在凸出部14-1一端的筒底面上，导电外壳1远离凸出部14-1的一端以及外侧保护件13套装在保护件14外部，保护件14套装在高压电极靠近尾气进口14-3的外部，尾气进口14-3开设在保护件14远离凸出部14-1一端，尾气进口14-3为圆孔，在保护件14的圆周均布。
尾气流动空间3与密封空间4连接处设有迷宫式的颗粒物阻挡器，颗粒物阻挡器包括用于使颗粒物阻挡器的流动通道形成多个转弯道的凸肩15和环形密封挡板16，凸肩15设置在尾气流动空间3内、靠近密封空间4处的高压电极外表面上，环形密封挡板16设置在密封空间4靠近尾气流动空间3处的导电外壳1内表面上。
气体在尾气流动空间内的流向如图4所示。待测尾气从外侧进气孔13-1进入外侧保护件13和保护件14的间隙内，流向导电外壳1与保护件14之间的间隙，随后通过尾气进口14-3进入保护件14与电极吸杯2-1的间隙，分成两股流动路线，大部分待测尾气往颗粒物传感器的头部方向流动，从尾气出口14-2流出；另外有一小部分待测尾气将往颗粒物传感器的尾部方向流动，进入颗粒物阻挡器。
本发明的提高测量精度的颗粒物传感器的测量方法：将导电外壳1接地，在高压电极上施加高电压，电压范围为800V～1500V，待测气体从尾气进口14-3进入尾气流动空间3，流过高压电极与导电外壳1间的间隙，待测气体中的颗粒物被高压电极电离或极化成导体，且待测气体中的其他物质没有很大变化，测量高压电极与导电外壳1之间的漏电流、电容容量或电阻阻值，按照高压电极与导电外壳1之间的漏电流、电容容量或电阻阻值与颗粒物的浓度的函数关系得出待测气体中颗粒物的浓度。高压电极与导电外壳1之间的漏电流、电容容量或电阻阻值与颗粒物浓度的函数关系是根据实验得出的，实验中颗粒物浓度值由激光颗粒物浓度分析仪(AVL 483 Micro Soot Sensor，AVL李斯特公司生产)测量得出，然后将颗粒物浓度值与本发明的颗粒物传感器测得的漏电流值或电容容量或电阻阻值描点画图得出函数关系。
金属屏蔽层6与地屏蔽层5之间的电阻阻值随间隙中沉积的颗粒物的增加而变小，当金属屏蔽层6与地屏蔽层5之间的电阻阻值小于一定值时，加热体7开始加热，使密封空间4升温，燃烧沉积在密封空间4内壁上的颗粒物。
高压电极本身放电燃烧掉尾气流动空间3内沉积的颗粒物。
根据不同温度下测得的漏电流、电容容量或电阻阻值与颗粒物浓度的函数关系，将加热器的电阻值作为测量颗粒物传感器工作温度的温度传感器，信号输出电路通过测量加热器的电阻值大小对颗粒物传感器的输出信号进行处理与补偿。
颗粒物传感器从高温工作状态到停止工作后，温度降低会引起内部缝隙结露，影响下次正常工作，为了消除结露，在颗粒物传感器进入正常工作状态前或者当颗粒物传感器内的缝隙有结露时，控制加热器启动，将结露蒸发。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (8)
1.一种提高测量精度的颗粒物传感器，其特征在于：具有导电外壳（1）、筒状的保护件（14）、设置在导电外壳（1）内并与导电外壳（1）绝缘的高压电极、用于检测颗粒物浓度的尾气流动空间（3）和用于设置电路的密封空间（4），所述的导电外壳（1）接地，所述的高压电极与高压电源连接，所述的高压电源的电压为800V～1500V；导电外壳（1）一端与保护件（14）一端密封连接，所述的保护件（14）上设有尾气进口（14-3）和尾气出口（14-2），所述的尾气流动空间（3）为筒状的保护件（14）的内部空间以及导电外壳（1）靠近尾气进口（14-3）的内部空间，所述的密封空间（4）为导电外壳（1）远离尾气进口（14-3）的内部空间与高压电极之间的空间；所述的密封空间（4）内、高压电极外围设有金属屏蔽层（6），所述的金属屏蔽层（6）接地，并且与高压电极绝缘；所述的尾气流动空间（3）还设置有筒状的外侧保护件（13），所述的外侧保护件（13）一端与导电外壳（1）一端密封连接，另一端端面上开设有用于将尾气导入外侧保护件（13）内部的外侧进气孔（13-1），并且所述的保护件（14）具有从外侧保护件（13）带有外侧进气孔（13-1）一端的端面伸出的凸出部（14-1），所述的尾气出口（14-2）开设在保护件（14）在所述凸出部（14-1）一端的筒底面上，导电外壳（1）远离所述凸出部（14-1）的一端以及外侧保护件（13）套装在保护件（14）外部，保护件（14）套装在高压电极靠近尾气进口（14-3）的外部，所述的尾气进口（14-3）开设在保护件（14）远离所述凸出部（14-1）一端。
2.如权利要求1所述的一种提高测量精度的颗粒物传感器，其特征在于：所述的密封空间（4）内设有加热器，所述的加热器包括加热体（7）、正极（8）和负极（9），所述的加热体（7）位于靠近尾气流动空间（3）的一端，所述的负极（9）接地，所述的加热体（7）、正极（8）和负极（9）上均包覆绝缘且耐高温的隔离层（10）。
3. 如权利要求2所述的一种提高测量精度的颗粒物传感器，其特征在于：所述的加热器的负极（9）与导电外壳（1）之间设有地屏蔽层（5）。
4. 如权利要求3所述的一种提高测量精度的颗粒物传感器，其特征在于：所述的加热器的负极（9）、导电外壳（1）和地屏蔽层（5）互相连通。
5. 如权利要求3所述的一种提高测量精度的颗粒物传感器，其特征在于：所述的加热器的负极（9）与地屏蔽层（5）互相连通并通过导线与外部电路连通，所述的加热器的负极（9）和地屏蔽层（5）均与导电外壳（1）绝缘。
6. 如权利要求2至5中任一项所述的一种提高测量精度的颗粒物传感器，其特征在于：还具有用于控制加热器启停的电阻传感控制电路，当金属屏蔽层（6）与地屏蔽层（5）或导电外壳（1）或加热器的负极（9）之间的阻值小于一定值时，电阻传感控制电路控制加热器启动。
7. 如权利要求1所述的一种提高测量精度的颗粒物传感器，其特征在于：所述的密封空间（4）内、导电外壳（1）与加热器之间的间隙通过粉末填料层（11）和/或金属密封环密封。
8. 如权利要求1所述的一种提高测量精度的颗粒物传感器，其特征在于：所述的尾气流动空间（3）与密封空间（4）连接处设有迷宫式的颗粒物阻挡器，所述的颗粒物阻挡器包括用于使颗粒物阻挡器的流动通道形成多个转弯道的凸肩（15）和环形密封挡板（16），所述的凸肩（15）设置在尾气流动空间（3）内、靠近密封空间（4）处的高压电极外表面上，所述的环形密封挡板（16）设置在密封空间（4）靠近尾气流动空间（3）处的导电外壳（1）内表面上。
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