一种工业用氮氧传感器控制系统及方法

技术领域

本发明属于电化学气体传感器技术领域，具体涉及一种工业用氮氧传感器控制系统及方法。

背景技术

随着环保要求越来越高，对于氮氧化物的检测日益严苛。发电厂、钢铁厂和化工厂等工业领域，通过安装氮氧传感器实时监测工业废气中的氮氧化物浓度，并及时采取措施降低排放，从而保护环境。近几年国内许多厂家开始使用车用电化学型氮氧传感器用于工业领域尾气的检测，但是传感器整体性能尤其是低浓度测量精度需要进一步提升。

目前基于氧化锆陶瓷的电化学型氮氧传感器陶瓷芯片各个腔室的氧泵电极之间相互导通，各氧泵之间的关系并不独立，当控制回路中的一个电极加载的电压发生改变时，除了自身的回路会产生调节作用，对其他腔室的电流和电压也会产生影响。这种耦合的非线性系统，控制策略非常复杂，并且很难适用所有应用环境，特别是不同气氛环境下的低浓度测量精度和一致性均难以保证。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种工业用氮氧传感器控制系统及方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种工业用氮氧传感器控制系统，适用于氮氧传感器陶瓷芯片，所述氮氧传感器陶瓷芯片包括，第一腔室、第二腔室、第三腔室、主泵单元、副泵单元、测量泵单元和能斯特电池单元；所述主泵单元用于将所述第一腔室中的氧气泵送到陶瓷芯片外部；所述副泵单元用于将所述第二腔室中的氧气泵送到陶瓷芯片外部，所述第二腔室中的氧气包括经过主泵单元后残留的氧气；所述测量泵单元用于测量所述第三腔室的一氧化氮气体催化分解成氧气的浓度；所述能斯特电池单元用于监测所述第二腔室的氧气浓度；在陶瓷芯片正常工作时，所述陶瓷芯片的第一腔室与其第二腔室、第三腔室隔离绝缘；所述陶瓷芯片的加热器与各腔室隔离绝缘；所述能斯特电池单元与所述主泵单元、所述副泵单元、所述测量泵单元隔离绝缘；

所述控制系统包括控制单元，所述控制单元用于根据检测到的所述能斯特电池单元的能斯特电压或所述副泵单元的副泵电流，至少调节所述主泵单元上施加的主泵电压，以确保所述第二腔室内的氧气被全部泵出；其中，所述主泵单元、所述副泵单元、所述测量泵单元和所述能斯特电池单元的检测和控制相互独立。

本发明还提供了一种工业用氮氧传感器控制方法，适用于上述实施例所述的工业用氮氧传感器控制系统，所述控制方法包括：

步骤1：获取工业用氮氧传感器的标定参数；

步骤2：分段加热所述氮氧传感器至加热目标值，保持所述氮氧传感器工作在加热目标值温度；

步骤3：初始化各泵单元对应的泵电压，在所述氮氧传感器工作过程中，获取主泵单元的主泵电压和主泵电流、副泵单元的副泵电压和副泵电流、测量泵单元的测量泵电压和测量泵电流、以及能斯特电池单元的能斯特电压，根据所述能斯特电压或所述副泵电流，至少调节所述主泵电压，以确保所述第二腔室内的氧气被全部泵出；

步骤4：待所述能斯特电压和所述副泵电流稳定后，获取所述主泵电流和所述测量泵电流，根据所述主泵电流和所述测量泵电流得到氧气浓度值和氮氧化物浓度值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的工业用氮氧传感器控制系统，采用相互独立的控制回路和检测电路，根据独立表征空腔氧气浓度差的能斯特电压，单独控制主泵单元、副泵单元和测量泵单元工作，避免现有技术各个工作腔室的氧泵电极之间相互耦合影响，保证各氧泵电流和气氛浓度基本保持线性关系，简化了传感器的控制策略，提升了传感器整体性能，特别是提高了不同气氛环境下的低浓度测量精度和一致性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种工业用氮氧传感器的控制原理图；

图2是本发明实施例提供的一种工业用氮氧传感器控制系统的结构框图；

图3是本发明实施例提供的一种工业用氮氧传感器控制方法的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种工业用氮氧传感器控制系统的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种工业用氮氧传感器控制方法的流程图；

图6是本发明实施例提供的另一种工业用氮氧传感器控制系统的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的另一种工业用氮氧传感器控制方法的流程图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种工业用氮氧传感器控制系统及方法进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

第一方面，本发明实施例提供了一种工业用氮氧传感器控制系统，适用于氮氧传感器陶瓷芯片，首先对氮氧传感器陶瓷芯片进行说明。

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种工业用氮氧传感器的控制原理图，如图1所示，在氮氧传感器陶瓷芯片中，从下至上依次为层叠设置的第七膜带7、第六膜带6、第五膜带5、第四膜带4、第三膜带3、第二膜带2和第一膜带1；第一膜带1、第三膜带3、第四膜带4、第五膜带5和第七膜带7为YSZ(加入钇稳定剂的氧化锆单晶)膜带，第二膜带2和第六膜带6为Al

其中，第一腔室9内的主泵负极14、第一膜带1以及氧泵正极13形成主泵工作单元，主泵工作单元用于将第一腔室9中的氧气泵送到陶瓷芯片外部，从而调节第一腔室9内氧气的浓度。第二腔室10内的副泵负极15、第一膜带1以及氧泵正极13形成副泵工作单元，副泵工作单元用于将第二腔室10中的氧气泵送到陶瓷芯片外部，从而调节第二腔室10内的氧气浓度。第二腔室10中的氧气包括经过主泵单元后残留的氧气。第三腔室11中的测量负电极17、第一膜带1以及氧泵正极13形成测量泵单元，测量泵单元用于测量第三腔室11的一氧化氮气体催化分解成氧气的浓度。第三膜带3、第四膜带4、第二腔室10内的参比负极16和参比通道12的参比正极18形成能斯特电池单元，能斯特电池单元用于监测第二腔室10的氧气浓度。

其中，陶瓷芯片的加热器与各腔室隔离绝缘，第一腔室9处在加热器19的第一高温区内，第二腔室10和第三腔室11处在加热器19的第二高温区内，在加热器19的第一高温区与第二高温区之间设有一段低温区，在氮氧传感器陶瓷芯片正常工作时，该低温区温度在400℃以下，YSZ膜带在400℃以下，可以视为绝缘，即，在陶瓷芯片正常工作时，陶瓷芯片的第一腔室与其第二腔室、第三腔室隔离绝缘，避免了第一腔室的主泵负极14电压对第二腔室的副泵负极15和第三腔室的测量负电极17的干扰影响。利用Al

对于该氮氧传感器陶瓷芯片，可以设置一个控制系统，通过独立的控制和检测电路，分别对主泵单元的主泵电压VP0和主泵电流IP0、副泵单元的副泵电压VP1和副泵电流IP1、测量泵单元的测量泵电压VP2和测量泵电流IP2、以及能斯特电池单元的能斯特电压Vref进行检测，利用独立表征第二空腔10剩余氧气浓度的能斯特电压Vref或者独立表征第二腔室10泵送到陶瓷芯片外部氧气浓度的副泵电流IP1，至少控制主泵单元的工作，以确保第二腔室10内的氧气被全部泵出。

请结合参见图2，图2是本发明实施例提供的一种工业用氮氧传感器控制系统的结构框图，如图2所示，本实施例的工业用氮氧传感器控制系统，包括：控制单元以及与控制单元连接的参比检测电路、主泵检测电路、副泵检测电路、测量泵检测电路、主泵驱动电路、副泵驱动电路、测量泵驱动电路以及加热器电路。

其中，参比检测电路与能斯特电池单元连接，用于检测能斯特电池单元的能斯特电压Vref，将能斯特电压Vref传输至控制单元。主泵检测电路与主泵单元连接，用于检测主泵单元的主泵电流IP0，将主泵电流IP0传输至控制单元；副泵检测电路与副泵单元连接，用于检测副泵单元的副泵电流IP1，将副泵电流IP1传输至控制单元；测量泵检测电路与测量泵单元连接，用于检测测量泵单元的测量泵电流IP2，将测量泵电流IP2传输至控制单元。

其中，主泵驱动电路与主泵单元连接，主泵驱动电路根据控制单元的第一控制信号调节主泵单元上施加的主泵电压VP0；副泵驱动电路与副泵单元连接，副泵驱动电路根据控制单元的第二控制信号调节副泵单元上施加的副泵电压VP1；测量泵驱动电路与测量泵单元连接，测量泵驱动电路根据控制单元的第三控制信号调节测量泵单元上施加的测量泵电压VP2。加热器电路与加热器19连接，加热器电路根据控制单元的第四控制信号调节加热器19上施加的加热电压以实现陶瓷芯片的分段加热。

请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种工业用氮氧传感器控制系统的结构示意图，采用MCU(微控制单元，Microcontroller Unit)作为控制单元，MCU包括CAN(controller area network)通信模块，A/D转换模块和D/A转换模块，IP0、IP1和IP2检测电路分别表示主泵检、副泵和测量泵检测电路，其中，IP0检测电路与主泵负极14相连，IP1检测电路与副泵负极15相连，IP2检测电路与测量负电极17相连，参比负极16和参比正极18与参比检测电路相连，加热器电路与加热器19的电极正极相连，加热器19的负极和电源地相连。氧泵正极13与VP+驱动电路相连，VP0-驱动电路与IP0检测电路相连，VP1-驱动电路与IP1检测电路相连，VP2-驱动电路与IP2检测电路相连。VP+驱动电路和VP0-驱动电路形成主泵驱动电路，VP+驱动电路和VP1-驱动电路形成副泵驱动电路，VP+驱动电路和VP2-驱动电路形成测量泵驱动电路。

值得注意的是，为确保第二腔室10内的氧气被全部泵出，可以根据能斯特电压Vref或副泵电流IP1，独立控制调整主泵单元的主泵电压VP0、副泵单元的副泵电压VP1以及测量泵单元的测量泵电压VP2实现。也可以根据能斯特电压Vref或副泵电流IP1，仅控制调整主泵单元的主泵电压VP0实现。

基于此，在一个可选的实施例中，控制系统还可以包括基准电路，基准电路分别与副泵驱动电路和测量泵驱动电路连接，其中，副泵驱动电路根据基准电路提供的第一电压以使副泵电压VP1固定在预设电压范围内；测量泵驱动电路根据基准电路提供的第二电压以使测量泵电压VP2固定在预设电压范围内。

请参见图6，图6是本发明实施例提供的另一种工业用氮氧传感器控制系统的结构示意图，如图所示，与图4所示的实施例相比，在本实施例中，基准电路分别与VP+驱动电路、VP1-驱动电路和VP2-驱动电路相连，以为副泵单元和测量单元，提供固定的副泵电压VP1和测量泵电压VP2。

本发明实施例的工业用氮氧传感器控制系统，采用相互独立的控制回路和检测电路，根据独立表征空腔氧气浓度差的能斯特电压，单独控制主泵单元、副泵单元和测量泵单元工作，避免现有技术各个工作腔室的氧泵电极之间相互耦合影响，保证各氧泵电流和气氛浓度基本保持线性关系，简化了传感器的控制策略，提升了传感器整体性能，特别是提高了不同气氛环境下的低浓度测量精度和一致性。

第二方面，本发明实施例提供了一种工业用氮氧传感器控制方法，适用于第一方面所述的工业用氮氧传感器控制系统，请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种工业用氮氧传感器控制方法的示意图，如图3所示，该控制方法包括：

步骤1：获取工业用氮氧传感器的标定参数；

其中，标定参数包括：加热目标值、氧气浓度的标定拟合公式、氮氧浓度的标定拟合公式；

步骤2：分段加热氮氧传感器至加热目标值，保持氮氧传感器工作在加热目标值温度；

在本实施例中，通过分段加热可以避免高温区陶瓷芯片温度上升过快导致陶瓷芯片烧裂，可以根据加热器电阻值判断是否到达工作温度，并保持陶瓷芯片高温区氧泵电极工作在恒定的温度环境。

步骤3：保持氮氧传感器工作在加热目标值温度，初始化各泵单元对应的泵电压，在氮氧传感器工作过程中，获取主泵单元的主泵电压和主泵电流、副泵单元的副泵电压和副泵电流、测量泵单元的测量泵电压和测量泵电流、以及能斯特电池单元的能斯特电压，根据能斯特电压或副泵电流，至少调节主泵电压，以确保第二腔室内的氧气被全部泵出；

步骤4：待能斯特电压和副泵电流稳定后，获取主泵电流和测量泵电流，根据主泵电流和测量泵电流得到氧气浓度值和氮氧化物浓度值。

进一步地，结合图4和图6所示的工业用氮氧传感器控制系统对工业用氮氧传感器控制方法进行详细说明。

请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种工业用氮氧传感器控制方法的流程图，该工业用氮氧传感器控制方法包括以下过程：

1)，工业用氮氧传感器供电后，获取氮氧传感器的标定参数，包括：加热目标值、氧气浓度的标定拟合公式、氮氧浓度的标定拟合公式；

2)，启动加热，控制加热器电压，分段加热氮氧传感器至加热目标值并保持氮氧传感器工作在恒定的温度环境；

3)设置主泵电压VP0、副泵电压VP1和测量泵电压VP2的初始值小于1000mV；

4)在氮氧传感器工作过程中，获取主泵单元的主泵电压VP0和主泵电流IP0、副泵单元的副泵电压VP1和副泵电流IP1、测量泵单元的测量泵电压VP2和测量泵电流IP2、以及能斯特电池单元的能斯特电压Vref；

5)根据能斯特电压Vref，调节主泵电压VP0、副泵电压VP1和测量泵电压VP2，以使能斯特电压Vref在300mV～600mV范围内，并将副泵电压VP1和测量泵电压VP2固定为400mV～500mV范围的任一值；

6)根据能斯特电压Vref，调节主泵电压VP0，以使能斯特电压Vref位于430mV～470mV范围内，从而确保第二腔室内的氧气被全部泵出；

7)待能斯特电压Vref稳定后，获取主泵电流IP0的电流数据，根据标定拟合公式将主泵电流IP0的电流数据转换成为相应的氧气浓度值，获取测量泵电流IP2的电流数据，根据标定拟合公式将测量泵电流IP2的电流数据转换成为相应的氮氧化物浓度值。

请参见图7，图7是本发明实施例提供的另一种工业用氮氧传感器控制方法的流程图，该工业用氮氧传感器控制方法包括以下过程：

1)，工业用氮氧传感器供电后，获取氮氧传感器的标定参数，包括：加热目标值、氧气浓度的标定拟合公式、氮氧浓度的标定拟合公式；

2)，启动加热，控制加热器电压，分段加热氮氧传感器至加热目标值并保持氮氧传感器工作在恒定的温度环境；

3)，设置副泵电压VP1和测量泵电压VP2为400mV～500mV范围的任一值，设置主泵电压VP0的初始值小于1000mV；

4)，在氮氧传感器工作过程中，获取主泵单元的主泵电压VP0和主泵电流IP0、副泵单元的副泵电压VP1和副泵电流IP1、测量泵单元的测量泵电压VP2和测量泵电流IP2、以及能斯特电池单元的能斯特电压Vref；

5)，根据副泵电流IP1，调节主泵电压VP0以使能斯特电压Vref位于430mV～470mV范围内，再根据副泵电流IP1，调节主泵电压VP0以使副泵电流IP1位于5μA～10μA范围内，从而确保第二腔室内的氧气被全部泵出。

6)，待能斯特电压Vref以及副泵电流IP1稳定后，获取主泵电流IP0的电流数据，根据标定拟合公式将主泵电流IP0的电流数据转换成为相应的氧气浓度值，获取测量泵电流IP2的电流数据，根据标定拟合公式将测量泵电流IP2的电流数据转换成为相应的氮氧化物浓度值。

关于该工业用氮氧传感器控制方法相应的有益效果，请参见第一方面提供的工业用氮氧传感器控制系统的相关内容，在此不做赘述。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。