Датчик для измерения парциального давления кислорода Советский патент 1985 года по МПК G01N29/02 

1И

Изобретение относится к измерителной технике и может быть использовано для анализа отработавших газов . ABHraTBJteft внутреннего сгорания ДВС ) транспортных средств, в частности в качестве датчика отношения количества воздуха к количеству топлива в рабочей смеси (в/Т-отношения ).

Цель изобретения - ноньшение точности измерения парциального давле- ния кислорода в выхлопных газах ДВС.

На фиг. 1 представлен предлагаемый датчик; на фиг. 2 - то же, вид сверху.

Датчик содержит пьезоэлектрическу подложку |На поверхности которой выполнены две нары встречно-штыревых преобразователей (ВШИ ) поверхностнЕлх акустических воли (ПЛВ ) 2-3 и 4-5 соответственно, образующих соотпетст- венно измерительный (2-3) и компенсирующи (4-5) тракты распространения ПЛВ. Путем включения каждого из трактов в цепь обратно связи соответствующих усилителей 6 и 7 обра- зованы ПАВ-ге 1ераторы. Выходные сигналы ИЛВ-генераторов подаются на сме ситель 8, выход которого нагружен на фильтр низких частот (ФНЧ ) 9.

В изЕЮ.рительном тракте меясду вход ным 2 и выходным 3 ВШП ПЛВ размещен газочувствительньш элемент из чувст- вительного к кислороду металлоокисно го полупроводника в виде пористого керамического слоя 10. Лналогичпым образом в компенсирующем тракте между входным 4 и выходным 5 ВИ1П ПЛВ размещен элемент из такого же метал- лоокисного полупроводника в виде уплотненного керамического слоя II. Оба элемента выполнены с толщиной не менее дебаевской длины в полупроводнике. Слои 10 и 11 газочувствитель- ных элементов могут быть размещены с .вoздyщны i зазором 12 не более длины ПЛВ но отношению к поверхности подложки .

Пзмерепие парциального давления кислорода PQ данным датчиком осуществляется следуютдим образом.

Возбужденные входным ВШП 2 и нро- шедшие но поверхности нодложки 1 ПЛВ принимшотся выходным ВШП 3. Частота, при которой происходит возбу кдение ПАВ-генератора, образованного усшп1- телем 6 (с коэ45фициентом усиления, достаточным для компенсации иотерь в звукопроводе )с включенным в цень

8172

его обратной связи измерительным трактом 2-3, описывается уравнением

ZTTn -ijjl. +

где U) - частота генерации;

L - рабочая длина звукопровода; Lf - электрический сдвиг фазы

во BlilTI 2 и 3 и усилителе 6. Датчик устанавливается в выпускном трубонроводе ДВС и нагревается до рабочей температуры отработавшими газами либо с помощью зигзагообразных нагревательных элементов (не показаны ), размещаемых на внешних поверхностях керамических слоев 10 и 11. Воздействию отработавших газов подвергается внешняя (не обращенная к подложке 1) сторона слоев 10. и 11 KepaMn4ecKt X элементов, поверхность же прдложки 1 может быть при этом }1аделаю зoлиpo-

вана.

Изменение электропроводности по- лшсристаллических металлоокисных полупроводннков при хемосорбции молекул кислорода обусловлено поверхностными явлениями в многочисленных контакт1 ы; областях между структурными зернами. Велич И1а проводимости полупроводника

(2)

NKT

где q - заряд носителя;

М - коэффициент, зависящий от формы барьера;

п,- - концентрация носителей заряда B6jH-i3H барьера ,

N - число барьеров на 1 см длины образп.а;

V - высота барьера;

К - посто5И1ная Больцмана,

Т - температура слоя 10. При хемосорб1Ц и на поверхности полупроводника п-типа молекул кислорода происходит увеличение потенциальных барьеров в местах контактов между отдельными зернами поликрис- таллической структуры слоя 10, что вызовет уменьшение количества электронов нроводимости в полупроводнике и, следовательно, уменьшение нроводимости слоя 10. Зависимость электропроводности слоя 10 от изменения

копцеитрации кислорода ЛС имеет вид I оЫ-V/ где уЗ - коэффициент, характеризующий влияние изменения концентрации кислорода на изменение высоты потенциальных барьеров. Для максимального изменения электропроводности слоя 10 и минимального времени установления равновесия в материале слоя (повышения быстродействия датчика ) необходимо иметь возможно большую новерхность слоя, на которой происходит контакт с газ вой фазой. Поэтому газочувствитель- ньй элемент выполнен в виде мелко- зернистого высокопористого полупро- водника керамического слоя, получае- мого, например, спеканием шихты из мелкодисперсных порошков полупроводниковой керамики при высоких температурах. В качестве металлоокисньк полупро водников , чувствительных к кислороду, используют соединения окислов п-типа или р-типа, в частности Pb(Zr,Ti) M.Oj-ZrO, где ,Yb Y,Sm,Ln,Sn02. Таким образом, при изменении парци.ального давления кислорода Рр в выхлопных газах ДВС сопротивление ,пористого элемента резко изменяется, например для TiO более, чем на 3 порядка, если стехиометрическое значение о смеси изменяется от значения, соответствующего бедной смеси, до значения, соответствующего богатой смеси. Распространение на поверхности пьезоподложки 1 в измерительном трак те ПАВ сопровождается распространением связанного с ней электрического поля, примыкающего в полунроводнико- вьй слой 10. Взаимодействие электрического поля ПАВ со свободными носителями заряда в полупроводниковом слое 10 изменяет фазовую скорость V ПАВ. Следовательно, изменение пар- циального давления кислорода Рд приводит к изменению проводимости d сло 10, т.е. количества свободных носителей в нем, что в свою очередь- вызывает изменение фазовой скорости V ПАВ, и, как следует из (О, приводит к изменению частоты ПАВ-генератора измерительного тракта. Изменени

1191817.4

параметров распространения ПАВ рассчитывается на основе выражения К e,(l-fb/i1i) 1 + W/i, 2 --г ,гЬь/ьЬ т ; otbfih . Р ()с) J So+Eptbp где и д/з- постоянная распространения ПАВ и ее измене- ние; Kj- коэффициент электроме- хапическо связи; диэлектрические постоянные подложки; Z - поверхностный импеданс полупроводникового слоя ЕС,- диэлектрическая постоянная свободного пространства;h - величина воздушного зазора 12. Исходньп рабочий диапазон удельной проводимости полупроводникового слоя 1.0 выбирается в пределах от i) О0м сьг (выше которой происходит практически полное закорачивание проникающего в слой 10 электрического поля, сопрово;кдающего ПАВ) и до 6 tniri - - - которой число свободных носителей заряда в полупроводниковом слое 10 настолько мало, что оно практически не влияет на скорость распространения V ПАВ), Для подложки 1 из LiNb03 величина относительного изменения скорости ПАВ достигает 2% и вьше при изменении Pj. от значения, соответствующего бедной , (, I МПа)|До значения, соответствующего богатой (Рр-IO -О, МПа) смеси. Исходная электропроводность Ь слоя 10 регулируется путем введения различных легирующих добавок (ZnO, благородные металлы и т.д. ). Время установления равновесия в материале газочувствительного слоя сильно зависит от пористости керамики. Уплотненная керамика слоя 11 в компенсирующем тракте, выполненная из того же металлоокисного полупроводника как и слой 10, имеет

-В несколько раз (3-5) больше зерна и меньшую плотность, чем пористая керс1мика слоя 10, что замедляет установление равновесия при изменении Pjj до такой степени, -что уплотненная керамика становится не чувствительной к изменениям Рд при частотах регулирования, применяемых в две (-2 Гц). Следовательно, дестабилизирующее влияние изменений окружающей температуры, одинаковым образом изменяющей проводимость слоев 10 и 11, вызывает идентичные изменения скорости V ПАВ и частоты ПАВ-генераторов в обоих трактах. Изменение же. P(j воздействует только iна частоту ПАВ-геператора в измери- телыюм тракте, которая контролируется путем смешения частот измерительного 11 компенсирующего ПАВ-генераторов в смесителе 8 и выделения разностной частоты фшьтром 9.

Величипа воздушного зазора ) определяет 3(1х1)ективность взанмодейс ВИЯ ПАВ с носителями заряда в слоях 10 и 11, а, так как амплитуда электрического ноля ПАВ затухает приблп,7

зительно экспоненциально с растоянием от поверхности подложки 1 с постоянной затухания порядка длины волны А ПАВ, то зазор выбирают минимальной величины, ограничиваемой обычно технологическими и конструктивными со- обршкениями. Звеличение величины зазора h свыше приводит к недопус-

тимому снижению величины электрического поля, проникающего в слои 10 и 1 1 и соответству ощему снилсению влияния изменений Ро2 на. скорость ПАВ. Внутри слоев 10 и 11 электричес-

кое ноле ПАВ затухает в пределах де- баевской длины от поверхности полупроводниковых слоев 10 и 11. Поэтому для максималыюго иснользования всей области взаимодействия ПАВ с полупроводнтнсовыми слоями 10. и И при измене1пп1 PQ толщина d этих слоев ограничивается снизу добаевской -длиной в полупроводнике. Значите1ИзНо уне чичивать толщнну слоеп 10 и 11

сиьпие технологических и конструктивных сообрал ений также нецелесообразно ввиду увеличения времени установления (т.е. С1гижения быстродействия).

1.ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА, содержащий расположенные на поверхности пьезоэлектрической подложки измери- .тельньй и компенсирующий тракты распространения поверхностных акустических волн с газочувствительным эле ментом, размещенным в измерительном тракте, отличающийся тем что, с целью повьштения точности измерения парциального давления кислорода в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания, в компенсирующий введен газочувствительньй элемент, выполненньш из металлоокис- ного полупроводника в виде уплотненного керамического слоя, а га зочувствительный элемент-В измерительно м тракте выполнен из металлоокисного полупроводника в виде пористого керамического слоя, причем оба элемен-. та выполнены с толщиной не менее де- i баевской длины в полупроводнике. 2. Датчик по П.1, отличаю(Л щийся тем, что газочувствитель- ные элементы в измерительном и компенснрующих трактах размещены с воздушным зазором не более длины поверхностной акустической волны но отношению к поверхности подложки.

С, ,: