极限电流型氧传感器的数值仿真及优化设计
发布时间：2021-02-10 10:29
在精密的航天仪器中,氧传感器作为一种检测空气中氧浓度的传感器而扮演着不可替换的角色。作为氧仪表的核心元件——平板式极限电流型氧传感器由于响应速度快、灵敏度高、稳定性好、工作寿命长以及无需参比气体的优势成为了研究生产的重点。本文采用数值仿真与实验验证相结合的方法,开展了氧传感器结构尺寸与工作条件对其性能影响的机理研究,并针对不同量程、不同工作环境下的传感器结构尺寸、响应时间、输出性能指标、热力学性能进行了耦合条件下的机理建模、特性分析和性能优化。首先,对极限电流型氧传感器的工作机理和输出特性进行了分析。分析了极限电流型氧传感器的气体扩散机理、固体电解质氧泵反应机理、极限电流产生机理,进而提取出影响氧传感器输出特性的关键因素有材料特性、工作环境、传感器结构尺寸。通过对传感器结构组成的细致分析,并针对氧传感器性能指标,设计了一种应用于航天器环境的极限电流型氧传感器。其次,利用流体动力学和结构热力学仿真的方法,对传感器物理扩散、电化学氧泵反应、温度场、应力场等多场耦合的复杂工作过程进行了仿真分析。通过建立氧传感器流体电化学和结构热力学模型,对传感器进行基于组分扩散、多孔介质传输、电化学-热耦合...
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
管式氧传感器
第1章绪论3当高温环境下,且两侧氧浓度出现差值时，浓度高的氧会通过ZrO2两侧的多孔铂电极，在电解质中以O2-离子态向低浓度一侧迁移，从而形成氧离子导电[7]。此时在ZrO2电解质两侧电极上出现氧浓度差电势E,其工作原理如图1.2所示。浓差电池阳极反应为：22O(I)4e2O(1-1)阴极反应为：222O4eO(II)(1-2)总反应为：O2(I)=O2(II)(1-3)假设ZrO2固体电解质的离子迁移数为1，则对于理想气体的浓差效应所形成的电动势E可用Nernst公式(1)表示[8]：22()=ln4()OORTPIEFPII(1-4)式中：R为气体常数；T为传感器的热力学温度(K)；F为法拉第常数；PO2(I)为参比气氧分压(即阴极侧氧分压)；PO2(II)为待测氧分压(即阳极侧氧分压)。显然，当温度确定时，若参比气体的氧分压为已知时，只要测出E值就可得到待测气体的氧含量或氧分压P值[9]。图1.2浓差式氧传感器原理图2.极限电流式氧传感器而以限速孔作为扩散障的极限电流式氧传感器中,当固体电解质两侧的电极上存在电动势时，通过限速孔流入测试腔中的氧以氧离子(O2-)形式被泵到另一侧，同时在外接电路中形成感应电流，此感应电流在电压增大时变大，待电压达到一定值时，电流达到最大值而保持稳定，如图1.4所示。这是因为不断增大的电压增强了氧泵作用，而由于限速小孔的限制，氧气扩散速率到达极限。极限电流值IL与待测氧含量成正比,且IL直接取决于氧气向检测腔内扩散的速率[10]，其中IL由式(1-5)决定：
哈尔滨工程大学硕士学位论文4224=ln1OOLFDSPPIRTLP(1-5)式中，DO2为N2中氧的扩散系数；S为扩散孔面积；L为扩散孔长度；PO2为待测气体的氧分压值；F为法拉第常数；R为气体常数；T为传感器的热力学温度(K)。通过式(1-5)易知，当工作温度、扩散孔的面积长度比已知时，极限电流IL值直接与待测氧含量相关，其值可直接得出环境中氧含量。图1.3限流式氧传感器示意图图1.4极限电流型氧传感器在不同氧浓度下的饱和电流与电压的关系3.宽域式氧传感器宽域型氧传感器拥有两个固体电解质，一个作为氧浓差电池，一个作为氧气泵[11]，其原理与传统氧传感器相同。在采用传统氧传感器的空燃比控制中，当尾气中混合气较浓时，氧气含量低，在多孔铂电极的催化下，氧与可燃气反应，造成传感器外侧氧浓度极低，与参比气体形成浓差电池；当尾气混合气较稀时，氧含量增加，这使得传感器内外氧浓度差较小，产生的电压值已无法满足对汽车排放的控制。为了解决某些工况下传统氧传感器电压过小的问题，开发出来一种宽域型氧传感器(UEGO)，其结构原理如图1.5所示。混合气由扩散孔进入扩散阻力层到达检测室，通过
【参考文献】：
期刊论文
[1]极限电流型氧传感器热力学分析及结构优化[J]. 谢胜秋,程振乾,任健,葛杨. 传感器与微系统. 2017(05)
[2]陶瓷3D打印技术的研究与进展[J]. 李亚运,司云晖,熊信柏,邹继兆,曾燮榕. 硅酸盐学报. 2017(06)
[3]氧化钇陶瓷的热压烧结和耐蚀行为[J]. 鲁飞,刘树峰,孙良成,刘小鱼,李慧,王峰. 稀土. 2016(05)
[4]CAMPLE一种求解不可压流动的协调算法[J]. 刘豫龙,巩亮,孙宪航,徐明海. 工程热物理学报. 2016(06)
[5]陶瓷材料微波烧结工艺与机理研究现状[J]. 殷增斌,袁军堂,程寓,汪振华,胡小秋. 硅酸盐通报. 2016(05)
[6]气体传感器在国外航天器上的应用[J]. 窦仁超,孙立臣,刘兴悦,闫荣鑫,任国华. 仪器仪表学报. 2016(05)
[7]氧传感器YSZ陶瓷层的制备及其与Al2O3绝缘层的共烧[J]. 张容榕,林健,张润婧. 功能材料. 2016(04)
[8]基于ANSYS的自然对流换热系数计算方法研究[J]. 陈孟. 现代计算机(专业版). 2016(11)
[9]低温常压烧结SiC陶瓷的结构与性能[J]. 张龙,张磊,张明,何新农,汤文明. 材料热处理学报. 2015(07)
[10]平板式极限电流型氧传感器热应力数值分析[J]. 任继文,徐雅琦. 仪表技术与传感器. 2015(02)
博士论文
[1]氧化锆氧传感器电极性能研究[D]. 罗志安.华中科技大学 2006
[2]钇稳定ZrO2固体电解质氧传感器的研究[D]. 简家文.电子科技大学 2004
硕士论文
[1]Bi2O3/YSZ和Bi2O3/YbSZ电解质的合成制备和表征[D]. 刘丽伟.浙江大学 2016
[2]掺杂氧化铈基极限电流型氧传感器的研究[D]. 姚学君.内蒙古科技大学 2015
[3]片式氧传感器纳米氧化锆材料的制备及性能研究[D]. 刘婷婷.湖南大学 2015
[4]基于电化学传感器的高温湿度检测仪的研究[D]. 李丽.宁波大学 2015
[5]水基流延法制备固体氧化物燃料电池工艺的研究[D]. 陈胜.内蒙古科技大学 2014
[6]宽域氧传感器控制器开发[D]. 吕鹏.湖南大学 2014
[7]微热板式微气压传感器电热力耦合及瞬态特性研究[D]. 邵明亮.大连理工大学 2009
[8]ZrO2（MgO）固体电解质粉体的制备研究[D]. 苏畅.东北大学 2009
[9]固体氧化物燃料电池热力电化学耦合数值模拟[D]. 秦优培.华中科技大学 2009
[10]固体氧化物燃料的电池电化学分析与数值仿真[D]. 曾淑琴.华中科技大学 2007
本文编号：3027219
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
管式氧传感器
第1章绪论3当高温环境下,且两侧氧浓度出现差值时，浓度高的氧会通过ZrO2两侧的多孔铂电极，在电解质中以O2-离子态向低浓度一侧迁移，从而形成氧离子导电[7]。此时在ZrO2电解质两侧电极上出现氧浓度差电势E,其工作原理如图1.2所示。浓差电池阳极反应为：22O(I)4e2O(1-1)阴极反应为：222O4eO(II)(1-2)总反应为：O2(I)=O2(II)(1-3)假设ZrO2固体电解质的离子迁移数为1，则对于理想气体的浓差效应所形成的电动势E可用Nernst公式(1)表示[8]：22()=ln4()OORTPIEFPII(1-4)式中：R为气体常数；T为传感器的热力学温度(K)；F为法拉第常数；PO2(I)为参比气氧分压(即阴极侧氧分压)；PO2(II)为待测氧分压(即阳极侧氧分压)。显然，当温度确定时，若参比气体的氧分压为已知时，只要测出E值就可得到待测气体的氧含量或氧分压P值[9]。图1.2浓差式氧传感器原理图2.极限电流式氧传感器而以限速孔作为扩散障的极限电流式氧传感器中,当固体电解质两侧的电极上存在电动势时，通过限速孔流入测试腔中的氧以氧离子(O2-)形式被泵到另一侧，同时在外接电路中形成感应电流，此感应电流在电压增大时变大，待电压达到一定值时，电流达到最大值而保持稳定，如图1.4所示。这是因为不断增大的电压增强了氧泵作用，而由于限速小孔的限制，氧气扩散速率到达极限。极限电流值IL与待测氧含量成正比,且IL直接取决于氧气向检测腔内扩散的速率[10]，其中IL由式(1-5)决定：
哈尔滨工程大学硕士学位论文4224=ln1OOLFDSPPIRTLP(1-5)式中，DO2为N2中氧的扩散系数；S为扩散孔面积；L为扩散孔长度；PO2为待测气体的氧分压值；F为法拉第常数；R为气体常数；T为传感器的热力学温度(K)。通过式(1-5)易知，当工作温度、扩散孔的面积长度比已知时，极限电流IL值直接与待测氧含量相关，其值可直接得出环境中氧含量。图1.3限流式氧传感器示意图图1.4极限电流型氧传感器在不同氧浓度下的饱和电流与电压的关系3.宽域式氧传感器宽域型氧传感器拥有两个固体电解质，一个作为氧浓差电池，一个作为氧气泵[11]，其原理与传统氧传感器相同。在采用传统氧传感器的空燃比控制中，当尾气中混合气较浓时，氧气含量低，在多孔铂电极的催化下，氧与可燃气反应，造成传感器外侧氧浓度极低，与参比气体形成浓差电池；当尾气混合气较稀时，氧含量增加，这使得传感器内外氧浓度差较小，产生的电压值已无法满足对汽车排放的控制。为了解决某些工况下传统氧传感器电压过小的问题，开发出来一种宽域型氧传感器(UEGO)，其结构原理如图1.5所示。混合气由扩散孔进入扩散阻力层到达检测室，通过
【参考文献】：
期刊论文
[1]极限电流型氧传感器热力学分析及结构优化[J]. 谢胜秋,程振乾,任健,葛杨. 传感器与微系统. 2017(05)
[2]陶瓷3D打印技术的研究与进展[J]. 李亚运,司云晖,熊信柏,邹继兆,曾燮榕. 硅酸盐学报. 2017(06)
[3]氧化钇陶瓷的热压烧结和耐蚀行为[J]. 鲁飞,刘树峰,孙良成,刘小鱼,李慧,王峰. 稀土. 2016(05)
[4]CAMPLE一种求解不可压流动的协调算法[J]. 刘豫龙,巩亮,孙宪航,徐明海. 工程热物理学报. 2016(06)
[5]陶瓷材料微波烧结工艺与机理研究现状[J]. 殷增斌,袁军堂,程寓,汪振华,胡小秋. 硅酸盐通报. 2016(05)
[6]气体传感器在国外航天器上的应用[J]. 窦仁超,孙立臣,刘兴悦,闫荣鑫,任国华. 仪器仪表学报. 2016(05)
[7]氧传感器YSZ陶瓷层的制备及其与Al2O3绝缘层的共烧[J]. 张容榕,林健,张润婧. 功能材料. 2016(04)
[8]基于ANSYS的自然对流换热系数计算方法研究[J]. 陈孟. 现代计算机(专业版). 2016(11)
[9]低温常压烧结SiC陶瓷的结构与性能[J]. 张龙,张磊,张明,何新农,汤文明. 材料热处理学报. 2015(07)
[10]平板式极限电流型氧传感器热应力数值分析[J]. 任继文,徐雅琦. 仪表技术与传感器. 2015(02)
博士论文
[1]氧化锆氧传感器电极性能研究[D]. 罗志安.华中科技大学 2006
[2]钇稳定ZrO2固体电解质氧传感器的研究[D]. 简家文.电子科技大学 2004
硕士论文
[1]Bi2O3/YSZ和Bi2O3/YbSZ电解质的合成制备和表征[D]. 刘丽伟.浙江大学 2016
[2]掺杂氧化铈基极限电流型氧传感器的研究[D]. 姚学君.内蒙古科技大学 2015
[3]片式氧传感器纳米氧化锆材料的制备及性能研究[D]. 刘婷婷.湖南大学 2015
[4]基于电化学传感器的高温湿度检测仪的研究[D]. 李丽.宁波大学 2015
[5]水基流延法制备固体氧化物燃料电池工艺的研究[D]. 陈胜.内蒙古科技大学 2014
[6]宽域氧传感器控制器开发[D]. 吕鹏.湖南大学 2014
[7]微热板式微气压传感器电热力耦合及瞬态特性研究[D]. 邵明亮.大连理工大学 2009
[8]ZrO2（MgO）固体电解质粉体的制备研究[D]. 苏畅.东北大学 2009
[9]固体氧化物燃料电池热力电化学耦合数值模拟[D]. 秦优培.华中科技大学 2009
[10]固体氧化物燃料的电池电化学分析与数值仿真[D]. 曾淑琴.华中科技大学 2007
本文编号：3027219
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