一种多电池氧传感器温度测量方法

本发明属于氧浓度/分压检测氧传感器领域，具体涉及一种多电池氧传感器温度测量方法。

背景技术：

1、以掺杂氧化锆为代表的氧离子导体制备的陶瓷隔膜为电解质、两侧涂刷铂电极等催化电极能够组成陶瓷隔膜电池(如图1所示)，该种电池两侧电极暴露在不同氧浓度下会产生能斯特电势，即所谓参比电池；另外，还可以利用陶瓷的氧离子导电性能，在隔膜两侧施加电压，实现氧的定向输运，即所谓泵氧电池。由于参比电池和泵氧电池功能不同，两者结构通常有所不同，为了在更低过电压下得到更大的泵电流，相比于参比电池，泵氧电池通常具有更大的电极面积以及更小的电解质厚度。

2、在应用过程中，陶瓷隔膜电池可单独作为参比电池或泵氧电池测量氧浓度，即浓差型氧传感器和极限电流型氧传感器。也可将多个陶瓷隔膜电池分别作为参比电池和泵氧电池配合使用，将测试空腔中的氧浓度控制在特定范围，再通过极限电流、泵氧时间等参数精确测量氧浓度或氧分压，这也是目前宽域型氧传感器、变频型氧传感器以及氮氧化物传感器等器件的工作基础，上述五种类型氧传感器的结构示意图可参见说明书附图2-6。由于宽域型氧传感器、变频型氧传感器、氮氧化物传感器等器件均由两个及两个以上陶瓷隔膜电池组成，因此将上述传感器统称为多电池氧传感器。

3、从原理上来看，多电池氧传感器结合了能斯特电势响应迅速以及电化学输运氧含量精确两个优点，相比于单个电池的浓差型氧传感器或极限电流型氧传感器，在响应时间、测量准确性及测量范围等方面具有显著优势，因为被广泛应用于汽车、航空等领域精确测量待测气体氧浓度或氧分压。由于参比电池的能斯特电压以及泵氧电池的泵氧性能均与温度密切相关，为实现氧浓度或氧分压的精确测量，精准测量传感器温度是多电池氧传感器应用的前提。

4、现有的多电池氧传感器温度测量方法存在温度测量结果不准确、测量结果滞后以及测量灵敏度低等问题，亟待解决。

技术实现思路

1、针对当前多电池氧传感器温度测量过程中存在的准确性低、滞后、灵敏度低的问题，本发明提供了一种多电池氧传感器温度测量方法。

2、具体来说，本发明提供了一种多电池氧传感器温度测量方法，所述多电池氧传感器包括至少两个陶瓷隔膜电池，其中一部分为参比电池，另一部分为泵氧电池；

3、所述测量方法包括以下步骤：

4、(1)制备标准陶瓷隔膜电池；

5、(2)绘制标准陶瓷隔膜电池阻抗-温度标定曲线；

6、(3)选择所述多电池氧传感器中的任一个参比电池和任一个泵氧电池，测量所述任一个泵氧电池的阻值rp和所述任一个参比电池的阻值rr；

7、(4)将参比电池阻值rr与泵氧电池阻值rp的差值归一化，得到归一化的测量阻抗值；将归一化的测量阻抗值代入所述标准陶瓷隔膜电池阻抗-温度标定曲线的拟合公式，得到所述多电池氧传感器的温度。

8、较佳地，标准陶瓷隔膜电池采用的电解质材料、电极材料以及制备工艺与多电池氧传感器中参比电池、泵氧电池一致。

9、较佳地，所述电解质材料为氧化钇稳定氧化锆，所述电极材料为铂电极、或者多孔铂与氧化锆复合电极。

10、较佳地，所述标准陶瓷隔膜电池电解质厚度与待测多电池氧传感器参比电池电解质厚度相同，优选为0.1-0.5mm。

11、较佳地，所述标准陶瓷隔膜电池电极面积与多电池氧传感器的泵氧电池电极面积相同，优选为1-100mm2。

12、较佳地，步骤(2)中，所述标准陶瓷隔膜电池阻抗-温度标定曲线的标定方式为：利用直径不低于0.5mm的贵金属丝和贵金属网连接标准电池两侧电极，在程序控温炉中利用交流阻抗法测量不同温度下的电池交流阻抗曲线；对比不同温度下的交流阻抗曲线，选择在待测温度范围内交流阻抗中容抗绝对值不大于同频率阻抗绝对值的10％的频率为特征频率，以特征频率下的阻抗值和温度值分别为横、纵坐标作图，并拟合得到标准电池阻抗-温度标定理论公式lg(r/ω)＝b+(1000×k)/(t/℃+273.15)，其中：r表示标准电池阻抗值，单位ω；t表示标准电池温度值，单位℃；b和k为与温度无关的常数。

13、较佳地，所述特征频率为102～104hz，优选为103～104hz。

14、较佳地，所述待测氧传感器泵氧电池阻抗rp及参比电池阻抗rr的测量方式任意选择如下两种方式中的一种：采用频率为103～104hz、振幅为1～10ua的交变电流作为激励源，测量对应电压值，得到电池阻抗值；或者，采用频率为103～104hz、振幅为1～100mv的交变电压作为激励源，测量对应电流值，得到电池阻抗值。

15、较佳地，归一化的测量阻抗r＝参比电池阻抗值与泵氧电池阻抗值差值除以归一化系数c，所述归一化系数c＝b-1/a，氧传感器的参比电池电解质厚度与泵氧电池电解质厚度比值设为a，氧传感器的泵氧电池电极面积与参比电池电极面积比值设为b。

16、有益效果

17、本发明制备与传感器具有相同电解质和电极材料的标准电池，基于电解质电导率与温度的阿伦尼乌斯关系，绘制标准电池阻抗-温度标定曲线以及理论公式用于传感器温度测量，测量方法具有普适性。输入值为交流阻抗法测量阻抗值，通过测量频率的优选，使得测量阻抗值与电池电流及电压加载状态无关，可保证泵氧电池、参比电池工作状态下测得的阻抗值与标准电池阻抗值具有可比性；

18、以泵氧电池阻抗值和参比电池阻抗值测量传感器温度，由于两个阻抗值直接反映传感器工作温度，因此可避免温度测试过程中的迟滞。同时测量过程中采用二者的差值去除铂引线影响，进一步避免铂引线等带来的误差，使得该阻值差值对温度变化始终保持相同敏感性，即标定曲线适用温度范围更大；

19、此外，归一化处理使得待测阻值仅与传感器温度相关，无须代入电极面积和电解质厚度等参数，与标定曲线直接比对或代入理论公式即可得到传感器温度。

技术特征：

1.一种多电池氧传感器温度测量方法，其特征在于，所述多电池氧传感器包括至少两个陶瓷隔膜电池，其中一部分为参比电池，另一部分为泵氧电池；

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，标准陶瓷隔膜电池采用的电解质材料、电极材料以及制备工艺与多电池氧传感器中参比电池、泵氧电池一致。

3.根据权利要求1或2所述的测量方法，其特征在于，所述电解质材料为氧化钇稳定氧化锆，所述电极材料为铂电极、或者多孔铂与氧化锆复合电极。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述标准陶瓷隔膜电池电解质厚度与待测多电池氧传感器参比电池电解质厚度相同，优选为0.1-0.5mm。

5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述标准陶瓷隔膜电池电极面积与多电池氧传感器的泵氧电池电极面积相同，优选为1-100mm2。

6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，步骤(2)中，所述标准陶瓷隔膜电池阻抗-温度标定曲线的标定方式为：利用直径不低于0.5mm的贵金属丝和贵金属网连接标准电池两侧电极，在程序控温炉中利用交流阻抗法测量不同温度下的电池交流阻抗曲线；对比不同温度下的交流阻抗曲线，选择在待测温度范围内交流阻抗中容抗绝对值不大于同频率阻抗绝对值的10％的频率为特征频率，以特征频率下的阻抗值和温度值分别为横、纵坐标作图，并拟合得到标准电池阻抗-温度标定理论公式lg(r/ω)＝b+(1000×k)/(t/℃+273.15)，其中：r表示标准电池阻抗值，单位ω；t表示标准电池温度值，单位℃；b和k为与温度无关的常数。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述特征频率为102～104hz，优选为103～104hz。

8.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述待测氧传感器泵氧电池阻抗rp及参比电池阻抗rr的测量方式任意选择如下两种方式中的一种：采用频率为103～104hz、振幅为1～10ua的交变电流作为激励源，测量对应电压值，得到电池阻抗值；或者，采用频率为103～104hz、振幅为1～100mv的交变电压作为激励源，测量对应电流值，得到电池阻抗值。

9.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，归一化的测量阻抗r＝参比电池阻抗值与泵氧电池阻抗值差值除以归一化系数c，所述归一化系数c＝b-1/a，氧传感器的参比电池电解质厚度与泵氧电池电解质厚度比值设为a，氧传感器的泵氧电池电极面积与参比电池电极面积比值设为b。

技术总结
本发明涉及一种多电池氧传感器温度测量方法。所述多电池氧传感器包括至少两个陶瓷隔膜电池，其中一部分为参比电池，另一部分为泵氧电池；所述测量方法包括以下步骤：(1)制备标准陶瓷隔膜电池；(2)绘制标准陶瓷隔膜电池阻抗‑温度标定曲线；(3)选择所述多电池氧传感器中的任一个参比电池和任一个泵氧电池，测量所述任一个泵氧电池的阻值R<subgt;p</subgt;和所述任一个参比电池的阻值R<subgt;r</subgt;；(4)将参比电池阻值R<subgt;r</subgt;与泵氧电池阻值R<subgt;p</subgt;的差值归一化，得到归一化的测量阻抗值；将归一化的测量阻抗值代入所述标准陶瓷隔膜电池阻抗‑温度标定曲线的拟合公式，得到所述多电池氧传感器的温度。

技术研发人员：温兆银,孟燮,骆婷,辛显双
受保护的技术使用者：中国科学院上海硅酸盐研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13