Снижение загрязняющих веществ, образующихся в процессе сжигания ископаемого топлива, - существенная проблема здравоохранения и сохранения жизни на планете в целом. Учёными придумана методика - селективное каталитическое восстановление (SCR - Selective Catalytic Reduction). Другой вариант транскрипции - избирательная каталитическая нейтрализация. Это специальная обработка процесса сжигания дизельного топлива. Цель такой обработки - преобразование вредных оксидов азота в чистый азот и воду. При этом требуется специальная жидкость AdBlue обработки выхлопных газов.
AdBlue что это такое и для чего используется?
Жидкость обработки выхлопных газов дизельного двигателя, получившая зарегистрированный товарный знак AdBlue, необходима процессу селективного каталитического восстановления. Идеальный состав на жидкость AdBlue включает:
- 32,5% мочевины,
- 67,5% деионизированной воды.
Правильная концентрация мочевины имеет решающее значение для достижения оптимального селективного каталитического восстановления. Несоответствие концентрации приводит к торможению процесса, а то и вовсе даёт нулевой эффект. Соответственно, снижение выбросов попросту не достигается.
Методика на основе жидкости AdBlue обещает эффективность обработки цикла процесса сгорания, но крайне важно постоянно контролировать качество выхлопа жидкости дизельного двигателя. Так обеспечивается идеальное избирательное каталитическое восстановление (нейтрализация).
Ниже будет рассмотрен платиновый тонкоплёночный датчик, использующий 3ɷ метод характеристики жидкости AdBlue выхлопных газов дизельного двигателя. Заявленные сегодня датчики качества выхлопных газов дизельного двигателя базируются на принципах:
- оптических,
- электрических,
- ультразвуковых,
- импульсных измерений нагрева.
Все отмеченные виды датчиков, как правило, мерят только концентрацию, плюс иногда уровень наполнения резервуара.
Платиновый тонкоплёночный датчик 3ɷ типа
Этот метод ранее никогда не применялся для определения концентрации мочевины в селективном каталитическом восстановлении. Однако, по сути, здесь задействован известный термический метод измерения теплопроводности и теплоёмкости. Некоторые основные физические параметры воды и жидкости AdBlue для данного варианта приведены в таблице.
Тепловые параметры сред различаются, соответственно, имеется возможность различать воду и жидкость AdBlue посредством 3ɷ методики. Достоинствами и преимуществами этой концепции считывания являются простая экономичная конструкция самого датчика. Налицо отсутствие движущихся частей и возможность сочетания измерений:
- концентрации,
- температуры,
- расхода.
Этой статьёй не предусматривается разбор основного принципа 3ɷ метода измерений. Материал ограничивается анализом конструкции датчика, установкой и протоколом измерения. Более глубокие исследования, связанные с 3ɷ методикой – это прерогатива публикаций химической направленности.
Конструкция датчика для жидкости AdBlue показана на картинке выше. Чувствительный элемент сенсора представлен парой резистивных структур. Одна структура имеет низкое сопротивление, вторая структура имеет высокое сопротивление. В зависимости от техники измерений может использоваться только структура с низким сопротивлением в сочетании с 3ɷ методом.
Однако вся конструкция аналогична анемометрическому датчику потока, где структура с низким сопротивлением также действует как нагреватель, а структура с высоким сопротивлением действует как датчик температуры. Идеи для дальнейших исследований дизельной выхлопной жидкости AdBlue в сочетании с потоком являются главной причиной выбора именно этой конструкции сенсора.
Конструкция датчика платиновой тонкоплёночной технологии
Поперечное сечение чувствительного элемента конструкции датчика показано на картинке ниже. Непосредственно датчик основан на платиновой тонкоплёночной технологии, соответственно, изготавливается по стандартным тонкоплёночным технологиям.
Материал платина выбран по причине удачно подходящего воспроизводимого температурного коэффициента сопротивления для данного случая применения. Тонкая плёнка материала платины расположена поверх подложки (150 мкм), выполненной на основе оксида циркония.
Оксид циркония как материал выбран также по причине хороших механических свойств, способных обеспечить простую обработку даже для подложки толщиной всего 150 мкм. Тонкая платиновая плёнка покрыта пассивирующим слоем стеклянной плёнки, толщиной 30 мкм. Сделано это для защиты платиновой структуры.
Такого типа элементом контроля обеспечивается температурный диапазон 0 - 100°C. Низкоомная структура сборки имеет сопротивление R 0,45 = 45,06 Ом при температуре 0°C и коэффициенте теплопроводности β45 = 3893 ppm/K. Высокоомная структура сборки имеет сопротивление R 0,1200 = 1204,7 Ом при температуре 0°C и коэффициенте теплопроводности β1200 = 3896 ppm/K.
Соответственно, обе платиновые структуры фактически имеют одинаковый коэффициент теплопроводности, как и следовало ожидать, с учётом расположения обеих структур на одном кристалле.
Основы настройки и протокол измерения
Измерение напряжения V3ɷ и ∆TAC может стать проблемой, учитывая, что 3ɷ обычно на три порядка меньше, чем 1ɷ сигнал. Причина - температурный коэффициент сопротивления находится в диапазоне 10-3 К-1. Однако методом усиления с применением синхронизации вполне допустимо измерение этого слабого сигнала. Кроме того, метод синхронного усиления также позволяет проводить фазочувствительные измерения, необходимые для разделения фаз.
Преимущество цифрового синхронизирующего усилителя – в этом случае не требуется физический опорный сигнал. Аппаратное обеспечение состоит из платы сбора данных и преобразователя напряжения в ток на основе двух операционных усилителей.
Плата сбора данных выступает основной частью этого цифрового синхронизирующего усилителя, поскольку генерирует управляющий сигнал и синхронно измеряет напряжение на резисторе. Плата сбора данных управляется компьютером через программу, например, «LabView».
Чувствительный элемент конструктивно устанавливается на стержне из нержавеющей стали. Зонд практически применялся для исследования жидкостей, представляющих смеси различных растворов мочевины и воды в сочетании с 3ɷ методикой.
Поскольку растворимость мочевины в воде составляет 1000 г/л при 20°C, концентрация мочевины варьируется от 0% до 50% по весу, что покрывает большую часть возможного диапазона. Измерения проводятся при комнатной температуре (25°C) и в условиях отсутствия потока.
Последовательность измерения концентрации мочевины выбирается случайным образом, чтобы внешние переменные, например, температура окружающей среды, не искажали результат измерения систематическим образом.
При выборе частотного диапазона глубина проникновения должна быть больше, чем расстояние между тонкой платиновой плёнкой и представляющей интерес жидкостью AdBlue. В противном случае датчик не обнаружит жидкость AdBlue, соответственно, не будет зависимости от жидкости.
Глубины проникновения для стекла и оксида циркония приведены в таблице ниже для различных частот. По этой причине для измерения частота возбуждения меняется от 0,1Гц до 1000Гц:
Чтобы установить текущую амплитуду, необходимо найти компромисс между высотой сигнала и самонагревом. Практическими исследованиями с использованием аналогичной структуры саморазогрев током 30 мА был меньше 1% от абсолютной температуры на частоте 1Гц. Поэтому очевидным видится выбор амплитуды тока 30 мА.
