[发明专利]二氧化锆发光的氧传感器

说明书

技术领域

本发明涉及通过测量传感器的受激发光而测量气体中的氧分压的方法，所述方法特别适用于测量汽车发动机的废气中的氧量以及工艺流程的控制，在温室、教室、会议室、餐厅中的氧水平的控制以及燃烧过程的优化以及冶金。

背景技术

专利PL 142779公开了一种基于利用氧气与氢气的催化反应的热量的方法持续测量在热气中的氧气量的装置，而从美国专利3849539中，已知一种用于从惰性气体流中相对于氢气进行标记(marking)和脱氧的方法。

考虑到被分析气体的初始和严格干燥的必要性，根据美国专利3849539的测量方法不能用于直接测定热气中的氧水平。而且，在分析气体中的氧浓度必须小于重量的1％。

由三向(three-way)催化转化器(TWC)组成的燃料控制系统的发射和使用也是已知的，该三向催化转化器使用基于二氧化锆的电势计氧传感器以及具有基于二氧化锆(λ＝1)的线性λ控制的电流计传感器[E.Ivers-Tiffee、K.H.Hardtl、W.Menesklou、J.Riegel，用于稀薄燃烧气体控制的固态氧传感器的原理(Principles of solid state oxygen sensors for lean combustion gascontrol)，Electrochimica Acta 47(2001)807-814]。上述传感器的操作原理与电流传导相关，这对某些解决方案是不利的。

在专利US 6815211和公布US 2001031224 A1中已经公开了与本发明主题最紧密相关的解决方案。在这些解决方案中，描述了由这样的系统制成的装置，所述系统根据来自发光猝灭的信号提供关于在被分析的气体中的氧浓度的信息。这些系统的元件包括：

(a)输送测量气体的装置，即传感器样品室，在该室中发光被受激，并且其衰减时间反映氧在气体中的浓度；(b)转化器，其配备有用于激发在传感器中能够发光的化合物的光源以及灵敏的光检测器，该光检测器用于在发光衰减过程中处理来自发光化合物的发射能量，所述发光衰减是以表示在被监测气体中的氧浓度的电信号的形式处理的；和(c)子系统，该子系统用于保持传感器的恒定温度以及处理由灵敏的光检测器产生的信号。上述解决方案的缺点是复杂的结构。

在专利US 6815211中公开的监测氧浓度的方法由下列步骤组成：(a)在有机溶剂中形成显示出发光的溶液组合物；(b)由含有大量开口微孔的疏水聚合物膜组成的基体溶胀；(c)通过其渗透到溶胀的膜的内部，将显示出发光的溶液组合物引入到膜上；(d)以这种方式除去有机溶剂，使得在收缩过程中，微孔性疏水聚合物将捕获至少一半显示出发光的组合物。

在专利US 0031224的第20段中，描述了由二氧化锆制成的氧传感器，其中通过利用离子传导测定氧的量。与本发明的主题类似的解决方案还由称为“Rugged D.O.”(http:∥www.in-situ.com/In-Sira/Products/MPTROLL9000/TROLL900_RDO.html)的光学荧光氧检测器代表，该检测器能够检测在水溶液中溶解的氧浓度。监测方法基于下列事实：检测器的灵敏元件(发光体)被蓝光源(例如UV LED)激活并且激发。以这种方式激发的检测器元件发射强度与水中流通的氧浓度成反比的红光。而且，在最大蓝光值和荧光性红光的最大响应值之间的衰减的时长与存在的氧浓度成反比。衰减的时间可以表示为入射的蓝光和荧光性红光之间的相位移。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过测量传感器材料的受激发光的方式，测量气体中的氧分压的方法。

这种目标是通过下列方法实现的：将校准的传感器中的纳米晶体二氧化锆与测量的气体接触，并且通过UV光脉冲照射，从而诱导二氧化锆的发光。然后，记录发光强度时间依赖关系，测定脉冲的发光强度，并且将得到的结果与对于在给定时间的传感器温度而言的氧分压函数形式的发光强度的校准结果进行比较。

在该方法中，测定的发光强度可以等于发光响应脉冲的最大值。

在本发明的一种变型中，传感器含有纳米晶体二氧化锆，所述纳米晶体二氧化锆具有由单斜晶相、掺杂的正方晶相、规则掺杂相或这些相的混合所构成的3nm至200nm的微晶。

在本发明的另一种变型中，二氧化锆含有已知稳定单斜晶系、正方晶系或规则(regular)相或这些相混合的离子，或者二氧化锆含有稀土和过渡金属的离子，从而提高传感器的灵敏度并且降低操作温度。