Поскольку нормы выбросов ужесточаются, технология датчиков NOₓ должна развиваться, чтобы обеспечить еще большую точность, надежность и более низкую стоимость. В этой статье рассматриваются три ведущих метода измерения NOₓ — электрохимический, твердотельный и развивающийся CMOS MEMS — подчеркивая компромиссы в конструкции, передовые материалы и контрольные показатели производительности, которые формируют следующее поколение мониторинга выхлопных газов.

1. Электрохимические датчики NOₓ: доказанная эффективность

Электрохимические датчики остаются отраслевым стандартом для многих применений SCR благодаря своему линейному отклику и высокой чувствительности.

• Принцип работы: Электродная пара, погруженная в электролит на основе калия, генерирует ток, когда NO или NO₂ подвергаются окислительно-восстановительным реакциям. Величина тока коррелирует с концентрацией газа.
• Основные преимущества: Превосходная чувствительность на низких частотах (<5 ppm), стабильный выходной сигнал в широком диапазоне температур (от −40 до 800 °C) и простота обработки сигнала.
• Инновации в области материалов: Недавнее использование ионных жидкостей и новых электродных катализаторов (например, платины, легированной рутением) улучшает селективность по отношению к мешающим газам, таким как CO и NH₃.
• Конструктивные соображения: Требуется периодическая калибровка для компенсации деградации электролита; активные нагревательные элементы поддерживают оптимальную проводимость электролита в условиях холодного запуска.

2. Твердотельные датчики NOₓ: долговечность в сочетании с экономической эффективностью

Твердотельные датчики используют металл-оксидные полупроводники (МОП) для обнаружения NOₓ посредством изменения сопротивления.

• Принцип работы: Чувствительная пленка из легированного оксида церия или оксида вольфрама адсорбирует NOₓ, изменяя свое электрическое сопротивление. Это изменение измеряется на встречно-штыревых электродах.
• Преимущества: Прочная керамическая упаковка выдерживает температуру >900 °C, отсутствие жидкого электролита упрощает техническое обслуживание, а серийное микропроизводство снижает себестоимость единицы продукции.
• Проблемы: Перекрестная чувствительность к влажности и другим газам; в современных конструкциях используются слоистые фильтры, например, каталитические верхние покрытия, для повышения селективности и подавления дрейфа.
• Аналитика применения: Идеально подходит для мощных дизельных двигателей с высокой температурой выхлопных газов, где первостепенное значение имеют низкие эксплуатационные расходы и стоимость.

3. Датчики CMOS MEMS NOₓ: следующий рубеж

Микроэлектромеханические системы (МЭМС), интегрированные с КМОП-схемами, открывают новые форм-факторы и интеллектуальные возможности.

• Принцип работы: Микроизготовленные кантилеверы или микронагревательные пластины, покрытые селективными к NOₓ наноматериалами (например, композитами на основе оксида графена), преобразуют адсорбцию газа в измеряемые электрические или механические сигналы.
• Преимущества: Сверхнизкое энергопотребление (<50 мВт), обработка сигналов на кристалле и потенциальная интеграция с беспроводными модулями для развертывания Интернета вещей.
• Основные моменты исследования: Новые методы функционализации поверхности обеспечивают пределы обнаружения ниже ppm и сокращают время отклика (<10 мс). Ранние полевые испытания показывают многообещающую стабильность более 1000 часов при 700 °C.
• Возможности интеграции: Датчики MEMS могут быть размещены вместе с датчиками O₂ на одном кристалле, что упрощает схему подключения и позволяет осуществлять многопараметрический мониторинг выбросов.

4. Высокотемпературные материалы и покрытия

Для надежного измерения уровня NOₓ необходимы материалы, устойчивые к спеканию, отравлению и тепловому удару.

• Подложки датчиков: Керамика на основе оксида алюминия и карбида кремния (SiC) обеспечивает структурную целостность при температурах >1000 °C.
• Защитные покрытия: Пористые платиновые или перовскитовые покрытия фильтруют твердые частицы и влагу, одновременно обеспечивая диффузию NOₓ.
• Каталитические слои: Внедрение нанокластеров палладия или родия улучшает преобразование NO в NO₂, повышая согласованность отклика датчика.

5. Показатели производительности: чувствительность, селективность и время отклика

Основные показатели для сравнения датчиков NOₓ:

Выбор датчика должен соответствовать целевым характеристикам двигателя и нормативным требованиям.

Достижения в области электрохимических катализаторов, МОП-материалов и производства МЭМС выводят датчики NOₓ на новый уровень производительности и интеграции.