Датчик кислорода принцип работы: Лямбда-зонд (датчик кислорода). Устройство лямбда-зонда

Датчик кислорода DENSO(лямбда-зонд) — принцип работы,устройство,виды

Конструкция современных автомобилей предусматривает строгий контроль количества сжигаемого топлива. Это необходимо как с точки зрения повышения экономичности двигателей, так и в целях снижения выбросов вредных веществ в атмосферу. Элементом, играющим основную роль в регуляции топливо-воздушной смеси, является датчик кислорода (лямбда-зонд).

Датчик кислорода работает в связке с системой впрыска, каталитическим нейтрализатором и электронным блоком управления (ЭБУ). Измеряя процент несгоревшего кислорода в выхлопных газах автомобиля, датчик передает эти данные в ЭБУ, который регулирует состав топливовоздушной смеси. Правильная топливовоздушная смесь обеспечивает эффективную работу каталитического нейтрализатора.

Принцип работы
Датчики кислорода состоят из внешнего и внутреннего электрода. Внешний электрод имеет платиновое напыление, а внутренний изготовлен из циркониевого сплава. При прохождении кислорода изменяется потенциал между выводами электродов. Принцип работы датчика основан на поддержании постоянного напряжения (450 мВ) между электродами за счет изменения силы тока. Снижение концентрации кислорода в отработавших газах (обогащенная топливно-воздушная смесь) сопровождается ростом напряжения между электродами двухточечного керамического элемента. Сигнал от элемента подается в электронный блок управления, на основании которого создается ток определенной силы, благодаря которой напряжение достигает нормативного значения. Величина силы тока при этом и является мерой концентрации кислорода в отработавших газах.

Датчик кислорода контролирует процентное содержание несгоревшего кислорода в выхлопных газах автомобиля. Во время движения автомобиля состав топливной смеси отклоняется от идеального значения, поэтому его необходимо контролировать и регулировать. В зависимости от содержания кислорода — слишком высокое (обедненная смесь) или слишком низкое (переобогащенная смесь) — датчик передает быстроизменяющийся сигнал в ЭБУ, который реагирует на сигнал изменением качества топливовоздушной смеси, поступающей в двигатель.

ЭБУ получает от датчика сигнал и принимает решение о правильности соотношения топлива и воздуха в смеси. Количество впрыскиваемого топлива регулируется с помощью коррекции времени впрыска по сигналам обратной связи. Если смесь оказывается слишком богатой, количество впрыскиваемого топлива уменьшается, если слишком бедной — количество впрыскиваемого топлива увеличивается.

Задача состоит в том, чтобы поддерживать соотношение топлива и воздуха в смеси близко к стехиометрической точке, которая представляет собой рассчитанное идеальное соотношение топлива и воздуха в смеси. Для бензина стехиометрическое соотношение, т.е. соотношение чистого сгорания, составляет около 14,7 к 1 (равно коэффициенту лямбда 1.00). Это означает, что на каждый килограмм топлива сжигается 14,7 килограмма воздуха. Если отношение воздуха к топливу выше 14,7 — смесь обедненная, а если ниже — переобогащенная.

В теории при идеальном составе смеси все топливо сгорает полностью, используя при этом почти все количество кислорода в воздухе. Остаточный кислород должен присутствовать в количестве, как раз необходимом для эффективной работы каталитического нейтрализатора. После этого нейтрализатор производит обработку выхлопных газов до того, как они покинут автомобиль.

Большинство современных автомобилей оснащены трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором. Трехкомпонентный подразумевает три вида контролируемых (вредных) выбросов, уровень которых снижается с помощью нейтрализатора — монооксид углерода (CO), несгоревшие углеводороды (CH) и оксид азота (NOx). Точное количество кислорода в выхлопных газах важно для нейтрализатора, поскольку от этого зависит, насколько эффективно он сможет удалить эти вредные выбросы из выхлопных газов.

При правильном количестве кислорода между кислородом и токсичными газами возникает химическая реакция, в результате которой из нейтрализатора выходят безвредные газы. Если нейтрализатор работает исправно, то этой химической реакцией поглощается весь кислород, содержащийся в выхлопных газах.

Рис. 1. Выходной сигнал датчика кислорода указывает на соотношение топлива и воздуха в смеси, сообщая ЭБУ, в какую сторону регулировать подачу топлива.	Рис. 2. Степень очистки каталитического нейтрализатора.

Устройство
Все новые автомобили и большинство автомобилей, выпущенных после 1980 г., оснащены датчиком кислорода. Он установлен в выхлопной трубе перед каталитическим нейтрализатором. Точное местонахождение датчика кислорода варьируется в зависимости от типа двигателя — с V-образным или рядным расположением цилиндров, а также в зависимости от марки и модели.

Подробно рассматривать устройство современного датчика кислорода имеет смысл на примерах продукции компании DENSO, поскольку этот японский производитель является безусловным технологическим лидером в данной области. С таким утверждением явно согласны ведущие мировые автопроизводители — датчики кислорода DENSO устанавливаются в качестве оригинального оборудования на автомобилях таких производителей как Toyota, Mitsubishi, Honda, Jaguar, Volvo, Mazda, Suzuki, Subaru, Isuzu, Daihatsu, Yamaha, Land Rover, Daimler Chrysler, General Motors, Opel/Vauxhall и многих других. Начиная с 1977 года, когда были выпущены первые датчики кислорода, уже несколько сотен миллионов датчиков DENSO выполняют свою работу, измеряя содержание кислорода в выбросах двигателей автомобилей, что делает DENSO одним из ведущих производителей датчиков кислорода в мире.

Несколько датчиков кислорода
Многие из недавно выпущенных автомобилей, кроме датчика кислорода, перед каталитическим нейтрализатором имеют второй датчик, установленный после него. Первый датчик, перед нейтрализатором, является основным и помогает блоку ЭБУ регулировать топливовоздушную смесь. Второй датчик, установленный после нейтрализатора, является контрольным. Он контролирует функционирование каталитического нейтрализатора.

Датчик кислорода, установленный после каталитического нейтрализатора, контролирует его функционирование путем измерения уровня кислорода в выхлопных газах, выходящих из нейтрализатора. Если датчик выдает сигнал высокого напряжения, нейтрализатор работает нормально. Это происходит потому, что, если нейтрализатор работает правильно, весь кислород в выхлопных газах поглощается химической реакцией, происходящей внутри между кислородом и вредными веществами.

Рис. 3. Двигатель с каталитическим нейтрализатором и датчиками:
1. Инжектор. 2. Датчик кислорода перед катализатором. 3. Каталитический нейтрализатор. 4. Датчик кислорода после катализатора

Двойной защитный слой алюминия и двойная защитная крышка — уникальные разработки DENSO!

Два типа датчиков кислорода
Компания DENSO первой в мире разработала технологию датчиков соотношения воздух/топливо, предложив датчик с линейным сигналом, который помогает автомобилям соответствовать строгим стандартам уровня токсичности выбросов, начиная с EURO 3. Однако в новой системе вместо обычного датчика кислорода используется уже датчик контроля соотношения топлива и воздуха в смеси. В целом датчики воздух/топливо обладают большей чувствительностью и эффективностью, чем обычные циркониево-оксидные датчики кислорода. Это достигается благодаря способу измерения соотношения топлива и кислорода в смеси и различиям в выходных сигналах, сообщающих о результате измерений.

Циркониево-оксидный датчик показывает, выше или ниже соотношение топлива и воздуха коэффициента лямбдa 1.00. ЭБУ двигателя постепенно изменяет количество подачи топлива до тех пор, пока датчик не начнет показывать, что соотношение опять неправильное. С этого момента ЭБУ опять начинает корректировать подачу топлива в другом направлении. Этот способ обеспечивает медленное и непрекращающееся плавание вокруг коэффициента лямбдa 1.00, не позволяя при этом поддерживать точный коэффициент 1.00.

Датчик соотношения воздух/топливо показывает точное соотношение топлива и воздуха в смеси. Это означает, что ЭБУ двигателя точно знает, насколько это соотношение отличается от коэффициента лямбдa 1.00 и, соответственно, насколько требуется корректировать подачу топлива, что позволяет ЭБУ изменять количество впрыскиваемого топлива и получать коэффициент лямбдa 1. 00 практически сразу.

В итоге, особенно в изменяющихся условиях (резкие ускорения или замедления), в системах с циркониево-оксидным датчиком будет наблюдаться подача недостаточного или избыточного количества топлива, что приводит к снижению эффективности каталитического нейтрализатора. При использовании датчика соотношения воздух/топливо ЭБУ двигателя будет замечать малейшие изменения в соотношении топлива и воздуха даже в изменяющихся условиях. Таким образом, ЭБУ сможет выполнять точную корректировку подачи топлива, что приведет к оптимальной обработке выхлопных газов каталитическим нейтрализатором и, как следствие, к более чистому воздуху, меньшему расходу топлива и улучшению общих характеристик управляемости автомобиля.

Передовые разработки, стандарт оригинального качества и превосходные эксплуатационные характеристики теперь доступны клиентам вторичного рынка в рамках программы DENSO. Ноу-хау компании не имеет себе равных и применяется при производстве всех без исключения датчиков кислорода. Кроме того, каждый датчик кислорода DENSO подвергается проверкам на 100%-ное соответствие качеству, включая проверки выходного сигнала, воздухонепроницаемости, целостности цепей и сопротивления подогревателя. Поэтому, в случае необходимости замены датчика кислорода, выбор очевиден. Что касается технологии обслуживания и нюансов замены кислородных датчиков – этому будет посвящена следующая статья.

Решение проблемы качества топлива
Некачественное или грязное топливо может оказать неблагоприятное воздействие на срок службы и эксплуатационные показатели датчика кислорода, однако DENSO предлагает решение для этой проблемы.

В чем заключается причина проблемы? Топливо может быть загрязнено присадками для моторных масел, присадками для бензина, герметиком на деталях двигателя и нефтяными отложениями после десульфуризации. При нагреве свыше 700°С загрязненное топливо выделяет вредные для датчика пары, которые влияют на его работу, засоряя или разрушая электроды. Это распространенный случай выхода из строя датчика кислорода.

Новая конструкция датчиков DENSO не подвержена этой опасности. Уникальный защитный слой оксида алюминия на керамическом элементе датчика защищает его от некачественного топлива, продлевая срок службы и сохраняя эксплуатационные показатели датчика на необходимом уровне.

Денис Петров

www.denso.ua

Источник: журнал autoExpert №1`2015. При перепечатке ссылка на источник обязательна.

Диагностика по широкополосным лямбда-зондам

В предыдущих статьях мы рассмотрели назначение, принципы работы и способы проверки «скачковых» датчиков кислорода (лямбда-зондов). Также были рассмотрены те возможности в поиске дефектов (диагностике) топливной системы автомобиля, которые открывает правильный анализ показаний этих датчиков.

Но все мировые автопроизводители постепенно отказываются от них и переходят на так называемые «широкополосные» лямбда-зонды. Почему так происходит? И чем плохи датчики, которые верой и правдой служили на протяжении многих лет? Чтобы ответить на данный вопрос, нам необходимо вернуться в прошлое и посмотреть, как развивалась борьба за экологию.

До 60-х годов прошлого века об экологии никто не думал. Автомобилей было мало, их «вклад» в загрязнение атмосферы был незначительным. Все изменилось во время автомобильного бума начала 60-х. Первым от «чуда» современной цивилизации под названием «автомобиль» пострадал американский штат Калифорния. Не очень удачное географическое положение и крайне неблагоприятная «роза ветров» — он очень плохо продувается, и людям от выхлопных газов просто стало нечем дышать. Был принят ряд законов, обязывающих автопроизводителей повышать качество выпускаемых автомобилей по экологическим параметрам. До недавнего времени это был громадный рынок сбыта автомобилей.

На нем торговали все мировые производители. А законы рынка очень жестоки – хочешь торговать на моем рынке, выполняй поставленные условия. Таким образом, требования законодательства Калифорнии распространились на весь мир. Отдельно хочется отметить рынок Европы. Тут «роза ветров» более благоприятная, экологические требования к автомобилям более мягкие. И стандарты по экологии сразу разделились на «американские» — более жесткие и «европейские» — чуть более мягкие. На данное время автомобильные рынки Старого и Нового Света практически заполнены. По расчетам аналитиков, свободные ниши имеются пока в России и Китае. Поэтому к рынкам этих стран приковано пристальное внимание всех автопроизводителей мира. До недавнего времени экологии на этих рынках придавалось незначительное значение. Но вступление России в ВТО потребовало ужесточения экологических норм для выпускаемых в стране автомобилей. Как же выполнить все более ужесточающиеся международные экологические требования?

Вредные выбросы — это несгоревшее топливо. При полном сгорании углеводородов всего топлива образуется только СО2 (углекислый газ) и Н2О (вода). Если топливо сгорает не полностью, в выхлопе образуются продукты неполного сгорания. Пресловутые СО и СН. Ну, а если топливо полностью не сгорает, что происходит с крутящим моментом? Правильно – он падает! Что происходит с расходом топлива (если вы просто выливаете его в выхлопную трубу)? Правильно – он растет! И вот здесь полностью пересеклись интересы экологов, производителей автомобилей и специалистов автосервисов.

Исправный автомобиль имеет прекрасную динамику, низкий расход топлива и еще атмосферу не загрязняет! От чего зависит крутящий момент, расход топлива и вредные выбросы? Основное требование – система управления двигателем должна поддерживать стехиометрический состав смеси. По современным стандартам отклонение не должно превышать 2%. Для контроля над этим параметром как раз и служат датчики кислорода в выхлопе.

Начало широкого применения лямбда-зондов в автомобилестроении было положено еще в конце 70-х годов прошлого столетия. Появление «скачковых» датчиков кислорода позволило на тот момент решить эту задачу. Но для выполнения норм Евро-4 и Евро-5 точность этих датчиков перестала удовлетворять производителей. Их недостатком явилось то, что состав смеси они определяют только по наличию кислорода в выхлопе. Нет кислорода – либо стехиометрия, либо богатая смесь. Есть кислород – бедная смесь. Работают по принципу «да–нет». Системе лямбда — регулирования постоянно приходится чуть добавлять и убавлять топливо, чтобы понять, находится ли система в зоне стехиометрии.

Это приводит к некоторой задержке реакции системы при возникновении неизбежных отклонений и имеет определенную погрешность при измерении их величин. Для увеличения точности потребовались датчики, которые могут определить избыток или нехватку кислорода в процентах. Так появились широкополосные датчики кислорода. При возникновении малейшего отклонения от правильного состава смеси они моментально дают блоку управления двигателя указание внести поправки и указывают их величину с достаточно большой точностью. На данный момент широкополосные датчики занимают лидирующее положение в автомобилестроении.

Для рассмотрения принципов работы широкополосных датчиков кислорода обратимся к ставшему уже классическим описанию, данному фирмой Bosch в конце прошлого столетия и вошедшему практически во все учебные пособия и публикации в СМИ и в Интернете. К сожалению, данное описание не дает понимания алгоритмов их работы и (судя по вопросам на форумах) не всегда понятно специалистам автосервисов. Попробуем исправить эту ситуацию.

Условно систему лямбда — регулирования с широполосным датчиком кислорода можно разделить на 4 зоны (см. рис.1). Зона А – ионный насос, зона В – «скачковый» лямбда – зонд (элемент Нернста), зона С – разъем и проводка, зона D – блок управления двигателем (ЭБУ) 4.

               

                                                                                   Рисунок 1

Выхлопные газы 1 из выхлопной трубы 2 через канал поступают в диффузионную щель 6. Здесь они подвергаются каталитическому дожиганию (как в обычном катализаторе), и здесь же (в зависимости от первоначального состава смеси в двигателе) образуется либо избыток, либо недостаток кислорода. Поскольку толщина щели невелика – около 50 мкм, процесс происходит очень быстро. Но для протекания реакции каталитического дожигания нужна температура (в зависимости от конструкции – от 200 до 300 градусов Цельсия). Учитывая тот факт, что температура отработавших газов (ОГ) на холостом ходу может и не достигать указанных значений, необходимым элементом является нагреватель 3.

Непрогретый лямбда-зонд не работоспособен.

Далее в работу вступает элемент Нернста 7 (зона В). Сравнивая состав контрольного воздуха в камере 5 с составом газов в щели 6, он дает информацию ЭБУ о наличии или отсутствии кислорода в ней. Только «да — нет». На основании этих показаний ЭБУ 4 дает команду ионному насосу 8 (зона А):

1. Откачать лишний кислород из щели в выхлопные газы, если избыточный кислород там присутствует. Бедная смесь. Ток положительный.

2. Закачать недостающий кислород в щель, если его там нехватка. Богатая смесь. Ионный насос «отнимает» кислород у продуктов выхлопа и перекачивает его в щель. Ток отрицательный.

3. Ничего не делать, если смесь стехиометрическая. Ток нулевой.

Ток ионного насоса прямо пропорционален разности концентраций кислорода на разных его сторонах. Таким образом, по полярности и величине тока этого элемента сразу же определяется состав смеси. Получив указание от ЭБУ, ионный насос пытается привести состав ОГ в щели, соответствующий стехиометрии. По его току ЭБУ понимает, куда и насколько отклонилась смесь, и сразу принимает меры по корректировке времени впрыска в ту или иную сторону. Колебания смеси ему не нужны – ЭБУ сразу видит абсолютные величины отклонений и выводит стехиометрию в идеал.

С началом применения широкополосных лямбда– зондов работа диагностов значительно облегчилась. Такой прибор, как газоанализатор, стал попросту ненужным. Если ЭБУ выводит показания в виде тока, то «нулевой» ток говорит о том, что системе лямбда-регулирования удалось вывести стехиометрию. По показанию коррекции смотрим, какой ценой и в какую сторону ему это удалось (см. рис. 2).

                       

                                                                                            Рисунок 2

Если ток не нулевой, это означает, что системе вывести стехиометрию не удалось. Причин тут две:

1. Неисправен сам лямбда-зонд. Как показывает практика, код ошибки в этом случае возникает крайне редко. Причина проста – чтобы проверить исправность датчика, ЭБУ обязан включить систему мониторинга, т.е. принудительно обогатить или обеднить смесь. А это приводит к нарушению экологии! Поэтому мониторинг зонда проводится нечасто. Например, два автомобиля Opel Vectra, оборудованные системой впрыска Bosch и принимавшие участие в съемках фильма ОРТ «Левый автосервис», обнаружили отказ этого датчика только через несколько часов после его возникновения.

2.Дефект критичен. Система корректировки по лямбда-зонду уже дошла до пределов своей регулировки, но смесь по-прежнему отклоняется от стехиометрии. В этом случае возможен код «Превышение пределов топливной коррекции».

Действия диагноста в этих случаях таковы:

1. Проверка самого лямбда-зонда.

2. Если зонд исправен, определяем состав смеси. Стандарт OBD2 гласит однозначно: положительный ток – бедная смесь. Отрицательный ток – смесь богатая. График зависимости тока от состава смеси приведен на рис.3. Ну а причины и способы устранения отклонения состава смеси достаточно подробно описаны в учебных пособиях.

Не будем повторяться.

                            

                                                                                              Рисунок 3

Так выглядит идеальная картинка. Реалии куда более сложнее. Итак, давайте рассмотрим те «подводные камни», которые нас ждут при анализе показаний широкополосного лямбда-зонда.

Первый «подводный камень»: не все производители придерживаются стандарта. Очень часто ко мне приезжали автомобили, на которых стандарт был нарушен — положительный ток соответствовал богатой смеси, отрицательный – бедной. Но не стоит сразу винить производителей этих датчиков. Полярность тока зависит только от схемотехники и программного обеспечения ЭБУ.

ПРОВЕРКА: Необходимо в воздухозаборник работающего автомобиля добавить немного горючего вещества (принудительно обогатить смесь). На нашем автотехцентре мы используем обычный очиститель карбюратора. При наличии изменений показаний датчика однозначно говорим о его исправности и определяем, в какой полярности выводятся его показания на экран сканера.

Самый сложный случай, когда при этой проверке реакции широкополосного лямбда-зонда нет. Однозначного ответа – где дефект, дать невозможно. Вернемся опять к рис.1 .

Дефект возможен в зонах А и В (сам датчик), зоне С (проводка) либо в самом ЭБУ – зона D. В большинстве сервисов предлагают замену датчика, как наиболее вероятную причину. Но учитывая его стоимость, есть смысл обратиться к зоне С (проводке и разъему) для более глубокого поиска дефекта.

Pin 1. Ток ионного насоса. Проводится миллиамперметром на 10 mA и в большинстве случаев этот замер затруднителен.

Pin 2. Масса. Отклонение от «массы» двигателя не более 100 mV. Если «масса» идет с ЭБУ, возможно наличие смещения, заложенного производите- лем. Необходимо свериться с мануалами.

Pin 3. Сигнал элемента Нернста. При отключенном разъеме должен составлять 450 mV. При подключенном разъеме – напряжение должно находиться в пределах 0…1v. Но некоторые производители могут отклоняться от этого правила. Принудительное обогащение смеси позволяет определить исправность этой цепи.

Pin 4 и 5. Напряжение подогревателя. На современных автомобилях управляется с помощью Широтно-Импульсной Модуляции (ШИМ). Проверка необязательна, ибо в случае ее отказа код ошибки с Р0036 по Р0064 (Heater Control HO2S) пробивается практически моментально.

Второй «подводный камень»: ЭБУ не может «понимать» ток. Его входные цепи способны оцифровывать только напряжения. И блоки управления начинают выводить на сканер не ток, а падение напряжения на каком-то нагрузочном сопротивлении в ЭБУ. В зависимости от схемотехники блока оно в норме может иметь абсолютно разное значение. В потоке данных выводится не ток, а какое-то абстрактное напряжение. Мануалы на конкретный автомобиль его указывают.

Но способы проверки точно такие же. Принудительное обогащение смеси позволяет определить исправность датчика, а просмотр топливной коррекции позволяет понять, в каком состоянии находится система топливоподачи автомобиля.

Третий «подводный камень»: большинство широкополосных датчиков не взаимозаменяемы. Реклама настойчиво предлагает разнообразный выбор. На форумах часто звучат вопросы: «Какой датчик лучше поставить?». Как быть рядовому потребителю? Что выбрать?

Ответ дают сами производители автомобилей. Ставить нужно только те датчики, которые рекомендовал завод-изготовитель. В противном случае, производитель не в состоянии гарантировать правильную работу системы.

«Компания NGK Spark Plug Co., Ltd стала одним из пионеров в области лямбда-регулирования в начале 1980-х годов, когда на рынке был представлен регулируемый катализатор. Сегодня ассортимент продукции, выпускаемой под маркой NTK, включает цирконий-оксидные, титановые, широкополосные лямбда-зонды и покрывает порядка 7600 модификаций автомобилей. Все лямбда-зонды соответствуют спецификации оригинальной комплектации (в том числе по длине проводов, штекерам и электрическим параметрам), что гарантирует простоту установки и безупречную эксплуатацию. Каждый лямбда-зонд NTK обеспечивает оптимальные рабочие условия для функционирования катализатора, идеальное образование смеси, а также способствует сокращению выброса вредных веществ и поддержанию расхода топлива на минимальном уровне. Любой автомобиль, оснащённый регулируемым катализатором, имеет, как минимум, один кислородный датчик. Современным же автомобилям требуется не менее двух датчиков. Широкополосные датчики могут регулировать соотношение воздуха и топлива в топливно-воздушной смеси в широком диапазоне, что особенно важно для современных двигателей, работающих на обеднённых смесях, при значениях лямбда гораздо больше чем 1».

Автор: Федор Рязанов
15.05.2014 г.

Принцип работы датчика кислорода и ультразвукового датчика отработавших газов — Знания

На автомобиле установлены два кислородных датчика, один за выпускным коллектором, а другой за трехсторонним катализатором. Мы привыкли называть его передним датчиком кислорода и задним датчиком кислорода.

Переднее измерение кислорода

Передний кислородный датчик, также известный как датчик воздушно-топливного отношения, подает сигнал в ЭБУ, чтобы скорректировать количество впрыскиваемого топлива. Расположенный за выпускным коллектором выхлопной газ после сгорания цилиндра достигает переднего кислородного датчика. Когда бензиновый двигатель работает, ECU использует расходомер воздуха и датчик давления на впуске для всестороннего определения количества всасываемого воздуха. Однако контроль количества всасываемого воздуха должен иметь ошибку. Как проверить, нормальное ли соотношение воздух-топливо? То есть для определения концентрации кислорода в выхлопных газах, если концентрация кислорода слишком высока. Это показывает, что бензина слишком мало и кислород полностью не расходуется. Если концентрация кислорода в выхлопных газах слишком низкая, впрыска слишком много, а кислорода недостаточно. ЭБУ использует сигнал от переднего кислородного датчика для корректировки количества впрыскиваемого топлива. На рисунке выше показан передний кислородный датчик. Как правило, мы можем открыть капот и увидеть его сбоку на выхлопной трубе.

Задний кислородный датчик

Пост-кислородный датчик используется для оценки эффекта очистки трехкомпонентного катализатора. Поскольку отработавший газ поступает в трехходовой каталитический нейтрализатор, вредные вещества в отработанном газе будут каталитически окисляться до безвредных веществ при высокой температуре. Этот процесс должен потреблять определенное количество кислорода, поэтому концентрация кислорода будет уменьшаться после прохождения отработавшего газа через трехходовой катализатор, если датчик кислорода обнаружит Концентрация кислорода меньше, чем данные, обнаруженные передним датчиком кислорода, который указывает на то, что трехсторонний катализатор работает правильно. Если данные переднего и заднего кислородных датчиков одинаковы, это означает, что трехкомпонентный каталитический нейтрализатор не играет роли очистки выхлопных газов, и в это время загорится индикатор неисправности двигателя.

Часто говорят, что в автомобиле нет топлива и датчик кислорода заменен. На самом деле, это очень одностороннее утверждение. Прежде всего, есть много причин для расхода топлива, а не только проблема датчиков кислорода. Во-вторых, срок службы самого кислородного датчика очень велик, и его легко повредить. Общая неисправность датчика кислорода в основном загрязнение. Например, если содержание кремния в бензине превышает норму, образуются белые отложения на поверхности датчика кислорода и используется ферроценовый антидетонатор. Бензин вызовет красные отложения на поверхности датчика кислорода. Если двигатель плохо сгорел, на поверхности датчика кислорода образуется черный углеродный осадок. Когда ЭБУ считает, что сигнал датчика кислорода является ненормальным, сигнал датчика кислорода не будет принят. Чтобы гарантировать, что динамический впрыск топлива будет смещен. Толстый, поэтому расход топлива увеличится. Однако в это время загорится индикатор неисправности двигателя. Это обычно нужно только очистить.

Кроме того, для измерения расхода нагнетаемого выхлопного газа автомобиля также может использоваться ультразвуковой датчик расхода газа.

зачем нужен и как проверить лямбда-зонд

Назначение лямбда-зонда или датчика кислорода — передача информации о составе рабочей смеси с выпускного коллектора в ЭБУ. Качество сгорания топливно-воздушной смеси (ТВС) напрямую влияет на работу двигателя.

Корректная работа датчика кислорода помогает:

• Повысить производительность мотора благодаря определению близкого к идеалу пропорции впрыскиваемого топлива и воздуха.
• Уменьшить выработку вредных газов (CO, CH, NOx), выбрасываемых в атмосферу и наладить экономичную работу автомобиля за счет правильно подобранного состава рабочей смеси.

На современные автомобили с инжекторным двигателем ставят один или несколько катализаторов и два и более лямбда зонда. Где находятся датчики кислорода? Зависит от вида авто. Распространены системы с двумя устройствами, которые расположены до и после катализатора. Таким образом определяется избыток кислорода в смеси до попадания газов в устройство. В автомобилях с одним зондом — установлен спереди, на выпускном коллекторе.

Как работает датчик кислорода

ЭБУ отмеряет количество подаваемого топлива с помощью форсунок, задавая объем на определенной момент. Зонд обеспечивает обратную связь, что позволяет точно определить пропорции бензина, дизеля или газа. ЭБУ запрашивает информацию один раз в 0.5 секунды на холостом ходу. На повышенных оборотах частота запросов пропорционально увеличивается. Анализируя данные, блок управления корректирует состав ТВС, делая её беднее или богаче. Поддержание оптимальной ТВС — назначение лямбда-зондов. Идеальным соотношением воздуха и топлива считается пропорции 14.7:1 (бензин), 15.5:1 (газ) и 14.6:1 (дизель).

Виды ДК по устройству конструкции и принцип работы:

• Двухточечный, узкополосный (простой). Работает основываясь на измерении количества кислорода в выхлопных газах. Чем беднее ТВС, тем ниже напряжение, богаче — выше.
• Широкополосный. Генерирует сигнал более широкого диапазона для точной оценки пропорции в ТВС.

Срок службы лямбда-зонда

Средняя продолжительность жизни на российском бензине 40 000–100 000 км. Для увеличения срока службы рекомендуется заливать качественное топливо с низким содержанием примесей и тяжелых металлов. Самодиагностикой определить неисправность достаточно сложно, установить причину — практически невозможно. Это может быть износ, низкое качество бензина, механическое повреждение и другие факторы.

Если у вас возникли подозрения в неисправности ДК, обратитесь к профессиональным диагностам. При помощи осциллограммы специалист определит причины неисправности и подскажет пути устранения.

 

Из-за чего выходит из строя лямбда-зонд

• Механическое повреждение. Сильный удар в результате аварии, наезда на бордюр или езды по бездорожью отрицательно влияет на состояние зонда;
• Некорректная работа двигателя и неисправности системы зажигания приводят к перегреву ДК и поломке;
• Засорение системы. Основной причиной неисправности будут продукты сгорания некачественного топлива. Чем больше тяжелых металлов, тем скорее он забьется;
• Поломка в поршневой группе. Неисправные поршень, поршневой палец и шатун пропускают масло в выхлопную систему, которое забивает зонд;
• Попадание жидкости. Загрязнение любого вида сократит срок работы зонда;
• Замыкание в проводке;
• Слишком богатая или бедная топливно-воздушная смесь;
• Разгерметизация выпускной системы пропускает воздух и отработавшие газы, что выводит лямбда-зонд из строя;
• Пропуски зажигания;
• Присадки и «улучшайзеры» топлива;
• Естественный износ.

Выход из строя лямбда-зонда происходит постепенно. Последствия выливаются в аварийный режим управления двигателем. Так производители уберегают машину от серьезных поломок, а водителя от аварийных ситуаций.

Неисправность предотвращается регулярной профилактикой и диагностикой, выявляющей поломки на начальных стадиях. Если кислородный датчик вышел из строя, читайте о способах его отключения.

Признаки неисправности лямбда-зонда

• Повышается уровень токсичности газов. Определить токсичность можно с помощью диагностики. Внешне никак не диагностируется, даже запах выхлопа практически не изменится.
• Увеличивается расход топлива. Каждый автомобилист следит за наполненностью бака, старается найти свою крейсерскую скорость, когда расход минимальный. Поэтому увеличившееся потребление топлива заметит сразу. В зависимости от серьезности неисправности, он вырастает на 1–4 литра. Повышенный расход, конечно, способен вызвать не только неисправный ДК.
• Выдаются ошибки кислородного датчика (P0131, P0135, P0141 и другие), загорается «Check Engine». Обычно чек появляется при неисправности зондов или катализатора. Диагностика установит точную причину.
• Перегревается катализатор. Неисправные лямбда-зонды подают неправильные сигналы в ЭБУ, что может привести к некорректной работе катализатора, его перегреву вплоть до раскаленного состояния, и последующего выхода из строя.
• Появляется дерганье и нехарактерные хлопки в двигателе. Лямбда-зонды перестают генерировать правильный сигнал, из-за чего дестабилизируется работа оборотов холостого хода. Обороты колеблются в широком диапазоне, что приводит к ухудшению качества топливной смеси.
• Ухудшаются динамические характеристики автомобиля, теряется мощность, тяга. Подобные признаки появляются в запущенных ситуациях. Неисправные датчики также перестают работать на непрогретом двигателе, а машина различными способами сигнализирует о неполадках в системе.

Если вас беспокоит один из этих признаков неисправности датчика кислорода, обратитесь к специалисту. С помощью диагностического оборудования он определит точную область поломки и поможет в исправлении. На карте ниже вы можете выбрать ближайшего профессионального диагноста и записаться к нему прямо с нашего сайта.

Как проверить лямбда-зонд

Итак, автомобиль едет рывками, повысился расход топлива, загорелся «Check Engine». Признаки не характерны только для поломки лямбды, поэтому нужна полная диагностика систем. Но если вы уверены, что дело в нем, рассказываем, как проверить датчик своими руками.

Проверять кислородные датчики рекомендуют через замер значений напряжения. Подобную проверку мультиметром, тестером и омметром можно провернуть в собственном гараже.

Порядок действий следующий:

1. Прогрейте двигатель до рабочей температуры.
2. Снимите и осмотрите зонд и проводку на предмет механических повреждений и загрязнений. Если он погнут, поцарапан или покрыт наростом сажи, свинцовым налетом, белым или серым нагаром, меняйте.
3. Проверьте работоспособность лямбда-зонда омметром. Часто причина неисправности кроется в поломке спирали подогрева или проводов к нему. Как его «прозвонить»? Присоедините омметр между проводами нагревателя, предварительно отсоединенные от колодки. При исправной работе сопротивление сигнальной цепи на разных автомобилях варьируется от 2 до 10 Ом и от 1 ком до 10 мОм в цепи подогрева. Если его нет совсем, в проводке обрыв.
4. Протестируйте сигнал зонда с помощью мотор-тестера, стрелочного вольтметра или осциллографа. Подсоедините тестер между проводом массы и сигнальным, поднимите обороты до 3 000 Нм, засеките время и следите за показаниями. Они должны изменяться от 0.1 до 0.9 вольт. Рекомендуем заменить датчик, если диапазон изменений меньше или за 10 секунд сменилось меньше 9–10 показаний. Причина ошибки может быть в «усталости» и медленном отклике системы.
5. Проверьте исправность лямбда-зонда через опорное напряжение. Заведите машину, измерьте напряжение между массой и сигнальным проводом. Если показатели отличаются от 0.45 вольт больше, чем на 0.2, датчик или цепи в цепи, ведущие к нему, неисправны.

Если нет приборов для проверки, обратитесь к специалистам. Они проведут полную диагностику и точно назовут причину неисправности за меньшие деньги и время, которые бы вы потратили на покупку устройств и выявление неисправности самостоятельно.

Рекомендуем посмотреть

Измерение растворенного кислорода — Системы измерения окружающей среды

Методы измерения растворенного кислорода

Содержание растворенного кислорода можно измерить колориметрическим методом, датчиком и измерителем или титрованием.

Доступны три метода измерения концентрации растворенного кислорода. Современные методы включают электрохимический или оптический датчик. Датчик растворенного кислорода присоединяется к измерителю для точечного отбора проб и лабораторным применениям или к регистратору данных, монитору процесса или передатчику для развернутых измерений и управления процессом.

Колориметрический метод предлагает базовое приближение концентраций растворенного кислорода в образце. Существует два метода, предназначенных для концентраций растворенного кислорода в высоком и низком диапазоне. Эти методы являются быстрыми и недорогими для базовых проектов, но ограничены по объему и подвержены ошибкам из-за других окислительно-восстановительных агентов, которые могут присутствовать в воде ²⁷ .

Традиционным методом является титрование Винклера. Хотя этот метод долгие годы считался наиболее точным и точным, он также подвержен человеческим ошибкам и его труднее выполнить, чем другие методы, особенно в области ²⁷ .Сейчас метод Винклера существует в семи модифицированных версиях, которые все еще используются сегодня ²⁷ .

Измерение растворенного кислорода сенсорным методом

Измерение растворенного кислорода сенсором и измерителем (фото предоставлено: Fondriest Environmental; Flickr).

Самый популярный метод измерения растворенного кислорода — это измеритель и датчик растворенного кислорода. В то время как основные категории датчиков растворенного кислорода — оптические и электрохимические, электрохимические датчики можно разделить на полярографические, импульсные полярографические и гальванические.В дополнение к стандартному аналоговому выходу, некоторые из этих технологий датчиков растворенного кислорода доступны в платформах интеллектуальных датчиков с цифровым выходом.

Датчик растворенного кислорода можно использовать в лаборатории или в полевых условиях. Датчики DO могут быть разработаны для тестов биохимической потребности в кислороде (БПК), точечного отбора проб или долгосрочного мониторинга. Измеритель растворенного кислорода, зонд качества воды или система регистрации данных могут использоваться для записи данных измерений, полученных с помощью датчика DO.

Поскольку на концентрацию растворенного кислорода влияют температура, давление и соленость, эти параметры необходимо учитывать для ⁷ .Эти компенсации могут выполняться вручную или автоматически с помощью измерителя растворенного кислорода или программного обеспечения для регистрации данных. Температура обычно измеряется термистором внутри датчика и регистрируется измерителем или регистратором данных без запроса. Многие измерители DO включают в себя внутренний барометр, а системы регистрации данных можно настроить с помощью внешнего барометра или датчика уровня воды для измерения давления. Барометрическое давление также можно ввести вручную как высоту, истинное барометрическое давление или скорректированное барометрическое давление.Соленость может быть измерена с помощью датчика проводимости / солености и автоматически компенсирована или приблизительно и введена вручную как ⁷ :

Пресная вода	<0,5 ‰ (PPT или частей на тысячу )
Солоноватая вода	0,5-30 ‰
Морская вода	33-37 ‰
Соленая вода	30-50 ‰
Рассол	> 50 ‰

Калибровка и рабочие процедуры могут различаться в зависимости от модели и производителя.Во время измерений и калибровки следует обращаться к руководству по эксплуатации.

Оптические датчики растворенного кислорода

Поперечное сечение оптического датчика растворенного кислорода.

Оптические датчики растворенного кислорода измеряют взаимодействие между кислородом и некоторыми люминесцентными красителями. Под воздействием синего света эти красители возбуждаются (электроны получают энергию) и излучают свет, когда электроны возвращаются в свое нормальное энергетическое состояние ¹² . Когда присутствует растворенный кислород, возвращаемые длины волн ограничиваются или изменяются из-за взаимодействия молекул кислорода с красителем.Измеренный эффект обратно пропорционален парциальному давлению кислорода ⁵ . Хотя некоторые из этих оптических датчиков DO называют флуоресцентными датчиками ¹⁰ , эта терминология технически неверна. Эти датчики излучают синий свет, а не ультрафиолетовый свет, и широко известны как оптические или люминесцентные датчики DO ¹¹ . Оптические датчики растворенного кислорода могут измерять либо интенсивность, либо время жизни люминесценции, поскольку кислород влияет и на ²³ .

Оптический датчик DO состоит из полупроницаемой мембраны, чувствительного элемента, светодиода (LED) и фотоприемника ³ . Чувствительный элемент содержит люминесцентный краситель, иммобилизованный в золь-геле, ксерогеле или другой матрице ²³ . Краситель реагирует на синий свет, излучаемый светодиодом ³ . Некоторые датчики также будут излучать красный свет в качестве эталона для обеспечения точности ⁵ . Этот красный свет не вызывает люминесценции, а просто отражается обратно красителем ⁷ .Интенсивность и продолжительность люминесценции красителя при воздействии синего света зависят от количества растворенного кислорода в пробе воды ²³ . Когда кислород проходит через мембрану, он взаимодействует с красителем, ограничивая интенсивность и время жизни люминесценции ³ . Интенсивность или время жизни возвращенной люминесценции измеряется фотодетектором и может использоваться для расчета концентрации растворенного кислорода.

Концентрация растворенного кислорода (измеренная по его парциальному давлению) обратно пропорциональна времени жизни люминесценции, как показано уравнением Штерна-Фольмера ⁵ :

Уравнение Штерна-Фольмера для растворенного кислорода.

I _o / I = 1 + k _q * t ₀ * O ₂
I _o = интенсивность или время жизни люминесценции красителя без кислорода
I = интенсивность или время жизни люминесценции при наличии кислорода
k _q = коэффициент тушения
t ₀ = время жизни люминесценции красителя
O ₂ = концентрация кислорода как парциальное давление
Это уравнение точно применяется при низких концентрациях растворенного кислорода ⁷ .При высоких концентрациях это измерение является нелинейным ²³ . Эта нелинейность возникает из-за того, как кислород взаимодействует в полимерной матрице красителя ²⁵ . В полимерах растворенные газы показывают отрицательное отклонение от закона Генри (который определяет парциальное давление) ²⁵ . Это означает, что более высокие концентрации, растворимость кислорода в матрице красителя будут соответствовать модифицированному уравнению Штерна-Фольмера ²⁴ :

Модифицированное уравнение Штерна-Фольмера для растворенного кислорода.

I _o / I = 1 + AO ₂ + BO ₂ / (1 + bO ₂ )
I _o = интенсивность или время жизни люминесценции красителя без кислорода
I = интенсивность или время жизни люминесценции при наличии кислорода
A, B, b = константы гашения модели Штерна-Фольмера и нелинейной растворимости
O ₂ = концентрация кислорода как парциальное давление
Использование этого уравнения требует ввода предварительно определенных констант датчика (I _o , A, B, b), которые относятся к каждой новой или заменяемой крышке датчика ⁵ .

Оптические сенсоры растворенного кислорода имеют тенденцию быть более точными, чем их электрохимические аналоги, и не подвержены влиянию сероводорода или других газов, которые могут проникать через электрохимическую мембрану DO ⁷ . Они также способны точно измерять растворенный кислород при очень низких концентрациях ³ . Датчики

могут быть развернуты с наземным буем данных или подповерхностным буем данных для долгосрочного мониторинга. Оптические датчики DO

идеально подходят для долгосрочных программ мониторинга из-за минимальных требований к техническому обслуживанию.Они могут проводить калибровку в течение нескольких месяцев и показывать небольшой (если есть) отклонение калибровки ⁵ . Эти датчики растворенного кислорода также не требуют разогрева или перемешивания при измерении ⁷ . В течение длительного периода времени краситель разрушается, и чувствительный элемент и мембрану необходимо будет заменить, но эта замена очень редка по сравнению с заменой мембраны электрохимического датчика. Датчики, измеряющие время жизни люминесценции, в меньшей степени подвержены деградации красителя, чем датчики измерения интенсивности, что означает, что они сохранят свою точность даже при некоторой фотодеградации ²⁴ .

Однако оптические сенсоры растворенного кислорода обычно требуют большей мощности и требуют в 2-4 раза больше времени для получения показаний, чем электрохимический сенсор растворенного кислорода ^{7, 14} . Эти датчики также сильно зависят от температуры ⁷ . На интенсивность люминесценции и срок службы влияет температура окружающей среды ²³ , хотя большинство датчиков будут включать термистор для автоматической корректировки данных ¹² .

Электрохимические датчики растворенного кислорода

Использование электрохимического датчика растворенного кислорода и измерителя для измерения растворенного кислорода (фото предоставлено YSI).

Электрохимические датчики растворенного кислорода могут также называться амперометрическими датчиками или датчиками типа Кларка. Электрохимические датчики DO бывают двух типов: гальванические и полярографические. Полярографические датчики растворенного кислорода можно разделить на стационарные датчики и датчики с быстрым импульсом. Как гальванические, так и полярографические датчики DO используют два поляризованных электрода, анод и катод, в растворе электролита ⁷ . Электроды и раствор электролита изолированы от образца тонкой полупроницаемой мембраной.

При проведении измерений растворенный кислород диффундирует через мембрану со скоростью, пропорциональной давлению кислорода в воде ⁷ . Затем растворенный кислород восстанавливается и расходуется на катоде. В результате этой реакции образуется электрический ток, который напрямую зависит от концентрации кислорода ⁷ . Этот ток переносится ионами электролита и проходит от катода к аноду ¹⁹ . Поскольку этот ток пропорционален парциальному давлению кислорода в образце ¹⁵ , его можно рассчитать по следующему уравнению:

Расчет концентрации растворенного кислорода (как парциального давления) в электрохимической реакции.4 Кл / моль
P _м (t) = проницаемость мембраны как функция температуры
A = площадь поверхности катода
p _O2 = парциальное давление кислорода
d = толщина мембраны
Типичные токи, производимые кислородом снижение составляет около 2 мкА ¹⁶ .

Если измерения проводятся в лаборатории или в неподвижной воде, необходимо перемешать гальванические и полярографические датчики DO в растворе. Этот метод измерения зависит от расхода из-за потребления молекул кислорода ⁷ .Когда кислород потребляется, датчики могут выдавать искусственно заниженное значение DO в условиях отсутствия потока ⁷ . Электрохимические датчики растворенного кислорода следует перемешивать с пробой до тех пор, пока показания растворенного кислорода не перестанут повышаться.

Полярографические датчики растворенного кислорода

Поперечное сечение полярографического датчика растворенного кислорода.

Полярографический датчик растворенного кислорода — это электрохимический датчик, состоящий из серебряного анода и катода из благородного металла (например, золота, платины или, реже, серебра) в растворе хлорида калия (KCl) ⁸ .Когда прибор включен, перед калибровкой или измерением требуется 5-60-минутный прогрев для поляризации электродов. Электроды поляризованы постоянным напряжением (от 0,4 В до 1,2 В требуется для восстановления кислорода) от катода к аноду ⁸ ). Когда электроны движутся в направлении, противоположном току, анод становится положительно поляризованным, а катод — отрицательно поляризованным ¹⁴ . Эта поляризация возникает, когда электроны движутся от анода к катоду по внутренней проволочной цепи ¹⁹ .Когда кислород диффундирует через мембрану, молекулы восстанавливаются на катоде, увеличивая электрический сигнал ⁷ . Поляризационный потенциал поддерживается постоянным, пока датчик обнаруживает изменения тока, вызванные восстановлением растворенного кислорода ⁷ . Чем больше кислорода проходит через мембрану и уменьшается, тем больше электрический ток, считываемый полярографическим датчиком растворенного кислорода.

Это реакция, состоящая из двух частей — окисления серебряного анода и восстановления растворенного кислорода.Эти реакции протекают следующим образом:

Ag — серебряный анод
KCl и H ₂ O — раствор хлорида калия
Au / Pt — золотой или платиновый катод * инертный электрод — не участвует *

Серебряный анод Реакция и окисление
4Ag —-> 4Ag ⁺ + 4e ^—
4Ag ⁺ 4KCl —-> 4AgCl + 4K ⁺

Реакция золотого катода и восстановление кислорода
* Катод Au / Pt инертен и пропускает только электроны; не участвует в реакции * ¹⁸
O ₂ + 4e ^— + 2H ₂ O —-> 4OH ^—
4OH ^— + 4K ⁺ —-> 4KOH

Общая реакция
O ₂ + 2H ₂ O + 4KCl + 4Ag —-> 4AgCl + 4KOH
Катод золото / платина исключен из уравнения реакции, поскольку он не мешает и не участвует в реакции ¹⁸ .В полярографическом датчике растворенного кислорода роль катода состоит в том, чтобы принимать и передавать электроны от анода к молекулам кислорода. Чтобы кислород мог приобрести электроны, реакция восстановления кислорода должна происходить на поверхности катода ¹³ . Электроны, проходящие от серебряного анода к катоду через внутреннюю цепь, используются для восстановления молекул кислорода до гидроксид-ионов на поверхности катода, создавая ток. Этот ток пропорционален потребляемому кислороду и, следовательно, парциальному давлению кислорода в образце ¹⁵ .

Серебряный анод окисляется во время этого процесса, поскольку он отдает свои электроны реакции восстановления, но окисление происходит только при проведении измерений ⁷ . Эта реакция заметна по мере того, как анод темнеет (покрытие AgCl). По мере накопления окисленного покрытия производительность датчика ухудшится ⁷ . Это будет видно не только визуально при взгляде на электрод, но и при использовании датчика растворенного кислорода. Показания будут необычно низкими, не стабилизируются или датчик не откалибрует ⁷ .В этом случае электроды можно очистить, чтобы восстановить работоспособность датчика ⁷ . Техническое обслуживание электродов должно происходить гораздо реже, чем замена мембраны, согласно заявке ⁷ .

Импульсные полярографические датчики растворенного кислорода

Поперечное сечение импульсного полярографического датчика растворенного кислорода.

Пульсирующие полярографические датчики растворенного кислорода устраняют необходимость перемешивания образца для обеспечения точности при измерении растворенного кислорода. Быстроимпульсный датчик растворенного кислорода аналогичен стационарному полярографическому датчику растворенного кислорода, поскольку оба используют золотой катод и серебряный анод.Как стационарные датчики, так и датчики с частыми импульсами также измеряют растворенный кислород, создавая постоянное напряжение для поляризации электродов ⁷ . Однако эти пульсирующие полярографические датчики DO включаются и выключаются примерно каждые четыре секунды, позволяя растворенному кислороду пополняться на поверхности мембраны и катода ⁷ . Это пополнение создает практически нулевую зависимость от потока ⁷ . Чтобы последовательно поляризовать и деполяризовать электроды в течение этих коротких периодов времени, пульсирующий полярографический датчик DO включает в себя третий серебряный электрод сравнения, отдельный от серебряного анода ⁷ .Электрохимическая реакция (окисление серебра и восстановление кислорода) остается прежней.

Поскольку импульсные полярографические датчики уменьшают зависимость от потока при измерении DO, пробу воды не нужно перемешивать при использовании этого датчика ⁷ .

Гальванические датчики растворенного кислорода

Поперечное сечение гальванического датчика растворенного кислорода.

Последний электрохимический датчик растворенного кислорода гальванический. В гальваническом датчике растворенного кислорода электроды изготовлены из разнородных металлов.Металлы имеют разные электропотенциалы в зависимости от их ряда активности (насколько легко они отдают или принимают электроны) ¹⁷ . При помещении в раствор электролита потенциал между разнородными металлами вызывает их самополяризацию ¹⁶ . Эта самополяризация означает, что гальванический датчик DO не требует времени на прогрев. Чтобы уменьшить содержание кислорода без внешнего приложенного потенциала, разница потенциалов между анодом и катодом должна быть не менее 0,5 вольт ¹⁶ .

Анодом гальванического датчика растворенного кислорода обычно является цинк, свинец или другой активный металл, а катодом — серебро или другой благородный металл ³ . Раствор электролита может быть гидроксидом натрия, хлоридом натрия или другим инертным электролитом ^8,27 . Электрохимическая реакция в гальванических датчиках DO очень похожа на реакцию в полярографических датчиках DO, но без необходимости в отдельном постоянном потенциале. Разные электроды самополяризуются, при этом электроны движутся внутрь от анода к катоду ⁷ .Катод остается инертным, он служит только для передачи электронов и не вмешивается в реакцию ²⁰ . Таким образом, анод окисляется, и кислород восстанавливается на поверхности катода. Эти реакции протекают следующим образом:

Zn / Pb — цинковый или свинцовый анод
NaCl и h3O — раствор хлорида натрия
Ag — серебряный катод * инертный электрод, не реагирует *

Анодная реакция и окисление цинка
2Zn —- > 2Zn ²⁺ + 4e ^—

Реакция серебряного катода и восстановление кислорода
* Катод Ag инертен и пропускает только электроны, не участвуя в реакции * ¹⁸
O ₂ + 4e ^— + 2H ₂ O —-> 4OH ^—
4OH ^— + 2Zn ²⁺ —-> 2Zn (OH) ₂

Общая реакция
O ₂ + 2H ₂ O + 2Zn —-> 2 Zn (OH) ₂
Как и в реакции полярографического датчика растворенного кислорода, катод исключен из уравнения, потому что это инертный электрод ¹⁸ .Серебряный катод принимает электроны от анода и передает их молекулам кислорода. Эта операция происходит на поверхности катода ⁸ . Ток, возникающий при восстановлении кислорода, пропорционален парциальному давлению кислорода в пробе воды ¹⁵ .

Гидроксид цинка, образующийся в результате этих реакций, осаждается в растворе электролита. Этот осадок виден в виде белого твердого вещества на кончике датчика ⁷ .Этот осадок не покрывает анод и не расходует электролит и, таким образом, не влияет на работу датчика до тех пор, пока его количество не станет чрезмерным. Если это произойдет, это может повлиять на способность ионов проводить ток между катодом и анодом ²² . Если выходной сигнал датчика необычно низкий или показания не стабилизируются, необходимо заменить раствор электролита ⁷ .

Поскольку электроды гальванического датчика DO являются самополяризованными, окисление цинка будет происходить даже тогда, когда прибор не используется ⁷ .При этом гальванический датчик растворенного кислорода будет работать эффективно даже при израсходовании цинкового анода, хотя его, возможно, придется заменять чаще, чем полярографический датчик растворенного кислорода ⁷ .

Измерение растворенного кислорода колориметрическим методом

Существует два варианта анализа растворенного кислорода колориметрическим методом. Они известны как метод индигокармина и метод родазина D. В обоих вариантах используются колориметрические реагенты, которые реагируют и меняют цвет при взаимодействии с кислородом в воде ⁶ .Эти взаимодействия основаны на окислении реагента, и степень изменения цвета пропорциональна концентрации растворенного кислорода ²⁷ . Измерение растворенного кислорода колориметрическими методами можно проводить с помощью спектрофотометра, колориметра или простого компаратора. Использование спектрофотометра или колориметра дает более точные результаты, в то время как сравнение с компаратором, таким как цветовое колесо или цветовой блок, выполняется быстро и недорого. Однако, поскольку человеческий глаз необъективен, это может привести к некоторой неточности ⁶ .

Индигокармин

Согласно методу индигокармина, чем глубже синий цвет, тем выше концентрация растворенного кислорода.

Метод индигокармина можно использовать для измерения концентрации растворенного кислорода от 0,2 до 15 частей на миллион (мг / л). Этот метод дает синий цвет, интенсивность которого пропорциональна концентрации растворенного кислорода ³¹ . Трехвалентное железо, двухвалентное железо, нитрит и гидросульфит натрия могут мешать этому методу ²⁷ .Кроме того, реагенты следует хранить вдали от яркого света, так как длительное воздействие может испортить индигокармин ³² . Однако на этот метод не влияют температура, соленость или растворенные газы ²⁸ . Тесты низкого диапазона зависят от времени и должны быть проанализированы в течение 30 секунд, в то время как тесты высокого диапазона требуют двухминутного времени обработки ³¹ .

Родазин D

При измерении растворенного кислорода методом родазина D будет получен насыщенный розово-розовый цвет.

Метод родазина D используется для определения очень низких концентраций растворенного кислорода. Реагенты родазин D реагируют с растворенным кислородом с образованием темно-розового раствора ³⁰ . На этот колориметрический метод не влияют соленость или растворенные газы, такие как сульфид, которые могут присутствовать в пробе воды ²⁸ . Однако окислители, такие как хлор, трехвалентное железо и двухвалентная медь, могут мешать и вызывать более высокие значения DO ²⁹ .Другими причинами ошибки являются полисульфиды, гидрохинон / бензохинон, а также бор и перекись водорода (если присутствуют оба) ²⁹ . Кроме того, цвет и мутность образца могут повлиять на точность показаний ²⁹ . Этот метод зависит от времени, так как анализ должен быть проведен в течение 30 секунд после смешивания реагента ³⁰ .

Измерение растворенного кислорода титриметрическим методом

Титриметрический метод анализа растворенного кислорода известен как метод Винклера.Этот метод был разработан L.W. Винклер, венгерский химик, в 1888 г. ⁴ . Метод Винклера, также известный как йодометрический метод, представляет собой титриметрическую процедуру, основанную на окислительных свойствах растворенного кислорода ²⁶ . Этот метод долгое время был стандартом точности и прецизионности при измерении растворенного кислорода ²⁷ .

Метод Винклера

Образцы собирают, фиксируют и титруют либо в полевых условиях, либо в лаборатории. Образец следует зафиксировать реагентами как можно скорее, чтобы предотвратить смещение уровней кислорода из-за перемешивания или контакта с атмосферой.Для метода Винклера требуется специальная бутылка, известная как бутылка BOD, которая предназначена для герметизации без захвата воздуха внутри ¹ . Сегодня необходимые реагенты могут поставляться в заранее отмеренных пакетах для большей точности и простоты использования ³³ . При использовании этого метода количество титранта, необходимое для завершения реакции, пропорционально концентрации растворенного кислорода в образце ⁶ .

Хотя метод Винклера по-прежнему является признанным стандартом для анализа растворенного кислорода, выявлено несколько проблем ²⁷ .Этот метод подвержен человеческим ошибкам, неточностям, загрязнению проб и помехам ⁶ . Кроме того, титрование может быть трудоемким и обременительным в области ⁷ .

Модифицированные методы Винклера

Основные этапы измерения растворенного кислорода методом титрования Азида-Винклера.

Сейчас существует семь модифицированных методов Винклера, каждый из которых создан для решения различных проблем (например, мешающего загрязнения). ²⁷ . Самым популярным из них является метод Азида-Винклера, поскольку он решает проблемы с йодом, присутствующим в исходном методе ¹ .Однако остальные модифицированные методы создают новую проблему — эти методы требуют предварительного знания образца (например, других присутствующих элементов), чтобы сделать правильный выбор метода ²⁷ .

Если есть время и склонность, титриметрический метод анализа растворенного кислорода может быть точным и точным. Однако новые технологии позволили создать датчики растворенного кислорода, которые проще и быстрее использовать и которые могут быть столь же точными в большинстве приложений ²⁷ .

Процитируйте эту работу

Fondriest Environmental, Inc. «Измерение растворенного кислорода». Основы экологических измерений. 7 января 2014 г. Web. .

Дополнительная информация

Оптические датчики кислорода — PyroScience GmbH

Оптический датчик кислорода в основном состоит из двух важных частей: чувствительного к кислороду датчика , индикатора и считывающего устройства (кислородный измеритель ) .

Измеритель кислорода состоит из светодиода и фотодиода, который возбуждает чувствительный к кислороду индикатор и обнаруживает его зависимое от кислорода люминесцентное излучение. Свет возбуждения и излучения передается по оптическому волокну между индикатором датчика и измерителем кислорода.

Принцип работы сенсорного слоя основан на тушении свечения индикатора REDFLASH, вызванного столкновением молекул кислорода с индикатором REDFLASH. Этот индикатор иммобилизован в полимерной матрице и может наноситься непосредственно на оптические волокна для оптоволоконных датчиков или на прозрачные опоры для бесконтактных датчиков.

Измеритель кислорода синусоидально модулирует красный возбуждающий свет, что приводит к синусоидально-модулированному излучению со сдвигом фазы в ближнем ИК-диапазоне. Излучаемый датчиком свет зависит от парциального давления кислорода и поэтому может использоваться для определения содержания кислорода.

Новая технология REDFLASH основана на уникальном кислородно-чувствительном индикаторе REDFLASH, показывающем отличную яркость. Индикаторы возбуждаются красным светом (точнее: оранжево-красным на длине волны 610-630 нм) и демонстрируют кислородозависимую люминесценцию в ближнем инфракрасном диапазоне (NIR, 760-790 нм).Технология REDFLASH впечатляет своей высокой точностью, высокой надежностью, низким энергопотреблением, низкой перекрестной чувствительностью и малым временем отклика. Возбуждение красным светом значительно снижает помехи, вызванные автофлуоресценцией, и снижает стресс в биологических системах. Индикаторы REDFLASH показывают намного более высокую яркость люминесценции, чем конкурирующие продукты, работающие с возбуждением синим светом. Следовательно, длительность красной вспышки для одного измерения кислорода может быть уменьшена с типичных 100 мс до обычно 10 мс, что значительно снижает дозу света, воздействующую на измерительную установку.Кроме того, благодаря превосходной яркости свечения индикатора REDFLASH, фактическая матрица датчика теперь может быть изготовлена ​​намного тоньше, что приводит к быстрому отклику кислородных датчиков PyroScience.

Линия продукции включает различные оптоволоконные и интеллектуальные бесконтактные сенсорные головки для компактных ПК и автономных считывающих устройств для измерений в газовых, водных, водных и полутвердых пробах. Также доступны сенсорные системы для сложных измерений в органических растворителях, микрофлюидах и высокопроизводительных просеиваниях.

Типы кислородных датчиков

— Alpha Omega Instruments

В современных анализаторах кислорода используется один из нескольких типов кислородных датчиков. Поскольку промышленные процессы требуют повышения точности и повторяемости измерений, пользователям также требуются анализаторы, требующие минимального обслуживания и калибровки. С этой целью пользователям анализаторов кислорода рекомендуется оценивать достоинства конкретного типа датчика кислорода в контексте приложения, для которого он предназначен.Универсального типа кислородного датчика не существует.

Краткий обзор различных датчиков кислорода в газовой фазе, представленный ниже, следует использовать вместе с информацией, полученной от производителей анализаторов кислорода. Эта комбинация поможет обеспечить выбор правильного типа датчика для рассматриваемого приложения.

• Электрохимические кислородные датчики температуры окружающей среды
• Парамагнитные датчики кислорода
• Полярографические датчики кислорода
• Датчики кислорода оксида циркония

Электрохимические датчики кислорода температуры окружающей среды

Электрохимический датчик температуры окружающей среды, часто называемый гальваническим датчиком, обычно представляет собой небольшое частично герметичное цилиндрическое устройство (диаметром 1-1 / 4 дюйма на 0,9 мм).75 дюймов), который содержит два разнородных электрода, погруженных в водный электролит, обычно гидроксид калия. Когда молекулы кислорода диффундируют через полупроницаемую мембрану, установленную на одной стороне датчика, молекулы кислорода восстанавливаются на катоде с образованием положительно заряженного гидроксильного иона. Ион гидроксила мигрирует к аноду сенсора, где происходит реакция окисления. В результате реакции восстановления / окисления генерируется электрический ток, пропорциональный концентрации кислорода в анализируемом газе.Генерируемый ток измеряется и регулируется внешней электроникой и отображается на цифровом панельном измерителе в процентах или частях на миллион концентраций. Благодаря усовершенствованию механических конструкций, усовершенствованию материалов электродов и улучшенному составу электролитов гальванический датчик кислорода обеспечивает более длительный срок службы по сравнению с более ранними версиями и известен своей точностью как в процентном, так и в измеренном содержании кислорода диапазонах. Время отклика также было улучшено. Основным ограничением электрохимических датчиков температуры окружающей среды является их подверженность повреждению при использовании с пробами, содержащими кислые газы, такие как сероводород, хлористый водород, диоксид серы и т. Д.Если опасный газовый компонент не будет очищен перед анализом, его присутствие значительно сократит срок службы датчика. Гальванический датчик также подвержен избыточному давлению. Для приложений, где давление пробы> 5 фунтов на квадратный дюйм, обычно рекомендуется использовать регулятор давления или регулирующий клапан.

Парамагнитные датчики кислорода

В этой категории преобладающим типом датчиков является магнитодинамический или «гантельный» тип конструкции. Кислород имеет относительно высокую магнитную восприимчивость по сравнению с другими газами, такими как азот, гелий, аргон и т. Д.и демонстрирует парамагнитное поведение. Парамагнитный датчик кислорода состоит из контейнера цилиндрической формы, внутри которого помещена небольшая стеклянная гантель. Гантель заполнена инертным газом, например азотом, и подвешена на тугой платиновой проволоке в неоднородном магнитном поле. Гантель предназначена для свободного перемещения, так как подвешена на проволоке. Когда проба газа, содержащего кислород, проходит через датчик, молекулы кислорода притягиваются к более сильному из двух магнитных полей.Это вызывает смещение гантели, что приводит к ее вращению. Прецизионная оптическая система, состоящая из источника света, фотодиода и схемы усилителя, используется для измерения степени вращения гантели. В некоторых конструкциях парамагнитных датчиков кислорода применяется противодействующий ток для восстановления нормального положения гантели. Ток, необходимый для поддержания гантели в нормальном состоянии, прямо пропорционален парциальному давлению кислорода и представлен в электронном виде в процентах кислорода.Существуют конструктивные вариации, связанные с различными производителями магнитодинамических парамагнитных датчиков кислорода. Кроме того, были разработаны другие типы датчиков, в которых используется чувствительность кислорода к магнитному полю, в том числе термомагнитный датчик или датчик «магнитного ветра» и магнитопневматический датчик. В целом, парамагнитные датчики кислорода обладают очень хорошими характеристиками времени отклика и не используют расходных деталей, что продлевает срок службы датчика при нормальных условиях. Он также обеспечивает отличную точность в диапазоне от 1% до 100% кислорода.Магнитодинамический датчик довольно хрупкий и чувствителен к вибрации и / или положению. Из-за потери чувствительности измерения, как правило, парамагнитный датчик кислорода не рекомендуется для измерения следовых количеств кислорода. Другие газы, обладающие магнитной восприимчивостью, могут приводить к значительным ошибкам измерения. Производители парамагнитных кислородных датчиков и анализаторов должны предоставить подробную информацию об этих мешающих газах.

Полярографические датчики кислорода

Полярографический датчик кислорода часто называют ячейкой Кларка [J.Л. Кларк (1822–1898)]. В сенсоре этого типа и анод (обычно серебро), и катод (обычно золото) погружены в водный электролит хлорида калия. Электроды отделены от образца полупроницаемой мембраной, которая обеспечивает механизм диффузии кислорода в датчик. Серебряный анод обычно имеет потенциал 0,8 В (напряжение поляризации) по отношению к золотому катоду. Молекулярный кислород потребляется электрохимически с сопутствующим прохождением электрического тока, прямо пропорционального концентрации кислорода в соответствии с законом Фарадея.Выходной ток, генерируемый датчиком, измеряется и усиливается электроникой, чтобы обеспечить измерение процента кислорода. Одним из преимуществ полярографического датчика кислорода является то, что в нерабочем состоянии электрод (анод) не расходуется. Срок хранения практически неограничен. Как и гальванический датчик кислорода, они не чувствительны к положению. Благодаря уникальной конструкции полярографического кислородного датчика этот датчик лучше всего подходит для измерения растворенного кислорода в жидкостях.Для измерения кислорода в газовой фазе полярографический датчик кислорода подходит только для измерения процентного уровня кислорода. Еще одним потенциальным недостатком является относительно высокая частота замены сенсора, равно как и проблема технического обслуживания мембраны сенсора и электролита.
Вариант полярографического датчика кислорода — это то, что некоторые производители называют неистощающим кулонометрическим датчиком, в котором два одинаковых электрода погружены в электролит, состоящий из гидроксида калия. Обычно внешняя ЭДС 1.На оба электрода подается 3 В постоянного тока, которые действуют как приводной механизм для реакции восстановления / окисления. Электрический ток, возникающий в результате этой реакции, прямо пропорционален концентрации кислорода в анализируемом газе. Как и в случае с другими типами датчиков, сигнал, полученный от датчика, перед отображением усиливается и кондиционируется. В отличие от обычного полярографического датчика кислорода, этот тип датчика может использоваться как для измерения процента, так и следовых количеств кислорода. Однако, в отличие от оксида циркония, один датчик не может использоваться для измерения как высоких процентных уровней, так и следовых концентраций кислорода.Одним из основных преимуществ этого типа датчика является его способность измерять содержание кислорода в миллиардных долях. Датчики чувствительны к положению, и затраты на замену довольно дороги, в некоторых случаях сопоставимые с затратами на весь анализатор другого типа. Они не рекомендуются для приложений, где концентрация кислорода превышает 25%.

Датчики кислорода оксида циркония

Этот тип сенсора иногда называют «высокотемпературным» электрохимическим сенсором, и он основан на принципе Нернста [W.Х. Нернст (1864-1941)]. В датчиках из оксида циркония используется твердотельный электролит, обычно изготовленный из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Зонд из оксида циркония покрыт с противоположных сторон платиной, которая служит электродом датчика. Для правильной работы датчика из оксида циркония его необходимо нагреть примерно до 650 градусов по Цельсию. При этой температуре на молекулярной основе решетка циркония становится пористой, что позволяет ионам кислорода перемещаться от более высокой концентрации кислорода к более низкой в ​​зависимости от парциального давления кислорода.Чтобы создать этот перепад парциального давления, один электрод обычно подвергается воздействию воздуха (20,9% кислорода), в то время как другой электрод подвергается воздействию измеряемого газа. Движение ионов кислорода через оксид циркония создает напряжение между двумя электродами, величина которого основана на разнице парциального давления кислорода, создаваемой эталонным газом и исследуемым газом. Датчик кислорода из оксида циркония демонстрирует отличные характеристики времени отклика. Еще одно преимущество состоит в том, что один и тот же датчик можно использовать для измерения 100% кислорода, а также его концентраций в миллиардных долях.Из-за высоких рабочих температур срок службы датчика может быть сокращен за счет включения / выключения. Коэффициенты расширения, связанные с материалами конструкции, таковы, что постоянный нагрев и охлаждение часто вызывает «усталость датчика». Основным ограничением кислородных датчиков из оксида циркония является их непригодность для измерения следовых количеств кислорода, когда в анализируемом газе присутствуют восстановительные газы (углеводороды любых видов, водород и оксид углерода). При рабочих температурах 650 градусов по Цельсию восстановительные газы вступают в реакцию с кислородом, потребляя его до измерения, что приводит к более низкому показанию кислорода, чем фактическое.Величина ошибки пропорциональна концентрации восстановительного газа. Датчики кислорода из оксида циркония являются «стандартом де-факто» для приложений контроля горения на месте.

Другие типы методов измерения кислорода находятся в стадии разработки и в некоторых случаях используются для конкретных целей. Они включают, помимо прочего, поляризацию люминесценции, оптико-химические датчики, лазерные газовые датчики и др. По мере дальнейшего развития и совершенствования этих методов они могут представлять собой жизнеспособные альтернативы основным типам датчиков кислорода, которые используются в настоящее время.

Обзор от классических моделей к современным тенденциям

В данной работе рассматриваются физико-химические модели работы и отклика потенциометрических газовых датчиков кислорода на основе ионопроводящих электролитов. Задача описания электрического отклика и некоторых свойств, таких как время отклика, ионная проводимость, каталитическая активность или селективность по газу, этих устройств привела к разработке некоторых моделей в последние десятилетия. Эти модели предоставили информацию о взаимосвязи между откликом датчиков, их конструкцией и процессом изготовления, а также некоторыми морфологическими свойствами, такими как размер зерен электролита, диффузия на защитных слоях или плотность точек трехфазной границы в измерительных электродах.Также описаны современные тенденции в улучшении катализа, газовой селективности и энергии активации ионной проводимости с помощью наноматериалов.

1. Введение

Химические газовые сенсоры получили широкое распространение в последние десятилетия для различных целей. Датчики кислорода, которые были наиболее изученными устройствами в этой области, были подходящими устройствами для контроля горения в автомобильных приложениях [1, 2]. Кроме того, большинство различных электрохимических газоанализаторов имеют одинаковую феноменологию и принципы работы, которые почти идентичны типичным датчикам кислорода.Таким образом, понимание механизмов определения кислорода приводит к обширным знаниям о многих других подобных газоизмерительных устройствах.

Чувствительность к кислороду может быть достигнута с помощью различных принципов работы: среди прочего, в прошлом были разработаны электрохимические, манометрические или резистивные кислородные датчики. Одной из самых распространенных систем является электрохимический датчик кислорода на основе керамических ионопроводящих электролитов. Более того, современные тенденции в разработке этих датчиков, такие как применение наноматериалов для улучшения характеристик восприятия или повышения газовой селективности в неравновесных газовых смесях, требуют точных знаний о том, какие параметры определяют поведение датчиков.Сложность этих систем и сложность установления всех процессов, вовлеченных в их нормальный режим работы, привели к появлению различных физических и физико-химических моделей на протяжении многих лет.

Данная работа посвящена обзору моделей ионопроводящих потенциометрических датчиков кислорода. Моделируется их статический и динамический отклик. Представлены некоторые опасения по поводу характеристик электролита, а также рассмотрены модели свойств электродов. Особое внимание уделяется использованию наноматериалов в электродах и электролитах.Также комментируется избирательное зондирование в этих устройствах благодаря смешанному потенциалу.

2. Справочная информация

2.1. Структура датчика

Потенциометрические чувствительные устройства на основе ионопроводящей керамики обычно имеют одинаковую базовую структуру (рисунок 1): Керамический ионопроводящий электролит покрыт двумя каталитически активными металлами и находится в контакте с двумя разными атмосферами: измерительной и эталонной атмосферой, состав которой известен (обычно воздух).

В датчиках кислорода эта структура состоит из проводника O ^2–, такого как Y ₂ O _{3 ZrO, легированный} , ₂ (YSZ) с платиновыми электродами. Ионная проводимость в этой керамике термически активируется выше 600–650 К. Датчики газа могут дополнительно включать рассеивающее сопротивление рядом с чувствительной ячейкой в ​​качестве нагревательного элемента для достижения стабильной высокой температуры. Это обычное дело в датчиках газа для автомобильной промышленности, например, в лямбда-датчиках. Кроме того, на измерительный электрод иногда наносят защитный слой для предотвращения коррозии или изменения свойств катализатора по мере старения датчика.

Изначально датчики кислорода были наперстковыми (рис. 2). С 1980-х годов эти датчики также разрабатывались планарного типа (см. Рисунки 1 и 3). Хотя планарная структура требует меньшего размера, меньшего энергопотребления для нагревательного элемента и более низких затрат на изготовление, а также обеспечивает лучшую стабильность измерений, физические принципы, определяющие поведение датчиков, по существу одинаковы как для наконечников, так и для планарных типов. Как будет показано в разделе 2.3, некоторые планарные датчики работают без привязки воздуха к одному из электродов.

Керамический процесс для разработки планарных датчиков требует таких методов, как отливка ленты, трафаретная печать, наложение подложек или спекание керамики. Структурные и электрохимические свойства полученных устройств в значительной степени зависят от условий, в которых были выполнены эти методы.

2.2. Отклик датчика

При воздействии определенной газовой смеси можно измерить напряжение холостого хода между рабочим и контрольным электродами: где — постоянная Больцмана, — температура, элементарный заряд, — парциальное давление кислорода в эталонном газе (что соответствует концентрации 21% O ₂ в воздухе) и — парциальное давление кислорода в измеряемом газе.Термин часто упоминается как, что одно и то же. Это известное уравнение Нернста.

Согласно (2), электрический отклик датчиков будет логарифмической зависимостью от, что не кажется очень чувствительным откликом (см. Рисунок 4 для простой модели отклика на смеси O ₂ -N ₂ ), с выходными напряжениями в несколько мВ перед концентрациями около 1–10% O ₂ в N ₂ . Можно видеть, что при типичных рабочих температурах напряжение холостого хода Нернста было бы около 1 вольт, если бы соотношение было очень высоким, то есть когда парциальное давление кислорода в эталонном воздухе было на несколько порядков выше, чем у кислорода. парциальное давление в измеряемом газе (например,г, менее чем ppm O ₂ в измеряемом газе). Однако из-за присутствия в электродах металлических катализаторов, таких как платина, кислородные датчики могут быть чувствительны к другим газам. Например, восстановители, такие как CO и углеводороды, которые могут присутствовать в измеряемом газе, могут реагировать с кислородом в каталитически активных Pt-электродах. Рядом с измерительными электродами, так как равновесная концентрация кислорода может сильно снизиться после реакции с CO или HC, датчики на основе YSZ могут показывать высокое напряжение (около 1 В) при воздействии неравновесных смесей, содержащих восстановительные газы и кислород.Платиновые электроды позволяют молекулам O ₂ реагировать с восстанавливающими частицами, вызывая глубокое локальное уменьшение мест их адсорбции. Уравнение (2) остается в силе, но только для химически уравновешенной газовой смеси вблизи Pt электродов, а не для концентрации O ₂ в неравновесном массивном газе. Следовательно, введение неравновесных редуцирующих веществ может привести к падению напряжения около 1 вольт, и кислородные датчики впоследствии могут работать также как датчики восстановительного газа.Другими словами, потенциометрические кислородные сенсоры, основанные на проводимости O ^2-, парадоксальным образом более чувствительны к присутствию восстановителей, чем к кислороду. Представленная конструкция (1) работает как лямбда-датчики в автомобильных приложениях для контроля горения и измерения выхлопных газов.

В двигателях внутреннего сгорания параметр является сигналом о том, насколько близко сгорание смеси воздух / топливо к стехиометрическим условиям [4]. определяется как Стехиометрическая смесь соответствует.Бедные смеси (избыток кислорода, соотношение воздух / топливо выше стехиометрического отношения воздух / топливо) характеризуются, тогда как богатые смеси (недостаток кислорода, соотношение воздух / топливо ниже стехиометрического отношения воздух / топливо) характеризуются.

Датчики на основе YSZ могут работать как датчики. На рисунке 5 показан типичный отклик лямбда-зонда, подверженного воздействию нескольких выхлопных газов, соответствующих различным значениям параметра. В обедненной зоне () концентрация достигает 1–3% в равновесном состоянии.Как было сказано ранее, порядка десятков мВ с логарифмической зависимостью, не очень чувствительной к. В богатой зоне выхлопные газы содержат значительные количества окиси углерода и углеводородов, то есть восстановительных газов. Это оправдывает высокое напряжение холостого хода. Рядом наблюдается резкое падение напряжения из-за перехода от богатого к обедненному режиму. В этой области равновесная концентрация кислорода изменяется на несколько порядков. Поэтому на практике такие датчики работают с бинарным откликом, богатый / обедненный.Определение условий обогащения / обеднения является полезной информацией при управлении горением.

Что касается других характеристик электрического отклика, эти датчики могут иметь отличное время отклика (не более сотен миллисекунд) как в окислительной, так и в восстановительной атмосфере. Отклик зависит от температуры не только из-за термической активации ионной проводимости и зависимости в (2), но также из-за влияния температуры на каталитическое превращение в электродах.Это вызывает локальную зависимость от температуры вблизи металлических электродов.

Керамика обладает высокой механической стабильностью и устойчивостью к термическим нагрузкам. Это помогает снизить зависимость поведения датчика от эффектов старения. Однако структурные фазовые переходы в некоторых областях ионного проводника и низкая деградация электродов могут проявиться в результате длительного использования (свыше сотен часов работы). Это может повлиять на отклик, особенно на время отклика.

2.3. Датчики без эталона воздуха

В последние годы некоторые планарные датчики кислорода были разработаны без эталона воздуха. Его структура состоит из Как было сказано ранее, физические принципы, регулирующие поведение кислородных датчиков с ионной проводимостью, одинаковы как для гильз, так и для датчиков планарного типа, даже в случае отсутствия эталонного воздуха на одном из электродов. Уравнение (2) было бы совершенно применимо к чувствительному элементу без эталонного воздуха, то есть с обоими электродами, подвергающимися воздействию одного и того же газа.Однако, поскольку два электрода будут определять одно и то же парциальное давление кислорода, будет получено нулевое напряжение: Чтобы обеспечить ненулевые потенциометрические отклики, коммерческие и экспериментальные датчики без эталонного воздуха обычно включают в один из электродов металлический катализатор, отличный от Pt или оксида металла. Это вводит разные рабочие функции в каждый электрод и обеспечивает дополнительное выходное напряжение [6–10].

Использование разных материалов в каждом электроде в датчиках с воздушным эталоном или без него — это способ улучшить селективность по кислороду или другим молекулярным частицам.Наноматериалы в настоящее время являются полезным инструментом для повышения селективности, как будет показано в разделе 4.2.

3. Постоянный отклик потенциометрического датчика

С качественной точки зрения молекулы кислорода как в измерительном электроде, так и в электроде сравнения находятся в локальном равновесии с ближайшими ионами кислорода в электролите из-за реакции Когда концентрация кислорода в измерительной атмосфере не такая же, как в эталонной атмосфере, электрохимическая ячейка датчика переводится в неравновесное состояние, поскольку для достижения двух различных локальных концентраций O ^2- вблизи двух соответствующих электродов требуются равновесие (6) с молекулами кислорода, контактирующими с каждым электродом.Распределение ионов кислорода в электролите изменяется для достижения равновесия. Как следствие, ненулевое напряжение должно быть обнаружено между электродами из-за этого неравномерного распределения заряда по ионному проводнику.

3.1. Вывод напряжения Нернста

Идеальное напряжение холостого хода Нернста может быть легко получено из элементарной термодинамики. Свободная энергия Гиббса молекулы равна где — энтальпия, — энтропия, — количество состояний, доступных молекуле.Это количество состояний должно линейно изменяться в зависимости от объема системы, который обратно пропорционален парциальному давлению кислорода,. Следовательно, можно переписать как Если парциальное давление кислорода в измеряемом и эталонном газах отличается, их соответствующие свободные энергии Гиббса, G _M и G _R , также будут разными. Таким образом, эта разница в энергиях Гиббса между молекулами кислорода в двух атмосферах должна быть где и — парциальные давления кислорода в эталонном и измеряемом газах соответственно.

Эта разность энергии должна быть равна разнице электрической энергии. Поскольку четыре электрона переносятся в реакции (6),. Таким образом, где и — электрические потенциалы электрода сравнения и измерительного электрода соответственно.

Использование энергии Гиббса в этом выводе и других описаниях, касающихся поведения сенсоров, было широко заменено использованием электрохимического потенциала [11, 12], где — химический потенциал, а — электрический потенциал.Обратите внимание, что и имеют энергетические измерения, хотя в результате злоупотребления языком они называются потенциалами.

3.2. Классические модели потенциометрического отклика

Как видно из предыдущего раздела, для получения напряжения Нернста предполагается, что в электролите присутствует только ионная проводимость, и оба электрода каталитически активны. Полученное уравнение Нернста (2) не показывает зависимости от электродов и характеристик электролита; то есть теоретическое равновесное напряжение одинаково независимо от физико-химических свойств датчика.

Однако эксперименты показали, что выходное напряжение зависит от свойств электродов и электролита не только в переходном процессе, но и в установившихся условиях. Неидеальное поведение легко наблюдается в восстановительной атмосфере. Различия в отклике датчиков побудили некоторых авторов смоделировать свое поведение с точки зрения их различных свойств. Кроме того, уравнение Нернста выводится в предположении, что термодинамическое равновесие достигнуто; то есть на датчике не обнаруживается фарадеевский ток.Как следствие, процессы адсорбции, восстановления или десорбции различных молекулярных частиц в электродах не рассматриваются в уравнении Нернста, поскольку датчик тогда будет обеспечивать отклик, определяемый скоростью, вместо равновесного отклика.

Первые модели поведения потенциометрических кислородных датчиков были разработаны для автомобильных приложений и ориентированы на реакцию датчиков при воздействии на них воздушно-топливных смесей двигателя. Эти модели учитывали взаимодействие между различными молекулярными частицами в электродах.Считается, что они моделируют поведение ненерновских датчиков или датчиков смешанного потенциала.

Сравнение идеальных и экспериментальных кривых напряжения сенсора привело Флеминга [3] к следующим соображениям.

(i) CO является основным восстановительным газом, который может адсорбироваться на Pt-электродах [13]. Поэтому предполагается, что CO является единственным газом, помимо O ₂ , который влияет на напряжение датчика.

(ii) CO может снижать локальное парциальное давление кислорода около измерительного электрода посредством реакции: Результирующая концентрация кислорода в равновесии после реакции (11) определяет идеальное равновесное напряжение Нернста в восстановительных смесях.

(iii) Однако CO может влиять на напряжение датчика, непосредственно истощая ионы кислорода в электролите рядом с измерительным электродом:

(iv) Напряжение холостого хода возникает в результате наложения двух напряжений Нернста, связанных с двумя предыдущими реакциями:

(v) Равновесные напряжения и могут быть рассчитаны на основе расчетных констант равновесия для реакций (6) и (12) соответственно.

(vi) Параметры и зависят от доли адсорбционных центров, занятых частицами O ₂ и CO в платиновых электродах.Их можно оценить с точки зрения адсорбции тепла для CO и O ₂ на Pt и термодинамических константах.

Таким образом, выходное напряжение перед соотношением воздух / топливо в двигателе рассматривается как функция четырех параметров: констант равновесия для двух химических реакций и доли адсорбированных молекул CO и O ₂ в платине. Кроме того, эта модель учитывала возможность различных электрохимических потенциалов электронов между двумя электродами.Устойчивое высокое напряжение в неравновесных восстановительных смесях объясняется этой древней моделью даже в реальных планарных потенциометрических датчиках Pt / YSZ / Pt. Флеминг также представил первую модель, чтобы понять, почему скачок напряжения от высокого до низкого значения не всегда был таким резким и не проявлялся при одном и том же составе газа во всех датчиках [3].

Модель Флеминга была позже улучшена Андерсоном и Грейвсом [14] для изучения характеристик прокомментированного скачка напряжения для определенного состава газа.Они приняли во внимание долю адсорбции для O ₂ , CO, а также CO ₂ и рассмотрели существование газообразного пограничного слоя между областью объемного газа и поверхностью электрода / катализатора. Они использовали те же уравнения, что и в модели Флеминга для стационарных адсорбированных частиц, но дополнительно предположили переходный массоперенос O ₂ , CO и CO ₂ между объемным газом и пограничным слоем и определенную временную адсорбцию / десорбцию. ставки в электроде.Путем численного решения системы найдены установившиеся концентрации кислорода в электроде.

Андерсон сосредоточился на расчетах для оценки напряжения датчика при воздействии различных смесей O ₂ / CO. Он учел влияние различных констант скорости поверхностной реакции в электродах и нашел различные теоретические кривые напряжения в терминах константы скорости реакции. и его константа скорости обратной реакции. В случае более низких констант реакции горения кислорода, то есть более высокой скорости обратной реакции, чем скорость реакции (14), кривые напряжения не показывают ступенчатого поведения, показанного на рисунке 5.

Также сравнивались рассчитанные отклики сенсоров с одинаковыми константами скорости реакции, но с разными константами скорости массопереноса. Было показано, что различия в динамическом процессе (изменения массопереноса через гипотетический граничный газ или в константах скорости реакции) могут вызывать различия в устойчивой реакции, а не только в переходной реакции. Это не отражается в уравнении Нернста, поскольку оно учитывает только равновесное парциальное давление кислорода перед электродами, без учета процесса, который приводит к этому локальному парциальному давлению кислорода.

До сих пор комментируемые модели не учитывали возможность реализации защитного диффузионного слоя, схематически аналогичного показанному на рисунке 1, хотя в этой последней работе рассматривался гипотетический диффузионный пограничный слой с газом. Saji et al. [15] использовали датчики YSZ с пористым керамическим покрытием поверх измерительного электрода. Один и тот же датчик подвергался воздействию различных смесей кислорода и горючего газа при разных температурах, и снова были обнаружены разные ступени напряжения в зависимости от горючего газа.В экспериментах с разными газовыми смесями скачок напряжения появлялся при разных параметрах горения. Фактически, различия в характеристиках ступенчатого напряжения наблюдались в смесях, столь же похожих, как неравновесные H ₂ -O ₂ -N ₂ и D ₂ -O ₂ -N ₂ . Различная ступень напряжения горения для водорода и дейтерия предполагала влияние молекулярной массы на отклик.

Эти результаты и наблюдаемые различия в температуре привели Саджи к разработке более полной модели стационарного отклика датчиков.Согласно этой модели, реакция сенсора зависит от трех явлений, активируемых температурой:

(i) самопроизвольное уравновешивание изначально неравновесной газовой смеси, (ii) кислородные реакции в контакте электрод-электролит после (6), (iii) монооксида углерода. реакции по (12).

При достаточно высокой температуре (более 900 К) ступенчатые напряжения наблюдались в стехиометрических смесях кислород / горючие газы. Эти измерения, наряду с доказательствами, предполагающими, что реакции газовой фазы происходят самопроизвольно в газовых смесях, содержащих кислород и горючий газ при высоких температурах, без необходимости в катализаторе Pt, заставили Саджи предположить, что газовая смесь уравновешена в измерительном электроде и напряжение было в соответствии с предсказанным идеальным напряжением Нернста.В области средних температур (650–800 К) самопроизвольная реакция еще не происходила, и газовая смесь поступала в пористое покрытие без химического уравновешивания. Поскольку массоперенос через пористый слой регулируется диффузией, и каждая молекула имеет свой коэффициент диффузии, установившиеся концентрации на керамическом покрытии были разными для разных видов газа (рис. 6). Предполагая, что диаметр поры намного меньше, чем длина свободного пробега молекул газа (диффузия Кнудсена), Саджи нашел следующее уравнение для расчета состава газовой смеси, в которой появляется ступенчатое напряжение: где — молекулярная масса компонента.Эта модель согласуется с экспериментальными данными и объясняет, почему шаг напряжения для дейтерия отличается от шага для молекулярного водорода. Наконец, в области низких температур (ниже 650 К, но при температуре, достаточно высокой для обеспечения ионной проводимости) применимы реакции (6) и (12) и исходные соображения Флеминга.

Несколько экспериментальных измерений с помощью потенциометрических датчиков [16–20] привели Brailsford et al. попытаться разработать аналогичные модели как для переходных, так и для равновесных реакций сенсора при воздействии смесей, содержащих O ₂ , CO, CO ₂ , H ₂ и H ₂ O [21, 22].Помимо учета различных скоростей адсорбции и тех же возможных реакций в измерительном электроде, что и в предыдущих моделях, была смоделирована дополнительная реакция адсорбированного CO с адсорбированным H ₂ O (реакция «вода-газ») в электроде. Сравнивая модель Брейлсфорда с гипотетической реакцией вода-CO [20], кривая напряжения не была хорошо подогнана, по крайней мере, при средних температурах (631 K). При высоких температурах (837 К) больших различий между моделями с этой реакцией и без нее не наблюдалось.Работы Брейлсфорда и др. были полезны для понимания эффектов различных физико-химических процессов, вовлеченных в работу электрохимических сенсоров. Однако их смоделированное взаимодействие CO-H ₂ O оказалось необязательным.

Модель Флеминга [3] и более поздние модификации включали конкурирующие реакции на участках адсорбции (то есть на трехфазных граничных узлах) в электродах, например, один для кислорода (6), а другой — для монооксида углерода (12). . То, что Флеминг охарактеризовал константами адсорбции и десорбции для различных видов газа, позже широко рассматривалось как смешанный потенциал потенциометрических датчиков.

3.3. Трехфазная граница

До сих пор были рассмотрены некоторые характеристики электродов: основные классические модели отклика сенсора, сфокусированные на взаимодействующих газах и скоростях реакции, адсорбции и десорбции для каждого вида молекул в электродах. Как видно, это предоставило полезную информацию для понимания работы датчиков, и в целом было получено хорошее согласие между экспериментальными и расчетными данными. Однако датчик рассматривался как черный ящик, практически не влияющий на отклик с точки зрения морфологии электрода или характеристик электролита.

Морфологические и каталитические свойства электродов важны для получения надлежащего отклика. Более того, модели поведения электродов важны для современных тенденций использования наноматериалов в качестве катализаторов в датчиках такого типа, а также в твердооксидных топливных элементах.

Тройная фазовая граница (TPB) является важным понятием для изучения процессов в электродах. Участки TPB — это области, в которых сосуществуют измеряемая атмосфера, металлический катализатор и электролит.Реакции в электрохимических системах с участием ионной проводимости могут возникать только в участках TPB или около зон, если чувствительный электрод металлический. Например, предполагается, что реакция (6) происходит только тогда, когда молекулы O ₂ могут достичь зоны контакта Pt / YSZ. В противном случае невозможно обменять электроны с металлом и изменить количество ионов кислорода в электролите.

Несколько работ подтвердили зависимость характеристик электрода от длины участков трехфазной границы [23–25], а разные конфигурации электродов приводят к разной длине TPB.В зависимости от плотности TPB мы можем определить три типа электродов, подходящих для потенциометрических датчиков кислорода: непористые металлические электроды, пористые металлические электроды и металлокерамические электроды. Работы на участках трехфазной границы были в основном сосредоточены на твердооксидных топливных элементах, но их результаты полностью применимы к электрохимическим датчикам.

Реакции в непористом чистом металлическом электроде относительно трудны, поскольку участки TPB расположены исключительно в контуре электрода, контактирующего с электролитом.Хотя молекулы газа могут адсорбироваться на всей поверхности электрода, большинство из них не могут реагировать, обеспечивая или извлекая ионы кислорода из электролита, поскольку контактирующие газ / катализатор / электролит находятся только в контуре электрода. Эта низкая плотность участков TPB вызывает ограничение тока, поскольку большая часть площади контакта между металлом и YSZ неактивна [26, 27]. Следовательно, время отклика датчиков с такой структурой будет медленным. Герц и Таллер [28] разработали модель ограничения тока в TPB.Кроме того, реакция датчиков может ухудшиться из-за старения, поскольку незначительное загрязнение электродов может повлиять на значительную часть участков трехфазной границы, учитывая, что большинство из них расположены в одной и той же области.

Усовершенствованная конфигурация электродов в датчиках кислорода представляет собой пористый металлический электрод. Большинство коммерческих кислородных сенсоров включают в себя пористые Pt электроды, поскольку молекулы газа могут диффундировать через поры, и плотность участков TPB увеличивается [25, 29, 30]. На рис.7 представлена ​​схема структуры границы раздела пористый Pt-электрод / YSZ-электролит.СЭМ-изображения поверхности пористых платиновых электродов можно увидеть, например, в [29].

Электрод из керамического / металлического композита известен как металлокерамический электрод. Эти электроды обеспечивают еще больше участков TPB. Использование пористого композита Pt / YSZ вместо металлической фазы над электролитом YSZ увеличивает количество границ раздела между катализатором и электролитом [31]. Длина TPB увеличена, что позволяет избежать проблем с текущим сужением. Некоторые авторы работали над динамикой участков TPB в этих композитах, поскольку термическая и электрохимическая история системы может влиять на длину TPB [32–35]: например, высокие поляризации могут изменять морфологию электрода или блокировать некоторые доли границы раздела между Pt / YSZ с молекулами или ионами кислорода.

В качестве альтернативы керметным электродам из Pt / YSZ были предложены другие керметные электроды, состоящие из оксидов металлов, смешанных с металлическим катализатором, для изменения смешанного потенциала датчиков и / или повышения газовой селективности за счет стимулирования одного из конкурирующие химические реакции в катализаторах. Например, сообщалось о селективности по O ₂ с NiO [36], CdO и SnO ₂ по CO [37], ZnO по H _{2, селективность} [38], CdMn ₂ O ₄ , CdCr ₂ O ₄ и WO ₃ , среди прочего, для селективности NO _x [39–42].Наноматериалы были применены для изменения смешанных потенциалов и повышения газовой селективности, как это будет показано в следующем разделе.

Интересная модель переходного и установившегося отклика потенциометрического датчика, включающая классические представления первых моделей, смешанные потенциалы, скорости реакции, возможную диффузию молекулярных частиц и динамику TPB, была разработана Жуйковым [43, 44] .

Жуйков рассмотрел планарный ненерновский потенциометрический датчик YSZ с разнородными электродами: один из пористой платины, а другой из пористого NiO, нанесенного на пористую пленку Pt.Тот факт, что Pt был пористым, увеличивал плотность сайтов TPB. Воздушный эталон не был разработан; то есть два электрода находились в одной и той же атмосфере. Модель изучала реакцию на смесь NO ₂ / O ₂ / H ₂ O. Были рассмотрены следующие явления:

(i) многокомпонентная диффузия газообразных частиц через пористые электроды; моделировалась обычная объемная диффузия, а также диффузия Кнудсена и поверхностная диффузия, (ii) адсорбция, десорбция и частичная диссоциация диоксида азота внутри твердооксидного электрода, (iii) диссоциация воды в трехфазных граничных узлах, (iv) катодная реакция NO ₂ на трехфазной границе и в объеме электрода твердооксидного электрода, (v) электрохимическая реакция кислорода в соответствии с уравнением (6).

Предполагалось, что все электрохимические реакции протекают с разной кинетической скоростью в каждом электроде, поскольку их состав был разным. Эта модель предлагает более подробное описание основных явлений в потенциометрических датчиках такого типа. Также предполагалось, что некоторые электрохимические стадии происходят только в узлах TPB, тогда как некоторые другие явления рассматривались также в объемных электродах и в узлах TPB. Конкуренция различных скоростей для каждой электрохимической стадии, вместе с зависящими от времени уравнениями для явлений многокомпонентной диффузии газа, привела Жуйкова к получению переходного и установившегося отклика датчика, который был экспериментально подтвержден.Некоторые феноменологические параметры, которые были введены в предыдущих моделях [45, 46], были исключены этим более подробным описанием. Более того, эта модель может быть распространена на другие планарные газовые сенсоры, отличные от Нернста, с разными электродами.

Muroto et al. изучили динамическое поведение электродов, уделяя особое внимание явлениям активации и деградации участков трехфазной границы Pt / YSZ и, как правило, границ раздела Pt / YSZ [47]. Они предложили схему границы раздела электрод-электролит и представление всех возможных электрохимических изменений (т.е., поляризующий датчик) и температурные эффекты. В частности, они обнаружили, что низкая поляризация между двумя сенсорными электродами в определенных контролируемых атмосферах может частично поцарапать некоторые области электрода, способствуя электромиграции платины и приводя к возможному созданию новых участков трехфазной границы. Таким образом, наложение внешней поляризации на чувствительные устройства может увеличить плотность участков TPB и впоследствии улучшить катализ, а также снизить импеданс электрода и время отклика.Однако слишком высокая поляризация может повредить электрод из-за растрескивания платины или стимулирования образования пузырьков воздуха между платиной и YSZ, что снизит эффективную плотность участков TPB.

Ramamoorthy et al. [48] ​​сравнили время отклика датчиков с различными металлическими и металлооксидными электродами и попытались сопоставить с процессами переноса заряда в трехфазных пограничных узлах. Хотя общее время отклика определялось не только характерным временем процессов в электродах, было обнаружено, что тот факт, что реакции переноса заряда происходят только в узлах TPB в Pt-электродах, приводит к явлению сужения тока, которое не наблюдается в некоторых комплексах. электроды из оксида металла, такие как оксид лантана, стронция, железа, кобальта (LSFCO).В этой работе они использовали импедансную спектроскопию. Комментарии к применению этой техники будут даны в следующем разделе.

3.4. Эквивалентные электрические модели и использование импедансной спектроскопии

Характеристики и поведение электрохимических сенсоров в терминах их эквивалентных электрических моделей. В этой области импедансная спектроскопия является мощным инструментом для определения электрических характеристик кислородных датчиков и соответствия их смоделированным электрическим компонентам.

Импедансная спектроскопия выполняется с помощью потенциостата, который подает внешнее переменное напряжение на электроды датчика и определяет ток в широком диапазоне частот.Соответствующий импеданс рассчитывается для каждой частоты. Мнимый импеданс в сравнении с действительным представлен в виде частоты. Альтернативный способ представления спектров импеданса — использование диаграмм Боде.

В первом приближении типичный электрохимический датчик газа может быть электрически смоделирован, как показано на рисунке 8. Поскольку электроды могут обмениваться электрическим зарядом в соответствии с уравнением (6), и заряды могут накапливаться в структуре электрода или на границе раздела электрод-электролит [ 49], предполагается, что два электрода датчика ведут себя как резистор, подключенный параллельно конденсатору.Керамические электролиты обычно рассматриваются как резистор, включенный последовательно с параллельным резистором-конденсатором. Как показано на рисунке 8, это представляет собой объемный (или внутризеренный) вклад и вклад границ зерен (или межзеренный).

Можно попробовать более сложные электрические модели в зависимости от желаемого уровня точности подгонки или необходимости разделения вкладов от объема, границ зерен, второй фазы, вкладов поверхностного слоя и так далее. Например, очень низкий конденсатор можно смоделировать параллельно с сопротивлением внутризеренных вкладов, поскольку объемные кристаллы не идеальны [50].Кроме того, емкости в электродах и в электролите можно заменить элементами с постоянной фазой. [48, 51–53]. Также могут быть реализованы индуктивные вклады [54] или диффузионные явления Варбурга в электродах [50, 55–57]. Соображения о том, как проводить спектроскопию импеданса керамических материалов и как моделировать и обрабатывать измеренные данные, можно найти в [58–61].

Мэн и Шен [62] показали пример электрической модели нетрадиционного датчика с электродами, не содержащими платину: электроды Ag / C и Ag-W ₂ / C.Электролит моделировался только с одним сопротивлением, так как емкостные эффекты в электролите не наблюдались в диапазоне приложенных частот. В дуги, соответствующие электродным вкладам, вводились элементы постоянной фазы. Как правило, может потребоваться введение элементов с постоянной фазой в электроды вместо конденсаторов, поскольку они лучше соответствуют данным по импедансу, когда присутствуют эффекты емкости двойного слоя (т. Е. Сужение тока на границе раздела электрод-электролит).С этой моделью спектры импеданса Ag-W ₂ / C не могли бы быть правильно подогнаны: в этом случае необходимо было ввести диффузионный импеданс Варбурга из-за явления массопереноса в электроде. В этом случае данные импеданса помогли подтвердить более быстрый кинетический процесс восстановления кислорода на катализаторе Ag-W ₂ C / C. Диффузия Варбурга представляет собой перенос массы в электроде вместо переноса заряда.

Влияние характеристик электрода на чувствительность можно проверить с помощью импедансной спектроскопии.Как указывалось ранее, Ramamoorthy et al. [48] ​​сравнили три разных электрода для потенциометрических датчиков кислорода YSZ: платину, оксид лантана, стронция, железа, кобальта (LSFCO) и оксид хрома, и коррелировали с откликом датчиков. Было обнаружено, что характерное время электрохимических реакций контролируется сопротивлением электродов из платины и оксида хрома и емкостью электродов LSFCO, но это не тот феномен, который ограничивает время отклика датчика. Эти данные свидетельствуют о том, что высокое время отклика в сенсорах связано с поверхностной диффузией адсорбатов кислорода, на которую влияет микроструктура электрода.

Что касается отклика сенсора, Frade et al. [63] заметили, что вариации отклика сенсора после поляризации электродов могут быть коррелированы с помощью импедансной спектроскопии. Они также установили взаимосвязь между последствиями поляризации датчика и толщиной и транспортными свойствами твердого электролита.

Разделение различных составляющих электролита и электрода является ключевым моментом при извлечении информации из импедансной спектроскопии. Во-первых, импеданс двух электродов может быть перезаписан в спектре импеданса.Таким образом, относительно обычно проектируют некоторые тестовые датчики с тремя электродами, чтобы использовать дополнительный электрод сравнения. Это помогает разделить вклады RC для каждого электрода [64, 65]. Из-за их различий в сопротивлении и емкости относительно легко отделить электродные дуги от электролитных дуг [26, 27, 58, 66], но возникают проблемы с обнаружением вкладов объема и границ зерен в электролите [67, 68]. Разделение внутризеренного и межзеренного вкладов в керамическом электролите может быть полезно для наблюдения различий в процессе спекания [69], для сравнения проводимости в YSZ с различным содержанием оксида иттрия [70] или для анализа влияния на добавление некоторого содержания MgO в YSZ [68] .

В некоторых работах пытались установить общие закономерности для описания факторов, определяющих проводимость электролита [71]. Однако в различных работах был обнаружен высокий разброс в измерениях проводимости, поскольку большое количество параметров может влиять на сопротивление электролита, не только на условия измерения, но и на параметры изготовления, термическую предысторию электролита, размер зерна и т. Д. Широкое обсуждение роли границ зерен в общей проводимости ионопроводящей керамики было проведено Гуо и Вазером [72].Они сосредоточились на моделях слоев пространственного заряда для описания межзеренных контактов.

4. Улучшение потенциометрических датчиков кислорода: современные тенденции использования наноматериалов

В последние годы интенсивно проводятся исследования наноматериалов. Использование наноструктур обычно показывает схожие преимущества в разных дисциплинах: миниатюризация, экономия материала, меньшее потребление энергии и новые физические и химические свойства за счет эффектов масштаба.

Нанотехнологии — это интересная область исследований в области электрохимических газовых сенсоров.Использование наноматериалов дало некоторые улучшения по сравнению с классическими датчиками кислорода, модели поведения которых были представлены в предыдущих разделах. Тем не менее, работы по наноматериалам для устройств измерения кислорода были в основном для академических целей и еще не получили коммерческого применения, так как в будущем предстоит провести много исследований. Более того, исследования сосредоточены на разработке твердооксидных топливных элементов, хотя эти устройства имеют общие физико-химические свойства с электрохимическими сенсорами.

Гёпель [73–75] прокомментировал возможность создания гипотетических электрохимических наносенсоров со структурой Pt / YSZ / Pt, но оценил некоторые трудности в их миниатюризации. Например, относительно большие кластеры Pt требуются для формирования пространственно когерентной сети электронопроводящего контакта, которая позволяет молекулам кислорода получать доступ к трехфазной границе, поскольку большие различия в поверхностных свободных энергиях между платиной и YSZ вызывают проблемы с адгезией. Гёпель также предположил, что будет сложно приготовить эпитаксиальные тонкие пленки со структурным контролем в однослойном диапазоне.

Совсем недавно Хуанг и Чой [76] прокомментировали некоторые другие проблемы и будущие задачи, связанные с использованием наноматериалов для обнаружения газов. Например, такие механизмы, как диффузия в порах или реакции молекулярного кислорода, адсорбированного кислорода или ионов кислорода, а также такие параметры, как отношение поверхности к объему, интенсивно исследовались в газовых сенсорах, но требуются дальнейшие исследования, чтобы учесть эти механизмы. в сочетании с определенными наноструктурами в датчиках. Избирательность можно улучшить, обладая более точными знаниями в этой области.

Работы с наноматериалами направлены на улучшение характеристик сенсора. В контексте потенциометрических ионопроводящих кислородных датчиков мы можем разделить использование наноматериалов в этих устройствах на три отдельные группы:

(i) наноматериалы для снижения импеданса электрода, например, увеличения плотности участков TPB, избегая ограничения тока. в контактах электрод / электролит или снижение свободной поверхностной энергии между электродом и электролитом, (ii) наноматериалы для улучшения газовой селективности по кислороду или другим газам за счет усиления катализа в электродах или путем изменения смешанного потенциала электродов, здесь полупроводящие оксиды были опробованы в качестве альтернативы чистым металлическим каталитическим электродам, (iii) наноматериалам для создания тонкопленочных электролитов с целью снижения энергии активации ионной проводимости и обеспечения более низких рабочих температур.

4.1. Снижение импеданса электрода

Как было сказано ранее, одним из наиболее важных элементов в электрохимических датчиках кислорода является трехфазная граница. Большое количество узлов TPB обеспечивает хорошее время отклика, поскольку снижает емкость двойного слоя. Поскольку использование пористых композитов Pt, Pt-YSZ или других металлокерамических композитов является хорошим способом повышения плотности TPB, кажется очевидным, что частицы с меньшим размером зерна и более высокой удельной поверхностью помогают увеличить количество участков TPB.

Кимура и Гото [77] искали альтернативу Pt в электродах и обнаружили, что иридий может иметь аналогичную или более высокую каталитическую активность, чем Pt. Они изготовили нанокомпозитные электроды из Ir-YSZ методом химического осаждения из газовой фазы (MOCVD). Композит состоял из кристаллического Ir и аморфного YSZ со средним размером частиц Ir 3 нм. Было приготовлено несколько композитов с контролируемым составом Ir от 3% до 71% об. Видно, что электропроводность была до 1000 раз выше, чем у Pt электродов.

Позже, Торрес-Хуэрта и др. Исследовали электрохимические характеристики нанокомпозитных электродов IrO ₂ / YSZ. [78], с размером зерна от 15 до 30 нм. Хотя эта работа была в области топливных элементов, наблюдаемые свойства применимы к датчикам газа. Смоделированные эквивалентные схемы после спектров импеданса показали, что сопротивление поляризации было ниже, чем в обычных Pt-электродах и Ir-YSZ-электродах [77], вероятно, из-за более высокой плотности участков тройной границы раздела фаз.Кроме того, энергия активации межфазной проводимости композитов соответствовала энергии диссоциации молекул кислорода. Сравнивая энергию активации LSM или Pt электродов [79], авторы предположили, что керметы IrO ₂ -YSZ могут предложить эффективные и конкурентоспособные характеристики в качестве электродных материалов для электролитов YSZ, хотя потребуется дальнейший анализ.

Интересное улучшение импеданса электродов было предложено Wang et al.[80], также справедливо для топливных элементов и электрохимических газовых сенсоров. На основе квантовых расчетов ab initio было обнаружено, что как поверхностная энергия кластера Pt _0,7 Ni _0,3 , так и изменение энергии кластера сплава Pt-Ni при созревании на YSZ были ниже, чем у чистой Pt. Также сравнивались изменения свойств микроструктуры после отжига нанопористых тонких пленок Pt и Pt-Ni. В тонких нанопористых пленках Pt-Ni изменений обнаружено не было, но в чистой нанопористой платине наблюдалось резкое снижение пористости.Следовательно, ожидалось более низкое сопротивление электрода, лучшая термическая стабильность и более низкая рабочая температура.

Иногда предлагалось [81] использовать нанокомпозиты из Pt, смешанного с углеродными нанотрубками, в датчиках кислорода. Однако они реализованы только в некоторых углеводородных электрохимических сенсорах [82] или биосенсоры [83], разработанные с использованием этих нанокомпозитов.

4.2. Содействие катализу и повышение газоселективности

Наноструктурированные материалы — полезный инструмент для повышения чувствительности и селективности в потенциометрических датчиках с ионной проводимостью, а также в датчиках с другими принципами измерения.Использование наночастиц в качестве катализатора, например, может быть связано с большей площадью поверхности и, следовательно, с более высокой каталитической активностью, чем в катализаторах из объемных материалов. Это должно помочь получить максимальную отдачу. Однако, как было сказано ранее, необходимо знать взаимодействия между контролируемым газом и наноструктурами, чтобы получать надежные и повторяющиеся результаты.

Для улучшения катализа, а также импеданса электрода при электрокаталитическом восстановлении растворенного кислорода Britto et al.[84] использовали микроэлектроды из углеродных нанотрубок. Хотя их интерес заключался в улучшении поведения твердооксидных топливных элементов, результаты, касающиеся плотностей тока обмена в электроде, интересны по сравнению с электродами из графитовой пасты. Было обнаружено, что электрод из углеродных нанотрубок показал плотность тока обмена примерно в 6 раз больше плотности тока в электродах из графита. Однако электрод, сделанный из углеродных нанотрубок с нанесенным на него палладием, имел плотность тока обмена в 10 ⁵ раз больше, чем электрод из графитовой пасты.Это важное изменение в переносе заряда вместе с тем фактом, что реакции между кислородом и водородом являются обычными при некоторых измерениях с кислородными датчиками, могут способствовать повышению селективности по кислороду, а также снижению импеданса электрода.

Позже Collins et al. [85] показали, что углеродные нанотрубки очень чувствительны к химической среде в случае одностенных углеродных нанотрубок, электрическому сопротивлению, локальной плотности состояний при прямом воздействии на воздух, различным концентрациям растворенного кислорода или очень небольшому количеству адсорбированных газов.Таким образом, результаты этой работы показали, что, хотя селективность и чувствительность к кислороду были превосходными, и это могло быть инструментом для улучшения характеристик кислородных датчиков в электродах, использование углеродных нанотрубок не кажется простым инструментом для будущие разработки в области измерения кислорода с помощью каталитических электродов, поскольку многие свойства в значительной степени зависят от процесса проектирования или некоторых внешних условий.

Совсем недавно Cvelbar и Mozetič [86] изучали нетрадиционное усовершенствование катализа с помощью массива нанопроволок Nb2O5 на внешней поверхности первоначально разработанного каталитического датчика кислорода.Благодаря большей площади поверхности был получен более сильный катализ, чем в обычном катализаторе. Кроме того, атомы кислорода, образующиеся при диссоциации молекулярного кислорода, были обнаружены при плотностях до десяти раз ниже, чем в обычных объемных катализаторах. Результаты показали, что датчики на основе нанопроволоки могут использоваться для обнаружения газов малой плотности (кислорода или других частиц) в средах, где стандартные каталитические зонды не работают.

Немногое работ посвящено усовершенствованию катализа с помощью наноматериалов в электродах для потенциометрических датчиков кислорода на основе ионопроводящего электролита.Однако электроды устройств, чувствительных к кислороду с ионной проводимостью, были модифицированы наноструктурированными материалами для повышения селективности по отношению к некоторым газам в многокомпонентных газовых смесях с присутствием кислорода. Как будет показано ниже, наночастицы оксида металла были полезны для модификации смешанного потенциала в электродах в планарных сенсорах, отличных от Нерсна.

Как было сказано ранее, конкуренция таких реакций, как (6) для кислорода или (12) для монооксида углерода в металлических катализаторах, уже была введена в классические модели отклика сенсоров и предложила концепцию смешанного потенциала.Изменение смешанного потенциала в электроде может привести к другому выходному напряжению датчика при воздействии определенных газовых смесей. Фактически, комбинация различных электрохимических ячеек, покрытых разными электродными материалами, может способствовать чистому избирательному ответу на конкретные молекулярные частицы. Некоторые коммерческие датчики в автомобильной промышленности основаны на этой возможности.

Устройства с некоторыми из этих новых электродов предполагают дальнейшую разработку новых коммерческих селективных газовых сенсоров.Например, Wu et al. [87] предложили использовать пористый нанокомпозит CuO-ZnO вместо обычной пасты Pt. Структура CuO-ZnO / Pt / YSZ / Pt была исследована в качестве селективного чувствительного электрода CO. Обнаружена высокая пористость в структуре нанокомпозитного электрода CuO-ZnO. Выходное напряжение около 8 мВ было обнаружено при концентрации CO 800 ppm в воздухе около 800 К. Однако время уравновешивания срабатывания датчика было значительно медленным, порядка тридцати минут.

Ли и Кейл [88–91] исследовали электроды из наночастиц оксида индия, легированного оловом (ITO).Датчики со структурой наночастиц ITO / YSZ / Pt, подвергнутые воздействию воздуха, смешанного с несколькими концентрациями CO около 900 K, имеют более высокую чувствительность к CO и меньшее время потенциометрического отклика, чем в предыдущих работах. Этот чистый отклик не является нернстианским и был приписан смешанному потенциалу электродов, сделанных из наночастиц ITO.

В обратном направлении Плашница и др. [92] изучали датчик со смешанным потенциалом, практически не обладающий селективностью по оксиду углерода и другим частицам, таким как углеводороды.При использовании покрытий из наночастиц золота в качестве чувствительных электродов чувствительность к 400 ppm CO в воздухе была снижена до менее 10 мВ при 870 K, тогда как чувствительность к 400 ppm NO ₂ повысилась до 60 мВ. Полученная высокая чувствительность и высокая селективность по NO ₂ объясняются более высокой каталитической активностью реакции. на границе Au / YSZ, чем каталитическая активность реакции (12), вызывая модификацию соответствующих смешанных потенциалов. Эта работа показала большие различия между поведением электродов с наночастицами золота и объемных золотых электродов, поскольку объемные Au-электроды были описаны для датчиков смешанного потенциала для обнаружения CO [93–95] и углеводородов [92, 96, 97].

Можно найти больше нанокристаллических оксидных твердых электролитов для датчиков со смешанным потенциалом NOx: были предложены структуры на основе наноструктурированных NiO-электродов, легированных CuO [98], наноструктурированных перовскитов, таких как LaFeO ₃ [99], более чувствительных и стабильная версия с Pt, легированным LaFeO ₃ [100], или тонкими пленками электродов NiO [101, 102].

4.3. Наноматериалы в электролитах

Высокая температура работы (около 850 K) классических потенциометрических ионопроводящих сенсоров является одним из их основных ограничений.Цель повышения проводимости и снижения этой температуры стимулировала исследования альтернатив традиционной объемной керамике YSZ. Хотя увеличение легирования Y ₂ O ₃ в ZrO ₂ может показаться простым способом повышения ионной проводимости (из-за большего количества кислородных вакансий) керамики, это влияет на свойства структурной стабильности. Основным преимуществом использования объемного YSZ в кислородных датчиках является то, что порошки имеют высокую чистоту и однородный размер частиц, и это помогает прогнозировать свойства датчика, поскольку размер зерна после спекания может быть оценен.Однако наноматериалы обеспечили некоторые интересные улучшения.

Было проведено несколько исследований по синтезу наночастиц YSZ, некоторые из них имели относительно высокий разброс по размерам зерен [103–105]. Путем сравнения проводимости и микроструктуры монокристаллического, микрокристаллического и нанокристаллического YSZ было подтверждено, что сопротивление границ зерен является основным вкладом в общее сопротивление нанокристаллического YSZ и других керамических ионных проводников [106–109].Kosacki et al. [110] исследовали и смоделировали полную электропроводность нанокристаллических тонких пленок YSZ с контролируемыми размерами зерен в диапазоне 1–400 нм и обнаружили увеличение энергии активации ионной проводимости (0,93 эВ в нанокристаллическом YSZ перед 1,23 эВ. в микрокристаллическом YSZ). Также было обнаружено небольшое увеличение нежелательной электронной проводимости при очень низких парциальных давлениях кислорода (ниже 10 ^-20 атм).

Другой эксперимент с тонкими пленками YSZ был проведен [111] путем эпитаксиального выращивания нанокристаллов 10 мол.% Y ₂ O ₃ -легированный ZrO ₂ на подложке MgO, создавая тонкие пленки YSZ разной толщины.Изучены различия в проводимости и энергиях активации. Эквивалентные схемы, приспособленные для измерений методом импедансной спектроскопии, наряду с моделями проводимости в двухфазных материалах [112], были применены для разделения проводимости YSZ / MgO поверхность / граница раздела и решетки YSZ. В результате и в соответствии с применяемой моделью двухфазных материалов был интерпретирован наноразмерный эффект с исключительно высокой ионной проводимостью при толщине менее 60 нм, с ионной проводимостью в 1000 раз выше, чем в объемном YSZ, и энергией активации 0.45 эВ.

Гарсия-Санчес и др. [113] работали над наноструктурированными тонкими пленками YSZ для твердооксидных топливных элементов, хотя результаты вполне применимы к электрохимическим сенсорам. Энергия активации 0,79 эВ была достигнута для ионной проводимости через границы зерен, что увеличило общую проводимость материала до 0,033 См / см при 923 К. Наноструктурированный YSZ был получен с помощью пиролиза ультразвуковым распылением, и соответствующие изменения в размерах зерен были наблюдается с точки зрения времени осаждения и температуры.

Чжу и Фань [114] сосредоточили внимание на последствиях температуры спекания керамики при использовании наночастиц YSZ. Было обнаружено, что нанопорошки YSZ с 8 мол.% Со средним размером зерен 9 нм могут быть полностью уплотнены после спекания 1300 K в течение 24 часов, что значительно ниже, чем обычные 1650-1750 K для микрометрического порошка YSZ.

Наноструктурированные ионопроводящие твердые электролиты заявлены для возможных приложений измерения кислорода. Ядав и Ху [115] наблюдали увеличение на порядок ионной проводимости кислорода в ячейке Ag / YSZ / Ag, подвергнутой воздействию двух отдельных атмосфер, содержащих кислород и азот.Проводимости микроструктурированного и наноструктурированного YSZ были извлечены из спектров импеданса и сопоставлены. В других патентах заявлены аналогичные наноструктурированные электролиты для сенсорных устройств [116–118], среди других приложений, таких как топливные элементы или кислородные насосы.

Хотя это не совсем тонкая пленка YSZ для электрохимических газовых сенсоров, интересно прокомментировать работы Димитрова и Душкина [119] о тонких пленках YSZ с наночастицами Pt для резистивного детектирования O ₂ как альтернативного метода определения кислорода. зондирование с помощью наноматериалов.Тонкие пленки чистого YSZ и пленки YSZ с наночастицами Pt были приготовлены методом распылительного пиролиза, а также путем нанесения покрытия на подложку погружением. Электрическое сопротивление измерялось в образцах при воздействии нескольких циклов кислорода и азота. Хотя образец чистого YSZ показал более высокую чувствительность к кислороду при 1075 К, образец Pt-YSZ имел более быстрое время отклика, и отклик был относительно стабильным со временем. Более низкое сопротивление в случае образца Pt-YSZ объясняется наличием металла.

Позже, соединения, состоящие из YSZ в контакте с YSZ со встроенными наночастицами Pt, были приготовлены, исследованы и испытаны в качестве электрохимических сенсоров [120, 121]. Сравнивались различные загрузки платины, и были обнаружены реакции Нернстана при воздействии 0,9% O ₂ в N ₂ для загрузки наночастиц Pt 2,5% моль и 6,5% моль в YSZ.

5. Выводы

Рассмотрены модели поведения потенциометрических кислородных датчиков на основе YSZ. Классические модели, основанные на скоростях реакций и скоростях адсорбции различных газовых частиц на трехфазных границах, по-прежнему полезны для понимания общих принципов работы датчиков.Электрические модели, оснащенные импедансной спектроскопией, кажутся мощным инструментом для извлечения информации о явлениях в электродах и электролитах. Использование наноматериалов в этих устройствах показало многообещающие улучшения для модификации смешанных потенциалов для повышения селективности по газу, снижения энергии активации ионной проводимости или предотвращения сужения тока на границах раздела электрод / электролит. Тем не менее, они по-прежнему необходимы для реализации преимуществ наноматериалов в промышленных сенсорах, поскольку возникают проблемы с повторяемостью измерений, зависимостью от экспериментальных условий, контролем размеров частиц и пространственно когерентными сетками электронопроводящих контактов в электродах. быть решенным.

Принцип работы кислородного датчика и ультразвукового датчика выхлопных газов — Знание

Принцип работы кислородного датчика и ультразвукового датчика выхлопных газов

-26 мая 2019 г.-

На автомобиле установлены два кислородных датчика, один за выпускным коллектором, а другой за трехкомпонентным катализатором. Мы привыкли называть это передним кислородным датчиком и задним кислородным датчиком.

Передний датчик кислорода

Передний датчик кислорода, также известный как датчик воздушно-топливного отношения, подает сигнал в ЭБУ для корректировки количества впрыскиваемого топлива.Расположенный за выпускным коллектором, отработавший газ после сгорания цилиндра достигает переднего кислородного датчика. Когда бензиновый двигатель работает, ЭБУ использует расходомер воздуха и датчик давления на впуске для всестороннего определения количества всасываемого воздуха. Однако в регуляторе количества всасываемого воздуха должна быть ошибка. Как проверить, в норме ли соотношение воздух-топливо? То есть для определения концентрации кислорода в выхлопных газах, если концентрация кислорода слишком высока. Это показывает, что бензина слишком мало и кислород не расходуется полностью.Если концентрация кислорода в выхлопных газах слишком низкая, впрыск слишком сильный и кислорода недостаточно. ЭБУ полагается на сигнал от переднего кислородного датчика для корректировки количества впрыскиваемого топлива. На картинке выше показан передний кислородный датчик. Как правило, мы можем открыть капот и увидеть его сбоку от выхлопной трубы.

Задний кислородный датчик

Дополнительный кислородный датчик используется для оценки очищающего эффекта трехкомпонентного катализатора.Поскольку выхлопные газы попадают в трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, вредные вещества в выхлопных газах будут каталитически окисляться до безвредных веществ при высокой температуре. Этот процесс должен потреблять определенное количество кислорода, поэтому концентрация кислорода будет уменьшаться после того, как выхлопные газы пройдут через трехкомпонентный катализатор, если датчик кислорода обнаружит, что концентрация кислорода меньше данных, обнаруженных передним датчиком кислорода, который указывает на то, что трехкомпонентный катализатор работает правильно.Если данные переднего и заднего кислородных датчиков совпадают, это означает, что трехкомпонентный каталитический нейтрализатор не выполняет роль очистки выхлопных газов, и в это время будет гореть индикатор неисправности двигателя.

Часто говорят, что в автомобиле нет топлива и заменен кислородный датчик. На самом деле это очень одностороннее заявление. Прежде всего, причин расхода топлива много, а не только проблема кислородных датчиков. Во-вторых, срок службы самого кислородного датчика очень большой, и его легко повредить.Обычная неисправность кислородного датчика — это в основном загрязнение. Например, если содержание кремния в бензине превышает норму, образуются белые отложения на поверхности датчика кислорода и используется ферроценовый антидетонационный агент. Бензин вызывает красные отложения на поверхности датчика кислорода. Если двигатель не прогорел, на поверхности датчика кислорода будет образовываться черный углерод. Когда ЭБУ считает, что сигнал датчика кислорода ненормальный, сигнал датчика кислорода не принимается.Чтобы гарантировать, что динамический впрыск топлива будет смещенным. Толстая, поэтому расход топлива увеличится. Однако в это время будет гореть индикатор неисправности двигателя. Обычно его нужно только очистить.

Кроме того, для измерения расхода выхлопных газов автомобилей можно использовать ультразвуковой датчик расхода газа.

Работа и применение датчика кислорода

В настоящее время автомобильными двигателями можно управлять с помощью датчиков различных типов. Эти датчики контролируют производительность и выбросы двигателя.Когда датчик не предоставляет точные данные, возникает множество проблем, таких как управляемость, увеличение расхода топлива и сбой в выбросах. Одним из основных датчиков, используемых в автомобилях, является датчик кислорода, химическая формула которого — o2. Первый кислородный датчик был изобретен в 1976 году в автомобиле Volvo 240. В 1980 году автомобили в Калифорнии использовали эти датчики для снижения выбросов.

Что такое кислородный датчик?
Датчик кислорода — это один из типов датчиков, который используется в выхлопной системе автомобиля.Размер и форма этого датчика похожи на свечу зажигания. В зависимости от расположения по отношению к каталитическому нейтрализатору этот датчик может быть расположен до (перед) или после (после) преобразователя. Большинство автомобилей, спроектированных после 1990 года, включают датчики o2 на входе и выходе.

Датчики кислорода, используемые в автомобилях: один датчик расположен перед каталитическим нейтрализатором, а другой — в каждом выпускном коллекторе автомобиля. Но максимальное количество этих датчиков в автомобиле во многом зависит от двигателя, модели, года выпуска.Но в большинстве автомобилей есть 4 датчика.

Принцип работы
Принцип работы датчика o2 заключается в проверке количества кислорода в выхлопных газах. Во-первых, этот кислород был добавлен в топливо для хорошего воспламенения. Связь этого датчика может осуществляться с помощью сигнала напряжения. Таким образом, кислородный статус в выхлопе будет определяться компьютером автомобиля.

Компьютер регулирует смесь топлива или кислорода, подаваемую в двигатель автомобиля. Расположение датчика до и после каталитического нейтрализатора позволяет поддерживать гигиену выхлопных газов и проверять эффективность преобразователя.

Типы кислородных датчиков
Кислородные датчики подразделяются на два: бинарные выхлопные газы и универсальные выхлопные газы.

1). Двоичный датчик кислорода в выхлопных газах
Двоичный датчик выдает изменение электрического напряжения при температуре 350 ° C в зависимости от уровня кислорода в выхлопных газах. Он сравнивает остаточное содержание кислорода в выхлопных газах с уровнем кислорода в окружающем воздухе и распознает переход от недостатка воздуха к избытку воздуха и наоборот.

2). Universal Exhaust Gas
Этот датчик очень точен при расчете соотношений недостатка и избытка воздуха или топлива. Он имеет лучший расчетный диапазон и также подходит для использования в бензиновых и дизельных двигателях.

Признаки неисправности датчика
Неисправный датчик можно определить по следующим признакам.

Анализатор электрохимических ячеек превосходит анализ выбросов
Расход топлива может быть уменьшен.
Лампа двигателя не горит.
Плохая работа, глохнет и грубая работа на холостом ходу.
Средство проверки кода, распознающее сбой датчика
Приложения
Сферы применения кислородных датчиков включают судовое дыхание, мониторинг быстрой реакции, лабораторные исследования и разработки, мониторинг топливного бака, особые углеводородные среды, мониторинг долгосрочных процедур, ферментацию, упаковку пищевых продуктов и напитков, фармацевтику & Medical и др.

Итак, это все о кислородном датчике. Эти датчики доступны в двух вариантах: датчик имбирного типа и планарный датчик.Вот вам вопрос, в чем преимущества кислородного датчика?

Глубоководный датчик растворенного кислорода (DO)

• Надежные, высококачественные гальванические датчики растворенного кислорода
• Для работы на глубине 6000 м
• Интеграция с существующей системой CTD, AUV или аналогичной подводной системой
• Измерение DO, EC, температуры и глубины воды с помощью одного сенсорного устройства
• Откалиброванный, не требующий обслуживания, датчик научного уровня

доступные модели

ES-O2-DW: Измерение только DO

ES-O2-CTD: Измерение DO, EC, температуры и глубины с помощью одного сенсорного устройства

Этот покрытый мембраной датчик растворенного кислорода был разработан, прежде всего, для длительного мониторинга, а также для медленного профилирования.

Датчик O2 работает по амперометрическому принципу. Анод образован серебряной трубкой, контактирующей с галогенсодержащим электролитом внутри датчика. Катод представляет собой стеклянный корпус, в котором в качестве катода расположена платиновая проволока. На закругленном конце датчика расположен съемный кожух, которым удерживается газопроницаемая мембрана.

Датчик может использоваться в соленой воде, озерах и реках (пресной или заряженной воде).

Многожильный 4-жильный морской кабель используется для питания и сбора данных.В качестве источника тока для датчика используется источник питания 9 … 30 В постоянного тока. Датчик состоит из титановой напорной трубки, головки датчика кислорода со сменным электролитом и мембраной (для нескольких применений), крышки датчика и подводного соединителя из титана / неопрена (опционально со стопорными втулками). Гарантированное сопротивление давлению 2000 или 6000 дбар. Интегрированная электронная плата оснащена литиевой ячейкой для непрерывной поляризации датчика. Когда датчик подключен к внешнему источнику питания, постоянная поляризация датчика отключается встроенным переключателем.

Датчик кислорода был разработан для обеспечения различных характеристик в зависимости от используемых мембран. В датчике обычно используются две мембраны: внутренняя мембрана для измерения и внешняя мембрана для защиты.

подробнее

Основными принципами работы кислородного микродатчика являются диффузия кислорода через пористую мембрану, где молекулы кислорода подвергаются электрохимической реакции для создания электрического сигнала. Этот тип датчика также известен как гальванический датчик или микросенсор типа Кларка.

ES-O ₂ -SW работает за счет разницы парциального давления между измеряемой средой и внутри датчика. Кислород проходит через мембрану путем диффузии.

Мембрана проницаема только для газов, поэтому жидкости, ионы и твердые частицы не могут достичь внутреннего электролита сенсора. Внутри датчика находится буферный раствор и 3 электрода. Материалы электродов выбираются тщательно, чтобы реализовать самополяризацию для требуемого электрохимического восстановления кислорода на поверхности рабочего электрода.Таким образом, время ввода в эксплуатацию после включения существенно сокращается по сравнению с обычными амперометрическими датчиками.

Если теперь O ₂ проходит через мембрану, кислород переносится диффузией к рабочему электроду с последующим электрохимическим восстановлением O ₂ . Это вызывает ток, зависящий от парциального давления кислорода / концентрации кислорода в аналите. Наблюдаемый очень небольшой ток в диапазоне нескольких сотен пикоампер преобразуется в напряжение 0…5 Вольт (основной рабочий диапазон: 0 … 1500 мВ) во встроенном электронном устройстве датчика. Кроме того, ток в гальваническом датчике приводит к быстрому уменьшению аналита внутри датчика, что приводит к очень быстрому времени отклика. Это также наблюдается, если необходимо быстрое изменение уровней концентрации с высоких на очень низкие.

Все электрохимически работающие кислородные датчики должны быть объединены с датчиком температуры.

При заказе полной системы погружных датчиков измерение температуры и температурная коррекция сигнала датчика уже включены.Если требуются измерения в проточной системе, предлагаются специальные датчики температуры для интеграции в проточные ячейки.

При измерениях в открытых сосудах или мензурках в лаборатории заказчик должен сам проводить измерение температуры. Если заказан датчик с данными температурной компенсации, температурная коррекция сигнала очень проста с помощью коэффициента или для более точных измерений с помощью математической формулы.

.

No related posts.