Принцип работы датчика кислорода: Кислородный датчик (лямбда-зонд): устройство и принцип работы

Принцип работы лямбда зонда | Выхлоп-сервис

В современных системах управления впрыском топлива, едва ли не главную роль выполняет датчик содержания кислорода в выхлопных газах (Oxygen Sensor). Его часто называют лямбда-зонд или О2-датчик, иногда — датчик выхлопа. Задача лямбда-зонда состоит в том чтобы преобразовывать информацию о содержании кислорода в выхлопных газах в эл.сигнал, который, в свою очередь, считывается эл.блоком управления впрыском (ECU).

В современных двигателях оптимальной считается смесь с соотношением 14.7 частей воздуха к 1части топлива. Соотношение воздуха и топлива в составе топливной смеси определяется эл.блоком по полученным сигналам датчиков установленных на двигателе, качество же приготовленной смеси проверяется ECU по сигналам, введенного в обратную связь, датчика О2. При излишне обогащенной или обедненной топливной смеси, эл.блок корректирует ее приготовление с учетом показаний лямбда-зонда. датчик О2 выполняет в системе впрыска топлива одну из основных функций, работа двигателя во многом зависит от его исправного состояния.

Самыми важными условиями работоспособности датчика содержания кислорода в выхлопных газах являются:

1. Обеспечение герметичности выхлопного тракта и непосредственно места установки датчика. При замене вышедшего из строя датчика О2 следует смазывать его резьбу специальной токопроводной смазкой для предотвращения заклинивания резьбового соединения. Не стоит применять для этого стандартные смазки, т.к. они не являются токопроводными, а резьбовая часть датчика является для него эл.контактом. Некачественный контакт (или контакт с большим сопротивлением эл.току) приведет к неправильной работе
лямбда-зонда. В некоторых конструкциях предусмотрена установка герметизирующей шайбы. Чаще всего эти шайбы являются одноразовыми и при демонтаже датчика подлежат замене.

2. Считается недопустимым попадание на корпус датчика тормозной или охлаждающей жидкости и других реактивов. Не следует применять для очистки его поверхности какие-либо растворители и активные моющие средства.

3. В связи с малыми рабочими токами, должны быть обеспечены надлежащие контакты в разъемах соединений эл.цепи и проводки датчика О2.

4. Существенно снизить ресурс лямбда-зонда может применение топлива, в состав которого входит высокое содержание свинца (эт.бензин).

5. К выходу из строя датчика может привести перегрев его корпуса. Перегрев может произойти из-за неправильно установленного угла опережения зажигания или сильно переобогащенной топливной смеси. В свою очередь, топливная смесь может быть переобогащена из-за забитого воздушного фильтра, неисправного регулятора давления топлива в системе, неработающего датчика температуры охлаждающей жидкости и др.

Функционально лямбда-зонд работает, как переключатель и выдает напряжение выше порогового (0.45V) при низком содержании кислорода в выхлопных газах. При высоком уровне кислорода датчик О2 снижает это пороговое напряжение ECU. При этом, важным параметром является скорость переключения датчика. В большинстве систем впрыска топлива О2-датчик имеет выходное напряжение от 40–100мВ.

до 0.7–1В. Длительность фронта должна быть не более 120мСек. Следует отметить, что многие неисправности лямбда-зонда контроллерами не фиксируются и судить о его исправной работе можно только после
соответствующей проверки.

Проверку работоспособности датчика О2 лучше всего производить с помощью осциллографа. На Рис.3 показан сигнал нормально работающего лямбда-зонда на прогретом двигателе, работающего на ХХ.

  

На Рис.4 показан выходной сигнал еще работающего, но изрядно послужившего и практически забитого датчика О2. Данная осциллограмма зафиксировала падение амплитуды выходного сигнала ниже 0V, что говорит о неисправности датчика О2. Данная неисправность датчика чаще всего фиксируется системой самодиагностики и на приборной панели загорается лампочка «CHECK ENGINE», которая сигнализирует о неисправности.

На Рис.5 представлена наиболее распространенная «болезнь» датчиков содержания кислорода в выхлопных газах, которая выражена в замедленной его реакции. Время фронта сигнала (t) значительно превышает 120 мСек. Данная неисправность датчика неминуемо вызывает увеличенный расход топлива и заметное снижение динамики автомобиля, а система самодиагностики ее не зафиксирует, т.к. данный параметр не отслеживается контроллером.

Неисправности “замерзших» датчиков О2 не фиксируются контроллером, т.к.амплитудные значения сигналов не выходят из заданного для них диапазона. В большинстве систем впрыска топлива неисправности датчиков могут быть зафиксированы только при выходе их сигнала из этого заданного диапазона. Чаще всего это 0–1В.

Таким образом,однозначно фиксируется только полное отсутствие сигнала и его минусовое значение, в этих случаях ошибка индицируется лампой «CHECK ENGINE». Однако, следует заметить, что в некоторых ECU предусмотрена возможность диагностики и обнаружения неисправности по косвенным признакам (соотношение показаний датчика скорости автомобиля или датчика положения коленвала, датчика положения дроссельной заслонки, расходомера воздуха и др. ). В этих случаях индикация «СЕ» может быть включена.

При обнаружении неисправности О2-датчика, контроллер переходит в режим управления впрыском по усредненным параметрам и завышает обогащение

Ресурс датчика содержания кислорода в выхлопных газах обычно составляет от 30 до 70 тыс.км. и в значительной степени зависит от условий эксплуатации. Дольше служат, как правило, датчики с подогревом. Рабочая температура для них обычно 315–320ёC. В конструкцию этих датчиков включен нагревающий элемент, имеющий на разъеме свои контакты. Проверку работоспособности нагревательного элемента таких датчиков можно производить обычным омметром. Сопротивление их обычно составляет от 3 до 15 Ом.

Демонтаж неисправного лямбда-зонда следует производить при температуре двигателя около 50ёC, в противном случае, из-за заклинивания, велик риск сорвать резьбу. Перед тем, как приступать к демонтажу, необходимо при выключенном зажигании отсоединить разъем датчика. На некоторых автомобилях, чтобы снять датчик О2, необходимо демонтировать защитный кожух выпускного тракта. Признаком неисправного лямбда-зонда может служить повышение расхода топлива и ухудшение динамики автомобиля, при этом возможен неустойчивый холостой ход двигателя.

В большинстве своем, сходные по конструкции датчики являются взаимозаменяемыми. Возможна и замена неподогреваемых на подогреваемые О2 (обратную замену я не рекомендую). Однако часто возникает проблема несовместимости разъемов и отсутствие дополнительных проводов питания для подогревающего элемента. При этих заменах можно самостоятельно проложить дополнительные провода и подключить подогреватель к реле зажигания или реле эл.бензонасоса. При этом следует учитывать, что ток потребления подогревателя может составлять до 8–12А. Если есть возможность, лучше эту цепь подключить через дополнительное реле и предохранитель, как показано на Рис.9.

На рис. показана схематика разъемов, которые чаще всего встречаются с распространенными датчиками содержания кислорода в выхлопных газах. Цветовая маркировка проводов, разъемов (и их конструкция) могут различаться и зависят от предприятия (фирмы) изготовителя конкретного датчика или автомобиля. Однако замечено, что сигнальный провод О2 чаще бывает более темного цвета, чем его подогревателя. Цветовая маркировка проводов подогревателя датчика, чаще всего бывает одноцветной (часто белого цвета), но отличной от сигнального провода.

В заключение хочу отметить, что датчик содержания кислорода в выхлопных газах устанавливается, как правило, в паре с катализатором. Многие автовладельцы считают, что они взаимосвязаны функционально и могут работать только в паре. Однако это не совсем так. В большинстве автомобилей лямбда-зонд установлен на выхлопном тракте до катализатора. В этом случае катализатор не может влиять на работу датчика, хотя обратная зависимость есть и заключается в том,чтобы система впрыска топлива регулировала топливную смесь не переобогащая ее, таким образом продляя срок службы катализатора.

Некоторые автовладельцы самостоятельно заменяют вышедший из строя катализатор на резонатор и отключают лямбда-зонд. В этом случае ECU работает по усредненным значениям и не может обеспечить оптимального приготовления состава топливной смеси.

Кроме того, добиться низкого уровня содержания СО в выхлопных газах на таких автомобилях бывает весьма проблематично. Часто в этих случаях после отклю чения аккумулятора работа двигателя становится неустойчивой и не всегда оптимизируется даже после значительного пробега автомобиля, т.к. не во всех ECU есть система коррекции режимов сохраняемых в оперативной памяти и, при отключении питания, ECU теряет эти значения. Восстановление этих значений порой может быть дороже стоимости нового катализатора вместе с О2.

Бесконтрольность датчика О2 может привести к его полному разрушению, а ведь его основу составляют керамические пластины. Самым серьезным следствием отключенного лямбда-зонда может стать вышедший из строя двигатель, т.к. на многих автомобилях из-за подрастянувшегося ремня ГРМ (и не только) могут не плотно быть закрыты выпускные клапана в начале обратного хода поршня. В этот момент очень велик риск попадания керамики в камеру сгорания, а чем это грозит догадаться не трудно.

Если вы решили заменить катализатор на резонатор или просто его удалить, не стоит отключать лямбда-зонд, а если и он вышел из строя, то установите новый датчик. В автомобилях где лямбда-зонд установлен на катализаторе, дело обстоит еще сложнее, т.к. О2 контролирует уже очищенный выхлоп. В этом случае, если удален катализатор (даже если сохранен О2), добиться оптимальной работы двигателя бывает достаточно трудно, т.к. программа ECU может быть не рассчитана на более «грязный» выхлоп и часто воспринимает
это как неисправность лямбда-зонда.

Настоятельно рекомендую проверять работу датчика содержания кислорода в выхлопных газах не реже одного раза через каждые 5000–10000 км. пробега автомобиля. Решением данной проблемы контроля может стать установленный на приборной панели индикатор работы лямбда-зонда.

Vladimir Kalinovsky
Corsa Automotive

2307 McDonald Ave
Brooklyn, NY 11223
(718) 998–0770
fax (718) 627–7312
Внимание! Проверку работы датчика содержания кислорода в выхлопных газах следует проводить на прогретом двигателе и частоте вращения коленвала на оборотах обычного Х.Х.+1200. Щуп осциллографа необходимо подключать к сигнальному проводу О2 не отключая датчик от контроллера.

Отключить диагностические лямбда зонды, что избавит от необходимости их менять, можно с помощью чип тюнинга. Это позволит полностью удалить каталитический нейтрализатор.

Принцип работы датчика Лямбда зонд

Любознательные автолюбители давно уже слышали о таких системах, как антиблокировочная тормозная система (ABS) или стабилизация курсовой устойчивости (ESP), да и о других тоже. Сегодня поговорим о датчике Лямбда зонд, рассмотрим принцип работы датчика Лямбда зонд, узнаем для чего надо датчик Лямбда зонд, за что он отвечает и так далее.

С каждым годом человечество все больше задумывается о сохранении окружающей среды, ведь не мало было упущено в прошлом, надо подумать и о будущем. Узаконивание жестких экологических норм относительно автомобилей, привело к разработке и применению новых устройств, таких как каталитические нейтрализаторы.

Каталитический нейтрализатор

 

Каталитический нейтрализатор – это устройство, назначение которого является снижение вредных выбросов в окружающую среду. Катализатор очень полезная вещь, только для его корректной работы следует соблюдать некоторые условия. Огромное влияние на работу катализатора оказывает состав топливно-воздушной смеси. Именно от качества топливно-воздушной смеси и зависит ресурс работы катализатора. Поэтому и был разработан датчик Лямбда зонд, который отвечает за контроль состава этой же топливно-воздушной смеси. В просто народе его называют датчик кислорода.

Что такое Лямбда зонд икак выглядит датчик Лямбда зонд?

Не секрет, что свое название датчик получил от обозначения коэффициента избытка воздуха, который обозначается греческой буквой Лямбда. Лямбда зонд применяется для измерения состава отработавших газов и содействует в дальнейшем для поддержания оптимального состава смеси топлива и воздуха. Оптимальное соотношение топливно-воздушной смеси обеспечит качественное сгорание, что уменьшит выброс вредных веществ в атмосферу.

Оптимальный состав топливно-воздушной смеси это когда на 14,7 частей воздуха приходится 1 часть топлива, при этом Лямбда равняется одному. На старых советских двигателях такого сложно было добиться. А в современных автомобилях для этого используют системы питания с электронным впрыском топлива, которая взаимодействует с датчиком Лямбда-зонд.

Как измеряется избыток воздуха в топливно-воздушной смеси?

Избыток воздуха в топливно-воздушной смеси измеряется путем определения в отработавших газах содержания остаточного кислорода (О₂). Этим объясняется и расположение датчика в выпускном коллекторе непосредственно перед катализатором.

Для считывания сигнала с Лямбда датчика используется электронный блок управления системы впрыска топлива (ЭБУ), который отвечает за оптимизацию состава топливно-воздушной смеси, то уменьшая, то увеличивая подачу топлива в цилиндры двигателя.

Некоторые производители автомобилей пошли еще дальше, и начали устанавливать по два Лямбда датчика в выхлопной системе, перед катализатором и после него. Два датчика Лямбда устанавливали для того, чтобы увеличить точность приготовления горючей смеси и улучшить работу катализатора.

Принцип работы лямбда-зонда

Схема датчика кислорода лямбда зонда на основе диоксида циркония: 1 – твердый электролит; 2, 3 – наружный и внутренний электроды; 4 – контакт заземления; 5 – сигнальный контакт; 6 – выхлопная труба.

Наиболее качественное измерение выхлопных газов Лямбда датчиком обеспечивается при температуре 300-400 градусов Цельсия. При такой температуре Циркониевый электролит становиться более проводимым, вследствие чего на электродах датчика появляются выходное напряжение.

Поэтому при запуске и прогреве двигателя датчик не используется. На этих режимах работы двигателя контроль качества топливно-воздушной смеси осуществляют датчики положения дроссельной заслонки, датчик температуры охлаждающей жидкости, датчик количества оборотов коленчатого вала.

На схеме представлена зависимость напряжения лямбда-зонда от коэффициента избытка воздуха при 500-800°С температуре датчика.

Для качественной работы датчика при низких температурах применяют принудительные нагревательные элементы.

Что будет если не работает датчик Лямбда?

Если не работает датчик лямбда зонд, тогда ЭБУ выбирает средние параметры работы, считывая данные с своей памяти. Параметры топливно-воздушной смеси будут разниться от идеальной.

К чему приведет поломка Лямбда датчика?

Поломка Лямбда датчика приведет к повышению расхода топлива, на холостом ходу двигатель будет работать неравномерно, в выхлопных газах будет содержаться повышенный уровень СО, упадет мощность двигателя, но автомобиль будет на ходу.

Самому проверить Лямбда датчик достаточно сложно, поэтому лучше проконсультироваться с специалистами.

Какой срок службы Лямбда датчика?

Срок службы Лямбда датчика зависит от качества заливаемого топлива. Бывает так, что достаточно нескольких заправок некачественным бензином и датчик приходит в негодность. Средний срок службы Лямбда датчика составляет от 40 до 80 тыс. км пробега.

зонд — утсройство и принцип работы датчика кислорода

Для полного сгорания топливо-воздушной смеси в камере сгорания двигателя, необходимо точное соотношение топлива, впрыскиваемого форсункой, и порции воздуха, поступившего в цилиндр. При таком точно дозированном составе, происходит наиболее полное сгорание топлива и выделяется наименьшее количество вредных выхлопов. Такое соотношение называется стехиометрическим. Для определения доли кислорода в отработавших газах используется кислородный датчик или лямбда-зонд.

Содержание статьи:

Принцип работы кислородного датчика

Электронный блок управления работой двигателя (ЭБУД) дозирует количество топлива, впрыскиваемого топливными форсунками в камеру сгорания двигателя.  Датчик кислорода (или лямбда-зонд) является своеобразной обратной связью, с помощью которой электронная система управления дозирует впрыскиваемое топливо,  доводя горючую смесь до стехиометрически правильной, т.е. оптимально подготовленной для воспламенения и полного сгорания в цилиндрах двигателя.  Правильное дозирование топлива важно не только с экономической но и с экологической точки зрения.

В современных автомобилях устанавливаются и повсеместно используются каталитические нейтрализаторы. В них происходит молекулярное изменение выхлопных газов, которое снижает их вредность.

Кислородные датчики устанавливаются до и после катализатора. Общее их число достигает четырех, в случае V-образного двигателя, в котором есть два выпускных коллектора и соответственно два катализатора.

Обязательное наличие каталитических нейтрализаторов и  лямбда-зондов обусловлено высокими экологическими требованиями к автомобильным выхлопам.

Датчики кислорода состоят из внешнего и внутреннего электрода. Внешний электрод имеет платиновое напыление и чувствителен к молекулам кислорода, а внутренний электрод изготовлен из циркониевого сплава. При прохождении кислорода, изменяется потенциал между выводами электродов, чем больше кислорода, тем выше потенциал.
Особенность циркониевого сплава в том, что его рабочая температура находится в пределах 300-1000 градусов. Поэтому, современные лямбда-зонды оснащены электрическими подогревателями. Подогреватель выполнен в виде спирали, который доводит температуру кислородного датчика до рабочей при холодном запуске.

Признаки и причины неисправности лямбда-зонда

Можно выделить несколько признаков неисправной работы датчика кислорода:

• Некоторое увеличение расхода топлива;
• Повышение токсичности выхлопа автомобиля;
• Появление на панели управления аварийного знака «check engine» во многих случаях говорит именно о неисправности или не корректной работе лямбда-зонда.

Основными причинами неисправности кислородных датчиков являются:

1.    Механическая неисправность
Неисправность проводки лямбда-зонда или обмотки обогрева;
Разрушения корпуса датчика.
Эти неисправности решаются заменой датчика.

2.    Ненадлежащее качество топлива
При некачественном горючем, на поверхности внешнего электрода датчика кислорода откладывается свинец в виде блестящих вкраплений. Этот слой снижает чувствительность внешнего электрода к кислороду и снижает эффективность его работы в целом.

3.    Неисправность в топливной системе двигателя
Со временем  , из за отложения кокса в соплах топливных форсунок, запорная игла форсунки начинает  не полностью перекрывать канал и в камеру сгорания цилиндров двигателя подается избыточное количество топлива. По той же причине, вместо образования облака топливной смеси, форсунка попросту льет топливо, что в результате приводит к эффекту не полного сгорания.  В камеру сгорания впрыскивается  «богатая» топливная смесь, которая не успевает сгореть во время такта воспламенения. По этой причине выделяется избыточное количество угарного газа. Он оседает на поверхности внешнего электрода лямбда-зонда в виде сажи. Аналогично с предыдущим пунктом, сажа является причиной некорректной работы кислородного датчика.

Для проверки системы катализации используется специальное диагностическое оборудование. С помощью него определяют работоспособность системы. На заведенном двигателе измеряются значения сопротивления между выводами, характеристики подогрева зондов и их изменения на разных оборотах двигателя. Полученные данные сравниваются со спецификацией. Таким образом, диагностический сканер анализирует динамические характеристики работы лямбда-зондов и эффективность работы катализатора.

Диагностика. Датчики кислорода. Горный воздух — журнал За рулем

Диагностика. Датчики кислорода. Горный воздух

СО — окись углерода, угарный газ; СН — несгоревшие углеводороды; NOх — окислы азота. Инженеры противопоставили этой опасной троице очень важное устройство, входящее в систему выпуска, — каталитический нейтрализатор отработавших газов. Иначе говоря, газы, пройдя через это устройство, из агрессивно-токсичных превращаются в сравнительно безопасные, нейтральные. Чтобы нейтрализатор мог эффективно «облагораживать» поступающие в него газы, содержание каждого компонента в них должно укладываться в довольно узкие рамки, соответствующие сгоранию в цилиндрах стехиометрической рабочей смеси топлива и воздуха. Напомним, что ее состав характеризуется так называемым коэффициентом избытка воздуха l (иногда — в советской литературе, например, — вместо l писали другую греческую букву — a). Если l больше 1,0 — смесь обедненная, бедная и т.д. И наоборот — смесь с l меньше 1,0 — обогащенная, богатая и т.д. Если воздуха ровно столько, сколько требуется для полного сгорания топлива, смесь называют стехиометрической — на рис. 1 это область значений l вблизи 1,0.

Но как обеспечить столь высокую точность и одновременно стабильность топливодозирования? Известно, что карбюраторные моторы при всей их простоте по этому пункту не проходят.

Цель была достигнута с появлением электронной системы автоматического регулирования с датчиком кислорода в отработавших газах — по-другому, лямбда-зондом. Этот датчик — важнейший элемент обратной связи в системе топливодозирования на современных автомобилях, позволяющей поддерживать стехиометрический состав на установившихся режимах работы двигателя с точностью до ±1%.

 

На современных европейских автомобилях чаще всего можно увидеть датчики кислорода двух типов. К первому отнесем датчики на основе диоксида циркония (циркониевые), ко второму — датчики на основе оксида титана (титановые). Циркониевый зонд показан схематично на рис. 2. Измерительный элемент, помещенный в поток отработавших газов, генерирует ЭДС, зависящую от их состава. Эту зависимость иллюстрирует рис. 3 — она имеет «триггерный» характер. Иначе говоря, ЭДС зонда чрезвычайно резко меняется вблизи значения l=1,0 рабочей смеси в цилиндре двигателя, реагируя даже на очень слабые колебания состава в сторону обогащения или обеднения. Собственно измерительный элемент — это трубочка с одним закрытым концом (пальчиковый тип — см. рис. 2) или пластинка (планарный тип). Принцип работы один, разница только в конструкции — в дальнейшем, чтобы не путаться,

Всё, что нужно знать про лямбда-зонд

14 марта 2016

Как и в любой сложной системе, от которой требуется точная и бесперебойная работа, автомобиль оснащается различными датчиками и контрольными точками. Цель этого подхода ясна: при отказе одного узла остальные начинают сбоить, и нужно сразу видеть неисправность, чтобы вовремя устранить и ее, и возможные последствия. Одной из таких контрольных точек является датчик кислорода или лямбда-зонд, служащий для контроля за работой двигателя.

 

Назначение

Лямбда-зонд показывает концентрацию остаточного (несгоревшего) кислорода в выхлопе автомобиля.

Чтобы полностью сжечь один литр бензина требуется 14,7 кг воздуха (±0,1 кг). Это соотношение фактического к необходимому объему воздуха называют стехиометрическим или λ=1. При недостаточном количестве воздуха значение будет λ<1 (переобогащенная смесь), а при избыточном λ>1 (обедненная смесь). При недостатке кислорода топливо не будет полностью сгорать, то есть вместо углекислого газа СО₂ в выхлопе будет содержаться ядовитый угарный газ СО. Это, так сказать, экологические последствия недостатка воздуха для двигателя. Есть и технические: хуже сгорает топливо – меньше мощность мотора, быстрей выходят из строя детали и компоненты двигателя. При переобогащенной топливной часть несгоревшего бензина будет попадать в выхлопную систему.

Избыток воздуха (обедненная смесь) чреват сгоранием топлива с превышением нормативной температуры, что опасно повреждением поршней, свечей зажигания, клапанов, и опять-таки снижением мощности двигателя. А ядовитый оксид азота NO_х при избытке кислорода не разлагается на безопасный азот N и кислород O_х.

Еще одной деталью, зависящей от правильно оптимального сгорания топлива, является катализатор (каталитический нейтрализатор выхлопных газов). Чем лучше сбалансирована подача топлива и воздуха, тем меньше на него нагрузка, а значит, он дольше прослужит. Стоимость катализатора сегодня стартует от 200$.

Регулировка соотношения топлива и поступающего воздуха осуществляется изменением продолжительности впрыска топливных форсунок. Этим процессом управляет ЭБУ (электронный блок управления), получающий сигнал от датчика.

Итак, лямбда-зонд предназначен для анализа количества остаточного кислорода в выхлопе двигателя. Затем в соответствии с его показаниями происходит подстройка инжекторной системы для получения идеальной насыщенности топливно-воздушной смеси.

 

Система обратной связи

Электроника, управляющая работой мотора, настраивается нп оптимальные параметры работы еще на конвейере. Но условия работы автомобиля всегда отличаются от идеальных (европейских, азиатских или американских). Да и в процессе эксплуатации двигатель постепенно изнашивается, а значит, необходимо контролировать и корректировать его работу. Эту функцию и выполняет лямбда-зонд в паре с ЭБУ: снятие показаний содержимого выхлопной трубы и на их основании коррекция поступающего в двигатель количества топлива. Обратная связь действует как на бензиновых инжекторных, так и на современных дизельных двигателях: в обоих случаях без нормально работающей лямбды система не сможет оптимально рассчитать расход топлива.

 

Конструкция лямбда-зонда

Конструкция датчика:

1. Металлический корпус с резьбой и гайкой под ключ. 2. Уплотнительное кольцо.

3. Токосъемник электрического сигнала. 4. Керамический изолятор.

5. Провода. 6. Уплотнительная манжета проводов. 7. Контакт подогрева.

8. Наружный защитный корпус с отверстием для воздуха. 9. Подогрев.

10. Керамический наконечник. 11. Защитный экран с отверстиями.

Главным конструктивным элементом датчика является пустотелый керамический наконечник из оксида циркония, внутри и снаружи которого нанесено пористое платиновое покрытие (внутренний и наружный электроды). При нагреве до 300-350^оС керамика приобретает свойства диэлектрика, проводящего сигналы от наружного электрода на внутренний, возникающие при разности соотношения кислорода и выхлопных газов внутри и снаружи системы выхлопа.

 

Принцип работы

Циркониевая керамика при нагреве приобретает свойства проводника: ионы кислорода проходят от одного электрода к другому, от области с большей концентрацией кислорода (атмосферы) в область с меньшей концентрацией (выхлоп). Создается электрический ток, сила которого напрямую зависит от плотности кислорода с одной и другой стороны. Этот показатель фиксируется, подается на ЭБУ, который, в свою очередь, регулирует продолжительность впрыска (подачи) топлива.

Для нормальной работы датчика его внутренний электрод и наружный должны быть надежно изолированы друг от друга, а погружная часть (которая располагается выпускной системе) – от атмосферного воздуха.

 

Место установки

В автомобилях устанавливается одна либо две лямбды.

Если конструкцией предусмотрен один датчик, то, в зависимости от того, есть в нем подогрев или нет, он ставится рядом с двигателем (для быстрого прогрева) или дальше, в более удобном месте.

Схема размещения датчика в системе выхлопа

Две лямбды устанавливаются на автомобили с каталитическим нейтрализатором, по обе стороны от него, и дают показания не только о работе двигателя, но и об эффективности работы самого катализатора. Если ставится пара датчиков, то на входе катализатора может находиться широкополосный, а на выходе – двухточечный, либо же оба двухточечные.

Схема установки двух датчиков кислорода: до и после катализатора

 

Лямбда-зонд в выхлопной трубе

 

Виды и конструкт

Показания лямбда-зонда. Устройство и принцип работы лямбда-зонда — RUUD

The content of the article:

Используются показания лямбда-зонда для корректировки качества и количества топливной смеси в инжекторных системах. Карбюраторные не оснащаются такими приборами, так как в них отсутствует электронное управление – топливо поступает в камеры сгорания под действием разрежения. Справедливости ради стоит отметить, что датчик выхлопа не устанавливается на некоторые модификации инжекторных моторов. Но это очень старые машины, которые не соответствуют стандартам Евро.

Особенности систем управления

You will be interested:How dangerous is the new coronavirus?

Инжекторные моторы считаются на сегодняшний день самыми экономичными и эффективными. Но это если сравнивать с карбюраторными двигателями. Достичь высоких показателей получается за счет того, что осуществляется полный контроль за тем, как подается топливо и воздух в камеры сгорания. Для этого устанавливается на двигателе и системе впуска несколько датчиков. С их помощью происходит проверка всех параметров работы силового агрегата. Далее данные поступают к электронному блоку управления с микроконтроллером. Он позволяет анализировать все данные, чтобы по ним скорректировать работу системы.

И нужно отметить, что устанавливаются датчики не только во впускном тракте, но и в выпускном. Правда, там всего один прибор – датчик, измеряющий содержание кислорода в выхлопных газах. От его работы зависит то, сколько воздуха будет подано в цилиндры. Следовательно, произойдет изменение состава топливо-воздушной смеси.

Конструкция датчика

А теперь давайте подробнее рассмотрим лямбда-зонд, что это такое и каков его состав. Конструкция прибора состоит из таких компонентов:

Корпус из металла, имеет резьбу и шестигранник (для выкручивания ключом).

Кольцо для уплотнения.

Токосъемник – для замера сигнала.

Изолятор из керамики.

Соединительные провода.

Уплотнительная манжета для проводов.

Контакт для подачи напряжения питания к нагревательному элементу.

Внешний экран защиты. В нем же имеется небольшое отверстие для поступления воздуха из атмосферы.

Чувствительная часть датчика.

Наконечник из керамики.

Экран для защиты. В нем присутствует отверстие, в которое поступает отработавший газ.

Из того, какое назначение у прибора, можно понять, где находится лямбда-зонд в автомобиле. В некоторых системах предусмотрено два датчика – они ставятся до и после катколлектора. Некоторые же оснащаются всего одним прибором.

Для чего нужен прибор?

В задачи устройства входит оценка количества кислорода, не сгоревшего во время работы двигателя. Но не все так просто, как кажется на первый взгляд. По сути, нет прибора, который смог бы измерить количество кислорода. И показания лямбда-зонда указывают не на то, сколько кислорода в выпускном тракте, а на то, какая разница между напряжением на «эталонной» части и активной (расположенной в выпускном тракте).

Эффективнее всего топливовоздушная смесь будет сгорать только при условии, что соотношение двух главных компонентов (воздуха и бензина) будет всегда одинаково. На сгорание одного литра бензина потребуется объем воздуха 14,7 л. Смесь называется обедненной, если количество воздуха больше, чем необходимо, а бензина – меньше. И смесь считается обогащенной, если бензина больше, а воздуха меньше. Любое из таких состояний влияет на расход бензина, приемистость автомобиля, мощность мотора.

Режимы работы двигателя

Так как двигатель не работает в одном установившемся режиме, нагрузки постоянно меняются, поэтому пропорция соблюдается далеко не всегда. Для контроля количества воздуха в дроссельную заслонку устанавливается лямбда-зонд.

Только по показаниям лямбда-зонда электронный микропроцессорный блок управления оценивает состав топливовоздушной смеси. Если качество не соответствует норме, то производится корректировка, подается смесь, более подходящая для конкретного режима работы двигателя. Для этого на форсунки подается сигнал для увеличения или уменьшения времени их открытия. По сути, количество подаваемого в камеры сгорания топлива зависит полностью от того, как долго будут открыты электроклапаны форсунок.

Основные элементы датчика

Конструктивно датчик О2 состоит из таких компонентов:

Платиновый наружный электрод, который контактирует с отработавшими газами.

Корпуса.

Внутреннего платинового электрода, который контактирует с атмосферным воздухом (он принимается за эталон).

Защитной трубы.

Платина – это достаточно чувствительный металл, который может реагировать на любые изменения состава воздуха. Кстати, нужно отметить, что датчик не измеряет напрямую количество кислорода в выпускном тракте. А какие протекают процессы при работе – узнаете далее.

Как работает датчик

Если присмотреться внимательно, то принцип работы лямбда-зонда не очень сложный. Вот только реализовать процесс, чтобы на выходе появились данные о составе выхлопных газов, очень сложно. Начать нужно с того, что датчику необходимо наличие эталонного воздуха – это требуется для «понимания» того, что появились какие-то изменения в составе газа. Именно по этой причине один датчик состоит, по сути, из двух – один измеряет состав воздуха в атмосфере, а другой в выпускном тракте.

Благодаря такой несложной системе датчик «чувствует» разницу соотношения кислорода. Но для того чтобы управлять работой двигателя, необходимо на ЭБУ подавать электрические сигналы. Конструкция датчика состоит из электродов и твердых электролитов, поэтому при воздействии на них возникает реакция. Можно даже сравнить лямбда зонд (что это, вы уже знаете) с обычной батарейкой. Только в качестве активного элемента выступает кислород, который содержится как в атмосферном воздухе, так и в выхлопных газах (правда, в меньшей пропорции).

Химические реакции в датчике

Если присмотреться внимательнее, то показания лямбда-зонда – это некоторое напряжение. Оно изменяется в зависимости от того, какое процентное содержание кислорода в выпускной системе. На двух электродах появляется потенциал. При уменьшении количества кислорода происходит увеличивается напряжение, при возрастании – снижается. Импульс, который появляется на выходе устройства, поступает к электронному блоку управления.

Микропроцессорный блок управления имеет встроенную память, в которой прописаны все основные параметры, в том числе и работы лямбда-зонда. Контроллер сравнивает записанные в памяти показания с теми, которые поступили от датчика, на основании чего производит корректировку работы системы впрыска топлива.

При работе используются химические реакции, что позволяет упростить конструкцию прибора. В основе находится наконечник из керамики. Как правило, его делают из диоксида циркония или титана. Покрывается наконечник слоем платины (именно поэтому стоимость датчиков высокая). Наконечник и напыление – это два элемента, которые вступают в реакцию, именно они являются электродами.

Подогрев датчика: зачем нужен?

Датчики в системах впрыска топлива используются двух типов – с подогревом и без. Приборы без дополнительного подогрева разделяются на два вида:

С одним проводом черного цвета – по нему передается сигнал.

С двумя проводами: черный – сигнальный, серый – масса (минус питания).

Если имеется нагревательный элемент, то датчики имеют такие выводы:

Три провода: черный – сигнальный, белые (2 шт.) – нагревательный элемент.

Четыре провода: черный – сигнал, серый – масса, белые – питание нагревательного элемента.

Зачем нужен прогрев датчика? Проблема в том, что произвести эффективный замер содержания кислорода можно только лишь в том случае, если температура более 300 градусов (иногда необходимо и сильнее прогревать). Только при такой температуре наконечник может получить необходимую проводимость.

Как работает система впрыска с датчиком

Для того чтобы обеспечить нужный режим работы, датчик ставится как можно ближе к коллектору выпускной системы. Благодаря этому осуществляется прогрев лямбда-зонда, датчик выходит на нормальный режим работы. Как можно видеть, в работе системы устройство не участвует до тех пор, покуда не произойдет прогрев двигателя.

До включения в работу датчика электронный блок управления ориентируется только на сигналы, поступающие от других приборов. Минус работы в таком режиме – невозможно достичь идеального образования топливовоздушной смеси. Следовательно, нельзя добиться полного сгорания смеси – это приводит к тому, что выбросы от автомобиля увеличиваются.

А так как современные машины должны соответствовать стандартам экологичности Евро (иначе их не выпустят ни на рынок, ни на дороги), приходится усложнять систему впрыска. Между прочим, это позволяет уменьшить расход топлива за счет того, что с помощью лямбда-зонда (цена его не менее 1500 руб) удается достичь полного сгорания всей смеси, поступившей во впускной тракт.

Подогрев устройства

Существуют модели датчиков, оснащенные нагревательными элементами. Благодаря такому несложному устройству получается быстрее достичь оптимальной температуры. Принцип работы лямбда-зонда на ВАЗ и иномарках одинаков, система подогрева позволяет выйти на рабочий режим в более короткие сроки. Следовательно, уменьшается количество вредных выхлопов. Это гарантирует, что автомобиль будет удовлетворять нормам экологичности, принятым в странах Европы. Питание нагревательного элемента производится непосредственно от бортовой сети машины.

Разновидности устройств

Существует несколько видов датчиков, отличаются они только по типу произведения замеров. Двухточечные – это датчики, которые позволяют осуществлять измерения одновременно в двух местах. Активно использовались в старых автомобилях. Более современные системы управления двигателями комплектуются широкополосными устройствами, которые являются более функциональными и современными.

По сути, широкополосные датчики состоят из двухточечного и заканчивающего керамического элемента. Суть работы не меняется – при увеличении или уменьшении концентрации кислорода происходит подача соответствующего сигнала на электронный блок управления.

Два датчика в системе

Большая часть современных автомобилей комплектуется не только лямбда-зондом (цена от 2000 руб и выше), но и каталитическим нейтрализатором. Это устройство, которое позволяет существенно уменьшить количество вредных веществ, поступающих в атмосферу. И в этом случае в выпускном тракте устанавливается сразу два датчика – на входе и выходе. По сути, они позволяют производить замер содержания кислорода и СО до и после нейтрализатора. Следовательно, таким образом оценивается эффективность работы всей системы выпуска.

Особенности работы системы

В инжекторных системах впрыска топлива может использоваться и две лямбды. Эти датчики производят замер содержания кислорода и дают понять электронному блоку управления, в какую сторону необходимо скорректировать зажигание или состав топливной смеси, чтобы количество вредных веществ в выхлопе оказалось минимальным.

Системы с двумя датчиками гарантируют, что в выхлопе окажется крайне мало загрязняющих веществ. Но усложнение конструкции приводит к тому, что ее надежность ухудшается. Пару раз заправили автомобиль некачественным топливом – испортили катализатор. А дальше – неверные показания датчиков, нарушение работы системы впрыска.

И даже если вы будете соблюдать все требования, катализатор рано или поздно сломается, так как ресурс у него не очень большой. А стоимость этого элемента даже на самых бюджетных машинах заоблачная. Поэтому многие автомобилисты, чтобы сэкономить, вырезают катализатор и заменяют его пламегасителем. По сути, это обычный кусок трубы подходящих размеров. А чтобы второй лямбда-зонд не выдавал ошибку, ставят обманку. Это проставка, которая монтируется на датчике.

При помощи обманки получается отдалить от наконечника датчика поток газов. Это и влияет на показания элемента, поступающие к электронному блоку управления. Следовательно, микроконтроллер улавливает разницу показаний и не замечает отсутствия катализатора.

Основные неисправности

Существует несколько основных признаков, по которым можно судить о неисправности лямбда-зонда:

Снижение динамики.

Существенное увеличение расхода топлива.

Нестабильная работа двигателя в режиме холостого хода.

Наличие треска и щелчков после остановки двигателя.

Минус в том, что поломки этого прибора не всегда распознаются системой самодиагностики. А проверить простыми измерительными приборами в гаражных условиях датчик просто нереально, потребуется наличие осциллографа. Ремонт тоже нельзя сделать. Только лишь обрыв проводки можно устранить.

Источник

Принцип работы, типы и применение

В настоящее время автомобильными двигателями можно управлять с помощью различных типов датчиков. Эти датчики контролируют производительность и выбросы двигателя. Когда датчик не дает точных данных, возникает множество проблем, таких как управляемость, увеличение расхода топлива и отказ от выбросов. 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 датчик кислорода?

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 установлен до (перед преобразователем) 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 у большинства автомобилей есть 4 датчика

датчика кислорода

Принцип работы

Принцип работы датчика o2 заключается в проверке количества кислорода в выхлопных газах. Во-первых, этот кислород был добавлен в топливо для хорошего зажигания.Связь с этим датчиком 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 газовых и дизельных двигателях.

Признаки неисправности датчика

Неисправный датчик можно определить по следующим признакам.

• Поломка для превышения анализа выбросов
• Расход топлива может быть уменьшен.
• Лампа двигателя не горит.
• Плохая работа, глохнет и грубый холостой ход.
• Средство проверки кода, распознающее сбой датчика

Приложения

Сферы применения кислородных датчиков включают судовое дыхание, мониторинг быстрой реакции, лабораторные исследования и разработки, мониторинг топливного бака, определенных углеводородных сред, долгосрочный мониторинг процедур, ферментацию, упаковку пищевых продуктов и Упаковка для напитков, фармацевтика и медицина и т. Д.

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

Циркониевый датчик кислорода Функция — как они работают?

Ячейка в сборе окружена змеевиком нагревателя, который обеспечивает температуру 700 ° C, необходимую для работы. Затем ячейка и нагреватель помещаются в пористую крышку из нержавеющей стали для фильтрации более крупных частиц и пыли, а также для защиты датчика от механических повреждений.На Рисунке 3 показан полный узел датчика.

Рисунок 3

Насосная плита

Первый квадрат ZrO2 работает как электрохимический кислородный насос, откачивая или повторно создавая давление в герметичной камере. В зависимости от направления источника постоянного тока ионы кислорода перемещаются через пластину от одного электрода к другому, что, в свою очередь, изменяет концентрацию кислорода и, следовательно, давление кислорода (P2) внутри камеры. Перекачивание регулируется таким образом, чтобы давление внутри камеры всегда было меньше атмосферного давления кислорода вне камеры.На рисунке 4 показаны электрические подключения к ячейке.

Рисунок 4

Чувствительная пластина

Разница в давлении кислорода во втором квадрате ZrO2 создает напряжение Нернста, которое логарифмически пропорционально отношению концентраций ионов кислорода. Как и давление кислорода внутри камеры (P₁), напряжение при считывании относительно общего напряжения всегда положительно.

Это напряжение измеряется и сравнивается с двумя опорными напряжениями, и каждый раз, когда достигается любое из этих двух опорных значений, направление источника постоянного тока меняется на противоположное.При высоком ppO2 для достижения реверсивных напряжений насоса требуется больше времени, чем в атмосфере с низким ppO2. Это связано с тем, что необходимо перекачивать большее количество ионов кислорода, чтобы создать такую ​​же ратиометрическую разность давлений на чувствительном диске.

Пример

Р1, давление О2 мы хотим измерить, это 10mbar и набор опорного напряжения достигается тогда, когда Р2 5mbar. Если затем изменить P1 на 1 бар, P2 должно быть 0.5бар для того, чтобы достичь того же опорного напряжения. Это потребует удаления гораздо большего количества ионов кислорода, и, поскольку источник тока, используемый для накачки ионов, является постоянным, это займет намного больше времени.

Follow @SSTSensingLtd

Датчики кислорода: как они работают и что они делают

Что такое датчик кислорода?

Датчик кислорода (обычно именуемый «датчиком O2», поскольку O2 — это химическая формула кислорода) установлен в выпускном коллекторе автомобиля для контроля количества несгоревшего кислорода в выхлопных газах, когда выхлопные газы выходят из двигатель.

Где расположены датчики кислорода?

Количество кислородных датчиков в автомобиле варьируется. Каждый автомобиль, выпущенный после 1996 года, должен иметь кислородный датчик перед каждым каталитическим нейтрализатором и после него. Таким образом, в то время как большинство транспортных средств имеют два датчика кислорода, двигатели V6 и V8, оснащенные двойным выхлопом, имеют четыре датчика кислорода — один перед каталитическим нейтрализатором и после него на каждом ряду двигателя.

Что делает датчик кислорода?

Датчики кислорода работают, вырабатывая собственное напряжение, когда они становятся горячими (примерно 600 ° F).На конце датчика кислорода, который подключается к выпускному коллектору, находится циркониевая керамическая груша. Внутренняя и внешняя поверхность колбы покрыта пористым слоем платины, которая служит электродами. Внутренняя часть лампы вентилируется через корпус датчика в атмосферу.

Когда внешняя часть баллона подвергается воздействию горячих газов выхлопных газов, разница в уровнях кислорода между баллоном и внешней атмосферой внутри датчика вызывает прохождение напряжения через баллон.

Если соотношение топлива бедное (недостаточно топлива в смеси), напряжение относительно низкое — примерно 0,1 вольт. Если соотношение топлива богатое (слишком много топлива в смеси), напряжение относительно высокое — примерно 0,9 вольт. Когда топливно-воздушная смесь находится в стехиометрическом соотношении (14,7 частей воздуха на 1 часть топлива), датчик кислорода выдает 0,45 вольт.

Верхний кислородный датчик (датчик кислорода 1)

Датчик кислорода 1 является верхним кислородным датчиком по отношению к каталитическому нейтрализатору.Он измеряет воздушно-топливное соотношение выхлопных газов, выходящих из выпускного коллектора, и отправляет сигналы высокого и низкого напряжения в модуль управления трансмиссией для регулирования топливовоздушной смеси. Когда модуль управления трансмиссией получает сигнал низкого напряжения (обедненной смеси), он компенсирует это за счет увеличения количества топлива в смеси. Когда модуль управления трансмиссией получает сигнал высокого напряжения (богатый), он обедняет смесь, уменьшая количество топлива, которое он добавляет в смесь.

Использование модулем управления трансмиссией входного сигнала кислородного датчика для регулирования топливной смеси известно как замкнутый контур управления с обратной связью.Эта работа с замкнутым контуром приводит к постоянному переключению между богатой и бедной смесью, что позволяет каталитическому нейтрализатору минимизировать выбросы за счет поддержания надлежащего баланса общего среднего отношения топливной смеси.

Однако при запуске холодного двигателя или при выходе из строя датчика кислорода модуль управления трансмиссией переходит в режим разомкнутого контура. В режиме разомкнутого контура модуль управления трансмиссией не получает сигнал от кислородного датчика и заказывает фиксированную богатую топливную смесь.Работа в разомкнутом контуре приводит к увеличению расхода топлива и выбросов. Многие новые кислородные датчики содержат нагревательные элементы, которые помогают им быстро достичь рабочей температуры, чтобы минимизировать время, затрачиваемое на работу без обратной связи.

Нижний датчик кислорода (датчик кислорода 2)

Датчик кислорода 2 является нижним датчиком кислорода по отношению к каталитическому нейтрализатору. Он измеряет соотношение воздух-топливо на выходе из каталитического нейтрализатора, чтобы убедиться, что каталитический нейтрализатор работает должным образом.Каталитический нейтрализатор поддерживает стехиометрическое соотношение воздух-топливо 14,7: 1, в то время как модуль управления трансмиссией постоянно переключается между богатой и обедненной воздушно-топливной смесью из-за входного сигнала от верхнего кислородного датчика (датчик 1). Следовательно, нижний кислородный датчик (датчик 2) должен выдавать стабильное напряжение примерно 0,45 В.

Границы | Кислородные оптодные датчики: принцип, характеристика, калибровка и применение в океане

1. Введение

Концентрация растворенного кислорода в морской воде входила в набор параметров, измеренных во время знаменитого эксперимента H.РС. Экспедиция Челленджера 1873–1876 гг. (Диттмар, 1884), которую принято считать началом современной океанографии. Уже тогда распределение кислорода считалось одновременно сложной и информативной величиной. Об этом свидетельствует удивление Диттмара, обнаружившего небольшое, но широко распространенное пересыщение в поверхности океана, в то время как очень низкие значения обычно обнаруживались на больших, а иногда и на умеренных глубинах (Richards, 1957). С тех пор кислород был стандартным параметром в океанографии.Однако главной предпосылкой для этого было изобретение Винклером (1888) элегантного и точного мокрого химического метода, который, как ни удивительно, хотя и с различными улучшениями (например, Carpenter, 1965), до сих пор остается стандартным методом. Эта благоприятная ситуация позволила океанологам нарисовать не только наиболее подробную картину распределения кислорода в океане, но и обнаружить незаметные текущие изменения, которые зарекомендовали себя как феномен «дезоксигенации океана» (Keeling et al., 2010).

Однако растущая проблема понимания реакции океана и обратной связи на глобальные изменения требует расширенного масштаба наблюдений как в пространстве, так и во времени. Океанографии необходимо преодолеть хроническую проблему недостаточной выборки с помощью новых подходов к наблюдениям. В физической океанографии глобальный массив поплавков Арго произвел революцию в области наблюдений и продемонстрировал путь вперед (Riser et al., 2016). Сегодня мы видим развивающуюся глобальную систему наблюдений, включающую целый набор автономных платформ и сетей наблюдения.Чтобы морская биогеохимия могла использовать эти сети для решения сложных задач наблюдения, необходим набор химических и биологических датчиков с адекватными характеристиками с точки зрения размера, энергопотребления, точности / точности, долгосрочной стабильности и т. Д.

Для кислорода давно доступны электрохимические сенсоры на основе патента, разработанного Кларком (Канвишер, 1959). Несмотря на их успешное использование в широком спектре морских приложений, а также значительные улучшения с течением времени, нельзя было показать, что эта технология удовлетворяет очень строгим долгосрочным целям точности 1 мкмоль кг ⁻¹ /1 гПа, как это определено Грубером. и другие.(2010). Кислородные оптоды, технология, разработанная еще двумя десятилетиями раньше (Каутский, 1939), были внедрены в водные исследования гораздо позже (Tengberg et al., 2006). После многообещающих ранних результатов (например, Körtzinger et al., 2004, 2005) сообщество специалистов по биогеохимии океана затратило много времени и усилий, чтобы полностью охарактеризовать основные коммерчески доступные океанографические кислородные датчики на основе оптодов с учетом их готовности к использованию на новых платформах наблюдения. такие как поплавки и планеры.В результате появились глубокие знания о характеристиках сенсоров и передовых методах работы. Цель данной статьи — собрать все эти знания во всеобъемлющем, но кратком виде, сделав ее универсальным средством для пользователей, которым нужна информация и рекомендации по оптимальному использованию кислородных оптодов.

2. Основы

2.1. Принцип восприятия

Кислородные оптоды

основаны на принципе тушения люминесценции кислородом. Одно из первых описаний было дано Каутским (1939), и почти все люминофоры тушены молекулярным кислородом (Lakowicz, 2006, гл.8). Когда люминофор L возбуждается коротким импульсом света с правильной длиной волны, он может перейти в электронно-возбужденное состояние L *. Оттуда он может релаксировать до своего основного состояния за счет неизлучательных процессов или светового излучения (т.е. люминесценции). Скорость этих процессов регулируется, так что интенсивность люминесценции I ₀ или I экспоненциально затухает со временем (Рис. 1), где индекс 0 означает отсутствие кислорода. Скорость затухания характеризуется временем жизни люминесценции Λ ₀ или Λ, соответственно, временем, за которое интенсивность спадает до 1 / e.

Рис. 1. Иллюстрация затухания люминесценции (A) в отсутствие O ₂ и (B) с тушением в присутствии O ₂ . Показано только однократное короткое импульсное возбуждение люминофора (синий) и связанное с ним затухание люминесценции (красный).

Кислород может гасить люминесценцию возбужденного состояния L * за счет столкновения с люминофором и передачи избыточной энергии, что называется динамическим тушением :

L ∗ + O2 → L + O2 *.(1)

Этот путь безызлучательной релаксации снижает как интенсивность люминесценции I , так и время жизни Λ в присутствии O ₂ (рис. 1B). Величину гашения можно связать с уравнением Штерна-Фольмера,

I0I = Λ0Λ = 1 + KSV ′ · aO2M≈1 + KSV ′ · cO2M, (2)

, где KSV ‘- постоянная Штерна-Фольмера, а aO2M или cO2M — активность или концентрация кислорода, соответственно, в пределах сенсорной фольги, содержащей иммобилизованный люминофор ( ^M ).Кислород ведет себя почти идеально, поэтому его (термодинамическая) активность может быть заменена его концентрацией. Константа Штерна-Фольмера пропорциональна коэффициенту диффузии кислорода, т.е. динамическое тушение контролируется диффузией (уравнение Смолуховского, например, Lakowicz, 2006, глава 8).

Поскольку равновесие между чувствительной фольгой и окружающей морской водой устанавливается посредством равных парциальных давлений p O ₂ (см. Ниже), а растворимость O ₂ cO2 *, M внутри чувствительной фольги обычно неизвестна, последнее может быть включены в KSV = KSV ′ · cO2 *, M и уравнение 2) изменено на:

I0I = Λ0Λ = 1 + KSV · pO2.(3)

Обратите внимание, что, за исключением возможных вторичных реакций возбужденных молекул O2 *, тушение не потребляет никакого кислорода, и поэтому оптодам не нужно находиться в потоке перекачиваемой воды, который будет непрерывно заменять любой потребляемый кислород для достижения стабильного (и правильный) сигнал. Устойчивое состояние достигается, когда парциальные давления, p O ₂ , уравновешиваются по всей системе.

2.2. Реализация датчика

Измерения интенсивности люминесценции легко смещаются из-за изменений интенсивности источника возбуждающего света, рассеяния окружающей среды и других матричных эффектов и, таким образом, подвержены повышенной изменчивости и дрейфу.Следовательно, все оптические кислородные датчики, используемые в морской науке, измеряют время жизни люминесценции Λ, а не ее интенсивность I , используя метод одночастотного фазового сдвига: вместо использования короткого импульса (сравните Рисунок 1) возбуждение модулируется по интенсивности. . Излучение модулируется с той же частотой, но из-за конечного времени жизни Λ возбужденного состояния сдвинуто по фазе относительно возбуждения (рис. 2). Для экспоненциального затухания люминесценции время жизни Λ пропорционально тангенсу фазового сдвига φ, где f является частотой модуляции (уравнение 4; вывод, приведенный в Lakowicz, 2006, гл.5). Оптоды Aanderaa используют частоту модуляции f 5 000 Гц, а оптоды Sea-Bird используют 3 840 Гц.

загар φ = 2π · f · Λ (4)

Рис. 2. Иллюстрация измерения времени затухания, гашения и фазового сдвига люминесценции при отсутствии O ₂ (левый столбец) и присутствии O ₂ (правый столбец) соответственно. Концептуальное добавление множества импульсов возбуждения (A, B) с модуляцией интенсивности и суперпозиция затуханий люминесценции приводит к излучению с модуляцией интенсивности и сдвигом фазы в непрерывном случае (C, D) .Фазовый сдвиг φ зависит от срока службы Λ согласно уравнению (4).

Таким образом, фазовый сдвиг φ и время жизни Λ несут одну и ту же информацию, но они не равны. Уравнение Штерна-Фольмера не действует для фазовых сдвигов φ (уравнения 2, 3).

Люминофор в кислородных оптодах погружен и иммобилизован в проницаемой для кислорода чувствительной фольге или тонкой пленке, чтобы избежать вымывания люминофора в окружающую среду и сохранить чувствительность O ₂ . Чувствительная пленка помещается на водную сторону оптического окна и, таким образом, подвергается воздействию окружающей морской воды, в то время как электроника возбуждения и обнаружения находится внутри корпуса датчика за оптическим окном.Датчики построены как для unpumped (например, Aanderaa, JFE Advantech, RBR, Contros) и перекачивается (например, Sea-Bird) режим работы (что не мешает, конечно, unpumped датчики, которые будут использоваться в перекачиваемой проточную кювету) .

Когда люминофоры растворяются в растворе, высокая молекулярная диффузия гарантирует, что каждый люминофор имеет одинаковую среду во временном масштабе времени жизни люминесценции (десятки мкс). Следовательно, люминофоры в растворе демонстрируют линейное поведение Штерна-Фольмера в соответствии с уравнениями (2, 3) (т.е.е. отношение I ₀ к I или Λ ₀ к Λ является линейным с O ₂ ). Обратите внимание, что даже для линейного поведения Штерна-Фольмера соотношение I — кислород и Λ — кислород является нелинейным (уравнения 2, 3; рисунок 3B).

Рис. 3. Концептуальная иллюстрация линейного поведения Штерна-Фольмера (серый) и нелинейного поведения Штерна-Фольмера (красный) в виде графика Штерна-Фольмера (A) и графика срока службы Λ от O ₂ (В) .Обратите внимание, что время жизни (или фазовый сдвиг) — кислородная зависимость всегда нелинейна.

Однако в конденсированных средах, таких как чувствительная фольга кислородных оптодов, движение молекул сильно затруднено. Таким образом, различные или неоднородные химические среды вокруг люминофоров сохраняются на временных масштабах люминесценции (десятки мкс), то есть взаимодействия с матрицей у разных люминофоров различны. Из-за этой неоднородности все кислородные оптоды демонстрируют нелинейное поведение Штерна-Фольмера, т.е., они делают , а не , следуют уравнениям 2, 3. Вместо этого они показывают искривление вниз графика Штерна-Фольмера (рисунок 3).

Для измерения кислорода с помощью кислородных оптодов обязательно необходимо установить химическое равновесие между чувствительной фольгой, где люминофор иммобилизован, и окружающей морской водой. Люминофор реагирует на активность O ₂ (термодинамическую) в сенсорной фольге aO2M (поскольку тушение регулируется диффузией), тогда как активность O ₂ в окружающей среде, aO2L, обычно представляет интерес для пользователя. .Обе фазы находятся в равновесии, когда их химические потенциалы равны, т.е. μO2M = μO2L. Для газа, растворенного в другой среде (т. Е. Кислорода, растворенного в чувствительной фольге или морской воде), определение закона Генри связывает химический потенциал O ₂ , μ _{O 2} , с активностью растворенного вещества, a _{O 2} , согласно уравнению (5) (см. Учебники физической химии)

μO2 = μO2∘ (T, P) + R · T · lnaO21 моль л − 1, (5)

, где μO2∘ (T, P) — химический потенциал воображаемого стандартного состояния при температуре T и гидростатическом давлении P с активностью O ₂ 1 моль л ⁻¹ и растворенным кислородом, который ведет себя как если бы бесконечно разбавленный.Это стандартное состояние специфично для среды, т. Е. ΜO2∘, M ≠ μO2∘, L. Для кислорода в газовой фазе химический потенциал определяется законом Рауля

. μO2 = μO2⦵ (T, P) + R · T · lnfO21 бар, (6)

, где μO2⦵ (T, P) — химический потенциал чистого газа при 1 бар (и при температуре T и гидростатическом давлении P ) в стандартном состоянии, а f _{O 2} — летучесть О ₂ . Используя определение константы Генри, K _{H , O 2} , или растворимость, cO2 *, соответственно,

KH, O2 = fO2aO2 = 1cO2 *, (7)

стандартные потенциалы уравнений (5, 6) могут быть связаны,

μO2∘ (T, P) = μO2⦵ (T, P) +

Как работают датчики кислорода, объяснение менее чем за 5 минут

Проверьте свет двигателя

Техническое обслуживание

Датчики кислорода

изготовлены из реактивных материалов, что ограничивает их срок службы.В сторону из-за механических повреждений, таких как короткое замыкание нагревательных элементов или физическое повреждение, эти датчики обычно служат около 80 000 миль. Если двигатель имеет механическую неисправность например, прокладка головки (охлаждающая жидкость) или проблема, вызывающая расход масла (кольца, направляющих клапана), это резко сократит срок службы датчика.

СПОНСИРУЕМЫЕ ССЫЛКИ

При замене кислородного датчика обязательно используйте высококачественный OEM (оригинальный Производитель оборудования) часть.Более дешевые датчики не такие точные и недолговечные до тех пор, пока датчик OEM будет, и может вызвать проблемы с производительностью, а также выбросы проблемы. Утечки вакуума в системе впуска, могут давать ложные показания датчика и вызывают плохую работу двигателя.

История

По мере развития системы впрыска топлива изменялся и датчик кислорода. Развитие от однопроводной сети датчик, который заземлен через внешний корпус, к четырехпроводному датчику, который заземлен снаружи а встроенный нагреватель помогает датчику правильно работать в холодном состоянии.Датчики кислорода были разработаны для измерения эффективности каталитического нейтрализатора. Поместив датчик кислорода в выхлопной системе перед (первичным или перед) преобразователем и один за ним (вторичный или нижестоящий) компьютер может видеть, сокращает выбросы в соответствии с проектом, при этом настраиваясь на оптимальную производительность. Ранние системы использовали только один первичный датчик и настраивали весь двигатель на основе при этом показании, в то время как новые системы впрыска топлива используют множество датчиков для оптимизации система подачи топлива.

Эти ранние датчики должны были нагреться, прежде чем они стали активными, что означает, что они не работали, пока не достигли рабочей температуры в выхлопной системе. Будучи чрезвычайно простыми, они работали с основными системами впрыска топлива автомобиля. время, которое имело чрезвычайно низкую скорость передачи данных (скорость обработки информации в компьютере) По мере совершенствования технологии датчики также нуждались в улучшении.

Датчик кислорода — stange-elektronik.com (EN)

Датчик O2

Датчик кислорода для измерения концентрации кислорода в топочной атмосфере

Особенности датчика кислорода O2

Измерение кислорода в режиме онлайн предъявляет более высокие требования по сравнению с измерением водорода с точки зрения отбора проб.
В то время как водород очень быстро диффундирует в помещении для осмотра (около 6 секунд), в случае кислорода может случиться так, что измеренная газовая фаза не связана или не связана с реальной концентрацией в реакторе.

Физические характеристики переноса кислорода преодолеваются кислородным насосом с физическим принципом, аналогичным принципу тепловой конвекции. Новая революционная процедура для непрерывного измерения кислорода с помощью модифицированной цирконовой измерительной ячейки (с подогревом), прикрепленной к приемнику.Измерительная ячейка оснащена кислородным насосом и обеспечивает постоянный обмен атмосферы в измерительной ячейке. Кислородный насос работает по физическому принципу аналогично тепловой конвекции.

Датчик неприменим для процессов науглероживания.

Сфера применения:

• Установки азотирования при предварительном окислении, постокислении, оксинитрировании
• Измерение остаточного кислорода в вакуумных установках (определение скорости утечки)

Технические данные

• Без износа
• Вакуум твердый
• Нет выхлопных газов через датчик
• Принцип измерения без учета давления
• Макс.допустимое давление измерения на датчике: 3 бар
• Мин. измерение давления на датчике: 10 ^-7 мбар
• Скорость утечки <10 ^-7 мбар * л / с
• Время реакции в зависимости от ситуации установки <20 с
• Расчет парциального давления кислорода по Nerns t при 0 … 20,64 об.% O2 и температуре измерительной ячейки 600 ° C
• Температура на фланце KF: макс. 65 ° С
• Диапазон измерения:
  0 … 20,64 об.-% O2 (от 1500 мВ до 0 В),
  20,65 … 100 об. -% O2 (от 0 до -35 мВ)

Подключения:

• Источник питания: 24 В постоянного тока / 1 А
• Механическое соединение: вакуум-фланец KF40

Размеры:

• 105 x 66 x 250 мм (Д x Ш x В)

Вкл. Аксессуары:

• Блок питания на DIN-рейку 24 В / 1 А с защитой от короткого замыкания
• Разъем

Требования к применению:

• Вакуумный фланец KF 40 для подключения
• При необходимости конвекционная труба в зависимости от установки по запросу

Загрузок

Фотографии продукта

.

No related posts.