Принцип работы датчика кислорода: Лямбда-зонд (датчик кислорода). Устройство лямбда-зонда — ПЕЖО Центр Тамбов — официальный дилерский центр Peugeot в Тамбове

Содержание

Датчик кислорода. Устройство и принцип работы :: Avto.Tatar

Датчик кислорода — это часть двигателя, отвечающая за смесь воздуха с топливом. Воздушно-топливная смесь снижает расход топлива без потери мощности.

Общеизвестно, что бензиновые двигатели производят очень токсичную отработку. Она содержит целый букет химических элементов, а самые ядовитые из них — окись углерода (CO), углеводороды (CH) и окись азота (NOx). Для нейтрализации их вреда система выпуска была модифицирована каталитическим нейтрализатором. Данное устройство снижает токсичность газов и делает их почти безопасными.

Для эффективной работы нейтрализатора состав газов, подаваемых на него, должен соответствовать определенным стехиометрическим стандартом воздушно-топливной смеси. Коэффициент избытка воздуха — основная характеристика свойственная этой смеси. Его значение колеблется вокруг единицы (1.0). Если оно опускается ниже 1.0, то смесь считается обогащенной. Показатель выше 1.0 указывает на обеднение.

Если значение коэффициента избытка воздуха стремится к единице, то такая смесь называется стехиометрической.

Для достижения максимальной эффективности (порядка 80%) состав рабочей смеси в двигателе не должен отступать от стехиометрического значения больше чем на 1%. Но каким образом смешивание газообразного и жидкого вещества может происходить с такой высокой точностью? На выручку пришли современные технологии. Была разработана специальная система регулировки подачи воздуха и топлива, называемая лямбда-зондом. Это высокоточный датчик обратной связи, являющийся одним из самых важных элементов.

Строение датчика кислорода

Современные автомобили используют два разных вида датчиков кислорода: титановые и циркониевые. Несмотря на некоторые различия в строении, принцип работы у них одинаковый. В кислородном датчике имеется элемент измерения, опыленный платиной с наружной и внутренней стороны. Внутри находится керамический твердый электролит.

Принцип работы схож с гальваническим элементом. Минимальная температура, необходимая для функционирования датчика — 300–350 градусов Цельсия. По ее достижении керамический элемент становится проводником ионов кислорода. Максимальная безопасная температура — в пределах 950–1000 градусов Цельсия. Более интенсивный нагрев может привести к поломке.

Принцип работы

Кислородные ионы приводятся в движение за счет разных концентраций масс во внутренней и наружной части системы выпуска. Таким образом, своей работой двигатель создает разность потенциалов, необходимую для подачи сигнала. Если температура датчика ниже 300 градусов Цельсия, то он находится в нерабочем состоянии.

В зависимости от температуры датчика происходит реакция на разные смеси: при высоких температурах — на богатые, при низких на бедные. Разница между реакциями на богатые и бедные смеси весьма высока, но если температура падает ниже 300 градусов Цельсия, разница уменьшается, а датчик переходит в нерабочее состояние.

Для того чтобы решить данную проблему, лямбду пытаются разместить поближе к двигателю, сохраняя при этом ограничение температурного режима во избежание повреждений датчика. Наибольшая опасность возникает при «выжимании» высоких мощностей из мотора.

В современном автомобилестроении датчики кислорода оснащены спиральными нагревательными элементами. Управляется подогрев электроникой двигателя. Помимо этого, электронный блок отвечает еще и за стабильность работы цепи нагревания.

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.

Датчик кислорода ВАЗ — фото и видео, принцип работы, цена и замена на 2114

Датчик кислорода – он же лямбда-зонд. Устройство призванное замерять уровень кислорода в смеси отработанных газов.

В автомобиле он нужен для достижения правильного сочетания пропорции кислорода и топлива в рабочей смеси. При правильной пропорции кислорода и топлива в смеси, двигатель работает максимально эффективно и что немаловажно уменьшается расход самого топлива.

Виды датчиков и принцип работы

Лямбда-зонд устанавливается в выхлопной системе. Делятся датчики на два вида: двухточечный и широкополосный.

Двухточечный датчик состоит из керамики, элементы которого с двух сторон покрыты диоксидом циркония. Устанавливается перед каталитическим нейтрализатором либо за ним.

Принцип работы – измерение уровня концентрации кислорода в окружающей среде и выхлопных газах. Если уровень меняется и становится разным, на концах элементов датчика создается напряжение, от низкого до высокого. Низкое напряжение создается, если кислорода в системе с избытком.

В противном случае если в системе не хватает нужного уровня кислорода, то создастся высокое напряжение. Эти сигналы поступают в блок управления двигателем, который различает их по силе тока.

Широкополосный датчик – более современная конструкция. Так же имеет два керамических элемента. Один из них можно назвать «закачивающим». Он отвечает за активацию процесса закачивания или удаления воздуха из системы.

Второй элемент можно условно назвать «двухточечным». Принцип работы базируется на том, что пока кислорода в смеси нужное количество сила тока на «закачивающем» элементе не меняется и передается на «двухточечный» элемент.

Он в свою очередь, получая постоянную силу тока от «закачивающего» элемента поддерживает постоянное напряжение между своими элементами и бездействует.

Как только уровень кислорода меняется, «закачивающий» элемент подает измененное напряжение на «двухточечный». Тот в свою очередь обеспечивает либо закачку воздуха в систему либо его откачку обратно.

Лямбда-зонд на автомобилях ВАЗ

На ВАЗах используется несколько типов датчиков:

1. Bosch № 0 258 005 133, норма Евро – 2. Устанавливался на устаревших моделях с объемом двигателя 1,5 литра. На поздних моделях с нормой Евро – 3, этот датчик использовался как первый, и ставили его до катализатора.

Вторым ставили датчик, у которого есть «обратный разъем». Но можно встретить установленные два одинаковых датчика

2. Bosch № 0 258 006537 устанавливался на автомобилях, выпущенных с октября 2004 года.имеют в своем строении нагревательный элемент.

Лямбда – зонды, выпускаемые фирмой «Bosch», взаимозаменяемы с похожими по строению циркониевыми датчиками. Обратите внимание, что датчик без подогрева можно заменить подогреваемым датчиком. Только не наоборот.

Неисправности датчика кислорода и коды ошибок

Из возможных поломок лямбда – зонда можно выделить такие: потеря чувствительности, неработающий подогрев. Как правило, бортовой компьютер не покажет вам поломку, если проблема в потере чувствительности. Другое дело, если оборвалась цепь подогрева – тогда неисправность будет зафиксирована.

Ошибка Р1115 – в цепи нагрева произошла поломка
Ошибка Р1102 — на нагревателе кислорода низкое сопротивление
Ошибка Р0141 — на втором датчике произошла поломка нагревателя
Ошибка Р0140 – произошел обрыв датчика номер два
Ошибка Р0138 – второй датчик сигнализирует о завышенном уровне сигнала
Ошибка Р0137 – второй датчик сигнализирует о пониженном уровне сигнала
Ошибка Р0136 – произошло замыкание «на массу» второго датчика
Ошибка Р0135 – вышел из строя нагреватель на первом датчике
Ошибка P0134 – у первого датчика отсутствует сигнал
Ошибка Р0133 – первый датчик медленно отвечает на запрос
Ошибка Р0132 – мало кислорода в системе, сигнал на высоком уровне на первом датчике
Ошибка Р0131 – много кислорода в системе, сигнал на низком уровне на первом датчике
Ошибка Р0130 – первый датчик подает неправильные сигналы

Замена датчика кислорода

Если возникает какая–либо поломка, датчик нужно заменить. Можно попробовать сделать это самостоятельно. Рассмотрим ситуацию замены лямбда-зонда на ВАЗе 2114:

Машину ставим на эстакаду или загоняем на яму и снимаем защиту мотора (для замены датчика с нейтрализатором).
Ищем провода от датчика кислорода, и по ним идем к самим датчикам, стоят они на катализаторе (первый до нейтрализатора, второй после).

Разрезаем хомуты, разъединяем разъемы.
Оставляем систему остывать.
Берем гаечный ключом на «22» или спец. головку и откручиваем датчик.
Берем новый датчик и так же устанавливаем его на место старого. Прикручиваем гайки.
Соединяем провода с разъёмам.
Новыми хомутами крепим провода к системе охлаждения (не допускать соприкосновения с выхлопной трубой).
Устанавливаем защиту в обратном порядке.

На остальных моделях машин замена датчика будет происходить идентично.

Проблемы при замене

При замене старый датчик может прикипеть к трубе. В этом случае действуйте так:

Щедро полейте wd – 40 и пробуйте открутить
Включаем двигатель, нагреваем выхлопную систему и откручиваем датчик
Пробуем нагреть (соблюдая осторожность) сам датчик и открутить его

Несильно обстучите молотком и пробуйте открутить заново
Если не помогает, попробуйте «термоудар». На хорошо разогретый датчик вылейте холодную воду. Попробуйте снова открутить.

Цена на датчик кислорода

Цена на датчик кислорода будет зависеть от региона и модели. Колеблется она от 1000 до 3000 р. Покупайте лямбда–зонд в специализируемых магазинах и только с гарантией.

Причины поломки датчика кислорода

На корпус датчика попала охлаждающая, либо тормозная жидкость
В используемом топливе большое содержание свинца
Сильный перегрев датчика, вызванный неочищенным топливом (засорение фильтров очистки)
Датчик просто выработал свой ресурс
Механическое повреждение датчика во время движения автомобиля.

Вышедший из строя датчик скажется на работе автомобиля в целом и повлечет за собой дополнительные проблемы. Но по ним Вы сможете сразу определить возможную поломку датчика и провести своевременную его замену.

Сопутствующие проблемы при выходе из строя датчика кислорода

Автомобиль стал потреблять больше топлива, чем обычно
Автомобиль стал двигаться рывками
Двигатель стал работать нестабильно
Нарушилась нормальная работа катализатора
При проверке на токсичность выхлопных газов — результат дает завышенные показатели.

В завершение хочется дать совет: чтобы в будущем избежать изложенных проблем – следите за работоспособностью лямбда-зонда. Проверяйте его состояние через каждые пять – десять тысяч километров пробега.

Кислородный датчик -принцип работы, диагностика неисправностей и замена

Несмотря на не слишком внушительные размеры и простоту устройства, кислородный датчик и, более известный как датчик лямбда-зонда играет не самую последнюю роль в работе двигателя автомобиля. Именно поэтому, его поломка может привести к довольно серьезным неприятностям, с которыми уже давно «воюют» владельцы инжекторных автомобилей. В этой статье речь пойдет о том, для чего предназначено данное устройство, как обнаружить поломку кислородного датчика и произвести соответствующую замену.

Зачем нужен кислородный датчик и как он работает?

Название «кислородный» для этого датчика является ошибочным, так как он реагирует совсем не на кислород. Датчик устанавливается в выхлопной системе автомобиля, возле катализатора и имеет один электрод, помещенный внутрь выхлопа. При прохождении выхлопных газов внутри системы, датчик «улавливает» не сгоревшие остатки топлива и электризуется, посылая небольшое напряжение на контроллер. Тот, на основе полученных данных, принимает наиболее рациональное решение о том, какое соотношение смеси должно быть выбрано для режима работы мотора, выбранного в данный промежуток времени. Контроллер всегда будет стараться выбрать идеальное соотношение, то есть количество бензина и подаваемого из атмосферы воздуха будет выбираться наиболее оптимальным, исходя из режима работы.

При отказе этого устройства, контроллер больше не получает важный сигнал и мгновенно переводит двигатель в аварийный режим работы. Соотношение бензина и воздуха больше не регулируется, и он подается в количествах, лишь необходимых для бесперебойной работы двигателя. Таким образом, расход увеличивается, а мотор работает в не самых приятных условиях. Данный режим предназначен для того, чтобы добраться до места ремонта.

Видео — Кислородные датички — какими они бывают

Неисправности кислородного датчика

Как и любой другой элемент автомобиля, кислородный датчик тоже имеет свойство выходить из строя. Чаще всего, об этом свидетельствует соответствующий сигнал на приборной панели автомобиля — «Check Engine». Это говорит о том, что двигатель перешел в аварийный режим работы. Чтобы убедиться в том, что проблема точно коснулась лямбда-зонд, необходимо провести электронную диагностику с помощью бортового компьютера. Код ошибки для вашего типа двигателя можно узнать из технической литературы к автомобилю. Если проблема действительно заключается в датчике кислорода, то необходимо произвести его срочную замену.

Почему датчик выходит из строя? Дело в том, что в выхлопных газах могут содержаться специальные примеси, которые отрицательно воздействуют на электроды устройства. Данные примеси попадают в выхлоп вместе с некачественным бензином, которым заправляют большинство российских автомобилей. Датчик быстро окисляется и перестает выдавать необходимые для контроллера показания. В конечном итоге, двигатель начинает переходить в аварийный режим.

Кроме некачественного бензина, датчик может сломаться из-за других неисправностей двигателя. Например, поврежденная прокладка ГБЦ, допускает попадание антифриза в камеру сгорания. Новое химическое вещество в выхлопной среде очень быстро выводит датчик из строя.

Замена кислородного датчика

В замене лямбда зонд, на самом деле, нет ничего конструктивно сложного. Автомобиль устанавливается на смотровую яму или эстакаду и полностью обездвиживается. Делается это для того, чтобы обезопасить его и мастеров от случайного перемещения автомобиля и травматизма.

С аккумулятора скиньте «минусовую» клемму, чтобы исключить возможность возникновения короткого замыкания при работе с электронными приборами. Контактный штекер датчика тоже отсоединяется, таким образом, датчик, с электрической точки зрения, полностью готов к замене.

Открутите датчик из катализатора с помощью соответствующего ключа. Выполнять данную работу нужно только на холодном двигателе, иначе есть риск получить серьезную термическую травму. Если устройство выкручивается с трудом или вообще не поддается, не нужно брать его «силой», так как есть риск очень хорошо испортить катализатор, и тогда неисправности выхлопной системы выйдут гораздо дороже. Если датчик «прикипел», обработайте его с помощью керосина или тормозной жидкости, в лучшем случае — WD-40. После этого, дайте ржавчине раскиснуть и тогда снова попробуйте открутить датчик. Обычно, после такой обработки, снять его становится не такой уж и большой проблемой.

Как только датчик будет выкручен, достаньте его штекер и вытащите из подкапотного пространства. Затем, закрутите новый датчик и подключите его. Старайтесь закручивать датчик как можно герметичнее, иначе есть риск получить «дыру» в выхлопе, а следовательно, неприятный звук работы двигателя.

На этом замена кислородного датчика завершена.

Как работает и что показывает датчик кислорода

Итак, попробуем разобраться в том как работает датчик кислорода. Ну, как вы уже знаете есть много датчиков, необходимых для работы современного двигателя, но, однако функция других датчиков зачастую не так важна, как функция датчиков кислорода.

Эти датчики считывают количество несгоревшего кислорода в выхлопных газах. Затем компьютер использует это значение для баланса топливной смеси. Когда содержание кислорода в выхлопных газах увеличивается (характеризует смесь как обедненную) выходное напряжение датчиков уменьшается. Это является сигналом для ЭБУ к увеличению объема топлива подаваемого через форсунки. В свою очередь, когда содержание кислорода в выхлопных газах снижается (характеризует смесь как богатую), датчик кислорода увеличивает напряжение выходного сигнала, а компьютер реагирует путем уменьшение подачи топлива. Как только количество топлива уменьшается, мы возвращаемся к обедненной смеси, и напряжение на датчике падает. Этот процесс многократно повторяется пока двигатель работает. Это непрерывный цикл обратной связи является сердцем системы контроля подачи топлива.

Типичные показания датчика при обедненной смеси — напряжение между 0 и 0.3 В и для богатой смеси показания в диапазоне от 0. 6 до 1 вольта. Идеальная воздушно-топливная смесь (14.7:1) создает напряжение на выводах датчика 0.5 В

Так почему бы просто не поддерживать постоянно дозированное количество топлива, которое изменяется с положения дроссельной заслонки? На самом деле, довольно много факторов влияют на количество топлива, которое необходимо для поддержания отношения 14.7:1. Некоторые из этих факторов: качество топлива, атмосферное давление, влажность и многое другое. Таким образом, необходимы О2-датчики (датчики кислорода)! Количество раз в единицу времени обновлений информации датчиками весьма разнятся, но большинство современных датчиков в среднем обновляют показания минимум полдюжины раз в секунду. Старые датчики обновляли показания медленно порядка одного раза в секунду, так что вы можете себе представить насколько лучше стали контролировать выхлоп современные датчики.

Старые кислородные датчики, использовавшиеся до 1982 года были 1 или 2 проводные неподогреваемого типа. Эти датчики не будут на самом деле начинать правильно регистрировать состояние выхлопной пока датчик не нагреется, чтобы достичь свой рабочий диапазон. В результате компьютер работает в режиме «открытого контура» (использование заданных топливных значений, которые фактически заставляют двигатель работать на переобогащенной смеси) в течение более длительных периодов времени. Все датчики нового типа «с подогревом» (датчик ho2s), которые включают нагревательный элемент для приведения датчика до рабочей температуры быстрее, обычно это занимает меньше минуты, так быстро, как это возможно, даже за 10 секунд — это возможно! Нагревательные элементы предотвращают охлаждение датчиков, когда двигатель работает на холостом ходу. Эти подогреваемые датчики имеют обычно 3 и 4 провода в конструкции своих разъемов.

Есть несколько различных видов датчиков, которые различаются по химическому составу и дизайну, но их назначение и функции остаются неизменными. Техника за эти годы вышла далеко за рамки того, что описано на этой странице, но есть несколько вещей, которые нужно понимать. Датчики кислорода сравнивают содержание кислорода в окружающем воздухе с содержанием кислорода в выхлопных газах. Наружного воздух попадает в датчик через отверстие в корпусе датчика или через разъем проводки. Некоторые типы датчиков генерируют (изменяют) напряжение, когда изменяется содержание кислорода в выхлопных газах, а некоторые изменяют сопротивление. Новейший тип, обогреваемые широкополосные O2 датчики (кислородные датчики) имеют диапазон напряжений от 2 до 5 вольт.

Несмотря на все их различия и фактические показания выдаваемые датчиками, компьютер обрабатывает информацию так, что у нас ожидаются значения от 0 до 1 В. Есть пара исключений, конечно. Некоторые типы кислородных датчиков «Титания» с подогревом могут производить напряжение до 5 вольт. Это значение не изменяется с помощью компьютера. Еще один тип того же датчика настроен для чтения значений противоположное тому, что вы ожидаете. Высокое напряжение указывают на бедную смесь и низкое напряжение на богатую. Эти 2 типа датчиков кислорода не распространены и использовались в основном на некоторых Ниссанах, Jeep’ах и Иглах. В каждом правиле должны быть исключения! Инженеры они такие, да, я знаю.

Вы также заметите, что на большинстве автомобилей после ’96 года, есть второй комплект датчиков кислорода за каталитическим нейтрализатором (т.е. там стоит вторая лямбда, он же 2 датчик кислорода). Их функция такая же, как и передних О2 датчиков, а их показания используются по-разному, и их целью является измерить эффективность преобразователей, а не контролировать соотношение топлива двигателя. Вы можете обратиться к нашей статье «коды по датчику кислорода» и «помощь в диагностике» для дальнейшего уточнения показаний датчиков кислорода. Эти статья содержат ценную диагностическую информацию и процедуры проведения испытаний, а также возможные причины кодов ошибок по богатой или бедной смеси. Я надеюсь, что вы нашли эту информацию полезной.

Чтоб не углубляться в дебри и не перегружать читателя информацией, я поведу речь о циркониевом лямбда-зонде, используемом на автомобилях ВАЗ. Желающие разобраться более глубоко могут самостоятельно найти и прочитать материалы про титановые датчики, про широкополосные датчики кислорода (ШДК) и придумать методы их проверки. Мы же поговорим о самом распространенном датчике, знакомом большинству диагностов.

Итак, датчик кислорода. Когда-то очень давно он представлял собой только лишь чувствительный элемент, без какого-либо подогревателя. Нагрев датчика осуществлялся выхлопными газами и занимал весьма продолжительное время. Жесткие нормы токсичности требовали быстрого вступления датчика в полноценную работу, вследствие чего лямбда-зонд обзавелся встроенным подогревателем. Поэтому датчик кислорода ВАЗ имеет 4 вывода: два из них – подогреватель, один – масса, еще один – сигнал.

Второй вариант, вообще говоря, предпочтительнее. Почему? Потому, что мотортестер дает возможность оценить не только текущие и пиковые значения, но и форму сигнала, и скорость его изменения. Скорость изменения – это как раз характеристика исправности датчика.

Итак, главное: датчик кислорода реагирует на кислород. Не на состав смеси. Не на угол опережения зажигания. Не на что-либо еще. Только на кислород. Это нужно осознать обязательно. Как именно это происходит, в подробностях описано здесь.

На сигнальный вывод датчика с ЭБУ подается опорное напряжение 0.45 В. Чтоб быть полностью уверенным, можно отключить разъем датчика и проверить это напряжение мультиметром или сканером. Все в порядке? Тогда подключаем датчик обратно.

К слову, на старых иномарках опорное напряжение «уплывает», и в итоге нормальная работа зонда и всей системы нарушается. Чаще всего опорное напряжение при отключенном датчике бывает выше необходимых 0.45 В. Проблема решается путем подбора и установки резистора, подтягивающего напряжение к «массе», тем самым возвращая опорное напряжение на необходимый уровень.

Дальше схема работы датчика проста. Если кислорода в газах, омывающих датчик, много, то напряжение на нем упадет ниже опорного 0.45 В, примерно до 0.1В. Если кислорода мало, напряжение станет выше, около 0. 8 – 0.9 В. Прелесть циркониевого датчика в том, что он «перепрыгивает» с низкого на высокое напряжение при таком содержании кислорода в отработанных газах, которое соответствует стехиометрической смеси. Это замечательное его свойство используется для поддержания состава смеси на стехиометрическом уровне.

Поняв, как работает датчик, легко осознать методику его проверки. Предположим, ЭБУ выдает ошибку, связанную с этим датчиком. Например, Р0131 «Низкий уровень сигнала датчика кислорода 1». Нужно понимать, что датчик отображает состояние системы, и если смесь действительно бедная, то он это отразит. И замена его абсолютно бессмысленна!

Как же нам выяснить, в чем кроется проблема – в датчике или в системе? Очень просто. Смоделируем ту или иную ситуацию.

1. Например, при жалобе на бедную смесь и низком напряжении на сигнально выводе датчика увеличим подачу топлива, пережав шланг обратного слива. Или, при его отсутствии, брызнув во впускной коллектор бензина из шприца. Как отреагировал датчик? Показал ли обогащенную смесь? Если да – то нет никакого смысла его менять, нужно искать причину, почему система подает недостаточное количество топлива.

2. Если же смесь богатая, и зонд это отображает, попробуйте создать искусственный подсос, сняв какой-нибудь вакуумный шланг. Напряжение на датчике упало? Значит, он абсолютно исправен.

3. Третий вариант (достаточно редкий, но имеющий место). Создаем подсос, пережимаем «обратку» – а сигнал на датчике не меняется, так и висит на уровне 0.45 В, либо меняется, но очень медленно и в небольших пределах. Все, датчик умер. Ибо он должен чутко реагировать на изменения состава смеси, быстро меняя напряжение на сигнальном выводе.

Для более глубокого понимания добавлю, что при наличии небольшого опыта легко установить степень изношенности датчика. Это делается по крутизне фронтов перехода с богатой смеси на бедную и обратно. Хороший, исправный датчик реагирует быстро, переход почти что вертикальный (смотреть, само собой, мотортестером). Отравленный либо просто изношенный датчик реагирует медленно, фронты переходов пологие. Такой датчик требует замены.

Понимая, что датчик реагирует на кислород, можно легко уяснить еще один распространенный момент. При пропусках воспламенения, когда из цилиндра в выпускной тракт выбрасывается смесь атмосферного воздуха и бензина, лямбда-зонд отреагирует на большое количество кислорода, содержащееся в этой смеси. Поэтому при пропусках воспламенения очень возможно возникновение ошибки, указывающей на бедную топливо-воздушную смесь.

Хочется обратить внимание еще на один важный момент: возможный подсос атмосферного воздуха в выпускной тракт перед лямбда-зондом. Мы упоминали, что датчик реагирует на кислород. Что же будет, если в выпуске будет свищ до него? Датчик отреагирует на большое содержание кислорода, что эквивалентно бедной смеси. Обратите внимание: эквивалентно! Смесь при этом может быть (и будет) богатой, а сигнал зонда ошибочно воспринимается системой как наличие бедной смеси. И ЭБУ ее обогатит! В итоге имеем парадоксальную ситуацию: ошибка «бедная смесь», а газоанализатор показывает, что она богатая. Кстати сказать, газоанализатор в данном случае – очень хороший помощник диагноста. Как пользоваться извлекаемой с его помощью информацией, описано в этой статье.

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.

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.

Технически кислород очень важен для двигателя. Он определяет правильную работу двигателя. Таким образом, для достижения правильного соотношения воздух-топливо производители используют кислородные датчики в выхлопных системах. Кроме того, кислородный датчик выхлопных газов также известен как «лямбда-зонд». Он расположен перед каталитическим нейтрализатором в выхлопной трубе. Датчик генерирует напряжение относительно количества кислорода в выхлопных газах.Таким образом, он обеспечивает обратную связь в режиме реального времени с системой управления двигателем о составе смеси.

Датчик O2 Bosch
Кроме того, откалибрована система управления двигателем (EMS). Он обеспечивает оптимальную мощность двигателя, выбросы и экономичность во всем рабочем диапазоне двигателя. Датчик кислорода помогает EMS контролировать оптимальные выбросы в выхлопной системе. Таким образом достигается идеальное соотношение воздух-топливо 14,7: 1.
Дизайн:
Кроме того, кислородный датчик состоит из «гальванической батареи».Датчик содержит два пористых платиновых электрода. Кроме того, между ними находится керамический электролит (диоксид циркония). Датчик кислорода генерирует напряжение. Он колеблется от 100 мВ (0,1 В) до 900 мВ (0,9 В). Это зависит от уровня кислорода в выхлопных газах. Датчик кислорода сравнивает атмосферный кислород, обычно около 21%, с количеством кислорода в выхлопных газах.
Датчик O2 (любезно предоставлен Denso)
Обычно богатая смесь содержит больше топлива на одну часть кислорода.Это означает, что в нем 0% кислорода. Таким образом, датчик выдает высокое напряжение около 900 мВ. Бедная смесь содержит меньше топлива на часть кислорода. Он может содержать от 3% до 4% кислорода. Итак, датчик выдает низкое напряжение 100 мВ. Однако среднее напряжение датчика составляет ~ 450 мВ, что дает идеальное соотношение смеси 14,7: 1.
Критерии:
Rich Mixture — большая разница между уровнем кислорода в атмосфере и в выхлопных газах. Это приводит к высокой проводимости между электродами.Следовательно, выходное напряжение высокое — около 900 мВ.
Lean Mixture — меньшая разница между уровнями кислорода. Это приводит к меньшей проводимости и меньшему выходному напряжению, обычно около 100 мВ.
Нормальная смесь — когда уровень смеси составляет примерно 14,7: 1. Тогда выходной сигнал кислородного датчика будет около 450 мВ.
Датчики кислорода Характеристики:
Имеет проволоку из нержавеющей стали. Он обеспечивает лучшую устойчивость к коррозии и термическим нагрузкам.
Производители используют позолоченные клеммы на контактах сигнального и опорного разъемов. Кроме того, он обеспечивает превосходный контакт даже для минутных сигналов напряжения / тока.
Корпус датчика с двойной лазерной сваркой предотвращает попадание влаги на чувствительный элемент / нагреватель.
Производители проводят функциональную проверку качества датчиков O2 при 1000 ° C.
Производители также испытывают давление в керамической гильзе 420 бар, чтобы убедиться в целостности.
Измерительный элемент кислородного датчика при производстве проходит испытания на «газопроницаемость».
Hitachi Датчик O2
Датчик O2 Функция:
Кроме того, кислород очень важен для человеческого организма. Точно так же важно запустить двигатель и получить лучшую производительность. Датчик кислорода помогает поддерживать «идеальное» соотношение воздух / топливо 14,7: 1 или лямбда 1. Он обеспечивает значение лямбда, равное 1, для различных условий работы двигателя. Кроме того, он сравнивает количество кислорода в выхлопных газах с количеством кислорода в атмосфере. При таком разном количестве кислорода кислородный датчик вырабатывает и отправляет выходное напряжение в систему управления топливом двигателя.
Кроме того, AC Delco, Bosch, Denso и Hitachi являются одними из ведущих производителей датчиков O2 в мире.
Примечание: изображения (любезно предоставлены соответствующими производителями)
Смотреть Датчик кислорода в действии:
Подробнее: Как работают датчики двигателя? >>
О CarBikeTech
CarBikeTech — это технический блог. Его члены имеют опыт работы в автомобильной сфере более 20 лет. CarBikeTech регулярно публикует специальные технические статьи по автомобильным технологиям.
Посмотреть все сообщения CarBikeTech
Материалы, методы, конструкции и применения
ХИМИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
ТАБЛИЦА VI Характеристики измерения кислорода различными люмофорами, встроенными в разные полимеры
Естественная жизнь — Кислород
Люмофор Время полимера τ0 (мкс) Чувствительность, KSV Ref.
Флуорантен Викоровое стекло — 0,003 [63]
[Ru (bpy) 2+
3 (ClO−
4) 2] Кремниевый каучук-RTV 118 0,62 0,003 [62, 64]
[Ru (phen) 2+
3 (ClO−
4) 2] –do– 0.92 0,009 [62, 64]
[Ru (ph3phen) 2+
3 (ClO−
4) 2] –do– 5,3 0,033 [62, 64]
–do– Поли (акриловая кислота) — 0,0015 [65]
–do– Поли (4-стирол натрия — 0,002 [65]
сульфонат)
PtOEP Этилцеллюлоза 81 0,196 [66]
PdOEP –do– 1410 3,475 [66]
Рисунок 18 Ответ изменение времени и относительной интенсивности для PtOEP в кварцевом стекле
при переходе от 100% N2 к O2 и обратно [71].
по сравнению с комплексами Ru.Типичный динамический отклик
кислородного датчика PtOEP в кварцевом стекле составляет
, показанный на рис. 18. При переходе от 100% азота
к 100% кислорода время отклика составляет 5 секунд, а от O2
до N2 — около 10 секунд . Но t90 все равно меньше 5 с
в обоих случаях [71].
Что касается интерференционных эффектов от других газов и
жидких частиц, то в обеих группах датчиков
сортов, когда гидрофобная среда используется в качестве матрицы,
различных потенциальных помех, включая отбеливатель, cy-
Хорошо исключены
клопропан, галотан, N2O, h3S, CO2 и влажность
[67, 72].
В то время как исследования по оптимизации характеристик датчика кислорода
люминесцентных материалов ведутся по всему миру, использование оптических датчиков кислорода
уже началось. Многие муниципалитеты и очистные сооружения для очистки сточных вод
в США начали использовать оптические датчики кислорода
. Материалы и оптимизация производительности
Ожидается, что увеличение времени использования этих оптических датчиков
увеличит их долю на рынке упакованных сточных вод
датчиков растворенного кислорода.
Благодарность
Авторы выражают признательность за полезные обсуждения
Нику Сабо и Чонхуну Ли. Эта работа была поддержана CISM через грант NSF № EEC-9523358
и программу NASA-GMI.
Ссылки
1. Дж. БИНДЕР, Датчики и исполнительные механизмы A31 (1992) 60.
2. A.M.AZAD, S.A. AKBAR, S.G.MHAISALKAR,
L.D.BIRKEFELD and K.S.GOTO, J. Электрохим. Soc.
139 (1992) 3690.
3. R.KOCACHE, Sensor Rev.14 (1994) 8.
4. С. Б. АЛКОК, Ионика твердого тела, 53–56 (1992) 3.
5. Дж. В. Шванк, М. Дибаттиста, MRS Bull. Июнь
(1999) 44.
6. Т.ТАКЕУЧИ, Датчики и исполнительные механизмы 14 (1988) 109.
7. Дж. Ригель, Х.Нойманн и Х.-М.Виденманн,
Ионика твердого тела 152 –153 (2002) 783.
8. NMSAMMES, GATOMPETT, HN¨
AFE и F.
ALDINGER, J. Евро. Ceram. Soc. 19 (1999) 1801.
9. М.МОГЕНСЕН, Н.М. САММС и Г.A.TOMPSETT,
Solid State Ionics 129 (2000) 63.
10. C.XIA and M.LIU, Adv. Матер. 14 (7) (2002) 521.
11. Н.М. САММС, З.КАИ, Ионика твердого тела 100 (1997) 39.
12. В.К. Маскелл, Б.С. Х. СТИЛ, Дж. Прил. Elec-
трохим. 16 (1986) 475.
13. K.NISHIO, в «Основах управления автомобильным двигателем, датчики
» (Fontis Media, Нидерланды, 2001).
14. Р. Рамамурти, С. Рамасами и Д.
СУНДАРАРАМАН, Дж.Матер. Res. 14 (1999) 90.
15. A.MITTERDORFER, L.J.GAUCKLER, Solid State Ion-
ics 117 (1999) 187.
16. Н.Л. Робертсон и Дж. Н. Майклс, J. Электрохим.
Soc. 137 (1990) 129.
17. H.-D.WIEMH ¨
OFER, inBritish Ceramic Proceedings on
Керамические ионные проводники кислорода
и их технологии
Applications, No. 56, под редакцией BCH Steele (Институт
Материалы, 1997).
18. E.I.TIFFEE, K.H.HARDTL, W.MENESKLOU и J.
RIEGEL, Electrochim. Acta 47 (2001) 807.
19. A.G.MOTIMER и G.P.REED, Датчики и исполнительные механизмы
B24 / 25 (1995) 328.
20. A.K.M.S.CHOWDHRY, S.A. AKBAR and J.R.
SCHORR, J. Электрохим. Soc. 148 (2) (2001) G91.
21. E.V.SETTEN, T.M.G¨
UR, D.H.A. BLANK, J.C.
БРАВМАН, М.Р. БИЗЛИ, Rev.Sci. Instr. 73 (2002) 156.
22. А. Д. Брейлсфорд и Э. М. Логотетис, Датчики
и исполнительные механизмы B52 (1998) 195.
23. М.Л. ХИТЧМАН, в «Измерение растворенного кислорода»
(John Wiley & Sons, Нью-Йорк, 1978).
24. G.REINHARDT, R.MAYER and MR and
OSCH, Solid State
Ionics 150 (2002) 79.
25. T.USUI, A.ASADA, M.NAKAZAWA and H.OSANAI,
J. Electrochem. Soc. 136 (1989) 534.
26. T.USUI, K.NURI, M.NAKAZAWA and H.OSANAI,
Jpn. J. Appl. Phys. 26 (1987) L2061.
27. У. К. Маскелл, Ионика твердого тела 134 (2000) 43.
28. M.BENAMMAR, Meas. Sci. Tech. 5 (1994) 757.
29. R.C.COPCUTT, W.C.MASKELL, Solid State Ionics
53–56 (1992) 119.
30. R.E.HETRICK, W.A.FATE and W.C.VASSELL,
Appl. Phys. Lett. 38 (1981) 390.
31. P.R.WARBURTON, M.P.PAGANO, R.HOOVER,
M.LOGMAN and K.CRYTZER, Anal. Chem. 70 (1998) 998.
4281
Анализ оксида циркония на кислород
Измерение газа с помощью циркониевого анализатора кислорода от Systech
Анализатор кислорода из диоксида циркония подходит для измерения содержания кислорода в газе или смеси газов от ppm до%.Элемент из диоксида циркония представляет собой электрохимический гальванический элемент, в котором используется высокотемпературный керамический датчик, содержащий стабилизированный оксид циркония.
Внутри прибора ячейка из диоксида циркония устанавливается в печи с регулируемой температурой с необходимой электроникой для обработки сигнала от ячейки обнаружения. Обычно измерения отображаются непосредственно на цифровом дисплее в виде концентрации кислорода в диапазоне от 0,01 ppm до 100%.
Теория, лежащая в основе циркониевого анализатора кислорода Systech
Ячейка из диоксида циркония представляет собой высокотемпературный керамический датчик.Это электрохимический гальванический элемент, состоящий из двух электрически проводящих, химически инертных электродов, прикрепленных к каждой стороне трубки с твердым электролитом. Это схематично показано на Рисунке 1 ниже.
Трубка полностью газонепроницаема и изготовлена из керамики (стабилизированного оксида циркония), которая при рабочей температуре проводит электричество посредством ионов кислорода. (Примечание: в датчиках этого типа температура должна быть выше 450 ° C, прежде чем они станут проводниками электролита).Разность потенциалов на ячейке определяется уравнением Нернста.
Где:
E — разность потенциалов (вольт)
R — газовая постоянная (8,314 Дж моль ^-1 K ^-1)
T — абсолютная температура (K)
F — постоянная Фарадея (96484 кулонов моль ^{— 1})
P ₁ & P ₂ — парциальные давления кислорода по обе стороны от циркониевой трубки
Таким образом, уравнение Нернста можно свести к:
Таким образом, если парциальное давление кислорода на одном из электродов известно и температура датчика регулируется, то измерение кислородом разности потенциалов между двумя электродами позволяет вычислить неизвестное парциальное давление.
Примечание
Парциальное давление газа равно молярной концентрации компонента в газовой смеси, умноженной на общее давление газовой смеси.
PO ₂ = CO ₂ P ₂
где:
PO ₂ = Парциальное давление кислорода
CO ₂ = Молярная концентрация кислорода
P ₂ = Общее давление
Пример
Для атмосферного воздуха:
CO ₂ = 20.9%
P ₂ = 1 атмосфера
PO ₂ = (0,209 / 100) x 1
PO ₂ = 0,209 атмосферы
Принцип работы
Элемент из диоксида циркония, используемый Systech Illinois, изготовлен из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, в виде керамики с пористыми платиновыми электродами. Эта ячейка показана на рисунке 1.
Рисунок 1: Увеличенное изображение поперечного сечения подложки из диоксида циркония
Молекулярный кислород ионизируется на пористых платиновых электродах.
PtO → Pt + ½ O2
½ O2 + 2 ^e- → O2 ^—
Платиновые электроды на каждой стороне ячейки обеспечивают каталитическую поверхность для изменения молекул кислорода, O ₂, чтобы ионы кислорода и ионы кислорода к молекулам кислорода. Молекулы кислорода на стороне высококонцентрированного эталонного газа ячейки приобретают электроны и становятся ионами, которые попадают в электролит. Одновременно на другом электроде ионы кислорода теряют электроны и высвобождаются с поверхности электрода в виде молекул кислорода.
Содержание кислорода в этих газах и, следовательно, парциальные давления кислорода различны. Следовательно, скорость, с которой ионы кислорода образуются и попадают в электролит из оксида циркония на каждом электроде, различается. Поскольку оксид циркония обеспечивает подвижность ионов кислорода, количество ионов, движущихся в каждом направлении через электролит, будет зависеть от скорости, с которой кислород ионизируется и поступает в электролит на каждом электроде. Механизм этого переноса ионов сложен, но известно, что он включает вакансии в решетке оксида циркония за счет легирования оксидом иттрия.
Результатом миграции ионов кислорода через электролит является чистый поток ионов в одном направлении, зависящий от парциального давления кислорода на двух электродах. Например, в уравнении Нернста:
Если P ₁> P ₂ поток ионов будет от P ₁ до P ₂, т. Е. Положительный ЭДС.
Если P ₁
2 поток ионов будет от P ₂ до P ₁, то есть отрицательный E.М.Ф.
Если P ₁ = P ₂, то чистый поток ионов не будет, т. Е. Нулевой ЭДС.
В анализаторе диоксида циркония уравнение Нернста записано
В анализаторе диоксида циркония в качестве эталона используется воздух, постоянная концентрация кислорода 20,9%, а ячейка из диоксида циркония устанавливается внутри печи, температура которой регулируется на уровне 650 ° C (923 K).
Таким образом, наше уравнение Нернста сокращается до:
Анализатор диоксида циркония с помощью электроники рассчитывает парциальное давление кислорода и, следовательно, концентрацию кислорода в пробе газа с неизвестной концентрацией кислорода.Это достигается путем измерения потенциала E, возникающего на электродах циркониевой ячейки, замены E в уравнении Нернста и предотвращения каротажа для получения PO ₂. Выходной потенциал ячейки показан на рисунке 2.
Рис. 2 График зависимости потенциала ячейки от концентрации кислорода в элементе из диоксида циркония.
За счет защиты от записи уравнения выходной сигнал может отображаться непосредственно на цифровом считывающем устройстве в виде концентрации кислорода в ppm или%.
Калибровка
Поскольку прибор из диоксида циркония использует принцип абсолютного измерения после сборки и калибровки на заводе, не требует дальнейшей заводской калибровки .
Заводская калибровка состоит из калибровки электроники для приема входного милливольтного сигнала от ячейки детектирования и проверки правильности показаний прибора в воздухе, 20,9%. Затем прибор проверяется на правильность показаний содержания кислорода в азоте в миллионных долях.
Применение циркониевых анализаторов кислорода
Анализаторы диоксида циркония могут использоваться для измерения кислорода на любом уровне от 0 до 100% в газах или газовых смесях.
Единственным ограничением на использование прибора является то, что измеряемый газ не должен содержать горючие газы или какой-либо материал, который может отравить ячейку обнаружения оксида циркония.
Любой горючий газ, например CO, h3, углеводороды, такие как метан, в анализируемом газе, поступающем в прибор, будут соединяться с любым кислородом в анализируемом газе в печи из-за высокой температуры, при которой поддерживается печь.Это фактически снизит количество кислорода в анализируемом газе и приведет к тому, что прибор будет давать неверные низкие показания.
Материалы, отравляющие ячейку обнаружения:
Галогены например Хлор
Галогенированные углеводороды, например Метилхлорид
Серосодержащие соединения, например Сероводород
Свинецсодержащие соединения, например Сульфид свинца
Газы или газовые смеси, содержащие любое из вышеперечисленных, не подходят для определения содержания кислорода с помощью анализатора кислорода циркониевого типа.
Анализаторы ZR800 используются производителями промышленных газов, потребителями промышленных газов и компаниями по упаковке пищевых продуктов:
Приложение Использует
Производители газа
для обеспечения качества продукции путем измерения содержания кислорода или контроля чистоты кислорода.
Пользователи газа
для обеспечения надежности подушек инертного газа
для обеспечения качества газов, используемых в качестве производственных материалов в химической промышленности.
Пищевая упаковка
для обеспечения правильного уровня кислорода в упаковках, содержащих измененную или контролируемую атмосферу
Широкополосные датчики O2 и датчики воздуха / топлива (A / F)
Широкополосные датчики кислорода
(которые также могут называться датчиками воздушного топлива с широким диапазоном действия (WRAF)) и датчиками воздуха / топлива (A / F) заменяют обычные датчики кислорода во многих последних моделях автомобилей.
Широкополосный датчик O2 или датчик A / F — это, по сути, более умный датчик кислорода с некоторыми дополнительными внутренними схемами, которые позволяют ему точно определять точное соотношение воздух / топливо в двигателе. Как и обычный датчик кислорода, он реагирует на изменение уровня кислорода в выхлопных газах. Но в отличие от обычного кислородного датчика выходной сигнал широкополосного датчика O2 или датчика A / F не изменяется резко, когда топливно-воздушная смесь становится богатой или обедненной. Это делает его более подходящим для современных двигателей с низким уровнем выбросов, а также для двигателей с улучшенными характеристиками.
Выходы датчика кислорода
Обычный кислородный датчик на самом деле больше похож на индикатор богатой / бедной смеси, потому что его выходное напряжение подскакивает до 0,8–0,9 В при богатой топливно-воздушной смеси и падает до 0,3 В или менее при обедненной топливно-воздушной смеси. Для сравнения, широкополосный датчик O2 или датчик A / F выдает постепенно изменяющийся сигнал тока, который соответствует точному соотношению воздух / топливо.
Еще одно отличие состоит в том, что выходное напряжение датчика преобразуется его внутренней схемой в сигнал переменного тока, который может распространяться в одном из двух направлений (положительном или отрицательном).Текущий сигнал постепенно увеличивается в положительном направлении, когда топливно-воздушная смесь становится беднее. В «стехиометрической» точке, когда топливно-воздушная смесь идеально сбалансирована (14,7 к 1), что также называется «лямбда», ток от датчика прекращается, и ток не течет ни в одном направлении. И когда соотношение воздух / топливо становится все более богатым, ток меняет направление и течет в отрицательном направлении.
PCM отправляет управляющее опорное напряжение (обычно 3.3 вольта на датчиках Toyota A / F, 2,6 вольт на широкополосных датчиках Bosch и GM) к датчику по одной паре проводов и контролирует выходной ток датчика по второму набору проводов. Выходной сигнал датчика затем обрабатывается PCM и может быть считан на сканирующем приборе как соотношение воздух / топливо, значение коррекции топлива и / или значение напряжения в зависимости от приложения и возможностей отображения сканирующего прибора.
Для приложений, которые отображают значение напряжения, все, что меньше опорного напряжения, указывает на богатое соотношение воздух / топливо, в то время как напряжения выше опорного напряжения указывают на бедное соотношение воздух / топливо.В некоторых ранних приложениях Toyota OBD II PCM преобразует напряжение датчика A / F, чтобы оно выглядело как напряжение обычного датчика кислорода (это было сделано для соответствия требованиям к отображению ранних правил OBD II).
Как работает широкополосный датчик O2
Внутренне широкополосные датчики O2 и датчики A / F похожи на обычные плоские датчики кислорода из диоксида циркония. Внутри защитного металлического конуса на конце датчика находится плоская керамическая полоса.Керамическая полоса фактически представляет собой двойной чувствительный элемент, который сочетает в себе кислородный насос с «эффектом Нерста» и «диффузионный зазор» с кислородным чувствительным элементом. Все три ламинированы на одной керамической полосе.
Выхлопной газ попадает в датчик через вентиляционные отверстия или отверстия в металлическом кожухе над наконечником датчика и вступает в реакцию с двойным чувствительным элементом. Кислород диффундирует через керамическую подложку на чувствительном элементе. Реакция заставляет ячейку Нерста генерировать напряжение, как в обычном кислородном датчике.Кислородный насос сравнивает изменение напряжения с управляющим напряжением от PCM и уравновешивает одно с другим, чтобы поддерживать внутренний кислородный баланс. Это изменяет ток, протекающий через датчик, создавая положительный или отрицательный сигнал тока, который указывает точное соотношение воздух / топливо в двигателе.
Ток небольшой, обычно около 0,020 ампер или меньше. Затем PCM преобразует аналоговый выходной ток датчика в сигнал напряжения, который затем может быть считан на вашем диагностическом приборе.
В чем разница между широкополосным датчиком O2 и датчиком A / F? Широкополосные датчики 2 обычно имеют 5 проводов, в то время как большинство датчиков A / F имеют 4 провода.
ЦЕПЬ НАГРЕВАТЕЛЯ ДАТЧИКА O2
Как и обычные кислородные датчики, широкополосные датчики O2 и датчики A / F также имеют внутреннюю цепь нагревателя, которая помогает им быстро достичь рабочей температуры. Для правильной работы широкополосным датчикам и датчикам A / F требуется более высокая рабочая температура: от 1292 до 1472 градусов по Фаренгейту по сравнению с примерно 600 градусами по Фаренгейту для обычных кислородных датчиков.Следовательно, если цепь нагревателя выходит из строя, датчик может не выдавать надежный сигнал.
В цепь нагревателя подается питание через реле, которое включается, когда двигатель запускается, и реле впрыска топлива находится под напряжением. Схема нагревателя может потреблять до 8 ампер на некоторых двигателях и обычно имеет широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для изменения количества тепла в зависимости от температуры двигателя (это также предотвращает перегрев и выгорание нагревателя). Когда двигатель холодный, продолжительность включения (по времени) цепи нагревателя будет выше, чем при горячем двигателе.Сбой в цепи нагревателя обычно включает контрольную лампу неисправности (MIL) и устанавливает диагностический код неисправности (DTC) P0125.
Проблемы с датчиком кислорода
Как и обычные кислородные датчики, широкополосные датчики O2 и датчики A / F подвержены загрязнению и старению. Они могут стать вялыми и медленно реагировать на изменения в топливно-воздушной смеси, поскольку загрязняющие вещества накапливаются на чувствительном элементе. Загрязнения включают фосфор моторного масла (изношенных направляющих и колец клапанов), силикаты антифриза (протекающая прокладка головки или впускные прокладки или трещины в камере сгорания, из которых вытекает охлаждающая жидкость) и даже серу и другие присадки в бензине.Датчики рассчитаны на пробег свыше 150 000 миль, но могут не пройти это расстояние, если двигатель горит маслом, развивает внутреннюю утечку охлаждающей жидкости или получает плохой газ.
Датчики
Wideband 2 и датчики A / F также могут быть обмануты утечками воздуха в выхлопной системе (негерметичные прокладки выпускного коллектора) или проблемами сжатия (такими как негерметичные или сгоревшие выпускные клапаны), которые позволяют несгоревшему воздуху проходить через двигатель и попадать в него. выхлоп.
Диагностика широкополосного датчика A / F
Как правило, система OBD II обнаруживает любые проблемы, влияющие на работу датчиков кислорода или A / F, и устанавливает код неисправности, соответствующий типу неисправности.Общие коды OBD II, которые указывают на неисправность в цепи нагревателя датчика O2 или A / F, включают: P0036, P0037, P0038, P0042, P0043, P0044, P0050, P0051, P0052, P0056, P0057, P0058, P0062, P0063, P0064.
Коды, указывающие на возможную неисправность самого датчика кислорода, включают любой код от P0130 до P0167. Могут существовать дополнительные коды OEM «расширенный» P1 «, которые будут различаться в зависимости от года выпуска, марки и модели автомобиля.
Симптомы неисправного широкополосного датчика O2 или датчика A / F по существу такие же, как и у обычного датчика кислорода: двигатель работает на обогащенной смеси, низкая экономия топлива и / или сбой в выбросах из-за более высоких, чем обычно, уровней монооксида углерода (CO ) в выхлопе.
Возможные причины, помимо неисправности самого датчика, включают плохие соединения проводки или неисправное реле цепи нагревателя (если есть коды нагревателя), или неисправность проводки, негерметичная прокладка выпускного коллектора или негерметичные выпускные клапаны, если есть коды датчиков, указывающие на обедненную смесь состояние топлива.
Что проверять: как датчик реагирует на изменения в соотношении воздух / топливо. Подключите диагностический прибор к диагностическому разъему автомобиля, запустите двигатель и создайте мгновенное изменение в радиомодуле воздух / топливо, щелкнув дроссель или подавая пропан в корпус дроссельной заслонки.Ищите отклик от широкополосного датчика O2 или датчика A / F. Отсутствие изменений в указанном соотношении воздух / топливо, значении лямбда, значении напряжения датчика или номере краткосрочной корректировки топлива будет указывать на неисправный датчик, который необходимо заменить.
Другие PIDS диагностического прибора, на которые следует обратить внимание, включают состояние монитора нагревателя кислорода OBD II, состояние монитора датчика кислорода OBD II, состояние контура и температуру охлаждающей жидкости. Состояние мониторов сообщит вам, провела ли система OBD II самопроверку датчика.Состояние контура сообщит вам, использует ли PCM вход широкополосного датчика O2 или A / F для управления соотношением воздух / топливо. Если система остается в разомкнутом контуре после прогретого двигателя, проверьте возможный неисправный датчик охлаждающей жидкости.
Еще один способ проверить выходной сигнал широкополосного датчика O2 или датчика A / F — это подключить последовательно цифровой вольтметр или графический мультиметр к опорной линии напряжения датчика (см. Схему подключения для правильного подключения). Подключите черный отрицательный провод к концу опорного провода датчика, а красный положительный провод к концу провода PCM.Затем измеритель должен показывать увеличение напряжения (выше опорного напряжения), если топливно-воздушная смесь бедная, или падение напряжения (ниже опорного напряжения), если смесь богатая.
Выходной сигнал широкополосного датчика O2 или датчика A / F также можно наблюдать на цифровом запоминающем осциллографе, подключив один вывод к опорной цепи, а другой — к цепи управления датчиком. Это сгенерирует форму волны, которая изменяется в зависимости от соотношения воздух / топливо. Прицел также можно подключить к проводам нагревателя датчика для проверки рабочего цикла цепи нагревателя.Вы должны увидеть прямоугольную волну и уменьшение продолжительности включения по мере прогрева двигателя.
Технические советы по широкополосному датчику кислорода
* На 5-проводных датчиках «обедненного воздуха, топлива» (LAF) Honda 8-контактный контакт разъема датчика содержит специальный «калибровочный» резистор. Сопротивление резистора может быть определено путем измерения между клеммами 3 и 4 с помощью омметра и будет составлять 2,4 кОм, 10 кОм или 15 кОм в зависимости от применения. Если разъем поврежден и его необходимо заменить, стоимость замены должна быть такой же, как у оригинала.Опорное напряжение от PCM к датчику на этих двигателях составляет 2,7 вольт.
* Saturn также использует специальный подстроечный резистор в разъеме широкополосного датчика O2 (контакты 1 и 6). Резистор обычно составляет от 30 до 300 Ом. Поставляемое PCM опорное напряжение составляет от 2,4 до 2,6 вольт.
* Если датчик O2, широкополосный датчик O2 или датчик A / F вышел из строя из-за загрязнения охлаждающей жидкости, не заменяйте датчик до тех пор, пока не будет заменена протекающая прокладка головки или головка блока цилиндров.Новый датчик скоро выйдет из строя, если утечка охлаждающей жидкости не будет устранена.
* Некоторые ранние приложения Toyota с датчиками A / F обеспечивают «смоделированное» напряжение датчика O2, которое отображается на диагностическом приборе. Фактическое значение было разделено на 5, чтобы соответствовать ранним правилам OBD II. С тех пор эти правила были пересмотрены, но имейте в виду, если на вашем сканирующем приборе
появится «фанковый» дисплей.
Щелкните здесь, чтобы загрузить или распечатать эту статью.

Другие статьи о датчиках двигателя:
Датчики кислорода: диагностика и замена
Расположение датчиков кислорода
Определение датчиков двигателя
Датчики температуры воздуха
Датчики охлаждающей жидкости
Датчики положения коленчатого вала CKP
Датчики MAP
Датчики массового расхода воздуха
VAF
Датчики расхода воздуха
VAF Датчики положения дроссельной заслонки
Общие сведения о системах управления двигателем
Модули управления трансмиссией (PCM)
PCM с флэш-перепрограммированием
Все о бортовой диагностике II (OBD II)
Обнуление диагностики OBD II
Диагностика сети контроллеров (CAN)
Щелкните здесь, чтобы увидеть больше технических статей Carley Automotive
Сравнение гальванических и оптических датчиков растворенного кислорода
Современный метод измерения растворенного кислорода (DO) в лаборатории или на местах включает датчик DO, подключенный к измерителю, который записывает данные калибровки и измерений.Датчики DO могут быть разработаны для дискретного отбора проб, тестов биологической потребности в кислороде (BOD) или долгосрочного мониторинга, в то время как измерители DO могут быть оснащены внутренним барометром, алгоритмами компенсации и другими специальными функциями и могут быть связаны с компьютером для передачи данных.

Существует два типа датчиков DO: электрохимический и оптический. Электрохимические датчики DO, также известные как амперометрические датчики или датчики типа Кларка, измеряют концентрацию растворенного кислорода в воде на основе производимого электрического тока.Электрохимические датчики DO являются полярографическими и гальваническими. Преимущества гальванических датчиков перед полярографическими датчиками заключаются в том, что они не требуют внешнего источника напряжения и времени прогрева для работы, а их электролит может использоваться в течение длительного времени. Оптические датчики DO, широко известные как люминесцентные датчики DO (LDO), но некоторые из них называются флуоресцентными датчиками, измеряют концентрацию растворенного кислорода в воде на основе тушения люминесценции в присутствии кислорода. Они могут измерять либо интенсивность, либо время жизни люминесценции, поскольку кислород влияет на то и другое.1 Преимущества датчиков на основе срока службы люминесценции по сравнению с датчиками на основе интенсивности люминесценции заключаются в том, что они менее чувствительны к дрейфу источника света и детектора, изменениям оптического пути и дрейфу из-за деградации или выщелачивания красителя. ² Они демонстрируют долгосрочную стабильность ² и сохраняют свою точность даже при некотором фотодеградации. ¹
HORIBA предлагает гальванические электрохимические датчики растворенного кислорода и оптические датчики содержания растворенного кислорода на основе люминесценции.Оба датчика не требуют технического обслуживания и имеют конфигурацию plug-and-play, которая состоит из двух частей — прочного корпуса датчика со встроенным термистором и кабелей разной длины, а также сменного наконечника / крышки датчика DO, обеспечивающих простой, быстрый и точный контроль растворенного кислорода. и измерения температуры. Чтобы узнать больше об этих датчиках DO, читайте дальше.
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 явление 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 литье 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 в точности то же самое. 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,g., 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 вступать в реакцию 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 датчики на основе 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 происходит резкое падение напряжения из-за перехода от богатого к обедненному режиму. В этой области равновесная концентрация кислорода изменяется на несколько порядков. Поэтому на практике этот вид датчиков работает 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 отличается 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. Устойчивый 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 отличается от эталонной атмосферы, электрохимическая ячейка датчика переводится в неравновесное состояние, поскольку для достижения двух различных локальных концентраций O ^2- около двух соответствующих электродов требуется 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 откликах 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 воздушно-топливной смеси 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 адсорбционную фракцию 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 газа. 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 K) 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 газов (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 различные 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 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, селективность по O ₂ сообщается 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 прочих, для селективности NO _x [39–42].Наноматериалы были применены для изменения смешанных потенциалов и повышения селективности по газу, 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 узлах трехфазной границы, (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 интерфейса электрод-электролит и представление всех возможных электрохимических изменений, вызванных (т.е., поляризационный 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 способствовать образованию пузырьков воздуха между платиной и YSZ, что снижает 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, такого 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 подгонки их смоделированных электрических компонентов.
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 газовый датчик может быть электрически смоделирован, как показано на рисунке 8. Поскольку электроды могут обмениваться электрическим зарядом в соответствии с уравнением (6), а заряды могут храниться 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 т. Д. 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 данном 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 в Pt и электродах из оксида хрома и емкостью в электродах LSFCO, но это не было тем явлением, которое ограничивало время отклика датчика. Эти данные свидетельствуют о том, что высокое время отклика сенсоров 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 различий в сопротивлении и емкости относительно легко отделить электродные дуги от электролитических 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 большой 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. Большое 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 демонстрирует сходные преимущества в различных областях: миниатюризация, экономия материалов, 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 большую часть своих физико-химических свойств 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 сетки электронопроводящего контакта, который 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 конкретными 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 полупроводниковые оксиды были опробованы в качестве альтернативы чистым металлическим каталитическим электродам, (iii) наноматериалы для создания тонкопленочных электролитов с целью снижения энергии активации ионной проводимости и обеспечения более низких рабочих температур.
4.1. Снижение импеданса электрода
Как было показано 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 из 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 у обычных Pt-электродов и Ir-YSZ-электродов [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 селективности по газу
Наноструктурированные материалы — полезный инструмент для повышения чувствительности и селективности в потенциометрических датчиках с ионной проводимостью, а также в датчиках с другими принципами измерения.Например, использование наночастиц в качестве катализатора 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 помощью кислородных датчиков, 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 Кавелбар и Мозетич [86] изучали нетрадиционное усовершенствование катализа с использованием 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 ионопроводящих устройств, чувствительных к кислороду, 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 нерснтова.
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. Основное преимущество использования объемного YSZ в кислородных датчиках заключается в том, что порошки имеют высокую чистоту и однородный размер частиц, и это помогает прогнозировать свойства датчика, поскольку можно оценить размер зерна после спекания.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 подготовлен [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, подходящие 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 зерна 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 извлекались из спектров импеданса и сравнивались. 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 O ₂ резистивного обнаружения 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 было измерено 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 отклики по Нернстану при воздействии 0,9% O ₂ в N ₂ при загрузках 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 условий эксперимента, контролем размеров частиц и пространственно когерентными сетками электронопроводящих контактов в электродах. быть решенным.
Принцип работы и применение анализатора кислорода
Рекомендуемое посещение
В современной промышленной среде содержание кислорода имеет важное значение для промышленного производства, поэтому его часто измеряют. На рынке приборов представлены различные продукты, но с точки зрения принципов измерения существует четыре основных принципа измерения для анализаторов кислорода:
Как работает анализатор кислорода
(1) Термомагнитный анализатор кислорода
Принцип состоит в том, чтобы определять содержание кислорода в дымовых газах, используя физическое свойство, заключающееся в том, что магнитная восприимчивость кислорода в дымовых газах особенно высока.Кислород — парамагнитный газ (газ, который может притягиваться магнитным полем, называется парамагнитным газом). Он притягивается неравномерным магнитным полем и перетекает в более сильное магнитное поле. Там предусмотрен нагревательный провод, так что температура кислорода увеличивается, а магнитная восприимчивость уменьшается, так что сила притяжения магнитного поля уменьшается, и магнитное поле выталкивается ненагретыми молекулами кислорода с более высокой магнитной восприимчивостью, что вызывает магнитное поле. поле для разгрузки.Явление «термомагнитной конвекции» или «магнитного ветра». При определенном давлении пробы газа, температуре и скорости потока содержание кислорода в пробе газа можно измерить путем измерения величины магнитного ветра.
Поскольку термоэлемент (платиновый провод) служит одновременно сопротивлением плеча моста неуравновешенного моста и проводом сопротивления нагрева, под действием магнитного ветра возникает температурный градиент, то есть температура плеча моста на стороне впуска ниже, чем это моста выходной стороны.
Температура руки
Несимметричный мост выдает соответствующее значение напряжения в соответствии с содержанием кислорода в пробе газа.
(2) Циркониевый анализатор кислорода с датчиком
Диоксид циркония (ZrO2) — это керамика, твердое тело с ионопроводящими свойствами. При комнатной температуре это моноклинный кристалл. Когда температура повышается до 1150 ° C, кристаллическая форма превращается в кубические кристаллы, и в то же время она сжимается примерно на 7%. При понижении температуры он становится моноклинным кристаллом.Если нагревание и охлаждение повторяются, ZrO2 разрушается. Поэтому чистый ZrO2 нельзя использовать в качестве измерительного элемента. Если некоторое количество оксида кальция (CaO) или оксида иттрия (Y2O3) добавить к ZrO2 в качестве стабилизатора, а затем подвергнуть его прокаливанию при высокой температуре, он станет стабильным материалом из диоксида циркония. В это время четырехвалентный цирконий заменяется двухвалентным кальцием или трехвалентным иттрием, при этом образуются дырки для ионов кислорода, поэтому ZrO2 относится к анионному твердому электролиту. ZrO2 проводит электричество в основном за счет движения отверстий.Когда температура достигает более 600 ° C, ZrO2 становится хорошим проводником ионов кислорода.
Принцип анализатора кислорода
Платиновый электрод спечен с каждой стороны диоксида циркония электролита. Когда парциальные давления кислорода на двух сторонах диоксида циркония различны, кислород на стороне с более высоким парциальным давлением кислорода мигрирует в сторону с более низким парциальным давлением кислорода в форме ионов, что приводит к парциальному давлению кислорода. Платиновый электрод на стороне высокого давления теряет электроны и становится положительным, в то время как платиновый электрод на стороне низкого содержания кислорода принимает электроны и производит отрицательное электричество, создавая, таким образом, разность потенциалов кислорода между двумя платиновыми электродами.Этот потенциал связан только с разницей в содержании кислорода (разницей концентрации кислорода) в газе с обеих сторон при постоянной температуре. Если содержание кислорода на одной стороне известно (например, содержание кислорода в воздухе постоянно), содержание кислорода на другой стороне (например, содержание кислорода в дымовых газах) может быть выражено потенциалом концентрации кислорода. Если измерить потенциал концентрации кислорода, можно узнать количество кислорода в газе.
(3) Анализатор кислорода топливного элемента
В анализаторе кислорода на топливных элементах
используется полностью герметичный датчик кислорода на топливных элементах, который является одним из самых передовых методов измерения кислорода в мире. Датчик кислорода топливного бассейна состоит из высокоактивного кислородного электрода и свинцового электрода и погружен в раствор КОН. Кислород восстанавливается до гидроксид-ионов на катоде, а свинец окисляется на аноде.
Раствор КОН отделен снаружи полимерной пленкой.Анализируемый газ не попадает напрямую в датчик, поэтому электроды для раствора и свинцовые электроды не нужно регулярно чистить или заменять. Молекулы кислорода в исследуемом газе диффундируют в кислородный электрод через полимерную пленку для электрохимической реакции. Ток, генерируемый в электрохимической реакции, определяется количеством молекул кислорода, диффундирующих в кислородный электрод, а скорость диффузии кислорода пропорциональна скорости диффузии в исследуемом газе.
Содержание кислорода
Таким образом, выходной сигнал датчика связан только с содержанием кислорода в анализируемом газе и не имеет никакого отношения к общему количеству газа, проходящего через датчик.Благодаря подключению внешней цепи перенос заряда или ток в реакции пропорционален кислороду, участвующему в реакции.
При использовании этого метода измерения кислорода на него не влияет восстановительный газ в измеряемом газе, и многие системы обработки проб газа исключаются. Он быстрее, чем старомодная первичная батарея «Gold Net-Pb» для измерения содержания кислорода, и не требует длительного процесса продувки при запуске. Проба газа первичной батареи «Gold Net-Pb» напрямую попадает в раствор, что приводит к большому количеству обслуживания прибора и топлива. Проба газа батарейного метода не попадает напрямую в раствор, и датчик может работать очень стабильно и надежно в течение долгое время.Фактически, кислородные датчики топливных элементов не требуют обслуживания.
Принцип анализатора кислорода
(4) Анализатор кислорода электрохимический
Прибор для химического анализа газов
Он измеряет состав газа на основе изменений количества ионов или изменений тока, вызванных химической реакцией. Для повышения селективности, предотвращения окрашивания поверхности измерительного электрода и сохранения характеристик электролита обычно используется конструкция диафрагмы.
Существует два типа обычно используемых электрохимических анализаторов: электролитический с постоянным потенциалом и гальванический элемент. Принцип работы электролитического анализатора постоянного потенциала заключается в том, что к электроду прикладывается определенный потенциал, и измеряемый газ вызывает электролиз на поверхности электрода. Пока измеряется потенциал, приложенный к электроду, можно определить уникальный электролитический потенциал измеряемого газа, чтобы измеритель имел возможность выбирать и идентифицировать измеряемый газ.
Анализатор батареи
Galvani используется для электролиза тестового газа, диффундирующего в электролит через диафрагму, и измерения образовавшегося электролитического тока для определения концентрации тестового газа. Выбирая различные электродные материалы и электролиты для изменения внутреннего напряжения на поверхности электрода, достигается селективность по газам с разными электролитическими потенциалами.
Применение анализатора кислорода:
Фармацевтическая и пищевая упаковка, хранение и контроль продувочного газа.
Установка разделения воздуха, сварочная система с продувкой азотом, качество баллонного газа.
Перчаточный ящик, мониторинг воздуха в мастерской, медицинский мониторинг.
Анализатор кислорода — это датчик кислорода, состоящий из твердого электролита из диоксида циркония, а изменение сигнала — это интеллектуальный прибор для онлайн-анализа, в основе которого лежит новый микропроцессор.
No related posts.