Датчик кислорода (или лямбда-датчик , где лямбда относится к коэффициенту эквивалентности воздуха и топлива , обычно обозначается как λ) или зонд, представляет собой электронное устройство, которое измеряет долю кислорода (O 2 ) в анализируемом газе или жидкости .
Он был разработан Robert Bosch GmbH в конце 1960-х годов под руководством Гюнтера Баумана. Оригинальный чувствительный элемент изготовлен из циркониевой керамики в форме напёрстка , покрытой как со стороны выпуска, так и со стороны сравнения тонким слоем платины , и поставляется как в подогреваемом, так и в необогреваемом виде. Датчик планарного типа появился на рынке в 1990 году и значительно уменьшил массу керамического чувствительного элемента, а также включил нагреватель в керамическую структуру. [1] Это привело к тому, что датчик начал работать раньше и реагировал быстрее.
Наиболее распространенным применением является измерение концентрации кислорода в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания автомобилей и других транспортных средств для расчета и, при необходимости, динамической регулировки соотношения воздух-топливо , чтобы каталитические нейтрализаторы могли работать оптимально, а также для определения того, работает ли нейтрализатор должным образом или нет. Датчик кислорода обычно генерирует до 0,9 вольт, когда топливная смесь богатая и в выхлопных газах мало несгоревшего кислорода.
Ученые используют датчики кислорода для измерения дыхания или производства кислорода и используют другой подход. Датчики кислорода используются в анализаторах кислорода, которые широко используются в медицинских приложениях, таких как мониторы анестезии , респираторы и концентраторы кислорода .
Дайверы используют датчики кислорода (и часто называют их датчиками ppO 2 ) для измерения парциального давления кислорода в дыхательной смеси . Дайверы с открытым циклом проверяют газ перед погружением, поскольку смесь остается неизменной во время погружения, а изменения парциального давления из-за давления легко предсказуемы, в то время как дайверы с ребризером, работающие на смешанном газе, должны следить за парциальным давлением кислорода в дыхательном контуре на протяжении всего погружения, поскольку оно меняется и должно контролироваться, чтобы оставаться в приемлемых пределах.
Датчики кислорода также используются в системах предотвращения пожаров с использованием гипоксического воздуха для постоянного контроля концентрации кислорода внутри защищаемых объемов.
Существует множество различных способов измерения кислорода. К ним относятся такие технологии, как циркониевые, электрохимические (также известные как гальванические), инфракрасные , ультразвуковые , парамагнитные и совсем недавно лазерные методы.
Автомобильные датчики кислорода, в просторечии известные как датчики O 2 («ō two»), делают возможным современный электронный впрыск топлива и контроль выбросов . Они помогают в режиме реального времени определять, является ли соотношение воздуха и топлива в двигателе внутреннего сгорания обогащенным или обедненным. Поскольку датчики кислорода расположены в потоке выхлопных газов, они не измеряют напрямую воздух или топливо, поступающие в двигатель, но когда информация от датчиков кислорода сочетается с информацией из других источников, ее можно использовать для косвенного определения соотношения воздуха и топлива. Впрыск топлива с обратной связью замкнутого контура изменяет выход топливного инжектора в соответствии с данными датчика в реальном времени, а не работает с заранее определенной (разомкнутой) топливной картой. Помимо обеспечения эффективной работы электронного впрыска топлива, этот метод контроля выбросов может уменьшить количество как несгоревшего топлива, так и оксидов азота, попадающих в атмосферу. Несгоревшее топливо загрязняет окружающую среду в виде углеводородов, находящихся в воздухе, в то время как оксиды азота (газы NO x ) являются результатом температур в камере сгорания, превышающих 1300 Кельвинов , из-за избытка воздуха в топливной смеси, что способствует смогу и кислотным дождям . Volvo была первым производителем автомобилей, применившим эту технологию в конце 1970-х годов, наряду с трехкомпонентным катализатором, используемым в каталитическом нейтрализаторе.
Датчик на самом деле не измеряет концентрацию кислорода, а скорее разницу между количеством кислорода в выхлопных газах и количеством кислорода в воздухе. Богатая смесь вызывает потребность в кислороде. Эта потребность приводит к повышению выходного напряжения из-за транспортировки ионов кислорода через слой датчика. Бедная смесь вызывает низкое напряжение, поскольку имеется избыток кислорода.
Современные двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием используют датчики кислорода и каталитические нейтрализаторы для снижения выбросов выхлопных газов . Информация о концентрации кислорода отправляется в компьютер управления двигателем или блок управления двигателем (ЭБУ), который регулирует количество топлива, впрыскиваемого в двигатель, чтобы компенсировать избыток воздуха или избыток топлива. ЭБУ пытается поддерживать в среднем определенное соотношение воздуха и топлива, интерпретируя информацию, полученную от датчика кислорода. Основной целью является компромисс между мощностью, экономией топлива и выбросами, и в большинстве случаев достигается соотношением воздуха и топлива, близким к стехиометрическому . Для двигателей с искровым зажиганием (например, тех, которые сжигают бензин или автогаз / сжиженный нефтяной газ (СНГ), в отличие от дизельного топлива ) современные системы имеют дело с тремя типами выбросов: углеводородами (которые выделяются, когда топливо сгорает не полностью, например, при пропусках зажигания или работе на обогащенной смеси), оксидом углерода (который является результатом работы на слегка обогащенной смеси) и NO x (которые доминируют, когда смесь обедненная ). Выход из строя этих датчиков, например, вследствие естественного старения, использования этилированного топлива или топлива, загрязненного силиконами или силикатами , может привести к повреждению каталитического нейтрализатора автомобиля и дорогостоящему ремонту.
Вмешательство или изменение сигнала, который датчик кислорода посылает в компьютер двигателя, может нанести ущерб контролю выбросов и даже повредить транспортное средство. Когда двигатель находится в условиях низкой нагрузки (например, при очень плавном ускорении или поддержании постоянной скорости), он работает в «замкнутом режиме». Это относится к контуру обратной связи между ЭБУ и датчиком(ами) кислорода, в котором ЭБУ регулирует количество топлива и ожидает увидеть результирующее изменение в реакции датчика кислорода. Этот контур заставляет двигатель работать как слегка обедненной, так и слегка обогащенной смеси в последовательных циклах, поскольку он пытается поддерживать в среднем в основном стехиометрическое соотношение. Если модификации заставляют двигатель работать на умеренно бедной смеси, то будет небольшое увеличение топливной экономичности , иногда за счет увеличения выбросов NO x , гораздо более высоких температур выхлопных газов , а иногда и небольшого увеличения мощности, которое может быстро перейти в пропуски зажигания и резкую потерю мощности, а также потенциальное повреждение двигателя и каталитического нейтрализатора (из-за пропусков зажигания) при сверхбедных соотношениях воздух-топливо. Если модификации заставляют двигатель работать на богатой смеси, то будет небольшое увеличение мощности до определенной точки (после которой двигатель начинает захлебываться из-за слишком большого количества несгоревшего топлива), но за счет снижения топливной экономичности и увеличения несгоревших углеводородов в выхлопе, что вызывает перегрев каталитического нейтрализатора. Длительная работа на богатых смесях может привести к катастрофическому отказу каталитического нейтрализатора (см. обратный огонь ). ЭБУ также управляет синхронизацией зажигания двигателя и шириной импульса впрыска топлива, поэтому изменения, которые приводят к работе двигателя на слишком бедной или слишком богатой смеси, могут привести к неэффективному расходу топлива, когда топливо воспламеняется слишком рано или слишком поздно в цикле сгорания.
Когда двигатель внутреннего сгорания находится под высокой нагрузкой (например, широко открытая дроссельная заслонка ), выход датчика кислорода игнорируется, и ЭБУ автоматически обогащает смесь для защиты двигателя, так как пропуски зажигания под нагрузкой с гораздо большей вероятностью могут привести к повреждению. Это называется работой двигателя в «режиме открытого контура». Любые изменения выходного сигнала датчика будут игнорироваться в этом состоянии. Во многих автомобилях (за исключением некоторых моделей с турбонаддувом ) также игнорируются входные сигналы расходомера воздуха , так как в противном случае они могут снизить производительность двигателя из-за слишком богатой или слишком бедной смеси и увеличить риск повреждения двигателя из-за детонации , если смесь слишком бедная.
Датчики O2 обеспечивают обратную связь с компьютером двигателя (ЭБУ). Где применимо, бензиновые, пропановые и газовые двигатели оснащаются трехкомпонентными катализаторами для соответствия законодательству по выбросам на дорогах. Используя сигнал датчика O2, ЭБУ может управлять двигателем с соотношением воздух-топливо, очень близким к 14,7:1, что является идеальной рабочей смесью для эффективного трехкомпонентного катализатора. [2] Robert Bosch GmbH представила первый автомобильный лямбда-датчик в 1976 году, [3] и впервые он был использован Volvo и Saab в том же году. Датчики были представлены в США примерно с 1979 года и стали обязательными для всех моделей автомобилей во многих странах Европы в 1993 году. [ необходима цитата ]
Чувствительный элемент представляет собой керамический цилиндр, покрытый внутри и снаружи пористыми платиновыми электродами; вся сборка защищена металлической сеткой. Он работает, измеряя разницу в кислороде между выхлопными газами и наружным воздухом, и генерирует напряжение или изменяет свое сопротивление в зависимости от разницы между ними.
Датчики начинают работать эффективно только при нагревании примерно до 316 °C (600 °F ), поэтому большинство новых лямбда-зондов имеют нагревательные элементы, заключенные в керамику, которые быстро нагревают керамический наконечник до нужной температуры. Старые зонды без нагревательных элементов в конечном итоге нагревались бы выхлопными газами, но существует временная задержка между запуском двигателя и достижением теплового равновесия компонентами выхлопной системы. Продолжительность времени, необходимая выхлопным газам для нагрева зонда до нужной температуры, зависит от температуры окружающего воздуха и геометрии выхлопной системы. Без нагревателя этот процесс может занять несколько минут. Существуют проблемы с загрязнением, которые приписываются этому медленному процессу запуска, включая похожую проблему с рабочей температурой каталитического нейтрализатора.
Обычно к зонду подключено четыре провода: два для выхода лямбда и два для питания нагревателя, хотя некоторые автопроизводители используют металлический корпус в качестве заземления для сигнала сенсорного элемента, в результате чего получается три провода. Ранее неэлектрически нагреваемые датчики имели один или два провода.
Датчик лямбда на основе диоксида циркония или циркония основан на твердотельном электрохимическом топливном элементе, называемом ячейкой Нернста . Его два электрода обеспечивают выходное напряжение, соответствующее количеству кислорода в выхлопных газах по отношению к количеству кислорода в атмосфере.
Выходное напряжение 0,2 В (200 мВ) постоянного тока представляет собой «бедную смесь» топлива и кислорода, где количество кислорода, поступающего в цилиндр, достаточно для полного окисления оксида углерода (CO), образующегося при сгорании воздуха и топлива, в диоксид углерода (CO2 ) . Выходное напряжение 0,8 В (800 мВ) постоянного тока представляет собой «богатую смесь», которая содержит много несгоревшего топлива и мало оставшегося кислорода. Идеальная уставка составляет приблизительно 0,45 В (450 мВ) постоянного тока. Это когда количества воздуха и топлива находятся в оптимальном соотношении, что составляет ~0,5% бедной смеси от стехиометрической точки, так что выхлопные газы содержат минимальное количество оксида углерода.
Напряжение, вырабатываемое датчиком, нелинейно по отношению к концентрации кислорода. Датчик наиболее чувствителен вблизи стехиометрической точки (где λ = 1) и менее чувствителен, когда смесь очень бедная или очень богатая.
ЭБУ — это система управления , которая использует обратную связь от датчика для регулировки топливно-воздушной смеси. Как и во всех системах управления, постоянная времени датчика важна; способность ЭБУ контролировать соотношение топлива и воздуха зависит от времени отклика датчика. Стареющий или загрязненный датчик, как правило, имеет более медленное время отклика, что может ухудшить производительность системы. Чем короче период времени, тем выше так называемый «перекрестный счет» [4] и тем более чувствительна система.
Датчик имеет прочную конструкцию из нержавеющей стали внутри и снаружи. Благодаря этому датчик обладает высокой устойчивостью к коррозии, что позволяет эффективно использовать его в агрессивных средах с высокой температурой/давлением.
Датчик на основе оксида циркония относится к «узкополосному» типу, что означает узкий диапазон соотношений топлива и воздуха, на который он реагирует.
Разновидность датчика на основе циркония, называемая «широкополосным» датчиком, была представлена NTK в 1992 году [5] и широко использовалась в системах управления двигателем автомобиля для удовлетворения постоянно растущих требований к лучшей экономии топлива, снижению выбросов и повышению производительности двигателя в то же время. [6] Он основан на плоском элементе из циркония, но также включает в себя электрохимический газовый насос. Электронная схема, содержащая контур обратной связи , управляет током газового насоса, чтобы поддерживать постоянный выход электрохимической ячейки, так что ток насоса напрямую указывает на содержание кислорода в выхлопных газах. Этот датчик устраняет цикличность обедненная-богатая смесь, присущую узкополосным датчикам, позволяя блоку управления гораздо быстрее регулировать подачу топлива и момент зажигания двигателя. В автомобильной промышленности этот датчик также называется датчиком UEGO (универсальный датчик кислорода выхлопных газов). Датчики UEGO также широко используются в послепродажной динамической настройке и высокопроизводительном оборудовании для отображения воздушно-топливной смеси водителя. Широкополосный циркониевый датчик используется в системах послойного впрыска топлива и теперь может использоваться также в дизельных двигателях для соблюдения будущих ограничений по выбросам EURO и ULEV.
Широкополосные датчики состоят из трех элементов:
Схема электропроводки широкополосного датчика обычно имеет шесть проводов:
Менее распространенный тип узкополосного лямбда-зонда имеет керамический элемент из титана ( диоксид титана ). Этот тип не генерирует собственное напряжение, а изменяет свое электрическое сопротивление в ответ на концентрацию кислорода. Сопротивление титана является функцией парциального давления кислорода и температуры. Поэтому некоторые датчики используются с датчиком температуры газа, чтобы компенсировать изменение сопротивления из-за температуры. Значение сопротивления при любой температуре составляет около 1/1000 изменения концентрации кислорода. К счастью, при λ = 1 происходит большое изменение кислорода, поэтому изменение сопротивления обычно составляет 1000 раз между богатой и бедной смесью в зависимости от температуры.
Так как титан является полупроводником N-типа со структурой TiO2 − x , то дефекты x в кристаллической решетке проводят заряд. Таким образом, для богатого топливом выхлопа (более низкая концентрация кислорода) сопротивление низкое, а для бедного топлива выхлопа (более высокая концентрация кислорода) сопротивление высокое. Блок управления питает датчик небольшим электрическим током и измеряет результирующее падение напряжения на датчике, которое варьируется от почти 0 вольт до примерно 5 вольт. Как и циркониевый датчик, этот тип является нелинейным, поэтому его иногда упрощенно описывают как двоичный индикатор, показывающий либо «богатый», либо «бедный». Датчики из титана дороже циркониевых, но они также реагируют быстрее.
В автомобильных приложениях датчик на основе титана, в отличие от датчика на основе циркония, не требует эталонного образца атмосферного воздуха для правильной работы. Это упрощает проектирование узла датчика с защитой от попадания воды. В то время как большинство автомобильных датчиков являются погружными, датчикам на основе циркония требуется очень небольшой запас эталонного воздуха из атмосферы. Теоретически жгут проводов датчика и разъем герметичны. Предполагается, что воздух, который просачивается через жгут проводов к датчику, поступает из открытой точки в жгуте — обычно из ЭБУ, который размещен в закрытом пространстве, например, в багажнике или салоне автомобиля.
Зонд обычно ввинчивается в резьбовое отверстие в выхлопной системе, расположенное после ответвления коллектора выхлопной системы и перед каталитическим нейтрализатором. Новые автомобили должны иметь датчик до и после катализатора выхлопных газов, чтобы соответствовать нормам США, требующим, чтобы все компоненты выбросов контролировались на предмет неисправности. Сигналы до и после катализатора контролируются для определения эффективности катализатора, и если нейтрализатор не работает так, как ожидалось, предупреждение передается пользователю через бортовые диагностические системы, например, загоранием индикатора на приборной панели автомобиля. Кроме того, некоторые каталитические системы требуют коротких циклов обедненного (содержащего кислород) газа для загрузки катализатора и содействия дополнительному снижению окисления нежелательных компонентов выхлопных газов.
Соотношение воздух-топливо и, естественно, состояние датчика можно контролировать с помощью измерителя соотношения воздух-топливо , который отображает выходное напряжение датчика.
Обычно срок службы ненагреваемого датчика составляет около 30 000–50 000 миль (от 50 000 до 80 000 км). Срок службы нагреваемого датчика обычно составляет 100 000 миль (160 000 км). Выход из строя ненагреваемого датчика обычно вызван накоплением сажи на керамическом элементе, что увеличивает время его отклика и может привести к полной потере способности определять кислород. Для нагреваемых датчиков обычные отложения сжигаются во время работы, а выход из строя происходит из-за истощения катализатора. Затем датчик имеет тенденцию сообщать о бедной смеси, ЭБУ обогащает смесь, выхлоп обогащается оксидом углерода и углеводородами, и экономия топлива ухудшается.
Этилированный бензин загрязняет кислородные датчики и каталитические нейтрализаторы. Большинство кислородных датчиков рассчитаны на определенный срок службы в присутствии этилированного бензина, но срок службы датчика сократится до 15 000 миль (24 000 км) в зависимости от концентрации свинца. Датчики, поврежденные свинцом, обычно имеют обесцвеченные кончики со светлой ржавчиной.
Другой распространенной причиной преждевременного выхода из строя лямбда-зондов является загрязнение топлива силиконами ( используются в некоторых уплотнениях и смазках ) или силикатами (используются в качестве ингибиторов коррозии в некоторых антифризах ). В этом случае отложения на датчике имеют цвет от блестяще-белого до зернистого светло-серого.
Утечки масла в двигатель могут привести к образованию на кончике зонда маслянистого черного налета, что приведет к потере реакции.
Слишком богатая смесь приводит к образованию черного порошкообразного осадка на зонде. Это может быть вызвано отказом самого зонда или проблемой в другом месте системы подачи топлива.
Подача внешнего напряжения на циркониевые датчики, например, путем проверки их с помощью некоторых типов омметров , может привести к их повреждению.
В некоторых датчиках имеется воздухозаборник в проводе, поэтому загрязнения из провода, вызванные утечками воды или масла, могут попасть в датчик и привести к его неисправности. [7]
Симптомы неисправности датчика кислорода [8] включают:
Тип датчика кислорода, используемый в большинстве подводных погружений, — это электрогальванический датчик кислорода , тип топливного элемента, который иногда называют анализатором кислорода или измерителем ppO 2 . Они используются для измерения концентрации кислорода в смесях дыхательных газов, таких как нитрокс и тримикс . [9] Они также используются в механизмах контроля кислорода замкнутых ребризеров для поддержания парциального давления кислорода в безопасных пределах. [10] и для контроля содержания кислорода в дыхательном газе в системах насыщения дайвинга и в смешанном газе, подаваемом с поверхности. Этот тип датчика работает путем измерения напряжения, генерируемого небольшим электрогальваническим топливным элементом .
В исследованиях почвенного дыхания датчики кислорода могут использоваться совместно с датчиками углекислого газа для улучшения характеристики почвенного дыхания . Обычно датчики почвенного кислорода используют гальванический элемент для создания тока, пропорционального измеряемой концентрации кислорода. Эти датчики закапываются на разной глубине для мониторинга истощения кислорода с течением времени, которое затем используется для прогнозирования скорости почвенного дыхания. Как правило, эти почвенные датчики оснащены встроенным нагревателем для предотвращения образования конденсата на проницаемой мембране, поскольку относительная влажность в почве может достигать 100%. [11]
В морской биологии или лимнологии измерения кислорода обычно проводятся для измерения дыхания сообщества или организма, но также используются для измерения первичной продукции водорослей . Традиционным способом измерения концентрации кислорода в образце воды было использование методов мокрой химии, например, метода титрования Винклера . Однако существуют коммерчески доступные датчики кислорода, которые измеряют концентрацию кислорода в жидкостях с большой точностью. Существует два типа датчиков кислорода: электроды (электрохимические датчики) и оптоды (оптические датчики).
На пивоваренных заводах растворенный кислород измеряется в нескольких местах в ходе производственной операции пива, от контроля DO (растворенного кислорода) при аэрации сусла до измерения с помощью датчика следов кислорода (низкий PPB; низкий уровень частей на миллиард) на линии розлива. Эти измерения проводятся либо с помощью встроенного датчика растворенного кислорода, либо с помощью переносного измерителя растворенного кислорода. [12]
Датчики кислорода играют важную роль в производстве активных фармацевтических ингредиентов , изготавливаемых в биореакторе путем культивирования клеток или ферментации . Поскольку кислород важен для клеточного дыхания, датчик кислорода обеспечивает важнейшее измерение, чтобы гарантировать, что клетки в биореакторе получают кислород, необходимый для максимизации производства. Точность датчика кислорода имеет решающее значение, поскольку недостаток кислорода отрицательно влияет на производительность, а избыток кислорода может привести к изменениям в метаболизме клеток. В биореакторах датчики кислорода могут быть установлены вертикально или под углом. Для вертикальных установок датчики кислорода с угловым наконечником помогают обеспечить точные показания. [13]
Электрод типа Кларка является наиболее используемым датчиком кислорода для измерения кислорода, растворенного в жидкости. Основной принцип заключается в том, что есть катод и анод, погруженные в электролит . Кислород поступает в датчик через проницаемую мембрану путем диффузии и восстанавливается на катоде, создавая измеряемый электрический ток.
Между концентрацией кислорода и электрическим током существует линейная зависимость. С помощью двухточечной калибровки (0% и 100% насыщения воздуха) можно измерить кислород в образце.
Одним из недостатков этого подхода является то, что кислород потребляется во время измерения со скоростью, равной диффузии в датчике. Это означает, что датчик необходимо перемешивать, чтобы получить правильное измерение и избежать застоя воды . С увеличением размера датчика потребление кислорода увеличивается, а также увеличивается чувствительность перемешивания. В больших датчиках также наблюдается дрейф сигнала с течением времени из-за потребления электролита. Однако датчики типа Кларка можно сделать очень маленькими с размером наконечника 10 мкм. Потребление кислорода таким микродатчиком настолько мало, что он практически нечувствителен к перемешиванию и может использоваться в застойных средах, таких как отложения или внутри растительной ткани.
Кислородный оптод — это датчик, работающий на основе оптического измерения концентрации кислорода. Химическая пленка приклеивается к концу оптического кабеля, и флуоресцентные свойства этой пленки зависят от концентрации кислорода. Флуоресценция максимальна, когда кислорода нет. Чем выше концентрация кислорода, тем короче время жизни флуоресценции. [ 14] Когда молекула O 2 попадает на пленку, она сталкивается с ней, и это гасит фотолюминесценцию . При заданной концентрации кислорода в любой момент времени с пленкой будет сталкиваться определенное количество молекул O 2 , а флуоресцентные свойства будут стабильными.
Соотношение сигнала (флуоресценции) к кислороду не является линейным, и оптод наиболее чувствителен при низкой концентрации кислорода. То есть, чувствительность уменьшается с увеличением концентрации кислорода, следуя соотношению Штерна-Фольмера . Датчики оптода, однако, могут работать во всем диапазоне от 0% до 100% насыщения воды кислородом, и калибровка выполняется так же, как и с датчиком типа Кларка. Кислород не потребляется, и, следовательно, датчик нечувствителен к перемешиванию, но сигнал стабилизируется быстрее, если датчик перемешивается после помещения в образец. Этот тип электродных датчиков может использоваться для мониторинга in situ и в реальном времени производства кислорода в реакциях расщепления воды. Платинированные электроды могут осуществлять мониторинг в реальном времени производства водорода в устройстве расщепления воды.
Планарные оптоды используются для обнаружения пространственного распределения концентраций кислорода в платинированной фольге. Основываясь на том же принципе, что и оптоды, цифровая камера используется для захвата интенсивности флуоресценции в определенной области.
{{cite book}}: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}: CS1 maint: unfit URL (link)