بررسی کامل سنسور اکسيژن خودرو و ۲ نوع اصلی آن

سنسور اکسيژن بر اساس راساناهاي يوني (ZrO2) يا نيمه‌رساناهاي يوني (TiO2 , Nb2O5) عمل مي‌کند. سنسورهاي حالت جامد که آشکارساز گسترۀ وسيعي از پديده‌ها همچون تشعشع، مکانيکي، الکتريکي، مغناطيسي و شيميايي هستند، بسیار مورد توجه قرار گرفته اند.

در ادامه به بررسی کامل انواع سنسور های اکسیژن بر اساس پایه های رسانا و نیمه رسانا و همچنین عملکرد آنها میپردازیم.  همچنین برای آشنایی بیشتر با دیگر بخش های خودرو مثل فیلتر روغن، مقالات رینگ اسپرت را در بخش گاراژ دنبال کنید…

سنسورها با پايۀ رساناهاي يوني

سنسور اکسيژن بر اساس اصل سلول متمرکز کار مي‌کند که رساناي يون اکسيژن ( زيرکونيم ) به عنوان الکتروليت عمل مي‌کند. همچنین دو قسمت با پتانسیل اکسیژن متفاوت ( µO2 ) را از هم جدا می کند. اين سلول به صورت زير نمايش داده مي‌شود:

رینگ اسپرت شما را به مشاهده تست و بررسی برلیانس C3 کراس دعوت میکند.

که Me نشان‌دهندۀ يک الکترود رساناي الکتريکي است.

مدار باز emf سلول براي اتمسفر حالت گاز که تمرکز اکسيژن به وسيلۀ فشار جزئي Po2 نمايش داده مي‌شود به صورت زير است:

الکتروليت يک رساناي الکتريکي ايده‌آل است ( ۱.۰ = (ion)T ). بنابراين معادله فوق به معادله معروف “Nernst” تبديل مي‌شود:

که R ، T و F به ترتيب ثابت گاز، دماي مطلق و ثابت فارادي هستند. با داشتن مقدار مرجع فشار ( براي مثال اين نقدار براي هوا ۰.۲۱ است)، مجهول رابطه فوق که فشار اکسيژن است به راحتي قابل محاسبه خواهد بود. ( دقت کنيد مقدار E_۰ به صورت عملي قابل اندازه‌گيري است)

از جمله مزاياي اين نوع سنسور اکسيژن مي‌توان به  موارد زير اشاره کرد:

• اندازه‌گيري سريع و پيوسته
• خروجي سنسور يک سيگنال الکتريکي است مي‌تواند در انواع پردازنده‌هاي الکتريکي استفاده شود
• دقت
• طراحي ساده
• وابستگي ناچيز به دما

الکتروليت

بيشترين الکتروليتي که مصرف مي‌شود زيرکونيا (ZrO_۲) است که با Y_۲O_۳ ، MgO و CaO دوپ شده مي‌باشد. زيرکونياي دوپ شده داراي ساختار فلوريت مکعبي با جاخالي‌هاي آنيوني مي‌باشد. از بين موارد بالا ترجيحا از Y_۲O_۳ استفاده مي‌شود چرا که داراي رسانش الکتريکي بالاتر است. گاهي اوقات بخشي از Y_۲O_۳ را با MgO جايگزين مي‌کنند تا هم قيمت تمام شدۀ محصول کاهش پيدا کند و هم مقاومت ماده در برابر شوک‌هاي گرمايي افزايش يابد.

در طراحي‌هاي خاصي از سنسور، الکتروليت زيرکونيا به لوله آلومينيومي بسته مي‌شود. در اين صورت، انقباض گرمايي دو ماده با يکديگر بايد هماهنگي داشته باشد. اين امر توسط افزودن مقداري Al_۲O_۳ به زيرکونيايي دوپ شده صورت مي‌گيرد. دقت کنيد استفاده از CaO به علت واکنشي که با Al_۲O_۳ مي‌دهد مطلوب نيست و ناپايدار خواهد بود. افزودن ۲۰% وزني Al_۲O_۳ به ساختار چهاروجهي کريستال‌های پایدار زیرکونیای دوپ شده با Y_۲O_۳، قدرت رسانایی سرامیک حاصل را افزایش می‌دهد.

همچنین برای افزایش هرچه بیشتر قدرت رسانش می‌توان از زیرکونیای دوپ شده با Sc_۲O_۳ به همراه یا عدم همراهی Al_۲O_۳ استفاده کرد. باید توجه داشت با این کار عملکرد سنسور اکسيژن در دماهای زیر ۴۰۰℃ قابل قبول خواهد بود.

الکترود

پلاتین تا کنون معمول‌ترین الکترود مورد استفاده در سنسور اکسيژن بوده است. علت این امر، پایداری دمایی بالا، بی تحرکی و خواص کاتالیستی آن است. اما با این حال هیچ ماده‌ای بی‌نقص نیست و پلاتین نیز علاوه بر قیمت بالای آن، دارای معایب زیر می‌باشد:

• فرار شدن در دماهای بالا
• پخت و رشد دانه در طول استفاده طولانی مدت

بستگی قوی سینتیک الکترود به ریزساختار در این حالت به این علت است که واکنش‌های رد و بدل اکسیژن عمدتا نزدیک سطح سه فازی گاز/الکترود/الکترولیت رخ می‌دهد. الکتوردهای پلاتین به روش‌های مختلفی همچون نقاشی، پاشش، پرینت و تبخیر به مجموعه اضافه می‌شوند. هر فاز شیشه‌ای در الکترود باعث از کار افتادن آن خواهد شد. مواد دیگری همچون نقره نیز برای الکترود پیشنهاد شده است که به علت خاصیت حلالیتی که برای اکسیژن دارد، کمتر به ریزساختار وابسته است. با این حال، نقطه ذوب پایین و فراریت بالا از کاربردهای آن کاهیده است.

عملکرد

درحالی که انتظار می‌رود سنسور اکسيژن زیرکونیا به تغییرات جزئی فشار اکسیژن در بازه زمانی چند میلی‌ثانیه واکنش نشان دهد، نسخه‌های تجاری این سنسورها عمدتا عملکرد ضعیف ‌تری دارد. علت این امر وجود برخی ناخالصی‌ها همچون سیلیکات‌ها، مونوکلینیک و زیرکونیای چهاروجهی در مرزدانه است. به همین خاطر استفاده از خالص‌ ترین مواد ممکن در مراحل ساخت الکترولیت از لزومات است.

نتایج حاصل از ۵  تست که در ۶ آزمایشگاه تکرار شده است نشان می‌دهد که سنسور اکسيژن با شرط گفته شده عملکرد خوبی داشته و با خطای ۱-۲% از قانون “Nernst” پیروی می‌کند. خطاهای اندازه‌گیری Po2  به صورت خطی با emf، تغییرات دمایی (کنار الکترولیت و در طول الکترود)، و رابطه عکس با مجذور دما، تغییر پیدا می‌کنند. بنابراین برای حاصل شدن یک عملکرد مطلوب از سنسور، اختلاف فشار جزئی اکسیژن در یک طرف و اختلاف دما در طرف دیگر رابطه باید به حداقل برسد. در این صورت، نحوه انتخاب نقطه مرجع (Partial Pressure) اهمیت فراوانی پیدا می‌کند.

سنسورها با پایۀ نیمه‌رساناها

یک اکسید فلزی گذرا که ظرفیت خود را بسته به اکسیژن محیط اطراف به گونۀ بازتولیدی که منجر به تغییر مقاومت الکتریکی آن می‌شود، تغییر می‎‌دهد. این مکانیزم کاندید سنسور اکسيژن است. از جمله این اکسیدهای فلزی می‌توان بهTiO2 و  Nb2O5 اشاره کرد.

تیتانیا (TiO2) موقعی نیمه‌رسانا است که ⁺Ti^۳ و ⁺Ti^۴ به صورت همزمان وجود داشته باشند. در این صورت مقاومت الکتریکی تیتانیا با دما و فشار جزئی اکسیژن مطابق رابطۀ زیر تغییر می‌کند:

برای مشاهده قیمت آنلاین خودرو کلیک نمایید.

که R_۰ و n ثابت هستند. E انرژی اولیه (activation energy)برای رسانایی است و K نیز ثابت بولتزمان می‌باشد.

الکترولیت

تنوع ویژگی‌های الکتریکی سه سنسور اکسيژن لایه نازک Nb2O5 ، سرامیک TiO2 و سرامیک ZrO2 نسبت به نسبت هوا به سوخت (A/F)  در شکل زیر قابل مشاهده است.

الکترود

به علت اینکه المان حسگر در این حالت خود یک رسانای الکتریکی است، هیچ الکترودی مجزایی بر خلاف حالت رسانای یونی نیاز نیست. تنها سرب‌های فلزی مورد نیاز است  که معمولا شامل سیم‌های پلاتینی (Pt) جاسازی‌شده در سرامیک‌های تیتانیا می‌شوند. با این حال، خواص کاتالیزوری تیتانیا را می‌توان با افزودن پلاتین افزایش داد تا زمان واکنش کمتر شود.

عملکرد

تغییر ناگهانی در مقاومت در نسبت A/F استوکیومتریک برای اهداف کنترلی استفاده می‌شود. از مزایای این سنسور اکسيژن می‌توان به اندازه کوچک، طراحی ساده (چون هیچ الکترود مرجعی نیاز نیست) و قیمت پایین اشاره کرد. با این حال، “بازتولیدی” یک مشکل عمده در این نوع سنسور است چون عملکرد سنسور به شدت وابسته به نسبت ترکیبات عناصر و درصد خلل و فرج سرامیک است.

شکل های زیر دو نمونه از شماتیک سنسورهای مورد استفاده در خودرو را نشان می‌دهد. توجه داشته باشید مورد اول مربوط به ZrO2 و مورد دوم مربوط به TiO2 می‌باشد.

اگر به حوزه تیونینگ علاقه مند هستید کلیک نمایید.

در آخر شما را به ویدیویی مرتبط با این مقاله دعوت می کنم .

سوالات متداول