Лабораторная работа № 7 датчики кислорода ( - зонды)

Известны два типа датчиков, реагирующих на содержание кислорода. В одном из них чувствительным элементом является диоксид циркония ZrO₂, во втором – диоксид титана TiO₂. Оба типа датчиков реагируют на парциальное давление кислорода.

Парциальным давлением газа называется давление, которое оказывает этот газ на стенки сосуда, в который он помещен, если бы этот газ занимал весь объем сосуда. Например, если атмосферное давление равно 1 бар, а в атмосфере содержится 20 % кислорода, то его парциальное давление равно 0,2 бар.

Циркониевый датчик имеет два электрода – внешний 4 и внутренний 5.

U_ВЫХ

_

1

+

2

Схема циркониевого датчика кислорода:

1. Электропроводное уплотнение.

2. Корпус.

3. Твердый электролит. 4. Внешний электрод. 5. Внутренний электрод

3

4

5

Оба электрода выполнены из пористой платины или ее сплава и разделены слоем твердого электролита, которым является диоксид циркония ZrO₂ с добавлением оксида иттрия Y₂O₃ для повышения ионной проводимости.

Среда, окружающая внутренний электрод 5, имеет постоянное парциальное давление кислорода (эталон). Внешний электрод омывается потоком отработанных газов выпускного тракта двигателя, в которых парциальное давление кислорода является величиной переменной.

Ионная проводимость твердого электролита, возникающая вследствие разности парциальных давлений кислорода на внешнем и внутреннем электродах, обусловливает появление разности потенциалов между ними (U_ВЫХ).

При низком уровне парциального давления кислорода в отработанных газах, когда двигатель работает на обогащенной смеси (1), датчик, как гальванический элемент, генерирует напряжение порядка 700 ‑ 1000 мВ. При переходе на обедненную смесь (1) парциальное давление кислорода в отработанных газах заметно увеличивается, что приводит к резкому падению напряжения на выходе датчика до 50 –100 мВ.

Такое резкое падение напряжения при небольшом изменении парциального давления кислорода, сопровождающее переход от обогащенной к обедненной смеси, позволяет определять состав смеси с погрешностью не более  5 %.

Конструкция датчика кислорода на основе диоксида циркония показана ниже.

Конструктивная схема циркониевого датчика кислорода:

1. Металлический корпус. 2. Уплотнение. 3. Соединительный кабель. 4. Кожух. 5. Контактный стержень. 6. Активный элемент из двуокиси циркония. 7. Защитный колпачок с прорезями

Принцип работы датчика кислорода на основе двуокиси титана TiO₂ основан на изменении электропроводности TiO₂ при изменении парциального давления кислорода в выхлопных газах. Принципиальных отличий в его конструкции по сравнению с вышеописанным циркониевым датчиком нет. Чувствительный элемент из двуокиси титана, закрытый кожухом с отверстиями или прорезями, установлен в металлическом корпусе, от которого он защищен изолятором.