Поясніть принцип дії λ-сенсорів резитивного та потенціометричного типів

Основна причина такого попиту на ці прилади – нові санітарні вимоги в розвинутих країнах щодо зменшення токсичних викидів автомобілів через неповне згоряння палива. Для двигунів внутрішнього згоряння необхідно оптимізувати парціальний тиск кисню та інших газів біля точки запалення горючої суміші, яка називається λ -точкою. Тому прилади, які вимірюють концентрацію O₂, й отримали таку назву.

У резистивних λ -сенсорах співвідношення між провідністю та парціальним тиском кисню можна записати як:

(2.28)

де С – стала, Еа – активаційна енергія для об'ємної провідності. Величина чутливості m до кисню визначається типом дефектів, які беруть участь у електричній провідності. Якщо дефектами є двічі іонізовані вакансії кисню, то m = –1/6, якщо дефектами є вакансії металів, то величина чутливості буде іншою. Цікавою є поведінка сенсора на основі SrTiO₂, який має різні механізми провідності в трьох областях концентрацій кисню. Зі збільшенням парціального тиску кисню m зростає від –1/6 до –1/4 і дорівнює +1/4 при Р_О2 =1атм, тобто при підвищенні парціального тиску кисню провідність спочатку зменшується, а потім починає збільшуватись.

У потенціометричних λ -сенсорах використовують твердотільний електроліт ZrO₂, який має високу іонну та майже відсутню електронну провідність. Схему сенсора показано на рис. 2.10. У ньому відбувається рух (прокачування) іонів кисню O₂- від катода до анода крізь твердотільний електроліт за рахунок прикладання зовнішньої напруги прокачування Up. Електричний струм Ip відповідає струму іонів O₂-кисню і, відповідно, потоку молекул кисню ,які дифундують до катода з вихлопного газу:

(2.29) де F – стала Фарадея.

Рис. 2.10. Принцип дії λ -сенсора на основі ZrO2

Кисень з вихлопу направляється на катод крізь дифузійний бар'єр, який уповільнює потік молекул кисню до електрода. Тому дифузійний струм молекул кисню залежить від градієнта концентрації кисню уздовж дифузійного бар'єра, ефективного дифузійного перерізу S та ефективного коефіцієнта дифузії D_O2:

(2.30)

Зі збільшенням напруги прокачування Up струм лінійно зростає відповідно до величини внутрішнього опору комірки (рис. 2.11, а). При цьому концентрація кисню на катоді зменшується до нуля і в результаті спостерігається насичення (обмеження) струму при напругах Up, вищих за порогову. Струм обмеження I_L, який визначається з умови [O₂]= 0 на

катоді пропорційний концентрації кисню в газах вихлопу [O₂]:

(2.31) де L – ефективна дифузійна довжина.

Рис. 2.11. ВАХ (а) і вихідна характеристика сенсора: залежність струму обмеження від концентрації кисню λ -сенсора до та після калібровки приладу (б)

Якщо напруга Up>1В в області обмеження струму коли [O₂]=0, то іони кисню утворюються за рахунок розриву зв'язків у молекулах Н₂О та СО₂. Подальше підвищення напруги Up, особливо за умов відсутності у вихлопному газі О₂, Н₂О та СО₂, веде до часткового руйнування кераміки. Налагодження карбюратора за допомогою λ -сенсора (рис. 2.11, б) дозволяє підняти ефективність згоряння палива у двигуні (зменшити кількість кисню у вихлопі).