Датчики кислорода (l - 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, содержащегося в смеси газов.

Парциальным давлением газа называется давление, которое оказывал бы 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 21 % кислорода по объему, то его парциальное давление равно 0,21 бар.

Циркониевый датчик (рис. 1) имеет два электрода – внешний 4 и внутренний 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.

			Рис. 1. Схема циркониевого датчика кислорода: 1. Электропроводное уплотнение. 2. Корпус. 3. Твердый электролит. 4. Внешний электрод. 5. Внутренний электрод

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 (a <1), датчик, как гальванический элемент, генерирует напряжение порядка 700 ‑ 1000 мВ. При переходе на обедненную смесь (a >1) парциальное давление кислорода в отработанных газах заметно увеличивается, что приводит к резкому падению напряжения на выходе датчика до 50 –100 мВ (рис. 2).

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 на рис. 3.

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.

Контрольные вопросы

1. На каком принципе основана работа датчиков кислорода?

2. Зачем измеряется содержание кислорода в выхлопных газах ДВС?