Датчики концентрации>

Концентрация газовой среды определяет массовую или объемную долю данного ма­териала в другой среде или смеси или в со­четании с другими материалами. В случае с датчиком концентрации важно, чтобы в иде­альном случае он был чувствителен только к одной среде и в то же время практически «игнорировал» все другие среды. Вот о том, какими бывают датчики концентрации на автомобиле, мы и поговорим в этой статье.

Что измеряют датчики концентрации

Конечно, на практике любой датчик концентрации имеет собственную перекрестную чувствительность к другим средам, хотя, как это часто бывает, «температура» и «давление» поддержива­ются постоянными. Кроме того, эти датчики, как правило незащищенные от посторонних веществ, рискуют получить необратимые по­вреждения («отравление» датчика). Напри­мер, электролитические датчики концентра­ции кислорода («лямбда-зонды») выходят из строя под воздействием свинца, который может содержаться в отработавших газах.

В автомобиле необходимо измерять следую­щие переменные:

• Содержание кислорода в выхлопе (управление сгоранием с обратной свя­зью, контроль каталитического нейтра­лизатора);
• Содержание СО и NО_х, а также влажность воздуха внутри автомобиля (качество воз­духа, запотевание стекол);
• Влажность в тормозной пневмосистеме (контроль воздухоосушителя);
• Влажность наружного воздуха (предупреждение о гололеде).

Уже давно преследуется цель измерения кон­центрации сажи в выхлопе, особенно у ди­зельных двигателей. Эта задача усложняется тем, что датчик может засориться частицами сажи до такой степени, что перестанет рабо­тать.

Появление топливных элементов в каче­стве как автомобильной системы привода означает необходимость разработки новых газовых датчиков, например, для обнаруже­ния водорода.

Применение датчиков концентрации

Датчик концентрации кислорода (лямбда-зонд)

В системах дозирования топлива содержание остаточного кислорода в отработавших газах, измеренное датчиком O₂, используется для точного контроля сгорания топливовоздушной смеси. Состав смеси регулируется довольно точно для достижения коэффициента избытка воздуха λ = 1 (стехиометрическая смесь). Твер­дый электролит из керамического материала ZrO становится электрически проводимым для ионов кислорода при высоких температурах (> 300 °С). На контактах датчика, выполненных в виде пористых платиновых толстопленочных электродов, покрытых слоем керамической шпинели, генерируется гальванический заряд U_s. Этот заряд также называют напряжением Нернста (рис. «Кривая напряжения двухступенчатого лямбда-зонда для различных рабочих температур» ):

U_s = (R·T/4·F )·ln(p0₂”/p0₂ ’)

где:

ро₂ — парциальное давление кислорода;

R — газовая постоянная;

Т- абсолютная температура;

F— постоянная Фарадея.

Напряжение сильнее всего меняется при λ = 1. Электрически подогреваемые датчики особенно удобны для измерений параметров двигателя, работающего на обедненной то­пливной смеси. Они работоспособны и во время прогрева двигателя.

Описанный датчик кислорода, называемый также ячейкой Нернста, может работать и в обратном режиме, как «насос»; т.е. при по­даче на него напряжения он транспортирует ионы кислорода в направлении падения на­пряжения (см. «Широкополосный датчик LSU»). Даже генерируемый предельный ток характеристически зависит от парциального давления ро₂’ и р₀₂” на концах датчика.

Лямбда-зонды изготавливаются не только в пальчиковом дизайне (рис. Пальчиковый лямбда-зонд в выхлопной трубе» ), но и в форме с многослойных керамических пластинок с прямоугольными профилями (рис. «Плоский лямбда-зонд» ). Корпус и контакты должны выдерживать даже самые большие температуры отработавших газов (≈ 1000 °С) в течение достаточно длитель­ного времени.

Для обедненных рабочих смесей используются «пластинчатые» датчики меньшего размера с многослойной керамической конструкцией (широкодиапазонные «лямбда-зонды»); такой датчик может использоваться как в бензино­вых, так и дизельных двигателях (рис. «Широкополосный лямбда-зонд» ). Как правило, он представляет собой сочетание датчика, работающего как гальванический элемент (датчик Нернста), и электролизера с прокачкой электролита (элемента накачки). Напряжение к элементу накачки, который конструктивно не отличается от стандартного элемента кон­центрации кислорода, подается от внешнего источника. Если напряжение является доста­точно высоким, устанавливается «предельный электрический ток», пропорциональный раз­ности концентрации кислорода на обоих кон­цах датчика (рис. «Сигнал широкодиапазонного лямбда-зонда» ). Ионы кислорода — в зависимости от полярности — переносятся током. Элемент накачки постоянно подпитывает датчик кон­центрации через очень узкий диффузионный промежуток с точно достаточным количеством кислорода из выхлопа, чтобы поддерживать уровень λ = 1 в датчике. То есть, кислород от­качивается в случае избытка воздуха в отрабо­тавших газах (обедненный диапазон); в случае низкого остаточного количества кислорода в отработавшем газе (обогащенный режим) кис­лород накачивается посредством реверсиро­вания напряжения накачки. Соответствующая токовая накачка формирует выходной сигнал.

Датчик качества воздуха

Датчики, особенно реагирующие на токсич­ные компоненты выхлопа — СО (в основном, у двигателей с искровым зажиганием) и NO_x (в основном, у дизельных двигателей), по­стоянно проверяют качество воздуха на впу­ске системы вентиляции. Если концентрация токсичных газов слишком высока, то ЭБУ ка­чества воздуха закрывает заслонки свежего воздуха, предотвращая преждевременное утомление водителя из-за вдыхания этих га­зов, концентрация которых время от времени может в 100 раз превышать концентрацию в чистом воздухе. Здесь датчик СО изме­ряет концентрации в диапазоне 10-100 ppm (частей на миллион, или 10^-6), а датчик NO_x — в диапазоне 0,5-5 ppm. Срок службы фильтров с активированным углем увеличи­вается путем уменьшения количества этих загрязняющих веществ.

Эти датчики выполняются в виде толсто­пленочных резисторов, содержащих оксид олова, на котором могут обратимо откла­дываться измеряемые вещества. Здесь они иногда очень сильно изменяют свое электри­ческое сопротивление в широком диапазоне (например, 1-100 кОм). Датчики-резисторы размещаются на общей керамической под­ложке, нагреваемой с обратной стороны нагревательным проводником до рабочей температуры порядка 330 °С.

У более новых ЭБУ качества воздуха также имеется датчик влажности, сигнал которого можно использовать в сочетании с внутрен­ней температурой, измеряемой другими средствами для вычисления точки росы (за­потевание стекол автомобиля).

Измерение влажности

Влажность в широком смысле показывает содержание воды в газах, жидкостях и твер­дых веществах; однако здесь это понятие используется в более узком смысле для обозначения содержания газообразной воды (водяного пара) в газах — предпочтительно в воздухе.

Для определения относительной влажно­сти, в основном, используются емкостные и резистивные датчики. Датчик этого типа состоит из тонкопленочного полимера с ме­таллическим покрытием на обеих сторонах. Емкость этого конденсатора значительно уменьшается по мере адсорбции воды (рис. «Типичные характеристические кривые для резистивного и емкостного датчиков влажности» ).

По­стоянная времени обычно составляет при­близительно 30 с. Точка росы может быть также определена путем дополнительного измерения температуры воздуха.

При установке, например, в ECU качества воздуха, датчик от вредных примесей защи­щает тефлоновая диафрагма.