سنسور اکسیژن یک وسیله الکترونیکی است که نسبت اکسیژن موجود در گاز یا مایع موردتجزیه و تحلیل را اندازهگیری میکند. این سنسور توسط رابرت بوش در اواخر دهه 1960 تحت نظارت دکتر گونتر بامان توسعه داده شد. عنصر سنجش اولیه با یک سرامیک زیرکونیا به شکل انگشتی عرضه شد. سنسور سبک مسطح در سال 1990 وارد بازار شد. این نسل از سنسور جرم کمتری نسبت به نسل قبلی خود داشت. در نتیجه این سنسور بسیار سریعتر از نسل قبلی خود پاسخ میداد.
متداولترین کاربرد سنسور اکسیژن اندازهگیری غلظت گاز اکسیژن برای موتورهای احتراق داخلی در اتومبیلها و سایر وسایل نقلیه است. این اندازهگیری به منظور محاسبه و در صورت لزوم، تنظیم دینامیکی نسبت سوخت و هوا است. تنظیم دینامیکی باعث میشود تا مبدلهای کاتالیستی بتوانند بهینه کار کنند. غواصان نیز برای اندازهگیری فشار جزئی اکسیژن موجود در گاز تنفس خود از این ابزار دقیق بهره میبرند. دانشمندان از سنسورهای اکسیژن برای اندازهگیری تنفس یا تولید اکسیژن در گیاهان استفاده میکنند. از حسگرهای اکسیژن در آنالایزرهای اکسیژن با کاربردهای پزشکی استفاده میشود. برخی از این کاربردها عبارتند از:
- مانیتورهای بیهوشی
- دستگاه تنفس
- تغلیظ کننده های اکسیژن
از دیگر کاربرد سنسورهای اکسیژن در سیستمهای جلوگیری از آتشسوزی هوای هیپوکسیک است. به وسیلهی این سنسور در یک سیستم اتوماسیون میتوان غلظت اکسیژن را در حجمهای محافظت شده به طور مداوم کنترل کرد. روشهای زیادی برای اندازهگیری اکسیژن وجود دارد. این روشها شامل فناوریهایی مانند زیرکونیا، الکتروشیمیایی (گالوانیک)، روشهای مادون قرمز، اولتراسونیک و پارامغناطیسی لیزری است.
کاربردهای سنسور اکسیژن
کاربرد در خودرو
سنسورهای اکسیژن خودرو به صورت محاورهای به نام سنسور O2 شناخته میشوند. این سنسورها تزریق سوخت الکترونیکی مدرن و کنترل انتشار را ممکن میسازند. به کمک آنها میتوان نسبت هوا به سوخت موتور احتراق را تعیین کرد. سنسورهای اکسیژن در مسیر اگزوز قرار دارند، بههمیندلیل به طور مستقیم هوا یا سوخت وارد شده به موتور را اندازهگیری نمیکنند. هنگامی که اطلاعات مربوط به سنسورهای اکسیژن با اطلاعاتی از منابع دیگر همراه باشد، میتوان از آن برای تعیین غیرمستقیم نسبت هوا به سوخت استفاده کرد.
تزریق سوخت کنترل شده، خروجی انژکتور سوخت را با توجه به دادههای سنسور تغییر میدهد. این روش کنترل آلایندگی علاوه بر امکان تزریق سوخت به صورت الکترونیکی، میتواند مقدار سوخت احتراق نیافته و اکسیدهای نیتروژن ورودی به جو را کاهش دهد. سوختهای محترق نشده آلودگی را به شکل هیدروکربنهای قابل احتراق وارد هوا میکند. درحالی که اکسیدهای نیتروژن (گازهای NOx) حاصل دمای احتراق بیش از 1300 کلوین است. ولوو اولین تولید کننده خودرو بود که در اواخر دهه 1970 این فناوری را به کار گرفت.
روش عملکرد حسگر اکسیژن
این سنسور در واقع میزان اکسیژن را اندازهگیری نمیکند بلکه تفاوت بین میزان اکسیژن موجود در گازهای اگزوز و میزان اکسیژن موجود در هوا را نشان میدهد. مخلوط غنی از سوخت باعث تقاضای اکسیژن میشود. این تقاضا باعث میشود ولتاژ ایجاد شود. این ولتاژ به دلیل انتقال یونهای اکسیژن از طریق لایه سنسور است. مخلوط با درصد سوخت پایین باعث کاهش ولتاژ میشود، زیرا مقدار اکسیژن مخلوط زیاد است.
موتورهای احتراق مدرن از سنسورهای اکسیژن و مبدلهای کاتالیزوری به منظور کاهش گازهای منتشر شده از اگزوز استفاده میکنند. اطلاعات مربوط به غلظت اکسیژن به رایانه مدیریت موتور یا واحد کنترل موتور (ECU) ارسال میشود که میزان سوخت تزریق شده در موتور را برای جبران هوای اضافی یا سوخت اضافی تنظیم میکند. ECU تلاش میکند با تفسیر اطلاعات به دست آمده از سنسور اکسیژن، به طور متوسط، نسبت سوخت قابل احتراق خاصی را حفظ کند. هدف اصلی ایجاد هماهنگی بین قدرت، مصرف سوخت و تولید گازهای گلخانهای است و در بیشتر موارد با نسبت هوا به سوخت نزدیک به استوکیومتری حاصل میشود.
موتورهای احتراق-جرقهای (مانند موتورهایی که بنزین یا LPG را میسوزانند ، برخلاف دیزل) سه نوع از سیستمهای مدرن تولید گازهای گلخانهای مربوط به این موارد هستند: هیدروکربن ها (که در هنگام سوختن سوخت کاملاً آزاد میشوند، مونوکسید کربن و Nox . عدم وجود این سنسورها یا از کار افتادگی آنها، استفاده از سوختهای حاوی سرب یا سوختهای آلوده به سیلیکون یا سیلیکاتها، میتواند منجر به آسیب دیدن مبدل کاتالیزوری خودرو شود. تنظیم یا تغییر سیگنالی که سنسور اکسیژن به موتور ارسال میکند، میتواند برای کنترل انتشار آلایندهها مضر باشد و حتی میتواند به وسیله نقلیه آسیب برساند.
عملکرد سنسور اکسیژن تحت شرایط مختلف
هنگامی که موتور در شرایط کم بار(مانند شتاب خیلی آرام یا حفظ سرعت ثابت) قرار دارد، در حالت “حلقه بسته” کار میکند. این حلقه موتور را مجبور میکند تا با حلقههای پی در پی عمل کند، زیرا سعی دارد به طور متوسط نسبت استوکیومتری را حفظ کند. ECU همچنین کنترل زمان موتور جرقه را به همراه عرض پالس انژکتور سوخت کنترل میکند. بنابراین تغییراتی که باعث تغییر موتور برای کار بیش از حد، ممکن است منجر به مصرف غیر بهینهی سوخت شود.
هنگامی که یک موتور احتراق داخلی تحت فشار زیادی قرار دارد (به عنوان مثال دریچه تماما باز)، خروجی سنسور اکسیژن نادیده گرفته میشود. و از این رو ECU به طور خودکار مخلوط را برای محافظت از موتور از سوخت غنی میکند. در بسیاری از اتومبیلها (به استثنای برخی مدلهای توربوشارژ) ورودیهای حاصل از جریان هوا نیز نادیده گرفته میشوند. زیرا در غیر این صورت ممکن است عملکرد موتور کاهش یابد یا در برخی موارد باعث انفجار موتور شود.
مکانیزم انواع حسگر اکسیژن
سنسور زیرکونیا
دی اکسید زیرکونیوم یا همان زیرکونیا، مبتنی بر یک سلول سوختی الکتروشیمیایی با حالت جامد به نام سلول نرنست است. دو الکترود آن یک ولتاژ خروجی متناسب با مقدار اکسیژن موجود در اگزوز نسبت به اکسیژن موجود در جو فراهم میکند. ولتاژ خروجی 0.2 ولت (200 میلی ولت) DC نشان دهنده سوخت کم و اکسیژن فراوان است. ولتاژ خروجی 0.8 ولت (800 میلی ولت) DC نمایانگر “مخلوط غنی از سوخت” است، که نشان دهندهی اکسیژن باقی مانده کم است. نقطه تنظیم ایده آل تقریباً 0.45 ولت (450 میلی ولت) DC است. در اینجاست که مقادیر هوا و سوخت در نسبت بهینه قرار دارند، به طوری که خروجی اگزوز حاوی حداقل مونوکسید کربن است.
ولتاژ تولید شده توسط سنسور نسبت به غلظت اکسیژن غیرخطی است. سنسور در نزدیکی نقطه استوکیومتری حساس است. این سنسور دارای یک ساختار فولادی ضد زنگ داخلی و خارجی است. به همین دلیل این سنسور از مقاومت بالایی در برابر خوردگی برخوردار است و باعث میشود تا در محیطهای تهاجمی با دما/فشار زیاد مورد استفاده قرار گیرد. سنسور زیرکونیا از نوع “باند باریک” است و به دامنه باریک نسبت سوخت/ هوا که به آن پاسخ میدهد اشاره دارد.
Great content! Super high-quality! Keep it up! 🙂