سنسور اکسیژن خودرو

یک سنسور اکسیژن (یا سنسور لاندا که در آن لاندا مربوط به نسبت معادل هوا و سوخت است و معمولأ با λ نشان داده می‌شود) یک وسیله الکترونیکی است که نسبت اکسیژن (O₂) موجود در گاز یا مایع تحت بررسی را مشخص می‌کند.

این دستگاه توسط شرکت رابرت بوش (Robert Bosch GmbH) در اواخر دهه 1960 تحت نظارت دکتر گونتر باومن (G. Bauman) ساخته شد. المنت اصلی سنسور از یک سرامیک زیرکونیوم انگشتی شکل با لایه‌ نازکی از پلاتین در هر دو سمت خروجی و مرجع در دو نوع گرمادیده و گرماندیده تشکیل شده است. سنسور مسطح در سال 1990 به بازار معرفی شد و باعث گردید که حجم سرامیک مصرف شده در المنت کاهش یابد و همچنین هیتر را در خود ساختار سرامیکی جانمایی نمود. این امر موجب شد که سنسور زودتر شروع به کار نموده و سریع‌تر پاسخ دهد.

پایش اکسیژن با سنسور اکسید زیرکونیوم

کاربرد اصلی سنسور اکسیژن

کاربرد اصلی این وسیله اندازه‌گیری غلظت اکسیژن در قسمت اگزوز در موتورهای احتراق داخلی اتومبیل‌ها و دیگر خودروها به منظور محاسبه و در صورت نیاز، تنظیم دینامیک نسبت سوخت به هوا به نحوی است که مبدل‌های کاتالیستی بتوانند به صورت بهینه کار نموده و همچنین تعیین صحت عملکرد مبدل است. غواصان نیز از وسیله‌ای مشابه برای اندازه‌گیری فشار نسبی اکسیژن در گاز تنفسی خود استفاده می‌کنند.

دانشمندان از سنسور اکسیژن برای اندازه‌گیری تنفس یا تولید اکسیژن استفاده کرده و از آن به روشی دیگر بهره می‌برند. سنسورهای اکسیژن در آنالیزورهای اکسیژن که در کاربردهای پزشکی مانند پایش‌گرهای آسم، تنفس‌دهنده‌ها و غلیظ‌ کننده‌های اکسیژن استفاده فراوانی دارند، وجود دارد.

همچنین در سیستم‌های مقابله با آتش اکسیژن‌گریز به منظور پایش پیوسته غلظت اکسیژن درون حجوم تحت حفاظت از سنسورهای اکسیژن استفاده می‌کنند.

روش‌های بسیار متعددی برای سنجش اکسیژن وجود دارد و شامل فن‌آوری‌هایی مانند زیرکونیا، الکتروشیمیایی (معروف به گالوانیک)، مادون سرخ، اولتراسونیک، پارامغناطیس و به تازگی روش‌های لیزری می‌باشد.

کاربردهای خودرویی سنسور اکسیژن

سنسورهای اکسیژن خودروها، معروف به سنسور O₂، اجازه داده که تزریق سوخت الکترونیک و کنترل آلودگی‌ها امکان‌پذیر شود. به کمک آن‌ها می‌توان به صورت زنده نسبت صحیح سوخت به هوا را از لحاظ غنی بودن یا رقیق بودن تشخیص داد. از آن‌جا که سنسورهای اکسیژن در بخش اگزوز قرار گرفته‌اند، آن‌ها به طور مستقیم هوا یا سوخت ورودی به موتور را اندازه‌گیری نمی‌کنند بلکه اطلاعات دریافتی از سنسورهای اکسیژن با اطلاعات دریافتی از دیگر منابع با یکدیگر ترکیب شده و از آن‌ها به صورت غیرمستقیم در تعیین نسبت سوخت به هوا استفاده می‌شود. تزریق سوخت مدار بسته با کنترل بازخورد، خروجی انژکتور سوخت را طبق اطلاعات دریافتی به جای عمل بر اساس یک نقشه از پیش تعیین شده می‌تواند تغییر ‌دهد. علاوه بر صحت عملکرد تزریق الکترونیک سوخت، با کاهش سوخت استفاده نشده و اکسیدهای نیتروژن کنترل آلودگی نیز صورت می‌پذیرد. سوخت مصرف نشده خود یک آلودگی به شکل ذرات هیدروکربن معلق در هوا به حساب می‌آید در حالی که اکسید نیتروژن (گازهای NO_x) نتیجه احتراق در دماهای بالای 1300 کلوین به دلیل وجود هوای اضافه در مخلوط سوخت و هوا است که منجر به پدیده غبار و باران‌های اسیدی خواهد شد. ولوو اولین خودروسازی بود که از این فن‌آوری در اواخر دهه 1970 به همراه یک کاتالیست سه‌راهه در مبدل کاتالیست خود استفاده نمود.

این سنسور در واقع میزان غلظت اکسیژن را اندازه‌گیری نمی‌نماید بلکه اختلاف بین میزان اکسیژن در گازهای حاصل از احتراق را با میزان اکسیژن موجود در هوا مقایسه می‌کند. مخلوط‌های غنی سبب افزایش تقاضا در اکسیژن می‌شود. این تقاضا سبب افزایش ولتاژ به دلیل جابجایی یون‌های اکسیژن در لایه سنسور می‌گردد. مخلوط‌های رقیق ولتاژ کمتری تولید می‌نمایند زیرا اکسیژن در آن‌ها وفور بیشتری خواهد داشت.

موتورهای امروزی اشتعال جرقه‌ای از سنسور اکسیژن و مبدل کاتالیستی به منظور کاهش انتشار آلودگی استفاده می‌کنند. اطلاعات غلظت اکسیژن به کامپیوتر مدیریت موتور یا واحد کنترل موتور (ECU) فرستاده می‌شود و در آن نسبت سوخت تزریقی به درون موتور نسبت به هوا تنظیم می‌شود. ECU تلاش می‌کند که با استفاده از اطلاعات دریافتی از سنسور اکسیژن همواره نسبت مشخصی از سوخت و هوا را به درون موتور تزریق نماید. هدف اولیه حفظ تعادل بین قدرت، مصرف سوخت و آلودگی است. این امر در اکثر مواقع با نزدیک شدن نسبت سوخت به نسبت‌های استوکیومتریک انجام می‌شود. در موتورهای اشتعال جرقه‌ای (آن‌هایی که از سوخت بنزین یا LPG بر خلاف گازوییل استفاده می‌کنند) سه نوع مختلف سیستم‌های کنترل آلودگی وجود دارد: هیدروکربن‌ها (که هنگامی پخش می‌شوند که سوخت به صورت کامل محترق نشده باشد مانند مواقع تنظیم نبودن موتور یا مخلوط غنی سوخت)، مونواکسیدکربن (که نتیجه سوخت کمی غنی است) و NO_x (که هنگامی رخ می‌دهد که مخلوط سوخت رقیق باشد). خرابی این سنسورها چه به دلیل سپری شدن طول عمر مفید چه به دلیل استفاده از سوخت حاوی سرب یا سوخت آلوده به سیلیکون یا سیلیکات می‌تواند منجر به آسیب به مبدل کاتالیست شده و هزینه فراوانی برای صاحب خودرو ایجاد نماید.

دستکاری در سیگنال ارسالی یا نادیده گرفتن آن می‌تواند حتی باعث آسیب به خودرو شود. هنگامی که موتور در شرایط کم‌باری باشد (مانند شتاب‌گیری بسیار آرام یا راندن در سرعت ثابت) در حالت «مدار بسته» کار می‌کند. این حالت مربوط به یک مدار بازخورد بین ECU و سنسور(های) اکسیژن می‌شود که در آن ECU میزان سوخت را تنظیم نموده و نتیجه این تغییر را از سنسور اکسیژن دریافت می‌نماید. این مدار موتور را مجبور می‌کند که در دورهای پشت سرهم اندکی رقیق و سپس اندکی غنی کار کند تا بتواند در کل خود را به نسبت استوکیومتریک نزدیک سازد. اگر اصلاحات سبب شود که موتور کمی در حالت رقیق کار کند، شاهد افزایش اندکی در مصرف سوخت خواهیم بود اما گاهی مواقع این امر سبب افزایش انتشار NO_x، دمای بالاتر در اگزوز و گاهی افزایش اندکی در قدرت که می‌تواند به سرعت مبدل به خارج شدن از تنظیم در موتور و افت قابل توجه قدرت شود، و همچنین صدمه احتمالی به موتور و مبدل کاتالیست (به دلیل خارج شدن از تنظیم) در نسب‌های بالای سوخت رقیق شود. اگر اصلاحات سبب شود که موتور در حالت غنی کار کند آن‌گاه تا نقطه‌ای شاهد افزایش قدرت خواهیم بود (بعد از آن موتور اصطلاحأ در سوخت مصرف نشده غرق می‌شود) اما هزینه آن بالا رفتن مصرف سوخت و افزایش سوخت مصرف نشده در اگزوز می‌باشد که سبب بالا رفتن دما در مبدل کاتالیستی می‌شود. استفاده طولانی مدت از موتور در حالت مخلوط سوخت غنی می‌تواند سبب از بین رفتن کامل مبدل کاتالیستی شود. ECU همچنین زمان‌بندی جرقه شمع را به همراه زمان باز بودن انژکتور کنترل می‌نماید بنابراین اصلاحاتی که موجب کار کردن موتور با مخلوط سوخت بسیار غنی یا بسیار رقیق شود می‌تواند منجر به مصرف سوخت ناکارا گردد، زیرا در این حالت در چرخه احتراق مخلوط یا بسیار پیش از موعد یا بسیار دیرتر مشتعل خواهد شد.

هنگامی که یک موتور احتراق داخلی (موتور درون‌سوز) تحت بار باشد (مانند رانندگی در حالت تخته گاز)، از سیگنال خروجی سنسور اکسیژن صرف نظر می‌شود و ECU به صورت خودکار برای محافظت از موتور مخلوط سوخت را غنی‌تر می‌سازد، زیرا احتراق بی‌موقع در این حالت می‌تواند آسیب‌های بسیار شدیدتری به موتور وارد کند. این حالت کار در موتور به حالت «مدار باز» معروف است. هر گونه تغییری در خروجی سنسور در این حالت نادیده گرفته می‌شود. در بسیاری از ماشین‌ها (به استثناء بعضی از مدل‌های توربوشارژ)، ورودی اندازه‌گیری مخلوط هوا نیز نادیده گرفته می‌شود زیرا آن‌ها نیز ممکن است راندمان موتور را به دلیل مخلوط سوخت بسیار غنی یا بسیار رقیق‌تر از حد مناسب پایین آورده و حتی منجر به وارد آمدن صدمه به موتور با بروز پدیده انفجار به دلیل رقیق بودن بیش از حد مخلوط سوخت گردند.

یک سنسور اکسیژن سه وایره مناسب برای استفاده در ولوو 240 یا خودروهای مشابه

عملکرد یک پروب لاندا

پروب‌های لاندا به سیستم (کامپیوتر خودرو) ECU بازخورد ارسال می‌نمایند. بسته به کاربرد، موتورهای بنزینی، پروپان و گاز طبیعی به کاتالیست‌های سه‌راهه مجهز شده‌اند تا بتوانند خود را با الزامات محیط‌زیستی خودروهای جاده‌ای منطبق کنند. با استفاده از سیگنال پروب لاندا، ECU می‌تواند موتور را اندکی غنی‌تر از لاندا=1 به کار اندازد، این عدد ایده‌آل برای عملکرد مبدل کاتالیستی سه‌راهه است. شرکت بوش در سال 1976 اولین پروب لاندا را به بازار معرفی نمود و در همان سال توسط ولوو و ساب بر روی خودروهای تولید خود استفاده شد. این سنسورها از سال 1979 در ایالات متحده موجود بوده و استفاده از آن در بسیاری از خودورها در اروپا از سال 1993 اجباری گشت.

با اندازه‌گیری نسبت اکسیژن در گازهای اگزوز و با دانستن حجم و دمای گازهای ورودی به سیلندرها به همراه موارد دیگر، یک ECU می‌تواند در جداول خود میزان سوخت مورد نیاز برای احتراق با نسبت استوکیومتریک را (14.7:1 برای نسبت جرمی هوا به سوخت در یک موتور بنزینی) به منظور تضمین احتراق کامل پیدا نماید.

پروب چیست؟

المنت سنسور یک استوانه سرامیکی با پوشش الکترودهای متخلخل پلاتین در سطح بیرونی و داخلی است؛ کل این المنت به وسیله یک گاز فلزی (مانند گاز پانسمان) محافظت می‌شود. این المنت با اندازه‌گیری تفاوت در اکسیژن بین گازهای اگزوز و هوای بیرونی کار می‌کند به این شکل که این اختلاف سبب بروز اختلاف در پتانسیل الکتریکی  یا تغییر در مقاومت الکتریکی آن بسته به اختلاف بین آن دو می‌شود.

سنسورها فقط زمانی به صورت موثر کار می‌کنند که تا 316 درجه سانتیگراد (600 درجه فارنهایت) گرم شده باشند بنابراین اکثر پروب‌های لاندای جدید برای به دما رساندن سریع پروب از المنت‌های حرارتی درون سرامیک پروب بهره می‌برند. پروب‌های قدیمی‌تر که المنت حرارتی نداشتند، به صورت طبیعی با گاز داغ اگزوز گرم می‌شدند، بنابراین یک وقفه زمانی بین لحظه شروع به کار موتور و تعادل بین ترکیبات سوخت و هوای آن وجود داشت. مدت زمان این وقفه به دمای محیط و هندسه سیستم اگزوز بستگی داشت. بدون المنت حرارتی، این فرایند می‌تواند تا چندین دقیقه به طول انجامد. به دلیل این وقفه طولانی مدت انتشار آلودگی در این زمان تشدید می‌شود و خود سبب آسیب بیشتر به مبدل کاتالیستی می‌شود.

پروب معمولأ از چهار سیم متصل به خود تشکیل شده است: دو عدد برای خروجی لاندا و دو عدد برای المنت حرارتی، اگرچه بعضی از خودروسازان از پوسته فلزی به عنوان اتصال به بدنه برای المنت سنسور استفاده می‌کنند و تعداد سیم‌ها را به 3 عدد می‌رسانند. سنسورهای بدون المنت حرارتی اولیه دو یا تک سیم بودند.

مکان پروب در سیستم

پروب معمولأ در یک رزوه در سیستم اگزوز بعد از تجمیع منیفولد‌ دود (خروجی) و قبل از مبدل کاتالیست پیچ می‌شود. خودروهای جدید باید قبل و بعد از کاتالیست اگزوز سنسور نصب کنند تا از مطابقت با قوانین محیط‌زیستی ایالات متحده آمریکا مطمئن شوند. سیگنال‌های قبل و بعد از کاتالیست به منظور تعیین صحت عملکرد کاتالیست پایش می‌شود و اگر عملکرد مبدل طبق انتظار نباشد، از طریق سیستم تشخیصی مربوطه اخطاری به کاربر ارسال می‌شود، برای مثال چراغی در داشبورد خودرو روشن می‌شود. به علاوه در بعضی از سیستم‌های کاتالیستی نیازمند چند چرخه از گاز رقیق (مقادیر بالای اکسیژن) هستند تا کاتالیست به قول معروف بارگذاری شده و عمل اکسایش ترکیبات غیرقابل قبول در گازهای پس از احتراق با سرعت بیشتری در آن انجام شود.

انواع سنسورهای لاندا

1- سنسور زیرکونیا

سنسور لاندای دی‌اکسید زیرکونیوم یا زیرکونیا بر اساس یک سلول سوختی حالت جامد الکتروشیمیایی به نام سلول نرنست (Nernst) کار می‌کند. دو الکترود موجود در آن مطابق با میزان اکسیژن موجود در گازهای احتراق نسبت به اتمسفر یک ولتاژ برق تولید می‌کنند.

ولتاژ خروجی مستقیم در محدوده 0.2 ولت (mV 200) مشخص‌کننده جریان رقیق سوخت بوده و در این حالت میزان اکسیژن ورودی به سیلندر برای اکسید کامل مونواکسیدکربن به وجود آمده به دی‌اکسیدکربن کافی خواهد بود. ولتاژ خروجی مستقیم 0.8 ولت (mV 800) مربوط به حالت سوخت غنی بوده و در آن سوخت مصرف نشده بسیار زیاد بوده و اکسیژن باقی‌مانده بسیار محدود خواهد بود. نقطه تنظیم ایده‌آل چیزی در حدود 0.45 ولت (mV 450) است. در این نقطه مقادیر هوا و سوخت در نسبت بهینه بوده و تقریبا 0.5% رقیق‌تر از نسبت استوکیومتریک می‌باشد. در این حالت در اگزوز شاهد کم‌ترین میزان مونواکسیدکربن خواهیم بود.

ولتاژ تولید شده در سنسور نسبت به میزان غلظت اکسیژن رفتاری غیرخطی دارد. بیشترین حساسیت سنسور در نزدیکی نقطه استوکیومتریک (λ=1) است و در حالت بسیار رقیق یا غنی حساسیت آن بسیار کمتر خواهد بود.

ECU یک سیستم کنترلی است که از بازخورد سنسور برای تنظیم مخلوط سوخت و هوا استفاده می‌کند. همانند تمامی سیستم‌های کنترلی، ثابت زمانی سنسور بسیار مهم است؛ توانایی ECU در کنترل نسبت سوخت و هوا به زمان پاسخ سنسور بستگی دارد. یک سنسور مستعمل یا معیوب زمان پاسخ کندتری دارد و سبب افت راندمان سیستم می‌شود. هر چه دوره زمانی کوتاه‌تر باشد، عکس‌العمل سریع‌تر بوده و حساسیت سیستم بالاتر می‌رود.

سنسور دارای یک ساختار مستحکم از استیل ضد زنگ در درون و بیرون خود است. به این دلیل سنسور مقاومت بالایی در برابر خوردگی از خود نشان می‌دهد و به همین دلیل می‌توان از آن به صورت موثر در شرایط دمایی و فشاری بسیار سخت استفاده نمود.

سنسور زیرکونیا از نوع «دامنه محدود» است که به دامنه محدود حساسیت نسبت به مخلوط سوخت به هوا اشاره دارد.

یک سنسور زیرکونیای صفحه‌ای (تصویر شماتیک)

2- سنسور زیرکونیا با دامنه وسیع

شرکت NTK در سال 1992 با ایجاد تغییر در سنسور زیرکونیا توانست نوع دامنه وسیع آن را به بازار معرفی کند و به دلیل تقاضای بالای بازار برای مصرف سوخت بهتر، آلودگی کمتر و راندمان بالاتر موتور از این سنسور به وفور در خودروها استفاده گردید. اساس این سنسور بر پایه یک المنت صفحه‌ای زیرکونیا است که از یک پمپ گاز الکتروشیمیایی در کنار خود بهره می‌برد. یک مدار الکترونیکی شامل حلقه بازخوردی جریان پمپ گاز را به منظور نگه داشتن خروجی ثابت سلول الکتروشیمیایی کنترل می‌کند، بنابراین جریان پمپ مستقیما بیان‌گر میزان اکسیژن موجود در گازهای پس از احتراق خواهد بود. این سنسور ذات چرخه‌های رقیق- غنی را در سنسورهای دامنه محدود حذف می‌کند و به واحد کنترل اجازه می‌دهد که تحویل سوخت و زمان‌بندی جرقه در موتور را با سرعت بالاتری انجام دهد. در صنعت اتومبیل به این سنسور، سنسور UEGO (اکسیژن یونیورسال گاز اگزوز) گفته می‌شود. سنسورهای UEGO همچنین در بازار پس از فروش (AfterMarket) و بحث تیونینگ و تجهیزات ابزارهای نمایشی مصرف سوخت و هوا برای رانندگی در حالت راندمان بالا به کار می‌روند. سنسور زیرکونیای دامنه وسیع در سیستم‌های تزریق سوخت طبقه‌ای نیز استفاده شده و همینک می‌توان از آن‌ها در موتورهای دیزلی نیز به منظور ارضای مقررات مربوط به محدودیت‌های اعمالی EURO و ULEV استفاده کرد.

یک سنسور صفحه‌ای زیرکونیا با دامنه وسیع (تصویر شماتیک)

المنت های سنسورهای دامنه وسیع :

1. پمپ یون اکسیژن
2. سنسور زیرکونیای دامنه محدود
3. المنت حرارتی

دیاگرام سیم‌کشی برای سنسورهای دامنه وسیع معمولأ از 6 سیم تشکیل شده است:

1. المنت حرارتی مقاومتی
2. المنت حرارتی مقاومتی
3. سنسور
4. پمپ
5. مقاومت کالیبره
6. سیم مشترک

3- سنسور تیتانیا

 نوع کمتر مرسومی از سنسور لاندا با دامنه محدود وجود دارد که در آن المنت سرامیکی از جنس تیتانیا (اکسید تیتانیوم) ساخته شده است. این نوع سنسور خود ولتاژ تولیدی ندارد اما با تغییر در غلظت اکسیژن مقاومت الکتریکی آن تغییر می‌کند. مقاومت تیتانیا تابعی از فشار نسبی اکسیژن و دمای آن است. بنابراین در کنار این سنسورها از سنسورهای دمای گاز نیز به منظور اعمال تغییرات مقاومت به دلیل دما استفاده می‌شود. مقدار مقاومت در هر دما برابر با یک هزارم تغییرات در غلظت اکسیژن است. خوشبختانه، در λ=1 تغییرات شدیدی در میزان اکسیژن وجود دارد، بنابراین تغییرات مقاومت معمولأ بین حالات غنی و رقیق، بسته به دما 1000 برابر خواهد بود.

از آن‌جا که تیتانیا یک نیمه‌هادی نوع N با ساختار TiO_2-x است، x مربوط به تغییر لایه کریستالی به منظور هدایت بار الکتریکی است. بنابراین در حالت اگزوز غنی از سوخت (مقادیر غلظت پایین اکسیژن) مقاومت کم‌تر می‌شود و در حالت اگزوز رقیق از سوخت (مقادیر غلظت بالای اکسیژن) مقاومت بالا می‌باشد. واحد کنترل سنسور را با جریان اندکی تغذیه می‌کند و افت فشار حاصله درون سنسور را اندازه می‌گیرد. این مقدار ولتاژ بین 0 تا 5 ولت خواهد بود. همانند سنسور زیرکونیا، این سنسور نیز رفتاری غیرخطی دارد و گاهی از آن به صورت یک عقربه دو حالته با حالات غنی یا رقیق یاد می‌شود. سنسورهای تیتانیا از سنسورهای زیرکونیا گران‌تر بوده اما سرعت پاسخ بالاتری دارند.

در کاربردهای خودرویی سنسور تیتانیا، برخلاف سنسور زیرکونیا، نیازی به استفاده از نمونه هوای تمسفر به عنوان مرجع اندازه‌گیری وجود ندارد. این کار نصب سنسور را در مورد نصب ضدآب راحت‌تر می‌کند. در حالی که اکثر سنسورهای خودرو قابلیت کار در آب را دارند، سنسورهای از جنس زیرکونیا نیازمند مقادیر هر چند اندک از هوای اتمسفر هستند. از لحاظ نظری سیم‌کشی سنسور و کانکتورها ضد آب هستند. هوای نفوذی به سنسور فرض می‌شود که از طریق نقطه‌ای بازشدگی در سیم‌کشی، معمولأ ECU که خود در محفظه‌ای بسته مانند فضای داخلی خودرو یا صندوق عقب است، به درون سنسور وارد شود.

خرابی در سنسور اکسیژن و نشانه های آن

معمولأ طول عمر یک سنسور غیرحرارتی در حدود 30000 تا 50000 مایل (50000 تا 80000 کیلومتر) است. طول عمر سنسورهای حرارتی معمولأ در حدود 100 هزار مایل یا 160 هزار کیلومتر است. خرابی یک سنسور غیرحرارتی اغلب به دلیل تجمع رسوب بر روی المنت سرامیکی رخ می‌دهد که در این حالت زمان پاسخ آن افزایش یافته و تا از دست رفتن کامل توانایی آن در تشخیص میزان اکسیژن پیش‌روی می‌کند. در سنسورهای حرارتی رسوب طی عملکرد سنسور سوزانده می‌شود و خرابی اغلب به دلیل به اتمام رسیدن کاتالیست رخ می‌دهد. در این حالت پروب مخلوط را رقیق‌تر از حد واقعی گزارش می‌دهد و ECU تلاش می‌کند با غنی‌تر کردن مخلوط به آن پاسخ دهد. گاز خروجی غنی‌تر بوده و مقادیر بیشتری از مونواکسید کربن و هیدروکربن در آن یافت می‌شود. همچنین مصرف سوخت نیز افزایش می‌یابد.

بنزین حاوی سرب باعث آلودگی سنسور اکسیژن و مبدل کاتالیستی می‌شود. اکثر سنسورهای اکسیژن می‌توانند با سوخت حاوی سرب نیز کار کنند اما طول عمر آن‌ها بسیار کوتاه‌تر شده و در حدود 15 هزار مایل (24 هزار کیلومتر) بسته به میزان سرب موجود می‌شود. سنسورهایی که به دلیل وجود سرب از کار افتاده‌اند معمولأ در قسمت نوک آن‌ها شاهد رسوب بدون رنگ درخشانی خواهیم بود.

یک دلیل عمده دیگر در خرابی پیش از موعد پروب‌های لاندا آلوده بودن سوخت با ذرات سیلیکون (مصرفی در بعضی از واشرها و  گریس‌ها) و یا سیلیکات (مصرفی در محلول‌های ضدخوردگی در بعضی از محلول‌های ضدجوش) است. در این مورد، رسوب روی سنسور رنگی بین سفید درخشان تا خاکستری روشن خواهد داشت.

نشت روغن به درون موتور می‌تواند سبب پوشیده شدن نوک پروب با رسوبی مشکی رنگ شود و باعث شود که زمان پاسخ سنسور طولانی‌تر شود.

یک مخلوط سوخت بسیار غنی می‌تواند سبب تجمع رسوب پودری مشکی رنگ بر روی پروب شود. این امر می‌تواند به دلیل خرابی خود پروب رخ دهد و یا ایراد در سیستم نسبت‌بندی سوخت باشد.

اعمال ولتاژ خارجی به سنسورهای زیرکونیا، مثلأ با استفاده از یک اهم‌متر می‌تواند باعث خرابی آن شود.

بعضی از سنسورها دارای ورودی هوا به سمت خود هستند، بنابراین آلودگی‌ها مانند آب یا روغن می‌تواند به سمت سنسور مکیده شده و باعث خرابی آن شود.

نشانه‌های یک سنسور اکسیژن خراب عبارتند از:

• چراغ سنسور اکسیژن در داشبورد روشن شده باشد.
• آلودگی‌ها در خروجی اگزوز بیشتر شده است.
• مصرف سوخت بالا رفته است.
• شتاب‌گیری با وقفه روبرو شده است.
• ماشین درجا کار می‌کند.
• حالت خلاص ماشین در وضعیت نرم کار نمی‌کند.

کاربردهای مربوط به غواصی سنسور اکسیژن

سنسور اکسیژن به کار رفته در کاربردهای غواصی زیر آب از نوع سنسورهای اکسیژن الکتروگالوانیک است، نوعی سلول سوختی که گاهی به آن آنالیزور اکسیژن یا meter ppO₂ نیز گفته می‌شود. از آن‌ها برای اندازه‌گیری غلظت اکسیژن در مخلوط‌های گاز تنفسی مانند nitrox یا trimix استفاده می‌شود. همچنین از آن‌ها همراه با مکانیسم‌های کنترل اکسیژن در تنفس‌گرهای مدار بسته به منظور نگهداری فشار نسبی اکسیژن در محدوده ایمن مقابله با آتش و پایش میزان اکسیژن در گاز تنفسی در سیستم‌های غواصی اشباع و گاز تامینی در سطح استفاده می‌شود.

یک آنالیزور اکسیژن برای مخلوط گاز تنفسی مربوط به غواصی

کاربردهای علمی سنسور اکسیژن

در مطالعات در مبحث تنفس خاک از سنسورهای اکسیژن در کنار سنسورهای دی‌اکسیدکربن به منظور بهبود خواص تنفسی خاک بهره می‌برند. معمولأ سنسورهای اکسیژن خاک از یک سلول گالوانیک برای تولید جریان الکتریکی که متناسب با غلظت اکسیژن اندازه گرفته شده است، استفاده می‌کنند.این سنسورها در اعماق مختلف زمین به منظور پایش از میان رفتن اکسیژن در طی زمان و برای تخمین نرخ تنفس خاک مدفون می‌شوند. معمولأ این سنسورها به یک المنت حرارتی برای جلوگیری از تشکیل لایه کندانس بر روی ممبران قابل نفوذ خود مجهز شده‌اند زیرا در خاک گاهی مواقع رطوبت نسبی به 100% افزایش پیدا می‌کند.

در بیولوژی اقیانوس‌ها یا علم آب‌های شیرین، اندازه‌گیری اکسیژن اغلب به منظور تعیین نرخ تنفس یک جامعه زیستی یا یک ارگانیسم صورت می‌پذیرد. همچنین از این اندازه‌گیری در تعیین میزان تولید اولیه گیاهان برگی (خزه‌ها) استفاده می‌شود. روش سنتی تعیین میزان اکسیژن موجود در یک نمونه از آب استفاده از تکنیک‌های شیمیایی تر مانند روش تیتراسیون وینکلر (Winkler) است. اما هم اکنون سنسورهای تجاری اکسیژن برای تعیین غلظت اکسیژن در مایعات با دقت بالا موجود هستند. دو نوع سنسور مختلف اکسیژن فراهم شده است: الکترودی (سنسورهای الکتروشیمیایی) و اوپتودی (سنسورهای نوری Optodes).

سنسور اندازه گیری اکسیژن الکترودی

الکترودهای از نوع کلارک (Clark) پرکاربردترین نوع سنسورها برای اندازه‌گیری اکسیژن محلول در یک مایع به شمار می‌آیند. اصل پایه در این سنسورها این است که یک کاتد و یک آند در محلول الکترولیت مستغرق می‌گردند. اکسیژن از طریق یک ممبران نفوذپذیر توسط پدیده نفوذ (Diffusion) در قسمت کاتد وارد سنسور شده و یک جریان الکتریکی قابل اندازه‌گیری تولید می‌نماید.

بین جریان الکتریکی تولید شده و میزان غلظت اکسیژن یک رابطه خطی وجود دارد. با کالیبراسیون دو نقطه‌ای (اشباع هوایی 0 و 100%) می‌توان میزان اکسیژن موجود در نمونه را اندازه‌گیری نمود.

نکته منفی این روش این است که طی اندازه‌گیری اکسیژن با نرخی برابر با نفوذ به سنسور مصرف می‌شود. این امر به این معنی است که باید حین اندازه‌گیری سنسور را در نمونه به حرکت درآورد تا خطای ناشی از اندازه‌گیری از آب ساکن در اطراف آن به حداقل برسد. با افزایش اندازه سنسور، مصرف اکسیژن نیز بیشتر می‌شود بنابراین حساسیت حرکت دادن سنسور نیز افزایش می‌یابد. در سنسورهای بسیار بزرگ با گذشت زمان به دلیل مصرف الکترولیت شاهد کاهش در شدت سیگنال خواهیم بود. به همین دلیل سنسورهای لارک در ابعاد بسیار کوچک و با اندازه نوک برابر با 10 میکرون نیز ساخته شده‌اند. مصرف اکسیژن برای چنین سنسوری آن‌قدر ناچیز است که می‌توان از آن در نمونه‌های ساکن یا به عنوان مثال درون بافت گیاهان نیز استفاده نمود.

یک اندازه‌گیر اکسیژن محلول برای استفاده در آزمایشگاه

سنسور اکسیژن اوپتودها

یک اوپتود اکسیژن یک سنسور بر پایه اندازه‌گیری نوری غلظت اکسیژن است. یک لایه شیمیایی به نوک یک کابل نوری چسبانده می‌شود در حالی که خواص فلورسانت این لایه به میزان غلظت اکسیژن وابستگی دارد. فلورسانت در هنگامی که غلظت اکسیژن برابر با صفر باشد در حداکثر میزان خود خواهد بود. هنگامی که یک مولکول اکسیژن به آن برخورد کند، نوردهی آن را کاهش می‌دهد. در غلظت خاصی از اکسیژن تعداد مولکول‌های مشخص وجود خواهد داشت که در هر بازه زمانی با سطح لایه برخورد خواهند کرد و به همین دلیل خاصیت فلورسانت در هر غلظتی از اکسیژن به همان نسبت ثابت باقی می‌ماند.

میزان این خاصیت با مقدار غلظت اکسیژن رابطه‌ای غیرخطی دارد، یک اوپتود در غلظت‌های پایین اکسیژن حساسیت بیشتری از خود نشان می‌دهد. به این معنی که با افزایش میزان غلظت اکسیژن از حساسیت سنسور طبق رابطه Stern-Volmer کاسته می‌شود. اما به هر حال می‌توان از سنسورهای اوپتیدی در بازه 0 تا 100% غلظت اکسیژن در مایعات استفاده نمود. کالیبراسیون در این سنسور همانند سنسور کلارکی انجام می‌شود. اکسیژنی در حین اندازه‌گیری مصرف نمی‌شود پس نیازی به تکان دادن سنسور در آب نیست هرچند که مشاهده شده که با تکان دادن سنسور در نمونه می‌توان دقت عملکرد آن را بالاتر برد. از این سنسور می‌توان به منظور پایش زنده و در محل تولید اکسیژن در واکنش‌های منجر به گسست مولکول آب استفاده کرد. از الکترودهای پلاتینی شده می‌توان به منظور پایش زنده تولید هیدروژن در دستگاه گسست مولکول آب بهره برد.

اوپتودهای صفحه‌ای به منظور تشخیص غلظت اکسیژن در فویل‌های صفحه‌ای به کار برده می‌شوند. بر پایه همان اصول کاری پروب‌های اوپتودی، از یک دوربین دیجیتال برای ضبط شدت فلورسانت در ناحیه مشخص اندازه‌گیری استفاده می‌کنند.

شما میتوانید برای دریافت اطلاعات در مورد خرید انواع لوازم یدکی اصل و باکیفیت به خصوص لوازم یدکی هیوندای و لوازم یدکی کیا با کارشناسان ما ارتباط برقرار کنید.