Μέτρηση ευρυζωνικού αισθητήρα οξυγόνου (Broadband)

Ο αισθητήρας λάμδα ευρείας ζώνης ή ευρυζωνικός είναι ένας αισθητήρας που μπορεί να μετρήσει την συγκέντρωση του οξυγόνου στα καυσαέρια. Ο ευρυζωνικός αισθητήρας οξυγόνου βασίζεται στο πρότυπο του αισθητήρα οξυγόνου ζιρκονίου με μία τροποποίηση για τη μέτρηση της πραγματικής συγκέντρωσης οξυγόνου, αντί μόνο να παράγει ένα σήμα για ένα πολύ πλούσιο ή πολύ φτωχό μίγμα. Το χαρακτηριστικό του είναι ότι μπορεί να μετρήσει αναλογία μίγματος πολύ πέραν της στοιχειομετρικής. Η εσωτερική κατασκευή του διαφέρει εντελώς από εκείνη του απλού αισθητήρα οξυγόνου ζιρκονίου, συνεπώς και ο τρόπος μέτρησης είναι διαφορετικός.

Ο αισθητήρας αποτελείται από τρία τμήματα: το κύτταρο άντλησης, το θάλαμο μέτρησης και το κύτταρο μέτρησης. Το κάθε ένα από τα κύτταρα άντλησης και μέτρησης αποτελείται από μια πλάκα διοξειδίου του ζιρκονίου στην οποία εφαρμόζεται ένα λεπτό στρώμα λευκόχρυσου (πλατίνας) και στις δύο πλευρές. Όταν υπάρχει μια διαφορά συγκέντρωσης οξυγόνου μεταξύ των δύο πλευρών, δημιουργείται μία διαφορά τάσης μεταξύ των δύο πλακών από πλατίνα. Αυτή η διαφορά τάσης εξαρτάται από τη διαφορά συγκέντρωσης οξυγόνου και είναι περίπου 450 mV για ένα ιδανικό μείγμα.

Το κύτταρο μέτρησης είναι σε επαφή με τον εξωτερικό αέρα από τη μία πλευρά και με το θάλαμο μέτρησης από την άλλη. Απέναντι από το κύτταρο μέτρησης, τοποθετείται ένα κύτταρο άντλησης το οποίο μπορεί να αντλήσει το οξυγόνο μέσα ή έξω από τον θάλαμο μέτρησης μέσω ενός ηλεκτρικού ρεύματος. Μια μικρή ποσότητα καυσαερίων μπορεί να ρέει μέσα στον θάλαμο μέτρησης μέσω ενός μικρού καναλιού παροχέτευσης. Αυτό μπορεί να αλλάξει τη συγκέντρωση οξυγόνου στο θάλαμο μέτρησης, αλλάζοντας την τάση του κυττάρου μέτρησης από την ιδανική τιμή των 450 mV. Για να επαναφέρει στη συνέχεια την τιμή του κυττάρου μέτρησης πίσω στα 450 mV, ο εγκέφαλος στέλνει ένα ρεύμα μέσω του κυττάρου άντλησης. Ανάλογα με την κατεύθυνση και την ποσότητα του ρεύματος, τα ιόντα οξυγόνου μπορεί να αντληθούν μέσα ή έξω από το θάλαμο μέτρησης για να επανέλθει η τάση του κυττάρου μέτρησης στα 450 mV.

Όταν καίγεται ένα πλούσιο μίγμα, τα καυσαέρια περιέχουν λίγο οξυγόνο και μέσω του κυττάρου άντλησης στέλνεται ένα ρεύμα ώστε να αντληθεί περισσότερο οξυγόνο μέσα στο θάλαμο μέτρησης. Αντιστρόφως, όταν καίγεται ένα φτωχό μίγμα, τα καυσαέρια περιέχουν πολύ οξυγόνο και η ροή του ρεύματος μέσω του κυττάρου άντλησης αντιστρέφεται ώστε να αντληθεί οξυγόνο έξω από το θάλαμο μέτρησης. Ανάλογα με το μέγεθος και την κατεύθυνση του ρεύματος, αλλάζει και ο εγκέφαλος την ποσότητα του εγχεόμενου καυσίμου. Όταν καίγεται ένα ιδανικό μίγμα, δεν ρέει ρεύμα μέσα από το κύτταρο άντλησης και η ποσότητα του εγχεόμενου καυσίμου παραμένει αμετάβλητη.

Για βέλτιστη απόδοση, ο αισθητήρας πρέπει να έχει μια θερμοκρασία περίπου 750 °C. Ο αισθητήρας είναι εξοπλισμένος με μια αντίσταση PTC για ηλεκτρική θέρμανση, η οποία τροφοδοτείται από το ρελέ του συστήματος ή μερικές φορές από τον εγκέφαλο (ECU). Η αρνητική πλευρά της ρυθμιζόμενης θέρμανσης γειώνεται από την ECU (εγκέφαλο) με ένα μεταβαλλόμενο σήμα κύκλου λειτουργίας (Duty Cycle).

Η Εικόνα 4 δείχνει κυματομορφές ενός ευρυζωνικού αισθητήρα οξυγόνου με ρυθμιζόμενη θέρμανση, ο οποίος μετρείται σε ένα αυτοκίνητο με κινητήρα στο ρελαντί και σε θερμοκρασία κανονικής λειτουργίας. Αυτό το σήμα μπορείτε να το κατεβάσετε και να το χρησιμοποιήσετε για να ρυθμίσετε σωστά τον παλμογράφο ή να το χρησιμοποιήσετε ως σήμα αναφοράς.

Λήψη μέτρησης τάσης αισθητήρα οξυγόνου ευρείας ζώνης

Το Κανάλι 1 (κόκκινο ίχνος) δείχνει το σήμα του κυττάρου άντλησης και το Κανάλι 2 (κίτρινο ίχνος) το σήμα του κυττάρου μέτρησης. Κατά τη διάρκεια αυτής της μέτρησης το γκάζι πατιέται δύο φορές, κάτι το οποίο φαίνεται στις μικρές αλλαγές στα σήματα που παίρνουμε από το κύτταρο μέτρησης και το κύτταρο άντλησης. Οι αλλαγές στο σήμα του κυττάρου άντλησης προκαλούνται από τον εγκέφαλο (ECU) που μεταβάλει το ρεύμα του κυττάρου άντλησης για να επαναφέρει την τάση του κυττάρου μέτρησης στα 450mV. Οι μικρές αυξομειώσεις στο σήμα του κυττάρου μέτρησης οφείλονται στο ότι ο αισθητήρας και εγκέφαλος έχουν ένα συγκεκριμένο χρόνο αντίδρασης για να ρυθμίσουν το ρεύμα του κυττάρου άντλησης. Το Κανάλι 3 (πράσινο ίχνος) δείχνει το σήμα του κύκλου λειτουργίας (Duty Cycle) της ρυθμιζόμενης θέρμανσης του αισθητήρα.

Το ρεύμα που διέρχεται μέσα από το κύτταρο άντλησης, μπορεί να προκύψει από την τάση στα άκρα της αντίστασης που βρίσκεται σε σειρά με το κύτταρο άντλησης (βλέπε Εικόνα 1) με τη χρήση του νόμου του Ωμ. Αυτό το ρεύμα είναι ίσο με την μετρούμενη τάση διαιρούμενη με την αντίσταση: I = V / R. Ως εκ τούτου, το ρεύμα μπορεί να υπολογιστεί από την μετρούμενη τάση, εάν η τιμή της αντίστασης είναι γνωστή.

Προσδιορισμός της “εν σειρά” αντίστασης