Кислородные датчики: подробное руководство — Denso

Вы наверняка знаете, что в вашем автомобиле установлен кислородный датчик (или даже два!)… Но зачем он нужен и как он работает? На часто задаваемые вопросы отвечает Стефан Верхоеф (Stefan Verhoef), менеджер DENSO по продукту (кислородные датчики).

B: Какую работу выполняет датчик кислорода в автомобиле?
O: Датчики кислорода (также называемые лямбда-зондами) помогают контролировать расход топлива вашего автомобиля, что способствует снижению объема вредных выбросов. Датчик непрерывно измеряет объем несгоревшего кислорода в выхлопных газах и передает эти данные в электронный блок управления (ЭБУ). На основании этих данных ЭБУ регулирует соотношение топлива и воздуха в топливовоздушной смеси, поступающей в двигатель, что помогает каталитическому нейтрализатору (катализатору) работать более эффективно и уменьшать количество вредных частиц в выхлопных газах.

B: Где находится датчик кислорода?

O: Каждый новый автомобиль и большинство автомобилей, выпущенных после 1980 г., оснащены датчиком кислорода. Обычно датчик установлен в выхлопной трубе перед каталитическим нейтрализатором. Точное местоположение датчика кислорода зависит от типа двигателя (V-образное или рядное расположение цилиндров), а также от марки и модели автомобиля. Для того чтобы определить, где расположен датчик кислорода в вашем автомобиле, обратитесь к руководству по эксплуатации.

В: Почему состав топливовоздушной смеси нужно постоянно регулировать?
O: Соотношение «воздух — топливо» крайне важно, поскольку оно влияет на эффективность работы каталитического нейтрализатора, который снижает содержание оксида углерода (CO), несгоревших углеводородов (CH) и оксида азота (NOx) в выхлопных газах. Для его эффективной работы необходимо наличие определенного количества кислорода в выхлопных газах. Датчик кислорода помогает ЭБУ определить точное соотношение «воздух — топливо» в смеси, поступающей в двигатель, передавая в ЭБУ быстроизменяющийся сигнал напряжения, который меняется в соответствии с содержанием кислорода в смеси: слишком высокого (бедная смесь) или слишком низкого (богатая смесь). ЭБУ реагирует на сигнал и изменяет состав топливовоздушной смеси, поступающей в двигатель. Когда смесь слишком богатая, впрыск топлива уменьшается. Когда смесь слишком бедная — увеличивается. Оптимальное соотношение «воздух — топливо» обеспечивает полное сгорание топлива и использует почти весь кислород из воздуха. Оставшийся кислород вступает в химическую реакцию с токсичными газами, в результате которой из нейтрализатора выходят уже безвредные газы.

В: Почему на некоторых автомобилях устанавливаются два кислородных датчика?
O: Многие современные автомобили дополнительно кроме датчика кислорода, расположенного перед катализатором, оснащаются и вторым датчиком, установленным после него. Первый датчик является основным и помогает электронному блоку управления регулировать состав топливовоздушной смеси. Второй датчик, установленный после катализатора, контролирует эффективность работы катализатора, измеряя содержание кислорода в выхлопных газах на выходе. Если весь кислород поглощается химической реакцией, происходящей между кислородом и вредными веществами, то датчик выдает сигнал высокого напряжения. Это означает, что катализатор работает нормально. По мере износа каталитического нейтрализатора некоторое количество вредных газов и кислорода перестает участвовать в реакции и выходит из него без изменений, что отражается на сигнале напряжения. Когда сигналы станут одинаковыми, это будет указывать на выход из строя катализатора.

В: Какие бывают датчики?
О: Существует три основных типа лямбда-сенсоров: циркониевые датчики, датчики соотношения «воздух — топливо» и титановые датчики. Все они выполняют одни и те же функции, но используют при этом различные способы определения соотношения «воздух — топливо» и разные исходящие сигналы для передачи результатов измерений.

Наибольшее распространение получила технология на основе использования циркониево-оксидных датчиков (как цилиндрического, так и плоского типов). Эти датчики могут определять только относительное значение коэффициента: выше или ниже соотношение «топливо — воздух» коэффициента лямбда 1.00 (идеальное стехиометрическое соотношение). В ответ ЭБУ двигателя постепенно изменяет количество впрыскиваемого топлива до тех пор, пока датчик не начнет показывать, что соотношение изменилось на противоположное. С этого момента ЭБУ опять начинает корректировать подачу топлива в другом направлении. Этот способ обеспечивает медленное и непрекращающееся «плавание» вокруг коэффициента лямбда 1.00, не позволяя при этом поддерживать точный коэффициент 1.00. В итоге в изменяющихся условиях, таких как резкое ускорение или торможение, в системах с циркониево-оксидным датчиком подается недостаточное или избыточное количество топлива, что приводит к снижению эффективности каталитического нейтрализатора.

Датчик соотношения «воздух — топливо» показывает точное соотношение топлива и воздуха в смеси. Это означает, что ЭБУ двигателя точно знает, насколько это соотношение отличается от коэффициента лямбда 1.00 и, соответственно, насколько требуется корректировать подачу топлива, что позволяет ЭБУ изменять количество впрыскиваемого топлива и получать коэффициент лямбда 1.00 практически мгновенно.

Датчики соотношения «воздух — топливо» (цилиндрические и плоские) впервые были разработаны DENSO для того, чтобы обеспечить соответствие автомобилей строгим стандартам токсичности выбросов. Эти датчики более чувствительны и эффективны по сравнению с циркониево-оксидными датчиками. Датчики соотношения «воздух — топливо» передают линейный электронный сигнал о точном соотношении воздуха и топлива в смеси. На основании значения полученного сигнала ЭБУ анализирует отклонение соотношения «воздух — топливо» от стехиометрического (то есть Лямбда 1) и корректирует впрыск топлива. Это позволяет ЭБУ предельно точно корректировать количество впрыскиваемого топлива, моментально достигая стехиометрического соотношения воздуха и топлива в смеси и поддерживая его. Системы, использующие датчики соотношения «воздух — топливо», минимизируют возможность подачи недостаточного или избыточного количества топлива, что ведет к уменьшению количества вредных выбросов в атмосферу, снижению расхода топлива, лучшей управляемости автомобиля.

Титановые датчики во многом похожи на циркониево-оксидные датчики, но титановым датчикам для работы не требуется атмосферный воздух. Таким образом, титановые датчики являются оптимальным решением для автомобилей, которым необходимо пересекать глубокий брод, например полноприводных внедорожников, так как титановые датчики способны работать при погружении в воду. Еще одним отличием титановых датчиков от других является передаваемый ими сигнал, который зависит от электрического сопротивления титанового элемента, а не от напряжения или силы тока. С учетом данных особенностей титановые датчики могут быть заменены только аналогичными и другие типы лямбда-зондов не могут быть использованы.

В: Чем отличаются специальные и универсальные датчики?
O: Эти датчики имеют разные способы установки. Специальные датчики уже имеют контактный разъем в комплекте и готовы к установке. Универсальные датчики могут не комплектоваться разъемом, поэтому нужно использовать разъем старого датчика.

B: Что произойдет, если выйдет из строя датчик кислорода?
O: В случае выхода из строя датчика кислорода ЭБУ не получит сигнала о соотношении топлива и воздуха в смеси, поэтому он будет задавать количество подачи топлива произвольно. Это может привести к менее эффективному использованию топлива и, как следствие, увеличению его расхода. Это также может стать причиной снижения эффективности катализатора и повышения уровня токсичности выбросов.

B: Как часто необходимо менять датчик кислорода?
O: DENSO рекомендует заменять датчик согласно указаниям автопроизводителя. Тем не менее следует проверять эффективность работы датчика кислорода при каждом техобслуживании автомобиля. Для двигателей с длительным сроком эксплуатации или при наличии признаков повышенного расхода масла интервалы между заменами датчика следует сократить.

Ассортимент кислородных датчиков

• 412 каталожных номеров покрывают 5394 применения, что соответствует 68 % европейского автопарка.
• Кислородные датчики с подогревом и без (переключаемого типа), датчики соотношения «воздух — топливо» (линейного типа), датчики обедненной смеси и титановые датчики; двух типов: универсальные и специальные.
• Регулирующие датчики (устанавливаемые перед катализатором) и диагностические (устанавливаемые после катализатора).

• Лазерная сварка и многоэтапный контроль гарантируют точное соответствие всех характеристик спецификациям оригинального оборудования, что позволяет обеспечить эффективность работы и надежность при длительной эксплуатации.

В DENSO решили проблему качества топлива!

Вы знаете о том, что некачественное или загрязненное топливо может сократить срок службы и ухудшить эффективность работы кислородного датчика? Топливо может быть загрязнено присадками для моторных масел, присадками для бензина, герметиком на деталях двигателя и нефтяными отложениями после десульфуризации. При нагреве свыше 700 °C загрязненное топливо выделяет вредные для датчика пары. Они влияют на работу датчика, образуя отложения или разрушая его электроды, что является распространенной причиной выхода датчика из строя. DENSO предлагает решение этой проблемы: керамический элемент датчиков DENSO покрыт уникальным защитным слоем оксида алюминия, который защищает датчик от некачественного топлива, продлевая срок его службы и сохраняя его рабочие характеристики на необходимом уровне.

Дополнительная информация

Более подробную информацию об ассортименте кислородных датчиков DENSO можно найти в разделе Кислородные датчики, в системе TecDoc или у представителя DENSO.

Кислородный датчик: устройство, назначение, диагностика

Сомнительная заправка, плохой бензин, «чек» на панели — стандартный и быстрый путь к замене кислородного датчика. Про лямбда-зонд слышали многие автомобилисты, но мало кто разбирался, за что именно он отвечает и почему так легко выходит из строя. Рассказываем про датчик кислорода — «обоняние» двигателя.

Лямбда и стехиометрия двигателя

Название датчика происходит от греческой буквы λ (лямбда), которая обозначает коэффициент избытка воздуха в топливно-воздушной смеси. Для полного сгорания смеси соотношение воздуха с топливом должно быть 14,7:1 (λ=1). Такой состав топливно-воздушной смеси называют стехиометрическим — идеальным с точки зрения химической реакции: топливо и кислород в воздухе будут полностью израсходованы в процессе горения. При этом двигатель произведёт минимум токсичных выбросов, а соотношение мощности и расхода топлива будет оптимальным.

Если лямбда будет <1 (недостаток воздуха), смесь станет обогащённой; при лямбде >1 (избыток воздуха) смесь называют обеднённой. Чересчур богатая смесь — это повышенный расход топлива и более токсичный выхлоп, а слишком бедная смесь грозит потерей мощности и нестабильной работой двигателя.

Зависимость мощности и расхода топлива от состава смеси

Из графика видно, что при λ=1 мощность двигателя не пиковая, а расход топлива не минимален — это лишь оптимальный баланс между ними. Наибольшую мощность мотор развивает на слегка обогащённой смеси, но расход топлива при этом возрастает. А максимальная топливная эффективность достигается на слегка обеднённой смеси, но ценой падения мощности. Поэтому задача ЭБУ (электронного блока управления) двигателя — корректировать топливно-воздушную смесь исходя из ситуации: обогащать её при холодном пуске или резком ускорении, и обеднять при равномерном движении, добиваясь оптимальной работы мотора во всех режимах. Для этого блок управления ориентируется на показания датчика кислорода.

Зачем нужен кислородный датчик

Датчиков в современном двигателе великое множество. С помощью различных сенсоров ЭБУ замеряет температуру забортного воздуха и его поток, «видит» положение дроссельной заслонки, отслеживает детонацию и положение коленвала — словом, внимательно следит за воздухом «на входе» и показателями работы мотора, регулируя подачу топлива для создания оптимальной смеси в цилиндрах.

Схема лямбда-коррекции двигателя

Лямбда-зонд показывает, что же получилось «на выходе», замеряя количество кислорода в выхлопных газах. Другими словами, кислородный датчик определяет, оптимально ли работает мотор, соответствуют ли расчёты ЭБУ реальной картине и нужно ли вносить в них поправки. Основываясь на данных с лямбда-зонда, ЭБУ вносит соответствующие коррекции в работу двигателя и подготовку топливно-воздушной смеси.

Где находится кислородный датчик

Датчик кислорода установлен в выпускном коллекторе или приёмной трубе глушителя двигателя, замеряя, сколько несгоревшего кислорода находится в выхлопных газах. На многих автомобилях есть ещё один лямбда-зонд, расположенный после каталитического нейтрализатора выхлопа — для контроля его работы.

Если у двигателя две головки блока (V-образники, «оппозитники»), то удваивается количество выпускных коллекторов и катализаторов, а значит и лямбда-зондов — у современной машины может быть и 4 кислородных датчика.

Устройство кислородного датчика

Классический лямбда-зонд порогового типа — узкополосный — работает по принципу гальванического элемента. Внутри него находится твёрдый электролит — керамика из диоксида циркония, поэтому такие датчики часто называют циркониевыми. Поверх керамики напылены токопроводящие пористые электроды из платины. Будучи погружённым в выхлопные газы, датчик реагирует на разницу между уровнем кислорода в них и в атмосферном воздухе, вырабатывая на выходе напряжение, которое считывает ЭБУ.

Циркониевый элемент лямбда-зонда приобретает проводимость и начинает работать только после прогрева до температуры 300 °C. До этого ЭБУ двигателя действует «вслепую» согласно топливной карте, без обратной связи от кислородного датчика, что повышает расход топлива при прогреве двигателя и количество вредных выбросов. Чтобы быстрее задействовать лямбда-зонд, ему добавляют принудительный электрический подогрев. Кислородные датчики с подогревом внешне отличаются увеличенным количеством проводов: у них 3–4 жилы против 1–2 у обычных датчиков.

В названии узкополосного датчика кроется его недостаток — он способен замерять количество кислорода в выхлопе в достаточно узком диапазоне. ЭБУ может корректировать смесь по его показаниям только в некоторых режимах работы мотора (холостой ход, движение с постоянной скоростью), что не отвечает современным требованиям по экономичности и экологичности двигателей. Для более точных замеров в широком диапазоне используют широкополосный лямбда-зонд (A/F-сенсор), который также называют датчиком соотношения «воздух-топливо» (Air/Fuel Sensor). Обычно к нему подходят 5–6 проводов, хотя бывают и исключения.

Внешне «широкополосник» похож на обычный датчик кислорода, но внутри есть отличия. Благодаря специальным накачивающим ячейкам эталонный лямбда-коэффициент газового содержимого датчика всегда равен 1, и генерируемое им напряжение постоянно. А вот ток меняется в зависимости от количества кислорода в выхлопных газах, и ЭБУ двигателя считывает его в реальном времени. Это позволяет электронике быстрее и точнее корректировать смесь, добиваясь её полного сгорания в цилиндрах.

Почему до сих пор производят узкополосные датчики? Во-первых, для старых автомобилей, где A/F-сенсоры не применялись. Во-вторых, из-за особенностей «широкополосника» его нельзя устанавливать после катализатора, где он быстро выходит из строя. А контролировать работу катализатора как-то надо. Поэтому в современных двигателях ставят два лямбда-зонда разного типа: широкополосный (управляющий) — в районе выпускного коллектора, а узкополосный (диагностический) — после катализатора.

Причины и признаки неисправности лямбда-зонда

Основная причина поломок кислородных датчиков — некачественный бензин: свинец и ферроценовые присадки оседают на чувствительном элементе датчика, выводя его из строя. На состояние лямбда-зонда влияет и нестабильная работа двигателя: при пропусках зажигания от старых свечей или пробитых катушек несгоревшая смесь попадает в выхлопную систему, где догорает, выжигая и катализатор, и датчики кислорода. Приговорить датчик также может попадание в цилиндры антифриза или масла.

Самый очевидный признак неисправности лямбда-зонда — индикатор Check Engine на приборной панели. Считав код ошибки с помощью сканера или самодиагностики, можно проверить, какой именно датчик вышел из строя, если их несколько. Иногда всё дело в повреждённой проводке датчика — с проверки цепи и стоит начать поиск поломки.

Но далеко не всегда проблемный лямбда-зонд зажигает «Чек»: иногда он не ломается полностью, а медленно умирает, давая при этом ложные показания, из-за чего ЭБУ двигателя неверно корректирует состав смеси. В этом случае нужно ориентироваться на косвенные признаки — ухудшение работы двигателя.

Проблемы с датчиком кислорода нарушают всю систему обратной связи и лямбда-коррекции, вызывая целый букет неисправностей. Прежде всего, это увеличение расхода топлива и токсичности выхлопа, снижение мощности и нестабильный холостой ход. Если вовремя не заменить лямбда-зонд, следом выйдет из строя каталитический нейтрализатор, осыпавшись из-за перегрева от обогащённой смеси.

Универсальные кислородные датчики

Цена на оригинальные датчики кислорода вряд ли обрадует автомобилистов, но все лямбда-зонды работают по единому принципу, что позволяет без труда подобрать замену. Главное, чтобы соответствовал типа датчика (широкополосный/узкополосный), количество проводов и резьбовая часть. В продаже есть универсальные кислородные датчики без разъёма, которые можно использовать на десятках моделей автомобилей — подобрать и купить лямбда-зонд не составляет проблемы.

Чтобы избежать проблем с кислородными датчиками, следите за состоянием двигателя, заправляйтесь качественным топливом и регулярно выполняйте компьютерную диагностику, которая позволит выявить неисправности на ранней стадии.

Датчик кислорода для автомобиля (что это такое)

Датчик кислорода нужен, чтобы регулировать смесь топлива и воздуха, поступающую в двигатель. Он обеспечивает максимальную мощность и меньший расход топлива. Поговорим для чего нужен датчика кислорода в машине и принцип его работы.

Для чего нужен

В отработавших газах бензинового двигателя можно найти немало разнообразных токсичных компонентов, но верховодит традиционная триада:

• СО – окись углерода, угарный газ;
• СН – несгоревшие углеводороды;
• NOх – окислы азота.

Инженеры противопоставили этой опасной троице очень важное устройство, входящее в систему выпуска, – каталитический нейтрализатор отработавших газов. Иначе говоря, газы, пройдя через это устройство, из агрессивно-токсичных превращаются в сравнительно безопасные, нейтральные.

Чтобы нейтрализатор мог эффективно «облагораживать» поступающие в него газы, содержание каждого компонента в них должно укладываться в довольно узкие рамки, соответствующие сгоранию в цилиндрах стехиометрической рабочей смеси топлива и воздуха. Напомним, что ее состав характеризуется так называемым коэффициентом избытка воздуха a.

Если a больше 1,0 – смесь обедненная, бедная и т.д. И наоборот – смесь с a меньше 1,0 – обогащенная, богатая и т.д. Если воздуха ровно столько, сколько требуется для полного сгорания топлива, смесь называют стехиометрической – это область значений a вблизи 1,0.

Зависимость эффективности нейтрализатора от состава рабочей смеси в цилиндрах двигателя. Чтобы эффективность была не ниже 80%, колебания состава относительно оптимального не должны превышать 1%.

Как обеспечить столь высокую точность и одновременно стабильность? Цель была достигнута с появлением электронной системы автоматического регулирования с датчиком кислорода в отработавших газах – по-другому, лямбда-зондом. Этот датчик – важнейший элемент обратной связи в системе впрыска, позволяющей поддерживать стехиометрический состав на установившихся режимах работы двигателя с точностью до ±1%. На современных авто можно увидеть датчики кислорода двух типов. К первому отнесем датчики на основе диоксида циркония (циркониевые), ко второму – на основе оксида титана (титановые). Принцип работы один, разница только в конструкции. Измерительный элемент датчика кислорода имеет напыление благородного металла – платины с внутренней и внешней сторон. Внутри – «твердый электролит» (керамика). Работает по принципу гальванического элемента с твердым электролитом: по достижении температуры 300–350°С керамика начинает проводить ионы кислорода.

Полезно помнить, что это минимально возможная температура функционирования измерительного элемента, тогда как при работе двигателя температура датчика около 600°С. Ограничена и максимальная рабочая температура – около 900–1000°С в зависимости от типа датчика, перегрев грозит его повреждением.

Принцип работы

При работе двигателя концентрация кислорода внутри выпускной системы и снаружи ее, в окружающем воздухе, совершенно разная. Вот эта разница и заставляет ионы кислорода двигаться в твердом электролите, в результате чего на электродах измерительного элемента появляется разность потенциалов – сигнал датчика кислорода.

Зависимость выходного сигнала зонда от температуры. Зона ниже 300°С – нерабочая: 1 – реакция на богатые смеси; 2 – реакция на бедные смеси.

Как видите, реакции на богатые и бедные смеси различаются очень сильно, но при падении температуры ниже 300°С разница постепенно уменьшается – эта зона уже нерабочая. Чтобы датчик после пуска двигателя быстрей прогревался, его размещают возможно ближе к мотору, но все же с учетом ограничений по максимальной температуре. Особенно «критична» длительная езда с полной мощностью двигателя.

Современные датчики кислорода – с электроподогревом, которым управляет электронный блок управления двигателем, меняя ток нагревателя. Соответственно, он контролирует и исправность цепи нагревателя, что очень важно.

Как работают датчики: датчик кислорода

Датчик кислорода, также называемый датчиком O2, выполняет функцию, указанную в его названии, а именно измеряет количество кислорода в отработавших газах. И хотя это может показаться несложной задачей, датчик O2 является одним из наиболее важных датчиков транспортного средства, который отвечает за соблюдение баланса между топливом и воздухом и сведение к минимуму объема вредных выбросов. Поэтому вам полезно будет узнать, для чего он предназначен, почему он выходит из строя, и, что важно, как его заменить в случае поломки.

Как работает датчик O2?

В большинстве автомобилей установлено по крайней мере два кислородных датчика, расположенных в выхлопной системе. Один из них обязательно устанавливается перед каталитическим нейтрализатором, а один или несколько — после каталитического нейтрализатора. Кислородный датчик, установленный перед каталитическим нейтрализатором, регулирует подачу топлива, а датчик, расположенный после него, измеряет эффективность работы каталитического нейтрализатора.

Датчики O2 обычно можно отнести к категории узкодиапазонных или широкодиапазонных.  Чувствительный элемент находится внутри датчика, заключенного в стальной корпус. Молекулы кислорода из выхлопных газов проходят через крошечные прорези или отверстия в стальной оболочке датчика, чтобы достичь чувствительного элемента, или ячейки Нернста. С другой стороны ячейки Нернста кислород из воздуха вне выхлопной системы перемещается вниз по датчику O2 и контактирует с ним. Разница в количестве кислорода между наружным воздухом выхлопными газми вызывает поток ионов кислорода и создает напряжение.

Если смесь выхлопных газов слишком богата и в выхлопе слишком мало кислорода, в электронный блок управления (ЭБУ) двигателя подается сигнал на уменьшение количества топлива, поступающего в цилиндр. Если смесь выхлопных газов слишком бедна, то посылается сигнал на увеличение количества топлива, подающегося в двигатель. Если топлива слишком много, в выхлопных газах присутствуют углеводороды и угарный газ. Если топлива слишком мало — загрязняющие атмосферу оксиды азота. Сигнал датчика помогает поддерживать оптимальный состав смеси. Широкодиапазонные датчики O2 имеют дополнительную насосную ячейку O2 для регулирования количества кислорода, подающегося к чувствительному элементу.  Это позволяет производить измерения в гораздо более широком диапазоне соотношения компонентов топливной смеси.

Почему возникают неисправности датчиков кислорода?

Поскольку датчик кислорода находится в потоке выхлопных газов, он может загрязниться. Обычно причиной загрязнения является чрезмерно богатая топливная смесь или выброс масла в более старых двигателях, а также просачивание в камеру сгорания охлаждающей жидкости через прокладки. Он также подвергается воздействию чрезвычайно высоких температур и, как и любой другой компонент, может со временем изнашиваться. Все это может повлиять на характеристики отклика кислородного датчика, что способно привести к увеличению времени отклика или изменению кривой напряжения датчика, а в долгосрочной перспективе — к снижению эффективности датчика. 

Каковы признаки неисправности датчика кислорода?

При поломке датчика кислорода компьютер больше не может определять соотношение топливно-воздушной смеси, поэтому он вынужден «гадать». В связи с этим существует несколько контрольных признаков, на которые стоит обратить внимание:

• Индикатор проверки двигателя: хотя он может загореться по многим причинам, обычно это связано с выхлопными газами.
• Большой расход топлива: неисправный кислородный датчик нарушит правильное смешивание воздуха и топлива, что приведет к увеличению расхода топлива.
• Неровная работа двигателя на холостом ходу или пропуски зажигания: поскольку выходной сигнал датчика кислорода помогает контролировать синхронизацию двигателя, интервалы сгорания и топливно-воздушную смесь, неисправность датчика может стать причиной неровной работы двигателя.
• Вялый разгон.

Устранение неисправностей датчика O2

Чтобы определить причину неправильной работы датчика O2, выполните следующие действия:

• Считайте коды неисправностей с помощью диагностического прибора. Обратите внимание, что при обнаружении проблем с датчиками O2 прибор часто выдает несколько кодов неисправностей.
• Лямбда-зонды имеют внутренний нагреватель, поэтому следует проверить сопротивление нагревателя — оно обычно бывает довольно низким.
• Проверьте подачу питания на нагреватель — зачастую это провода одного цвета.
• Проверьте электрический разъем на наличие повреждений или грязи. 
• Проверьте выпускной коллектор и топливные форсунки на наличие утечек, а также состояние элементов системы — это может повлиять на правильность работы датчика.
• Проверьте правильность показаний датчика O2, выполнив замер концентрации кислорода с помощью четырех- или пятикомпонентного газоанализатора.
• Используйте осциллограф для проверки сигнала на холостом ходу и при 2500 об/мин.
• Если доступ к проводке датчика затруднен, используйте данные в реальном времени, чтобы проверить наличие сигнала.
• Проверьте состояние защитной трубки чувствительного элемента датчика на наличие признаков повреждения и загрязнения.

Коды распространенных неисправностей

Ниже приведены коды самых распространенных неисправностей и причины их возникновения:

• P0135: датчик кислорода перед каталитическим нейтрализатором 1, отопительный контур / разомкнут
• P0175: богатая топливная смесь (ряд 2)
• P0713: неправильно сбалансирован состав смеси (ряд 2)
• P0171: бедная топливная смесь (ряд 1)
• P0162: неисправность цепи датчика O2 (ряд 2, датчик 3)

Как произвести замену датчика кислорода

Советы по замене кислородных датчиков

• Прежде чем заменить датчик, вам необходимо выявить причину неисправности.  Подключите диагностический прибор, например Delphi DS, выберите нужный автомобиль и считайте код(-ы) неисправности(-ей).  Подтвердите код неисправности, выбрав действительные данные и сравнив значение с датчика, в котором вы предполагаете неисправность, со значением заведомо рабочего датчика. При необходимости обратитесь к данным производителя автомобиля, чтобы найти правильное значение для сравнения.Чтобы убедиться в том, что проблема обусловлена неисправным датчиком, а не проводкой, могут потребоваться другие инструменты или оборудование. 
• Поскольку во многих автомобилях новых моделей имеется несколько датчиков кислорода, убедитесь, что вы правильно определили неисправный датчик, чтобы по ошибке не заменить исправный.  Производители транспортных средств несколько по-разному обозначают положение датчиков «ряд 1» и «ряд 2», «перед/зад» и «до/после», поэтому следует убедиться в том, что вы нашли нужный (неисправный) датчик. Лучший способ сделать это — с помощью диагностического инструмента посмотреть данные в реальном времени.
• После этого отсоедините провод от датчика.
• С помощью гаечного ключа или специального торцевого ключа для датчиков кислорода выкрутите датчик из его посадочного места.  Затем утилизируйте старый датчик и замените его новым.
• В большинстве случаев резьбовое соединение датчика имеет специальное токопроводящее покрытие от прикипания, поэтому достаточно просто установить новый датчик на место старого.
• Чтобы предотвратить схватывание датчика в резьбе, все датчики Delphi поставляются с высокотемпературным противозадирным составом, который либо наносится на заводе-изготовителе, либо прилагается в комплекте.  При необходимости нанесите состав на новый датчик перед установкой. Не наносите чрезмерное количество противозадирного средства на резьбу, так как это может привести к загрязнению чувствительного элемента.
• Затяните датчик рекомендованным моментом.
• После установки датчика подключите электронный разъем.
• Теперь снова подключите диагностический прибор и удалите все сопутствующие коды неисправностей.
• Наконец, включите зажигание и убедитесь, что индикатор проверки двигателя погас, а затем проведите ходовые испытания.

Лямбда-зонд (датчик кислорода). Устройство лямбда-зонда

• Замена лямбда-зонда
• Установка лямбда зонда

Строгие экологические нормы (которые, к тому же, постоянно ужесточаются) требуют постоянного контроля токсичности выхлопа автомобиля. За параметрами следит блок управления двигателем, регулируя степень обогащения топливной смеси. Для правильной работы этого компьютера требуются специальные датчики.

Система, в которой установлены кислородные датчики, функционирует следующим образом:

1. В начале выхлопной трубы находится катализатор, снижающий токсичность отработанных газов.
2. Перед катализатором размещен датчик кислорода (лямбда зонд), который анализирует неочищенный состав выхлопа. Этот элемент помогает формировать правильную смесь. Если для поддержания требуемой мощности двигателя расход топлива слишком большой, компьютер дает команду на снижение количества бензина.
3. После каталитического нейтрализатора находится второй датчик О2. Он отвечает в основном за оценку токсичности выхлопа. Его показания также меняют настройки обогащения топливной смеси.

Становится понятно, что датчик лямбда зонда влияет не только на экологию, а также на мощность автомобиля и расход топлива.

Важно! Речь идет о системе с двумя лямбдами. Автомобили, в которых установлен один кислородный датчик, встречаются сейчас относительно редко. Следует знать, что пара лямбд (до и после катализатора) устанавливается на выходе из каждого выпускного коллектора. Если у вас двигатель V6, V8 или V10, с двумя коллекторами – количество датчиков удваивается.

Ресурс лямбды составляет 50-100 тысяч километров, в зависимости от условий эксплуатации, особенности самого датчика и ряда других факторов. Это достаточно дорогой расходник, его замена ощутима для кошелька.

Как работает датчик концентрации кислорода 

Принцип действия рассматриваемого элемента основан на изменении электрического потенциала между электродами, при различном содержании кислорода в анализируемом воздухе. Один электрод – внешний, выполнен с применением платины (это оправдывает высокую стоимость). Второй – внутренний, из циркония. Эти металлы при прохождении атомов кислорода, формируют некоторый потенциал, увеличивающийся при повышении концентрации О2.

Для нормальной работы датчика требуется температура от 300 до 1000 °C. Пока двигатель не прогрелся, система не функционирует должным образом. Мощность силовой установки избыточна, токсичность выхлопа – высокая. Для моментальной готовности лямбды, внутренний электрод нагревается. К нагревателю подводятся дополнительные провода питания.

Универсальный кислородный датчик может иметь различную конструкцию – широкополосный, двухточечный, коаксиальный. Принцип анализа концентрации О2 один и тот же.

Неисправность лямбда зонда приводит к серьезным проблемам в работе двигателя. Поэтому не стоит игнорировать поломку. И тем более, нельзя самостоятельно пытаться отремонтировать датчики. Даже если Вы знаете, где находится лямбда зонд, его легко повредить при демонтаже. В условиях высоких температур резьба намертво прикипает. А использовать стандартный накидной ключ невозможно, по причине длинных проводов, выходящих из датчика.

Обратившись в сервис «Ваш глушитель», Вы получите грамотную диагностику и профессиональный ремонт без повреждения хрупких лямбда зондов. Наши мастера знают все неисправности датчика кислорода, и смогут устранить поломку с минимальными финансовыми затратами. Не обязательно сразу менять деталь, некоторые дефекты подлежат ремонту. Специалисты нашего сервиса по ремонту выхлопных систем помогут Вам сэкономить на ремонте.

Неисправность датчика кислорода. Признаки и причины

Неисправность датчика кислорода приводит к повышенному расходу топлива, снижению динамических характеристик автомобиля, нестабильной работе мотора на холостых оборотах, увеличение токсичности выхлопных газов. Обычно причинами неисправности датчика концентрации кислорода является его механическое повреждение, разрыв электрической (сигнальной) цепи, загрязнение чувствительной части датчика продуктами сгорания топлива. В некоторых случаях, например, при возникновении ошибки p0130 или p0141 на приборной панели активируется сигнальная лампа Check Engine. Использовать автомобиль при неисправном датчике кислорода можно, однако это приведет к указанным выше проблемам.

Содержание:

Назначение датчика кислорода

Датчик кислорода устанавливается в выпускном коллекторе (у различных машин конкретное место и ко-во может отличаться), и выполняет мониторинг наличия кислорода в выхлопных газах. В автопромышленности греческая буква «лямбда» обозначает коэффициент избытка кислорода в топливовоздушной смеси. Именно по этой причине зачастую датчик кислорода называют «лямбда-зонд».

Предоставленная датчиком информация о количестве кислорода в составе выхлопных газов электронным блоком управления двигателем (ЭБУ) используется для корректировка впрыска топлива. Если кислорода в выхлопных газах много, значит, топливовоздушная смесь, подаваемая в цилиндры, бедная (напряжение на датчике 0,1…0,3 Вольта), а если кислорода много — значит, богатая (напряжение на датчике 0,6…0,9 Вольта). Соответственно, происходит коррекция количества подаваемого топлива при необходимости. Что сказывается не только на динамических характеристиках двигателя, но и работы каталитического нейтрализатора выхлопных газов.

В большинстве случаев диапазон эффективной работы катализатора составляет 14,6…14,8 долей воздуха на одну долю топлива. Это соответствует значению лямбда, равной единице. Таким образом, датчик кислорода является своеобразным контролером, расположенным в выпускном коллекторе.

На некоторых автомобилях конструктивно предусмотрено использование двух датчиков концентрации кислорода. Один расположен до катализатора, а второй — после. Задача первого состоит в коррекции состава топливовоздушной смеси, а второго — проверка эффективности работы катализатора. Сами же датчики по конструкции, как правило, идентичны.

Влияет ли лямбда зонд на запуск — что будет?

Если отключить лямбда зонд то будет возрастание расхода топлива, повышение токсичности газов, а иногда и нестабильная работа двигателя на холостых оборотах. Однако такой эффект происходит лишь после прогрева так как кислородный датчик начинает работать в условиях повышенной до +300°С температуры. Для этого его конструкция подразумевает использование специального подогрева, которая включается при запуске двигателя. Соответственно, непосредственно в момент запуска мотора лямбда зонд не работает, и никоим образом не влияет на сам запуск.

Лампочка “чек” при неисправности лямбда зонда горит когда в памяти ЭБУ сформированы конкретные ошибки связанные с повреждением проводки датчика либо самого датчика, однако код фиксируется лишь при определенных условиях работы двигателя.

Признаки неисправности датчика кислорода

Выход из строя лямбда зонда, как правило, сопровождается следующими внешними симптомами:

• Ухудшение тяги и снижение динамических характеристик автомобиля.
• Нестабильный холостой ход. Значение оборотов при этом могут скакать и понижаться ниже оптимальных. В самом критическом случае машина вообще не будет держать холостые обороты и без подгазовывания водителем она попросту заглохнет.
• Увеличение расхода топлива. Обычно перерасход незначительный, однако можно определить при программном замере.
• Увеличение токсичности выхлопа. Выхлопные газы при этом становятся непрозрачными, а имеющими сероватый либо синеватый оттенок и более резкий, топливный, запах.

Стоит оговориться, что перечисленные выше признаки могут указывать и на другие поломки двигателя или прочих систем автомобиля. Поэтому, чтобы определить неисправности датчика кислорода, нужны несколько проверок используя в первую очередь диагностический сканер и мультиметр для проверки сигналов лямбды (управляющего и цепи подогрева).

Как правило, проблемы с проводкой датчика кислорода четко фиксируется электронным блоком управления. При этом в его памяти формируются ошибки, например, p0136, p0130, p0135, p0141 и прочие. В любом случае необходимо выполнить проверку цепи датчика (проверить наличие напряжения и целостность отдельных проводов), а также посмотреть на график работы (используя осциллограф либо программу диагностик).

Причины неисправности датчика кислорода

В большинстве случаев кислородная лямбда работает около 100 тыс. км без сбоев однако есть причины которые значительно сокращают его ресурс и приводят к неисправности.

• Неисправность цепи датчика кислорода. Выражаться по-разному. Это может быть полный обрыв питающих и/или сигнальных проводов. Возможно повреждение цепи подогрева. В этом случае лямбда зонд не будет работать до тех пор, пока выхлопные газы не разогревают его до рабочей температуры. Возможно повреждение изоляции на проводах. В этом случае имеет место короткое замыкание.
• Замыкание датчика. В этом случае он полностью выходит из строя и, соответственно, не подает никаких сигналов. Большинство лямбда зондов ремонту не подлежат и их надо менять на новые.
• Загрязнение датчика продуктами сгорания топлива. В процессе эксплуатации датчик кислорода по естественным причинам постепенно загрязняется и со временем может перестать передавать корректную информацию. По этой причине автопроизводители рекомендуют периодически менять датчик на новый, отдавая при этом предпочтение оригиналу так как универсальная лямбда не всегда корректно показывает информацию.
• Термические перегрузки. Обычно это происходит по причине проблем с зажиганием, в частности, перебоев с ним. В таких условиях датчик работает при критических для него температурах, что снижает его общий ресурс и постепенно выводит из строя.
• Механические повреждения датчика. Они могут возникнуть при неаккуратных ремонтных работах, при езде по бездорожью, ударах при ДТП.
• Использование при установке датчика герметиков, которые вулканизируются при высокой температуре.
• Многократные неудачные попытки запуска двигателя. При этом в двигателе, и в частности, в выпускном коллекторе накапливается несгоревшее топливо.
• Попадание на чувствительный (керамический) наконечник датчика различных технологических жидкостей или мелких посторонних предметов.
• Негерметичность в выпускной системе выхлопных газов. Например, может прогореть прокладка между коллектором и катализатором.

Обратите внимание, что состояние датчика кислорода во многом зависит от состояния других элементов двигателя. Так, значительно снижают ресурс лямбда зонда следующие факторы: неудовлетворительное состояние маслосъемных колец, попадание антифриза в масло (цилиндры), обогащенная топливовоздушная смесь. И если при исправном датчике кислорода количество углекислого газа составляет порядка 0,1…0,3%, то при выходе лямбда зонда из строя соответствующее значение увеличивается до 3…7%.

Как определить неисправность датчика кислорода

Существует ряд методов для проверки состояния лямбда датчика и его питающих/сигнальных цепей.

Специалисты компании BOSCH советуют проверять соответствующий датчик каждые 30 тысяч километров пробега, либо при выявлении описанных выше неисправностей.

Что нужно сделать в первую очередь при диагностике?

1. Необходимо оценить количество сажи на трубке зонда. Если ее слишком много — датчик будет работать некорректно.
2. Определить цвет отложений. Если на чувствительном элементе датчика имеются белые или серые отложения — это означает, что используются присадки к топливу или к маслу. Они негативно сказываются на работе лямбда зонда. Если на трубке зонда имеются блестящие отложения — это говорит о том, что в используемом топливе очень много свинца, и от использования такого бензина лучше отказаться, соответственно, сменить марку бензозаправки.
3. Можно попытаться очистить сажу, однако это не всегда возможно.
4. Проверить мультиметром целостность проводки. В зависимости от модели конкретного датчика он может иметь от двух до пяти проводов. Один из них будет сигнальным, а остальные — питающими, в том числе, для питания элементов подогрева. Для выполнения процедуры проверки вам понадобится цифровой мультиметр, способный измерять постоянное электрическое напряжение и сопротивление.
5. Имеет смысл проверить сопротивление нагревателя датчика. В разных моделях лямбда зонда оно будет находиться в пределах от 2 до 14 Ом. Значение питающего напряжения должно быть около 10,5…12 Вольт. В процессе проверки также нужно обязательно проверить целостность всех проводов, подходящих к датчику, а также значение сопротивления их изоляции (как попарно между собой, так и каждого на «массу»).

Как проверить лямбда-зонд видео

Обратите внимание, что нормальная работа датчика кислорода возможна лишь при его нормальной рабочей температуре, равной +300°С…+400°С. Это обусловлено тем, что лишь в таких условиях циркониевый электролит, нанесенный на чувствительный элемент датчика, становится проводником электрического тока. Также при такой температуре разница атмосферного кислорода и кислорода в выхлопной трубе приведет к тому, что на электродах датчика появится электрический ток, который и будет передаваться на электронный блок управления двигателем.

Так как проверка кислородного датчика во многих случаях подразумевает снятие/установку то стоит учесть такие нюансы:

• Лямбда — устройства очень хрупкие, поэтому при проверке нельзя подвергать их механическим нагрузкам и/или ударам.
• Резьбу датчика необходимо обработать специальной термопастой. При этом нужно следить, чтобы паста не попала на его чувствительный элемент, поскольку это приведет к его некорректной работе.
• При закручивании необходимо соблюдать значение крутящего момента, и пользоваться для этих целей динамометрическим ключом.

Точная проверка лямбда зонда

Точнее всего определить неисправность датчика концентрации кислорода позволит осциллограф. Причем использовать профессиональный аппарат необязательно можно снять осциллограмму используя программу-симулятор на ноутбуке либо другом гаджете.

График правильной работы датчика кислорода

На первом рисунке в данном разделе представлен график правильной работы датчика кислорода. В этом случае на сигнальный провод поступает сигнал, похожий на ровную синусоиду. Синусоида в данном случае означает, что контролируемый датчиком параметр (количество кислорода в выхлопных газах) находится в предельно допустимых границах, и просто происходит его постоянная и периодическая проверка.

График работы сильно загрязненного датчика кислорода

График работы датчика кислорода на обедненной топливной смеси

График работы датчика кислорода на обогащенной топливной смеси

График работы датчика кислорода на бедной топливной смеси

Далее представлены графики, соответствующие сильно загрязненному датчику, использованию двигателем автомобиля обедненной топливной смеси, богатой смеси, а также бедной смеси. Ровные линии на графиках означают, что контролируемый параметр вышел за допустимые пределы в ту или другую сторону.

Как устранить неисправность датчика кислорода

Если впоследствии проверки показало что причина в проводке, то проблема решится заменой жгута проводов либо фишки подключения, а вот при отсутствии сигнала от самого датчика зачастую говорит о необходимости замены датчика концентрации кислорода на новый, но прежде чем покупать новую лямбду можно воспользоваться одним из представленных ниже способов.

Метод первый

Предполагает очистку элемента подогре от нагара (применяется когда возникает неисправность нагревателя датчика кислорода). Для реализации этого метода необходимо обеспечить доступ к чувствительной керамической части устройства, которая скрыта за защитным колпачком. Снять указанный колпачок можно с помощью тонкого напильника, с помощью которого нужно сделать надрезы в области основания датчика. Если демонтировать колпачок полностью не получится, то допускается сделать маленькие окошки размером около 5 мм. Для дальнейшей работы необходимо около 100 мл ортофосфорной кислоты либо преобразователя ржавчины.

Когда защитный колпачок был демонтирован полностью, то для его восстановления на его посадочном месте придется воспользоваться аргоновой сваркой.

Процедура по восстановлению выполняется по следующему алгоритму:

• Налить 100 мл ортофосфорной кислоты в стеклянную емкость.
• Опустить керамический элемент датчика в кислоту. Полностью опускать датчик в кислоту нельзя! После этого подождать около 20 минут с тем, чтобы кислота растворила сажу.
• Извлечь датчик и промыть его проточной водой из крана, а затем дать ему высохнуть.

Порой на выполнение чистки датчика таким методом нужно потратить до восьми часов времени, ведь если с первого раза очистить сажу не получилось, то имеет смысл повторить процедуру два и более раза, причем можно воспользоваться кистью для выполнения механической обработки поверхности. Вместо кисти можно воспользоваться зубной щеткой.

Метод второй

Предполагает выпаливание нагара на датчике. Для выполнения чистки датчика кислорода вторым методом кроме той же ортофосфорной кислоты понадобится еще и газовая горелка (как вариант использовать домашнюю газовую плиту). Алгоритм чистки следующий:

• Окунуть чувствительный керамический элемент датчика кислорода в кислоту, обильно смочив его.
• Взять датчик пассатижами с противоположной от элемента стороны и поднести к горящей конфорке.
• Кислота на чувствительном элементе будет закипать, а на его поверхности образуется соль зеленоватого оттенка. Однако вместе с этим сажа с него будет удаляться.

Повторить описанную процедуру нужно несколько раз до тех пор, пока чувствительный элемент не станет чистым и блестящим.

Спрашивайте в комментариях. Ответим обязательно!

Датчики кислорода (О2) | Детекторы кислорода | Со склада

Для получения консультаций по вопросам выбора и поставки датчиков кислорода (О2) обратитесь, пожалуйста, к нашим специалистам по телефону +7 (495) 510-11-04 или просто нажмите кнопку ЗАКАЗАТЬ.

Кислород (О₂) – наиболее распространенный в природе химический элемент, не имеющий окраски и вкуса. Его невозможно определить обонянием, при замерзании превращается в голубоватую жидкость. О₂ находит широкое применение в медицине, металлургии при выплавке стали, его используют при сварке, добавляют к ракетному топливу в качестве окислителя. Несмотря на обширную область использования, одной из критичных характеристик кислорода остается его взрывоопасность при определенных условиях.

Датчики концентрации кислорода в воздухе устанавливаются на производственных участках с высокой вероятностью аварий из-за выброса газа в атмосферу. Для предотвращения вероятности взрыва при утечке О₂ его концентрация в воздухе постоянно контролируется. Для этих целей предназначен датчик кислорода воздуха.

Особенности приборов

Повышение концентрации кислорода в воздухе нельзя обнаружить без применения специальной техники. Отсутствие у газа вкуса, запаха и цвета не позволяет получить объективную информацию о его содержании в воздушной смеси. Чтобы вовремя обнаружить утечку или повышенную концентрацию, необходим надежный детектор кислорода.

Используемые для выявления утечки кислорода приборы обладают следующими особенностями:

• Небольшие габариты. Приборы применяются для мониторинга тоннелей, колодцев, прочих сооружений под землей, где необходимо установление уровня содержания О₂.
• Простота применения.
• Высокочувствительная система сигнализации. Звуковое оповещение включается автоматически при обнаружении критического уровня газа в воздухе. Это позволяет предотвратить аварийную ситуацию и её последствия.

Варианты исполнения оборудования

Приборы, используемые для мониторинга содержания кислорода в воздухе, выпускаются в стационарном и мобильном (переносном) исполнении. Стационарные модели устанавливаются непосредственно на поверхность стен либо монтируются на DIN-рейку. Цифровые модели снабжаются информативным ЖК-экраном, на который выводятся показатели о текущей концентрации газа в атмосфере. Как только установленные нормы будут превышены, прибор оповестит об этом подачей световых и звуковых сигналов. Стационарные модели могут оборудоваться беспроводными датчиками.

Интернет-магазин «Энергометрика» предлагает большой выбор газоанализаторов, среди которых датчики содержания кислорода в воздухе представлены моделями от известных производителей. Все оборудование сертифицировано и соответствует установленным стандартам.

 

Как работает датчик кислорода?

Датчики кислорода

используются в различных приложениях, таких как автомобильная промышленность, медицинские учреждения, промышленная безопасность, модифицированная атмосферная упаковка и многое другое. В каждом из них используется свой тип сенсорной технологии, который лучше всего подходит для конкретного приложения или среды.

Независимо от области применения, большинство кислородных датчиков предназначены для измерения количества кислорода в воздухе или в закрытых помещениях.Важно помнить, что кислородные датчики обычно измеряют 0,01-25% кислорода, а также могут использоваться для контроля кислородного истощения. Конечно, доступны специальные кислородные датчики, которые могут измерять 0–100% кислорода, но, как правило, они стоят дороже.

Какие бывают типы кислородных датчиков?

1. Датчик кислорода электрохимический
2. Циркониевый датчик кислорода
3. Оптический датчик кислорода
4. Датчик кислорода Clark
5. Инфракрасный датчик кислорода
6. Электрогальванический датчик
7. Ультразвуковой датчик кислорода
8. Лазерный датчик кислорода
9. Парамагнитный датчик кислорода

Как правило, большинство датчиков кислорода измеряют уровень кислорода в газе или жидкости с использованием одной из трех технологий: электрохимической, циркониевой или оптической.Другие методы измерения кислорода, такие как метод Кларка, инфракрасный, ультразвуковой, лазерный, парамагнитный, радиоизотопный, магнитный резонанс и электронный резонанс, используются в узкоспециализированных медицинских, промышленных и научных приложениях.

1. Электрохимический датчик кислорода

Электрохимические датчики кислорода в основном используются для измерения уровня кислорода в окружающем воздухе. Они измеряют химическую реакцию внутри датчика, которая создает электрический выходной сигнал, пропорциональный уровню кислорода.Поскольку некоторые электрохимические датчики вырабатывают собственный аналоговый ток, они могут иметь автономное питание, что делает их полезными для измерения подводных погружений с кислородным аккумулятором и портативных устройств личной безопасности. Примеры могут включать алкотестеры, респираторные датчики и датчики глюкозы в крови.

С точки зрения преимуществ сенсоров, электрохимические сенсоры востребованы из-за их более низкого энергопотребления, более низких пределов обнаружения и часто менее напрямую подвержены влиянию мешающих газов.Кроме того, они, как правило, являются наименее дорогими датчиками.

Проблема электрохимических датчиков кислорода заключается в том, что они зависят от химических процессов, которые зависят от температуры. Выходной сигнал большинства электрохимических датчиков будет во многом зависеть от температурной компенсации, чтобы обеспечить надежные показания в широком диапазоне условий окружающей среды.

Другая проблема электрохимических кислородных датчиков заключается в том, что со временем химическая реакция прекращается, обычно от 1 до 3 лет в зависимости от конструкции датчика.Хранение их в бескислородной среде не продлит срок службы датчика. По мере старения сенсора он требует частой повторной калибровки и не так точен, как другие сенсоры.

Однако из-за их прочной конструкции, низкой стоимости и автономных электрохимических датчиков используются во многих устройствах, особенно в портативных газоанализаторах.

AlphaSense — один из самых популярных производителей электрохимических датчиков кислорода. Их датчики используются в десятках детекторов 4-х газов и портативных счетчиков безопасности, используемых по всему миру.

2. Циркониевый кислородный датчик

Датчики кислорода из диоксида циркония — это разновидность электрохимических датчиков. Диоксид циркония покрыт тонким слоем платины, чтобы сформировать твердотельный электрохимический топливный элемент. Окись углерода, если она присутствует в тестовом газе, окисляется O2 с образованием CO2 и, таким образом, вызывает прохождение тока. Датчик из диоксида циркония определяет не O2 напрямую, а разницу между концентрацией O2 в выхлопных газах и нормальном воздухе.

В то время как датчики кислорода из диоксида циркония чаще всего используются в автомобилях для контроля соотношения воздух-топливо, они также важны в промышленных приложениях. Например, система датчика измерения кислорода из диоксида циркония SST использует эту технологию для измерения содержания кислорода в дымовых газах, системах контроля горения, угле, нефти, газе, биомассе и системах выработки кислорода.

Еще одной особенностью системы датчика измерения кислорода на основе диоксида циркония является то, что в основе ее датчика лежит небольшой элемент на основе циркония, и для него не требуется эталонный газ.Они также сохраняют свою точность, когда кислород смешивается с другими газами.

Когда мы смотрим на преимущества датчика, способность диоксида циркония работать при высоких температурах и давлениях, возможности интеграции приложений практически безграничны, что делает этот датчик полезным во многих отраслях промышленности. Например, каждый произведенный автомобиль использует два датчика кислорода из диоксида циркония для регулировки соотношения топливо-воздух для максимальной эффективности сгорания.

Недостатки датчиков из диоксида циркония в том, что процесс окисления требует высоких температур, поэтому в экспериментах датчик будет изменять температуру измеряемого газа.Высокие температуры также означают, что ему требуется много энергии, поэтому датчики кислорода из диоксида циркония не используются в устройствах с батарейным питанием или в портативных устройствах. Кроме того, датчики из диоксида циркония бесполезны там, где требуется точность датчика ppm или ppb.

3. Оптический датчик кислорода

Оптические датчики кислорода основаны на принципе тушения флуоресценции кислородом. Они полагаются на использование источника света, детектора света и люминесцентного материала, который реагирует на свет. Во многих областях датчики кислорода на основе люминесценции заменяют электрод Кларка.

Принцип тушения флуоресценции молекулярным кислородом известен давно. Некоторые молекулы или соединения при воздействии света флуоресцируют (т. Е. Излучают световую энергию). Однако, если присутствуют молекулы кислорода, энергия света передается молекуле кислорода, что приводит к меньшей флуоресценции. При использовании известного источника света количество регистрируемой световой энергии обратно пропорционально количеству молекул кислорода в образце. Следовательно, чем меньше флуоресценции регистрируется, тем больше молекул кислорода должно присутствовать в анализируемом газе.

В некоторых датчиках флуоресценция обнаруживается дважды через известный интервал времени. Вместо измерения общей флуоресценции измеряется падение люминесценции (т. Е. Тушение флуоресценции) с течением времени. Этот метод определения времени, основанный на затухании, позволяет упростить конструкцию датчика.

Примером датчика, который измеряет уровни кислорода в окружающей среде с помощью гашения флуоресценции кислородом, является LuninOX LOX-02. Хотя он имеет такую ​​же площадь основания, что и традиционные электрохимические датчики, он не поглощает кислород и имеет преимущество в гораздо более длительном сроке службы.

Распространенные области применения оптических датчиков: медицинские учреждения, лазеры, системы визуализации и волокна. Что касается преимуществ сенсоров, многие находят оптические сенсоры с большей чувствительностью, более широким динамическим диапазоном, распределенной конфигурацией и возможностями мультиплексирования.

Другой пример — портативный анализатор кислорода TecPen с упаковкой в ​​модифицированной атмосфере. В TecPen используется тонкий слой люминесцентного красителя на датчике и микронасос для протягивания пробы воздуха мимо флуоресцирующего красителя.Краситель возбуждается при 507 мкм, и результирующее событие флуоресценции регистрируется при 650 мкм. Продолжительность этого события флуоресценции, известная как время жизни, зависит от количества адсорбированного кислорода в сенсорном слое и, таким образом, может использоваться для определения концентрации кислорода.

Поскольку в нем используется более быстрая технология оптохимического зондирования, он может проводить измерения за несколько секунд. Кроме того, оптические датчики кислорода могут быть очень точными с возможностью измерения содержания кислорода на уровне частей на миллиард.Это делает оптические датчики кислорода полезными в процессах, требующих измерения отсутствия кислорода, таких как TS-200, описанный выше, или датчик кислорода TecMicro, способный измерять до 3-4 частей на миллиард молекул кислорода.

4. Датчик кислорода с электродом Кларка

Электрод Кларка представляет собой электрохимический датчик кислорода. Он измеряет уровень кислорода в жидкости с помощью катода и анода, погруженных в электролит.

Электрод Кларка был изобретен для измерения уровня кислорода в крови во время кардиохирургических операций.Сегодня он широко используется в портативных устройствах для измерения уровня глюкозы в крови, для которых требуется капля крови.

Датчик использует тонкий слой глюкозооксидазы (GOx) на кислородном электроде. Путем измерения количества кислорода, потребляемого GOx во время ферментативной реакции с глюкозой, можно рассчитать и отобразить уровень глюкозы в крови.

Доступны дополнительные датчики типа Clarke, которые включают измерение озона (O3), перекиси водорода (h302), водорода (H) и сероводорода (h3S).

Хотя их точность составляет лишь десятые доли процента кислорода, их низкая стоимость сделала электродные кислородные датчики Clarke доступными в качестве потребительских товаров.

5. Инфракрасный датчик кислорода

Автор UusiAjaja — Собственная работа, CC0, Ссылка

Инфракрасные пульсоксиметры, обычно называемые кончиками пальцев или пальцевыми пульсоксиметрами, представляют собой кислородные датчики, которые измеряют количество кислорода в крови с помощью света. Чаще всего они используются в недорогих устройствах для измерения кончика пальца или мочки уха для измерения насыщения кислородом тела для домашнего использования в медицинских целях.

Для работы инфракрасный и красный свет проходят через тонкий слой кожи и измеряются фотодиодом. Поскольку длины волн двух источников света различаются, коэффициент поглощения света кожей пропорционален количеству оксигенированного гемоглобина в артериях.

Преимущества покупки инфракрасных датчиков кислорода связаны с тем, что они неинвазивны, экономичны, компактны и легко могут быстро определять низкий уровень кислорода в крови.Их обратная сторона заключается в том, что некоторые из менее дорогих моделей не одобрены в качестве медицинских устройств из-за низкой точности и повторяемости.

6. Электрогальванический датчик

Электрогальванический датчик кислорода — это топливный элемент, основанный на окислении свинца, который дает электрический выходной сигнал, пропорциональный уровню кислорода внутри датчика. Он похож на электрохимический датчик в том, что он потребляет себя в течение нескольких месяцев, поскольку подвергается воздействию кислорода.

Поскольку гальванические датчики являются относительно недорогими и надежными устройствами, которые могут измерять уровень кислорода от 0 до 100%, они используются в качестве медицинских кислородных датчиков во многих больничных аппаратах ИВЛ, а также в оборудовании для подводного плавания с аквалангом.Обратной стороной электрогальванических кислородных датчиков, таких как медицинские кислородные ячейки, является то, что они обычно имеют срок службы, измеряемый месяцами. Эти датчики, как правило, имеют точность в пределах десятых долей процента от содержания кислорода.

7. Ультразвуковой датчик кислорода

Ультразвуковые датчики кислорода используют скорость звука для измерения количества кислорода в газовой или жидкой пробе. В жидкости датчики на входе и выходе измеряют разницу скоростей между высокочастотными звуковыми волнами. Изменение скорости пропорционально количеству кислорода в образце.В газах скорость звука меняется в зависимости от молекулярного состава газа. Это делает ультразвуковые датчики кислорода полезными для аппаратов ИВЛ для анестезии или генераторов кислорода, где выходной сигнал представляет собой известную концентрацию газообразного кислорода. Типичные области применения, требующие ультразвуковых методов измерения кислорода, — это больницы, анализ газов или приложения, в которых используются концентраторы кислорода или портативные генераторы кислорода.

8. Лазерный датчик кислорода

Датчики кислорода

с настраиваемым диодным лазером (TDL) основаны на спектральном анализе.Луч лазера на длине волны кислорода направляется через образец газа к фотоприемнику. Количество света, поглощаемого молекулами кислорода, пропорционально количеству молекул в образце.

Механизм лазерного датчика кислорода был создан для разработки анализаторов для измерения в реальном времени таких газов, как h30, h3S, CO2, Nh4 и C2h3 в газовых потоках. Многие датчики использовались в различных приложениях, таких как системы сжигания, электростанции, угольные печи и мусоросжигательные заводы.

Преимуществами лазерных датчиков кислорода являются их быстрое время отклика, точность в пределах десятых долей процента кислорода, отсутствие необходимости в калибровке и долгий срок службы. К их недостаткам в первую очередь относится их восприимчивость к перекрестной чувствительности от других газов.

9. Парамагнитный датчик кислорода

Парамагнитные датчики кислорода основаны на том факте, что молекулы кислорода притягиваются сильными магнитными полями. В некоторых конструкциях проба газа вводится в датчик и пропускается через магнитное поле.Скорость потока изменяется пропорционально уровню кислорода в газе. В разновидности этой конструкции кислород в магнитном поле создает физическую силу на стеклянных сферах, которые измеряются. Хотя это не распространенная технология измерения, она может использоваться в приложениях управления промышленными процессами, где циркониевый кислородный датчик не может.

Дополнительные преимущества использования парамагнитного датчика кислорода заключаются в том, что датчики нечувствительны к механическим ударам, имеют высокую линейность и невероятную стабильность.Недостатком является подверженность перекрестной чувствительности от других газов.

---

Источники:

https://aoi-corp.com/articles/oxygen-sensor-types/

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/bies.201500002

https://o2sensors.com.au/static/what-is-oxygen-sensor

https://www.newswire.com/different-types-of-o2-sensors/23890

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4744989/

https: //www.systechillinois.com / en / support / technologies / paramagnetic-cells

http://vakratoond.com/instrumentation/paramintage-o2-oxygen-analyzer/

https://en.wikipedia.org/wiki/Electro-galvanic_oxygen_sensor

Изображение от pixabay

Датчик кислорода

| Апогей инструменты

Детектор с подогревом

Защитную мембрану перед датчиком кислорода можно нагреть, чтобы вода не конденсировалась на мембране и не блокировала путь диффузии.Нагреватель обычно используется, когда датчики устанавливаются в почве или компосте, где относительная влажность близка к 100%.

Прочный корпус

Корпус из полипропилена, электроника полностью герметична, что идеально подходит для длительного использования в пористых средах, в том числе в кислых средах (хвосты шахт). Доступны два варианта головки: диффузионная головка, которая создает небольшой воздушный карман для измерения в пористой среде, и проточная головка с двумя адаптерами для трубок, позволяющая измерять поток газа по линиям.

Простая калибровка

Выходное напряжение линейно пропорционально абсолютному количеству кислорода. Калибровка выполняется путем измерения напряжения в условиях окружающей среды (атмосфера составляет 20,95% O ₂ и получения линейного калибровочного коэффициента (крутизны). Смещение нуля может быть измерено с помощью газа N ₂ (рекомендуется для измерений ниже 10% O _{) 2} ).

Типичное приложение

Применения включают: измерение O ₂ в лабораторных экспериментах, мониторинг газообразного O ₂ в помещениях для контроля климата, мониторинг уровней O ₂ в компостных кучах и хвостохранилищах, мониторинг окислительно-восстановительного потенциала в почвах и определение интенсивность дыхания путем измерения потребления O ₂ в герметичных камерах или измерения градиентов O ₂ в почве / пористой среде.

Внутренний датчик температуры

Все кислородные датчики имеют внутренний термистор (термопара типа K доступна по запросу), который позволяет контролировать температуру и корректировать сигнал на температурные эффекты.

Опции вывода

Аналоговая версия — это выход напряжения без усиления. Датчики кислорода также доступны для портативных счетчиков с цифровым считыванием.

Гарантия и поддержка

На всю продукцию Apogee предоставляется лучшая в отрасли четырехлетняя гарантия и отличная поддержка клиентов.

Кислородомер

MO-200 | Апогей инструменты

MO-200 предназначен для измерения кислорода от 0 до 100% и через кабель подключается к портативному измерителю, который отображает и сохраняет результаты измерений. Широкий диапазон измерений позволяет использовать его как в почве, так и в лаборатории с диффузионными или проточными насадками. Датчик заключен в полипропиленовый корпус, а электроника полностью залита. Типичные применения включают измерение O ₂ в лабораторных экспериментах, мониторинг газообразного O ₂ , в помещениях для контроля климата, мониторинг уровней O ₂ в компостных кучах и хвостохранилищах, мониторинг окислительно-восстановительного потенциала в почвах и определение частота дыхания путем измерения потребления O ₂ в герметичных камерах или измерения градиента O ₂ в почве / пористой среде.

Измеритель имеет режимы выборки и регистрации и регистрирует среднесуточное значение. В режиме выборки будет записано до 99 измерений вручную. В режиме журнала прибор будет включаться / выключаться для выполнения измерений каждые 30 секунд. Каждые 30 минут измеритель будет усреднять шестьдесят 30-секундных измерений и записывать усредненное значение в память. Счетчик может хранить до 99 средних значений, после заполнения он начнет перезаписывать самые старые измерения новыми. Среднее дневное значение будет записано из 48 усредненных измерений (в течение 24 часов).Измерения образцов и журналов можно просмотреть на ЖК-дисплее или путем загрузки данных в компьютер, однако среднесуточное значение можно просмотреть только путем загрузки данных в компьютер. Для загрузки данных в компьютер требуется коммуникационный кабель AC-100 (стандартный USB-кабель не работает) и программное обеспечение ApogeeAMS.

ДЛЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ О ПРОДУКТЕ ПРОВЕРЬТЕ ЭТИ ССЫЛКИ

• Изделие Руководство

• Спецификация

• Технический чертеж

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ ПО ДАТЧИКАМ КИСЛОРОДА АПОГЕЯ >> нажмите здесь

Текущий запас:

Диапазон измерений От 0 до 100% O₂ Повторяемость измерений ± 0.1% при 20,9% O₂ Нелинейность Менее 1% Норма потребления кислорода 0,1 мкмоль O₂ в день при 20,9% O₂ и 23 ° C Время отклика 14 с (время, необходимое для считывания 90% насыщенного отклика) Рабочая среда От 0 до 50 C, менее 90% относительной влажности без конденсации до 30 C, менее 70% относительной влажности без конденсации от 30 до 50 C, от 60 до 140 кПа Размеры счетчика 12.Длина 6 см, ширина 7,0 см, высота 2,4 см Размеры сенсора Диаметр 3,2 см, длина 6,8 см Масса 210 г Кабель 2 м двухжильный экранированный провод типа витая пара с оболочкой из сантопрена (высокая водостойкость, высокая устойчивость к ультрафиолетовому излучению, гибкость в холодных условиях), возможен дополнительный кабель Гарантия 4 года на дефекты материалов и изготовления Изготовлено Сделано в США

Типы кислородных датчиков

| Инструменты Alpha Omega

В современных анализаторах кислорода используется один из нескольких типов кислородных датчиков.Поскольку промышленные процессы требуют повышения точности и повторяемости измерений, пользователям также требуются анализаторы, требующие минимального обслуживания и калибровки. С этой целью пользователям анализаторов кислорода рекомендуется оценивать достоинства конкретного типа датчика кислорода в контексте приложения, для которого он предназначен. Универсального типа кислородного датчика не существует.

Краткий обзор различных датчиков кислорода в газовой фазе, представленный ниже, следует использовать вместе с информацией, полученной от производителей анализаторов кислорода.Эта комбинация поможет обеспечить выбор правильного типа датчика для рассматриваемого приложения.

• Электрохимические кислородные датчики температуры окружающей среды
• Парамагнитные датчики кислорода
• Полярографические датчики кислорода
• Датчики кислорода оксида циркония

Электрохимические датчики кислорода температуры окружающей среды

Электрохимический датчик температуры окружающей среды, часто называемый гальваническим датчиком, обычно представляет собой небольшое частично герметичное цилиндрическое устройство (диаметром 1-1 / 4 дюйма на 0,9 мм).75 дюймов), который содержит два разнородных электрода, погруженных в водный электролит, обычно гидроксид калия. Когда молекулы кислорода диффундируют через полупроницаемую мембрану, установленную на одной стороне датчика, молекулы кислорода восстанавливаются на катоде с образованием положительно заряженного гидроксильного иона. Ион гидроксила мигрирует к аноду сенсора, где происходит реакция окисления. В результате реакции восстановления / окисления генерируется электрический ток, пропорциональный концентрации кислорода в анализируемом газе.Генерируемый ток измеряется и регулируется внешней электроникой и отображается на цифровом панельном измерителе в процентах или частях на миллион концентраций. Благодаря усовершенствованию механических конструкций, усовершенствованию материалов электродов и улучшенному составу электролитов гальванический датчик кислорода обеспечивает более длительный срок службы по сравнению с более ранними версиями и известен своей точностью как в процентном, так и в измеренном содержании кислорода диапазонах. Время отклика также было улучшено. Основным ограничением электрохимических датчиков температуры окружающей среды является их восприимчивость к повреждению при использовании с пробами, содержащими кислые газы, такие как сероводород, хлористый водород, диоксид серы и т. Д.Если опасный газовый компонент не будет очищен перед анализом, его присутствие значительно сократит срок службы датчика. Гальванический датчик также подвержен избыточному давлению. Для приложений, где давление пробы> 5 фунтов на квадратный дюйм, обычно рекомендуется использовать регулятор давления или регулирующий клапан.

Парамагнитные датчики кислорода

В этой категории преобладающим типом датчиков является магнитодинамический или «гантельный» тип конструкции. Кислород имеет относительно высокую магнитную восприимчивость по сравнению с другими газами, такими как азот, гелий, аргон и т. Д.и демонстрирует парамагнитное поведение. Парамагнитный датчик кислорода представляет собой контейнер цилиндрической формы, внутри которого находится небольшая стеклянная гантель. Гантель заполнена инертным газом, например азотом, и подвешена на тугой платиновой проволоке в неоднородном магнитном поле. Гантель предназначена для свободного перемещения, так как подвешена на проволоке. Когда проба газа, содержащего кислород, проходит через датчик, молекулы кислорода притягиваются к более сильному из двух магнитных полей.Это вызывает смещение гантели, что приводит к ее вращению. Прецизионная оптическая система, состоящая из источника света, фотодиода и схемы усилителя, используется для измерения степени вращения гантели. В некоторых конструкциях парамагнитных датчиков кислорода применяется противодействующий ток для восстановления нормального положения гантели. Ток, необходимый для поддержания гантели в нормальном состоянии, прямо пропорционален парциальному давлению кислорода и представлен в электронном виде в процентах кислорода.Существуют конструктивные вариации, связанные с различными производителями магнитодинамических парамагнитных датчиков кислорода. Кроме того, были разработаны другие типы датчиков, которые используют восприимчивость кислорода к магнитному полю, включая термомагнитные датчики или датчики «магнитного ветра» и магнитопневматические датчики. В целом, парамагнитные датчики кислорода обладают очень хорошими характеристиками времени отклика и не используют расходных деталей, что продлевает срок службы датчика при нормальных условиях. Он также обеспечивает отличную точность в диапазоне от 1% до 100% кислорода.Магнитодинамический датчик довольно хрупкий и чувствителен к вибрации и / или положению. Из-за потери чувствительности измерения, как правило, парамагнитный датчик кислорода не рекомендуется для измерения следовых количеств кислорода. Другие газы, обладающие магнитной восприимчивостью, могут приводить к значительным ошибкам измерения. Производители парамагнитных кислородных датчиков и анализаторов должны предоставить подробную информацию об этих мешающих газах.

Полярографические датчики кислорода

Полярографический датчик кислорода часто называют ячейкой Кларка [J.Л. Кларк (1822–1898)]. В сенсоре этого типа и анод (обычно серебро), и катод (обычно золото) погружены в водный электролит хлорида калия. Электроды отделены от образца полупроницаемой мембраной, которая обеспечивает механизм диффузии кислорода в датчик. Серебряный анод обычно имеет потенциал 0,8 В (напряжение поляризации) по отношению к золотому катоду. Молекулярный кислород потребляется электрохимически с сопутствующим прохождением электрического тока, прямо пропорционального концентрации кислорода в соответствии с законом Фарадея.Выходной ток, генерируемый датчиком, измеряется и усиливается электроникой, чтобы обеспечить измерение процента кислорода. Одним из преимуществ полярографического датчика кислорода является то, что в нерабочем состоянии электрод (анод) не расходуется. Срок хранения практически неограничен. Как и гальванический датчик кислорода, они не чувствительны к положению. Благодаря уникальной конструкции полярографического кислородного датчика этот датчик лучше всего подходит для измерения растворенного кислорода в жидкостях.Для измерения кислорода в газовой фазе полярографический датчик кислорода подходит только для измерения процентного уровня кислорода. Еще одним потенциальным недостатком является относительно высокая частота замены сенсора, равно как и проблема технического обслуживания мембраны сенсора и электролита.
Вариант полярографического датчика кислорода — это то, что некоторые производители называют неизрасходованным кулонометрическим датчиком, в котором два одинаковых электрода погружены в электролит, состоящий из гидроксида калия. Обычно внешняя ЭДС 1.На оба электрода подается 3 В постоянного тока, которые действуют как приводной механизм для реакции восстановления / окисления. Электрический ток, возникающий в результате этой реакции, прямо пропорционален концентрации кислорода в анализируемом газе. Как и в случае с другими типами датчиков, сигнал, полученный от датчика, перед отображением усиливается и кондиционируется. В отличие от обычного полярографического датчика кислорода, этот тип датчика может использоваться как для измерения процента, так и следовых количеств кислорода. Однако, в отличие от оксида циркония, один датчик не может использоваться для измерения как высоких процентных уровней, так и следовых концентраций кислорода.Одним из основных преимуществ этого типа датчика является его способность измерять содержание кислорода в миллиардных долях. Датчики чувствительны к положению, и затраты на замену довольно дороги, в некоторых случаях сопоставимые с затратами на весь анализатор другого типа. Они не рекомендуются для приложений, где концентрация кислорода превышает 25%.

Датчики кислорода оксида циркония

Этот тип сенсора иногда называют «высокотемпературным» электрохимическим сенсором, и он основан на принципе Нернста [W.Х. Нернст (1864-1941)]. В датчиках из оксида циркония используется твердотельный электролит, обычно изготовленный из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Зонд из оксида циркония покрыт с противоположных сторон платиной, которая служит электродом датчика. Для правильной работы датчика из оксида циркония его необходимо нагреть примерно до 650 градусов по Цельсию. При этой температуре на молекулярной основе решетка циркония становится пористой, что позволяет ионам кислорода перемещаться от более высокой концентрации кислорода к более низкой в ​​зависимости от парциального давления кислорода.Чтобы создать этот перепад парциального давления, один электрод обычно подвергается воздействию воздуха (20,9% кислорода), в то время как другой электрод подвергается воздействию измеряемого газа. Движение ионов кислорода через оксид циркония создает напряжение между двумя электродами, величина которого основана на разнице парциального давления кислорода, создаваемой эталонным газом и исследуемым газом. Датчик кислорода из оксида циркония демонстрирует отличные характеристики времени отклика. Еще одно преимущество состоит в том, что один и тот же датчик можно использовать для измерения 100% кислорода, а также его концентраций в миллиардных долях.Из-за высоких рабочих температур срок службы датчика может быть сокращен за счет включения / выключения. Коэффициенты расширения, связанные с материалами конструкции, таковы, что постоянный нагрев и охлаждение часто вызывает «усталость датчика». Основным ограничением кислородных датчиков из оксида циркония является их непригодность для измерения следовых количеств кислорода, когда в анализируемом газе присутствуют восстановительные газы (углеводороды любых видов, водород и оксид углерода). При рабочих температурах 650 градусов по Цельсию восстановительные газы вступают в реакцию с кислородом, потребляя его до измерения, что приводит к более низкому показанию кислорода, чем фактическое.Величина ошибки пропорциональна концентрации восстановительного газа. Датчики кислорода из оксида циркония являются «стандартом де-факто» для приложений контроля горения на месте.

Другие типы методов измерения кислорода находятся в стадии разработки и в некоторых случаях используются для конкретных целей. Они включают, помимо прочего, поляризацию люминесценции, оптико-химические датчики, лазерные газовые датчики и др. По мере дальнейшего развития и совершенствования этих методов они могут представлять собой жизнеспособные альтернативы основным типам датчиков кислорода, которые используются в настоящее время.

Как работает оптический датчик кислорода :: Anton-Paar.com

Несколько компонентов предоставляют много информации

Оптический датчик кислорода (O2) быстро и надежно определяет количество O2 в жидких или газообразных средах.Как правило, измерения O2 не зависят от других газов. Оптический датчик O2 состоит из

• светоизлучающего диода (LED),
• инертного носителя, удерживающего светочувствительный слой, где молекулы красителя встроены в полимерную матрицу и защищены слоем оптической изоляции,
• и фотодиод плюс фильтр для количественной оценки излучаемого света.

Что происходит в отсутствие или в присутствии кислорода?

Если в образце нет O2, краситель поглощает возбуждающий свет, излучаемый светодиодом, переходит на более высокий уровень энергии и снова излучает свет.Излучение света имеет задержку по времени и другую длину волны. Фильтр перед фотодиодом обеспечивает обнаружение только излучаемого света.

Если в образце присутствует O2, краситель поглощает возбуждающий свет, но в возбужденном состоянии энергия поглощается молекулами O2. У красителя осталось меньше энергии для излучения. Чем больше O2, тем меньше света попадает на фотодиод.

Характеристики датчика говорят сами за себя:

• Неразрушающий: во время измерения не потребляется кислород
• Удобство в использовании: не требуется электролит, не требуется время поляризации
• Экологичность: химические вещества не требуются

Как определить количество O2 концентрация?

Излучаемый свет задерживается по времени относительно возбуждающего света.Временной сдвиг между возбуждающим и испускаемым светом не зависит от интенсивности. Он пропорционален парциальному давлению O2 и служит мерой концентрации O2.

Узнайте больше о наших счетчиках CO₂ и кислорода

Мониторинг кислорода в газе — PyroScience GmbH

Контроль кислорода в газе

Измерение содержания кислорода в газовой фазе можно осуществить с помощью любого кислородного датчика PyroScience.Типичные области применения наших датчиков:

• Общие измерения концентрации кислорода в атмосферном воздухе или газообразных пробах
• Пробы газа отобраны, например, из осадка, почвы, биопленки, биореактор
• Культура микроорганизмов или клеток, заключенная во флакон с перегородкой или в трубку
• Анализ газов, образующихся после (био) химических реакций, заключенный во флакон с перегородкой или в трубке
• Определение содержания кислорода в образцах запаянной упаковки
• Онлайн-мониторинг при отборе проб газа

Измерения газообразного кислорода в закрытых флаконах с перегородкой или в запечатанном образце упаковки могут быть выполнены с помощью нашего фиксированного игольчатого датчика с защищенным наконечником, подключенного к устройствам FireSting-O2 или FireSting-PRO.Игла заполнена клеем, что обеспечивает отсутствие утечки воздуха через иглу при прокалывании упаковочного материала.

OXF900PT имеет более толстую иглу, подходящую для более толстых перегородок или упаковочного материала. Применение в жидкостях также возможно, но требует особых мер предосторожности для удаления «захваченных» пузырьков газа на наконечнике датчика.

OXF50 и OXF1100: хрупкий наконечник сенсора выступает примерно на 10 мм. 6 мм (OXF50) или 2 мм (OXF1100) от прямой иглы. Их можно применять в жидкостях и газах.Все внутреннее пространство иглы шприца тщательно заполнено клеем, что сводит к минимуму газовый резервуар, который может замедлить время отклика датчика.

С помощью наших точечных датчиков кислорода можно встраивать датчик в любой сосуд с прозрачной стенкой и выполнять считывание извне. С помощью этого метода можно измерить кислород внутри закрытого контейнера. С помощью этого метода можно измерить e.грамм. материал упаковки для диффузии кислорода или изменения кислорода во время реакций в закрытых сосудах. Наши дыхательные флаконы уже имеют встроенную сенсорную полоску и могут использоваться для измерения содержания кислорода в жидкой или газовой фазе. Другой пример — интеграция сенсорных пятен в микротитровальный планшет для измерения содержания кислорода в свободном пространстве над лунками, заполненными жидкостью.

Для OEM-приложений мы предлагаем кислородный датчик FDO2.Это откалиброванный на заводе, прочный, точный, быстрый отклик, неизрасходованный и не требующий обслуживания датчик для требовательных приложений измерения газа, например для контроля газообразного кислорода в перчаточных ящиках, переносном оборудовании, выхлопных газах и др. Он не истощается со временем, в отличие от гальванических датчиков кислорода с их ограниченным сроком хранения. Монтажная резьба и прочный фиксирующий соединитель упрощают установку. Доступные проточные ячейки обеспечивают простую интеграцию в различные газовые потоки.

Применимые типы кислородных датчиков

Рецензированные публикации по теме

Система мониторинга дыхательной активности для любой отдельной лунки 48-луночного микротитровального планшета
Flitsch et al., 2016, Журнал биологической инженерии
http://doi.org/10.1186/s13036-016-0034-3

Респираторная нитратредуктаза, активная исключительно в покоящихся спорах облигатного аэроба Streptomyces coelicolor A3 (2)
Fischer et al., 2014, Molecular Microbiology
https://doi.org/10.1111/mmi.12344

Взрыв кислорода в озерах
Koschorreck et al. 2017, Письма о геофизических исследованиях
https://doi.org/10.1002/2017GL074591

Определение характеристик газовых сенсоров на основе оксидов металлов с помощью оптических методов
Glöckler et al.2020, Аналитическая и биоаналитическая химия
https://doi.org/10.1007/s00216-020-02705-6

Взрыв кислорода из морских водорослей в условиях перенасыщения
Long et al. 2020, Лимнология и океанография
https://doi.org/10.1002/lno.11299

Измерение растворенного кислорода — Системы измерения окружающей среды

Методы измерения растворенного кислорода

Содержание растворенного кислорода можно измерить колориметрическим методом, датчиком и измерителем или титрованием.

Доступны три метода измерения концентрации растворенного кислорода. Современные методы включают электрохимический или оптический датчик. Датчик растворенного кислорода присоединяется к измерителю для точечного отбора проб и лабораторным применениям или к регистратору данных, монитору процесса или передатчику для развернутых измерений и управления процессом.

Колориметрический метод предлагает базовое приближение концентраций растворенного кислорода в образце. Существует два метода, предназначенных для измерения концентраций растворенного кислорода в высоком и низком диапазоне.Эти методы быстрые и недорогие для основных проектов, но ограничены по объему и подвержены ошибкам из-за других окислительно-восстановительных агентов, которые могут присутствовать в воде ²⁷ .

Традиционным методом является титрование Винклера. Хотя этот метод долгие годы считался наиболее точным и точным, он также подвержен человеческим ошибкам и его труднее выполнить, чем другие методы, особенно в области ²⁷ . Сейчас метод Винклера существует в семи модифицированных версиях, которые все еще используются сегодня ²⁷ .

Измерение растворенного кислорода сенсорным методом

Измерение растворенного кислорода сенсором и измерителем (фото предоставлено: Fondriest Environmental; Flickr).

Самый популярный метод измерения растворенного кислорода — это измеритель и датчик растворенного кислорода. В то время как основные категории датчиков растворенного кислорода являются оптическими и электрохимическими, электрохимические датчики можно разделить на полярографические, импульсные полярографические и гальванические. В дополнение к стандартному аналоговому выходу, некоторые из этих технологий датчиков растворенного кислорода доступны в платформах интеллектуальных датчиков с цифровым выходом.

Датчик растворенного кислорода можно использовать в лаборатории или в полевых условиях. Датчики DO могут быть разработаны для тестов биохимической потребности в кислороде (БПК), точечного отбора проб или долгосрочного мониторинга. Измеритель растворенного кислорода, зонд качества воды или система регистрации данных могут использоваться для записи данных измерений, полученных с помощью датчика DO.

Поскольку на концентрацию растворенного кислорода влияют температура, давление и соленость, эти параметры необходимо учитывать для ⁷ . Эти компенсации могут выполняться вручную или автоматически с помощью измерителя растворенного кислорода или программного обеспечения для регистрации данных.Температура обычно измеряется термистором внутри датчика и регистрируется измерителем или регистратором данных без запроса. Многие измерители DO включают в себя внутренний барометр, а системы регистрации данных можно настроить с помощью внешнего барометра или датчика уровня воды для измерения давления. Барометрическое давление также можно ввести вручную как высоту, истинное барометрическое давление или скорректированное барометрическое давление. Соленость может быть измерена датчиком проводимости / солености и автоматически компенсирована или приблизительно и введена вручную как ⁷ :

39

Пресная вода	<0.5 ‰ (PPT или частей на тысячу)
Солоноватая вода	0,5-30 ‰
Морская вода	33-37 ‰	30-50 ‰
Рассол	> 50 ‰

Процедуры калибровки и эксплуатации могут различаться в зависимости от модели и производителя.Во время измерений и калибровки следует обращаться к руководству по эксплуатации.

Оптические датчики растворенного кислорода

Поперечное сечение оптического датчика растворенного кислорода.

Оптические датчики растворенного кислорода измеряют взаимодействие между кислородом и некоторыми люминесцентными красителями. Под воздействием синего света эти красители возбуждаются (электроны получают энергию) и излучают свет, когда электроны возвращаются в свое нормальное энергетическое состояние ¹² . Когда присутствует растворенный кислород, возвращаемые длины волн ограничиваются или изменяются из-за взаимодействия молекул кислорода с красителем.Измеренный эффект обратно пропорционален парциальному давлению кислорода ⁵ . Хотя некоторые из этих оптических датчиков DO называют флуоресцентными датчиками ¹⁰ , эта терминология технически неверна. Эти датчики излучают синий свет, а не ультрафиолетовый свет, и правильно известны как оптические или люминесцентные датчики DO ¹¹ . Оптические датчики растворенного кислорода могут измерять либо интенсивность, либо время жизни люминесценции, поскольку кислород влияет и на ²³ .

Оптический датчик DO состоит из полупроницаемой мембраны, чувствительного элемента, светодиода (LED) и фотоприемника ³ . Чувствительный элемент содержит люминесцентный краситель, иммобилизованный в золь-геле, ксерогеле или другой матрице ²³ . Краситель реагирует на синий свет, излучаемый светодиодом ³ . Некоторые датчики также будут излучать красный свет в качестве эталона для обеспечения точности ⁵ . Этот красный свет не вызывает люминесценции, а просто отражается обратно красителем ⁷ .Интенсивность и продолжительность люминесценции красителя при воздействии синего света зависят от количества растворенного кислорода в пробе воды ²³ . Когда кислород проходит через мембрану, он взаимодействует с красителем, ограничивая интенсивность и время жизни люминесценции ³ . Интенсивность или время жизни возвращенной люминесценции измеряется фотодетектором и может использоваться для расчета концентрации растворенного кислорода.

Концентрация растворенного кислорода (измеренная по его парциальному давлению) обратно пропорциональна времени жизни люминесценции, как показано уравнением Штерна-Фольмера ⁵ :

Уравнение Штерна-Фольмера для растворенного кислорода.

I _o / I = 1 + k _q * t ₀ * O ₂
I _o = интенсивность или время жизни люминесценции красителя без кислорода
I = интенсивность или время жизни люминесценции при наличии кислорода
k _q = коэффициент скорости тушения
t ₀ = время жизни люминесценции красителя
O ₂ = концентрация кислорода как парциальное давление
Это уравнение точно применяется при низких концентрациях растворенного кислорода ⁷ .При высоких концентрациях это измерение является нелинейным ²³ . Эта нелинейность возникает из-за того, как кислород взаимодействует в полимерной матрице красителя ²⁵ . В полимерах растворенные газы демонстрируют отрицательное отклонение от закона Генри (который определяет парциальное давление) ²⁵ . Это означает, что более высокие концентрации, растворимость кислорода в матрице красителя будут соответствовать модифицированному уравнению Штерна-Фольмера ²⁴ :

Модифицированное уравнение Штерна-Фольмера для растворенного кислорода.

I _o / I = 1 + AO ₂ + BO ₂ / (1 + bO ₂ )
I _o = интенсивность или продолжительность свечения красителя без кислорода
I = интенсивность или время жизни люминесценции при наличии кислорода
A, B, b = константы гашения модели Штерна-Фольмера и нелинейной растворимости
O ₂ = концентрация кислорода как парциальное давление
Использование этого уравнения требует ввода предварительно определенных констант датчика (I _o , A, B, b), которые относятся к каждой новой или замененной крышке датчика ⁵ .

Оптические сенсоры растворенного кислорода имеют тенденцию быть более точными, чем их электрохимические аналоги, и не подвержены влиянию сероводорода или других газов, которые могут проникать через электрохимическую мембрану DO ⁷ . Они также способны точно измерять растворенный кислород при очень низких концентрациях ³ . Датчики

могут быть развернуты с наземным буем данных или подповерхностным буем данных для долгосрочного мониторинга. Оптические датчики DO

идеально подходят для долгосрочных программ мониторинга из-за минимальных требований к техническому обслуживанию.Они могут проводить калибровку в течение нескольких месяцев и показывать небольшое отклонение калибровки (если таковое имеется) ⁵ . Эти датчики растворенного кислорода также не требуют разогрева или перемешивания при измерении ⁷ . В течение длительного периода времени краситель разрушается, и чувствительный элемент и мембрану необходимо будет заменить, но эта замена очень редка по сравнению с заменой мембраны электрохимического датчика. Датчики, измеряющие время жизни люминесценции, в меньшей степени подвержены деградации красителя, чем датчики измерения интенсивности, что означает, что они сохранят свою точность даже при некоторой фотодеградации ²⁴ .

Однако оптические датчики растворенного кислорода обычно требуют большей мощности и в 2-4 раза дольше, чем электрохимический датчик растворенного кислорода ^{7, 14} . Эти датчики также сильно зависят от температуры ⁷ . На интенсивность люминесценции и срок службы влияет температура окружающей среды ²³ , хотя большинство датчиков будут включать термистор для автоматической корректировки данных ¹² .

Электрохимические датчики растворенного кислорода

Использование электрохимического датчика растворенного кислорода и измерителя для измерения растворенного кислорода (фото предоставлено YSI).

Электрохимические датчики растворенного кислорода могут также называться амперометрическими датчиками или датчиками типа Кларка. Электрохимические датчики DO бывают двух типов: гальванические и полярографические. Полярографические датчики растворенного кислорода можно разделить на стационарные датчики и датчики с быстрым импульсом. Как гальванические, так и полярографические датчики DO используют два поляризованных электрода, анод и катод, в растворе электролита ⁷ . Электроды и раствор электролита изолированы от образца тонкой полупроницаемой мембраной.

При проведении измерений растворенный кислород диффундирует через мембрану со скоростью, пропорциональной давлению кислорода в воде ⁷ . Затем растворенный кислород восстанавливается и расходуется на катоде. Эта реакция производит электрический ток, который напрямую зависит от концентрации кислорода ⁷ . Этот ток переносится ионами электролита и проходит от катода к аноду ¹⁹ . Поскольку этот ток пропорционален парциальному давлению кислорода в образце ¹⁵ , его можно рассчитать по следующему уравнению:

Расчет концентрации растворенного кислорода (как парциального давления) в электрохимической реакции.4 Кл / моль
P _м (t) = проницаемость мембраны как функция температуры
A = площадь поверхности катода
p _O2 = парциальное давление кислорода
d = толщина мембраны
Типичные токи, производимые кислородом снижение составляет около 2 мкА ¹⁶ .

Если измерения проводятся в лаборатории или в неподвижной воде, необходимо перемешать гальванические и полярографические датчики DO в растворе. Этот метод измерения зависит от расхода из-за потребления молекул кислорода ⁷ .Когда кислород потребляется, датчики могут производить искусственно заниженные показания DO в ситуациях отсутствия потока ⁷ . Электрохимические датчики растворенного кислорода следует перемешивать с пробой до тех пор, пока показания растворенного кислорода не перестанут повышаться.

Полярографические датчики растворенного кислорода

Поперечное сечение полярографического датчика растворенного кислорода.

Полярографический датчик DO — это электрохимический датчик, состоящий из серебряного анода и катода из благородного металла (например, золота, платины или, реже, серебра) в растворе хлорида калия (KCl) ⁸ .Когда прибор включен, перед калибровкой или измерением требуется 5-60-минутный прогрев для поляризации электродов. Электроды поляризованы постоянным напряжением (от 0,4 В до 1,2 В требуется для восстановления кислорода) от катода к аноду ⁸ ). Когда электроны движутся в направлении, противоположном току, анод становится положительно поляризованным, а катод — отрицательно поляризованным ¹⁴ . Эта поляризация возникает, когда электроны перемещаются от анода к катоду по внутренней проволочной цепи ¹⁹ .Когда кислород диффундирует через мембрану, молекулы восстанавливаются на катоде, увеличивая электрический сигнал ⁷ . Поляризационный потенциал поддерживается постоянным, пока датчик обнаруживает изменения тока, вызванные восстановлением растворенного кислорода ⁷ . Чем больше кислорода проходит через мембрану и уменьшается, тем больше электрический ток, считываемый полярографическим датчиком растворенного кислорода.

Это реакция, состоящая из двух частей — окисления серебряного анода и восстановления растворенного кислорода.Эти реакции протекают следующим образом:

Ag — серебряный анод
KCl и H ₂ O — раствор хлорида калия
Au / Pt — золотой или платиновый катод * инертный электрод — не участвует *

Серебряный анод Реакция и окисление
4Ag —-> 4Ag ⁺ + 4e ^—
4Ag ⁺ 4KCl —-> 4AgCl + 4K ⁺

Реакция золотого катода и восстановление кислорода
* Au / Pt и катод инертны пропускает только электроны; не участвует в реакции * ¹⁸
O ₂ + 4e ^— + 2H ₂ O —-> 4OH ^—
4OH ^— + 4K ⁺ —-> 4KOH

Общая реакция
O ₂ + 2H ₂ O + 4KCl + 4Ag —-> 4AgCl + 4KOH
Катод золото / платина исключен из уравнения реакции, поскольку он не мешает и не участвует в реакции ¹⁸ .В полярографическом датчике растворенного кислорода роль катода состоит в том, чтобы принимать и передавать электроны от анода к молекулам кислорода. Чтобы кислород мог приобрести электроны, реакция восстановления кислорода должна происходить на поверхности катода ¹³ . Электроны, проходящие от серебряного анода к катоду через внутреннюю цепь, используются для восстановления молекул кислорода до гидроксид-ионов на поверхности катода, создавая ток. Этот ток пропорционален потребляемому кислороду и, следовательно, парциальному давлению кислорода в образце ¹⁵ .

Серебряный анод окисляется во время этого процесса, поскольку он отдает свои электроны реакции восстановления, но окисление происходит только при проведении измерений ⁷ . Эта реакция заметна по мере того, как анод темнеет (покрытие AgCl). По мере накопления окисленного покрытия характеристики датчика ухудшаются. ⁷ . Это будет видно не только визуально при взгляде на электрод, но и при использовании датчика растворенного кислорода. Показания будут необычно низкими, не будут стабилизироваться или датчик не откалибрует ⁷ .Когда это происходит, электроды можно очистить, чтобы восстановить работоспособность датчика ⁷ . Техническое обслуживание электродов должно происходить гораздо реже, чем замена мембраны, согласно заявке ⁷ .

Импульсные полярографические датчики растворенного кислорода

Поперечное сечение импульсного полярографического датчика растворенного кислорода.

Пульсирующие полярографические датчики растворенного кислорода устраняют необходимость перемешивания образца для обеспечения точности при измерении растворенного кислорода. Быстроимпульсный датчик растворенного кислорода аналогичен стационарному полярографическому датчику растворенного кислорода, поскольку оба используют золотой катод и серебряный анод.Как стационарные датчики, так и датчики с частыми импульсами также измеряют растворенный кислород, создавая постоянное напряжение для поляризации электродов ⁷ . Однако эти пульсирующие полярографические датчики DO включаются и выключаются примерно каждые четыре секунды, позволяя растворенному кислороду пополняться на поверхности мембраны и катода ⁷ . Это пополнение создает практически нулевую зависимость от потока ⁷ . Чтобы последовательно поляризовать и деполяризовать электроды в течение этих коротких периодов времени, пульсирующий полярографический датчик DO включает в себя третий серебряный электрод сравнения, отдельный от серебряного анода ⁷ .Электрохимическая реакция (окисление серебра и восстановление кислорода) остается прежней.

Поскольку импульсные полярографические датчики уменьшают зависимость от потока при измерениях DO, пробу воды не нужно перемешивать при использовании этого датчика. ⁷ .

Гальванические датчики растворенного кислорода

Поперечное сечение гальванического датчика растворенного кислорода.

Последний электрохимический датчик растворенного кислорода гальванический. В гальваническом датчике растворенного кислорода электроды изготовлены из разнородных металлов.Металлы имеют разные электропотенциалы в зависимости от их ряда активности (насколько легко они отдают или принимают электроны) ¹⁷ . При помещении в раствор электролита потенциал между разнородными металлами вызывает их самополяризацию ¹⁶ . Эта самополяризация означает, что гальванический датчик DO не требует времени на прогрев. Чтобы уменьшить содержание кислорода без внешнего приложенного потенциала, разность потенциалов между анодом и катодом должна быть не менее 0,5 вольт ¹⁶ .

Анодом гальванического датчика растворенного кислорода обычно является цинк, свинец или другой активный металл, а катодом — серебро или другой благородный металл ³ . Раствор электролита может быть гидроксидом натрия, хлоридом натрия или другим инертным электролитом ^8,27 . Электрохимическая реакция в гальванических датчиках DO очень похожа на реакцию в полярографических датчиках DO, но без необходимости в отдельном постоянном потенциале. Разные электроды самополяризуются, при этом электроны движутся внутрь от анода к катоду ⁷ .Катод остается инертным, он служит только для передачи электронов и не вмешивается в реакцию ²⁰ . Таким образом, анод окисляется, и кислород восстанавливается на поверхности катода. Эти реакции протекают следующим образом:

Zn / Pb — цинковый или свинцовый анод
NaCl и h3O — раствор хлорида натрия
Ag — серебряный катод * инертный электрод, не вступает в реакцию *

Реакция цинкового анода и окисление
2Zn —- > 2Zn ²⁺ + 4e ^—

Реакция серебряного катода и восстановление кислорода
* Катод Ag инертен и пропускает только электроны, не участвуя в реакции * ¹⁸
O ₂ + 4e ^— + 2H ₂ O —-> 4OH ^—
4OH ^— + 2Zn ²⁺ —-> 2Zn (OH) ₂

Общая реакция
O ₂ + 2H ₂ O + 2Zn —-> 2 Zn (OH) ₂
Как и в реакции полярографического датчика растворенного кислорода, катод исключен из уравнения, потому что это инертный электрод ¹⁸ .Серебряный катод принимает электроны от анода и передает их молекулам кислорода. Эта операция происходит на поверхности катода ⁸ . Ток, возникающий при восстановлении кислорода, пропорционален парциальному давлению кислорода в образце воды ¹⁵ .

Гидроксид цинка, образующийся в результате этих реакций, осаждается в растворе электролита. Этот осадок виден в виде белого твердого вещества на кончике датчика ⁷ .Этот осадок не покрывает анод и не расходует электролит и, таким образом, не влияет на работу датчика до тех пор, пока его количество не станет чрезмерным. Если это произойдет, это может повлиять на способность ионов проводить ток между катодом и анодом ²² . Если выходной сигнал датчика необычно низкий или показания не стабилизируются, необходимо заменить раствор электролита ⁷ .

Поскольку электроды гальванического датчика DO являются самополяризованными, окисление цинка будет происходить даже тогда, когда прибор не используется. ⁷ .При этом гальванический датчик растворенного кислорода будет работать эффективно даже при израсходовании цинкового анода, хотя его, возможно, придется заменять чаще, чем полярографический датчик DO ⁷ .

Измерение растворенного кислорода колориметрическим методом

Существует два варианта анализа растворенного кислорода колориметрическим методом. Они известны как метод индигокармина и метод родазина D. В обоих вариантах используются колориметрические реагенты, которые реагируют и меняют цвет при взаимодействии с кислородом в воде ⁶ .Эти взаимодействия основаны на окислении реагента, и степень изменения цвета пропорциональна концентрации растворенного кислорода ²⁷ . Измерение растворенного кислорода колориметрическими методами можно проводить с помощью спектрофотометра, колориметра или простого компаратора. Использование спектрофотометра или колориметра дает более точные результаты, в то время как сравнение с компаратором, таким как цветовое колесо или цветовой блок, выполняется быстро и недорого. Однако, поскольку человеческий глаз необъективен, это может привести к некоторой неточности ⁶ .

Индигокармин

Согласно методу индигокармина, чем глубже синий цвет, тем выше концентрация растворенного кислорода.

Метод индигокармина можно использовать для измерения концентрации растворенного кислорода от 0,2 до 15 частей на миллион (мг / л). Этот метод дает синий цвет, интенсивность которого пропорциональна концентрации растворенного кислорода ³¹ . Трехвалентное железо, двухвалентное железо, нитрит и гидросульфит натрия могут мешать этому методу ²⁷ .Кроме того, реагенты не следует подвергать воздействию яркого света, так как продолжительное воздействие может испортить индигокармин ³² . Однако на этот метод не влияют температура, соленость или растворенные газы ²⁸ . Тесты с низким диапазоном зависят от времени и должны быть проанализированы в течение 30 секунд, в то время как тесты с высоким диапазоном требуют двухминутного времени обработки ³¹ .

Родазин D

При измерении растворенного кислорода метод родазина D дает насыщенный розово-розовый цвет.

Метод родазина D используется для определения очень низких концентраций растворенного кислорода. Реагенты родазин D реагируют с растворенным кислородом с образованием темно-розового раствора ³⁰ , способного измерять в частях на миллиард (ppb). На этот колориметрический метод не влияют соленость или растворенные газы, такие как сульфид, которые могут присутствовать в пробе воды ²⁸ . Однако окислители, такие как хлор, трехвалентное железо и двухвалентная медь, могут мешать и вызывать более высокие значения DO ²⁹ .Другими причинами ошибки являются полисульфиды, гидрохинон / бензохинон, а также бор и перекись водорода (если присутствуют оба) ²⁹ . Кроме того, цвет и мутность образца могут влиять на точность показаний ²⁹ . Этот метод зависит от времени, так как анализ должен быть проведен в течение 30 секунд после смешивания реагента ³⁰ .

Измерение растворенного кислорода титриметрическим методом

Титриметрический метод анализа растворенного кислорода известен как метод Винклера.Этот метод был разработан L.W. Винклер, венгерский химик, в 1888 г. ⁴ . Также известный как йодометрический метод, метод Винклера представляет собой титриметрическую процедуру, основанную на окислительных свойствах растворенного кислорода ²⁶ . Этот метод долгое время был стандартом точности и прецизионности при измерении растворенного кислорода ²⁷ .

Метод Винклера

Образцы собирают, фиксируют и титруют либо в полевых условиях, либо в лаборатории. Образец следует зафиксировать реагентами как можно скорее, чтобы предотвратить смещение уровней кислорода из-за перемешивания или контакта с атмосферой.Для метода Винклера требуется специальная бутылка, известная как бутылка BOD, которая предназначена для герметизации без захвата воздуха внутри ¹ . Сегодня необходимые реагенты могут поставляться в заранее отмеренных пакетах для большей точности и простоты использования ³³ . При использовании этого метода количество титранта, необходимое для завершения реакции, пропорционально концентрации растворенного кислорода в образце ⁶ .

Хотя метод Винклера по-прежнему является признанным стандартом для анализа растворенного кислорода, выявлено несколько проблем ²⁷ .Этот метод подвержен человеческим ошибкам, неточностям, загрязнению проб и помехам. ⁶ . Кроме того, титрование может быть трудоемким и обременительным в области ⁷ .

Модифицированные методы Винклера

Основные этапы измерения растворенного кислорода методом титрования Азида-Винклера.

Сейчас существует семь модифицированных методов Винклера, каждый из которых создан для решения различных проблем (например, мешающего загрязнения) ²⁷ . Самым популярным из них является метод Азида-Винклера, поскольку он решает проблемы с йодом, присутствующим в исходном методе ¹ .Однако остальные модифицированные методы создают новую проблему — эти методы требуют предварительного знания образца (например, других присутствующих элементов), чтобы сделать правильный выбор метода ²⁷ .