ლამბდა სენსორი

ეგრეთ წოდებული "ლამბდა" სენსორი მიეკუთვნება ჟანგბადის სენსორების კლასს. იგი გამოიყენება მაღალი ტემპერატურის გარემოში (გამონაბოლქვში, გაზების ნარევებში) ჟანგბადის კონცენტრაციის დასადგენად.მას ასევე λ-ზონდსაც უწოდებენ, რომელსაც გააჩნია ფართო გამოყენება ავტომობილთა გამონაბოლქვის სისტემაში. λ-სენსორის სიგნალის მიხედვით ახდენს ძრავის ელექტრონული "მმართველი" (ე.წ "ბორტ-კომპიუტერი") ჟანგბადისა და საწვავის ნარევის დოზირებას ძრავის წვის კამერაში შეფრქვევამდე. სიმბოლო λ-თი პირობითად აღინიშნება შეფარდება: λ=(აქტუალური ნარევი) / (საჭირო შეფარდების ნარევი). ნარევში იგულისხმება ჟანგბადისა და საწვავი ნივთიერების შეფარდება კონკრეტული მოცულობის ნარევში. ზემოთ ხსენებულ λ-ზონდებში, λ-ს (შეფარდების) მნიშვნელობა იცვლება λ<1 დან λ>1 დიაპაზონში.სწორედ როდესაც λ=1, ამ დროს გვაქვს იდეალური შეფარდება ჟანგბადისა საწვავ ნივთიერებასთან. აღსანიშნავია ის რომ λ-ს ეს მნიშვნელობა მხოლოდ ბენზინის ძრავების შემთხვევაში გვავს. დიზელის ძრავების შემთხვევაში λ-ს მნიშვნელობა არ ვარირებს λ<1<λ დიაპაზონში, იგი უფრო ფართე დიაპაზონში გადადის (λ=1.3 დან თითქმის 10 ერთეულამდე). ამიტომ ასეთ შემთხვევებში გამონაბოლქვის სისტემებში გამოიყენება ე.წ. "ფართე დიაპაზონის" λ-ზონდი, რომელიც მისი აგებულებით განსხვავდება, ზემოთ ნახსენები λ-ზონდისაგან. λ-ზონდის ძირითად ქვაკუთხედს, ანუ მის სენსორულ პრინციპს წარმოადგენს ეგრეთ წოდებული 3-ფაზა-კონტაქტი, აქ იგულისხმება ის რომ უშუალო კონტაქტში ერთმანეთთან არიან სამი ნივთიერება, ესენია: გაზი (აირი), პლატინის ელექტროდი და მყარი ელექტოლიტი. აქ მოყვანილ ნახატზე მარტივად შეიმჩნევა, რომ λ-ზონდს გაჩნია 2 ასეთი 3-ფაზა კონტაქტი. პირველი ჰაერის გარემოსთან მეორე გამონაბოლქვის გარემოსთან ანუ პირველი 3-ფაზა კონტაქტია: ჰაერი/პლატინის ელექტროდი/მყარი ელექტროლიტი ხოლო მეორე 3-ფაზა კონტატს წარმოადგენს გამონაბოლქვი/პლატინის ელექტროდი/მყარი ელექტროლიტი. ZrO2 (Zr4++2O2-→ZrO2) სუფთა ფორმაში (დანამატების გარეშე) არის ზემოთ აღნიშნული სენსორისათვის არადამაკმაყოფილებელი თვისებების მქონე. კერძოდ აქ იგულისხმება ის, რომ მხოლოდ ZrO2 არის არასაკმარისად კარგი გამტარი იონებისათვის და ასევე არასაკმარისად მდგრადი მექანიკური სტუქტურის მქონე (შეიძლება ადგილი ჰქონდეს მიკრო ბზარების გაჩენას მაღალ ტემპერატურებზე). ამ პრობლემების თავიდან აშორების მიზნით ZrO2-ს უმატებენ (დოტირება) Y2O3-ს, რაც აძლევს მას კრისტალიური სტრუქტურის მექანიკურ სტაბილურობას მაღალი ტემპერატურის გარემოშიც კი და ასევე რაც ეგზომ მნიშვნელოვანია უკეთესდება (O2-) იონებისათვის გამტარუნარიანობა. YSZ-ს ზედაპირი არის დაცხრილული (მიკრო მასშტაბის ნახვრეტებიანი) პლატინით დაფარული, ეს საჭიროა იმისათვის, რომ აირის მოლეკულებმა (ატომებმა) შეაღწიონ მათში და მივიდნენ YSZ-ისაკენ (იხ. სურათი). პლატინის ელექტროდებს შორის ადგილი აქვს თერმოდინამიკურ წონასწორობის დამყარებას. Pt-ელექტროდებზე ხდება შემდექი ქიმიური რეაქცია: O2+4e-↔2O2-. ამ რეაქციიდან ჩანს, რომ ჰაერის გარემოდან მოსული O2 Pt-1 ისგან იღებს ორ ელექტრონს და იქცევა O2--ად, ეს არის აუცილებელი პირობა იმისათვის, რომ მან მყარ ელექტროლიტში(YSZ) გააღწიოს , რათა მეორე მხარეზე მყოფ პლატინის ელექტროდზე "დატოვოს" 2-ივე ელექტრონი და ისევ O2-ად იქცეს. ელექტრონები ისევ Pt-1-ისკენ მიედინებიან. შედეგად ვღებულობთ სენსორის სიგნალს, რომლის მომდევნო ტექნიკური დამუშავებით და შეფასებით შესაძლოა ავტომობილების ძრავებში ჟანგბადისა და საწვავის ნარევის შეფარდების დადგენა. U = U0 - RT/4F * ln(Pგაზი(O2) / Pჰაერი(O2)) Pt-1 ელექტროდზე : μ1O2 + 4μ1e- - 4Fφ1Pt = 2 * (μO2- - 2Fφ)→ → ῆ1e- = -1/4 *(μ1O2) + 1/2 * (μO2-) - Fφ1 Pt-2 ელექტროდზე: μ2O2 + 4μ2e- - 4Fφ2Pt = 2 * (μO2- - 2Fφ)→ → ῆ2e- = -1/4 *(μ2O2) + 1/2 * (μO2-) - Fφ2 საბოლოო ჯამში სენსორის სიგნალი წარმოადგენს ორ პლატინის ელექტროდს შორის პოტენციალთა სხვაობას: φ2 - φ1 = - 1/(4F) * (μ2O2 - μ1O2) - (RT)/(4F) * ln(Pგაზი(O2) / Pჰაერი(O2)) = U0 - RT/4F * ln(Pგაზი(O2) / Pჰაერი(O2)) U0 - ში თავმოყრილია კონსტანტები U0 = - 1/(4F) * (μ2O2 - μ1O2) ზემოთ მოყვანილი სიმბოლოები: μ - ნივთიერებათა ქიმიური პოტენციალი ῆ - ნივთიერებათა ელექტრო-ქიმიური პოტენციალი Pჰაერი(O2) - "გარემოში" (სუფთა ჰაერში) ჟანგბადის პარციალური წნევა Pგაზი(O2) - გამონაბოლქვში ჟანგბადის პარციალური წნევა