Датчик опасной концентрации вредных веществ в воздухе

Параметры

Концентрация вещества указывает на массу или объемную долю содержания определенного вещества в другом веществе или смеси с другими веществами. Датчик опасной концентрации вредных веществ в воздухе (также часто называемый зондом для измерения концентрации) воспринимает определенную измеряемую среду в идеале) полностью «игнорирует» другие возможные вещества. В действительности, однако, каждый зонд характеризуется также поперечной чувствительностью к другим веществам даже при сохранении постоянных параметров температуры и давления (что наблюдается довольно часто).

В автомобилях измеряются следующие параметры:

• содержание кислорода в выхлопных газах (регулирование сгорания, контроль работы катализаторов);
• содержание окиси углерода и оксида азота, а также влажность воздуха в салоне (качество воздуха, запотевание окон автомобиля);
• влажность воздуха в системе пневматического тормозного привода (контроль влагоотделителя);
• влажность наружного воздуха (предупреждение о наличии гололеда);
• концентрация сажи в выхлопных газах дизельных двигателей - проблема, которая осталась неразрешенной до сих пор. В отличие от упомянутых выше концентраций газа речь идет о концентрации частиц. Задача выполнения измерения дополнительно усложняется тем, что неисправность датчика может быть вызвана засорением частицами.

Вследствие использования топливных элементов в системе пуска автомобильного двигателя появилась необходимость разработать дополнительные датчики опасной концентрации вредных газообразных веществ в забортном воздухе, например, датчики для определения наличия водорода.

Принципы измерения

Поскольку измеряемая среда встречается в газообразном, жидком и твердом состоянии, с течением времени было разработано огромное количество измерительных методов. Что касается автомобильной сферы, до сих пор интерес представляла лишь область газового анализа с использованием специфической подобласти измерения влажности газообразных веществ. В таблице 1 приводится обзор общих методов, применяемых при измерениях:

Общая газометрия

Что касается датчиков опасной концентрации вредных газообразных веществ в воздухе, которые во всех случаях подвержены непосредственному влиянию анализируемой среды (например, в случае с инородными элементами), существует риск необратимого повреждения. Такое повреждение также называют отравлением зонда. Таким образом, например, содержащийся в топливе или выхлопных газах свинец может привести к неисправности датчиков концентрации кислорода (лямбда-зондов).

Измерение уровня влажности

Помимо первостепенной важности кислородных датчиков (лямбда-зондов) для выхлопных газов особое значение имеет также измерение параметров влажности.

Влажность в более широком смысле подразумевает содержание влаги в газообразных, жидких и твердых веществах. В более узком смысле в данном случае речь идет о содержании газообразной воды (водяного пара) в газообразных веществах — преимущественно в воздухе.

При изобарном охлаждении влажного газа при определенной температуре (также называемой точкой росы т) достигается состояние насыщения.

Сначала приведем несколько важных для измерения уровня влажности определений и взаимозависимых величин (см. также рисунок 1):




m_w - масса воды;
m_s - масса воды в состоянии насыщения;
m_tr - масса сухого газа;
M_w - молярная масса воды;
M_tr - средняя молярная масса сухого газа;
p - общее давление газовой смеси;
p_w - частичное давление водяного пара;
p_s - давление насыщения (давление пара воды при температуре смеси).

Абсолютная влажность:



Для экономичного применения в сфере потребления (например, в автомобильной промышленности) практически всегда рассматриваются резистивные и емкостные датчики. Они имеют в своем составе гигроскопические слои, которые могут реверсивно сохранять воду в зависимости от относительной влажности и, таким образом, вызывать радикальные изменения сопротивления или планарно выполненной емкости.


В гигроскопичных емкостных датчиках влажности используется гигроскопичный изолирующий слой (например, Al₂O₃ или полимерный пластик), который в случае необходимости одновременно может использоваться в качестве несущей пластины как диэлектрик конденсатора.

Один из электродов проницаем для водяного пара. Электроды имеют гребенчатую структуру (рисунок 2). С увеличением относительной влажности среды диэлектрики впитывают воду, в результате чего резко повышается емкость датчика (относительная диэлектрическая проницаемость воды εr_W≈81, рисунок 3).



В резистивном датчике между парой электродов находится изолирующая подложка, которая распределяется на гигроскопичной соли (LiCl) в связующем компоненте (пасте). Проводимость слоя резко меняется в зависимости от влажности воздуха (рисунок 3). К сожалению, такое изменение сопротивления также в значительной степени зависит от температуры, при этом, как правило, нельзя отказаться от соответствующей компенсации. С помощью дополнительного измерения температуры воздуха можно определить точку росы, а с ее помощью — и абсолютную влажность. Постоянная времени таких датчиков, как правило, составляет около 30 с. В таблице 2 содержится обзор многочисленных методов измерения влажности воздуха, которые были разработаны.

Пьезоэлектрический эффект

Пьер Кюри и его брат Жак в 1880 году обнаружили явление, которое, хотя было малоизвестным, являлось обыденным для миллионов людей: речь идет о пьезоэлектрическом эффекте. Такой эффект, например, поддерживает такт стрелок кварцевых часов. Определенные кристаллы (например, кварц и турмалин) являются пьезоэлектрическими: в результате сжатия или растяжении 'вдоль определенных осей кристаллов на поверхности кристалла индуцируются электрические заряды. Такая электрическая поляризация возникает в результате перемещения положительных и отрицательных ионов в кристалле по отношению друг к другу под воздействием силы (см. рисунок, позиция b). Смещенные центры тяжести заряда выравниваются внутри кристалла, однако в середине передней поверхности кристалла образуется электрическое поле.

Сжатие и расширение кристалла обозначают обратные направления поля. При приложении электрического напряжения с другой стороны к торцам кристалла происходит обратный эффект (обратный пьезоэлектрический эффект): положительные ионы в электрическом поле движутся в направлении отрицательного электрода, а отрицательные ионы - в направлении положительного электрода. В результате происходит сжатие или растяжение кристалла в зависимости от направления электрического поля (см. рисунок, позиция с).

Для определения пьезоэлектрической напряженности поля Ер применяются следующие формулы:

E_р = δ Δx/x.

Δx/x. - относительное сжатие или растяжение,
δ: пьезоэлектрический коэффициент, числовое значение от 10⁹ V/см до 10¹¹ V/cm

Изменение длины AΔx получаем из приложенного напряжения U: [U/δ=Δx (пример с кварцем: деформация около 10^-9 см при U=10V]

Пьезоэлектрический эффект используется не только в кварцевых часах и промежуточных пьезоэлектрических инжекторах, но и — в виде прямого или обратного пьезоэлектрического эффекта — в ряде иных технических «приспособлений.

Пьезоэлектрические датчики применяются, например, для контроля детонации бензиновых двигателей, в которых они обнаруживают высокочастотные вибрации двигателя как признак детонационного сгорания. Преобразования механических колебаний электрического -«напряжения используются также в пьезоэлектрическом адаптере электропроигрывателя или пьезоэлектрических микрофонах. В пьезоподжиге (например, в зажигалках) механическое давление образует напряжение, необходимое для получения искры.

Если с другой стороны к пьезоэлектрическому кристаллу приложить напряжение переменного тока, он будет механически пульсировать с частотой переменного напряжения. Такие кварцевые генераторы используются, например, в качестве стабилизаторов в электрических резонансных контурах или в качестве пьезоэлектрических звуковых источников для генерации ультразвука.

При использовании кварца в часах кварцевый генератор возбуждается переменным напряжением, частота которого соответствует собственной частоте кварца. Таким образом, возникает временное предельное постоянное резонансное колебание, отклонение которого для откалиброванного кварца составляет примерно 1/1000 секунд в год.

Таблица 1. Газоаналитические методы (без определенного учета методов измерения влажности). (X) используемые в автомобилях

Физические методы	Физико-химические методы	Химические методы
Теплопроводность	Тепловой эффект	Селективное поглощение
Магнитный метод	Теплота абсорбции	Селективное поглощение с предварительной химической реакцией
Поглощение излучения	Характеристическая реакция окрашивания
Газовая хроматография	Электролитическая проводимость X
Радиоактивный метод	Электрохимический метод X

Таблица 2. Методы измерения влажности. (X) Технически значимые

Метод	№ п/п		Измерительный прибор	Метод измерения
Метод насыщения	1	X	Конденсационный гигрометр	Прямой метод
	2	X	Конденсационный гигрометр LICI	(измерение абсолютной
Метод испарения	3	X	Психрометр	влажности)
Метод поглощения	4		Объемный гигрометр
	5	X	Электролизный гигрометр
	6		Гигрометр обьема конденсата
Энергетический метод	7	X	Инфракрасный гигрометр
	8		Микроволновой гигрометр
	9		Разрядный гигрометр
	10		Диффузионный гигрометр
Гигроскопичный метод	11	X	Гигрометр с проводящей пленкой	Непрямой метод
	12	X	Конденсационный гигрометр	(измерение относительной
	13	X	Волосяной гигрометр	влажности)
	14		Двухполосный гигрометр
	15		Цветной гигрометр
	16		Кварцевый гигрометр
	17		Гравиметрический гигрометр