VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2016
ВИДЫ, НЕИСПРАВНОСТИ И СПОСОБЫ ПРОДЛЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ СЕНСОРОВ ДЛЯ ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ
К промышленным газоанализаторам предъявляют высокие требования надежности, так как такой прибор должен своевременно определить наличие или выброс газа в самых суровых условиях для данного оборудования. Но даже самое надежное устройство может выйти из строя по причине естественного износа компонентов, применение не качественных компонентов, нарушение условий эксплуатации газоанализаторов.
Причиной выхода из строя газоанализатора может являться: неисправности сенсоров; неисправности аккумуляторов и батарей; неисправности пробоотборного модуля или пробоотборного насоса; неисправности термопары измерения температуры дымовых газов; неисправности элементов, органов контроля и управления; которые, совместно с рассмотренными выше неисправностями сенсоров и встроенных химических источников электропитания, составляют 90-95% всех отказов в работе газоанализаторов.
Самой частой причиной выхода из строя газоанализатора является неисправность сенсоров. В связи с этим рассмотрим сенсоры, которые чаще всего используются в горной промышленности, а также выясним, почему сенсоры выходят из строя и как можно продлить срок их службы.
Сенсор – высокочувствительная составная часть датчика, предназначенная для регистрации и преобразования сигналов о нормированном изменении контролируемого параметра в электрические сигналы о нормированном изменении контролируемого параметра. Электрохимические сенсоры – это специальные устройства, в которых аналитический сигнал обеспечивается протеканием электрохимического процесса. Электрохимические сенсоры предназначены для количественного и качественного анализа химических соединений в газообразных и жидких средах.
В электрохимических сенсорах чувствительным является электрохимический элемент (ячейка). Первичные информационные сигналы об исследуемом явлении или объекте, возникают в виде изменения свойств этого элемента: разности потенциалов или электропроводности, электрического тока или вольтамперной характеристики, динамики их изменения. Физическая форма информационного сигнала и положена в основу классификации. В соответствии с этим электрохимические сенсоры разделяют на кондуктометрические, потенциометрические, амперометрические, вольтамперометрические и хроноамперометрические.
Термокаталитический метод детектирования продолжает оставаться основным способом контроля довзрывоопасных концентраций горючих газов и паров жидкостей в воздухе. В его основу положено каталитическое окисление молекул контролируемых веществ на поверхности чувствительного элемента термокаталитического сенсора и преобразованием выделяющегося тепла в электрический сигнал. Значение выходного сигнала сенсора определяется концентрацией контролируемого компонента (суммарной концентрацией для совокупности горючих газов и паров жидкостей), выражаемой в процентах к нижнему концентрационному пределу распространения пламени (НКПР).
Сенсор кислорода () – это электрохимический первичный преобразователь концентрации кислорода является двухэлектродной электрохимической ячейкой гальванического типа, которая преобразует содержащийся в газовой смеси (в воздухе) кислород в постоянный электрический ток. Сила тока, генерируемая сенсором, прямо пропорциональна парциальному давлению (концентрации) кислорода в воздухе. Сенсор кислорода предназначен для использования сигнализаторах и газоанализаторах кислорода.
Сенсор угарного газа (, окиси углерода, монооксида углерода) – это электрохимический первичный преобразователь концентрации угарного газа является трехэлектродной электрохимической ячейкой, которая преобразует содержащийся в воздухе угарный газ в непрерывный электрический сигнал. Сила тока, генерируемая сенсором, прямо пропорциональна концентрации угарного газа в воздухе.
Сенсор предназначен для использования в сигнализаторах и газоанализаторах угарного газа (окиси углерода, монооксида углерода) при следующих параметрах: температура воздуха: (–10 . + 50) ; относительная влажность воздуха: (20 . 95) %; атмосферное давление (80 … 120) кПа; не допускается эксплуатация сенсора в условиях, когда на его поверхности происходит конденсация водяного пара. Допускается эксплуатация сенсора при любой пространственной ориентации.
Сенсор метана (, сенсор пропана ) – это термокаталитический преобразователь концентрации метана и пропана предназначен для преобразования величины концентрации анализируемого газа в величину электрического напряжения. Преобразователи состоят из рабочего элемента (РЭ) и сравнительного элемента (СЭ), которые помещены в корпус из пористого материала. Принцип действия преобразователей основан на изменении электрического сопротивления каталитически активного РЭ, обусловленного выделением тепловой энергии при окислении анализируемого газа на РЭ. Выходным сигналом преобразователя является величина напряжения на выходе измерительного моста, которая пропорциональна концентрации метана в воздухе. Сенсор предназначен для использования в сигнализаторах и газоанализаторах при температуре воздуха — (–30 . + 50) .
Рис. 1. Внешний вид сенсора.
Отказ сенсоров (чувствительных элементов газоанализаторов) является самой частой неисправностью в работе газоанализаторов. Это связано с тем, что в сам принцип работы сенсоров (особенно электрохимических и термокаталитических) заложено постепенное расходование ресурса сенсора на протекание химических реакций внутри сенсора. Например, электрохимические сенсоры, особенно сенсор кислорода, начинают расходовать свой рабочий ресурс сразу же с момента их изготовления. Поэтому гарантированный производителем срок службы сенсора кислорода может колебаться от 1 года (например, для сенсора кислорода типа 2FO) до 3 и более лет (например, для сенсора кислорода DragerSensor O2 LS 6809630). Как правило, на упаковке электрохимических сенсоров или на них самих указывается дата, до которой производитель рекомендует их хранить. Эта особенность делает электрохимические сенсоры похожими на обычные батарейки, которые теряют свой заряд не зависимо от того, работают они или нет.
Для функциональной проверки работоспособности, калибровки и поверки приборов нужно использовать только специальные газовые смеси требуемых концентраций и другие специализированные средства (источники микропотоков, генераторы газовых смесей и т.д.).
Продлить срок службы сенсора можно с помощью установки граничных значений (окись азота) на минимальный уровень (определяется технологическим режимом), т.к. у сенсора имеется перекрестная чувствительность на газ . В корпусе сенсора установлен фильтр , который со временем теряет свою поглощающую способность и сенсор газоанализатора может выйти из строя. Это проявляется в суммировании сенсором газа и газа пропорционально степени износа фильтра , в результате, при наладке Вы можете не добиться нуля и наладка будет ошибочной. Необходимо, также установить и граничные значения сенсора газа на небольшое превышение необходимого уровня.
Продление срока службы сенсора возможно только вынув сенсор из газоанализатора на срок длительного перерыва в работе, к сожалению не во всех газоанализаторах можно совершить данную процедуру. Сенсор при этом, желательно хранить в холодильнике при температуре около +4 °C. Возобновление работы возможно только после прошествии не менее двух часов после установки сенсора в газоанализатор. Такая процедура дает возможность продлить срок службы сенсора примерно на 10-30%.
Список литературы:
Семёнов А.С., Шипулин В.С. Использование газоаналитических систем нового поколения для защиты рудника // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 6-3. – c. 480-484;
Источник
Ремонт датчиков кислорода газоанализаторов
©А. Пахомов 2007 (aka IS_ 18 , Ижевск)
На написание этого материала натолкнуло обилие вопросов на нашем форуме, связанных с непониманием (или недопониманием) принципа работы датчика кислорода, или лямбда-зонда.
Прежде всего, нужно идти от общего к частному и понимать работу системы в целом. Только тогда сложится правильное понимание работы этого весьма важного элемента ЭСУД и станут понятны методы диагностики.
Чтоб не углубляться в дебри и не перегружать читателя информацией, я поведу речь о циркониевом лямбда-зонде, используемом на автомобилях ВАЗ. Желающие разобраться более глубоко могут самостоятельно найти и прочитать материалы про титановые датчики, про широкополосные датчики кислорода (ШДК) и придумать методы их проверки. Мы же поговорим о самом распространенном датчике, знакомом большинству диагностов.
Итак, датчик кислорода. Когда-то очень давно он представлял собой только лишь чувствительный элемент, без какого-либо подогревателя. Нагрев датчика осуществлялся выхлопными газами и занимал весьма продолжительное время. Жесткие нормы токсичности требовали быстрого вступления датчика в полноценную работу, вследствие чего лямбда-зонд обзавелся встроенным подогревателем. Поэтому датчик кислорода ВАЗ имеет 4 вывода: два из них – подогреватель, один – масса, еще один – сигнал.
Из всех этих выводов нас интересует только сигнальный. Форму напряжения на нем можно увидеть двумя способами:
а) сканером
б) мотортестером, подключив щупы и запустив самописец.
Второй вариант, вообще говоря, предпочтительнее. Почему? Потому, что мотортестер дает возможность оценить не только текущие и пиковые значения, но и форму сигнала, и скорость его изменения. Скорость изменения – это как раз характеристика исправности датчика.
Итак, главное: датчик кислорода реагирует на кислород. Не на состав смеси. Не на угол опережения зажигания. Не на что-либо еще. Только на кислород. Это нужно осознать обязательно. Как именно это происходит, в подробностях описано здесь.
На сигнальный вывод датчика с ЭБУ подается опорное напряжение 0 . 45 В. Чтоб быть полностью уверенным, можно отключить разъем датчика и проверить это напряжение мультиметром или сканером. Все в порядке? Тогда подключаем датчик обратно.
К слову, на старых иномарках опорное напряжение «уплывает», и в итоге нормальная работа зонда и всей системы нарушается. Чаще всего опорное напряжение при отключенном датчике бывает выше необходимых 0 . 45 В. Проблема решается путем подбора и установки резистора, подтягивающего напряжение к «массе», тем самым возвращая опорное напряжение на необходимый уровень.
Дальше схема работы датчика проста. Если кислорода в газах, омывающих датчик, много, то напряжение на нем упадет ниже опорного 0 . 45 В, примерно до 0 . 1 В. Если кислорода мало, напряжение станет выше, около 0 . 8 – 0 . 9 В. Прелесть циркониевого датчика в том, что он «перепрыгивает» с низкого на высокое напряжение при таком содержании кислорода в отработанных газах, которое соответствует стехиометрической смеси. Это замечательное его свойство используется для поддержания состава смеси на стехиометрическом уровне.
Поняв, как работает датчик, легко осознать методику его проверки. Предположим, ЭБУ выдает ошибку, связанную с этим датчиком. Например, Р 0131 «Низкий уровень сигнала датчика кислорода 1 ». Нужно понимать, что датчик отображает состояние системы, и если смесь действительно бедная, то он это отразит. И замена его абсолютно бессмысленна!
Как же нам выяснить, в чем кроется проблема – в датчике или в системе? Очень просто. Смоделируем ту или иную ситуацию.
1 . Например, при жалобе на бедную смесь и низком напряжении на сигнально выводе датчика увеличим подачу топлива, пережав шланг обратного слива. Или, при его отсутствии, брызнув во впускной коллектор бензина из шприца. Как отреагировал датчик? Показал ли обогащенную смесь? Если да – то нет никакого смысла его менять, нужно искать причину, почему система подает недостаточное количество топлива.
2 . Если же смесь богатая, и зонд это отображает, попробуйте создать искусственный подсос, сняв какой-нибудь вакуумный шланг. Напряжение на датчике упало? Значит, он абсолютно исправен.
3 . Третий вариант (достаточно редкий, но имеющий место). Создаем подсос, пережимаем «обратку» – а сигнал на датчике не меняется, так и висит на уровне 0 . 45 В, либо меняется, но очень медленно и в небольших пределах. Все, датчик умер. Ибо он должен чутко реагировать на изменения состава смеси, быстро меняя напряжение на сигнальном выводе.
Для более глубокого понимания добавлю, что при наличии небольшого опыта легко установить степень изношенности датчика. Это делается по крутизне фронтов перехода с богатой смеси на бедную и обратно. Хороший, исправный датчик реагирует быстро, переход почти что вертикальный (смотреть, само собой, мотортестером). Отравленный либо просто изношенный датчик реагирует медленно, фронты переходов пологие. Такой датчик требует замены.
Понимая, что датчик реагирует на кислород, можно легко уяснить еще один распространенный момент. При пропусках воспламенения, когда из цилиндра в выпускной тракт выбрасывается смесь атмосферного воздуха и бензина, лямбда-зонд отреагирует на большое количество кислорода, содержащееся в этой смеси. Поэтому при пропусках воспламенения очень возможно возникновение ошибки, указывающей на бедную топливо-воздушную смесь.
Хочется обратить внимание еще на один важный момент: возможный подсос атмосферного воздуха в выпускной тракт перед лямбда-зондом. Мы упоминали, что датчик реагирует на кислород. Что же будет, если в выпуске будет свищ до него? Датчик отреагирует на большое содержание кислорода, что эквивалентно бедной смеси. Обратите внимание: эквивалентно! Смесь при этом может быть (и будет) богатой, а сигнал зонда ошибочно воспринимается системой как наличие бедной смеси. И ЭБУ ее обогатит! В итоге имеем парадоксальную ситуацию: ошибка «бедная смесь», а газоанализатор показывает, что она богатая. Кстати сказать, газоанализатор в данном случае – очень хороший помощник диагноста. Как пользоваться извлекаемой с его помощью информацией, описано в этой статье.
1 . Нужно совершенно четко отличать неисправность ЭСУД от неисправности лямбда-зонда.
2 . Проверить зонд можно, контролируя напряжение на его сигнальном выводе сканером или подключив к сигнальному выводу мотортестер.
3 . Искусственно смоделировав обедненную или, наоборот, обогащенную смесь и отследив реакцию зонда, можно сделать достоверный вывод о его исправности.
4 . По крутизне перехода напряжения от состояния «богато» к состоянию «бедно» и наоборот легко сделать вывод о состоянии лямбда-зонда и его остаточном ресурсе.
5 . Наличие ошибки, указывающей на дефект лямбда-зонда, отнюдь не является поводом для его замены.
Источник