مستشعر الأكسجين

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 6 صور
الموسوعة الحرة

مستشعر الأكسجين هو مكون إلكتروني يكشف عن تركيز جزيئات الأكسجين في الهواء أو في مصفوفة غازية مثل غاز عادم محرك الاحتراق.

في تطبيقات السيارات، يُشار إلى مستشعر الأكسجين باسم مستشعر لامدا ، حيث تشير لامدا إلى نسبة تكافؤ الهواء والوقود ، والتي يُرمز لها عادةً بالرمز λ. طُوّر هذا المستشعر من قِبل شركة روبرت بوش المحدودة خلال أواخر الستينيات تحت إشراف غونتر باومان. [ 1 ] يتكون عنصر الاستشعار الأصلي من سيراميك الزركونيا على شكل كشتبان، مطلي بطبقة رقيقة من البلاتين على جانبي العادم والمرجع، ويتوفر بنوعين: مُسخّن وغير مُسخّن. دخل المستشعر ذو التصميم المسطح السوق عام 1990، مما قلل بشكل كبير من كتلة عنصر الاستشعار السيراميكي، بالإضافة إلى دمج عنصر التسخين داخل بنية السيراميك. [ 2 ] نتج عن ذلك مستشعر يبدأ عمله مبكرًا ويستجيب بشكل أسرع.

يُستخدم مستشعر الأكسجين بشكل شائع لقياس تركيز الأكسجين في غازات العادم لمحركات الاحتراق الداخلي في السيارات والمركبات الأخرى ، وذلك لحساب نسبة الهواء إلى الوقود ، وتعديلها ديناميكيًا عند الحاجة، لضمان عمل المحولات الحفزية بكفاءة مثلى، ولتحديد ما إذا كان أداء المحول سليمًا أم لا. ويُنتج مستشعر الأكسجين عادةً جهدًا يصل إلى 0.9 فولت تقريبًا عندما يكون خليط الوقود غنيًا ويحتوي العادم على كمية قليلة من الأكسجين غير المحترق.

يستخدم العلماء أجهزة استشعار الأكسجين لقياس التنفس أو إنتاج الأكسجين، وذلك باتباع نهج مختلف. تُستخدم أجهزة استشعار الأكسجين في أجهزة تحليل الأكسجين، والتي تُستخدم على نطاق واسع في التطبيقات الطبية مثل أجهزة مراقبة التخدير وأجهزة التنفس الصناعي وأجهزة تركيز الأكسجين .

يستخدم الغواصون أجهزة استشعار الأكسجين (والتي تُسمى غالبًا أجهزة استشعار ضغط الأكسجين الجزئي ) لقياس الضغط الجزئي للأكسجين في غاز التنفس . يختبر غواصو الدائرة المفتوحة الغاز قبل الغوص لأن الخليط يبقى ثابتًا أثناء الغوص، وتكون تغيرات الضغط الجزئي الناتجة عن الضغط قابلة للتنبؤ، بينما يجب على غواصي أجهزة إعادة التنفس ذات الغاز المختلط مراقبة الضغط الجزئي للأكسجين في دائرة التنفس طوال فترة الغوص، لأنه يتغير ويجب التحكم فيه ليبقى ضمن الحدود المقبولة.

تُستخدم أجهزة استشعار الأكسجين أيضًا في أنظمة الوقاية من الحرائق في الهواء ناقص الأكسجين لمراقبة تركيز الأكسجين باستمرار داخل الأحجام المحمية.

توجد طرق عديدة ومختلفة لقياس الأكسجين. وتشمل هذه الطرق تقنيات مثل الزركونيا، والكيميائية الكهربائية (المعروفة أيضًا باسم الجلفانية)، والأشعة تحت الحمراء ، والموجات فوق الصوتية ، والبارامغناطيسية، ومؤخرًا جدًا، طرق الليزر.

تطبيقات السيارات

مستشعر أكسجين ثلاثي الأسلاك مناسب للاستخدام في سيارة فولفو 240 أو سيارة مماثلة

تُتيح مستشعرات الأكسجين في السيارات، والمعروفة اختصارًا بمستشعرات O2 ، إمكانية حقن الوقود الإلكتروني الحديث والتحكم في الانبعاثات . فهي تُساعد في تحديد نسبة الهواء إلى الوقود في محرك الاحتراق الداخلي، سواء كانت غنية أم فقيرة، في الوقت الفعلي. ونظرًا لوجود مستشعرات الأكسجين في مسار العادم، فإنها لا تقيس مباشرةً كمية الهواء أو الوقود الداخل إلى المحرك. مع ذلك، عند دمج المعلومات الواردة من مستشعرات الأكسجين مع معلومات من مصادر أخرى، يُمكن استخدامها لتحديد نسبة الهواء إلى الوقود بشكل غير مباشر. [ 3 ] يعمل نظام حقن الوقود ذو الحلقة المغلقة والمُتحكم فيه بالتغذية الراجعة على تغيير خرج حاقن الوقود وفقًا لبيانات المستشعرات في الوقت الفعلي، بدلًا من العمل وفقًا لخريطة وقود مُحددة مُسبقًا (حلقة مفتوحة). إضافةً إلى تمكين حقن الوقود الإلكتروني بكفاءة، تُقلل هذه التقنية للتحكم في الانبعاثات من كميات كلٍ من الوقود غير المحترق وأكاسيد النيتروجين التي تدخل الغلاف الجوي. يُعد الوقود غير المحترق مُلوثًا على شكل هيدروكربونات محمولة جوًا. في الوقت نفسه، تُعدّ أكاسيد النيتروجين (غازات NOx ) ناتجةً عن ارتفاع درجة حرارة غرفة الاحتراق إلى أكثر من 1300 كلفن ، بسبب زيادة نسبة الهواء في خليط الوقود، مما يُساهم في تكوّن الضباب الدخاني والأمطار الحمضية . وكانت فولفو أول شركة مصنّعة للسيارات تستخدم هذه التقنية عام 1976، إلى جانب المحفز ثلاثي الاتجاهات المستخدم في المحول الحفاز. [ 4 ] [ 5 ]

لا يقيس المستشعر تركيز الأكسجين فعليًا، بل يقيس الفرق بين محتوى الأكسجين في غاز العادم ومحتوى الأكسجين في الهواء. يؤدي الخليط الغني إلى زيادة الطلب على الأكسجين، مما يتسبب في ارتفاع جهد الخرج نتيجة انتقال أيونات الأكسجين عبر طبقة المستشعر. أما الخليط الفقير فيؤدي إلى انخفاض الجهد بسبب زيادة نسبة الأكسجين.

تستخدم محركات الاحتراق الحديثة ذات الإشعال الشراري مستشعرات الأكسجين والمحولات الحفزية لتقليل انبعاثات العادم . تُرسل معلومات تركيز الأكسجين إلى وحدة التحكم الإلكترونية (ECU)، التي تُعدّل كمية الوقود المحقونة في المحرك لتعويض زيادة الهواء أو الوقود. وتسعى وحدة التحكم الإلكترونية إلى الحفاظ على نسبة هواء إلى وقود محددة، في المتوسط، من خلال تحليل المعلومات الواردة من مستشعر الأكسجين. والهدف الأساسي هو تحقيق توازن بين القدرة وكفاءة استهلاك الوقود والانبعاثات، ويتحقق ذلك في معظم الحالات بنسبة هواء إلى وقود قريبة من النسبة المثالية . بالنسبة لمحركات الإشعال الشراري (مثل تلك التي تعمل بالبنزين أو غاز البترول المسال ، على عكس الديزل )، فإن أنواع الانبعاثات الثلاثة التي تهتم بها الأنظمة الحديثة هي: الهيدروكربونات (التي تنطلق عند عدم احتراق الوقود بالكامل، كما في حالة الاحتراق غير الكامل أو زيادة نسبة الوقود في الخليط)، وأول أكسيد الكربون (الناتج عن زيادة طفيفة في نسبة الوقود في الخليط)، وأكاسيد النيتروجين ( التي تسود عند انخفاض نسبة الوقود في الخليط ). إن فشل هذه المستشعرات، سواء بسبب التقادم الطبيعي، أو استخدام الوقود المحتوي على الرصاص، أو الوقود الملوث بالسيليكونات أو السيليكات ، على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي إلى تلف المحول الحفاز للسيارة وإصلاحات مكلفة.

قد يؤدي التلاعب بإشارة مستشعر الأكسجين المرسلة إلى كمبيوتر المحرك أو تعديلها إلى الإضرار بنظام التحكم في الانبعاثات، بل وقد يتسبب في تلف المركبة. عندما يكون المحرك تحت ظروف تحميل منخفضة (مثل التسارع الخفيف أو الحفاظ على سرعة ثابتة)، فإنه يعمل في "وضع الحلقة المغلقة". يشير هذا إلى حلقة تغذية راجعة بين وحدة التحكم الإلكترونية (ECU) ومستشعر (أو مستشعرات) الأكسجين، حيث تقوم وحدة التحكم الإلكترونية بضبط كمية الوقود وتتوقع حدوث تغيير في استجابة مستشعر الأكسجين. تجبر هذه الحلقة المحرك على العمل بخليط وقود فقير قليلاً وغني قليلاً في دورات متتالية، في محاولة للحفاظ على نسبة وقود إلى هواء مثالية في المتوسط. لنفترض أن التعديلات تسببت في تشغيل المحرك بخليط وقود فقير بشكل معتدل. في هذه الحالة، سيحدث تحسن طفيف في كفاءة استهلاك الوقود ، أحيانًا على حساب زيادة انبعاثات أكاسيد النيتروجين ، وارتفاع كبير في درجة حرارة غازات العادم ، وأحيانًا زيادة طفيفة في القدرة قد تتحول بسرعة إلى احتراق غير منتظم وفقدان حاد للطاقة، بالإضافة إلى احتمال تلف المحرك والمحول الحفاز (بسبب الاحتراق غير المنتظم)، عند نسب هواء-وقود شديدة النحافة. ​​لنفترض أن التعديلات تسببت في تشغيل المحرك بخليط وقود غني. في هذه الحالة، سيحدث تحسن طفيف في القدرة حتى نقطة معينة (بعدها يبدأ المحرك في الغرق بالوقود نتيجة زيادة كمية الوقود غير المحترق)، على حساب انخفاض كفاءة استهلاك الوقود وزيادة الهيدروكربونات غير المحترقة في العادم، مما قد يتسبب في ارتفاع درجة حرارة المحول الحفاز. قد يؤدي التشغيل لفترات طويلة بخليط غني إلى عطل كارثي في ​​المحول الحفاز (انظر الارتداد العكسي ). تتحكم وحدة التحكم الإلكترونية أيضًا في توقيت محرك الشرارة وعرض نبضة حاقن الوقود، لذا فإن التعديلات التي تجعل المحرك يعمل إما بشكل فقير جدًا أو غني جدًا قد تؤدي إلى استهلاك غير فعال للوقود عندما يتم إشعال الوقود مبكرًا جدًا أو متأخرًا جدًا في دورة الاحتراق.

عندما يتعرض محرك الاحتراق الداخلي لحمل عالٍ (مثل فتح الخانق بالكامل )، يتم تجاهل قراءة حساس الأكسجين، وتقوم وحدة التحكم الإلكترونية تلقائيًا بزيادة نسبة الوقود في الخليط لحماية المحرك، حيث أن حدوث خلل في الاحتراق تحت الحمل يزيد من احتمالية تلفه. يُشار إلى هذه الحالة بتشغيل المحرك في "وضع الحلقة المفتوحة". في هذه الحالة، يتم تجاهل أي تغييرات في قراءة الحساس. في العديد من السيارات (باستثناء بعض الطرازات المزودة بشاحن توربيني )، يتم أيضًا تجاهل قراءات مقياس تدفق الهواء ، لأنها قد تُقلل من أداء المحرك بسبب زيادة أو نقص نسبة الوقود في الخليط، وتزيد من خطر تلف المحرك نتيجة الاحتراق غير الطبيعي في حالة نقص نسبة الوقود.

وظيفة مستشعر الأكسجين

تُزوّد ​​حساسات الأكسجين وحدة التحكم الإلكترونية للمحرك (ECU) بمعلوماتٍ مرجعية. وعند الاقتضاء، تُجهّز محركات البنزين والبروبان والغاز الطبيعي بمحولات حفزية ثلاثية الاتجاه للامتثال لقوانين انبعاثات المركبات على الطرق. وباستخدام إشارة حساس الأكسجين ، تستطيع وحدة التحكم الإلكترونية تشغيل المحرك بنسبة هواء إلى وقود قريبة جدًا من 14.7:1، وهي النسبة المثالية لتشغيل المحول الحفزي ثلاثي الاتجاه بكفاءة. [ 6 ] قدّمت شركة روبرت بوش المحدودة أول حساس لامدا للسيارات عام 1976، [ 2 ] واستخدمته شركتا فولفو وساب لأول مرة في العام نفسه. وبدأ استخدام هذه الحساسات في الولايات المتحدة الأمريكية عام 1979 تقريبًا ، وأصبح تركيبها إلزاميًا في جميع طرازات السيارات في العديد من الدول الأوروبية بحلول عام 1993.

المسبار

يتكون عنصر الاستشعار من أسطوانة خزفية مطلية من الداخل والخارج بأقطاب بلاتينية مسامية ؛ ويحميها غطاء معدني. ويعمل عن طريق قياس الفرق في نسبة الأكسجين بين غاز العادم والهواء الخارجي، مما يولد جهدًا كهربائيًا أو يغير مقاومته تبعًا لذلك.

لا تبدأ الحساسات بالعمل بكفاءة إلا عند تسخينها إلى حوالي 316  درجة مئوية (600 درجة فهرنهايت )، لذا تحتوي معظم مجسات لامدا الحديثة على عناصر تسخين مغلفة بالسيراميك، تعمل على رفع درجة حرارة طرف السيراميك بسرعة. أما المجسات القديمة التي لا تحتوي على عناصر تسخين، فكانت تسخن تدريجيًا بفعل غازات العادم. مع ذلك، يوجد تأخير زمني بين بدء تشغيل المحرك ووصول مكونات نظام العادم إلى حالة التوازن الحراري. يعتمد الوقت اللازم لتسخين المجس بواسطة غازات العادم على درجة حرارة الهواء المحيط وشكل نظام العادم. بدون سخان، قد تستغرق العملية عدة دقائق. تُعزى مشاكل التلوث إلى بطء بدء التشغيل هذا، بما في ذلك مشكلة مماثلة تتعلق بدرجة حرارة تشغيل المحول الحفاز. 

يحتوي المجس عادةً على أربعة أسلاك: اثنان لإخراج حساس نسبة الهواء إلى الوقود (لامدا) واثنان لتغذية السخان. مع ذلك، تستخدم بعض شركات تصنيع السيارات الغلاف المعدني كأرضي لإشارة عنصر المستشعر، مما ينتج عنه ثلاثة أسلاك. أما المستشعرات القديمة غير المُسخّنة كهربائيًا فكانت تحتوي على سلك واحد أو سلكين.

تشغيل المسبار

مستشعر الزركونيا

مستشعر زركونيا مسطح (صورة تخطيطية)

يعتمد مستشعر لامدا المصنوع من ثاني أكسيد الزركونيوم ، أو الزركونيا، على خلية وقود كهروكيميائية صلبة تسمى خلية نيرنست . يوفر قطباها جهد خرج يتناسب مع كمية الأكسجين في العادم مقارنة بكميته في الغلاف الجوي.

يمثل جهد الخرج البالغ 0.2 فولت (200 ملي فولت) تيارًا مستمرًا "خليطًا فقيرًا" من الوقود والأكسجين، حيث تكون كمية الأكسجين الداخلة إلى الأسطوانة كافية لأكسدة أول أكسيد الكربون (CO)، الناتج عن احتراق الهواء والوقود، إلى ثاني أكسيد الكربون (CO₂ ) بشكل كامل . أما جهد الخرج البالغ 0.8 فولت (800 ملي فولت) تيارًا مستمرًا فيمثل "خليطًا غنيًا"، وهو غني بالوقود غير المحترق ومنخفض الأكسجين المتبقي. وتبلغ نقطة الضبط المثالية حوالي 0.45 فولت (450 ملي فولت) تيارًا مستمرًا. عند هذه النقطة، تكون كميات الهواء والوقود في النسبة المثلى، وهي أقل بنسبة 0.5% تقريبًا من النسبة المتكافئة، بحيث يحتوي العادم على الحد الأدنى من أول أكسيد الكربون.

الجهد الناتج عن المستشعر غير خطي بالنسبة لتركيز الأكسجين. يكون المستشعر أكثر حساسية بالقرب من نقطة التكافؤ (حيث λ = 1) وأقل حساسية عندما يكون الخليط فقيرًا جدًا أو غنيًا جدًا.

وحدة التحكم الإلكترونية (ECU) هي نظام تحكم يستخدم بيانات التغذية الراجعة من المستشعر لضبط خليط الوقود والهواء. وكما هو الحال في جميع أنظمة التحكم، يُعدّ الثابت الزمني للمستشعر بالغ الأهمية؛ إذ تعتمد قدرة وحدة التحكم الإلكترونية على ضبط نسبة الوقود إلى الهواء على زمن استجابة المستشعر. يميل المستشعر القديم أو المتسخ إلى امتلاك زمن استجابة أبطأ، مما قد يُؤدي إلى تدهور أداء النظام. كلما قصرت الفترة الزمنية، زاد ما يُسمى بـ "العدد المتقاطع" [ 7 ] ، وازدادت استجابة النظام.

يتميز المستشعر ببنية متينة من الفولاذ المقاوم للصدأ داخليًا وخارجيًا. وبفضل ذلك، يتمتع المستشعر بمقاومة عالية للتآكل، مما يسمح باستخدامه بكفاءة في البيئات القاسية ذات درجات الحرارة والضغط العاليين.

مستشعر الزركونيا من النوع "ضيق النطاق"، في إشارة إلى النطاق الضيق لنسب الوقود/الهواء التي يستجيب لها.

مستشعر زركونيا واسع النطاق

مستشعر زركونيا مسطح واسع النطاق (صورة تخطيطية)

قدمت شركة NTK في عام 1992 نوعًا مُعدَّلًا من مستشعر الزركونيا، يُسمى مستشعر "النطاق العريض"، [ 8 ] وقد شاع استخدامه في أنظمة إدارة محركات السيارات لتلبية الطلب المتزايد على تحسين كفاءة استهلاك الوقود، وخفض الانبعاثات، ورفع أداء المحرك في آنٍ واحد. [ 9 ] يعتمد هذا المستشعر على عنصر زركونيا مستوٍ، ولكنه يتضمن أيضًا مضخة غاز كهروكيميائية. تتحكم دائرة إلكترونية مزودة بحلقة تغذية راجعة في تيار مضخة الغاز للحفاظ على ثبات خرج الخلية الكهروكيميائية، بحيث يشير تيار المضخة مباشرةً إلى محتوى الأكسجين في غاز العادم. يُلغي هذا المستشعر التذبذب بين خليط الوقود الغني والفقير المتأصل في مستشعرات النطاق الضيق، مما يسمح لوحدة التحكم بضبط كمية الوقود وتوقيت الإشعال في المحرك بسرعة أكبر. في صناعة السيارات، يُعرف هذا المستشعر أيضًا باسم مستشعر UEGO (مستشعر الأكسجين العالمي لغاز العادم). تُستخدم مستشعرات UEGO أيضًا بشكل شائع في تعديلات الدينامومتر في سوق ما بعد البيع ، وفي أجهزة عرض نسبة الهواء إلى الوقود عالية الأداء للسائقين. يستخدم مستشعر الزركونيا ذو النطاق العريض في أنظمة حقن الوقود الطبقية ويمكن استخدامه الآن أيضًا في محركات الديزل لتلبية حدود الانبعاثات القادمة EURO و ULEV.

تتكون أجهزة الاستشعار ذات النطاق العريض من ثلاثة عناصر:

  1. مضخة أيون الأكسجين
  2. مستشعر الزركونيا ذو النطاق الضيق
  3. عنصر التسخين

يحتوي مخطط توصيل مستشعر النطاق العريض عادةً على ستة أسلاك:

  1. عنصر تسخين مقاوم
  2. عنصر تسخين مقاوم
  3. مستشعر
  4. مضخة
  5. مقاومة المعايرة
  6. شائع

مستشعر التيتانيا

يحتوي نوعٌ أقل شيوعًا من مستشعرات لامدا ضيقة النطاق على عنصر خزفي مصنوع من ثاني أكسيد التيتانيوم (التيتانيا ). لا يُولّد هذا النوع جهدًا كهربائيًا خاصًا به، بل يُغيّر مقاومته الكهربائية استجابةً لتغير تركيز الأكسجين. وتعتمد مقاومة التيتانيا على الضغط الجزئي للأكسجين ودرجة الحرارة. لذا، تُستخدم بعض المستشعرات مع مستشعر درجة حرارة الغاز لتعويض تغير المقاومة الناتج عن تغير درجة الحرارة. تبلغ قيمة المقاومة عند أي درجة حرارة حوالي 1/1000 من تغير تركيز الأكسجين. ولحسن الحظ، عند λ = 1، يكون هناك تغير كبير في تركيز الأكسجين، لذا يكون تغير المقاومة عادةً 1000 ضعف بين الخليط الغني والخليط الفقير، وذلك تبعًا لدرجة الحرارة.

بما أن ثاني أكسيد التيتانيوم شبه موصل من النوع N ذو بنية TiO₂₋ₓ ، فإن عيوب x في الشبكة البلورية هي المسؤولة عن توصيل الشحنة. لذا، في حالة العادم الغني بالوقود (تركيز أكسجين منخفض)، تكون المقاومة منخفضة، وفي حالة العادم الفقير بالوقود (تركيز أكسجين مرتفع)، تكون المقاومة عالية. تقوم وحدة التحكم بتزويد المستشعر بتيار كهربائي صغير، وتقيس انخفاض الجهد الناتج عبر المستشعر، والذي يتراوح من حوالي 0 فولت إلى حوالي 5 فولت. ومثل مستشعر الزركونيا، فإن هذا النوع غير خطي، ولذلك يُوصف أحيانًا ببساطة بأنه مؤشر ثنائي ، يُشير إما إلى "غني" أو "فقير". تُعد مستشعرات ثاني أكسيد التيتانيوم أغلى ثمنًا من مستشعرات الزركونيا، ولكنها أيضًا أسرع استجابة.

في تطبيقات السيارات، لا يتطلب مستشعر ثاني أكسيد التيتانيوم، على عكس مستشعر الزركونيا، عينة مرجعية من الهواء الجوي ليعمل بكفاءة. وهذا يُسهّل تصميم مجموعة المستشعر لمقاومة التلوث بالماء. في حين أن معظم مستشعرات السيارات قابلة للغمر، فإن المستشعرات القائمة على الزركونيا تتطلب كمية ضئيلة جدًا من الهواء الجوي كمرجع. نظريًا، يكون سلك المستشعر وموصله محكمي الإغلاق. يُفترض أن الهواء الذي يتسرب عبر السلك إلى المستشعر يأتي من نقطة مفتوحة فيه، عادةً ما تكون وحدة التحكم الإلكترونية (ECU)، الموجودة في مكان مغلق كصندوق السيارة أو داخلها.

موقع المسبار في النظام

مخطط نظام التحكم في نسبة الهواء إلى الوقود وموقع مستشعر نسبة الهواء إلى الوقود

يُثبّت المسبار عادةً في فتحة ملولبة في نظام العادم، بعد مشعب العادم وقبل المحول الحفاز. تُلزم اللوائح الأمريكية المركبات الجديدة بتركيب حساس قبل وبعد المحول الحفاز للعادم، وذلك للوفاء بمتطلبات مراقبة جميع مكونات الانبعاثات للكشف عن أي أعطال. تُراقَب الإشارات قبل وبعد المحول الحفاز لتحديد كفاءته، وفي حال عدم عمله بالشكل المطلوب، يُنبّه نظام التشخيص المدمج المستخدم ، على سبيل المثال، بإضاءة مؤشر في لوحة عدادات السيارة. إضافةً إلى ذلك، تتطلب بعض أنظمة المحول الحفاز دورات قصيرة من غازات العادم قليلة الأكسجين لتحميل المحول وتعزيز عملية الأكسدة والاختزال الإضافية لمكونات العادم غير المرغوب فيها.

المراقبة بالأجهزة

جهد مستشعر الأكسجين أثناء القيادة

يمكن مراقبة نسبة الهواء إلى الوقود، وبطبيعة الحال، حالة المستشعر، عن طريق استخدام مقياس نسبة الهواء إلى الوقود الذي يعرض جهد خرج المستشعر.

أعطال المستشعرات

عادةً، يتراوح عمر الحساس غير المُسخّن بين 50,000 و80,000 كيلومتر  . أما الحساس المُسخّن، فيبلغ عمره عادةً 160,000 كيلومتر  . ويعود سبب تعطل الحساس غير المُسخّن في الغالب إلى تراكم السخام على العنصر الخزفي، مما يُطيل زمن استجابته وقد يؤدي إلى فقدانه التام لقدرته على استشعار الأكسجين. أما في الحساسات المُسخّنة، فتُحرق الرواسب الطبيعية أثناء التشغيل، ويحدث العطل نتيجةً لنضوب المحفز. عندها، يُشير الحساس إلى خليط وقود فقير، فيقوم كمبيوتر السيارة بإثراء الخليط، فتصبح غازات العادم غنية بأول أكسيد الكربون والهيدروكربونات، مما يُؤدي إلى تدهور كفاءة استهلاك الوقود.

يُلوِّث البنزين المحتوي على الرصاص حساسات الأكسجين والمحولات الحفزية. معظم حساسات الأكسجين مصممة للعمل لفترة معينة في وجود البنزين المحتوي على الرصاص، ولكن عمر الحساس سيتقلص إلى 24,000 كيلومتر (15,000 ميل) فقط ، وذلك تبعًا لتركيز الرصاص. عادةً ما تكون أطراف الحساسات المتضررة من الرصاص متغيرة اللون ومصدأة قليلاً. 

من الأسباب الشائعة الأخرى للتلف المبكر لمجسات لامدا تلوث الوقود بالسيليكونات (المستخدمة في بعض مواد منع التسرب والشحوم ) أو السيليكات (المستخدمة كمثبطات للتآكل في بعض مضادات التجمد ). في هذه الحالة، تتراوح ألوان الرواسب على المجس بين الأبيض اللامع والرمادي الفاتح المحبب.

قد يؤدي تسرب الزيت إلى المحرك إلى تغطية طرف المسبار برواسب سوداء زيتية، مما يؤدي إلى فقدان الاستجابة.

يؤدي الخليط الغني جداً إلى تراكم رواسب سوداء مسحوقية على المسبار. وقد يكون سبب ذلك عطلاً في المسبار نفسه، أو مشكلة في مكان آخر من نظام ترشيد الوقود.

قد يؤدي تطبيق جهد خارجي على مستشعرات الزركونيا، على سبيل المثال عن طريق فحصها باستخدام بعض أنواع مقياس الأوم ، إلى تلفها.

تحتوي بعض أجهزة الاستشعار على مدخل هواء في السلك، لذا يمكن أن تتسرب الملوثات من السلك نتيجة تسرب الماء أو الزيت إلى داخل جهاز الاستشعار وتتسبب في تعطله. [ 10 ]

تشمل أعراض عطل مستشعر الأكسجين [ 11 ] ما يلي:

  • يشير ضوء المستشعر الموجود على لوحة القيادة إلى وجود مشكلة.
  • زيادة انبعاثات العادم،
  • زيادة استهلاك الوقود،
  • التردد عند التسارع،
  • المماطلة،
  • دوران المحرك غير منتظم.

تطبيقات الغوص

جهاز تحليل الأكسجين لخلطات غاز التنفس للغوص

يُعدّ مستشعر الأكسجين الكهروكيميائي ، وهو نوع من خلايا الوقود، النوع الأكثر شيوعًا في تطبيقات الغوص تحت الماء ، ويُعرف أحيانًا باسم محلل الأكسجين أو مقياس ضغط الأكسجين الجزئي (ppO2 ) . يُستخدم هذا المستشعر لقياس تركيز الأكسجين في مخاليط غازات التنفس مثل النيتروكس والتريمكس . [ 12 ] كما يُستخدم ضمن آليات التحكم في الأكسجين لأجهزة إعادة التنفس ذات الدائرة المغلقة للحفاظ على الضغط الجزئي للأكسجين ضمن الحدود الآمنة. [ 13 ] ولمراقبة محتوى الأكسجين في غاز التنفس في أنظمة الغوص التشبعي وفي الغاز المختلط المُزوَّد من السطح. يعمل هذا النوع من المستشعرات عن طريق قياس الجهد الكهربائي الناتج عن خلية وقود كهروكيميائية صغيرة .

التطبيقات العلمية والإنتاجية

تنفس التربة

في دراسات تنفس التربة، يمكن استخدام مجسات الأكسجين بالتزامن مع مجسات ثاني أكسيد الكربون لتحسين توصيف عملية تنفس التربة . عادةً، تستخدم مجسات الأكسجين في التربة خلية جلفانية لتوليد تيار كهربائي يتناسب مع تركيز الأكسجين المقاس. تُدفن هذه المجسات على أعماق مختلفة لمراقبة استنزاف الأكسجين بمرور الوقت، والذي يُستخدم بعد ذلك للتنبؤ بمعدلات تنفس التربة. عمومًا، تُجهز هذه المجسات بسخان مدمج لمنع تكثف الرطوبة على الغشاء النفاذ، حيث يمكن أن تصل الرطوبة النسبية في التربة إلى 100%. [ 14 ]

علم الأحياء البحرية

في علم الأحياء البحرية أو علم البحيرات ، تُجرى قياسات الأكسجين عادةً لقياس تنفس مجتمع حيوي أو كائن حي، ولكنها تُستخدم أيضًا لقياس الإنتاج الأولي للطحالب . الطريقة التقليدية لقياس تركيز الأكسجين في عينة الماء هي استخدام تقنيات الكيمياء الرطبة، مثل طريقة معايرة وينكلر . ومع ذلك، تتوفر في الأسواق مجسات أكسجين تقيس تركيز الأكسجين في السوائل بدقة عالية. يوجد نوعان من مجسات الأكسجين: الأقطاب الكهربائية (المجسات الكهروكيميائية) والمجسات الضوئية.

التخمير

في مصانع الجعة ، يُقاس الأكسجين المذاب في مواقع متعددة ضمن عملية إنتاج الجعة، بدءًا من مراقبة الأكسجين المذاب أثناء تهوية نقيع الشعير، وصولًا إلى قياسه باستخدام مستشعر أكسجين دقيق (بتركيزات منخفضة جدًا) عند خط التعبئة. تُجرى هذه القياسات إما باستخدام مستشعر أكسجين مذاب مدمج في خط الإنتاج أو باستخدام جهاز قياس أكسجين مذاب محمول. [ 15 ]

إنتاج الأدوية

تؤدي مستشعرات الأكسجين دورًا بالغ الأهمية في إنتاج المكونات الصيدلانية الفعالة في المفاعلات الحيوية باستخدام زراعة الخلايا أو التخمر . ولأن الأكسجين ضروري للتنفس الخلوي، يوفر مستشعر الأكسجين قياسًا دقيقًا لضمان حصول الخلايا في المفاعل الحيوي على الأكسجين اللازم لزيادة الإنتاج إلى أقصى حد. وتُعد دقة مستشعر الأكسجين بالغة الأهمية، إذ يؤثر نقص الأكسجين سلبًا على الإنتاجية، بينما قد يؤدي فائضه إلى تغييرات في استقلاب الخلايا. في المفاعلات الحيوية، يمكن تركيب مستشعرات الأكسجين عموديًا أو بزاوية. وفي حالة التركيب العمودي، تُساعد مستشعرات الأكسجين ذات الأطراف المائلة على توفير قراءات دقيقة. [ 16 ]

تقنيات استشعار الأكسجين

الأقطاب الكهربائية

يُعد قطب كلارك أكثر أنواع مستشعرات الأكسجين استخدامًا لقياس الأكسجين المذاب في السوائل. ويقوم مبدأ عمله على وجود قطب سالب وقطب موجب مغمورين في محلول إلكتروليتي . يدخل الأكسجين إلى المستشعر عبر غشاء نفاذ عن طريق الانتشار ، ويُختزل عند القطب السالب، مما يُنتج تيارًا كهربائيًا قابلًا للقياس.

توجد علاقة خطية بين تركيز الأكسجين والتيار الكهربائي. وباستخدام معايرة ثنائية النقاط (تشبع الهواء بنسبة 0% و100%)، يمكن قياس الأكسجين في العينة.

من عيوب هذه الطريقة استهلاك الأكسجين أثناء القياس بمعدل يساوي معدل انتشاره في المستشعر. وهذا يعني ضرورة تحريك المستشعر للحصول على قياس دقيق وتجنب ركود الماء . مع ازدياد حجم المستشعر، يزداد استهلاك الأكسجين، وبالتالي تزداد حساسية التحريك. في المستشعرات الكبيرة، يميل الإشارة إلى الانحراف بمرور الوقت نتيجة استهلاك الإلكتروليت. مع ذلك، يمكن تصنيع مستشعرات من نوع كلارك بأحجام صغيرة جدًا، يصل قطر طرفها إلى 10  ميكرومتر. يُعد استهلاك الأكسجين في هذا النوع من المستشعرات الدقيقة ضئيلاً للغاية، ما يجعله عمليًا غير حساس للتحريك، ويمكن استخدامه في الأوساط الراكدة كالرواسب أو داخل الأنسجة النباتية.

الأقطاب الضوئية

المستشعر الضوئي للأكسجين هو جهاز استشعار يعتمد على القياس البصري لتركيز الأكسجين. تُلصق طبقة كيميائية رقيقة بطرف كابل ضوئي، وتعتمد خصائص التألق الضوئي لهذه الطبقة على تركيز الأكسجين. يكون التألق الضوئي في ذروته عند انعدام الأكسجين. وكلما زاد تركيز الأكسجين، قصر عمر التألق الضوئي. [ 17 ] [ 18 ] عندما يمر جزيء أكسجين (O₂ ) ، يصطدم بالطبقة، مما يؤدي إلى إخماد التألق الضوئي . عند تركيز أكسجين محدد، يكون هناك عدد محدد من جزيئات الأكسجين (O₂ ) التي تصطدم بالطبقة في أي لحظة، وتكون خصائص التألق الضوئي مستقرة.

نسبة الإشارة (الفلورة) إلى الأكسجين ليست خطية، ويكون المستشعر الضوئي أكثر حساسية عند تركيز الأكسجين المنخفض. أي أن الحساسية تتناقص مع ازدياد تركيز الأكسجين، وفقًا لعلاقة ستيرن-فولمر . مع ذلك، يمكن لمستشعرات المستشعر الضوئي العمل في نطاق تشبع الأكسجين في الماء من 0% إلى 100%، ويتم معايرتها بنفس طريقة معايرة مستشعر كلارك. لا يُستهلك الأكسجين، وبالتالي يكون المستشعر غير حساس للتحريك، لكن الإشارة تستقر بسرعة أكبر عند تحريك المستشعر بعد وضعه في العينة. يمكن استخدام هذا النوع من مستشعرات الأقطاب الكهربائية للمراقبة الموضعية والفورية لإنتاج الأكسجين في تفاعلات تحليل الماء. كما يمكن للأقطاب الكهربائية المطلية بالبلاتين مراقبة إنتاج الهيدروجين في جهاز تحليل الماء في الوقت الفعلي .

تُستخدم المجسات الضوئية المستوية للكشف عن التوزيع المكاني لتركيزات الأكسجين في رقاقة مطلية بالبلاتين. وبناءً على المبدأ نفسه الذي تعمل به المجسات الضوئية، تُستخدم كاميرا رقمية لالتقاط شدة الفلورة فوق منطقة محددة.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "ما هو مستشعر الأكسجين بحق الجحيم؟" |" . dtauto.ca . 19 يناير 2024. تم الاطلاع عليه بتاريخ 28 نوفمبر 2024 .
  2. 1 2 "أربعون عامًا من مستشعر لامدا من بوش" . مدونة تاريخ بوش . 20 يوليو 2016. تاريخ الاطلاع: 17 سبتمبر 2017 .
  3. ↑ "فهم مستشعر الأكسجين ( استبدال مستشعر الأكسجين)" . آرو موتورز . 15 يوليو 2024. تاريخ الاسترجاع: 3 سبتمبر 2025 .
  4. ↑ "الذكرى الأربعون: بوش اخترعت مستشعر الأكسجين للسيارات عام 1976" . مجلة مودرن تاير ديلر . 7 يوليو 2016. تاريخ الاطلاع: 3 سبتمبر 2025 .
  5. ↑ "هذا الأسبوع في عام 1976: فولفو تُقدّم مُحوّلاً حفّازاً ثلاثي الاتجاهات" . أوتوويك . 3 يونيو 2013. مؤرشف من الأصل في 30 يناير 2023. تم الاطلاع عليه في 3 سبتمبر 2025 .
  6. ↑ "محفز ثلاثي الاتجاهات" . جونسون ماثي .
  7. ↑ "مستشعرات الزركونيا" في Spark Plug 411 مؤرشفة في 2007-10-12 في Wayback Machine ، على sparkplugs.com.
  8. ↑ المرجع: Yamada, T., Hayakawa, N., Kami, Y., and Kawai, T., "Universal Air-Fuel Ratio Heated Exhaust Gas Oxygen Sensor and Further Applications", SAE Technical Paper 920234, 1992, doi:10.4271/920234.
  9. ↑ "أي سيارة حديثة تستخدم تقنية محرك الاحتراق الهزيل أو الحقن المباشر تستخدم مستشعر النطاق العريض" مؤرشف في 2014-04-21 في Wayback Machine ، معلومات من lambdapower.co.uk.
  10. ↑ NGK: بعض أجهزة الاستشعار "تتنفس" من خلال أسلاكها، لذا فهي عرضة لتلوث الأسلاك.
  11. ↑ ميلر، تيم (11 أبريل 2019). "كيفية اختبار حساس الأكسجين باستخدام جهاز فحص OBD2" . OBD Planet . تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 أغسطس 2020 .
  12. ↑ لانغ، م.أ. (2001). وقائع ورشة عمل شبكة تنبيه الغواصين حول النيتروكس . دورهام، كارولاينا الشمالية: شبكة تنبيه الغواصين. ص 197. مؤرشف من الأصل بتاريخ 16 سبتمبر 2011. تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 مارس 2009 . 
  13. ↑ غوبل، ستيف (2003). "أجهزة إعادة التنفس" . مجلة جمعية طب الغوص في جنوب المحيط الهادئ . 33 (2): 98-102 . مؤرشف من الأصل في 8 أغسطس 2009. تم الاطلاع عليه في 20 مارس 2009 .
  14. ↑ "تقدير تنفس التربة: تقنيات محسنة لقياس غاز التربة" مؤرشف في 2011-07-07 في Wayback Machine .
  15. ↑ "دليل تحسين عملية التخمير" . شركة ميتلر-توليدو المحدودة . تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 يوليو 2021 .
  16. ↑ تارانكون، أ. "التخلص من قياس الأكسجين المشوش في التخمير وزراعة الخلايا" . شركة ميتلر-توليدو المحدودة . تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 يوليو 2021 .
  17. ↑ "دليل قياس الأكسجين: النظرية والتطبيق" . شركة ميتلر-توليدو المحدودة . تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 يوليو 2021 .
  18. ↑ "الدليل الهندسي لقياس الأكسجين: تطبيقات من خلايا الوقود إلى الغاز الطبيعي" (ملف PDF) . أنظمة مودكون. 2025. تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 يناير 2026 .