Введение: Датчики кислорода Датчики кислорода (O2) — это приборы, которые передают информацию, анализируя газы, выделяемые автомобильными и промышленными дымовыми выбросами. Существуют различные типы датчиков кислорода. Они включают в себя датчики, используемые в автомобильных каталитических анализаторах, и промышленные кислородные анализаторы.
РИС. 1: Автомобильный кислородный датчик
Датчики кислорода эффективно работать при температуре 650°C, что делает их идеальными для применения в условиях высоких температур. Рекомендуется выбирать датчики со временем отклика менее 10 секунд и сроком службы до 10 лет в чистых условиях.
Независимо от того, оптимизируете ли вы процесс горения на электростанции или обеспечиваете безопасность химических процессов, датчики кислорода на основе диоксида циркония — незаменимые инструменты. Но помимо технических особенностей, важно то, как эти датчики вписываются в ваш бизнес и откуда вы их приобретаете.
Вам также необходимо учесть их стоимость и то, как они повлияют на вашу цель.
В этой статье излагаются основные сведения и практические рекомендации для покупателей, желающих приобрести высококачественные циркониевые датчики кислорода.
Цирконий – это современный керамический материал, который используется для производства ювелирных изделий, абразивов, огнеупорных материалов, а также глазури для фарфоровых изделий. Стабилизированный оксид циркония служит в качестве Тепловое барьерное покрытие (TBC) для высокотемпературных машин.
Циркониевые подложки прекрасно подходят в качестве керамического покрытия веществ.
Изделия, покрытые оксидом циркония, обладают такими отличительными свойствами, как долговечность, прочность, износостойкость и устойчивость к коррозии.
Однако, как и в случае с любым другим промышленным продуктом, существует опасение, что керамические покрытия на материалах со временем изнашиваются. Именно для снижения вероятности отслоения и износа этих материалов необходима стабилизация диоксида циркония.
РИС. 2: Лезвие из циркония
Стабилизация оксида циркония проводится для максимального использования превосходных свойств этого современного керамического материала. Нестабилизированный диоксид циркония O2 ненадёжен в использовании, поскольку не существует в одной фазе. Оксид циркония имеет три переходные фазы: моноклинную, тетрагональную и кубическую кристаллическую структуру.
Наиболее надёжной характеристикой оксида циркония, необходимой для использования в кислородных анализаторах, является его кубическая фаза. Процесс стабилизации переводит оксид циркония в пригодную для использования форму — кубическую кристаллическую структуру.
Как стабилизируется диоксид циркония
Стабилизация оксида циркония достигается за счёт соединения оксида циркония с иттрием. Иттрий образует сплав с оксидом циркония. Сплавы получаются путём соединения металлических и неметаллических ионов, что улучшает их свойства. Иттрий замещает некоторые ионы в оксиде циркония.
Сочетание оксида циркония и иттрия дает YSZ, который является Цирконий, стабилизированный иттриейНа этом уровне оксид циркония укрепляется и превращается в более совершенный керамический материал, способный выдерживать высокие температуры, коррозию и износ, возникающие в результате длительного использования.
Характеристики стабилизированного иттрием диоксида циркония
Стабилизированный оксид циркония обладает структурной прочностью. Это обусловлено высокой прочностью иттрия, с которым сочетается диоксид циркония. Это делает вещество прочным и ценным для резки труднообрабатываемых металлов. Он способен выдерживать высокие температуры. Он очень эффективно проводит кислород и устойчив к коррозии, вызываемой некоторыми кислотами и солями.
РИС. 3: Физическая структура стабилизированного иттрием диоксида циркония
Стабилизированный диоксид циркония очень прочен. Оксид циркония сохраняет свои превосходные керамические свойства, что и определило его выбор в качестве материала для покрытия. Однако процесс стабилизации обеспечивает дополнительную прочность.
Когда Цирконий, стабилизированный иттрием Используется в экстремальных температурных условиях, устойчив к износу и истиранию. Поэтому он отлично подходит для изготовления кислородных датчиков, расположенных в выхлопных системах автомобилей. Несмотря на частое использование, а также в случаях, когда используемое топливо не оптимизировано для сгорания, он защищает ваши двигатели от повреждений.
Например, двигатели самолётов и газовые турбины покрыты керамическими материалами, которые помогают им выдерживать давление и коррозию. Однако длительное использование оборудования с керамическим покрытием приводит к износу. Покрытия из стабилизированного диоксида циркония сочетают в себе прочность, низкую теплопроводность, коррозионную стойкость и спекаемость, что позволяет сохранить оборудование в рабочем состоянии.
Стабилизированный диоксид циркония часто комбинируют с оксидом иттрия или магния для повышения его ионной проводимости. Он действует как твёрдый электролит в кислородных датчиках. При высоких температурах он позволяет ионам кислорода перемещаться, генерируя сигнал напряжения, соответствующий уровню кислорода в окружающем газе.
Этот принцип, основанный на электрохимии, совершенствовался на протяжении десятилетий для промышленного использования.
Вот как работает циркониевый датчик кислорода. Два пористых платиновых электрода расположены между слоем стабилизированного циркония. Одна сторона электрода контактирует с эталонным газом (обычно воздухом), а другая – с анализируемым газом. Разница парциального давления кислорода создаёт электродвижущую силу, согласно уравнению Нернста, которая преобразуется в измеряемое напряжение.
Напряжение варьируется от 0 до 1,2 В в зависимости от концентрации кислорода. Для промышленных моделей это напряжение стабильно и линейно, что позволяет легко интегрировать их в системы управления.
1. Датчик кислорода из титана: Этот датчик также известен как лямбда-зонд. Он не генерирует собственное напряжение. Вместо этого титановый кислородный датчик создает электрическое сопротивление, соответствующее кислороду, циркулирующему в выхлопной трубе автомобиля. Обнаружение O2 этим устройством не зависит от атмосферного воздуха.
Этот датчик использует оксид титана для отправки сигналов в блок управления двигателем (ЭБУ) и для предупреждения о любых неисправностях в системе сгорания автомобиля. ЭБУ, получив сигнал, корректирует соотношение воздуха и топлива до правильного значения.
При использовании датчика из оксида титана следует соблюдать осторожность, поскольку он подвержен износу. К причинам ухудшения характеристик датчика из оксида титана относятся неправильное подключение проводов и цепей, случайные механические повреждения, а также контакт с загрязненным маслом.
2. Широкополосный кислородный датчик Точно настраивает системы подачи топлива и обеспечивает точную оценку соотношения топлива и воздуха в двигателе. Этот датчик позволяет точно определять соотношение топлива и воздуха при резких переключении передач, таких как ускорение. Он состоит из ячейки насоса, камеры эталонного воздуха, ячейки Нернста и нагревательного элемента.
Воздушная камера служит точкой отсчёта для измерения уровня кислорода относительно окружающего воздуха. Ячейка насоса определяет концентрацию кислорода в воздухе, проходящем через насосный ток. Ячейка Нернста измеряет разницу в уровнях кислорода между отработанным и окружающим воздухом, а нагревательный элемент регулирует температуру датчика.
РИС. 4: Широкополосный анализатор кислорода.
3. Узкополосный датчик кислорода Диоксид циркония нагревается при воздействии на него различных концентраций кислорода. Система контролирует состав выхлопных газов, чтобы снизить уровень вредных выбросов вашего автомобиля. Это обеспечивает эффективное сгорание топлива в двигателе и поддержание каталитического нейтрализатора в хорошем состоянии.
Узкополосный кислородный датчик устанавливается в выхлопной трубе автомобиля. Он имеет двустороннюю конструкцию: одна сторона обращена к окружающему воздуху для измерения температуры, а другая — к выхлопной трубе. Он более доступен и распространён, чем другие типы кислородных датчиков. Однако он не так экономичен, как широкополосные кислородные датчики.
РИС. 5: Датчик кислорода, установленный в автомобильном двигателе.
4. Подогреваемый кислородный датчик Термопара измеряет температуру системы или пространства, используется в промышленности, автомобилестроении и потребительских целях. Термопара также известна как термопара и измеряет атомную активность внутри объекта. Если объект не нагревается, можно предположить, что атомная активность в нём отсутствует.
При нагревании атомы объекта начинают двигаться, и мы получаем то, что мы называем тепловым ощущением. Тепло, излучаемое объектом, также называется его инфракрасной сигнатурой. Именно поэтому в очки ночного видения встроены инфракрасные очки, помогающие нам видеть в темноте.
5. Планарный кислородный датчик Имеет компактную конструкцию и плотность. Используется для мониторинга реакции листьев на свет и темноту в процессе фотосинтеза. Обычно используется в биологических экспериментах.
6. Циркониевый датчик кислорода: Цирконий — металлический элемент, используемый в современной керамической промышленности для производства прочных и долговечных материалов. При соединении циркония с кислородом образуется оксид циркония, также известный как диоксид циркония, химическая формула которого ZrO2.
Промышленное применение циркониевых датчиков
В сфере промышленного газового мониторинга мало материалов, которые оказались столь же надёжными и универсальными, как стабилизированный диоксид циркония. Этот керамический материал лежит в основе многих кислородных датчиков, обеспечивая точные измерения в суровых условиях, где точность может решить любую задачу.
РИС. 6: Промышленный анализатор кислорода
Датчики кислорода на основе стабилизированного циркония наиболее надёжны для контроля уровня O2 в выхлопных газах, котлах и печах в промышленных условиях. На электростанциях они используются для точной регулировки процесса горения, что снижает потери топлива и выбросы. В нефтегазовой отрасли они используются для контроля факельных установок.
Химическое производство использует эти датчики для управления процессами в реакторах, где точный анализ кислорода предотвращает взрывы и снижает эффективность. Предприятия по переработке биомассы и отходов также получают от этого выгоду, поскольку циркониевые анализаторы кислорода работают в загрязненных средах с высоким содержанием частиц без необходимости частой замены.
Лаборатории автомобильных испытаний также используют их для анализа выбросов. Однако на самом деле, реальная поддержка исходит от тяжёлой промышленности. Циркониевые анализаторы O2 очень важны для непрерывного мониторинга кислорода. Для специальных задач высокотемпературные варианты выдерживают температуру до 1700°C, что делает их идеальными для плавки и обработки металлов.
РИС. 7: Анализатор кислорода в испытательной лаборатории
Продвижение на рынке циркониевых датчиков кислорода
Стремление к повышению энергоэффективности, а также ужесточение норм выбросов газов привели к увеличению спроса на циркониевые датчики кислорода. Рынок был оценен в около $1,5 млн в 2024 году. Прогнозируется, что рыночная стоимость вырастет до или превысит $2,5 млрд к 2033 году. Эти оценки сделаны на основе совокупного темпа роста (CAGR) в 6,5%.
ФИГ. 8: Космический корабль, построенный с теплозащитным покрытием
Заключение: независимо от того, являетесь ли вы производителем циркониевых кислородных датчиков, автовладельцем или механиком, эта статья для вас. В ggsceramics мы предлагаем точные и высококачественные материалы. Наши продукты идеально интегрируются с вашими системами. Посетите нас сегодня и получите циркониевая керамика по отличным и доступным ценам.