بررسی تخصصی سنسور اکسیژن خودرو و نحوه عملکرد آن

سنسورهای اکسیژن اجزای حیاتی و مهم در سیستم‌های هوشمند هستند که مدیریت از طریق آن به میزان غلظت اکسیژن در محیط مورد نظر پی می برد و اقدام به اصلاحات و تنظیمات لازم می نماید تا کارائی و بهره وری سیستم به حداکثر برسد. این حسگرها به طور گسترده کاربردهای صنعتی، محیطی و پزشکی و خودروئی دارند. در این مقاله بصورت عمیق به کاربردها، مزایا، نگهداری و عیب یابی سنسورهای اکسیژن که در خودرو مورد استفاده قرار گرفته اند، می پردازیم.

سنسور اکسیژن با اندازه‌گیری غلظت اکسیژن در محیط مورد نظر و تبدیل این داده‌ها به یک سیگنال الکتریکی عمل می‌کند. اصول عملکرد آن شامل تعامل بین مولکول‌های اکسیژن و عنصر تشکیل دهنده سنسور است که تغییری در خواص الکتریکی ایجاد می‌کند که قابل اندازه گیری می باشد.

سنسور اکسیژن یک سنسور الکترو شیمیایی محسوب می شود و بر اساس واکنش اُکسایش-کاهش (Redox Reaction) عمل می‌کند که در آن مولکول‌های اکسیژن با محلول الکترولیت واکنش می‌دهند و جریانی متناسب با غلظت اکسیژن تولید می‌کنند.
اُکسایش و کاهش می‌تواند دربرگیرنده واکنش‌های ساده‌ای همچون اکسایش کربن و تبدیل آن به کربن دی‌اکسید و کاهش کربن و تبدیل آن به متان یا واکنش‌های پیچیده‌ای چون اکسایش قند در بدن انسان طی واکنش‌های چند مرحله‌ای باشد.

در طول یک واکنش اکسایش-کاهش، برخی از گونه‌ها تحت اکسیداسیون یا از دست دادن الکترون قرار می‌گیرند، در حالی که برخی دیگر تحت کاهش یا به دست آوردن الکترون قرار می‌گیرند. در این خصوص می توان واکنش بین آهن و اکسیژن برای تشکیل زنگ آهن را مثال زد.

موارد استفاده از سنسور اکسیژن:

سنسورهای اکسیژن صنعتی:

سنسورهای اکسیژن صنعتی در فرآیندهای مختلفی که اندازه‌گیری دقیق اکسیژن ضروری است، مورد استفاده قرار می گیرند که بعضی از آنها را می توان در زیر مشاهده نمود:

کنترل احتراق: نظارت بر فرآیند و سیستم‌های ایمنی مانند کوره های صنعتی، دیگ های بخار و کوره ها استفاده می‌شوند.

نظارت بر فرآیند: اطمینان از سطح مناسب اکسیژن در واکنش‌های شیمیایی و فرآیندهای تولید، تضمین کیفیت و ایمنی محصول

سیستم‌های ایمنی: تشخیص سطح اکسیژن در فضاهای محدود، برای جلوگیری از شرایط خطرناک.

سنسورهای اکسیژن محیطی:

سنسورهای اکسیژن محیطی برای بررسی میزان اکسیژن موجود در محیط‌ های طبیعی مورد استفاده قرار می گیرند تا ایمنی و سلامت اکوسیستم‌ها و زیستگاه‌های انسانی تضمین شوند. سنسورهای اکسیژن در ایستگاه‌های نظارت بر کیفیت هوا برای اندازه‌گیری سطح اکسیژن اتمسفر و تشخیص آلودگی بکار می روند.

نظارت بر کیفیت آب: نظارت بر سطح اکسیژن محلول در آب برای ارزیابی سلامت آبزیان و تشخیص آلودگی و همچنین نظارت بر سطح اکسیژن محلول در دریاچه‌ها، رودخانه‌ها و اقیانوس‌ها برای ارزیابی سلامت اکوسیستم‌های آبی و تشخیص آلودگی.

نظارت ایمنی: تشخیص سطح اکسیژن در فضاهای محدود و محیط‌های صنعتی، جلوگیری از آسیب رسیدن به ایمنی کارگران.

تحقیقات آب و هوا: اندازه‌گیری سطح اکسیژن در جو و اقیانوس‌ها برای مطالعه تغییرات آب و هوایی و تأثیرات آن. کاربردهای پزشکی

سنسورهای اکسیژن پزشکی:

سنسورهای اکسیژن پزشکی در کاربردهای مختلف مراقبت‌های بهداشتی برای نظارت و کنترل سطح اکسیژن برای مراقبت از بیمار استفاده می‌شوند.

درمان تنفسی: اطمینان از تحویل دقیق اکسیژن در دستگاه‌های تنفس مصنوعی و تغلیظ‌کننده‌های اکسیژن.

بیهوشی: نظارت بر سطح اکسیژن در طول مراحل جراحی برای حفظ ایمنی بیمار.

دستگاه‌های آپنه خواب: اندازه‌گیری اشباع اکسیژن در بیماران مبتلا به اختلالات خواب برای تنظیم اکسیژن درمانی.

مراقبت تنفسی: حسگرهای اکسیژن بخش جدایی‌ناپذیر دستگاه‌های تنفس مصنوعی، تغلیظ‌کننده‌های اکسیژن و سایر دستگاه‌های تنفس درمانی هستند و تحویل دقیق اکسیژن به بیماران را تضمین می‌کنند.

نظارت بر بیهوشی: اندازه‌گیری سطح اکسیژن در طول عمل‌های جراحی برای حفظ ایمنی بیمار و جلوگیری از هیپوکسی (کم‌اکسیژنی)

مراقبت از نوزادان: نظارت بر سطح اکسیژن در نوزادان نارس برای جلوگیری از عوارض ناشی از دیسترس تنفسی. سندرم دیسترس  تنفسی )به انگلیسی (ARDS هنگامی بروز می‌کند که مایع در کیسه‌های هوایی کوچک و انعطاف‌پذیر ریه‌ها جمع می‌شود. مایع مزبور مانع از پر شدن ریه‌ها با میزان کافی، با هوا می‌گردد که این بدان معنی است که میزان اکسیژن دریافتی در جریان خون کاهش پیدا می‌کند.

دو نوع سنسور اکسیژن وجود دارد: سنسور اکسیژن از نوع زیرکونیا و سنسور اکسیژن از توع تیتانیا.

سنسورهای اکسیژن از نوع زیرکونیا(Zirconia):

سنسورهای اکسیژن از نوع زیرکونیا، از یک عنصر سرامیکی ساخته شده از دی اکسید زیرکونیوم (Zirconium Dioxide) استفاده می‌کنند. هنگامی که این عنصر تا دمای بالا گرم می‌شود، رسانای یون‌های اکسیژن می‌شود. سنسور، اختلاف ولتاژ ایجاد شده توسط حرکت یون‌های اکسیژن در سراسر لایه زیرکونیا را اندازه‌گیری می‌کند که با غلظت اکسیژن مرتبط است.

سنسورهای اکسیژن از نوع تیتانیا(Titania):

سنسورهای اکسیژن از نوع تیتانیا، از دی اکسید تیتانیوم (Titanium Dioxide) به عنوان عنصر حسگر استفاده می‌کنند. تغییرات در مقاومت لایه تیتانیا به دلیل تغییر سطح اکسیژن برای تعیین غلظت اکسیژن اندازه‌گیری می‌شود.

سنسورهای اکسیژن خودرو:

یکی از مهم ترین کاربردهای سنسورهای اکسیژن، نظارت بر میزان اکسیژن موجود در گازهای خروجی موتورهای احتراق داخلی خودروهای امروزی می باشند. این سنسورها به بهینه‌سازی مخلوط سوخت و هوا برای احتراق کارآمد و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک می‌کنند.

سنسور اکسیژن بالا (اولیه): این سنسورها که قبل از مبدل کاتالیزوری قرار دارند، سطح اکسیژن موجود در گازهای خروجی از موتور (منیفولد خروجی) را بوسیله ولتاژ به کامپیوتر موتور ارسال می کنند.

سنسور اکسیژن پائین (ثانویه): این سنسورها که بعد از مبدل کاتالیزور قرار دارند، با اندازه‌گیری سطح اکسیژن در گازهای خروجی تصفیه شده)توسط کاتالیست)، عملکرد مبدل کاتالیست را بوسیله ولتاژ، به کامپیوتر موتور اطلاع می دهند.

قطعات اصلی سنسور اکسیژن عبارتند از:

۱. عنصر سنسور: این عنصر سنسور معمولاً از مواد سرامیکی ساخته شده اند که با پلاتین پوشیده شده اند و با مولکول‌های اکسیژن واکنش می‌دهند.

۲. گرم‌کن: سنسور دارای یک گرم کن الکتریکی می باشد که جریان الکتریکی را در زمان های لازم از کامپیوتر موتور دریافت می کند و شرایط مناسب را برای اندازه گیری سنسور، مهیا می نماید. به عبارت دیگر، گرم کن همواره دمای عملیاتی لازم را برای اندازه‌گیری‌های دقیق در محیط فراهم می کند.

۳. الکترودها: سیگنال‌های الکتریکی تولید شده توسط عنصر سنسور، بوسیله این الکترودها به کامپیوتر موتور هدایت می شود.

۴. محفظه: از اجزای مختلف سنسور محافظت می‌کند.

سنسور اکسیژن که در بعضی جزوات و مستندات به سنسور لامبدا نیز معروف است، نسبت هوا به سوخت (Air/Fuel) را اغلب صد بار در ثانیه کنترل می‌کند و این اطلاعات را به ECU یا واحد کنترل موتور خودرو گزارش می‌دهد.

واحد کنترل موتور با دریافت این اطلاعات، لحظه به لحظه تنظیمات مناسب را انجام مید‌هد تا نسبت هوا به سوخت به نسبت ایده‌آل یا استوکیومتری برسد و به موتور کمک می کند تا علاوه بر اینکه بیشترین راندمان را داشته باشد، سوخت در وضعیت بهینه مصرف شود. حسگرهای اکسیژن در خودروهای جدید از ماده اصلی زیرکونیا(زیرکونیوم) استفاده می‌کنند این سنسورها ولتاژی متناسب با مقدار اکسیژن موجود در اگزوز خودرو تولید می‌کنند. سنسور اکسیژن برای اینکه شروع به کار کنند، باید گرم شده و به دمای عملیاتی برسند. حسگرهای اکسیژن اولیه فاقد گرم گن بودند لذا برای اینکه بتوانند کار کنند به گرمای اگزوز متکی بودند. مشکلی که در این سنسورها وجود داشت این بود که وقتی راننده خودرو را روشن می کرد، مدت زمان بسیار زیادی طول می‌کشید تا حسگرها از حالت غیرفعال به حالت فعال برسند، این زمان معمولاً بیش از یک دقیقه طول می‌کشید که در این مدت، موتور آلایندگی زیادی تولید می نمود. سنسورهائیکه در حال حاضر بر روی موتور خودروها نصب می شوند، دارای گرم کن می باشند و مشکلی که عنوان شد، برطرف شده است. هرچه الزامات و قوانین مصرف سوخت و میزان آلایندگی موتور سخت گیرانه تر شد، شرکت های خودروسازی به اهمیت سنسور اکسیژن بیشتر پی برده و این مسئله موجب توسعه سنسورهای اکسیژن گردید. سنسورهای جدید امکان اندازه‌گیری دقیق تر را فراهم می‌کنند و توانائی کنترل واقعی انتشار گازهای گلخانه‌ای را مهیا می‌سازند.

نکته مهم که باید بدان توجه نمود این است که روشن شدن چراغ چک موتور دلایل زیادی می تواند داشته باشد که یکی از آنها خرابی اکسیژن سنسور است و بهترین روش برای پی بردن به خرابی اکسیژن سنسور، استفاده از دستگاه عیب یاب و بررسی و تفسیر خطاها، پارامترها و وضعیت ها می باشد که می بایست توسط یک کارشناس آموزش دیده و با تجربه انجام شود. در زیر نمونه ای اطلاعاتی که توسط دستگاه عیب یاب نمایش داده شده و کارشناس در حال بررسی و تفسیر آن است، نمایش داده شده است. یک کارشناس حرفه ای، ولتاژ تولید شده توسط سنسورهای اکسیژن را هم در حالت درجا (Idle) و هم در تست جاده و در دورهای مختلف کنترل می کند و هم زمان به پارامترها و وضعیت های دیگری مانند فشار منیفولد هوا (MAP)، میزان فشرده شدن پدال گاز، میزان پاشش انژکتور، آوانس جرقه و غیره توجه می کند و در نهایت در خصوص سالم بودن، فرسوده بودن و یا خراب بودن سنسورهای اکسیژن اظهار نظر می کند.

همچنین بعضی از خرابی ها اغلب علائم فیزیکی ناشی از عدم عملکرد صحیح سنسور را نشان می‌دهد. کاهش راندمان سوخت می‌تواند نشانه بارزی باشد که سنسور O2 آنطور که باید عمل نمی‌کند. این می‌تواند به دلیل مخلوط سوخت خیلی رقیق یا خیلی غنی اتفاق بیفتد. این مشکل معمولا  نشانه معیوب بودن سنسور اکسیژن اولیه(بالائی) یا کنترلی است. سنسورهای ثانویه(پائینی) یا تشخیصی فقط خروجی اگزوز یا مبدل کاتالیزور را کنترل می‌کنند.

سایر علائم خرابی سنسور اکسیژن می تواند دور آرام ضعیف، احتراق ناقص و یا اصطلاحا کُپ کردن(سکته کردن) در هنگام شتاب‌گیری باشد. با این حال، به خاطر داشته باشید که این مشکلات می‌توانند دلایل دیگری نیز داشته باشند که هیچ ارتباطی با سلامت سنسورهای اکسیژن خودرو ندارند. بنابراین، هیچ یک از آنها به تنهایی برای تعویض اکسیژن سنسور اولیه و یا ثانویه کافی نیست و همان طور که گفته شد یک کارشناس آموزش دیده و با تجربه می بایست با استفاده از دستگاه عیب یاب، تشخیص دهد که کدام سنسور خراب شده است و لازم است تا تعویض گردد. برای تشخیص صحیح، یک کارشناس آموزش دیده و با تجربه می بایست از کلیه امکانات دستگاه عیب یاب اعم از خطاها، پارامترها و وضعیت ها و همچنین مشکلات عملکرد موتور و بازرسی فیزیکی سنسور، به منشا ایراد پی ببرد.

کامپیوتر موتور(ECU) از اطلاعات دریافتی از سنسور اکسیژن برای تنظیم مخلوط سوخت استفاده می‌کند که به آن "حلقه کنترل بازخورد سوخت" می‌گویند. به عبارتی دیگر کامپیوتر موتور (ECU) از آنچه سنسور اکسیژن دریافت می کند به میزان اکسیژنی که در گازهای خروجی موتور وجود دارد، مطلع می شود و راهنمایی های لازم را می‌گیرد و با تغییر مخلوط سوخت، به سیستم پاسخ می‌دهد و باعث تغییر متناظر در خواندن سنسور اکسیژن می‌شود. این عملیات به عنوان "حلقه بسته" شناخته می‌شود زیرا کامپیوتر از اطلاعات سنسور اکسیژن برای تنظیم مخلوط سوخت استفاده می‌کند. نتیجه این فرآیند، یک تغییر مداوم از غنی به رقیق است که به مبدل کاتالیزور اجازه می‌دهد تا در وضعیتی کار کند که حداکثر راندمان را داشته باشد و در عین حال میانگین مخلوط سوخت کلی را در تعادل مناسب نگه دارد تا انتشار گازهای گلخانه‌ای به حداقل برسد. این تنظیمات خیلی پیچیده اند اما نتیجه، دستیابی به چندین هدف از جمله حداکثر کارائی، حداقل مصرف سوخت و کمترین میزان تولید گازهای مضر است.

هنگامی که هیچ سیگنالی از سنسور اکسیژن دریافت نمی‌شود، مانند زمانی که موتور سرد است و برای اولین بار روشن می شود، یا زمانیکه سنسور اکسیژن به هر دلیلی بطور مثال قطعی در مدارهای برقی، از کار می‌افتد، کامپیوتر موتور بصورتی عمل می کند که مخلوط سوخت غنی و بصورت ثابت(بدون تغییر)باشد. این عملیات به عنوان عملیات "حلقه باز" شناخته می‌شوند زیرا هیچ اطلاعاتی از سنسور اکسیژن برای تنظیم مخلوط سوخت گزارش نمی‌شود. به عبارت دیگر کامپیوتر موتور، اطلاعاتی از سنسور دریافت نمی کند تا بر اساس آن ، مخلوط سوخت را تنظیم نماید. برای توضیح بیشتر و با نگاهی متفاوت می توان گفت که اگر موتور هنگام رسیدن سنسور اکسیژن به دمای عملیاتی، نتواند وارد حلقه بسته شود یا به دلیل از دست رفتن سیگنال سنسور اکسیژن از حلقه بسته خارج شود، موتور بیش از حد غنی کار می‌کند و باعث افزایش مصرف سوخت و انتشار گازهای گلخانه‌ای می‌شود. یک سنسور دمای مایع خنک‌کننده معیوب همچنین می‌تواند از ورود سیستم به حلقه بسته جلوگیری کند، زیرا کامپیوتر هنگام تصمیم‌گیری در مورد ورود یا عدم ورود به حلقه بسته، دمای مایع خنک‌کننده موتور را نیز در نظر می‌گیرد.

سنسور اکسیژن مانند یک ژنراتور مینیاتوری کار می‌کند و وقتی داغ می‌شود، از خود ولتاژ تولید می‌کند. درون پوشش تهویه شده در انتهای سنسور که به منیفولد اگزوز متصل می‌شود و با گازهای خروجی موتور در ارتباط است، یک لامپ سرامیکی زیرکونیومی وجود دارد. لامپ از بیرون با یک لایه متخلخل پلاتین پوشانده شده است. درون لامپ دو نوار پلاتین وجود دارد که به عنوان الکترود یا کنتاکت عمل می‌کنند. قسمت بیرونی لامپ در معرض گازهای داغ اگزوز قرار دارد در حالی که قسمت داخلی لامپ از طریق بدنه سنسور به فضای بیرون تهویه می‌شود. سنسورهای اکسیژن قدیمی‌تر در واقع یک سوراخ کوچک در پوسته بدنه دارند تا هوا بتواند وارد سنسور شود، اما سنسورهای اکسیژن جدیدتر از طریق کانکتورهای سیمی خود "تنفس" می‌کنند و هیچ سوراخ تهویه‌ای ندارند. باور کردنش سخت است، اما فضای بسیار کم بین عایق و سیم، فضای کافی برای نفوذ هوا به داخل سنسور را فراهم می‌کند (به همین دلیل، هرگز نباید از گریس روی کانکتورهای سنسور اکسیژن استفاده شود زیرا می‌تواند جریان هوا را مسدود کند). تهویه سنسور از طریق سیم‌ها به جای ایجاد سوراخ در بدنه، خطر آلودگی ناشی از کثیفی یا نفوذ آب را که می‌تواند سنسور را از داخل کثیف کرده و باعث خرابی آن شود، کاهش می‌دهد. اختلاف سطح اکسیژن بین گازهای موجود در اگزوز و هوای بیرون در داخل سنسور، باعث عبور ولتاژ از لامپ سرامیکی می‌شود. هرچه این اختلاف بیشتر باشد، ولتاژ خوانده شده بیشتر است.

معمولاً وقتی مخلوط سوخت غنی است و اکسیژن نسوخته کمی در اگزوز وجود دارد، سنسور اکسیژن تا حدود 0.9 ولت تولید می‌کند. وقتی مخلوط سوخت رقیق است، ولتاژ خروجی سنسور به حدود 0.1 ولت، کاهش می‌یابد. وقتی مخلوط هوا و سوخت متعادل است یا در نقطه تعادل حدود 14.7 به 1 قرار دارد، سنسور حدود 0.45 ولت را نشان می‌دهد.

وقتی کامپیوتر موتور، سیگنال غنی (ولتاژ بالا) را از سنسور اکسیژن اولیه (بالائی )دریافت می‌کند، مخلوط سوخت را رقیق می‌کند تا ولتاژ تولید شده سنسور را کاهش دهد. وقتی سنسور اکسیژن اولیه (بالائی)، سیگنال رقیق (ولتاژ پایین) را ارسال می کند، کامپیوتر موتور دوباره معکوس عمل می‌کند و مخلوط سوخت را غنی می‌کند. این تغییر مداوم و متناوب مخلوط سوخت با سرعت‌های مختلف بسته به سیستم سوخت‌رسانی رخ می‌دهد و در هر ثانیه هرچه بیشتر انجام گیرد، بهتر و دقیق تر است، این میزان در موتورهای پیشرفته امروزی پنج تا هفت بار در ثانیه در دور موتور ۲۵۰۰ دور در دقیقه انجام می شود. با وضع قوانین سخت گیرانه در خصوص میزان آلایندگی خودروها و رقابت بر سر کاهش مصرف سوخت، بعضی از خودروها تقریبا از سال ۱۹۹۴ و ۱۹۹۵ و تمام خودروها از سال ۱۹۹۶ مجهز به سنسور اکسیژن دوم(پائینی) شده اند که در مسیر گازهای خروجی ولی بعد از مبدل کاتالیست نصب شده اند. این سنسورها عملکرد مبدل کاتالیست را بررسی می کنند.

سیستم OBD II برای نظارت بر عملکرد انتشار گازهای گلخانه‌ای موتور، طراحی شده که شامل نظارت بر هر چیزی است که امکان دارد باعث افزایش انتشار گازهای گلخانه‌ای شود. این سیستم میزان اکسیژن سنسورهای O2 را قبل و بعد از مبدل کاتالیست مقایسه می‌کند تا ببیند که آیا مبدل کاتالیست، آلاینده‌های موجود در اگزوز را می تواند کاهش ‌دهد یا خیر. اگر سیستم تغییر کمی در میزان اکسیژن در قبل و بعد از مبدل کاتالیست، مشاهده کند یا هیچ تغییری مشاهده ننماید، به این معنی است که مبدل به درستی کار نمی‌کند. این باعث می‌شود چراغ نشانگر نقص یا همان چراغ چک موتور روشن شود.

تصویر فوق میزان ولتاژ خروجی سنسورهای اولیه و ثانویه و تفاوت بین این دو را در حالت ایده آل نمایش می دهد، بدیهی است که تولید ولتاژ توسط این دو سنسور در عمل بصورت فوق نخواهد بود.

سنسورهای O2 نسبت به محیط عملیاتی که در آن زندگی می‌کنند، بسیار مقاوم هستند، به عبارت دیگر سنسورهای اکسیژن در مقابل گرمای زیاد و تنش های حرارتی، از خود مقاومت زیادی نشان می دهند اما نقصی که در سنسورهای اکسیژن وجود دارد، این است که فرسوده می‌شوند، به عبارت دیگر عملکرد سنسور O2 با گذشت زمان و افزایش سن، کاهش می‌یابد زیرا آلاینده‌ها روی نوک سنسور جمع می‌شوند و به تدریج توانایی آن را در تولید ولتاژ کاهش می‌دهند. این نوع زوال می‌تواند توسط مواد مختلفی که به اگزوز راه پیدا می‌کنند مانند سرب، سیلیکون، گوگرد، خاکستر حاصل از سوختن روغن، ضدیخ و حتی برخی مواد دیگر مانند مکمل های غیراستاندارد، ایجاد شود. این سنسورها همچنین می‌تواند توسط عوامل محیطی مانند آب، گرد و غبار، ریزگرده ها، پاشش نمک جاده، گل و لای، روغن و خاک آسیب ببینند، این مواد به فضای بسیار کم بین عایق و سیم که هوا به درون سنسور باید راه یابد، نفوذ کرده و آنرا مسدود می کنند و در عملکرد سنسور اختلال ایجاد می نمایند. بدیهی است که عدم تمیز کردن موتور خودرو و همچنین شستشوی غیراصولی آن، می تواند موجب آسیب دیدن سنسورهای اکسیژن شود. استفاده از خودرو در جاده های خاکی و ماسه زارها و نیز رانندگی در مسیرهائیکه حاوی گل و لای هستند و حرکت هنگام آب گرفتگی در خیابان ها، می تواند مشکلاتی برای عملکرد سنسورهای اکسیژن ایجاد نمایند.

افزایش سن و کاهش حساسیت سنسور، باعث افزایش انتشار گازهای گلخانه‌ای می‌شود. این اتفاق به این دلیل می‌افتد که تغییر ناگهانی مخلوط سوخت، کند می‌شود و راندمان مبدل را کاهش می‌دهد. برخلاف تصور، خودروهائیکه سیستم سوخت رسانی آنها جدیدتر و مدرن تر است، حساس تر بوده و نسبت به افزایش سن سنسور، حساس تر هستند، این وضعیت موجب می شود که بعضی از صاحبان خودرو تصور کنند که سنسورهای اکسیژن خودروهای مدل بالاتر، دارای کیفیت ساخت پائین تری می باشند که این یک تفکر اشتباه است، در واقع سنسورهای اکسیژن که بر روی خودروهای جدیدتر نصب می شوند، دارای حساسیت بیشتری بوده و موجب می شوند که استانداردهای آلودگی به نحو بهتری رعایت شوند ولی فرسودگی در آنها زودتر نمایان می شوند. اگر مبدل کاتالیست، به دلیل مخلوط غنی بیش از حد گرم شود، ممکن است آسیب ببیند. مشکل بیشتر خودروهایی که در آزمایش انتشار گازهای گلخانه‌ای رد می شوند، با تعویض اکسیژن سنسور اولیه، برطرف خواهد شد. تنها راه برای دانستن اینکه آیا سنسور O2 کار خود را درست انجام می‌دهد یا خیر، بازرسی منظم آن است. این کار می بایست توسط یک کارشناس آموزش دیده و با تجربه و توسط دستگاه عیب یاب انجام گیرد. دقت این کار وقتی بیشتر می شود که توسط یک اسیلوسکوپ انجام شود. یک اسیلوسکوپ، خروجی ولتاژ سنسور را به صورت یک خط موج‌دار نمایش می‌دهد که هم دامنه (ولتاژ حداقل و حداکثر) و هم فرکانس آن (نرخ گذار از غنی به رقیق) را نشان می‌دهد.

یک سنسور اکسیژن اولیه (بالائی) سالم، باید در حالت دور آرام یک شکل موج نوسانی تولید کند که باعث تغییر ولتاژ از نزدیک به حداقل (0.1 ولت) به نزدیک به حداکثر (0.9 ولت) شود. غنی‌سازی مخلوط سوخت توسط سیستم، باید باعث شود سنسور تقریباً بلافاصله (در عرض 100 میلی‌ثانیه) پاسخ دهد و به حداکثر خروجی (0.9 ولت) برسد. همچنین ایجاد مخلوط رقیق باید موجب گردد خروجی سنسور به حداقل مقدار خود (0.1 ولت) کاهش یابد. اگر سرعت تغییر ولتاژ از 0.1 ولت به 0.9 ولت به اندازه کافی بالا نباشد و این کار به کندی انجام گیرد، ممکن است نیاز به تعویض داشته باشد.

به نمودار فوق دقت کنید، هر دو منحنی دارای حداقل و حداکثر تقریبا یکسان می باشند ولی فرکانس آنها با یکدیگر متفاوت است، اگر نمودارهای فوق را متناظر با تولید ولتاژ توسط دو اکسیژن سنسور اولیه (بالائی) در نظر بگیریم، هر دو سنسور، ولتاژ تقریبا مناسب و در حد قابل قبول تولید می کنند ولی نمایش منحنی توسط نمودار آبی نسبت به نمودار قرمز کندتر می باشد که این نشان دهنده این است که اکسیژن سنسوری که تولید ولتاژ با نمودار آبی می کند، فرسوده است و دارای عمر بیشتری نسبت به اکسیژن سنسوری است که ولتاژی با نمودار قرمز تولید می کند. این نکته ای است که کارشناسان باید بدان خیلی توجه داشته باشند. به عبارت دیگر ممکن است سنسور اکسیژن اولیه (بالائی) بین 0.1 تا 0.9 و برعکس تغییر داشته باشد ولی این کار به کندی انجام گیرد و سرعت مناسب را نداشته باشد، عدم داشتن سرعت کافی در تغییر ولتاژ از 0.1 به 0.9 و برعکس، موجب خواهد شد که اصلاح سوخت در زمان مناسب انجام نگیرد و میزان گازهای گلخانه ای افزایش یابد.

در تصویر فوق، ولتاژ خروجی توسط یک سنسور اکسیژن اولیه (بالائی) که دارای عملکرد مناسب می باشد، نمایش داده شده است.

اگر مدار سنسور اکسیژن اولیه (بالائی) باز شود، اتصال کوتاه شود یا میزان نوسانات ولتاژ در آن، در محدوده مابین 0.1 تا 0.9 خارج شود، بطور مثال دامنه تغییرات آن بین 0.4 تا 0.6 قرار گیرد، ممکن است یک کد خطا ایجاد کند و چراغ نشانگر بررسی موتور یا نقص(Engine Check) را روشن کند.

شکل زیر تصویری از ولتاژ خروجی از یک سنسور اکسیژن ثانویه (پائینی) به تصویر کشیده شده است که نشان می دهد عملکرد مبدل کاتالیست مناسب است.

در این وضعیت چنانچه بررسی بیشتر، نشان دهد که سنسور معیوب است، سنسور باید تعویض گردد، اما بسیاری از سنسورهای اکسیژن، طوری عمل می کنند که موجب ایجاد کد خطا نمی شوند ولی عملکرد آنها به اندازه کافی مناسب نمی باشد و موجب می شود انتشار گازهای گلخانه‌ای و مصرف سوخت در محدوده تعیین شده نباشد، این سنسورها نمی توانند از افزایش گازهای گلخانه ای جلوگیری کنند و در عین حال موجب روشن شدن چراغ چک موتور نیز نمی شوند، به عبارت دیگر به دلیل فرسوده شدن سنسور، حساسیت آن کاهش یافته است بنابراین به عنوان یک اصل مهم باید در نظر داشت که ، عدم وجود کد خطا یا روشن نشدن چراغ هشدار (Engine Check) به معنای عملکرد صحیح سنسور اکسیژن نیست.

تصویری که در بالا از ولتاژ خروجی یک سنسور اولیه (بالائی) نمایش داده شده است، نشان می دهد که عملکرد سنسور مناسب نمی باشد و نیاز به تعویض دارد، این سنسور قطعا موجب افزایش گازهای گلخانه ای خواهد شد و مصرف سوخت و عملکرد موتور را تحت تاثیر قرار خواهد داد ولی ممکن است موجب روشن شدن چراغ اخطار موتور (Engine Check) نخواهد شد.

هر سنسور O2 که معیوب باشد، بدیهی است که نیاز به تعویض دارد. اما تعویض دوره‌ای سنسور O2 برای نگهداری پیشگیرانه نیز می‌تواند مزایایی داشته باشد. تعویض یک سنسور O2 قدیمی که کند شده است، می‌تواند حداکثر راندمان سوخت را به وضعیت مناسب بازگرداند، انتشار گازهای خروجی را به حداقل برساند و عمر مبدل را طولانی‌تر کند. در خودروهای مجهز به OBD II، توصیه می شود که سنسورهای اکسیژن هر 150000 کیلومتر، تعویض شوند.

در نظر داشته باشید که سنسور اکسیژن می بایست توسط ابزار مخصوص و توسط یک مکانیک یا کارشناس که تجربه کافی داشته باشد، تعویض گردد. تعویض اکسیژن سنسور اگر بدرستی انجام نگیرد، موجب آسیب دیدگی منیفولد خروجی و یا رزوه های سنسور اکسیژن گردد.

خرابی سنسور اکسیژن اغلب می‌تواند به یکی از سه عامل زیر مربوط باشد: قدمت(عمر خودرو) و مسافت پیموده شده (کیلومتر کارکرد) بالا، آلودگی داخلی (آلودگی و کثیفی قسمت حساس سنسور)، آلودگی خارجی سنسور (گرفتگی محل نفوذ هوای محیط به داخل سنسور) و مشکل الکتریکی(قطعی یا اتصالی سیم ها یا کانکتور سنسور).

سنسورهای اکسیژن بواسطه وظایفی که به عهده دارند، بصورت مداوم و مستقیم می بایست با گازهای خروجی از موتور در ارتباط باشند، این گازها حاوی مواد مضر با سرعت بالا بوده و دمای آنها بسیار بالاست لذا این سنسورها آسیب پذیر بوده و همانطور که گفته شد کارایی آنها به ناچار با گذشت زمان کاهش می‌یابد، علاوه بر این سنسورهای اکسیژن می‌توانند توسط عناصری که از داخل موتور به سمت خروجی موتور هدایت می شوند، آلوده شوند. اگر مخلوط سوخت بیش از حد غنی باشد و یا به عبارت دیگر، نسبت سوخت به هوا از آن چیزی که می بایست باشد، بیشتر باشد، گاز خروجی حاصل از احتراق این مخلوط سوخت و هوا، می‌تواند سنسور O2 را آلوده کند، همچنین بنزین سرب دار، استفاده از مکمل های غیراستاندارد نیز موجب آلوده شدن سنسور اکسیژن و آسیب رسیدن به آن گردد. باقیمانده ضد یخ یا سیلیکون ناشی از واشرهای معیوب نیز می‌تواند همین اثر را داشته باشد. در زیر چند مورد از سنسورهائی که کارآئی خود را از دست داده اند، قابل مشاهده می باشد:

شکل فوق سنسور اکسیژنی را نمایش می دهد که در قسمتی که می بایست با گازهای خروجی از موتور در ارتباط باشد، کربن زیادی تجمع کرده است و از ارتباط قسمت حساس سنسور با گازهای خروجی، جلوگیری می نماید، دلایل احتمالی زیادی برای این وضعیت وجود دارد که می تواند به  فیلتر هوای مستعمل یا انژکتوری که دچار نشتی بوده و یا معیوب می باشد و مقدار زیادی بنزین به اتاقک احتراق تزریق می شود، اشاره نمود.

اگر ضدیخ وارد محفظه احتراق شود، می‌تواند برای حسگر اکسیژن بسیار مضر باشد. این اتفاق می‌تواند در صورت ترک خوردگی یا تاب برداشتن سرسیلندر و همچنین نشت ضدیخ از واشر سرسیلندر یا واشر منیفولد ورودی رخ دهد.

مسمومیت سیلیکون، همانطور که در تصویر سمت فوق نشان داده شده است، می‌تواند باعث شود سر حسگر اکسیژن به رنگ سفید تبدیل شود. شایع‌ترین علت این وضعیت، استفاده از واشرهائی از جنس سیلیکون با کیفیت نامناسب در موتور است.

نظارت بر سطح اکسیژن در اگزوز راهی برای سنجش مخلوط سوخت است. این به کامپیوتر می‌گوید که آیا مخلوط سوخت غنی (اکسیژن کمتر) یا رقیق (اکسیژن بیشتر) می‌ باشد. عوامل زیادی می‌توانند بر غنی یا رقیق بودن نسبی مخلوط سوخت تأثیر بگذارند، از جمله دمای هوا، دمای مایع خنک‌کننده موتور، فشار منیفولد، موقعیت دریچه گاز، جریان هوا و بار وارده بر موتور. سنسورهای دیگری نیز برای نظارت بر این عوامل وجود دارند، اما سنسور اکسیژن، مانیتور اصلی برای آنچه که با مخلوط سوخت اتفاق می‌افتد، است. در نتیجه، هرگونه مشکلی در سنسور اکسیژن می‌تواند کل سیستم را از کار بیندازد.

یک تصور غلط رایج این است که سنسور اکسیژن، مخلوط سوخت و هوا را اندازه‌گیری می‌کند که این تفکر کاملا نادرست است، یک سنسور اکسیژن فقط می‌تواند میزان اکسیژن موجود در گازهای خروجی از موتور را اندازه‌گیری کند. بیشتر افرادیکه کار کردن با دستگاه عیب یاب را بصورت سنتی فرا گرفته اند، صرفا به دنبال کد خطا می باشند و در صورت وجود یک خطا می توانند اظهار نظر نمایند، این در حالی است که کارشناسان آموزش دیده در دوره های آموزش حرفه ای عیب یابی با دستگاه عیب یاب، نحوه تفسیر و بررسی پارامترها و وضعیت ها را فرا گرفته و می توانند با مقایسه مقادیر نمایش داده شده توسط دستگاه و مقادیر مرجع، سنسور و یا قطعه معیوب را با درصد اطمینان بالائی تشخیص دهند.

دلایل احتمالی زیادی برای کدهای خطای سنسور اکسیژن، خارج از محدوده بودن مقدار انطباق و کدهای خطای کارایی مبدل کاتالیزوری وجود دارد. قبل از شروع بررسی، یک کارشناس ماهر باید ابتدا وضعیت سنسورهای اکسیژن را مشخص کند.

نتیجه گیری:

حسگرهای اکسیژن از مهم ترین سنسورهای خودروهای امروزی می باشند و نقش مهمی در کارآئی موتور، مصرف سوخت و آلایندگی خودرو دارند. خرابی و یا فرسودگی آنها می تواند موجب دور آرام ضعیف، احتراق ناقص، کپ کردن(سکته کردن) و همچنین افزایش مصرف سوخت گردد. نکته مهمی که باید بدان توجه ویژه داشت این است که ممکن است سنسور اکسیژن فرسوده باشد و پیامدهائی را مانند آنچه عنوان شد، به دنبال داشته باشد ولی باعث روشن شدن چراغ اخطار موتور(Engine Check) نشود لذا صاحبان خودرو می بایست برای کنترل کردن سنسورهای اکسیژن به نمایندگی مجاز مراجعه کرده تا خودرو بوسیله دستگاه عیب یاب و توسط کارشناس آموزش دیده و با تجربه مراجعه نماید. یک کارشناس فنی حرفه ای صرفا به مشاهده کد خطا بسنده نمی کند بلکه بوسیله دستگاه عیب یاب اقدام به کنترل و تفسیر پارامترها و وضعیت ها در شرایط مختلف مانند وضعیت درجا (Idle) و تست جاده در دور موتورهای مختلف و شرایط مختلف از جمله سربالائی، سرپائینی، موتور تحت بار و غیره نموده و سپس اظهار نظر نموده و مبادرت به تعمیرات و تعویض قطعه می نماید.