Breedbandlambdasensor nameten

Download meting

Sensorinformatie

Type: breedband zirconium-zuurstofsensor
Voeding: 12 V vanaf systeemrelais
Signaaltype: pompcel en meetcel: amplitudevariërend,
verwarming: duty cycle-geschakeld
Signaalniveau: pompcel: -9 mA (rijk) tot 18 mA (arm), meetcel: ~450 mV,
verwarming: 0 V tot 12 V

Werking van de breedbandzuurstofsensor

De breedbandlambdasensor of breedbandzuurstofsensor is een sensor waarmee de zuurstofconcentratie in de uitlaatgassen kan worden gemeten. De breedbandzuurstofsensor is gebaseerd op de 4-dradenversie van de zirconium-zuurstofsensor met een aanpassing om de werkelijke concentratie zuurstof te meten i.p.v. alleen een signaal voor een te rijk of te arm mengsel.

Schematische weergave breedbandlambdasensor

Figuur 1: Schematische weergave breedbandlambdasensor

De sensor is opgebouwd uit drie delen: een pompcel, meetkamer en een meetcel. De pompcel en de meetcel bestaan uit een plaat zirconiumdioxide aan beide kanten voorzien van een poreus laagje platina. Wanneer de zuurstofconcentratie aan de beide kanten van het plaatje verschilt, ontstaat tussen de platinalaagjes een spanningsverschil waarvan de hoogte afhangt van het concentratieverschil. Bij een ideaal brandstofmengsel is spanningsverschil 450 mV.

De meetcel staat met een kant in contact met de buitenlucht en de andere kant met een meetkamer. Tegenover de meetcel is een pompcel geplaatst die met de hulp van een elektrische stroom uitlaatgassen de meetkamer in of uit kan pompen. Een kleine hoeveelheid uitlaatgassen kan de kamer binnen stromen door een klein kanaaltje naar de meetkamer. Dit kan de zuurstofconcentratie in de meetkamer veranderen, waardoor de meetcelspanning verandert. In dat geval zal de meetcelspanning gaan afwijken van de ideale waarde van 450 mV. Om de meetcelspanning weer op 450 mV te krijgen, stuurt de ECU een stroom door de pompcel. Afhankelijk van de richting en hoeveelheid stroom worden zuurstofionen de meetkamer in- of uitgepompt totdat de meetcelspanning weer op 450 mV komt.

Wanneer een rijk mengsel wordt verbrand, zullen de uitlaatgassen weinig zuurstof bevatten, waardoor een stroom naar de pompcel gestuurd wordt om extra zuurstof in de meetkamer te pompen. Omgekeerd, wanneer een arm mengsel wordt verbrand, bevatten de uitlaatgassen veel zuurstof, waardoor een stroom in omgekeerde richting door de pompcel nodig is om zuurstof uit de meetkamer te pompen. Afhankelijk van de grootte en richting van de stroom zal de ECU de hoeveelheid ingespoten brandstof vergroten of verkleinen. Als een ideaal mengsel wordt verbrand zal de pompcel niet worden aangestuurd en blijft de hoeveelheid ingespoten brandstof onveranderd.

Voor optimale werking moet de sensor een temperatuur van ongeveer 750°C hebben. Daartoe is de sensor uitgerust met een elektrisch verwarmingselement in de vorm van een PTC-weerstand die wordt gevoed via het systeemrelais, soms vanuit de ECU. De massa van de geregelde verwarming wordt door de ECU naar massa geschakeld met een variërend duty cycle-signaal.

Aansluiten van labscoop

De werking van de breedbandzuurstofsensor kan worden gecontroleerd door de volgende signalen te meten, zie figuur 2:

Kanaal Probe Spanning Meetbereik
1 Red probe Positieve kant van de pompcel 800 mV
Black probe Negatieve kant van de pompcel
2 Yellow probe Positieve kant van de meetcel 800 mV
Black probe Negatieve kant van de meetcel
3 Green probe Sensorverwarming 20 V
Black probe Massa op accuklem
Meetschema
Figuur 2: Meetschema
Meten aan een werkende breedbandzuurstofsensor
Figuur 3: Meten aan een werkende breedbandzuurstofsensor

De labscoop is via een Meetsnoer TP-C1812B en Backprobe TP-BP85 op de breedbandzuurstofsensor aangesloten. De labscoop is in recordermodus gezet. In recordermodus wordt een stream-meting uitgevoerd, waarbij de signalen continu live op het scherm worden getoond. Omdat de te meten signalen maar langzaam variëren, wordt de Automotive scope ATS5004D op een lage meetsnelheid ingesteld.

Meten

Zoals hierboven uitgelegd, is de stroom door de pompcel een maat voor de grootte van de afwijking van de ideale brandstofmengselverhouding. Om de werking van de sensor te controleren moet dus de pompcelstroom worden gemeten. De gemakkelijkste manier om deze stroom te meten zonder het circuit te onderbreken, is door de spanning te meten over de weerstand in serie met de pompcel en hieruit de stroom te herleiden. In de meeste gevallen is exacte stroomsterkte niet van belang en volstaat de spanningsmeting.

Hieronder wordt eerst meting van de pompcelspanning behandeld. Vervolgens wordt uitgelegd hoe deze meting kan worden gebruikt om de pompcelstroom te bepalen.

Meten van pompcelspanning

In figuur 4 zijn de signalen te zien van een breedbandzuurstofsensor met geregelde verwarming, gemeten aan een warme motor bij stationair toerental. Dit signaal kan worden gedownload en gebruikt om de labscoop op de juiste manier in te stellen of als referentiesignaal.

Download breedbandzuurstofsensor spanningsmeting

Labscoopmeting aan breedbandlambdasensorspanning

Figuur 4: Labscoopmeting aan breedbandlambdasensorspanning

Kanaal 1 (rood) toont het signaal van de pompcel en kanaal 2 (geel) het signaal van de meetcel. Tijdens de meting is tweemaal gasgegeven, wat terug is te zien als lichte variaties in de signalen van de meet- en pompcel. De veranderingen in het pompcelsignaal worden veroorzaakt door de ECU die de grootte en richting van de stroom aanpast om het signaal van de meetcel op 450 mV te houden. De lichte variaties in het signaal van de meetcel komen doordat de sensor en ECU een bepaalde reactietijd nodig hebben om de pompcelstroom aan te passen. Kanaal 3 (groen) toont het duty cycle-signaal van de geregelde sensorverwarming.

Hint:

Met een Duty Cycle-I/O kan het duty cycle-percentage van de gereguleerde verwarming worden uitgerekend.

Meten van pompcelstroom

De stroom kan door de pompcel kan met behulp van de wet van Ohm worden afgeleid van de spanning over de weerstand in serie met de pompcel (zie figuur 1). De stroom is gelijk aan de gemeten spanning gedeeld door de weerstand: I = V/R. Hiervoor moet de waarde van deze serieweerstand bekend zijn.

Waarde van serieweerstand bepalen

Schakel voor de weerstandsmeting de auto eerst helemaal uit. De weerstand kan worden gemeten tussen twee pennen van de sensorstekker als deze is losgekoppeld met behulp van de weerstandsmeting van de Automotive scope ATS5004D, zie figuur 5. De serieweerstand in de in dit meetvoorbeeld gebruikte breedbandlambdasensor heeft een waarde van 77,8 Ohm.

Serieweerstand meten

Figuur 5: Serieweerstand meten

Nu de waarde van de serieweerstand bekend is, kan in de Multi Channel oscilloscoop-software door een Versterking/Offset I/O waarvan de versterking op 1/77.8 is gezet de spanning van kanaal 1 worden omgerekend naar de pompcelstroom. De eenheid van de Versterking/Offset I/O is op Ampère "A" ingesteld. De Versterking/Offset I/O kan in de grafiek worden gesleept om de stroom zichtbaar te maken.

In figuur 6 is nogmaals de eerder uitgevoerde meting getoond, maar nu met de pompcelstroom in plaats van de spanning over de serieweerstand. Dit signaal kan worden gedownload en gebruikt om de labscoop op de juiste manier in te stellen of als referentiesignaal.

Download breedbandzuurstofsensor stroommeting

Labscoopmeting aan breedbandlambdasensorstroom

Figuur 6: Labscoopmeting aan breedbandlambdasensorstroom

Kanaal 1 (rood) is nu via de Versterking/Offset I/O omgerekend in een stroomsignaal (paars). De signalen gedragen zich verder gelijk als in de vorige meting.

Diagnose

Signalen kunnen afwijken bij andere typen motormanagementsystemen en breedbandzuurstofsensoren. Raadpleeg ATIS voor informatie over specifieke motormanagementsystemen en breedbandzuurstofsensoren.

Onderstaande afwijkingen van het pompcelsignaal (kanaal 1) kunnen wijzen op een probleem:

  • Geen signaal:
    Oorzaken: meetpennen geen verbinding (voer connectietest uit), aansturing in ECU defect, sensor defect
  • Te hoge signaalspanning:
    Oorzaken: te arm mengsel (nameten met 4-gastester), lekkage in het uitlaatsysteem tussen motor en breedbandzuurstofsensor, sensor defect
  • Te lage signaalspanning:
    Oorzaken: te rijk mengsel (nameten met 4-gastester), sensor defect
  • Signaal vertoont meer stoorsignalen dan voorbeeldsignaal:
    Oorzaken: bedrading van signaaldraad beschadigd, slecht contact in stekkeraansluitingen
  • Signaal vertoont een offset ten opzichte van het voorbeeldsignaal:
    Oorzaken: de scoop staat niet op gelijkspanningskoppeling: DC, sensor defect

Onderstaande afwijkingen van het meetcelsignaal (kanaal 2) kunnen wijzen op een probleem:

  • Geen signaal:
    Oorzaken: meetpennen geen verbinding (voer connectietest uit), sensor defect
  • Te hoge signaalspanning:
    Oorzaken: te rijk mengsel (nameten met 4-gastester), sensor defect
  • Te lage signaalspanning:
    Oorzaken: te arm mengsel (nameten met 4-gastester), lekkage in het uitlaatsysteem tussen motor en breedbandzuurstofsensor, sensor defect
  • Signaal vertoont meer stoorsignalen dan voorbeeldsignaal:
    Oorzaken: bedrading van massa of signaaldraad beschadigd, slecht contact in stekkeraansluitingen, sensor defect
  • Signaal vertoont een offset ten opzichte van het voorbeeldsignaal:
    Oorzaken: de scoop staat niet op gelijkspanningskoppeling: DC, sensor defect

Onderstaande afwijkingen van het verwarmingssignaal (kanaal 3) kunnen wijzen op een probleem:

  • Geen signaal:
    Oorzaken: meetpennen geen verbinding (voer connectietest uit), eindtrap in ECU defect, sensor defect
  • Te hoge signaalspanning:
    Oorzaken: slechte of geen massa voor ECU, weerstand in bedrading naar ECU
  • Te lage signaalspanning:
    Oorzaken: slechte of geen voeding
  • Signaal vertoont meer stoorsignalen dan voorbeeldsignaal:
    Oorzaken: bedrading van signaaldraad beschadigd, slecht contact in stekkeraansluitingen
  • Signaal vertoont een offset ten opzichte van het voorbeeldsignaal:
    Oorzaken: de scoop staat niet op gelijkspanningskoppeling: DC, slechte of geen massa voor ECU, weerstand in draad naar ECU

GERELATEERDE ARTIKELEN

Lambdasensor (zirconium)
Met de labscoop wordt gemeten aan een lambda-sensor tijdens het stationair draaien van een warme motor. Het signaal wordt getoond en kan worden gedownload. Verschillende mogelijke afwijkingen van de signalen worden genoemd, waarmee kan worden vastgesteld of de lambda-sensor en z'n verwarming goed werkt.
Toyota MR2 slechte injector
Na het vervangen van een motor heeft een Toyota MR2 problemen, foutcode P0304 Cilinder #4 misfire wordt opgewekt. De garage wisselt diverse onderdelen uit, maar het probleem komt niet boven water. Meten met een automotive-oscilloscoop is nodig om uit te vinden dat de foutmelding enigszins misleidend is: het probleem ligt niet bij cilinder #4.
Disclaimer

Dit document is onderhevig aan veranderingen en kan zonder voorafgaande mededeling worden aangepast. Aan dit document kunnen geen rechten worden ontleend.

De informatie in deze applicatie-note is gecontroleerd en wordt als betrouwbaar beschouwd. TiePie engineering kan echter niet verantwoordelijk worden gesteld voor eventuele onjuistheden.

Veiligheidswaarschuwing:

  • Controleer voor het meten dat bronnen van gevaarlijk hoge spanning zijn uitgeschakeld of afgeschermd tegen aanraking. Spanningen boven 30 V AC RMS, 42 V AC piek of 60 V DC worden als gevaarlijk beschouwd.
  • Zorg tijdens het meten voor een schone en overzichtelijke werkplek.
  • Deze metingen en procedures dienen als voorbeeld / meetsuggestie en zijn geen voorgeschreven standaard.
  • TiePie engineering kan niet anticiperen op de benodigde veiligheidsmaatregelen voor de bescherming van personen en apparatuur. Ga alvorens te meten eerst na welke veiligheidsmaatregelen van toepassing zijn.