Dióxido de circonio: un enfoque más eficaz para la detección de oxígeno

Existen muchas aplicaciones en las que es necesario medir el nivel de oxígeno en un entorno, desde el sector industrial, automovilístico, logístico/transporte y agrícola hasta el aeroespacial y sanitario. En algunas aplicaciones se considera aceptable un nivel de precisión relativamente bajo; sin embargo, cuando se requiere un alto grado de precisión, se especifican predominantemente dispositivos sensores de oxígeno basados en un elemento activo de dióxido de circonio (ZrO2).  

Sin embargo, hay que tener en cuenta que la tecnología convencional de ZrO2 sigue teniendo ciertas restricciones operativas que los ingenieros deben conocer a fondo. En este blog se detalla cómo SST Sensing (una marca de PST) ha empleado una metodología más sofisticada y polifacética para superarlas.

Aplicaciones de la sonda Lambda de óxido de circonio

Los sensores basados en ZrO2 se utilizan habitualmente en el control de la combustión. Mediante el control de las presiones parciales en los gases de escape emitidos por los conductos de las calderas industriales, se identifica la presencia de un exceso de oxígeno. Siempre debe haber un exceso de oxígeno en la chimenea (para evitar la formación de compuestos de monóxido de carbono), y si este nivel es demasiado alto significa que la caldera está calentando aire fresco y, por tanto, no está funcionando de forma eficiente (se está gastando energía innecesariamente). El acceso continuo a los datos sobre el contenido de oxígeno de la chimenea permite ajustar la relación combustible/aire para optimizar el proceso de combustión. Así se ahorra dinero y se reduce el efecto sobre el medio ambiente.

En los aviones de pasajeros, los sensores de óxido de circonio son fundamentales para evitar la acumulación de oxígeno en el espacio de cabeza de los depósitos de combustible. Los sistemas de generación de gas inerte a bordo (OBIGG) se utilizan para eliminar el oxígeno, de modo que el espacio de cabeza tiene una elevada concentración de nitrógeno (que es inerte) y se puede evitar el riesgo de explosiones.

En salas de servidores y archivos de documentos, los sensores de ZrO2 desempeñan un papel en el establecimiento de entornos hipóxicos (con bajo nivel de oxígeno) como medida de prevención de incendios. Estos dispositivos pueden proporcionar a los generadores de nitrógeno datos sobre el nivel de oxígeno presente, de modo que (en zonas en las que no haya personal) se pueda lograr una reducción de los niveles de oxígeno.

La reducción de los niveles de oxígeno también puede ayudar a prolongar la vida de los productos perecederos (como frutas y verduras) cuando se transportan a largas distancias. Las pruebas de emisiones de los vehículos son otra aplicación que requiere el uso de tecnología de sensores de oxígeno de alta precisión.

Tipos de sensores ZrO2

Los dispositivos de detección de oxígeno con elementos activos de ZrO2 de SST Sensing se clasifican generalmente según las dos técnicas diferentes utilizadas para determinar los niveles de oxígeno. En ambos casos, esto es consecuencia directa de las propiedades que presenta el ZrO2 cuando se somete a temperaturas superiores a 650 °C.

Las técnicas son:

Bombeo de iones

Dado que el ZrO2 se disocia parcialmente a 650oC, el material emite iones de oxígeno móviles. Aplicar una tensión continua significa que estos iones (que de otro modo se moverían aleatoriamente por la red cristalina) pueden ser conducidos a través de la pieza de ZrO2 y hacer que liberen posteriormente una cantidad de oxígeno cuando alcanzan el ánodo. La cantidad de oxígeno producida es proporcional a la carga transportada.

El efecto Nernst

Por encima de 650oC, una diferencia de presión de oxígeno a través de un trozo de ZrO2 hará que se genere una tensión. Esto se conoce como tensión de Nernst y es logarítmicamente proporcional a la relación de las presiones parciales de oxígeno a ambos lados del material. La relación se define mediante la siguiente ecuación, donde kB es la constante de Boltzmann; T es la temperatura (en Kelvins) e0 es la carga elemental (es decir, 1,602 x 10-19 Coulomb) y ci es la concentración de iones (en mol/kg).

En el mercado existen muchos sensores que se basan en una de estas técnicas. Los sensores de bomba de iones tienen asociados problemas de sensibilidad a la temperatura, lo que significa que no pueden utilizarse en determinados entornos de aplicación. Además, se basan en orificios capilares de pequeño diámetro que pueden obstruirse fácilmente cuando se colocan en lugares donde hay grandes cantidades de partículas (como calderas industriales). Esto limita considerablemente su vida útil.

El rendimiento de los sensores basados en el efecto Nernst también se ve afectado, en cierta medida, por las altas temperaturas. Además, normalmente es necesario integrar una muestra de gas de referencia conocida en el sistema de detección, lo que puede hacer inviable su instalación en algunas aplicaciones.

Combinar estas técnicas

A diferencia de los dispositivos basados en las dos técnicas de detección mencionadas, PST ha desarrollado sus propios mecanismos de detección, que reúnen atributos de ambas. Cada uno de los sensores de la empresa tiene una disposición en la que se aplica presurización/evacuación cíclica (mediante bombeo de iones de oxígeno) a una cámara sellada entre dos piezas de ZrO2. El cambio de presión se controla simultáneamente (mediante el efecto Nernst) y, midiendo el periodo de tiempo necesario para alcanzar el cambio de presión deseado, se puede determinar con precisión la presión parcial de oxígeno.

La gama de sensores de oxígeno de óxido de circonio suministrada por SST Sensing tiene la ventaja de que no requiere la inclusión de un gas de referencia. Esto significa que pueden utilizarse en aplicaciones con limitaciones de espacio. Además, no tienen los problemas de temperatura que afectan a otros dispositivos de detección de oxígeno. Esto les permite soportar condiciones de funcionamiento mucho más elevadas (con 400 °C de serie y la posibilidad de ampliarlas a 1000 °C si se emplea una gestión térmica adecuada).

Admiten vidas útiles de hasta 10 años (dependiendo del entorno de aplicación), con requisitos insignificantes de mantenimiento o calibración. Su robustez innata evita la necesidad de incluir complejos subsistemas de control de la temperatura. Además, el ciclo de presurización/evacuación que caracteriza su funcionamiento proporciona valiosa información de diagnóstico, lo que permite examinar la salud del dispositivo.