Funcionamiento de las sondas Lambda de óxido de circonio - Cómo funcionan?

Función del sensor Oxyen

Construcción de la célula del sensor

El núcleo de los sensores de oxígeno de óxido de circonio de SST es la célula de detección (figure 1). La célula consta de dos cuadrados de dióxido de circonio (ZrO2) recubiertos con una fina capa porosa de platino que sirven de electrodos y proporcionan el efecto catalítico necesario para que el oxígeno se disocie, permitiendo que los iones de oxígeno sean transportados dentro y fuera del ZrO2.

Los dos cuadrados de ZrO2 están separados por un anillo de platino que forma una cámara de detección herméticamente cerrada. En las superficies exteriores hay otros dos anillos de platino que, junto con el anillo de platino central, proporcionan las conexiones eléctricas a la célula.

figure 1

Dos discos exteriores de alúmina (Al2O3) filtran y evitan que cualquier partícula ambiental entre en el sensor y también eliminan los gases no quemados. De este modo se evita la contaminación de la célula, que puede dar lugar a lecturas de medición inestables. La figure 2 muestra una sección transversal de la célula de detección con todos los componentes principales resaltados.

figure 2

figure 3

El conjunto de la célula está rodeado por una bobina de calentamiento que produce los 700 °C necesarios para su funcionamiento. A continuación, la célula y el calentador se alojan dentro de una tapa porosa de acero inoxidable para filtrar las partículas más grandes y el polvo y también para proteger el sensor de daños mecánicos. La figure 3 muestra el conjunto completo del sensor.

Placa de bombeo

figure 4

El primer cuadrado de ZrO2 funciona como una bomba electroquímica de oxígeno, evacuando o volviendo a presurizar la cámara herméticamente cerrada. Dependiendo de la dirección de la fuente de corriente continua constante, los iones de oxígeno se mueven a través de la placa de un electrodo al otro, lo que a su vez modifica la concentración de oxígeno y, por tanto, la presión de oxígeno (P2) dentro de la cámara. El bombeo se controla de forma que la presión en el interior de la cámara sea siempre inferior a la presión ambiente del oxígeno en el exterior de la cámara. La figure 4 muestra las conexiones eléctricas de la célula.

Placa de detección

Una diferencia de presión de oxígeno a través del segundo cuadrado de ZrO2 genera una tensión Nernst que es logarítmicamente proporcional a la relación de las concentraciones de iones de oxígeno. Como la presión de oxígeno dentro de la cámara (P₁), el voltaje en el sentido con respecto al común es siempre positivo.

Esta tensión se mide y se compara con dos tensiones de referencia y cada vez que se alcanza cualquiera de estas dos referencias, se invierte el sentido de la fuente de corriente constante. Cuando la ppO2 es alta, se tarda más en alcanzar las tensiones de inversión de la bomba que en una atmósfera de ppO2 baja. Esto se debe a que es necesario bombear un mayor número de iones de oxígeno para crear la misma diferencia de presión ratiométrica a través del disco de detección.

La fuente de corriente constante se invierte cada vez que se alcanza una de estas dos referencias.

Ejemplo

P1, la presión de O2 que queremos medir, es de 10mbar y la tensión de referencia establecida se alcanza cuando P2 es de 5mbar. Si P1 se cambia entonces a 1bar, P2 tendría que ser de 0,5bar para conseguir la misma tensión de referencia. Esto implicaría evacuar muchos más iones de oxígeno y como la fuente de corriente utilizada para bombear los iones es constante, tardaría mucho más tiempo.