Dioxyde de zirconium - Une approche plus efficace de la détection de l'oxygène

Il existe de nombreuses applications où le niveau d'oxygène dans un environnement doit être mesuré, qu'il s'agisse de l'industrie, du secteur automobile, de la logistique/du transport, de l'agriculture, de l'aérospatiale ou de la santé. Dans certaines applications, un niveau de précision relativement faible est jugé acceptable, cependant, lorsqu'un haut degré de précision est requis, les dispositifs de détection d'oxygène basés sur un élément actif en dioxyde de zirconium (ZrO2) sont principalement spécifiés.

Il faut toutefois noter que la technologie ZrO2 conventionnelle présente encore certaines restrictions opérationnelles que les ingénieurs ont pleinement conscience. Ce blog explique comment SST Sensing (une marque de PST) a utilisé une méthodologie plus sophistiquée et à multiples facettes pour les surmonter.

Applications de la sonde à oxygène en zircone

Les capteurs à base de ZrO2 sont couramment utilisés dans le contrôle de la combustion. En surveillant les pressions partielles des gaz d'échappement émis par les conduits de chaudières industrielles, la présence d'un excès d'oxygène est identifiée. Il doit toujours y avoir un certain excès d'oxygène dans le conduit de fumée (pour empêcher la formation de composés de monoxyde de carbone). Si ce niveau est trop élevé, cela signifie que la chaudière chauffe de l'air frais et ne fonctionne donc pas efficacement (l'énergie est dépensée inutilement). En ayant un accès permanent aux données sur la teneur en oxygène du conduit de fumée, il est possible d'ajuster le rapport combustible/air pour optimiser le processus de combustion. Cela permet de faire des économies et de réduire l'impact sur l'environnement.

Dans les avions de ligne, les capteurs en zircone permettent d’éviter l'accumulation d'oxygène dans l'espace libre des réservoirs de carburant. Des systèmes de génération de gaz inerte embarqués (OBIGG) sont utilisés pour éliminer l'oxygène, de sorte que l'espace de tête présente une concentration élevée d'azote (qui est inerte) et que le risque d'explosion peut être évité.

Dans les salles de serveurs et les archives de documents, les capteurs ZrO2 jouent un rôle dans l'établissement d'environnements hypoxiques (à faible teneur en oxygène) en tant que mesure de prévention des incendies. Ces dispositifs peuvent fournir aux générateurs d'azote des données sur le niveau d'oxygène présent, de sorte que (dans les zones où le personnel n'est pas présent) une réduction des niveaux d'oxygène peut être réalisée.

La réduction des niveaux d'oxygène peut également contribuer à prolonger la durée de vie des produits périssables (tels que les fruits et légumes) lorsqu'ils sont transportés sur de longues distances. Le contrôle des émissions des véhicules est une autre application qui nécessite l'utilisation d'une technologie de capteur d'oxygène de haute précision.

Types de capteurs ZrO2

Les dispositifs de détection d'oxygène dotés d'éléments actifs en ZrO2 de SST Sensing sont généralement classés en fonction des deux techniques différentes qu'ils utilisent pour déterminer les niveaux d'oxygène. Dans les deux cas, celles-ci sont le résultat direct des propriétés que le ZrO2 présente lorsqu'il est placé à des températures supérieures à 650¬oC.

Ces techniques sont les suivantes :

Pompage d'ions

Comme le ZrO2 se dissocie partiellement à 650oC, des ions oxygène mobiles sont émis par le matériau. L'application d'une tension continue signifie que ces ions (qui se déplaceraient autrement de manière aléatoire dans le réseau cristallin) peuvent être transportés à travers le morceau de ZrO2 et libèrent ensuite une quantité d'oxygène lorsqu'ils atteignent l'anode. La quantité d'oxygène produite est proportionnelle à la charge transportée.

L'effet Nernst

Au-dessus de 650¬oC, une différence de pression d'oxygène à travers un élément de ZrO2 entraîne la génération d'une tension. Celle-ci est connue sous le nom de tension de Nernst et est logarithmiquement proportionnelle au rapport des pressions partielles d'oxygène de part et d'autre du matériau. La relation est définie par l'équation suivante, où kB est la constante de Boltzmann ; T est la température (en Kelvins) e0 est la charge élémentaire (c'est-à-dire 1,602 x 10-19 Coulomb) et ci est la concentration en ions (en mol/kg).

Il existe de nombreux capteurs sur le marché qui sont basés sur l'une de ces techniques. Les capteurs à pompe ionique sont associés à des problèmes de sensibilité à la température, ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas être utilisés dans certains environnements d'application. De plus, ils reposent sur des trous capillaires de petit diamètre qui peuvent facilement se boucher lorsqu'ils sont placés dans des endroits où de grandes particules sont présentes en grand nombre (comme les chaudières industrielles). Cela impose de fortes contraintes sur leur durée de vie.

Les performances des capteurs basés sur l'effet Nernst sont également, dans une certaine mesure, affectées par les températures élevées. En outre, un échantillon de gaz de référence connu doit normalement être intégré au système de détection, ce qui peut rendre leur installation irréalisable dans certaines applications.

Combinaison de ces techniques

Contrairement aux dispositifs basés sur les deux techniques de détection décrites ci-dessus, PST a mis au point ses propres mécanismes de détection distincts qui réunissent les attributs des deux techniques. Les capteurs de la société ont chacun un arrangement où une pressurisation/évacuation cyclique est appliquée (via le pompage d'ions oxygène) à une chambre scellée entre deux pièces de ZrO2. Le changement de pression est simultanément surveillé (via l'effet Nernst) et en mesurant le temps nécessaire pour atteindre le changement de pression souhaité, la pression partielle d'oxygène peut être déterminée avec précision.

La gamme de capteurs d'oxygène Zirconia fournie par SST Sensing présente l'avantage de ne pas nécessiter l'inclusion d'un gaz de référence. Cela signifie qu'ils peuvent être déployés dans des applications où l'espace est plus restreint. En outre, ils n'ont pas les problèmes de température que d'autres dispositifs de détection d'oxygène rencontrent. Cela leur permet de supporter des conditions de fonctionnement beaucoup plus élevées (avec 400°C en standard et la possibilité d'étendre cette température à 1000°C si une gestion thermique appropriée est utilisée).

Ils ont une durée de vie allant jusqu'à 10 ans (selon l'environnement de l'application), avec des besoins négligeables en matière de maintenance ou d'étalonnage. Leur robustesse innée dispense d'inclure des sous-systèmes complexes de contrôle de la température. En outre, le cycle de pressurisation/évacuation qui caractérise leur fonctionnement fournit des informations de diagnostic précieuses, permettant d'examiner l'état du dispositif.