Fonction de la sonde à oxygène en zircone - Comment fonctionne-t-elle ?

Fonctionnement du capteur d'oxyène

Construction de la cellule du capteur

Au cœur des capteurs d'oxygène en zircone de SST se trouve la cellule de détection (figure 1). La cellule se compose de deux carrés de dioxyde de zirconium (ZrO2) recouverts d'une fine couche poreuse de platine qui servent d'électrodes fournissent l'effet catalytique nécessaire à la dissociation de l'oxygène, permettant aux ions oxygène d'être transportés dans et hors du ZrO2.

Les deux carrés de ZrO2 sont séparés par un anneau de platine qui forme une chambre de détection hermétiquement fermée. Au niveau des surfaces extérieures, il y a deux autres anneaux de platine qui, avec l'anneau de platine central, fournissent les connexions électriques à la cellule.

Figure 1

Deux disques extérieurs en alumine (Al2O3) filtrent et empêchent toute particule ambiante de pénétrer dans la cellule et éliminent également tout gaz imbrûlé. Cela permet d'éviter la contamination de la cellule qui pourrait conduire à des lectures de mesure instables. La figure 2 montre une coupe transversale de la cellule de détection avec tous les principaux composants mis en évidence.

Figure 2

Figure 3

L'ensemble de la cellule est entouré d'une bobine de chauffage qui produit les 700°C nécessaires au fonctionnement. La cellule et le réchauffeur sont ensuite logés dans un capuchon poreux en acier inoxydable pour filtrer les plus grosses particules et la poussière et aussi pour protéger le capteur des dommages mécaniques. La figure 3 montre l'assemblage complet du capteur.

Plaque de pompage

Figure 4

Le premier carré de ZrO2 fonctionne comme une pompe à oxygène électrochimique, évacuant ou re-pressurisant la chambre hermétiquement fermée. Selon la direction de la source de courant continu constant, les ions d'oxygène se déplacent à travers la plaque d'une électrode à l'autre, ce qui modifie la concentration d'oxygène et donc la pression d'oxygène (P2) à l'intérieur de la chambre. Le pompage est contrôlé de manière à ce que la pression à l'intérieur de la chambre soit toujours inférieure à la pression d'oxygène ambiante à l'extérieur de la chambre. La figure 4 montre les connexions électriques de la cellule.

Plaque de détection

Une différence de pression d'oxygène à travers le second carré de ZrO2 génère une tension de Nernst qui est logarithmiquement proportionnelle au rapport des concentrations en ions oxygène. Comme la pression d'oxygène à l'intérieur de la chambre (P₁), la tension au sens par rapport au commun est toujours positive.
Cette tension est mesurée et comparée à deux tensions de référence et chaque fois que l'une de ces deux références est atteinte, le sens de la source de courant constant est inversé. Lorsque la ppO2 est élevée, il faut plus de temps pour atteindre les tensions d'inversion de la pompe que dans une atmosphère à faible ppO2. Cela s'explique par le fait qu'il faut pomper un plus grand nombre d'ions oxygène pour créer la même différence de pression ratiométrique à travers le disque détecteur.

Exemple

P1, la pression d'O2 que nous voulons mesurer, est de 10mbar et la tension de référence fixée est atteinte lorsque P2 est de 5mbar. Si l'on passe ensuite de P1 à 1bar, il faudrait que P2 soit de 0,5bar pour obtenir la même tension de référence. Cela impliquerait d'évacuer beaucoup plus d'ions d'oxygène et, comme la source de courant utilisée pour pomper les ions est constante, cela prendrait donc beaucoup plus de temps.