Biossido di zirconio: un approccio più efficace al rilevamento dell'ossigeno

Sono molte le applicazioni in cui è necessario misurare il livello di ossigeno in un ambiente, dal settore industriale, automobilistico, logistico/trasporti e agricolo a quello aerospaziale e sanitario. In alcune applicazioni un livello di accuratezza relativamente basso è ritenuto accettabile, tuttavia, quando è richiesto un alto grado di precisione, sono prevalentemente richiesti dispositivi di rilevamento dell'ossigeno basati su un elemento attivo di biossido di zirconio (ZrO2).  

Va notato, tuttavia, che la tecnologia ZrO2 convenzionale presenta ancora alcune limitazioni operative di cui gli ingegneri devono essere pienamente consapevoli. Questo blog illustra come SST Sensing (un marchio di PST) abbia impiegato una metodologia più sofisticata e sfaccettata per superarli.

Applicazioni del sensore di ossigeno in zirconio

I sensori a base di ZrO2 sono comunemente utilizzati nel controllo della combustione. Monitorando le pressioni parziali nei gas di scarico emessi dalle canne fumarie delle caldaie industriali, si identifica la presenza di ossigeno in eccesso. Nella canna fumaria deve sempre essere presente un eccesso di ossigeno (per evitare la formazione di composti di monossido di carbonio); se questo livello è troppo alto, significa che la caldaia sta riscaldando l'aria e quindi non funziona in modo efficiente (si spende inutilmente energia). Grazie all'accesso continuo ai dati sul contenuto di ossigeno nella canna fumaria, è possibile regolare il rapporto combustibile/aria per ottimizzare il processo di combustione. In questo modo si risparmia denaro e si riduce l'impatto sull'ambiente.

Nei jet passeggeri, i sensori di zirconio sono fondamentali per prevenire l'accumulo di ossigeno nello spazio di testa dei serbatoi di carburante. I sistemi di generazione di gas inerte a bordo (OBIGG) sono utilizzati per eliminare l'ossigeno, in modo che lo spazio di testa abbia un'elevata concentrazione di azoto (che è inerte) e si possa evitare il rischio di esplosioni.

Nelle sale server e negli archivi di documenti, i sensori di ZrO2 svolgono un ruolo nella creazione di ambienti ipossici (a basso contenuto di ossigeno) come misura di prevenzione degli incendi. Questi dispositivi possono fornire ai generatori di azoto dati sul livello di ossigeno presente, in modo da ridurre i livelli di ossigeno (nelle aree in cui non è presente il personale).

La riduzione dei livelli di ossigeno può anche contribuire a prolungare la vita delle merci deperibili (come frutta e verdura) quando vengono trasportate su lunghe distanze. I test sulle emissioni dei veicoli sono un'altra applicazione che richiede l'uso della tecnologia dei sensori di ossigeno ad alta precisione.

Tipi di sensori ZrO2

I dispositivi di rilevamento dell'ossigeno con elementi attivi in SST Sensing's ZrO2 sono generalmente classificati in base alle due diverse tecniche utilizzate per determinare i livelli di ossigeno. In entrambi i casi, si tratta di una conseguenza diretta delle proprietà che lo ZrO2 mostra quando viene posto a temperature superiori a 650°C.

Le tecniche sono:

Pompaggio di ioni

Poiché lo ZrO2 si dissocia parzialmente a 650°C, dal materiale vengono emessi ioni di ossigeno mobili. Applicando una tensione continua, questi ioni (che altrimenti si muoverebbero in modo casuale nel reticolo cristallino) possono essere guidati attraverso il blocco di ZrO2 e liberare una quantità di ossigeno quando raggiungono l'anodo. La quantità di ossigeno prodotta corrisponde proporzionalmente alla carica trasportata.

L'effetto Nernst

Al di sopra dei 650°C, una differenza di pressione dell'ossigeno su un blocco di ZrO2 genera una tensione. Questa tensione è nota come tensione di Nernst ed è logaritmicamente proporzionale al rapporto delle pressioni parziali di ossigeno su entrambi i lati del materiale. La relazione è definita dalla seguente equazione, dove kB è la costante di Boltzmann; T è la temperatura (in Kelvin) e0 è la carica elementare (cioè 1,602 x 10-19 Coulomb) e ci è la concentrazione ionica (in mol/kg).

Sul mercato esistono molti sensori basati su una di queste tecniche. I sensori a pompa ionica hanno problemi di sensibilità alla temperatura, il che significa che non possono essere utilizzati in alcuni ambienti applicativi. Inoltre, si basano su fori capillari di piccolo diametro che possono intasarsi facilmente se collocati in luoghi in cui sono presenti grandi quantità di particolato (come le caldaie industriali). Ciò limita fortemente la loro durata di vita.

Anche le prestazioni dei sensori basati sull'effetto Nernst sono in qualche modo influenzate dalle alte temperature. Inoltre, un campione di gas di riferimento noto deve essere integrato nel sistema di rilevamento, il che può rendere la loro installazione impraticabile in alcune applicazioni.

Combinare queste tecniche

A differenza dei dispositivi basati sulle due diverse tecniche di rilevamento sopra descritte, SST Sensing ha sviluppato un proprio sistema di rilevamento distintivo che riunisce le peculiarità di entrambe. I sensori hanno una struttura in cui la pressurizzazione/evacuazione ciclica viene applicata (tramite il pompaggio di ioni di ossigeno) a una camera sigillata tra due pezzi di ZrO2. La variazione di pressione viene monitorata simultaneamente (tramite l'effetto Nernst) e, misurando il periodo di tempo necessario per raggiungere la variazione di pressione desiderata, è possibile determinare con precisione la pressione parziale dell'ossigeno.

I sensori di ossigeno della gamma Zirconia forniti da PST hanno il vantaggio di non richiedere l'inclusione di un gas di riferimento. Ciò significa che possono essere utilizzati in applicazioni con spazi limitati. Inoltre, non presentano i problemi di temperatura che affliggono altri dispositivi di rilevamento dell'ossigeno. Ciò consente loro di supportare condizioni operative molto più elevate (con 400°C come standard e la possibilità di estendere questo valore a 1000°C se si utilizza una gestione termica appropriata).

La loro durata di vita può arrivare fino a 10 anni (a seconda dell'ambiente di applicazione), con requisiti di manutenzione o calibrazione trascurabili. La loro innata robustezza elimina la necessità di includere complessi sottosistemi di controllo della temperatura. Inoltre, il ciclo di pressurizzazione/evacuazione che caratterizza il loro funzionamento fornisce preziose informazioni diagnostiche, consentendo di esaminare lo stato di salute del dispositivo.