Funzione del sensore di ossigeno in zirconio - Come funzionano?

Funzione del sensore di ossidazione

Costruzione della cella del sensore

Il cuore dei sensori di ossigeno allo zirconio di SST è la cella di rilevamento (Figura 1). La cella è costituita da due quadrati di biossido di zirconio (ZrO2) rivestiti da un sottile strato poroso di platino, che fungono da elettrodi e forniscono l'effetto catalitico necessario per la dissociazione dell'ossigeno, consentendo agli ioni di ossigeno di essere trasportati all'interno e all'esterno dello ZrO2.

I due quadrati di ZrO2 sono separati da un anello di platino che forma una camera di rilevamento ermeticamente sigillata. Sulle superfici esterne sono presenti altri due anelli di platino che, insieme all'anello di platino centrale, forniscono i collegamenti elettrici alla cella.

Figure 1

Due dischi esterni di allumina (Al2O3) filtrano ed evitano che il particolato ambientale entri nel sensore e rimuovono anche i gas incombusti. In questo modo si evita la contaminazione della cella che potrebbe portare a letture instabili. La Figura 2 mostra una sezione trasversale della cella di rilevamento con tutte le caratteristiche principali evidenziate.

Figure 2

Figure 3

Il gruppo cella è circondato da una bobina di riscaldamento che produce i 700°C necessari per il Funzionamento. La cella e il riscaldatore sono poi alloggiati all'interno di una calotta in acciaio inox poroso per filtrare le particelle più grandi e la polvere e per proteggere il sensore da danni meccanici. La Figura 3 mostra l'assemblaggio completo del sensore.

Pumping Plate

Figure 4

Il primo quadrato di ZrO2 funziona come una pompa elettrochimica per l'ossigeno, evacuando o ripressurizzando la camera ermeticamente chiusa. A seconda della direzione della sorgente di corrente continua costante, gli ioni di ossigeno si spostano attraverso la piastra da un elettrodo all'altro, modificando la concentrazione di ossigeno e quindi la pressione di ossigeno (P2) all'interno della camera. Il pompaggio è controllato in modo che la pressione all'interno della camera sia sempre inferiore alla pressione dell'ossigeno ambientale all'esterno della camera. La Figura 4 mostra i collegamenti elettrici della cella.

Piastra di rilevamento

Una differenza di pressione dell'ossigeno attraverso il secondo quadrato di ZrO2 genera una tensione di Nernst che è logaritmicamente proporzionale al rapporto delle concentrazioni di ioni di ossigeno. Poiché la pressione dell'ossigeno all'interno della camera (P₁), la tensione al senso rispetto al comune è sempre positiva.
Questa tensione viene misurata e confrontata con due tensioni di riferimento e ogni volta che uno di questi due riferimenti viene raggiunto, la direzione della sorgente di corrente costante viene invertita. Quando la ppO2 è elevata, il raggiungimento delle tensioni di inversione della pompa richiede più tempo rispetto a un'atmosfera a bassa ppO2. Ciò è dovuto al fatto che è necessario pompare un numero maggiore di ioni di ossigeno per creare la stessa differenza di pressione raziometrica attraverso il disco di rilevamento.

Exemple

P1, la pressione dell'O2 che vogliamo misurare, è di 10mbar e la tensione di riferimento impostata si ottiene quando P2 è di 5mbar. Se P1 passa a 1bar, P2 deve essere di 0,5bar per ottenere la stessa tensione di riferimento. Ciò comporterebbe l'evacuazione di un numero molto maggiore di ioni di ossigeno e, poiché la fonte di corrente utilizzata per pompare gli ioni è costante, richiederebbe molto più tempo.