Dióxido de Zircónio - Uma Abordagem Mais Eficaz à Detecção de Oxigénio

Existem muitas aplicações em que é necessário medir o nível de oxigénio num ambiente, desde o sector industrial, automóvel, logística/transporte e agricultura até ao sector aeroespacial e da saúde. Em algumas aplicações, um nível relativamente baixo de precisão é considerado aceitável, no entanto, quando é necessário um alto grau de precisão, os dispositivos de detecção de oxigênio baseados em um elemento ativo de dióxido de zircônio (ZrO2) são predominantemente especificados.  

Deve-se notar, no entanto, que a tecnologia convencional de ZrO2 ainda tem certas restrições operacionais que os engenheiros precisam garantir que estão plenamente conscientes. Este blogue detalha como a SST Sensing (uma marca da PST) empregou uma metodologia mais sofisticada e multifacetada para as ultrapassar.

Aplicações do Sensor de Oxigénio de Zircónia

Os sensores baseados na tecnologia ZrO2 são normalmente utilizados no controlo da combustão. Ao monitorizar as pressões parciais nos gases de escape emitidos pelas chaminés de caldeiras industriais, é identificada a presença de excesso de oxigénio. Tem de haver sempre algum excesso de oxigénio na chaminé (para evitar a formação de compostos de monóxido de carbono) e, se este nível for demasiado elevado, significa que a caldeira está a aquecer ar fresco e, por conseguinte, não está a funcionar eficientemente (a energia está a ser gasta desnecessariamente). Ao ter acesso contínuo a dados sobre o teor de oxigénio da chaminé, podem ser feitos ajustes na relação combustível/ar para optimizar o processo de combustão. Isto poupa dinheiro e reduz o efeito sobre o ambiente.

Nos jactos de passageiros, os sensores de zircónio são fundamentais para evitar a acumulação de oxigénio no espaço livre dos tanques de combustível. Os sistemas de geração de gás inerte a bordo (OBIGG) são utilizados para eliminar o oxigénio, de modo a que o espaço livre tenha uma concentração elevada de azoto (que é inerte) e o risco de explosões possa ser evitado.

Nas salas de servidores e nos arquivos de documentos, os sensores de ZrO2 desempenham um papel importante na criação de ambientes hipóxicos (pouco oxigénio) como medida de prevenção de incêndios. Estes dispositivos podem fornecer aos geradores de azoto dados sobre o nível de oxigénio presente, de modo a que (em áreas onde o pessoal não está presente) se possa conseguir uma redução dos níveis de oxigénio.

A redução dos níveis de oxigénio também pode ajudar a prolongar a vida útil de produtos perecíveis (como frutas e legumes) quando estes são transportados a longas distâncias. O teste de emissões de veículos é outra aplicação que requer o uso de tecnologia de sensores de oxigénio de alta precisão.

Tipos de sensores de ZrO2

Os dispositivos de detecção de oxigénio com elementos activos de ZrO2 da SST Sensing são geralmente classificados de acordo com as duas técnicas diferentes que utilizam para determinar os níveis de oxigénio. Em ambos os casos, estas são um resultado directo das propriedades que o ZrO2 apresenta quando colocado a temperaturas superiores a 650oC.

As técnicas são:

Bombeamento de iões

Uma vez que o ZrO2 se dissocia parcialmente a 650oC, são emitidos iões de oxigénio móveis a partir do material. A aplicação de uma tensão contínua significa que estes iões (que, de outra forma, se moveriam aleatoriamente através da rede cristalina) podem ser conduzidos através da peça de ZrO2 e levados a libertar subsequentemente uma quantidade de oxigénio quando atingem o ânodo. A quantidade de oxigénio produzida corresponde proporcionalmente à carga transportada.

O Efeito Nernst

Acima de 650oC, uma diferença de pressão de oxigénio através de um pedaço de ZrO2 fará com que seja gerada uma tensão. Esta é conhecida como Tensão de Nernst e é logaritmicamente proporcional à razão das pressões parciais de oxigénio em ambos os lados do material. A relação é definida através da seguinte equação, em que kB é a constante de Boltzmann; T é a temperatura (em Kelvins) e0 é a carga elementar (ou seja, 1,602 x 10-19 Coulomb) e ci é a concentração de iões (em mol/kg).

Existem muitos sensores no mercado que se baseiam numa destas técnicas. Os sensores de bomba de iões têm problemas de sensibilidade à temperatura associados, o que significa que não podem ser utilizados em determinados ambientes de aplicação. Além disso, dependem de orifícios capilares de pequeno diâmetro que podem ficar facilmente obstruídos quando colocados em locais onde estão presentes grandes partículas em grandes volumes (como caldeiras industriais). Isto impõe grandes restrições à sua vida útil.

O desempenho dos sensores baseados no Efeito Nernst também é, até certo ponto, afectado pelas altas temperaturas. Além disso, uma amostra de gás de referência conhecida normalmente precisa ser integrada ao sistema de detecção, o que pode tornar sua instalação inviável em algumas aplicações.

Combinando essas técnicas

Em contraste com os dispositivos baseados nas duas técnicas de detecção diferentes descritas acima, a SST Sensing (uma marca da PST) desenvolveu seus próprios mecanismos de detecção distintos que reúnem atributos de ambos. Cada um dos sensores da empresa tem uma disposição em que a pressurização/evacuação cíclica é aplicada (através do bombeamento de iões de oxigénio) a uma câmara selada entre duas peças de ZrO2. A mudança de pressão é monitorizada simultaneamente (através do efeito Nernst) e, medindo o período de tempo necessário para atingir a mudança de pressão desejada, a pressão parcial de oxigénio pode ser determinada com precisão.

A gama de sensores de oxigénio em zircónio fornecida pela SST Sensing tem a vantagem de não necessitar da inclusão de um gás de referência. Isto significa que podem ser utilizados em aplicações com limitações de espaço. Além disso, não têm os problemas de temperatura que afectam outros dispositivos de detecção de oxigénio. Isto permite-lhes suportar condições de funcionamento muito mais elevadas (com 400°C como padrão e o âmbito para estender isto até 1000oC se for empregue uma gestão térmica adequada).

Suportam uma vida útil de até 10 anos (dependendo do ambiente de aplicação), com requisitos insignificantes de manutenção ou calibração. A sua robustez inata dispensa a necessidade de incluir subsistemas complexos de controlo da temperatura. Além disso, o ciclo de pressurização/evacuação que caracteriza o seu funcionamento fornece informações de diagnóstico valiosas, permitindo examinar o estado do dispositivo.