Função do sensor de oxigênio de zircônia - Como ele funciona?

Função do sensor de oxigênio

Construção da célula do sensor

No centro dos sensores de oxigênio de zircônia da SST está a célula sensora (Figura 1). A célula consiste em dois quadrados de dióxido de zircônio (ZrO2) revestidos com uma fina camada porosa de platina, que servem como eletrodos e fornecem o efeito catalítico necessário para que o oxigênio se dissocie, permitindo que os íons de oxigênio sejam transportados para dentro e para fora do ZrO2.

Os dois quadrados de ZrO2 são separados por um anel de platina que forma uma câmara de detecção hermeticamente fechada. Nas superfícies externas, há mais dois anéis de platina que, juntamente com o anel de platina central, fornecem as conexões elétricas para a célula.

Figura 1

Dois discos externos de alumina (Al2O3) filtram e impedem que qualquer material particulado do ambiente entre no sensor e também removem qualquer gás não queimado. Isso evita a contaminação da célula, o que pode levar a leituras de medição instáveis. A Figura 2 mostra uma seção transversal da célula sensora com todos os principais componentes destacados.

Figura 2

Figura 3

O conjunto da célula é cercado por uma bobina de aquecimento que produz os 700°C necessários para a operação. A célula e o aquecedor são então alojados em uma tampa porosa de aço inoxidável para filtrar partículas maiores e poeira e também para proteger o sensor contra danos mecânicos. A Figura 3 mostra o conjunto completo do sensor.

Placa de bombeamento

Figura 4

O primeiro quadrado de ZrO2 funciona como uma bomba eletroquímica de oxigênio, evacuando ou pressurizando novamente a câmara hermeticamente fechada. Dependendo da direção da fonte de corrente constante CC, os íons de oxigênio se movem através da placa de um eletrodo para o outro, o que, por sua vez, altera a concentração de oxigênio e, portanto, a pressão de oxigênio (P2) dentro da câmara. O bombeamento é controlado de modo que a pressão dentro da câmara seja sempre menor do que a pressão de oxigênio ambiente fora da câmara. A Figura 4 mostra as conexões elétricas da célula.

Placa sensora

Uma diferença na pressão de oxigênio através do segundo quadrado de ZrO2 gera uma tensão de Nernst que é logaritmicamente proporcional à razão das concentrações de íons de oxigênio. Como a pressão de oxigênio dentro da câmara (P₁), a tensão no sensor em relação ao comum é sempre positiva.
Essa tensão é medida e comparada com duas tensões de referência e, toda vez que uma dessas duas referências é atingida, a direção da fonte de corrente constante é invertida. Quando a ppO2 é alta, leva mais tempo para atingir as tensões de reversão da bomba do que em uma atmosfera com baixa ppO2. Isso ocorre porque é necessário bombear um número maior de íons de oxigênio para criar a mesma diferença de pressão ratiométrica no disco sensor.

Exemplo

P1, a pressão de O2 que queremos medir, é de 10 mbar e a tensão de referência definida é alcançada quando P2 é de 5 mbar. Se P1 for alterada para 1 bar, P2 terá de ser 0,5 bar para atingir a mesma tensão de referência. Isso envolveria a evacuação de muito mais íons de oxigênio e, como a fonte de corrente usada para bombear os íons é constante, levaria muito mais tempo.