Os elementos de zircônia, utilizados como eletrólito sólido, apresentam condutividade para íons de oxigênio em condições de alta temperatura.
Quando um elemento de zircônia com eletrodos de platina fixados em ambos os lados é aquecido a mais de 400 graus e cada gás com diferente concentração de oxigênio entra em contato com ambos os lados, uma "força eletromotriz" é gerada por uma reação semelhante à de uma célula.
Isso é chamado de célula de concentração de oxigênio.
No lado do eletrodo com alta concentração de oxigênio, as moléculas de oxigênio ganham elétrons e se tornam íons de oxigênio, que atravessam o elemento de zircônia até o outro lado do eletrodo, onde liberam elétrons e retornam à forma de moléculas de oxigênio. Quanto maior a diferença na concentração de oxigênio entre os dois lados, maior a força eletromotriz gerada.
A força eletromotriz aumenta com o aquecimento do óxido de zircônio. Medindo-se essa força eletromotriz e a temperatura do óxido de zircônio, é possível obter a concentração de oxigênio na amostra gasosa.
A sequência dessas reações eletroquímicas é representada pela equação de Nernst (Equação 1).
Quando a concentração de oxigênio é maior que a do gás de referência (ar) ou do gás da amostra.
Figura 3: Estrutura e princípio de funcionamento de um analisador de gás oxigênio baseado em uma célula de concentração utilizando o método do óxido de zircônio.
Equação 1: Equação de Nernst
Quando uma corrente elétrica é aplicada entre os eletrodos em ambos os lados de um elemento de zircônia aquecido, os íons de oxigênio se movem entre os eletrodos, e o oxigênio é transportado por uma ação de bombeamento de um eletrodo para o outro. Essa ação eletroquímica é chamada de ação de bombeamento de oxigênio, e a quantidade de oxigênio transportada por essa ação é proporcional à corrente aplicada.
Quando a ação de bombeamento de oxigênio é realizada na câmara de difusão de gás, delimitada pelos orifícios de difusão, a corrente mantém um valor constante através do elemento de zircônia, mesmo com o aumento da tensão aplicada. Essa corrente constante é denominada corrente limite. A corrente limite é proporcional à concentração de oxigênio na amostra de gás, portanto, a concentração de oxigênio pode ser medida através da medição da corrente limite.
A característica estrutural do analisador é que uma câmara de difusão de gás da amostra, uma câmara de gás de referência, eletrodos e orifícios de difusão de gás são construídos no elemento de zircônia, e todo o elemento de zircônia é constantemente aquecido por um aquecedor. (Figura 4-1)
Utilizando essa estrutura e as operações a seguir, a concentração de oxigênio pode ser medida pelo método combinado de uma célula de concentração de oxigênio e uma corrente limitadora. (Figura 4-2, Figura 4-3, Figura 4-4)
Figura 4-1: Estrutura do analisador de oxigênio utilizando o método de corrente limite com óxido de zircônio.
Figura 4-2: Ação de bombeamento de oxigênio
A corrente (IP-34) é aplicada entre os eletrodos 3 e 4 para transferir parte do oxigênio da câmara de difusão de gás da amostra para a câmara de gás de referência por meio de bombeamento de oxigênio, e a câmara de gás de referência é preenchida com 100% de concentração de oxigênio.
A corrente necessária para a ação de bombeamento de oxigênio é chamada de corrente de bombeamento. (Figura 4-2)
Figura 4-3: Formação de célula de concentração
Ao mesmo tempo, uma corrente de bombeamento (IP-12) é aplicada entre os eletrodos 1 e 2, e o oxigênio na câmara de difusão de gás da amostra é exaurido para o exterior pela ação de bombeamento de oxigênio para reduzir a concentração de oxigênio na câmara de difusão de gás da amostra para 0%.
Isso cria uma célula de concentração de zircônia entre a câmara de referência e a câmara de difusão de gás da amostra, gerando uma força eletromotriz constante (350 mV).
A concentração de oxigênio de 0% na câmara de difusão de gás e de 100% na câmara de gás de referência gera a condição de referência para o analisador. (Figura 4-3)
Figura 4-4: Medição da concentração de oxigênio por corrente limitadora
Se houver uma diferença de concentração entre o gás da amostra externa e o oxigênio na câmara de difusão do gás da amostra, o gás da amostra flui para dentro da câmara de difusão através dos orifícios de difusão de gás e o oxigênio se difunde.
Uma corrente de bombeamento (IP-12) correspondente à concentração de oxigênio difundido é aplicada, e todo o oxigênio é expelido para o exterior (concentração de oxigênio de 0%) pela ação de bombeamento de oxigênio, mantendo a condição de referência mostrada na Figura 4-3 em todos os momentos.
A corrente constante que mantém esse estado é chamada de corrente limite (limite).
Como a corrente limite é proporcional à concentração de oxigênio que flui através dos orifícios de difusão de gás, a concentração de oxigênio é medida detectando-se a corrente limite. (Figura 4-4)
Os analisadores de gás com método de óxido de zircônio podem ser inseridos diretamente nos pontos de medição e utilizados para a medição de óxidos em fornos de tratamento térmico, fornos industriais, motores, caldeiras e outras instalações que exigem tempo de resposta rápido por meio de medição direta. Além disso, o analisador de gás com método de óxido de zircônio possui uma estrutura simples, sem partes móveis no sensor do detector, o que o torna altamente resistente à influência de vibrações, permitindo seu uso em pontos de medição sujeitos a vibrações.
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