Los elementos de circonio con electrolito sólido tienen conductividad para iones de oxígeno en condiciones de alta temperatura.
Cuando un elemento de zirconio con electrodos de platino unidos a ambos lados se calienta a más de 400 grados y cada gas con diferente concentración de oxígeno entra en contacto en ambos lados, se genera una "fuerza electromotriz" mediante una reacción similar en una celda.
Esto se llama celda de concentración de oxígeno.
En el lado del electrodo con alta concentración de oxígeno, las moléculas de oxígeno ganan electrones y se convierten en iones de oxígeno, que llegan a través del elemento de circonio al otro lado del electrodo, donde liberan electrones y regresan a las moléculas de oxígeno. Cuanto mayor sea la diferencia en la concentración de oxígeno en ambos lados, mayor será la fuerza electromotriz generada.
La fuerza electromotriz aumenta a medida que se calienta la temperatura del elemento de óxido de circonio. Al medir esta fuerza electromotriz y la temperatura del elemento de circonio, se puede obtener la concentración de oxígeno en el gas de muestra.
La secuencia de estas reacciones electroquímicas está representada por la ecuación de Nernst (Ecuación 1).
Cuando la concentración de oxígeno es del gas de referencia (aire) > gas de muestra
Figura 3: Estructura y principio de funcionamiento de un analizador de gas oxígeno basado en un tipo de celda de concentración en un método de óxido de circonio
Ecuación 1: ecuación de Nernst
Cuando se aplica corriente eléctrica entre los electrodos de ambos lados de un elemento de circonio calentado, los iones de oxígeno se mueven entre los electrodos y el oxígeno se transporta mediante una acción de bombeo de un electrodo al otro. Esta acción electroquímica se denomina acción de bombeo de oxígeno y la cantidad de oxígeno transportado mediante la acción de bombeo es proporcional a la corriente aplicada.
Cuando la acción de bombeo de oxígeno se realiza en la cámara de difusión de gas restringida por los orificios de difusión de gas, la corriente mantiene un valor constante a través del elemento de zirconio incluso si se aumenta el voltaje aplicado al elemento de zirconio. Esta corriente constante se denomina corriente limitante. Esta corriente limitante es proporcional a la concentración de oxígeno en el gas de muestra, por lo que la concentración de oxígeno se puede medir midiendo la corriente limitante.
La característica estructural del analizador es que tiene una cámara de difusión de gas de muestra, una cámara de gas de referencia, electrodos y orificios de difusión de gas integrados en el elemento de zirconio, y todo el elemento de zirconio se calienta constantemente mediante un calentador. (Figura 4-1)
Utilizando esta estructura y las siguientes operaciones, se puede medir la concentración de oxígeno mediante el método de combinación de una celda de concentración de oxígeno y una corriente limitadora. (Figura 4-2, Figura 4-3, Figura 4-4)
Figura 4-1: Estructura del analizador de oxígeno utilizando el tipo de corriente limitante en el método de óxido de circonio.
Figura 4-2: Acción de bombeo de oxígeno
Se aplica corriente (IP-34) entre los electrodos 3 y 4 para transferir algo de oxígeno de la cámara de difusión de gas de muestra a la cámara de gas de referencia con acción de bombeo de oxígeno, y la cámara de gas de referencia se llena con una concentración de oxígeno del 100%.
La corriente necesaria para la acción de bombeo de oxígeno se denomina corriente de bombeo. (Figura 4-2)
Figura 4-3: Formación de una celda de concentración
Al mismo tiempo, se aplica una corriente de bombeo (IP-12) entre los electrodos 1 y 2, y el oxígeno en la cámara de difusión de gas de muestra se expulsa al exterior mediante la acción de bombeo de oxígeno para reducir la concentración de oxígeno en la cámara de difusión de gas de muestra al 0%.
Esto crea una celda de concentración de zirconio entre la cámara de referencia y la cámara de difusión del gas de muestra, generando una fuerza electromotriz constante (350 mV).
La concentración de oxígeno del 0 % en la cámara de difusión de gas y del 100 % en la cámara de gas de referencia generan la condición de referencia para el analizador. (Figura 4-3)
Figura 4-4: Medición de la concentración de oxígeno mediante limitación de corriente
Si hay una diferencia de concentración entre el gas de muestra externo y el oxígeno en la cámara de difusión del gas de muestra, el gas de muestra fluye hacia la cámara de difusión del gas de muestra a través de los orificios de difusión de gas y el oxígeno se difunde.
Se aplica una corriente de bombeo (IP-12) correspondiente a la concentración de oxígeno difundido y todo el oxígeno se expulsa al exterior (concentración de oxígeno del 0%) mediante la acción de bombeo de oxígeno, manteniendo la condición de referencia que se muestra en la Figura 4-3 en todo momento.
La corriente constante que mantiene este estado se llama corriente limitante (límite).
Dado que la corriente limitante es proporcional a la concentración de oxígeno que fluye a través de los orificios de difusión de gas, la concentración de oxígeno se mide detectando la corriente limitante. (Figura 4-4)
Los analizadores de gas con método de óxido de circonio se pueden insertar directamente en los puntos de medición y utilizar la medición de óxido en hornos de tratamiento térmico, hornos industriales, motores, calderas y otras instalaciones que requieren un tiempo de respuesta rápido mediante la medición directa. Además, el analizador de gas con método de óxido de circonio tiene una estructura simple sin partes móviles en el sensor del detector, lo que lo hace altamente resistente a las influencias de la vibración, lo que permite su uso en puntos de medición con vibraciones.
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