Les éléments électrolytes solides en zircone ont une conductivité pour les ions oxygène dans des conditions de température élevée.
Lorsqu'un élément en zircone avec des électrodes en platine fixées des deux côtés est chauffé à plus de 400 degrés et que chaque gaz de concentration en oxygène différente entre en contact des deux côtés, une « force électromotrice » est générée par une réaction similaire dans une cellule.
C'est ce qu'on appelle une cellule de concentration d'oxygène.
Du côté de l'électrode à forte concentration en oxygène, les molécules d'oxygène gagnent des électrons et se transforment en ions oxygène. Ces derniers traversent l'élément en zircone pour atteindre l'autre côté de l'électrode, où ils libèrent des électrons et retournent à l'état de molécules d'oxygène. Plus la différence de concentration en oxygène est importante de part et d'autre, plus la force électromotrice générée est importante.
La force électromotrice augmente avec la température de l'élément en oxyde de zirconium. En mesurant cette force électromotrice et la température de l'élément en zircone, on peut obtenir la concentration en oxygène de l'échantillon gazeux.
La séquence de ces réactions électrochimiques est représentée par l’équation de Nernst (équation 1).
Lorsque la concentration en oxygène est du gaz de référence (air) > gaz d'échantillon
Figure 3 : Structure et principe de fonctionnement d'un analyseur de gaz oxygène basé sur un type de cellule de concentration dans une méthode à l'oxyde de zirconium
Équation 1 : équation de Nernst
Lorsqu'un courant électrique est appliqué entre les électrodes de part et d'autre d'un élément en zircone chauffé, les ions oxygène se déplacent entre les électrodes et l'oxygène est transporté par pompage d'une électrode à l'autre. Cette action électrochimique est appelée pompage d'oxygène, et la quantité d'oxygène transportée par pompage est proportionnelle au courant appliqué.
Lorsque le pompage de l'oxygène s'effectue dans la chambre de diffusion gazeuse délimitée par les trous de diffusion, le courant reste constant à travers l'élément en zircone, même si la tension appliquée à celui-ci augmente. Ce courant constant est appelé courant limite. Ce courant limite est proportionnel à la concentration en oxygène du gaz échantillon ; cette concentration peut donc être mesurée grâce à ce courant limite.
La caractéristique structurelle de l'analyseur est qu'une chambre de diffusion de gaz d'échantillon, une chambre de gaz de référence, des électrodes et des trous de diffusion de gaz intégrés à l'élément en zircone, et l'ensemble de l'élément en zircone est constamment chauffé par un élément chauffant. (Figure 4-1)
En utilisant cette structure et les opérations suivantes, la concentration en oxygène peut être mesurée par la méthode combinée d' une cellule de concentration en oxygène et d'un courant limite. (Figure 4-2, Figure 4-3, Figure 4-4)
Figure 4-1 : Structure de l'analyseur d'oxygène utilisant le type de courant limitant dans la méthode à l'oxyde de zirconium.
Figure 4-2 : Action de pompage de l'oxygène
Le courant (IP-34) est appliqué entre les électrodes 3 et 4 pour transférer une partie de l'oxygène de la chambre de diffusion du gaz d'échantillon vers la chambre de gaz de référence avec une action de pompage d'oxygène, et la chambre de gaz de référence est remplie à 100 % de concentration en oxygène.
Le courant nécessaire à l'action de pompage de l'oxygène est appelé courant de pompage. (Figure 4-2)
Figure 4-3 : Formation d'une cellule de concentration
En même temps, un courant de pompage (IP-12) est appliqué entre les électrodes 1 et 2, et l'oxygène dans la chambre de diffusion de gaz d'échantillon est évacué vers l'extérieur par l' action de pompage d'oxygène pour réduire la concentration en oxygène dans la chambre de diffusion de gaz d'échantillon à 0 %.
Cela crée une cellule de concentration en zircone entre la chambre de référence et la chambre de diffusion du gaz d'échantillon, générant une force électromotrice constante (350 mV).
La concentration en oxygène de 0 % dans la chambre de diffusion de gaz et de 100 % dans la chambre de gaz de référence génère la condition de référence pour l'analyseur. (Figure 4-3)
Figure 4-4 : Mesure de la concentration en oxygène par limitation du courant
S'il existe une différence de concentration entre le gaz d'échantillon externe et l'oxygène dans la chambre de diffusion du gaz d'échantillon, le gaz d'échantillon s'écoule dans la chambre de diffusion du gaz d'échantillon à travers les trous de diffusion du gaz et l'oxygène se diffuse.
Un courant de pompage (IP-12) correspondant à la concentration d'oxygène diffusé est appliqué, et tout l'oxygène est évacué vers l'extérieur (concentration d'oxygène de 0 %) par l' action de pompage d'oxygène, maintenant à tout moment la condition de référence illustrée dans la figure 4-3.
Le courant constant qui maintient cet état est appelé courant limite.
Étant donné que le courant limite est proportionnel à la concentration d'oxygène circulant à travers les trous de diffusion du gaz, la concentration d'oxygène est mesurée en détectant le courant limite. (Figure 4-4)
Les analyseurs de gaz utilisant la méthode à l'oxyde de zirconium peuvent être insérés directement aux points de mesure et permettent de mesurer l'oxyde dans les fours de traitement thermique, les fours industriels, les moteurs, les chaudières et autres installations nécessitant une mesure directe rapide. De plus, la structure simple de l'analyseur de gaz utilisant la méthode à l'oxyde de zirconium, sans pièces mobiles, lui confère une grande résistance aux vibrations et permet son utilisation aux points de mesure soumis à des vibrations.
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