L’analizzatore di ossigeno all’ossido di zirconio è adatto per misurazioni da ppm a livelli di ossigeno % in un gas o in una miscela di gas.
La cella di zirconia è una cella galvanica elettrochimica che impiega un sensore ceramico ad alta temperatura contenente ossido di zirconio stabilizzato.
Descrizione generale:
La cella di zirconio è un sensore ceramico ad alta temperatura. È una cella galvanica elettrochimica composta da due elettrodi elettricamente conduttori, chimicamente inerti.
Una cella di zirconio, è una specie di elettrolita solido, è rivestito all’esterno (elettrodo di misura) e all’interno (elettrodo di riferimento) con un sottile strato poroso di metallo, generalmente platino.
A temperature superiori a 600 ° C, l’ossido di zirconio diventa un conduttore di ioni di ossigeno, che genera una FEM tra elettrodi di platino, la cui grandezza dipende dalla differenza tra la pressione parziale di ossigeno nel gas analizzato e l’ossigeno nel gas di riferimento (usando l’aria ambiente con ossigeno 20,94%).
Vantaggi della sonda all’ossido di zirconio
Le celle di ossigeno allo zirconio presentano numerosi vantaggi rispetto ad altri metodi esistenti per misurare la concentrazione di ossigeno:
- Resistente alla corrosione da condense acide, all’abrasione e all’alternanza di condizioni ossidanti e riducenti
- La cella può essere posizionata direttamente nel flusso dei gas di scarico, il che aumenta la sensibilità dell’analizzatore di gas e riduce i tempi di risposta.
- Una cella di ossigeno può essere utilizzata nell’analisi dei gas umidi, poiché funziona a una temperatura elevata che supera la temperatura del punto di rugiada del gas di combustione.
- Non è necessaria la preparazione preliminare di un campione di gas per analisi (pulizia, raffreddamento e asciugatura), riducendo così i costi di acquisizione e manutenzione delle attrezzature.
- La cella di zirconio non è influenzata dalle vibrazioni.
- Il segnale di uscita della cellula aumenta con la diminuzione della concentrazione di ossigeno nel gas analizzato.
- La durata di conservazione di una cella di riserva è praticamente illimitata.
Spieghiamo il background fisico, il principio di funzionamento e la costruzione di sensori di ossigeno diossido di zirconio non consumativi.
Legge di Nernst:
Due diverse concentrazioni di ioni su entrambi i lati di un elettrolita generano un potenziale elettrico noto come tensione di Nernst. Maggiore è la differenza nel rapporto di concentrazione ionica, maggiore è la tensione.
Biossido di zirconio
A temperature elevate> 600 ° C il biossido di zirconio (ZrO2 ) presenta due meccanismi:
- ZrO2 si dissocia parzialmente per produrre ioni di ossigeno che possono essere trasportati attraverso il materiale quando viene applicata una tensione.
- ZrO2 si comporta come un elettrolita solido per l’ossigeno. Se esistono due diverse pressioni di ossigeno su entrambi i lati di un elemento ZrO 2 , è possibile misurare una tensione (tensione di Nernst) attraverso tale elemento.
Dove:
E è la differenza di potenziale (volt)
R è la costante di gas (8.314 J mol -1 K -1 )
T è la temperatura assoluta in gradi K ( = °C + 273,15)
F è la costante di Faraday (96484 coulomb mol -1 )
P 1 e P 2 sono le pressioni parziali dell’ossigeno su entrambi i lati del tubo di zirconia
L’equazione di Nernst può quindi essere ridotta a:
La tensione di uscita del sensore in mV viene amplificata ed elaborata dall’elettronica dell’analizzatore.
Se la cella comunica con l’aria circostante su entrambi i lati, il segnale di uscita del sensore è 0 mV.
Con un aumento della concentrazione di componenti combustibili nei gas analizzati, la concentrazione di ossigeno diminuisce e il segnale di uscita della cella di zirconio aumenta bruscamente.
Il segnale di uscita della cella di zirconio cambia quando l’ossigeno è assente nel gas di combustione.
In effetti, la cella diventa un sensore di componenti puramente combustibili.
Questa proprietà della cella di zirconio è estremamente utile nel controllo dei processi di combustione, poiché consente di misurare l’aria in eccesso o il carburante in eccesso.
Nell
Di norma, nei gas di combustione di forni e caldaie, a causa della combustione incompleta di combustibile e aria, sono contemporaneamente presenti ossigeno e componenti combustibili residui.
In questo caso, a causa dell’alta temperatura, i componenti combustibili residui vengono ossidati dall’ossigeno contenuto nei gas di combustione sulla superficie della cella di zirconio.
Gli analizzatori a base di zirconio misurano l’ossigeno netto, cioè la concentrazione di ossigeno rimanente dopo la combustione del combustibile nel forno e l’ossidazione dei componenti combustibili sulla superficie della cella riscaldata.
Altri analizzatori misurano l’ossigeno lordo, cioè solo la concentrazione di ossigeno rimanente dopo la combustione nel forno.
In genere, la differenza tra i valori netti e lordi è piccola, poiché la concentrazione di componenti combustibili è nell’intervallo ppm e l’ossigeno è nell’intervallo percentuale.
Tuttavia, a volte sono possibili situazioni in cui questa differenza diventa significativa.
Le differenze possono anche derivare dal fatto che la cella di ossido di zirconio misura l’ossigeno utilizzando una base secca, vale a dire quando il gas di scarico analizzato contiene vapore acqueo.
Tutti gli altri metodi di misurazione richiedono il raffreddamento e l’essiccazione del campione e, di conseguenza, funzionano su base secca.
La differenza tra le misurazioni su base secca e bagnata può arrivare fino allo 0,5% in volume di Ossigeno, poiché la concentrazione di vapore acqueo nel gas di combustione può essere elevata. Entrambi i metodi di misurazione (a umido o a secco) sono standard.
Principio di funzionamento
Nella figura sotto è mostrata una schematizzazione della cella di zirconia prodotta da Adev srl e utilizzata anche in OxyPink.
L’ossigeno molecolare viene ionizzato dagli elettrodi di platino porosi.
PtO → Pt + ½ O2
½ O2 + 2 e- → O2 –
Gli elettrodi di platino su ciascun lato della cella forniscono una superficie catalitica per il cambiamento delle molecole di ossigeno O2, in ioni ossigeno e ioni ossigeno in molecole di ossigeno.
Le molecole di ossigeno sul lato del gas di riferimento ad alta concentrazione della cella, acquisiscono elettroni per diventare ioni che entrano nell’elettrolita.
Contemporaneamente, sull’altro elettrodo, gli ioni di ossigeno perdono elettroni e vengono rilasciati dalla superficie dell’elettrodo sotto forma di molecole di ossigeno.
Il contenuto di ossigeno di questi gas, e quindi le pressioni parziali di ossigeno, sono diversi.
Pertanto, la velocità con cui vengono prodotti gli ioni di ossigeno ed entrano nell’elettrolita di ossido di zirconio differiscono ad ogni elettrodo.
Poiché l’ossido di zirconio consente la mobilità degli ioni di ossigeno, il numero di ioni che si muovono in ciascuna direzione attraverso l’elettrolita dipenderà dalla velocità con cui l’ossigeno viene ionizzato ed entra nell’elettrolita in corrispondenza di ciascun elettrodo.
Il meccanismo di questo trasferimento di ioni è molto complesso, ma è noto che coinvolge i posti liberi nel reticolo di ossido di zirconio mediante drogaggio con ossido di ittrio.
Il risultato della migrazione degli ioni di ossigeno attraverso l’elettrolita è un flusso netto di ioni in una direzione a seconda delle pressioni parziali dell’ossigeno sui due elettrodi.
Ad esempio nell’equazione di Nernst:
- Se il flusso ionico P 1 > P 2 sarà da P 1 a P 2, ovvero un EMF positivo
- Se il flusso ionico P 1 <P 2 sarà da P 2 a P 1, ovvero un EMF negativo
- Se P 1 = P 2 non ci sarà flusso ionico netto, ovvero un EMF zero
