SENSOR DE OXIGÊNIO DE ALTA TEMPERATURA

TEORIA DE OPERAÇÃO

    Durante as operações de combustão um fenômeno importante natural ocorre.
    As moléculas de oxigênio procuram migrar da alta concentração na atmosfera ambiente (ar de referência) para a baixa concentração na saída dos gases do forno. Este fenômeno natural é o principio no qual os sensores de oxigênio operam.

    Os sensores de oxigênio MMI são fabricados de zircônia estabilizada com ytrio a qual possui a habilidade de conduzir os ions de oxigênio em temperaturas superiores a 650 ºC (1200 ºF). Eletrodos de platina em ambas as superfícies, interna e externa do eletrólito zircônia promove uma superfície catalítica para a transformação de moléculas de oxigênio (O2) para ions de oxigênio (O=) o qual move através do eletrólito e recombina no eletrodo oposto (ver fig. 1).

Figura 1: Secão Transversal Ampliada Representando o Substrato de Zircônia.

    WALTHER HERMANN NERNST, o físico-quimico alemão, ganhou Prêmio Nobel de 1920 pela Terceira Lei da Termodinâmica. Ele é responsável pelo desenvolvimento da "Teoria das Soluções". Sua teoria, expressa pela Equação de Nernst, explica a voltagem desenvolvida por baterias eletroliticas. Esta equação, aceita universalmente pode ser aplicada para verificar o Oxigênio usando a célula de zircônia.
    O movimento dos ions de oxigênio produzem uma voltagem (mV) através do sensor o qual é função da diferença de concentração de oxigênio entre a superfície externa (atmosfera do forno - gases do forno) e sua superfície interna (ar de referência ambiente) e a temperatura na qual o sensor opera (temperatura dos gases do forno). Esta voltagem (mV) é expressa pela equação de Nernst (ver fig. 2).

Figura 2. Equação de Nernst

E = Milivoltagem do sensor
T = Temperatura do Sensor in Graus Kelvin
O2 (ar de referência) = concentração de oxigênio na superfície interna do sensor - ar ambiente: 20,9% Oxigênio.
O2 (forno) = Concentração de oxigênio na superfície externa do sensor - atmosfera do forno.

    A célula de zircônia, atuando como uma bateria, gera uma voltagem em resposta a alteração da porcentagem de oxigênio. Com uma porcentagem de oxigênio conhecida como ar de referência em um lado da célula, a voltagem (mV) gerada será proporcional a porcentagem de oxigênio no lado oposto. Um termopar, de uma liga de platina, tipicamente "S" ou "B", fornece uma milivoltagem a qual é proporcional a temperatura da célula.
    A célula utiliza ar atmosférico como gás de referência. Quando a referência é constante (ar de referência) e a temperatura é conhecida (utilizando-se termopar tipo "B" ou "S"), o nível de oxigênio no forno será determinado resolvendo-se a equação de Nernst.

Figura 3. Resposta do sensor: voltagem x porcentagem de oxigênio em intervalo de 100 ºC/600 ºC a 1600 ºC).

Figura 4. Exemplo de instalação "IN-SITU".

    Os Sensores de Oxigênio - MMI e a instrumentação eletrônica para trabalhar com eles utilizam a Equação de Nernst quando utilizados em combustão. A linha de controladores de oxigênio lê e interpreta as duas milivoltagens do sensor, aquela gerada pela célula de zircônia e aquela do termopar interno, através de um algoritmo, para fornecer a porcentagem de oxigênio. Na maioria das aplicações de combustão, os níveis de oxigênio determinado pode estar em qualquer valor entre zero até 20% O2.
    Computando-se a equação de Nernst, temos uma medição praticamente instantânea da concentração de oxigênio presente nos gases do Forno. É o sistema mais direto e simples disponível no mercado. Ele dispensa a necessidade por equipamentos eletrônicos intermediários, elimina a necessidade de calibração, e evita a insensibilidade do balanço dos sistemas pela utilização de gases de referências especiais.

    CUIDADO: Os sensores de oxigênio deve ser utilizados apenas para controlar o ar secundário, nunca o ar ..." Primário" de combustão. Os sensores devem ser conectados a instrumentos apropriados de controle do ar secundário ou controle de processo, o qual apenas permitira o "Ajuste-Fino" da mistura ar/combustível. A utilização de sensores de oxigênio para controle total independente do ar de combustão poderá resultar no fechamento total deste ar o qual pode causar explosão, danos ambientais.