Funcionamiento de las sondas de oxígeno: circonia, aire de referencia y ecuación de Nernst

• Zirconia conduce iones de oxígeno a altas temperaturas para formar una batería de diferencia de concentración de oxígeno
• Aire de referencia (20.9El % de O₂) se pasa a través del tubo, y el exterior del tubo se expone al gas del horno.
• La ecuación de Nernst relaciona mV, temperatura y presión parcial de oxígeno
• Potencial de carbono = f (mV, temperatura, CO%)
• Con medición in situ y respuesta rápida, es el sensor principal para el control del potencial de carbono en el horno.

Estructura

Una sonda de oxígeno típica consta de las siguientes partes:

• Elemento sensor de circonia: Situado en el extremo frontal de la sonda, expuesto a gas de horno de alta temperatura;
• electrodo internoNormalmente platino, en contacto con el aire de referencia en el tubo;
• electrodo externo: Tubo o electrodo exterior de metal resistente al calor, en contacto con el gas del horno;
• Canal de aire de referencia: el aire limpio es suministrado continuamente por una pequeña bomba de aire;
• Termopar: Mida la temperatura de la punta de la sonda (algunas sondas están incorporadas);
• Conexión de aire de carbón: Se utiliza para eliminar regularmente el carbono en la superficie de la sonda.

Las estructuras de zirconia comunes en el mercado incluyen tubos integrales de zirconio, bolas de zirconium, zirconia y soldadura de cerámica, y puntas de zirconía. No importa de qué tipo, un buen sellado entre la zirconio y el tubo interior de cerámica es un requisito previo para la precisión.

Principio de funcionamiento: Batería de la diferencia de la concentración de oxígeno

Zirconia (estabilizado por dopaje) permite el paso de iones de oxígeno a altas temperaturas. Cuando la presión parcial de oxígeno dentro y fuera del tubo es diferente, los iones de oxígeno migran desde el lado con alta presión parcial de oxígeno al lado con baja presión parcial de oxígeno, formando una diferencia de potencial entre los dos polos.

La presión parcial de oxígeno de la atmósfera de cementación en el horno es extremadamente baja (normalmente del orden de 10-15 bar o incluso inferior), mientras que el aire de referencia contiene 20,9% de oxígeno, produciendo así una señal del orden de aproximadamente 1 V.

Ecuación de Nernst

E = (RT / 4F) · ln(pO2,ref / pO2,gas)

Sustituyendo constantes y calculando con aire de referencia pO2,ref = 0.209 bar, a menudo se escribe como:

E (mV) = 0.0496 × T × lg(0.209 / pO2)

Donde T es la temperatura de la punta de la sonda (K), pO2 es la presión parcial de oxígeno del gas del horno (bar).

De mV a potencial de carbono

En una atmósfera de equilibrio con un contenido conocido de CO, la presión parcial de oxígeno está relacionada con la relación CO₂/CO (2CO + O₂). ⇌ 2CO2), que a su vez está relacionado con la actividad del carbono. Por lo tanto, el controlador utiliza tres entradas para calcular el potencial de carbono:

1. Sonda mV;
2. temperatura;
3. CO% (valor establecido o valor medido real).

A la misma temperatura y CO%,Cuanto mayor sea el mV, mayor será el potencial de carbonoLas señales en atmósferas de cementación están típicamente en el rango de 1100-1200 mV, dependiendo de la temperatura y la configuración del potencial de carbono.

Por qué las sondas de oxígeno son adecuadas para el control de bucle cerrado

• Directamente insertado en el horno, sin necesidad de muestreo, corto tiempo de respuesta;
• La señal es continua, adecuada para el ajuste de bucle cerrado PID de gas enriquecido o aire diluido;
• El costo es relativamente bajo y es uno de los sensores más efectivos y económicos para el control del potencial de carbono.