Introducción: sensores de oxígeno Son instrumentos que comunican información mediante el análisis de los gases resultantes de las emisiones de humo de automóviles e industrias. Existen varios tipos de sensores de O₂, desde los que se encuentran en los analizadores catalíticos automotrices hasta los analizadores de oxígeno industriales.
FIG 1: Un sensor de oxígeno automotriz
sensores de oxígeno funcionar eficazmente a 650 °CEsto los hace ideales para aplicaciones de alta temperatura. Se recomienda elegir sensores con un tiempo de respuesta inferior a 10 segundos y una vida útil de hasta 10 años en condiciones de limpieza.
Ya sea que esté optimizando la combustión en una central eléctrica o garantizando la seguridad en el procesamiento químico, los sensores de oxígeno de zirconio son herramientas esenciales. Pero más allá de las especialidades técnicas, lo que realmente importa es cómo estos sensores se integran en su negocio y dónde los obtiene.
También debes considerar su costo y cómo impactan tu propósito.
Este artículo destaca los conceptos básicos y las consideraciones prácticas para los compradores que desean invertir en sensores de oxígeno de zirconio de alta calidad.
El circonio es una cerámica avanzada y es un material semiconductor utilizado para producir joyas, abrasivos, materiales resistentes al fuego, así como esmaltes para productos de porcelana. El óxido de circonio estabilizado sirve como Recubrimiento de barrera térmica (TBC) Para maquinaria de alta temperatura.
Los sustratos de circonio son excelentes opciones como recubrimiento cerámico de sustancias.
Los artículos recubiertos con óxido de circonio incorporan características distintivas de durabilidad, resistencia, capacidad para soportar el desgaste y la corrosión.
Sin embargo, al igual que con cualquier otro producto industrial, existe el temor de que los recubrimientos cerámicos de los materiales se desgasten tras un uso prolongado. Para reducir la incidencia del desprendimiento y el desgaste en estos materiales, es necesario estabilizar el zirconio.
FIGURA 2: Una hoja de zirconia
El óxido de zirconio se estabiliza para maximizar el aprovechamiento de las excelentes propiedades de este avanzado material cerámico. El óxido de zirconio no estabilizado no es fiable para su uso, ya que no existe en una sola fase. El óxido de zirconio presenta tres fases transitorias: monoclínica, tetragonal y cúbica.
La característica más fiable del óxido de circonio, necesario para su uso en analizadores de oxígeno, es su fase cúbica. Por lo tanto, el proceso de estabilización transforma el óxido de circonio a su forma utilizable, es decir, la estructura cristalina cúbica.
Cómo se estabiliza la zirconia
La estabilización del óxido de circonio se facilita mediante la combinación de un sustrato de óxido de circonio con itrio. El itrio actúa como una aleación para el óxido de circonio. Las aleaciones resultan de la combinación de iones metálicos o no metálicos, lo que les confiere cualidades mejoradas. El itrio reemplaza algunos iones en el óxido de circonio.
La combinación de óxido de circonio e itrio produce YSZ, que es Zirconia estabilizada con YitriaEn este nivel, el óxido de zirconio se fortifica y se transforma en un material cerámico más avanzado, capaz de soportar temperaturas más altas, corrosión y desgaste debido al uso prolongado.
Atributos de la zirconia estabilizada con itria
El óxido de zirconio estabilizado es estructuralmente resistente. Esto se debe a la resistencia del itrio con el que se combinó el zirconio O₂. Esto le confiere resistencia y valor para cortar metales difíciles. Soporta altas temperaturas. Conduce el oxígeno con gran eficacia y es resistente a la corrosión por ciertos ácidos y sales.
FIG 3: Estructura física de la zirconia estabilizada con itria
El Zirconio O₂ estabilizado es muy resistente. El óxido de zirconio conserva sus avanzadas propiedades cerámicas intrínsecas, lo que justifica su elección como material de recubrimiento. Sin embargo, el proceso de estabilización le proporciona una resistencia adicional.
Cuando Zirconia estabilizada con itria Se utiliza en condiciones de temperatura muy extremas y es resistente al desgaste. Por ello, es ideal para la fabricación de sensores de oxígeno ubicados en los escapes de automóviles. A pesar del uso frecuente, e incluso en casos donde el combustible utilizado no es óptimo para la combustión, protege los motores de daños.
Por ejemplo, los motores de aviones y turbinas de gas están recubiertos con sustancias cerámicas que les ayudan a resistir la presión y la corrosión. Sin embargo, el uso prolongado de esta maquinaria recubierta de cerámica provoca desgaste. Los recubrimientos de zirconio estabilizado combinan tenacidad, baja conductividad térmica y resistencia a la corrosión con sinterización para preservar las máquinas.
La zirconia estabilizada suele combinarse con itria o magnesia para mejorar su conductividad iónica. Actúa como electrolito sólido en sensores de oxígeno. A altas temperaturas, permite la migración de los iones de oxígeno, generando una señal de voltaje que se corresponde con los niveles de oxígeno en el gas circundante.
Este principio, que tiene sus raíces en la electroquímica, se ha perfeccionado durante décadas para su uso industrial.
Así funciona un sensor de oxígeno de zirconio. Dos electrodos de platino porosos intercalan una capa de zirconio estabilizado. Un lado está expuesto a un gas de referencia (generalmente aire), mientras que el otro está orientado al gas de muestra. La diferencia en la presión parcial de oxígeno crea una fuerza electromotriz, según la ecuación de Nernst, que se traduce en un voltaje medible.
El voltaje varía de 0 a 1,2 voltios, dependiendo de la concentración de oxígeno. Este voltaje es estable y lineal para los modelos industriales, lo que facilita su integración en los sistemas de control.
1.Sensor de oxígeno de titanio: También se conoce como sensor Lambda. No genera su propio voltaje. En cambio, el sensor de oxígeno de titanio genera una resistencia eléctrica en relación con el oxígeno que circula por el tubo de escape de un automóvil. La detección de O₂ con este dispositivo es independiente del aire atmosférico.
Este sensor utiliza Óxido de Titanio para enviar señales a la Unidad de Control del Motor (ECU), y advertir de cualquier anormalidad en el sistema de combustión del automóvil. La ECU al recibir la señal, ajusta la relación de aire a combustible, a la medida correcta.
Se debe tener cuidado al usar un sensor de óxido de titanio, ya que es propenso al desgaste. Entre las causas de degradación del sensor de óxido de titanio se incluyen conexiones defectuosas de cables y circuitos, daños físicos accidentales y contacto con aceite contaminado.
2. Sensor de oxígeno de banda ancha Ajusta con precisión los sistemas de suministro de combustible y proporciona una estimación precisa de la relación aire-combustible del motor. Este sensor permite determinar con precisión la relación aire-combustible durante maniobras importantes, como la aceleración. Está compuesto por una celda de bomba, una cámara de aire de referencia, una celda Nernst y un elemento calefactor.
La cámara de aire sirve como punto de referencia para medir los niveles de oxígeno en comparación con el aire ambiente. La celda de bombeo determina la concentración de oxígeno en el aire que pasa por la corriente de bombeo. La celda de Nernst mide la diferencia en los niveles de oxígeno entre el aire de escape y el ambiente, mientras que el elemento calefactor regula la temperatura del sensor.
FIG. 4: Un analizador de oxígeno de banda ancha.
3. Sensor de oxígeno de banda estrecha Utiliza dióxido de circonio para generar calor al exponerse a diferentes niveles de oxígeno. Monitorea la composición del escape para reducir las emisiones peligrosas de su vehículo. Esto garantiza una combustión eficiente del motor y mantiene el convertidor catalítico en buen estado.
El sensor de oxígeno de banda estrecha se instala en el escape de un automóvil. Tiene dos lados: uno mira hacia el aire exterior como referencia, mientras que el otro mira hacia el compartimento del escape. Es más económico y común que otros tipos de sensores de oxígeno. Sin embargo, no ahorra tanto energía como los sensores de oxígeno de banda ancha.
FIG 5: Sensor de oxígeno instalado en un motor de automóvil.
4. Sensor de oxígeno calentado Mide la temperatura de un sistema o espacio, y se utiliza en aplicaciones industriales, automotrices y de consumo. También se conoce como termopar y mide la cantidad de actividad atómica dentro de un objeto. Cuando no se percibe calor en un objeto, se puede asumir que no hay actividad atómica en él.
En cuanto se aplica calor, los átomos comienzan a moverse en el objeto y obtenemos lo que conocemos como sensación de calor. El calor emitido por un objeto también se conoce como su firma infrarroja. Por eso, las gafas infrarrojas se incorporan a las gafas de visión nocturna para ayudarnos a ver en la oscuridad.
5. Sensor de oxígeno planar Tiene un diseño y densidad de perfil bajo, y se utiliza para monitorear la respuesta de las hojas a la luz o la oscuridad durante la fotosíntesis. Se utiliza típicamente en experimentos biológicos.
6. Sensor de oxígeno de zirconio: El zirconio es un elemento metálico utilizado en la industria cerámica avanzada para producir materiales duraderos y de larga duración. Al combinarse con oxígeno, se obtiene óxido de zirconio, también conocido como dióxido de zirconio, cuya forma química es ZrO₂.
Aplicaciones industriales de los sensores de zirconio
En el mundo de la monitorización de gases industriales, pocos materiales han demostrado ser tan fiables y versátiles como el zirconio estabilizado. Este compuesto cerámico constituye la base de muchos sensores de oxígeno, lo que permite mediciones precisas en entornos hostiles donde la precisión es crucial para el éxito o el fracaso de las operaciones.
FIG. 6: Un analizador de oxígeno industrial
Los sensores de oxígeno de zirconio estabilizado son muy fiables para monitorizar los niveles de O₂ en gases de escape, calderas y hornos en entornos industriales. Las centrales eléctricas los utilizan para optimizar la combustión, reduciendo el desperdicio de combustible y las emisiones. En la industria del petróleo y el gas, se utilizan para la monitorización de antorchas.
La fabricación de productos químicos depende de estos sensores para el control de procesos en reactores, donde el análisis preciso de oxígeno previene explosiones o ineficiencias. Las instalaciones de biomasa y de valorización energética de residuos también se benefician, ya que los analizadores de oxígeno de zirconio gestionan entornos sucios y con alto contenido de partículas sin necesidad de reemplazos frecuentes.
Los laboratorios de pruebas automotrices también los utilizan para el análisis de emisiones. Sin embargo, en realidad, su principal clientela proviene de la industria pesada. Los analizadores de O₂ de zirconio son fundamentales para la monitorización continua de oxígeno. Para necesidades especializadas, las variantes de alta temperatura soportan hasta 1700 °C, lo que las hace perfectas para la fundición o el procesamiento de metales.
FIG 7: Analizador de oxígeno en un laboratorio de pruebas
El impulso del mercado hacia los sensores de oxígeno de circonio
La presión por la eficiencia energética, así como la aplicación de normas más estrictas sobre las emisiones de gases, ha aumentado la demanda de sensores de oxígeno de circonio. El mercado se valoró en aproximadamente $1,5 millones en el año 2024. Se proyecta que el valor de mercado aumente a $2,5 mil millones o más en 2033. Estas estimaciones se realizan a una tasa de crecimiento compuesta (CAGR) de 6,5%.
FIGURA 8: Nave espacial construida con revestimiento de barrera térmica
Conclusión: Si usted es fabricante de sensores de oxígeno de zirconio, propietario de un automóvil o mecánico, este artículo es para usted. En ggsceramics, ofrecemos materiales precisos y de alta calidad. Nuestros productos se integran a la perfección con sus sistemas. Visítenos hoy mismo y obtenga su... cerámica de circonio a precios excelentes y asequibles.