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Hitech dispone de analizadores con una tcnica de clula dual que mejora la velocidad de respuestasignificativamente

Analizadores de oxgeno: teora y aplicacin

21 de octubre de 2008

El estudio explica detalladamente cul es el funcionamiento de las clulas galvnicas y las clulas decirconio, y las compara en un ejercicio cientfico con fines de aplicacin prctica

Hitech Instruments

Funcionamiento de las clulas de circonio

El sensor de zirconio de Hitech para oxgeno (ver figura.1) es un elemento de xido de zirconio con forma detubo cerrado por un extremo que est recubierto interna y externamente por electrodos porosos de metal,normalmente platino. A temperaturas por encima de los 400 grados Celsius el zirconio es conductor de losiones de oxgeno, generando una diferencia de potencial entre ambos electrodos. El valor de la tensindepende de la diferencia entre las presiones parciales de oxgeno de la muestra y del gas de referencia(generalmente aire) y se determina mediante la ecuacin de Nernst:

Donde:

R= constante molar del gas

T= temperatura absoluta de la clula en K

F= constante de Faraday

P1= presin parcial del oxgeno del gas de referencia (aire en la mayora de los casos)

P2= presin parcial del oxgeno en la muestra

Por tanto, con aire en ambos lados de la clula, la tensin de salida es cero (log1=0).

El electrodo de referencia es negativo con respecto al electrodo de la muestra en concentraciones de oxgenosuperiores que las del aire, y es positivo para concentraciones inferiores. Segn la aplicacin, se puede utilizarcomo referencia el electrodo interno o el externo. El voltaje de salida se procesa electrnicamente paraobtener seales aptas para indicadores o equipos de control.

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eMagazine Qumica ANALIZADORES DE OXGENO: TEORA Y APLICACIN (21/10/2008)

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Funcionamiento de las clulas galvnicas

La clula es una batera metal/aire de difusin limitada. El oxgeno en la muestra se difunde a travs de labarrera y alcanza el ctodo. Aqu es reducida a iones de hidroxilo que pasan a travs del electrolito paraoxidar el nodo de metal.

Cuando se cierra el circuito ctodo/nodo se genera una corriente proporcional al ratio de consumo deoxgeno. La clula estar operando en lo que se considera una condicin de cortocircuito. Dado que el ratio enque el oxgeno alcanza el ctodo est limitado por la barrera de difusin, la corriente de la clula es funcindirecta de este ratio, que a su vez es funcin directa de la concentracin de oxgeno en la muestra. Lasecuaciones generales de la clula son las siguientes:

Reaccin en el nodo:

2Pb + 4OH - = 2PbO + 2H2O + 4 e-

Reaccin en el ctodo:

O2 + 2H2O + 4 e-= 4OH -

Reaccin total en la clula:

2Pb + O2 = 2PbO

Salida(A) = K log (1/1-C)

Donde K es una constante y C es la presin parcial del oxgeno en la muestra. Para ppm y medidas deporcentaje hasta 25 por ciento, normalmente es adecuada una aproximacin lineal aunque todos losanalizadores con microprocesador de Hitech linealizan exactamente.

Las clulas de tipo E operan de una forma un poco diferente. Esto permite medir el oxgeno en muestrasque contienen elevadas cantidades de dixido de carbono. Es lineal hasta 100% y proporciona milivolts en vezde una salida de corriente.

Al ser bateras con nodos consumibles, estas clulas tienen una vida finita que vara segn el tipo: L (parappm) 25.000 horas de porcentaje de oxgeno; N (habitualmente para 200ppm hasta 25%) 100.000 horasde porcentaje de oxgeno; E (hasta 100% en mezclas de gases neutros y poco cidos) 1.000.000 de horas deporcentaje de oxgeno. Las horas de porcentaje de oxgeno se refieren a la esperanza de vida de la clula sitrabaja con el porcentaje de oxgeno indicado. Si tiene que analizar porcentajes ms elevados, su vida seacortar, y si son ms bajos, se alargar. Por ello es importante elegir el tipo de clula adecuado al porcentajea medir.

Al elegir el tipo de clula adecuado para cada aplicacin, los factores ms importantes a tener en cuenta, porun lado, la elevada temperatura que requiere el zirconio, que puede producir cambios en la composicin de lamuestra, y por el otro, la velocidad de respuesta, ya que los sensores galvnicos son mucho ms lentos que losde zirconio.

Comparacin entre clulas galvnicas y de zirconio

Cuando se utilizan clulas de zirconio, el gas de muestra debe calentarse a la temperatura de operacin de laclula, tpicamente en presencia de platino. Estas condiciones normalmente supondrn que cualquiercomponente en la muestra que pueda reaccionar, reaccionar. Por tanto, si hay hidrgeno, monxido decarbono y/o material orgnico, stos reaccionarn con el oxgeno que est presente y por tanto reducirn losniveles de oxgeno medidos por la clula. La clula por tanto modificar las mezclas que contengan estoscomponentes y no ser posible la medida real de oxgeno libre presente en una muestra fra. Sin embargo,este efecto puede ser muy til en el caso de atmsferas de hornos de tratamientos trmicos dado que lamuestra que se extrae se analiza en condiciones muy similares a las que prevalecen en el proceso. Alcomprobar la muestra antes de introducirla en el horno, se podr adoptar una accin correctiva antes del finaldel proceso si la calidad disminuye.

Las clulas de zirconio tambin pueden analizar muestras calientes directamente del proceso, una granventaja en el caso de muestras en las que el enfriamiento causa condensaciones, como por ejemplo los gasesde combustin por los elevados contenidos en sulfuros. Hitech puede suministrar instrumentos con clulasque tienen electrodos no catalticos. Este tipo de clulas son particularmente tiles para monitorizar losniveles de ppm de oxgeno en presencia de niveles muy bajos de combustibles. Estas condiciones ocurren amenudo con el nitrgeno y el argn producidos en plantas de licuacin de aire. El rango dinmico de las clulasde zirconio es muy amplio, pudiendo ser de 23 dcadas para los usos ms prcticos. Su velocidad de respuestaes muy rpida ya que pueden responder a un cambio brusco de niveles de porcentaje hasta niveles de ppm enunos segundos. La necesidad de calentar el sensor utilizando circuitos de control de la temperatura precisoshace que los analizadores de clula de zirconio sean ms caros que los de tipo galvnico, adems de requerirun tiempo de calentamiento de 10 minutos.

Las clulas galvnicas, dado que operan a temperatura ambiente, miden el oxgeno libre en muestras quetambin contienen otros materiales oxidables. Se pueden analizar la mayora de los gases benignos pero sedeben evitar los gases corrosivos y altamente oxidantes. Existen 3 versiones diferentes para cubrir

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concentraciones de 100% hasta bajos niveles de ppm. Las clulas galvnicas no necesitan circuitos de muchacorriente como los calentadores de la clula de zirconio. Por ello, existen instrumentos porttiles alimentadosa batera con este tipo de sensor.

A pesar de envejecerse, las clulas galvnicas tienen un tiempo de vida muy aceptable y son fciles yeconmicas de reemplazar. La velocidad de respuesta es bastante ms lenta que las clulas de zirconio,especialmente cuando cambian de niveles porcentuales a niveles de ppm. Sin embargo, si se comparan con lavelocidad de respuesta de otros sensores fros, la velocidad es mayor.

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