Realizado em Vitória/ES, de 17 a 19 de Setembro de 2014.
ISBN: 978-85-85905-08-8
TÍTULO: Monitoramento de Pressão Negativa por Sonda de Óxido de Zircônio
AUTORES: Segatto, W.G. (IFES) ; Silva, T.L. (IFES) ; Cavalieri, D.C. (IFES) ; Pereira, F.G. (IFES) ; Costa, W.T. (IFES) ; Duque, J.V.F. (IFES) ; Prado, A.R. (IFES) ; Ludke, F.G. () ; Filho, R.S.C. ()
RESUMO: O objetivo desse trabalho é comprovar a viabilidade da sonda de óxido de zircônio para o monitoramento de pressão negativa em câmaras de vácuo. Neste sentido, o estudo de novos sistemas capazes de medir pressão possibilita a construção de dispositivos de baixo custo para equipamentos de vácuo, promovendo avanços na construção de interfaces digitais para esse tipo de aplicação. Atualmente, tal sonda é usada para quantificar o teor de oxigênio em escapamentos automotivos, sendo comercializada por diversas empresas. Portanto, é importante destacar também que essa inovação possibilitará o desenvolvimento de novas interfaces de controle e automação na medição de pressão, fato também explorado nesse trabalho.
PALAVRAS CHAVES: Óxido de zircônio; Monitoramento de pressão; Sonda de oxigênio
INTRODUÇÃO: Os principais consumidores das sondas de Óxido de Zircônio é a indústria automotiva, que a usam nos escapamentos dos veículos (Izu et al, p. 703, 2013)(Wang et al, p. 1254, 2010). Desse modo, é possível monitorar o teor de oxigênio resultante da queima do combustível e gerar parâmetros para regulação da injeção eletrônica. Devido a estes parâmetros de regulação, a sonda de óxido de zircônio é normalmente conhecida como sonda Lambda (λ), pois o parâmetro de regulação é descrito por essa letra grega(Riegel et al, p. 783, 2002). O funcionamento de uma sonda de óxido de zircônio é simples e, para entender tal sistema, é interessante conhecer os parâmetros construtivos desse dispositivo. De forma resumida, é possível considerar que tal sonda apresenta uma cúpula cerâmica de óxido de zircônio, tal elemento é recoberto com platina porosa nas duas faces. Em seguida, um terminal é conectado dentro e outro fora da cúpula, lembrando que as faces não são conectadas entre si. A diferença de tensão nos terminais do sensor surge devido à diferença interna de concentração de oxigênio, gás de referência, e externo, que é o gás a ser medido. A viabilidade de tal processo ocorre com elevação da temperatura do sistema, que pode atingir o valor de 300ºC (Riegel et al, p. 783, 2002)(Rajabbeigi et al, p. 139, 2004). Conhecendo os mecanismos de funcionamento das sondas de óxido de zircônio o presente trabalho busca explorar tal sistema para o monitoramento de pressão em uma câmara de vácuo, dando um novo tipo de aplicação para esse tido de sonda. Deve ser destacado que essa inovação possibilita o desenvolvimento de novas interfaces de controle e automação na medição de pressão, fato também explorado nesse trabalho.
MATERIAL E MÉTODOS: Para a realização desse trabalho foi necessário uma sonda de óxido de zircônio com quatro terminais (marca Bosch), um tubo de polietileno para conexão, uma bomba de vácuo e um multímetro de bancada. Além desses materiais também foi necessário construir uma câmara em aço carbono, onde foram conectadas a sonda e a bomba de vácuo. O procedimento de acompanhamento e variação da pressão do sistema foi totalmente realizado pelas válvulas de acionamento da bomba usada.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: Para o início dos experimentos a resistência da sonda ficou submetida à tensão de 12 V e corrente de 1,0 A por aproximadamente 5 minutos, ao final desse tempo foi observado que a tensão nos terminais de leitura da sonda manteve-se constante no valor de 47,9 mV. Após a estabilidade do sinal de leitura, o sistema montado foi submetido à variação de pressão, sendo que cada alteração na válvula de controle da bomba era acompanhada do registro do valor de tensão nos terminais da sonda. A Figura 1 apresenta os resultados obtidos no experimento. Com base na resposta apresentada no gráfico da Figura 1 foi possível projetar uma interface digital de forma a obter todos os resultados de pressão via PC e acompanhar em um display, conectada a um módulo de aquisição microcontrolada. Tal sistema é de grande validade para implementação em reatores que operam em baixa pressão, sendo assim possível a construção de interfaces digitais de baixo custo usando sonda baseada em óxido de zircônio. O experimento realizado neste trabalho explora um sistema já comercializado com outra finalidade, possibilitando a expansão das aplicações das sondas de óxido de zircônio. Seria interessante realizar o monitoramento de vários parâmetros com esse mesmo sistema como, por exemplo, monitorar a pressão do ambiente e o percentual de oxigênio do mesmo. Porém, esses monitoramentos devem acontecer de forma independente, sendo essa uma das limitações deste sensor. Assim, as medidas de pressão devem acontecer sem a variação na concentração de oxigênio (normalmente em torno de 20% do ar próximo a crosta terrestre) e as medidas do percentual de oxigênio devem ser realizadas sem a variação de pressão.
Figura 1
Processo de redução e elevação da pressão na sonda de óxido de zircônio
CONCLUSÕES: O presente trabalho apresentou a possibilidade de se utilizar uma sonda de óxido de zircônio para medir pressão negativa. Tal sistema normalmente é utilizado para monitorar o teor de oxigênio em sistemas de escapamento de câmaras de combustão. Além disso, devido à natureza elétrica dessa sonda foi possível desenvolver uma interface digital para câmaras de vácuo, possibilitando assim, um sistema de baixo custo para monitoramento de pressão com reposta digital de fácil leitura e automatização.
AGRADECIMENTOS: Os autores gostariam de agradecer ao Ifes campus Serra pelo apoio na realização dos experimentos e participação de eventos de divulgação cientifica.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: Izu, N.; Shin, W.; Matsubara, I.; Murayama, N. Development of Resistive Oxygen Sensors Based on Cerium Oxide Thick Film. [b]Journal of Electroceramics[/b], nº 13, 703-706, 2004. Rajabbeigi, N.; Elyassi, B.; Khodadadi, A.; Mohajerzadeh, S.S.; Sahimi, M. A novel miniaturized oxygen sensor with solid-state ceria–zirconia reference. [b]Sensors and Actuators B: Chemical[/b], nº 100, 139–142, 2004. Riegel, J.; Neumann, H.; Wiedenmann, H.-M. Exhaust gas sensors for automotive emission control. [b]Solid State Ionics[/b], nº 152, 783-800, 2002. Wang, H. N,; Xu, L.; Hou, S. Synthesis and conductivity of cerium oxide nanoparticles. [b]Materials Letters[/b], nº 64, 1254-1256, 2010.