Como funcionam os sensores de oxigênio (ART1026)

Os sensores de oxigênio encontram uma vasta gama de utilizações tanto doméstica (detectores de vazamento de gás), industrial como automotiva. Veja neste artigo como funcionam e como são usados estes sensores.

O oxigênio (O2) é um gás comburente, ou seja, é a reação que ocorre entre este gás e outros materiais que provoca o que denominamos combustão ou queima. Não existe combustão na ausência de oxigênio e uma alteração na sua concentração num ambiente pode indicar vazamentos de gás.

Como detectar as variações de concentração de oxigênio num ambiente é um problema cuja solução pode levar a diversos equipamentos eletrônicos de grande utilidade.

Podemos citar, por exemplo, os detectores de vazamento de gás de uso doméstico que se baseiam na mudança da concentração do oxigênio pela presença do gás combustível. Podemos citar as denominadas "sondas lambda" usadas nos saídas dos motores de automóveis que verificam se todo o combustível foi queimado e se é preciso aumentar ou diminuir a presença deste gás na mistura.

Em escala industrial estes equipamentos podem ser usados para detectar a presença de oxigênio em ambientes em que ele não pode estar presente.

Existem vários tipos de sensores de oxigênio envolvendo técnicas químicas como células galvânicas e dispositivos semicondutores.

O tipo mais comum é o de Oxido de Zircônio que é justamente o que vamos analisar neste artigo.

 

SENSORES DE ZIRCÔNIO

Na figura 1 temos uma vista em corte de um sensor cerâmico de zircônio (óxido de zircônio) a partir do qual analisamos seu princípio de funcionamento.

 

Estrutura de um sensor de oxigênio.
Estrutura de um sensor de oxigênio.



Entre dois eletrodos porosos (para dar passagem ao ar ambiente) existe um disco de óxido de zircônio.

Este material tem propriedades semicondutoras onde os portadores de carga que estabelecem a corrente são íons de oxigênio.

Assim, se estabelecermos uma tensão entre os eletrodos a corrente que vai circular depende justamente da concentração de íons de oxigênio que existe no material.

Esta corrente é extremamente baixa, da ordem de 5 uA exigindo circuitos amplificadores apropriados.

As propriedades semicondutoras do zircônio, entretanto só se manifestam a uma temperatura muito alta, da ordem de 400 graus centígrados.

Para o caso dos sensores de oxigênio usados em carros, como o gás já sai aquecido do motor o sensor pode ser usado diretamente da maneira indicada.

No entanto, para o caso de uma medida da concentração de oxigênio do ar ambiente ou de um local em que ele se encontre em baixa temperatura, o sensor precisa ser aquecido.

Isso normalmente é feito por um elemento adicional que é encontrado nestes sensores e que serve como elemento de aquecimento.

O elemento de aquecimento é um fio de platina que é percorrida por uma corrente algo intensa que o aquece até a temperatura de operação do sensor.

Na figura 2 temos uma curva de operação deste tipo de sensor mostrando de que forma a corrente depende da concentração de oxigênio.

 

Curva de operação de um sensor típico.
Curva de operação de um sensor típico.



Os tipos comerciais comuns como os da Fujikura, Pasco, Electrovac e outros (cujas páginas com informações podem ser acessadas pela Internet) podem detectar concentrações de oxigênio na faixa de 0 a 98% com boa precisão chegando a 1000 ppm conforme o tipo.

Na figura 3 temos fotos de alguns tipos de sensores de oxigênios comerciais das empresas citadas acima.

 

Sensor de oxigênio
Sensor de oxigênio

 

 

CIRCUITOS TÍPICOS

Um circuito típico de sensor de oxigênio para uso ambiente (gás em temperatura ambiente) tem a configuração em blocos mostrada na figura 4.

 

Diagrama de blocos de um circuito que usa um sensor de oxigênio.
Diagrama de blocos de um circuito que usa um sensor de oxigênio.



Um circuito de aquecimento mantém a temperatura do sensor em aproximadamente 400 graus para que ele possa funcionar. O ideal para as aplicações em que se exige mais precisão é usar neste circuito uma fonte de corrente constante. Nas aplicações menos críticas como simples alarmes de vazamento ou de presença de oxigênio uma fonte comum pode ser usada.

Os eletrodos são polarizados por uma baixa tensão aparecendo sobre um circuito externo uma corrente ou uma tensão proporcional à concentrarão de oxigênio.

Uma etapa amplificadora, normalmente usando um amplificador operacional aparece então para aumentar o sinal da saída do sensor.

Este sinal pode então ser aplicado a um indicador numérico ou então um relé ou circuito que dispara um sistema de aviso. O circuito de aviso pode ser ajustado para que com disparo ocorra com determinada concentração de gás.

 

CIRCUITO PRÁTICO

Na figura 5 temos um circuito bastante simples de alarme de gás que utiliza o sensor TGS308.

 

Um alarme de gás.
Um alarme de gás.



O circuito aciona um relé de 24 V quando a concentração de oxigênio supera um determinado valor.

Outros sensores equivalentes podem ser usados nesta mesma configuração devendo apenas o leitor verificar qual é a tensão de aquecimento.

Neste circuito o elemento de aquecimento é ligado ao enrolamento de 1,2 V de um transformador especial.

O ponto de ajuste do disparo é obtido pelo trimpot de 2,2 k Ω. Esta tensão será da ordem de 20 V para uma concentração de gás mais alta.

Na figura 6 temos uma sugestão de placa de circuito impresso para este alarme.

 

Sugestão de placa do circuito da figura 5.
Sugestão de placa do circuito da figura 5.



O SCR não precisa ser montado em radiador de calor e a corrente do secundário do transformador é de 50 mA para o enrolamento de 30 V e 500 mA para o enrolamento de 1,2 V.

Observamos que este circuito, por ser simples, não tem retardo de acionamento podendo disparar ao ser ligado. Se isso ocorrer um capacitor de 470 µF deve ser ligado depois do diodo em série com o relé e um resistor de 100 Ω associado em série com o diodo.

 

 

 Semicondutores:

SCR - TIC106 ou MCR106 - diodo controlado de silício

D1, D2 - 1N4002 - diodos retificadores

Resistores: (1/8 W, 5%)

R1 - 4,7 k Ω

R2 - 10 k Ω

P1 - 2,2 k Ω - trimpot

Capacitores:

C1 - 10 µF/30 V - eletrolítico

K1 - relé de 24 V

T1 - Transformador com primário de acordo com a rede local e secundários de 1,2 V x 500 mA e 30 V x 50 mA.

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