Os sensores de oxigênio encontram uma vasta gama de utilização doméstica (detectores de vazamento de gás), industrial e 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 nos quais ele não pode estar presente.
Existem vários tipos de sensores de oxigênio envolvendo técnicas químicas, tais como células galvânicas e dispositivos semicondutores.
O tipo mais comum é o de Óxido 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.
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 µA exigindo circuitos amplificadores apropriados.
As propriedades semicondutoras do zircônio, entretanto, só se manifestam a uma temperatura muito alta, da ordem de 400 graus Celsius.
Para o caso dos sensores de oxigênio usados em carros, como o gás já sai aquecido do motor, o sensor pode ser colocado 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 é feito normalmente 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 percorrido por uma corrente algo intensa que o aquece até a temperatura de operação do sensor.
Na figura 2 vemos uma curva de operação deste tipo de sensor mostrando de que forma a corrente depende da concentração de oxigênio.
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 foto de um sensor de oxigênio comercial das empresas citadas acima.
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.
Um circuito de aquecimento mantém a temperatura do sensor em aproximadamente 400 graus Celsius 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, tais 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 concentração de oxigênio.
Uma etapa amplificadora, normalmente usando um amplificador operacional é colocada para aumentar o sinal da saída do sensor.
Este sinal pode então ser aplicado a um indicador numérico ou a um relé ou a um circuito que dispara um sistema de aviso. O circuito de aviso pode ser ajustado para que o 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.
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.
Na figura 6 temos uma sugestão de placa de circuito impresso para este alarme.
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 ohms associado em série com o diodo.
Semicondutores:
SCR - TIC106 ou MCR106 - diodo controlado de silício
D1, D2 e D3- 1N4002 - diodos retificadores
Resistores: (1/8 W, 5%)
R1 - 4,7 k ohms
R2 - 10 k ohms
P1 - 2,2 k ohms - trimpot
Capacitores:
C1 - 10 µF/30 V - eletrolítico
K1 - relé de 24 V
X1 - Sensor TGS38 ou equivalente
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.
Obs: Este artigo foi publicado no ano 2000. Antes de fazer a montagem certifique-se de que pode obter o sensor. Neste projeto, o transformador também pode ser difícil de obter.
