Sensor de oxígeno

_{Los sensores de} O₂ proporcionan información a la unidad de control del motor (ECU). En los casos en que corresponda, los motores de gasolina, propano y gas natural están equipados con catalizadores de tres vías para cumplir con la legislación sobre emisiones de vehículos en carretera. Utilizando la señal del sensor _{de O₂} , la ECU puede operar el motor con una relación aire-combustible muy cercana a 14,7:1, que es la mezcla operativa ideal para que un catalizador de tres vías sea eficaz. ^{[ 6 ]} Robert Bosch GmbH introdujo el primer sensor lambda para automóviles en 1976, ^{[ 2 ]} y fue utilizado por primera vez por Volvo y Saab ese mismo año. Los sensores se introdujeron en EE. UU. alrededor de 1979 y se hicieron obligatorios en todos los modelos de automóviles en muchos países europeos para 1993.

El elemento sensor es un cilindro cerámico , recubierto interna y externamente con electrodos de platino poroso ; una malla metálica protege todo el conjunto. Su funcionamiento se basa en la medición de la diferencia de oxígeno entre los gases de escape y el aire exterior, generando un voltaje o modificando su resistencia en consecuencia.

Los sensores solo comienzan a funcionar eficazmente cuando se calientan a aproximadamente 316  °C (600 °F ), por lo que la mayoría de las sondas lambda más modernas tienen elementos calefactores encapsulados en la cerámica que elevan rápidamente la temperatura de la punta de cerámica. Las sondas antiguas sin elementos calefactores se calentaban con el tiempo debido a los gases de escape. Aun así, existe un desfase temporal entre el arranque del motor y el momento en que los componentes del sistema de escape alcanzan el equilibrio térmico. El tiempo necesario para que los gases de escape calienten la sonda depende de la temperatura ambiente y de la geometría del sistema de escape. Sin un calentador, el proceso puede tardar varios minutos. Existen problemas de contaminación atribuidos a este lento proceso de arranque, incluyendo un problema similar con la temperatura de funcionamiento del convertidor catalítico. 

La sonda suele tener cuatro cables conectados: dos para la señal lambda y dos para la alimentación del calentador. Sin embargo, algunos fabricantes de automóviles utilizan la carcasa metálica como toma de tierra para la señal del elemento sensor, lo que resulta en tres cables. Los sensores anteriores, que no se calentaban eléctricamente, tenían uno o dos cables.

La sonda se suele enroscar en un orificio roscado del sistema de escape, situado después del colector de escape y antes del convertidor catalítico. Los vehículos nuevos deben contar con un sensor antes y después del catalizador para cumplir con la normativa estadounidense que exige la monitorización de todos los componentes del sistema de emisiones. Se monitorizan las señales previas y posteriores al catalizador para determinar su eficiencia, y si el convertidor no funciona como se espera, se notifica al usuario mediante los sistemas de diagnóstico a bordo , por ejemplo, encendiendo un indicador en el salpicadero. Además, algunos sistemas catalíticos requieren ciclos breves de gas pobre (con oxígeno) para cargar el catalizador y promover una mayor reducción por oxidación de los componentes indeseables del escape.

La relación aire-combustible y, naturalmente, el estado del sensor, pueden controlarse mediante un medidor de relación aire-combustible que muestra la tensión de salida del sensor.

Normalmente, la vida útil de un sensor sin calefacción es de entre 30 000 y 50 000 millas (50 000 y 80 000  km). La vida útil de un sensor con calefacción suele ser de 100 000 millas (160 000  km). El fallo de un sensor sin calefacción generalmente se debe a la acumulación de hollín en el elemento cerámico, lo que prolonga su tiempo de respuesta y puede provocar la pérdida total de la capacidad de detectar oxígeno. En el caso de los sensores con calefacción, los depósitos normales se queman durante el funcionamiento y el fallo se produce por el agotamiento del catalizador. La sonda tiende entonces a indicar una mezcla pobre, la ECU enriquece la mezcla, el escape se enriquece con monóxido de carbono e hidrocarburos y el consumo de combustible empeora.

La gasolina con plomo contamina los sensores de oxígeno y los convertidores catalíticos. La mayoría de los sensores de oxígeno están diseñados para funcionar durante un tiempo limitado en presencia de gasolina con plomo, pero su vida útil se reduce a tan solo 24 000 km (15 000 millas) , dependiendo de la concentración de plomo. Los sensores dañados por el plomo suelen presentar puntas ligeramente oxidadas. 

Otra causa común de falla prematura de las sondas lambda es la contaminación del combustible con siliconas (utilizadas en algunos sellos y grasas ) o silicatos (utilizados como inhibidores de corrosión en algunos anticongelantes ). En este caso, los depósitos en el sensor presentan un color que varía entre blanco brillante y gris claro granulado.

Las fugas de aceite en el motor pueden cubrir la punta de la sonda con un depósito negro y aceitoso, lo que conlleva una pérdida de respuesta.

Una mezcla demasiado rica provoca la acumulación de un depósito negro en polvo en la sonda. Esto puede deberse a un fallo de la propia sonda o a un problema en otra parte del sistema de racionamiento de combustible.

Aplicar un voltaje externo a los sensores de circonio, por ejemplo, comprobándolos con ciertos tipos de ohmímetro , puede dañarlos.

Algunos sensores tienen una entrada de aire en el cable, por lo que la contaminación del cable causada por fugas de agua o aceite puede ser aspirada hacia el sensor y provocar una falla. ^{[ 10 ]}

Los síntomas de un sensor de oxígeno defectuoso ^{[ 11 ]} incluyen:

• La luz del sensor en el tablero indica un problema,
• mayores emisiones de escape,
• mayor consumo de combustible,
• vacilación en la aceleración,
• estancamiento,
• ralentí irregular.

En los estudios de respiración del suelo, los sensores de oxígeno se pueden usar junto con sensores de dióxido de carbono para mejorar la caracterización de la respiración del suelo . Por lo general, los sensores de oxígeno del suelo utilizan una celda galvánica para producir un flujo de corriente proporcional a la concentración de oxígeno que se mide. Estos sensores se entierran a diferentes profundidades para monitorear el agotamiento del oxígeno a lo largo del tiempo, lo que luego se usa para predecir las tasas de respiración del suelo. Generalmente, estos sensores de suelo están equipados con un calentador incorporado para evitar la formación de condensación en la membrana permeable, ya que la humedad relativa puede alcanzar el 100 % en el suelo. ^{[ 14 ]}

En biología marina o limnología , las mediciones de oxígeno se realizan habitualmente para medir la respiración de una comunidad o un organismo, pero también se han utilizado para medir la producción primaria de algas . El método tradicional para medir la concentración de oxígeno en una muestra de agua ha sido mediante técnicas de química húmeda, como la titulación de Winkler . Sin embargo, existen sensores de oxígeno disponibles comercialmente que miden la concentración de oxígeno en líquidos con gran precisión. Hay dos tipos de sensores de oxígeno disponibles: electrodos (sensores electroquímicos) y optodos (sensores ópticos).

En las cervecerías , el oxígeno disuelto se mide en varios puntos del proceso de producción de cerveza, desde el control del oxígeno disuelto (OD) durante la aireación del mosto hasta la medición con un sensor de oxígeno traza (bajas concentraciones en partes por mil millones) en la línea de embotellado. Estas mediciones se realizan con un sensor de oxígeno disuelto en línea o con un medidor de oxígeno disuelto portátil. ^{[ 15 ]}

Los sensores de oxígeno desempeñan un papel fundamental en la producción de principios activos farmacéuticos en biorreactores mediante cultivo celular o fermentación . Dado que el oxígeno es esencial para la respiración celular, el sensor proporciona una medición crucial para asegurar que las células del biorreactor reciban el oxígeno necesario para maximizar la producción. La precisión del sensor es crucial, ya que la falta de oxígeno afecta negativamente la productividad y el exceso puede provocar alteraciones en el metabolismo celular. En los biorreactores, los sensores de oxígeno pueden instalarse verticalmente o en ángulo. Para instalaciones verticales, los sensores de oxígeno con punta angular proporcionan lecturas precisas. ^{[ 16 ]}

El electrodo tipo Clark es el sensor de oxígeno más utilizado para medir el oxígeno disuelto en un líquido. Su principio básico consiste en un cátodo y un ánodo sumergidos en un electrolito . El oxígeno entra al sensor a través de una membrana permeable por difusión y se reduce en el cátodo, generando una corriente eléctrica medible.

Existe una relación lineal entre la concentración de oxígeno y la corriente eléctrica. Mediante una calibración de dos puntos (0 % y 100 % de saturación de aire), es posible medir el oxígeno en la muestra.

Una desventaja de este método es que el oxígeno se consume durante la medición a una velocidad igual a la de difusión en el sensor. Esto significa que el sensor debe agitarse para obtener una medición correcta y evitar el estancamiento del agua . A medida que aumenta el tamaño del sensor, aumenta el consumo de oxígeno y, por consiguiente, la sensibilidad a la agitación. En sensores grandes, también suele producirse una deriva de la señal con el tiempo debido al consumo del electrolito. Sin embargo, los sensores tipo Clark pueden fabricarse con un tamaño de punta muy pequeño, de tan solo 10  μm. El consumo de oxígeno de este microsensor es tan bajo que resulta prácticamente insensible a la agitación y puede utilizarse en medios estancados, como sedimentos o dentro de tejidos vegetales.

Un optodo de oxígeno es un sensor basado en la medición óptica de la concentración de oxígeno. Una película química se adhiere a la punta de un cable óptico, y las propiedades de fluorescencia de esta película dependen de la concentración de oxígeno. La fluorescencia es máxima cuando no hay oxígeno presente. Cuanto mayor sea la concentración de oxígeno, menor será la vida útil de la fluorescencia. ^{[ 17 ] [ 18 ]} Cuando una molécula de O₂ _se acerca, colisiona con la película, lo que extingue la fotoluminiscencia . En una concentración de oxígeno dada, habrá un número específico de moléculas de O₂ _colisionando con la película en un momento dado, y las propiedades de fluorescencia serán estables.

La relación señal (fluorescencia)/oxígeno no es lineal, y un optodo es más sensible a bajas concentraciones de oxígeno. Es decir, la sensibilidad disminuye a medida que aumenta la concentración de oxígeno, siguiendo la relación de Stern-Volmer . Sin embargo, los sensores optodos pueden funcionar en todo el rango de saturación de oxígeno del 0% al 100% en agua, y la calibración se realiza de la misma manera que con el sensor tipo Clark. No se consume oxígeno, por lo que el sensor es insensible a la agitación, pero la señal se estabilizará más rápidamente si el sensor se agita después de introducirlo en la muestra. Este tipo de sensores de electrodos se pueden utilizar para el monitoreo in situ y en tiempo real de la producción de oxígeno en reacciones de disociación del agua. Los electrodos platinizados permiten el monitoreo en tiempo real de la producción de hidrógeno en dispositivos de disociación del agua.

Los optodos planares se utilizan para detectar la distribución espacial de las concentraciones de oxígeno en una lámina platinizada. Basándose en el mismo principio que las sondas optométricas, se utiliza una cámara digital para capturar las intensidades de fluorescencia en un área específica.