Sensor de óxido de nitrógeno

Un sensor de óxido de nitrógeno o sensor de NO _x es, por lo general, un dispositivo de alta temperatura diseñado para detectar óxidos de nitrógeno en entornos de combustión, como el tubo de escape de un automóvil , un camión o una chimenea .

El término NO _x representa varias formas de óxidos de nitrógeno, como NO ( óxido nítrico ), NO ₂ ( dióxido de nitrógeno ) y N ₂ O ( óxido nitroso , también conocido como gas hilarante). En un motor de gasolina , el NO es la forma más común de NO _x, con alrededor del 93%, mientras que el NO ₂ representa aproximadamente el 5% y el resto es N ₂ O. Existen otras formas de NO _x, como el N ₂ O ₄ (el dímero de NO ₂ ), que solo existe a bajas temperaturas, y el N ₂ O ₅ , por ejemplo. ^{[ 1 ]}

Mientras tanto, para los motores diésel, la situación de las emisiones es diferente. Debido a sus temperaturas de combustión mucho más elevadas (resultado de sus altas relaciones de compresión en los cilindros, así como de la turbocompresión o la sobrealimentación), los motores diésel producen emisiones de NO _x mucho mayores que los motores de gasolina de encendido por chispa. La reciente disponibilidad de la reducción catalítica selectiva (SCR) permite que los motores diésel debidamente equipados emitan valores de NO _x similares en el tubo de escape en comparación con un motor de gasolina típico con un catalizador de tres vías . El SCR transforma los óxidos de nitrógeno nocivos mediante la adición de la solución AdBlue , que reduce la contaminación ambiental y protege el sistema de escape. Además, el catalizador de oxidación diésel aumenta significativamente la fracción de NO ₂ en " NO _x " al oxidar más del 50 % del NO utilizando el exceso de oxígeno en los gases de escape diésel .

Los avances en la tecnología de sensores permiten a las personas monitorear la calidad del aire a través de sensores de bajo costo ampliamente distribuidos. ^{[ 2 ]} El impulso para desarrollar sensores de NO _x surge de factores ambientales. Los gases NO _x pueden causar varios problemas como smog y lluvia ácida . Muchos gobiernos alrededor del mundo han promulgado leyes para limitar sus emisiones (junto con otros gases de combustión como SOx (óxidos de azufre ), CO ( monóxido de carbono ) y CO ₂ ( dióxido de carbono ) e hidrocarburos ). Las empresas se han dado cuenta de que una forma de minimizar las emisiones de NO _x es primero detectarlas y luego emplear algún tipo de bucle de retroalimentación en el proceso de combustión, lo que permite minimizar la producción de NO _x por ejemplo, mediante la optimización de la combustión o la regeneración de trampas de NO _x . Por lo tanto, en muchas aplicaciones con sistemas de tratamiento de gases de escape, se utiliza un sensor de NOx aguas arriba del sistema de tratamiento de gases de escape (upstream) y un segundo sensor aguas abajo del sistema de tratamiento de gases de escape. El sensor aguas arriba se utiliza para el bucle de retroalimentación mencionado anteriormente. Mientras tanto, el sensor situado aguas abajo se utiliza principalmente para confirmar que no se han superado los límites de emisiones establecidos por la ley.

Debido a la alta temperatura del entorno de combustión, solo ciertos tipos de materiales pueden funcionar in situ . La mayoría de los sensores de NO _x desarrollados se han fabricado con óxidos metálicos de tipo cerámico , siendo el más común la zirconia estabilizada con itria (YSZ), que se utiliza actualmente en el sensor de oxígeno, con décadas de antigüedad . La YSZ se compacta en una cerámica densa y conduce iones de oxígeno (O ²⁻ ) a las altas temperaturas de un tubo de escape, como 400 °C o más. Para obtener una señal del sensor, se coloca un par de electrodos de alta temperatura, como metales nobles ( platino , oro o paladio ) u otros óxidos metálicos, sobre la superficie y se mide una señal eléctrica, como el cambio de voltaje o corriente, en función de la concentración de NO _x .

Los niveles de NO rondan las 50–1000 ppm ( partes por millón ) y los de NO₂ _las 10–100 ppm en un rango de 1–10% de O₂ _. El sensor debe ser muy sensible para detectar estos niveles.

The main challenges in the sensor development are selectivity, sensitivity, stability, reproducibility, response time, limit of detection, and cost. In addition due to the harsh environment of combustion the high gas flow rate can cool the sensor which alters the signal or it can delaminate the electrodes over time and soot particles can degrade the materials.

One of the major challenges faced by such gas sensors is humidity. The relative effect on signal response is highly subjective to the sensor type. Electrochemical sensors are mostly immune from humidity effect as water molecules help regulate the electrolyte concentration but long term exposure to dry gas can reduce the solvent concentration of the electrolyte. High amount of cross sensitivity has been observed in gas sensors due to similarity in electron exchange mechanism between target gases and water molecules.^[3]

• List of sensors