ES2245862A1 - Sensor de medicion de gas. - Google Patents
Sensor de medicion de gas.Info
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Abstract
Sensor de medición de gas, para la verificación de una propiedad física de un gas de medición, especialmente para la verificación de la concentración de oxígeno en el gas de medición, cuyo sensor de medición de gas contiene un elemento sensor (10) con una barrera de difusión (25), que está dispuesta entre una primera capa de electrolito sólido (21) y una segunda capa de electrolito sólido (22). La barrera de difusión (25) presenta una estricción (26) en un plano de las capas entre la primera y la segunda capa de electrolito sólido (21, 22), es decir, que una primera superficie, que recibe la barrera de difusión (25) en un plano, que se encuentra entre el lado de la primera capa de electrolito fijo (21), que está dirigido hacia la barrera de difusión, y el lado de la segunda capa de electrolito sólido (22), que está dirigido hacia la barrera de difusión (25), es menor que una segunda superficie, sobre la que la barrera de difusión (25) cubre la primera o la segunda capa de electrolito sólido(21, 22). Para la fabricación del elemento sensor (10) se aplica sobre una lámina verde una primera capa de una pasta que contiene un formador de poros y a continuación se aplica una segunda capa de la pasta que contiene un formador de poros.
Description
Sensor de medición de gas.
La invención parte de un sensor de medición de
gas y de un procedimiento para la fabricación de un sensor de
medición de gas según el preámbulo de las reivindicaciones
independientes.
Se conocen, por ejemplo, por el documento DE 198
17 012 sensores de medición de gas de este tipo. El sensor de
medición de gas contiene un elemento sensor, que está fijado y
cerrado herméticamente en una carcasa. El elemento sensor está
constituido en forma de capas estratificadas y presenta una primera
y una segunda capa de electrolito sólido. Entre las dos capas de
electrolito sólido está prevista una cámara de gas de medición, en
la que están dispuestos, sobre lados opuestos, un primero y un
segundo electrodo anular. El gas de medición que se encuentra fuera
del elemento sensor, cuya concentración de oxígeno debe
determinarse con el sensor de medición de gas, puede llegar a través
de un orificio de entrada de gas en la primera capa de electrolito
sólido y a través de una barrera de difusión de forma cilíndrica
hueca a la cámara de medición de gas. La barrera de difusión está
dispuesta en el plano de las capas entre la primera y la segunda
capa de electrolito sólido. La superficie envolvente interior y
exterior de la barrera de difusión están alineadas
perpendicularmente al plano de las capas del elemento sensor. El
orificio de entrada de gas se realiza por medio de un taladro, que
se efectúa en la barrera de difusión. De esta manera, el orificio
de entrada de gas y la barrera de difusión tienen el mismo
diámetro interior. La cámara de medición de gas está cerrada
herméticamente por el lateral por medio de un bastidor de
obturación.
Tales elementos sensores planos se fabrican
imprimiendo láminas verdes cerámicas (capas de electrolito sólido
no sinterizadas) con capas funcionales en la técnica de impresión
con tamiz de seda. Las láminas verdes impresas son laminadas
juntas y sinterizadas. La primera capa de electrolito sólido se
forma antes del sinterizado por medio de una primera lámina verde,
la segunda capa de electrolito sólido se forma por una segunda
lámina verde.
Para la fabricación de la estructura entre la
primera y la segunda capa de electrolito sólido se forma, por
ejemplo, sobre las primeras láminas verdes en primer lugar el
primer electrodo de forma anular, luego la barrera de difusión de
forma cilíndrica hueca, a continuación sobre el primer electrodo
así como en el orificio de la barrera de difusión una pasta para
cavidades huecas que contiene formadores de poros, que forma,
después del sinterizado, la cámara de gas de medición o bien una
sección del orificio de entrada de gas, y finalmente sobre la pasta
para cavidades huecas para la cámara de gas de medición el segundo
electrodo. La primera lámina verde impresa (base de impresión) es
laminada conjuntamente con la segunda lámina verde no impresa.
Es desfavorable que a través del proceso de
impresión con tamiz de seda y en virtud de las propiedades de la
pasta que forma la barrera de difusión, la superficie envolvente de
la barrera de difusión esté alineada inclinada con respecto a la
superficie grande del elemento sensor. Por lo tanto, la barrera de
difusión tiene sobre el lado dirigido hacia la base de impresión
(primera capa de electrolito sólido) un diámetro interior menor y
un diámetro exterior mayor que sobre el lado alejado de la base de
impresión. De esta manera, el trayecto que ha de recorrer el gas
de escape en la barrera de difusión sobre el lado dirigido hacia la
primera capa de electrolito sólido es mayor que sobre el lado
dirigido hacia la segunda capa de electrolito sólido. Puesto que
en el caso de sondas de oxígeno, que trabajan según el principio
de corriente límite , el resultado de la medición depende de la
difusión del gas de medición a través de la barrera de difusión, es
deseable que la barrera de difusión esté constituida lo más
simétrica posible, para que varíe en la menor medida posible el
trayecto recorrido por el gas de escape dentro de la barrera de
difusión.
Además, en el caso de barreras de difusión con
superficies laterales inclinadas, se incrementa la dependencia de
la señal de medición de las modificaciones dinámicas de la presión.
Esto no es deseable, puesto que para la regulación del motor no se
necesita la presión parcial del oxígeno, sino la concentración de
oxígeno en el gas de escape.
Además, es un inconveniente que la barrera de
difusión se pueda desprender de la segunda capa de electrolito
sólido en el caso de carga vibratoria fuerte, puesto que la
superficie, con la que la barrera de difusión está conectada con la
segunda capa de electrolito sólido, es menor que la superficie, con
la que la barrera de difusión está conectada con la primera capa de
electrolito sólido (base de impresión).
Si se realiza el orificio en la barrera de
difusión por medio de un taladro, de manera que el orificio está
alineado perpendicularmente a la superficie grande del elemento
sensor, entonces es un inconveniente que el taladro es costoso desde
el punto de vista de la técnica de fabricación, y que el diámetro
interior de la barrera de difusión no se puede diseñar mayor que el
diámetro del orificio de entrada de gas.
El sensor de medición de gas según la invención
así como el procedimiento según la invención para la fabricación
del sensor de medición de gas con los rasgos característicos de
las reivindicaciones independientes tiene, en cambio, la ventaja
de que se reducen de una manera sencilla desde el punto de vista de
la técnica de fabricación las diferencias en las vías de difusión
a través de la barrera de difusión, no estando limitada la
configuración de la barrera de difusión, especialmente la selección
del diámetro interior, a través del procedimiento de
fabricación.
A tal fin, la barrera de difusión presenta dos
secciones. La primera sección de la barrera de difusión se fabrica
aplicando la pasta que forma la barrera de difusión después del
sinterizado sobre la primera lámina verde (primera capa de
electrolito sólido después del sinterizado. En una segunda etapa de
impresión se aplica la segunda sección de la barrera de difusión
sobre la primera sección de la barrera de difusión. La primera
lámina verde es laminada a continuación junto con la segunda
lámina verde (segunda capa de electrolito sólido después del
sinterizado) y se sinteriza. Después del sinterizado, la barrera de
difusión presenta entre sus dos secciones una estricción.
A través de las medidas indicadas en las
reivindicaciones dependientes son posibles desarrollos ventajosos
del procedimiento mencionado en la reivindicación
independiente.
De manera ventajosa, la estricción se encuentra
en el centro entre la primera y la segunda capa de electrolito
sólido, puesto que de esta manera se reducen al mínimo las
diferencias en las vías de difusión.
La barrera de difusión está configurada como
cilindro hueco, a cuyo espacio interior conduce un orificio de
entrada de gas realizado en la primera capa de electrolito sólido.
La barrera de difusión está rodeada por una cavidad (cámara de gas
de medición) igualmente de forma cilíndrica hueca, en la que está
dispuesto al menos un electrodo sobre la primera y/o la segunda
capa de electrolito sólido. El gas de medición que se encuentra
fuera del gas de escape puede llegar a través del orificio de
entrada de gas y la barrera de difusión a la cámara de gas de
medición y, por lo tanto, a los electrodos.
En un desarrollo de la invención, el orificio de
entrada de gas presenta un diámetro de 0,2 a 0,4 mm, con
preferencia de 0,3 mm. El diámetro interior de la barrera de
difusión es, en la región de la estricción de 0,05 a 0,2 mm, con
preferencia en torno a 0,1 mm, mayor que el diámetro del orificio de
entrada de gas. Con un orificio de entrada de gas y con una barrera
de difusión configurados de esta manera se reduce la dependencia
de la señal de medición de las modificaciones dinámicas de la
presión, puesto que se consigue un efecto de dilución para el
impulso de gas entrante.
De manera ventajosa, la primera lámina verde es
impresa en la secuencia siguiente: primer electrodo, primera
sección de la barrera de difusión, cámara de gas de medición y
cámara interior de la barrera de gas de difusión (orificio de
salida de gas) por medio de una pasta para cavidades huecas, segunda
sección de la barrera de difusión, segundo electrodo (en este
caso, las diferentes capas pastosas impresas están designadas con
los elementos que forman después del sinterizado a partir de la
capa impresa respectiva).
En el dibujo se representa un ejemplo de
realización de la invención y se explica, en detalle, por medio de
la descripción siguiente. La figura 1 muestra como ejemplo de
realización de la invención un elemento sensor en representación en
sección (sección perpendicularmente al eje longitudinal del elemento
sensor según la línea I-I en la figura 2, la figura
2 muestra el elemento sensor en representación en sección según las
líneas II-II en la figura 1.
Las figuras 1 y 2 muestran, como ejemplo de
realización de la invención, un elemento sensor 10 con una primera
capa de electrolito sólido 21, una segunda capa de electrolito
sólido 22 y una tercera capa de electrolito sólido 23.
Entre la segunda y la tercera capa de electrolito
sólido 22, 23 está prevista una instalación de calefacción 51, que
contiene un radiador 52 y un aislamiento 53 del radiador. El
aislamiento 53 del radiador rodea totalmente el radiador 52y de
esta manera aisla el radiador 52 de las capas de electrolito sólido
22, 23 circundante.
Entre la primera y la segunda capa de electrolito
sólido 21, 22 está dispuesta una barrera de difusión 25 de forma
cilíndrica hueca, que está rodeada por una cámara de gas de
medición 43. La cámara de gas de medición 43 es igualmente de forma
cilíndrica hueca y está configurada como cavidad. El plano de las
capas entre la primera y la segunda capa de electrolito sólido 21,
22 y, por lo tanto, especialmente la cámara de gas de medición
43están cerrados herméticamente por medio de un bastidor de
obturación 45, que se extiende hasta las superficies laterales del
elemento sensor 10. En la primera capa de electrolito sólido 21.
cuya superficie grande forma una superficie exterior del elemento
sensor 10, está realizado un orificio de entrada de gas 41, que
conduce hacia el centro de la barrera de difusión 25. Por lo
tanto, el gas de escape puede llegar a través del orificio de
entrada de gas 41 y de la barrera de difusión 25 hacia la cámara de
gas de medición 43. Entre la primera y la segunda capa de
electrolito sólido 21, 22 está dispuesta, además, una cámara de
gas de referencia 42, que está separada de forma hermética al gas
de la cámara de gas de medición 43 por medio de un elemento de
separación 44. La cámara de gas de referencia 42 contiene como
atmósfera de referencia un gas con una presión parcial del oxígeno
alta, por ejemplo aire ambiental.
En la cámara de gas de medición 43 está aplicado,
sobre la primera capa de electrolito sólido 21, un primer electrodo
31 de forma anular y sobre la segunda capa de electrolito sólido 22
está aplicado un segundo electrodo 32 de forma anular. Sobre la
superficie exterior de la primera capa de electrolito sólido 21
está previsto un tercer electrodo 33, que está cubierto con una
capa de protección porosa (no representada). En la cámara de gas de
referencia está previsto un cuarto electrodo 34 sobre la segunda
capa de electrodo sólido 22.
El segundo y el cuarto electrodo 32, 34 forman
junto con la segunda capa de electrodo 22 una cédula
electroquímica, que es accionada como célula de Nernst por medio
de un circuito que está dispuesto fuera del elemento sensor 10. El
primer electrodo 31 y el tercer electrodo 33 así como la primera
capa de electrolito sólido 21 forman otra célula electroquímica,
que es accionada a través del circuito como célula de bombeo. El
elemento sensor 10 forma de esta manera una llamada sonda Lambda de
banda ancha, que trabaja según el principio de la corriente límite.
A través de la célula de bombeo se bombea oxígeno al interior de la
cámara de gas de medición 43 y se expulsa por bombeo fuera de la
cámara de gas de medición, de tal manera que la tensión que se
encuentra en la cédula de Nernst corresponde a una presión parcial
del oxígeno de aproximadamente lambda = 1. El oxígeno que circula a
través de la barrera de difusión 25 es proporcional al gas de
medición que está presente fuera del elemento sensor 10. Puesto
que todo el oxígeno que circula a la cámara de gas de medición 43
es bombeado hacia fuera, o bien puesto que se bombea precisamente
tanto oxígeno a la cámara de gas de medición 43 que el oxígeno
reacciona casi completamente con otros componentes del gas, la
corriente de bombeo de la célula de bombeo es proporcional a la
presión parcial del oxígeno en el gas de medición. Por lo tanto,
las propiedades de la barrera de difusión tienen una influencia
grande sobre la medición.
El área de la sección transversal en el plano
medio entre la primera y la segunda capa de electrolito sólido 21,
22 de la barrera de difusión 25 es menor que el área, con la que
la barrera de difusión 25 cubre la primera y/o la segunda capa de
electrolito sólido 21, 22. De esta manera, la barrera de difusión 25
presenta una estricción en el plano medio entre la primera y la
segunda capa de electrolito sólido 21, 22.
En la descripción siguiente del procedimiento
para la fabricación del elemento sensor 10 se utilizan las mismas
designaciones y signos de referencia para los elementos del
elemento sensor 10 antes y después del sinterizado. El técnico
conoce que las capas de electrolito sólido están presentes antes del
sinterizado en forma de láminas verdes. Estas láminas verdes son
impresas en la técnica de impresión con tamiz de seda con capas
funcionales que están presentes en forma de pastas. Las capas
funcionales pastosas se diferencian en su composición. Así, por
ejemplo, los electrodos 31, 32, 33, 34 o el radiador 52 se imprimen
sobre las láminas verdes en forma de una pasta Cermet que contiene
platino. Para las capas de aislamiento (aislamiento 53 del
radiador) se emplean pastas que contienen óxido de aluminio. Para
la fabricación de una capa porosa (barrera de difusión 25) o de
una cavidad (cámara de gas de medición 43) se utilizan pastas que
contienen un formador de poros, que se volatiliza durante el
sinterizado. La diferente composición de las capas funcionales
pastosas es conocida por el técnico.
Para la fabricación del elemento sensor 10 se
aplican, sobre la primera capa de electrolito sólido 21, las
siguientes capas en la secuencia indicada: el primer electrodo 31,
la primera sección 25a de la barrera de difusión 25, sobre el
primer electrodo 31 una pasta para cavidades huecas para la cámara
de gas de medición 43 así como en la misma etapa de impresión se
imprime la pasta para cavidades huecas en la región del orificio de
entrada de gas 41, sobre la primera sección 25a de la barrera de
difusión 25 se imprime la segunda sección 25b de la barrera de
difusión 25, y sobre la pasta para cavidades huecas para la cámara
de gas de medición 43 se imprime el segundo electrodo 32. Además,
en otras publicaciones (sin indicación de una secuencia), sobre la
primera capa de electrolito sólido 21 se imprimen el bastidor de
obturación 45, el elemento de separación 44, el cuarto electrodo 34
así como la pasta para cavidades para la cámara de gas de
referencia 42.
Sobre la tercera capa de electrolito sólido 23 se
imprime una primera sección del aislamiento 53 del radiador, encima
el radiador 52 y de nuevo encima una segunda sección del
aislamiento 53 del radiador. Las dos secciones del aislamiento 53
del radiador no están representadas explícitamente en las figuras.
La primera capa de electrolito sólido 21 se imprime por ambos lados.
Sobre el lado de la primera capa de electrolito sólido 21, que
forma la superficie exterior del elemento sensor 10, se imprime el
tercer electrodo 33 así como la capa de protección (no
representada) que cubre el tercer electrodo.
Las capas de electrolito sólido impresas son
laminadas juntas. A continuación se realiza el orificio de entrada
de gas 41 en la primera capa de electrolito sólido 21. Como una
alternativa, el orificio de entrada de gas 41 se pude realizar
también ya antes de la laminación conjunta, por ejemplo, por medio
de estampación en la primera capa de electrolito sólido. El
compuesto laminado es sinterizado a continuación. En virtud de las
propiedades de las patas para la barrera de difusión 25 se forma
una estricción sobre la superficie envolvente interior y sobre la
superficie envolvente exterior de la barrera de difusión 25 entre
las dos secciones 25a, 25b.
Claims (18)
1. Sensor de medición de gas para la verificación
de una propiedad física de un gas de medición, especialmente para
la verificación de la concentración de oxígeno en el gas de
medición, con un elemento sensor (10), que contiene una barrera de
difusión (25), que está dispuesta entre una primera capa de
electrolito sólido (21) y una segunda capa de electrolito sólido
(22), caracterizado porque la barrera de difusión (25)
presenta una estricción (26) en un plano de las capas entre la
primera y la segunda capa de electrolito sólido (21, 22).
2. Sensor de medición de gas según la
reivindicación 1, caracterizado porque la estricción (26) se
encuentra en un plano de las capas en una región media entre la
primera y la segunda capa de electrolito sólido (21, 22).
3. Sensor de medición de gas para la verificación
de una propiedad física de un gas de medición, especialmente para
la verificación de la concentración de oxígeno en el gas de
medición, con preferencia según la reivindicación 1 o 2, que
contiene una barrera de difusión (25), que está dispuesta entre una
primera capa de electrolito sólido (21) y una segunda capa de
electrolito sólido (22), caracterizado porque una primera
superficie, que recibe la barrera de difusión (25) en un plano,
que se encuentra entre el lado de la primera capa de electrolito
fijo (21) que está dirigido hacia la barrera de difusión, y el
lado de la segunda capa de electrolito sólido (22), que está
dirigido hacia la barrera de difusión (25), es menor que una
segunda superficie, sobre la que la barrera de difusión (25) cubre
la primera o la segunda capa de electrolito sólido (21, 22).
4. Sensor de medición de gas según la
reivindicación 3, caracterizado porque la primera
superficie, que recibe la barrera de difusión (25) en el plano, que
se encuentra en una región media entre la primera y la segunda capa
de electrolito sólido (21, 22), es menor que la segunda
superficie, sobre las que la barrera de difusión (25) cubre la
primera o la segunda capa de electrolito sólido (21, 22).
5. Sensor de medición de gas según la
reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque el área mínima de
la sección transversal de la barrera de difusión (25) paralelamente
al área grande del elemento sensor (10) se encuentra en la región
media entre la primera y la segunda capa de electrolito sólido (21,
22).
6. Sensor de medición de gas según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la barrera
de difusión (25) está configurada en forma cilíndrica hueca, y
porque en la primera capa de electrolito sólido (21) está realizado
un orificio de entrada de gas (41), a través del cual la barrera de
difusión (25) está conectada con el gas de medición que se encuentra
fuera del elemento sensor (10).
7. Sensor de medición de gas según la
reivindicación 6, caracterizado porque la estricción (26)
está prevista sobre la superficie envolvente exterior y/o interior
de la barrera de difusión (25) en forma cilíndrica hueca.
8. Sensor de medición de gas según la
reivindicación 6 ó 7, caracterizado porque el orificio de
entrada de gas (41) presenta un diámetro de 0,2 a 0,4 mm, con
preferencia de 0,3 mm, y porque el diámetro interior de la barrera
de difusión (25) es en la región de la estricción (26) de 0,05 a
0,2 mm, con preferencia en torno a 0,1 mm, mayor que el diámetro
del orificio de entrada de gas (41).
9. Sensor de medición de gas según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la barrera
de difusión (25) está rodeada por una cámara de gas de medición
(43) de forma cilíndrica hueca, configurada como cavidad, que está
delimitada por la primera y por la segunda capa de electrolito
sólido (21, 22).
10. Sensor de medición de gas según la
reivindicación 9, caracterizado porque el volumen de la
cámara de gas de medición (43) es en el factor 3 a 7, con
preferencia en el factor 4, mayor que el volumen de la barrera de
difusión.
11. Sensor de medición de gas según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
elemento sensor (10) presenta un primer electrodo (31), al que
puede llegar el gas de medición que se encuentra fuera del elemento
sensor (10) a través del orificó de entrada de gas (41) y de la
barrera de difusión 25.
12. Sensor de medición de gas según la
reivindicación 11, caracterizado porque el primer electrodo
(31) de forma anular está dispuesto en la cámara de gas de
medición (43) sobre la primera capa de electrolito sólido (21).
13. Sensor de medición de gas según la
reivindicación 11 o 12, caracterizado porque está previsto
un segundo electrodo (32), que está dispuesto en la cámara de gas
de medición (43) sobre el lado opuesto al primer electrodo (31)
sobre segunda capa de electrolito sólido (22).
14. Sensor de medición de gas según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
elemento sensor (10) presenta una instalación de calefacción (51),
que comprende un radiador (52) y un aislamiento (53) del radiador,
donde el aislamiento (53) del radiador aisla eléctricamente al
radiador (52) contra las capas de electrolito sólido (21, 23)
circundantes.
15. Procedimiento para la fabricación de un
elemento sensor plano (10) en un sensor de medición de gas para la
verificación de una propiedad física de un gas de medición,
especialmente para la verificación de la concentración de oxígeno
en el gas de medición, con preferencia según una de las
reivindicaciones anteriores, donde sobre una primera lámina verde
se aplica una primera capa de una pasta que contiene un formador de
poros, donde a continuación la primera lámina verde impresa es
laminada junto con una segunda lámina verde y el compuesto
resultante es sinterizado a continuación y a través del proceso de
sinterizado se volatiliza el formador de poros que está contenido
en la primera capa, de manera que se configura una barrera de
difusión (25), caracterizado porque antes de la laminación
conjunta, sobre la primera capa constituida por la pasta que
contiene un formador de poros, se aplica una segunda capa con la
pasta que contiene un formador de poros, y porque ambas capas
forman la barrera de difusión (25) después del sinterizado.
16. Procedimiento según la reivindicación 15,
caracterizado porque a primera capa forma, después del
sinterizado, una primera sección (25a) de la barrera de difusión
(25) y porque la segunda capa forma, después del sinterizado, una
segunda sección (25b) de la barrera de difusión (25), y porque la
barrera de difusión (25) presenta una estricción (26) entre su
primera y la segunda sección (25a, 25b).
17. Procedimiento según la reivindicación 15,
caracterizado porque la primera capa forma, después del
sinterizado, una primera sección (25a) de la barrera de difusión
(25) y porque la segunda capa forma, después del sinterizado, una
segunda sección (25b) de la barrera de difusión (25), y porque la
superficie entre la primera y la segunda sección (25a, 25b) de la
barrera de difusión es menor que la superficie, con la que la
barrera de difusión (25) contacta con la primera y la segunda capa
de electrolito sólido (21, 22).
18. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 15 a 17, caracterizado porque en una
primera etapa de impresión se aplica sobre la primera lámina verde
una pasta de electrodo que forma, después del sinterizado, un primer
electrodo, porque en una segunda etapa de impresión se aplica la
primera capa de la pasta que contiene un formador de poros, porque
en una tercera etapa de impresión se aplica sobre la pasta de
electrodos una pasta para cavidades huecas, porque en una cuarta
etapa de impresión se aplica la segunda capa de la pasta que
contiene un formador de poros, y porque en una quinta etapa de
impresión se aplica sobre la pasta para cavidades huecas una pasta
de electrodos que forma un segundo electrodo después del
sinterizado.
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