ES2334353T3 - Elemento sensor para determinar la concentracion de oxigeno en un gas de tubo de escape de un motor de combustion y metodo para su produccion. - Google Patents
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Abstract
Elemento sensor (10) para evaluar una propiedad física de un gas de prueba a medir, con una primera lámina de electrolito sólido (21) y una segunda lámina de electrolito sólido (22) y con una barrera de difusión (41) dispuesta en un plano de capa entre la primera y la segunda lámina de electrolito sólido (21, 22), caracterizado porque sobre la barrera de difusión (41) está provista zonalmente una capa de recubrimiento (44) impermeable a los gases o está provista una capa de recubrimiento (44), en la cual la cantidad del gas de prueba que fluye a través de la capa de recubrimiento (44) corresponde como máximo a un 10 por ciento de la cantidad total del gas de prueba que fluye a través de la barrera de difusión (41), de manera que en las zonas en las cuales está provista la capa de recubrimiento (44) sobre la barrera de difusión (44), por lo menos se impide ampliamente la difusión del gas de prueba en o desde la barrera de difusión (41).
Description
Elemento sensor para determinar la concentración
de oxígeno en un gas de tubo de escape de un motor de combustión y
método para su producción.
La invención trata de un elemento sensor y de un
método para la producción del elemento sensor según el concepto
genérico de las respectivas reivindicaciones independientes.
A partir de la DE 198 17 012 A1 se conoce por
ejemplo un elemento sensor semejante y un método para la producción
del elemento sensor. Entre una primera y una segunda lámina de
electrolito sólido, el elemento sensor exhibe una barrera de
difusión en forma anular que está rodeada por un espacio anular del
gas de prueba a medir. En el espacio del gas a medir se disponen
electrodos, a los cuales puede llegar un gas a medir ubicado fuera
del elemento sensor a través de una abertura para el acceso del gas
hecha en la primera lámina de electrolito sólido y de la barrera de
difusión.
Además, se conocen elementos sensores en los
cuales el acceso del gas ocurre a través de aberturas dispuestas en
el plano de la capa entre la primera y la segunda lámina de
electrolito sólido.
En compensación a las fluctuaciones de la
resistencia de difusión de la barrera de difusión, motivadas por la
producción, se varía de manera dirigida el diámetro del hueco de
acceso del gas, y con ello el diámetro interno en la barrera de
difusión. Para ello, en primer lugar se sinteriza un elemento sensor
que proviene de una carga y se determina la denominada corriente
limitante (flujo de bomba) de este elemento sensor, y mediante los
resultados de medida se calcula el diámetro interno deseado de la
barrera de difusión, y en los otros elementos sensores provenientes
de la misma carga se ajusta el diámetro interno establecido mediante
la acción de un taladro.
En este contexto es desventajoso que el método
para establecer la corriente limitante en el elemento sensor
sinterizado y el ajuste inmediatamente posterior del diámetro
interno de la barrera de difusión y de la abertura de acceso del
gas, sea dispendioso en tiempo e intenso en costos. Además, es
desventajoso que incluso después de la corrección arriba descrita
de las fluctuaciones motivadas por la producción en la resistencia
de difusión, la corriente limitante puede dentro de, porque el
nivel de la barrera de difusión puede someterse a una dispersión
dentro de una carga.
El elemento sensor acorde con la invención y el
método para producción del elemento sensor acorde con la invención,
con los rasgos característicos de la respectiva reivindicaciones
independientes, tienen por el contrario como ventaja que la barrera
de difusión puede ser elaborada con mayor exactitud después del
sinterizado, de manera sencilla, eficiente en términos de tiempo y
económica en cuanto a costos, para compensar las fluctuaciones en
la resistencia de difusión motivadas por la producción
industrial.
Para este propósito, la barrera de difusión que
está dispuesta entre una primera y una segunda lámina de electrolito
sólido se recubre con una capa de recubrimiento sobre su lado
orientado hacia el gas a medir. La capa de recubrimiento es
impermeable al gas o por lo menos ampliamente impermeable al gas. De
esta manera, la barrera de difusión y/o la capa de recubrimiento
son elaboradas mediante una abertura a través para acceso del gas,
la cual es elaborada en la primera lámina de electrolito sólido, y
de este modo se ajusta la resistencia de difusión de la barrera de
difusión en el elemento sensor sinterizado.
Además, es ventajoso un método en el cual la
barrera de difusión dentro del elemento sensor sinterizado se
retire mediante un láser. En este contexto, es ventajoso que durante
la remoción de la barrera de difusión mediante el láser, pueda
medirse la resistencia de difusión de la barrera de difusión,
estableciendo la corriente límite de una celda electroquímica del
elemento sensor.
En el sentido de este escrito, se entiende por
un recubrimiento ampliamente impermeable al gas, un recubrimiento
en el que la cantidad del gas a medir que fluye a través de la capa
de recubrimiento corresponde como máximo al 10% de la cantidad
total de gas a medir que fluye a través de la barrera de
difusión.
Mediante las medidas listadas en las
reivindicaciones dependientes, son posibles perfeccionamientos
ventajosos del elemento sensor mencionado en las reivindicaciones
independientes y del método para la elaboración del elemento
sensor.
Preferiblemente, la capa de recubrimiento exhibe
un orificio a través del cual el gas de prueba puede llegar al
electrodo a través de la barrera de difusión; el orificio está
dispuesto en una barrera de difusión cilíndrica o cilíndrica hueca,
de manera centrada sobre la barrera de difusión, es decir, por
ejemplo, como orificio circular cuyo punto medio está sobre el eje
simétrico de la barrera de difusión. Mediante ello se garantiza que
el camino de difusión del gas de prueba sea igual en gran medida
hacia todas las zonas del electrodo. Para ello se prefiere además
que la superficie cubierta por la capa de recubrimiento de la
barrera de difusión esté dispuesta de manera paralela a un nivel de
capa del elemento sensor, y que la primera lámina de electrolito
sólido esté provista de un orificio (abertura para acceso de gas);
la capa de recubrimiento está dispuesta sobre el lado que limita
con la abertura para acceso de gas de la barrera de difusión.
Se prefiere que las aberturas para acceso de gas
tengan forma cilíndrica y que las barreras de difusión tengan forma
cilíndrica hueca. La capa de recubrimiento está configurada de forma
anular y exhibe un agujero de forma circular. Los correspondientes
puntos medios o bien los ejes centrales se encuentran
respectivamente uno sobre otro. El diámetro d_{1} de la abertura
de acceso de gas, el diámetro interno d_{2} de la barrera de
difusión, el diámetro exterior d_{3} de la barrera de difusión y
el diámetro d_{4} de los agujeros de forma circular satisfacen de
manera ventajosa la relación d_{4} < d_{1} < d_{3}. De
forma particularmente ventajosa d_{1} está en el rango de 0,6 mm
a 1,8 mm y/o d_{2} está en el rango de 0,2 mm a 0,6 mm y/o
d_{3} está en el rango de 1,8 mm a 3,0 mm y/o d_{4} está en el
rango de 0,2 mm a 0,6 mm.
En una forma preferida de de realización, se
cumple la relación d_{2} \leqd_{4} < d_{1}. En esta
forma de realización el acceso de gas se efectúa tanto por el radio
interno de la barrera de difusión como también por la zona no
cubierta de la capa de recubrimiento de la barrera de difusión.
Mediante esto, una parte del gas de escape tiene un trayecto de
difusión más corto y se aumenta el flujo de difusión a través de la
barrera de difusión.
En otra forma preferida de realización d4 \leq
d2, de modo que la capa de recubrimiento sobresale sobre el radio
interior de la barrera difusión y con ello protege la barrera de
difusión del depósito de los componentes dañinos del gas de escape.
Preferiblemente, el espesor de capa de la capa de recubrimiento es
por lo menos tan grande como el espesor de capa de la barrera de
difusión de manera que se garantiza la estabilidad mecánica de la
zona que sobresale de la capa de recubrimiento.
De modo alternativo a la geometría de forma
cilíndrica hueca, para la abertura de acceso de gas, la barrera de
difusión y el espacio de gas a medir también puede proveerse una
geometría lineal, en la que se disponen uno detrás de otro la
barrera de difusión y el espacio de gas a medir y exhiben
aproximadamente el mismo ancho y la misma altura (incluyendo la
capa de recubrimiento). La abertura para acceso de gas se elabora,
por ejemplo, como una rendija en la primera lámina de electrolito
sólido y el ancho de la rendija corresponde al ancho de la barrera
de difusión.
En una forma alternativa de realización, entre
la capa de recubrimiento y la primera lámina de electrolito sólido
se dispone otra barrera de difusión. El gas a medir o un componente
del gas a medir puede así alcanzar los electrodos a través del
agujero en la capa de cubrimiento y a través de la barrera de
difusión o directamente por la otra barrera de difusión. El gas a
medir que se difunde a través de la otra barrera de difusión no
fluye a través del agujero en la capa de recubrimiento
recubrimiento. De este modo, la resistencia de difusión se compone
de un componente de la otra barrera de difusión y de un componente
del agujero en la capa de recubrimiento y de la barrera de
difusión. Mediante la repartición del flujo de difusión en dos
ramales se simplifica la igualación de la resistencia de difusión,
puesto que el flujo completo de difusión no tiene lugar a través
del agujero de la capa de recubrimiento. De modo ventajoso, el
diámetro interno de la otra barrera de difusión es mayor que el
diámetro interno de la abertura de acceso de gas.
Preferiblemente, la barrera de difusión es
removida por medio de un láser a través de la abertura de acceso
del gas. Antes de la remoción, la abertura para el acceso del gas
también es llenada por lo menos zonalmente con la barrera de
difusión. Esto simplifica la accesibilidad para el láser y aumenta
el volumen, que puede ser removido mediante el láser.
En un método alternativo para igualar la
resistencia de difusión de la barrera de difusión, la capa de
recubrimiento y/o la barrera de difusión son removidas mediante un
láser a través de la abertura para el acceso de gas. La remoción
ocurre en el elemento sensor sinterizado, es decir después del
proceso de sinterización.
Preferiblemente, durante la remoción de la
barrera de difusión se establece la corriente límite y se controla
la remoción con base en la corriente límite establecida. Para esto,
una celda electroquímica del elemento sensor se pone en contacto
con una tensión eléctrica, y uno de los electrodos de la celda
electroquímica se dispone en la dirección de difusión detrás de la
barrera de difusión. La tensión eléctrica es tan alta que el
oxígeno total, el cual fluye por la barrera de difusión a través de
la celda electroquímica desde el electrodo que está ubicado detrás
de la barrera de difusión, se bombea hacia afuera (corriente
límite). Se continúa la remoción hasta que se alcanza un valor
prescrito para la corriente límite. La medición de la corriente
limitante también puede efectuarse antes y/o después de la remoción
de la barrera de difusión, o la remoción puede ser suspendida
durante la determinación de la corriente límite.
El residuo que surge por la remoción de la
barrera de difusión se retira preferiblemente mediante un flujo de
gas que se dirige a través de una boquilla de inyección por la
barrera de difusión o por la zona correspondiente de la barrera de
difusión. Para no falsear la corriente limitante que se va a
determinar, el flujo de gas tiene una presión parcial de oxígeno
definida, preferiblemente la presión parcial de oxígeno del aire, y
es calentado a una temperatura de aproximadamente 750 grados
celsius.
\vskip1.000000\baselineskip
En el dibujo se representan ejemplos de
realización de la invención y en la siguiente descripción son
aclarados en más detalle.
La figura 1 muestra un corte longitudinal por un
primer ejemplo de realización de la invención, la figura 2 muestra
un corte por el primer ejemplo de realización de la invención según
la línea II-II en la figura 1, la figura 3 muestra
un sector de un corte por un segundo ejemplo de realización de la
invención, la figura 3a muestra un sector de un corte por un
ejemplo más de realización de la invención, la figura 4 muestra una
vista superior del segundo ejemplo de realización de la invención en
la dirección indicada en la figura 3, la figura 5 muestra un tercer
ejemplo de realización de la invención en una representación de
corte, y las figuras 6a y 6b muestran un cuarto ejemplo de
realización de la invención antes y después de la remoción de una
zona de la barrera de difusión con un láser.
Las figuras 1 y 2 muestran como primer ejemplo
de realización de la invención un elemento sensor 10 con una
primera, una segunda y una tercera lámina de electrolito sólido 21,
22, 23. Sobre el lado exterior de la lámina de electrolito sólido
21 está dispuesto un primer electrodo anular 31, al cual se anexa un
conducto 31a al primer electrodo 31. El primer electrodo 31 está
recubierto con una capa porosa de protección 45.
En la primera lámina de electrolito sólido 21
dentro de la abertura del primer electrodo 31 se presenta una
abertura para el acceso de gas 59 con una superficie de carcasa 51,
la cual exhibe un diámetro d_{1}.
Entre la primera y la segunda lámina de
electrolito sólido 21, 22 está dispuesta una barrera de difusión
cilíndrica hueca 41. La barrera de difusión 41 exhibe una
superficie interna de carcasa 52 con un diámetro d_{2} y una
superficie externa de carcasa 53 con un diámetro d_{3}. La
superficie externa de carcasa 53 de la barrera de difusión 41 está
rodeada por un espacio de gas a medir 42 que es, así mismo,
cilíndrico hueco.
Adicionalmente, entre la primera y la segunda
lámina de electrolito sólido 21, 22 está dispuesto un espacio de
gas de referencia 43, el cual se extiende desde el espacio de gas a
medir 42 en dirección longitudinal del elemento sensor 10 y está
relleno de un material cerámico de baja porosidad. Entre el espacio
de gas a medir 42 y el espacio de gas de referencia 43 está
dispuesto un marco de sellamiento 61. El marco de sellamiento 61
rodea completamente el espacio de gas a medir 42 y lo sella hacia
afuera.
En el espacio de gas a medir 42 sobre la primera
lámina de electrolito sólido 21 está dispuesto un segundo
electrodo 32 de forma anular. Ubicado al frente del segundo
electrodo 32 está provisto un tercer electrodo 33 de forma anular
en el espacio de gas a medir 42, sobre la segunda lámina de
electrolito sólido 22. En el espacio de gas de referencia 43 está
dispuesto un cuarto electrodo 34, el cual está expuesto a un gas de
referencia. El espacio del gas de referencia puede también estar
formado por los poros de un cuarto electrodo que ha sido hecho
poroso o bien por su conducto o por una capa cerámica porosa.
Entre la segunda y la tercera lámina de
electrolito sólido 22, 23 está provisto un calentador 63, el cual
está aislado eléctricamente de las láminas vecinas de electrolito
sólido 22, 23 mediante un aislamiento de calentador 64. El
calentador 63 y el aislamiento térmico 64 están rodeados
lateralmente por un marco de sellamiento de calentador 62.
El gas a medir que se ubica en el exterior del
elemento sensor 10 puede llegar al espacio de gas a medir 42 por la
abertura para acceso de gas 59 y por la superficie interna de
carcasa 52 de la barrera de difusión y de esta manera hasta el
segundo y tercer electrodos 32, 33.
El primer y segundo electrodos 31, 32 así como
el electrolito sólido 21 dispuesto entre el primer y segundo
electrodos 31, 32 forman una celda electroquímica de bombeo mediante
la cual se bombea oxígeno al o desde el espacio de gas a medir 42.
Se determina la presión parcial de oxígeno mediante unas celda
electroquímica de Nernst, la cual está formada por el tercer y
cuarto electrodos 33, 34 y el electrolito sólido 22 que está
ubicado entre el tercer y cuarto electrodos 33, 34. Por medio de la
señal de la celda de Nernst se controla el voltaje aplicado a la
celda de bombeo, mediante un equipo de control dispuesto de manera
externa al elemento sensor de modo que en el espacio de gas a medir
42 se tiene una presión parcial de oxígeno de lambda = 1. La
presión parcial de oxígeno del gas a medir puede establecerse a
partir del tamaño del flujo de bombeo de la celda de bombeo.
Se elige la intensidad del voltaje aplicado a la
celda de bombeo, de modo que se evacúa por bombeo todo el oxígeno
presente en el espacio de gas de prueba 42. De esta manera se limita
el flujo de la corriente de bomba mediante la cantidad de oxígeno
que fluye a través de la barrera difusión 41. La corriente de bombeo
que fluye en este caso forma la denominada corriente límite.
Por las fluctuaciones motivadas por la
producción (por ejemplo geométricas) en la barrera de difusión 41,
puede modificarse, por ejemplo, el trayecto de difusión dentro de la
barrera difusión 41 o la altura de la barrera difusión 41. En
condiciones por otro lado iguales, el flujo de oxígeno fluctúa a
través de la barrera difusión y con éste fluctúa la corriente
límite; por ejemplo, en un alargamiento del trayecto de difusión,
se reduce la corriente de difusión y con ésta, la corriente límite.
Esto tiene finalmente como consecuencia un falseamiento del
resultado de medición. De allí que la barrera de difusión 41 acorde
con la invención se ajuste a un flujo unificado de oxígeno a través
de la barrera difusión en condiciones externas unificadas (ajuste
de la resistencia de difusión a un valor prescrito predeterminado
para la corriente límite).
\newpage
Para este propósito, el elemento sensor
sinterizado 10 es calentado mediante un calentador 63 a temperatura
de operación (por ejemplo 750 grados Celsius) y se expone a un gas a
medir con una concentración definida de oxígeno (por ejemplo aire
del entorno). El oxígeno que fluye en el espacio del gas de prueba
42 es bombeado hacia afuera por la celda de bombeo (desde el
segundo electrodo 32 hasta el primer electrodo 31) y se mide la
correspondiente corriente límite. Al mismo tiempo, se remueve
material en el elemento sensor 10 y con ello se influye en el flujo
de oxígeno que pasa a través de la barrera difusión. Se continúa la
remoción de material hasta que se alcanza un valor prescrito para
la corriente límite, la cual corresponde a un valor prescrito para
el flujo de oxígeno que pasa a través de la barrera de difusión 41.
La barrera de difusión 41 es configurada de manera que antes de la
remoción de material, considerando las fluctuaciones esperadas que
están condicionadas por la producción, el flujo de difusión es sea
más pequeño que el valor prescrito para la corriente límite, de
manera que la remoción del material puede reducir el trayecto de
difusión y con ello puede aumentar la corriente de difusión, hasta
que se alcance el valor prescrito.
Para esto, en el primer ejemplo de realización
según las figuras 1 y 2 está previsto elegir para la abertura de
acceso de gas 59 un diámetro mayor que para el diámetro interno de
la barrera de difusión 41. De esta manera, la barrera de difusión
41 puede ser removida con un láser a través de la abertura de acceso
de gas 59. Para alcanzar un flujo de gas definido con de difusión,
el oxígeno debe entrar a la barrera de difusión 41 en la superficie
interna de carcasa 52. De allí que la barrera de difusión 41 esté
revestida con una capa de recubrimiento 44 impermeable a los gases,
sobre su lado que está enfrentado hacia la abertura de medida de gas
59. Con ello, mediante la remoción por medio de un láser de la capa
de recubrimiento 44 y de la barrera de difusión 41, puede ajustarse
la resistencia deseada de difusión. Para el ajuste de la resistencia
de difusión se produce por consiguiente una abertura con el láser
tanto en la barrera difusión 41 como también en la capa de
recubrimiento 44, de manera que los diámetros internos d_{4} y
d_{2} de la capa de recubrimiento 45 y de la barrera de difusión
41 son aproximadamente iguales.
El primer ejemplo de realización según las
figuras 1 y 2 exhibe las siguientes dimensiones:
- \quad
- d_{1} =1,0 mm
- \quad
- d_{2} = 0,4 mm
- \quad
- d_{3} = 2,0 mm
- \quad
- d_{4} = 0,4 mm
Es concebible que la abertura interna de la
barrera difusión 41 (superficie de carcasa 52) no tenga forma
cilíndrica puesto que por ejemplo la barrera de difusión 41 es
removida con menos fuerza sobre el lado orientado hacia la segunda
lámina de electrolito sólido 22. En este caso, el radio interno de
la capa de recubrimiento 44 corresponde al diámetro interno de la
barrera de difusión 41, por lo menos en la zona directamente
limítrofe de la barrera de difusión 41con la capa de recubrimiento
44.
La capa de recubrimiento 44 también puede
extenderse en la zona entre la barrera de difusión 41 y la primera
lámina de electrolito sólido 21 (externa a la abertura para el
acceso de gas).
En los ejemplos de realización representados en
las otras figuras se caracterizan elementos mutuamente
correspondientes con los mismos símbolos de referencia.
En la figura 3 y figura 4 se representa un
segundo ejemplo de realización de la invención, el cual se
diferencia del primer ejemplo de realización por la configuración
de la capa de recubrimiento 44. En el segundo ejemplo de operación,
la capa de recubrimiento 44 exhibe un radio interno d_{4}, el cual
es mayor que el radio interno d_{2} de la barrera de difusión 41.
Para igualar la barrera de difusión es suficiente remover la capa de
recubrimiento 44 de modo que la capa de recubrimiento 44 exhibe una
abertura 54 central hacia la barrera de difusión 41. A través de la
abertura 54 de la capa de recubrimiento 44 que es central respecto a
de la barrera de difusión 41 se realizan trayectos de difusión
ampliamente similares hacia los electrodos 32, 33. En una forma
alternativa de realización (no representada) la barrera de difusión
41 tiene forma cilíndrica, no exhibe por consiguiente una abertura
52.
El segundo ejemplo de operación según las
figuras 3 y 4 exhibe las siguientes dimensiones:
- \quad
- d_{1} = 1,0 mm
- \quad
- d_{2} = 0,3 mm
- \quad
- d_{3} = 2,0 mm
- \quad
- d_{4} = 0,5 mm
En la figura 3a se representa otra forma de
realización de la invención, en la cual el diámetro interior
d_{4} de la capa de recubrimiento 44 es inferior al diámetro
interior d_{2} de la barrera de difusión 41, de manera que la
capa de recubrimiento 44 se extiende por la abertura de la barrera
de difusión 41. Para esto, en la abertura de la barrera difusión
debe proveerse una pasta de cavidad que se volatiliza libre de
residuos durante el sinterizado. Las alturas de capa de la capa de
recubrimiento 44 y de la barrera de difusión 41 son iguales en esta
forma de realización, para garantizar una estabilidad suficiente de
la capa de recubrimiento. La altura de capa de la capa de
recubrimiento es de aproximadamente 100 \mum.
La forma de operación según la figura 3a exhibe
las siguientes dimensiones:
- \quad
- d_{1} = 1,0 mm
- \quad
- d_{2} = 0,5 mm
- \quad
- d_{3} = 2,0 mm
- \quad
- d_{4} = 0,3 mm
En el ejemplo de operación según la figura 5
entre la capa de recubrimiento 44 y la primera lámina de electrolito
sólido 21 se provee otra barrera de difusión de forma cilíndrica
41a con un radio interior d_{5}. El flujo de oxígeno que pasa por
el espacio de gas de prueba 42 se divide para ello en una parte que
fluye a través de la otra barrera de difusión 41a, y otra parte que
fluye a través de la abertura 54 de la capa de recubrimiento 44 y a
través de la barrera de difusión 41. Para aumentar la exactitud de
la compensación, la barrera de difusión 41 y la otra barrera
difusión 41a están configuradas de modo que el flujo de oxígeno a
través de la otra barrera de difusión 41a es mayor que el flujo de
oxígeno a través de la barrera de difusión 41. Preferiblemente la
fracción de flujo de oxígeno a través de la otra barrera de difusión
41a es de 70 a 80 por ciento y la fracción del flujo de oxígeno a
través de la barrera de difusión 41 es de 20 a 30 por ciento del
flujo total de oxígeno.
El diámetro interior de la otra barrera de
difusión 41a es igual o mayor al diámetro interior de la abertura
para acceso de gas 59. Con ello, la remoción de la capa de
recubrimiento 44 y dado el caso de la barrera de difusión 41 no
tiene ninguna influencia en la cantidad de oxígeno que fluye a
través de la otra barrera difusión 41a. El diámetro exterior de la
barrera de difusión 41, de la capa de recubrimiento 44 y de la otra
barrera de difusión 41a son aproximadamente iguales. En una forma
alternativa de operación (no representada) la capa de recubrimiento
se extiende sólo hasta la superficie de carcasa interior 55 de de
difusión 41a.
Mediante las figuras 6a y 6b se representa un
método para el ajuste a la resistencia de la difusión, en el cual
se renuncia a una capa de recubrimiento y en el cual la abertura
para acceso de gas 59 está llena por lo menos zonalmente con la
barrera de difusión 41. Después de un proceso de sinterizado, la
barrera de difusión 41 es removida mediante un láser 81 bajo
continuas medidas de la corriente limitante, hasta que se alcanza
el valor prefijado para la corriente limitante.
En el método para el ajuste de la resistencia de
difusión para el elemento sensor según las figuras 1 a 6b, en
general se dirige un rayo láser 81 por medio de un dispositivo 80
para generar un rayo láser 81 sobre la capa de recubrimiento 44 y/o
la barrera de difusión 41 del elemento sensor sinterizado 10 a
través de la abertura para el acceso de gas 59 en la primera lámina
de electrolito sólido 21 (ver figuras 6a y 6b). De modo
correspondiente, la remoción de material del método arriba descrito
se continúa por tanto tiempo hasta que la corriente limitante
medida corresponde al valor prescrito previamente indicado. Mediante
la remoción con láser de la barrera de difusión 41 y/o de la capa
de 44 se genera un residuo. Para eliminar el residuo se provee una
tobera de inyección 83, mediante la cual se dirige una corriente de
aire 82 sobre la barrera de difusión 41 y la capa de recubrimiento
44 (gas de lavado). La corriente de aire, cuya fracción de oxígeno
corresponde a la fracción de oxígeno del gas de prueba circundante,
es calentada mediante un dispositivo correspondiente de
calentamiento en la tobera de inyección 83 al rango de operación
del elemento sensor, por ejemplo a una temperatura de 750 grados
celsius.
En los ejemplos de operación descritos, la
barrera de difusión, el espacio de gas de prueba a medir y la
abertura de acceso de gas exhiben una geometría cilíndrica. La
invención también puede transferirse al elemento sensor, en el
cual la difusión en el espacio de gas de prueba ocurre en forma
lineal. Para ello el elemento sensor exhibe un canal longitudinal
con ancho y altura ampliamente constantes, en el cual están
dispuestos la barrera de difusión y el gas de prueba con los
electrodos (no representado). En la primera lámina de electrolito
sólido se provee por ejemplo una abertura para acceso de gas en
forma de rendija. El gas de prueba puede alcanzar los electrodos a
través de la abertura de acceso de gas y a través de la barrera de
difusión en el espacio del gas de prueba. La dirección de difusión
del gas de prueba es en ello esencialmente paralela al eje
longitudinal del elemento sensor. Sobre la barrera de difusión se
provee la capa de recubrimiento, la cual puede ser labrada a través
de la abertura de acceso de gas con un láser. Mediante la remoción
de la capa de recubrimiento y/o la barrera de difusión se ajusta la
resistencia de difusión.
Claims (23)
1. Elemento sensor (10) para evaluar una
propiedad física de un gas de prueba a medir, con una primera lámina
de electrolito sólido (21) y una segunda lámina de electrolito
sólido (22) y con una barrera de difusión (41) dispuesta en un
plano de capa entre la primera y la segunda lámina de electrolito
sólido (21, 22), caracterizado porque sobre la barrera de
difusión (41) está provista zonalmente una capa de recubrimiento
(44) impermeable a los gases o está provista una capa de
recubrimiento (44), en la cual la cantidad del gas de prueba que
fluye a través de la capa de recubrimiento (44) corresponde como
máximo a un 10 por ciento de la cantidad total del gas de prueba
que fluye a través de la barrera de difusión (41), de manera que en
las zonas en las cuales está provista la capa de recubrimiento (44)
sobre la barrera de difusión (44), por lo menos se impide
ampliamente la difusión del gas de prueba en o desde la barrera de
difusión (41).
2. Elemento sensor según la reivindicación 1,
caracterizado porque la capa de recubrimiento (44) está
provista en un plano de capa entre la primera lámina de electrolito
sólido (21) y la barrera de difusión (41).
3. Elemento sensor según las reivindicaciones 1
o 2, caracterizado porque el elemento sensor (10) exhibe una
abertura para el acceso de gas (59), y el gas de prueba puede llegar
a través de la abertura para el acceso de gas (59) y la barrera de
difusión (41) hasta un electrodo (32, 33) dispuesto dentro del
elemento sensor (10), donde la capa de recubrimiento (44) está
provista sobre el lado de la barrera de difusión (41) orientado
hacia la abertura de acceso del gas (59).
4. Elemento sensor según una de las
reivindicaciones antecedentes caracterizado porque la capa de
recubrimiento (44) está expuesta por lo menos zonalmente en forma
directa al gas de prueba, y porque la capa de recubrimiento (44)
exhibe una abertura (54), a través de la cual el gas de prueba o un
componente del gas de prueba puede sobre la barrera de difusión
(41) alcanzar un electrodo (32, 33).
5. Elemento sensor según la reivindicación 4,
caracterizado porque la abertura (54) de la capa de
recubrimiento (44) está dispuesta de manera central respecto a la
barrera de difusión (41).
6. Elemento sensor según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la
superficie cubierta por la capa de recubrimiento (44) de la barrera
de difusión (41) es paralela a un plano de capa del elemento sensor
(10).
7. Elemento sensor según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque una
abertura para el acceso de gas (59) introducida en la primera
lámina de electrolito sólido (21) exhibe un diámetro interno
d_{1}, porque la barrera de difusión (41) está conformada de
manera cilíndrica o cilíndrica hueca, donde d_{2} describe el
diámetro interior de la barrera de difusión (41) cilíndrica hueca y
d_{3} describe el diámetro exterior de la barrera de difusión
(41) cilíndrica o cilíndrica hueca, y porque la capa de
recubrimiento (44) exhibe una abertura de forma circular con un
diámetro d_{4}.
8. Elemento sensor según la reivindicación 7,
caracterizado porque d_{4} < d_{1} < d_{3}.
9. Elemento sensor según las reivindicaciones 7
u 8, caracterizado porque d_{1} está en el rango de 0,6 mm
a 1,8 mm y/o porque d_{2} está en el rango de 0,2 mm a 0,6 mm y/o
porque d_{3} está en el rango de 1,8 mm a 3,0 mm y/o porque
d_{4} está en el rango de 0,2 mm a 0,6 mm.
10. Elemento sensor según una de las
reivindicaciones 7 a 9, caracterizado porque d_{2} \leq
d_{4}.
11. Elemento sensor según una de las
reivindicaciones 7 a 9, caracterizado porque d_{4} \leq
d_{2} < d_{1}.
12. Elemento sensor según una de las
reivindicaciones 7 a 11, caracterizado porque las aberturas
con los diámetros d_{1}, d_{2}, d_{3} y d_{4} están
dispuestas de manera mutuamente concentrica.
13. Elemento sensor según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque entre la
capa de recubrimiento (44) y la primera lámina de electrolito
sólido (21) está dispuesta otra barrera de difusión (41a).
14. Elemento sensor según la reivindicación 13,
en la extensión en que se refiere a la reivindicación 2,
caracterizado porque el gas de prueba o un componente del
gas de prueba puede alcanzar los electrodos (32, 33) a través de la
otra barrera de difusión (41a), sin pasar a través de la abertura
(54) de la capa de recubrimiento (44).
15. Elemento sensor según las reivindicaciones
13 o 14 caracterizado porque la otra barrera de difusión
(41a) tiene forma de anillo y exhibe un diámetro interior d_{5},
donde d_{1} \leq d_{5} y/o d_{4} \leq d_{5}.
16. Elemento sensor según una de las
reivindicaciones 13 a 15, caracterizado porque el diámetro
exterior de la capa de recubrimiento (44) es mayor al diámetro
interior d_{5} o corresponde al diámetro interior d_{5}.
17. Método para la producción de un elemento
sensor (10) según una en las reivindicaciones precedentes, donde el
elemento sensor (10) incluye una barrera de difusión (41), la cual
está dispuesta entre una primera y una segunda lámina de
electrolito sólido (21, 22), caracterizado porque en un lado
de la barrera de difusión (41), la cual mira hacia un gas de prueba
que se encuentra ubicado fuera del elemento sensor (10), tiene
aplicada una capa de recubrimiento (44), la cual es impermeable a
los gases o por lo menos ampliamente impermeable a los gases según
un proceso de sinterizado, de modo que la cantidad de gas de prueba
que fluye a través de la capa de recubrimiento (44) es como máximo
de 10% de la cantidad de la totalidad de gas de prueba que fluye a
través de la barrera de difusión (41), y porque la capa de
recubrimiento (44) es removida para ajustar la resistencia de
difusión de la barrera de difusión (41).
18. Método según la reivindicación 17,
caracterizado porque la capa de recubrimiento (44) es
removida después de un proceso de sinterizado, mediante un láser
(81).
19. Método según la reivindicación 18,
caracterizado porque mediante el láser (81) también se
remueve una zona de la barrera difusión (41).
20. Método según una de las reivindicaciones 17
a 19, caracterizado porque en la primera lámina de
electrolito sólido (21) se introduce una abertura para el acceso de
gas (59) y porque el láser (81) remueve la capa de recubrimiento
(44) a través de la abertura para el acceso de gas (59).
21. Método según una de las reivindicaciones 17
a 20, caracterizado porque el elemento sensor (10) abarca
una celda electroquímica, porque el gas que se encuentra en el
exterior del elemento sensor (10) puede alcanzar un electrodo (32,
33) de la celda electroquímica a través de la barrera de difusión
(41), y porque durante la remoción y/o antes o después de la
remoción o de una fase de la remoción se mide una corriente
limitante de difusión, en el cual el elemento sensor (10) está
expuesto a un gas de prueba y en la celda electroquímica se aplica
voltaje, donde el voltaje es tan alto que la celda electroquímica es
operada en el rango de corriente limitante, y además se mide la
corriente limitante que fluye a través de la celda electroquímica, a
causa del voltaje aplicado, donde la remoción se continúa hasta que
se alcanza un valor prefijado para la corriente limitante.
22. Método según una de las reivindicaciones 17
a 21, caracterizado porque durante la remoción de la barrera
difusión (41) mediante un láser (81), el residuo generado durante la
remoción es retirado por medio de una corriente de aire (82)
encausada por una tobera de inyección (83) sobre la barrera de
difusión (41).
23. Método según la reivindicación 22,
caracterizado porque la corriente de aire exhibe una presión
parcial de oxígeno correspondiente a la del aire atmosférico, y
porque se calienta la corriente de aire a aproximadamente la
temperatura de operación del elemento sensor (10), en particular
sobre 500 grados celsius, preferiblemente a 750 grados celsius.
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