MXPA97002015A - Sensor para medir concentraciones de gas - Google Patents

Abstract

Esta invención se refiere a un sensor para medir las concentraciones de gas en una mezcla gaseosa, usando un tubo pequeño el cual estácerrado en un lado, y en cuyo exterior estádispuesto un sensor eléctrico a lo largo del tubo y cuyo extremo, opuesto al extremo cerrado estádispuesto en una cubierta, un entre espacio que rodea al tubo pequeño entre la cubierta y el tubo pequeño estásellado hermético al gas entre su cubierta y el tubo pequeño;para asegurar un sellado visible entre el gas que serámedido y el gas de referencia incluso a altas temperaturas de operación y al mismo tiempo para asegurar una pluralidad de funciones sensoras combinadas con una confiabilidad de alto contacto, se proveéun sellado al gas entre la cubierta y el tubo pequeño en el extremo opuesto al extremo cerrado, que es un extremo frío del tubo pequeño. por lo menos un contacto de sensor eléctrico que estáeléctricamente aislado de la cubierta, estáprovisto en el exterior del tubo pequeño, y adicionalmente el por lo menos un contacto de sensor concluye en el extremo opuesto al extremo cerrado del tubo pequeño del tubo pequeño y estáconectado a un alambre eléctrico.

Description

SENSOR PflRfí MEDIR CONCENTRACIONES DE G S MEMORIA DESCRIPTIVO Esta invención se refiere a un sensor para medir las concentraciones de gas en una mezcla gaseosa que incluye un tubo pequeño cerrado de un lado, en cuyo exterior está dispuesto un sensor eléctrico de contacto a lo largo de un lado del tubo pequeño y el extremo del cual, opuesto al extremo cerrado está acomodado en una cubierta, un entre espacio rodea al tubo pequeño entre la cubierta y el tubo pequeño estando sellados de una forma hermética al gas. Tal sensor de gas se conoce del documento US-fl-3960693. Un tubo pequeño que incluye una capa de actúa catalíticamente es cerrado en el extremo que apunta hacia el gas que va a ser medido y está abierto en su otro extremo. Está formado más grueso en su extremo abierto y está sujetado en una cubierta. Esta cubierta es atornillada dentro de una abertura de la pared de la pared de la cámara que contiene al gas que va a ser medido, por ejemplo en los motores de combustión interna. El interior del tubo pequeño comunica con la atmósfera alrededor, es decir, el gas de referencia. Un espacio es sellado dentro de la cubierta entre la cubierta y el tubo pequeño para que los dos gases diferentes sean separados uno del otro. El sello está hecho de un anillo metálico similar a los usados normalmente, por ejemplo con las bujías. Las mediciones de gas de este tipo son normalmente llevadas a cabo a altas temperaturas (desde aproximadamente 150°C, en el caso de motores de combustión interna desde aproximadamente 500°C hacia arriba). La cubierta, la cual está hecha de metal por razones de la resistencia a la temperatura requerida, está en consecuencia conectada conductivamente al tubo pequeño,, es decir al contacto de sensor. Esto significa que la cubierta está integrada en el circuito de medición; el sensor es un llamado onosensor. Ya que el sello está una región de la disposición de sensor que durante la medición de un gas de combustión es considerablemente calentada, los diferentes coeficientes de expansión de la cubierta y del tubo pequeño pueden dar como resultado una fuga y por lo tanto i presicionee en la rnedición? ya que el sello no puede compensar confiablemente las diferentes expansiones. La conexión eléctrica del contacto de sensor se mantiene también en esta región caliente y puede por lo tanto únicamente ser lograda con una buena confiabilidad a un costo considerable, debido a que los materiales de contacto tienden a oxidarse a altas temperaturas de operación. El contacto caliente del sello con el tubo pequeño, el cual puede ser normalmente hecho de un electrolito sólido,, causa además un voltaje parasítico, la magnitud del cual varía fuertemente con el tiempo porque la oxidación o reducción lenta del sello que no puede ser controlada. Esto ocasiona un deterioro considerable del rumbo de las características del sensor. Un sensor similar se conoce también del documento EP-A-0 520 528. Una disposición ligeramente diferente se conoce corno una celda de electrolito sólido galvánica del documento US-A-3399233. En este caso también, el circuito de medición está integrado en la cubierta de metal. Un sello de gas no es necesario en este caso, toda vez que la medición se lleva a cabo entre dos líquidos. Un sensor de gas de un tipo diferente se conoce del documento EP-A-0 398 579. En este caso un elemento de sensor plano está provisto dentro de una cubierta metálica cilindrica, un polvo de cerámica para fijar y sellar está provisto entre el sensor y la cubierta. Pueden ocurrir fugas en este caso, así como en el calentamiento, debido a las diferencias en las geometrías entre el elemento de sensor y la cubierta, y debido a los diferentes coeficientes de expansión de los materiales. Especialmente el sellado en relación con la cámara de gas a ser medida es problemático. Aparte de eso, el elemento de sensor puede ser fácilmente dañado por las vibraciones que ocurren durante el funcionamiento. De acuerdo con la técnica anterior previamente descrita, la invención está basada en el objeto de proveer un sensor de conformidad con el tipo genérico, que asegure un sellado confiable entre el gas que va a ser medido y el gas de referencia, incluso a altas temperaturas de operación y con el cual varios contactos de sensor, los cuales son eléctricamente aislados de la cubierta, y pueden ser logrados simultáneamente y en los que no ocurren voltajes parasíticos que perjudiquen las características de impulso. De conformidad con la invención, se logra el objeto de un sensor de conformidad con la estipulación genérica de la reivindicación 1, ya que se provee un sello hermético al gas que rodea a la cubierta y un tubo pequeño entre estos en el extremo, el cual está opuesto al extremo cerrado y el cual presenta un extremo frío del tubo pequeño o una región fría, además de que en el exterior del tubo pequeño se provee por lo menos un contacto de sensor eléctrico, aislado eléctricamente de la cubierta y además porque el por lo menos un contacto de sensor concluye llevando dentro del extremo cerrado del tubo pequeño opuesto al extremo sellado y está conectado a un conductor eléctrico. El extremo frío o la región fría del tubo pequeño es esa región que está provista fuera de la cámara con el gas que va a ser medido y la cual está retirada lo suficientemente lejos de la cámara con el gas que va a ser medido para que, cuando mucho, se caliente sólo ligeramente, por lo que el sello preferiblemente usado de material elástico y eléctricamente aislante no sea dañado y mantenga su elasticidad. La distancia realmente requerida se puede determinar fácilmente mediante pocas pruebas y/o mediciones. La conexión de los contactos de sensor al cableado eléctrico principal tiene lugar de igual forma en tal región fría; aquí, la ocurrencia de oxidación en los contactos debido a la alta temperatura es evitada. En este caso, los diferentes coeficientes de expansión de los materiales usados prácticamente no juegan ningún papel, especialmente en el caso de los sellos elásticos, en los que prácticamente no ocurren tensiones térmicas por lo que un alto efecto de sellado se puede obtener. Más aún, los voltajes parasíticos y electroquímicos que se desarrollan en la región de contacto entre los sellos metálicos convencionales, localizados en la región caliente, y el electrolito sólido (el tubo pequeño) se pueden evitar usando sellos eléctricamente aislantes en la región fría. Se descubrió también que las vibraciones, como las que ocurren durante el funcionamiento de motores de vehículos o sus sistemas de escape no son transmitidas al sensor, por lo que se obtiene una alta libertad de interferencia. Convenientemente, el cableado eléctrico puede ser soldado a los contactos de sensor y/o ser presionado sobre el contacto o contactos de sensor por medio de un anillo elástico. De esta manera, la formación de un contacto confiable es fácilmente obtenible. Ventajosamente? una pluralidad de contactos de sensor están provistos en el exterior del tubo pequeño, de los cuales uno o más contactos de sensor se pueden usar como contactos de calentamiento. Esto evita el uso de un elemento de calentamiento separado el cual en el aparato conocido es empujado dentro de un tubo pequeño. La eficiencia y la velocidad de reacción del calentador son aumentadas con esto. Convenientemente, por lo menos un contacto eléctrico se puede proveer en el interior del tubo pequeño. En una modalidad ventajosa de la invención, el tubo pequeño está hecho de una configuración cilindrica y puede por lo tanto ser producido muy fácilmente. Puede además ser ventajoso proveer una capa eléctricamente aislante en el tubo pequeño entre la cubierta y los contactos de sensor. Es además posible que por lo menos una parte del exterior del tubo pequeño incluya un material electrolito sólido el cual esté eléctricamente conectado a por lo menos un contacto de sensor. Es también posible formar a todo el tubo pequeño de un material electrolito sólido. Es posible también que por lo menos parte del exterior del tubo pequeño esté hecha de un material de resistencia eléctrica el cual dependa de la concentración de gas. Es conveniente para lograr enfriar efectivamente la región fría? que estén dispuestas costillas de enfriamiento en el exterior de la cubierta. La invención se describirá en detalle con referencia a un dibujo. El dibujo muestra: Figura 1, el tubo pequeño del sensor con los contactos de sensor. Figura 2, una sección transversal a través del sensor. Figura 3, la representación esquemática del sensor. Figura 4, otra sección transversal a través del sensor.

Figura 5, la disposición de algunos elementos de ensamble. La figura 1 muestra al tubo pequeño 1 del sensor. El tubo pequeño 1 es de una configuración cilindrica y cerrado en su extremo. Está hecho de un material eléctricamente aislante, por ejemplo óxido de aluminio, o de un material electrolito sólido, por ejemplo dióxido de zirconio. También puede ser hecho de otro material que sea eléctricamente aislante en su exterior. Los sensores de gas 2 están provistos como elementos activos en el exterior del tubo pequeño 1. Más aún, un calentador eléctrico 3 es colocado sobre el tubo pequeño 1. Sobre estos contactos de sensor eléctrico, es decir los sensores de gas 2 y el calentador 3, se ha aplicado una delgada y eléctricamente aislante capa 4, la cual es, sin embargo, permeable al gas y la cual evita la contaminación de los sensores de gas 2, v.gr., por constituyentes de escape. Los contactos de sensor eléctrico 2, 3, los cuales están dispuestos a lo largo de un lado del extremo del tubo pequeño 1 y en el lado abierto del tubo pequeño 1, llevan a los llamados electrodos exteriores 5, por medio de los cuales el tubo pequeño 1 es eléctricamente contactado. En la cara del extremo abierto del tubo pequeño 1 se provee un anillo de contacto 6, el cual sirve para la formación de contacto con un contacto eléctrico 7 provisto dentro del tubo pequeño 1. Este contacto eléctrico 7 es necesario en caso de que el sensor de gas 2 sea un sensor electroquímico que actúe con un gas de referencia. En este caso, el gas de referencia está dentro del tubo pequeño 1 y corresponde por ejemplo al aire circundante. El tubo pequeño 1 está acomodado en una cubierta 8 como se muestra en la figura 2. La cubierta 2 , en su punta que sostiene al extremo cerrado del tubo pequeño 1, tiene aberturas de gas 9 a través de las cuales el gas que va a ser medido alcanza los sensores de gas 2. En la región del extremo cerrado del tubo pequeño 1, la cubierta 8 tiene una tuerca 10 con un enroscado macho 11, por medio del cual el sensor puede ser atornillado dentro de la pared de la cámara que sostiene al gas que va a ser medido. En el contexto de los motores de combustión interna, esta cámara puede ser por ejemplo parte del sistema de escape (por ejemplo de automotores). Un sello 12 se puede ser además provisto en la tuerca 10. El tubo pequeño 1 por medio de su cara de extremo cerrado, se apoya contra el extremo correspondiente de la cubierta 8 y es presionado hacia este extremo por medio de un resorte 13. El tubo pequeño 1 está espaciado de la pared de la cubierta 8 para que los contactos de sensor eléctrico (sensores de gas 2 y calentador 3) no tengan contacto eléctrico con la cubierta 8. Un anillo en forma de 0 14 hecho de un plástico elástico y resistente al calor, por ejemplo Teflón o Vitón, se provee para servir como el sello de gas. Este anillo en forma de 0 sirve como un sello de la cámara de gas con el gas que va a ser medido, contra la atmósfera que rodea a la cubierta 8 para que por ejemplo el aire circundante permanezca separado de los humos de escape de un motor. El anillo en forma 0 14 estabiliza además la posición del tubo pequeño 1 dentro de la cubierta 8 y asegura el aislamiento eléctrico del tubo pequeño 1 y de los contactos de sensor 2, 3 de la cubierta 8. El anillo en forma de 0 14 evita adicionalmente que las vibraciones que provienen de la cubierta 8 sean transmitidas al tubo pequeño 1 y compensa los diferentes coeficientes de expansión entre el tubo pequeño 1 y la cubierta 8 para que incluso cuando sean calentados ligeramente no ocurran las tensiones ligeramente térmicas. Otro anillo en forma de 0 15 establece el contacto de los electrodos exteriores 5 con los alambres conectores 16. El anillo en forma de O 15 está también hecho de un plástico elástico y resistente al calor. Los alambres conectores 16 son confiablemente presionados sobre los electrodos exteriores 5 por medio del anillo en forma de 0 15 para que un contacto confiable sea asegurado. Es también posible soldar los alambres conectores 16 a los electrodos exteriores 5 o brindar un enchufe equipado con alambres conectores 16 colocado sobre el tubo pequeño 1 en contacto con el electrodo exterior 5. El anillo en forma de 0 15 es presionado contra el anillo en forma de O 14 por medio la pieza de engarzado a presión 17 para que el tubo pequeño 1 sea mantenido en forma segura dentro de la cubierta 8 debido a la tensión creada adicionalmente. El miembro de presión 17 es presionado contra los anillos en forma de 0 14 y 15 por medio de la tuerca 18 a través de la arandela 19 (de un plástico resistente al calor), el anillo en forma de 0 14 es presionado en contra de una cara de paro de la cubierta 8. La tuerca 18 sirve para sellar el interior de la cubierta 8, los alambres conectores 16, así como el alambre conector 20 son pasados a través de esta tuerca. Los alambres conectores 16 y 20 son centrados por la arandela 19 y llevados a través del miembro de presión 17 dentro del interior de la cubierta. Después del ensamble el conector 20 tiene un contacto eléctrico con el resorte 13 el cual se apoya de una forma eléctricamente conductora contra del anillo de contacto 6 para que el alambre conector 20 contacte al contacto eléctrico 7 dentro del tubo pequeño 1. Esta disposición del miembro de presión 17, tuerca 18 y accesorio 20 se muestra agrandada y desde diferentes vistas en la figura 5. El uso de sellos de plástico como anillos en forma de 0 14 y 15 con las ventajas resultantes anteriormente descritas es posible en un área de la cubierta 8 que no se calienta significativamente incluso en la temperatura de funcionamiento de los sensores, es decir, no se calienta tanto como para que los sellos de plástico pierdan su elasticidad. Esta región es, dependiendo de la temperatura del gas que va a ser medido, de por lo menos aproximadamente 2 cm, especialmente aproximadamente 4 cm a 6 cm distante del sello 12, el cual sella la cámara del gas que va a ser medido. Los anillos en forma de O 14, 15 están normalmente colocados en una región en la cual la temperatura es lo su icente ente alta como para que los materiales de los anillos en forma de 0 14, 15 puedan ser usados permanentemente. Para aumentar el efecto de enfriamiento, están dispuestas costillas de enfriamiento 21 en el exterior de la cubierta 8. De esta forma puede ser posible disminuir la distancia entre los anillos 14, 15 y el extremo cerrado del tubo pequeño 1. El número y forma de las costillas de enfriamiento 21, así como la longitud de la cubierta 8 se pueden seleccionar dependiendo de la temperatura de funcionamiento del gas que va a ser medido para asegurar que el llamado extremo frío del tubo pequeño 1 en el cual los anillos en forma de 0 14, 15 están colocados, se caliente sólo ligeramente, únicamente hasta un punto en el cual los anillos en forma de 0 14 y 15 no se dañen y no pierdan su función. La disposición de las costillas de enfriamiento se muestra también en las figura 3 y 4, mostrando la figura 4 una sección longitudinal a través del sensor que difiere ligeramente de aquélla de la figura 2. El sensor de conformidad con la invención tiene un diseño muy simple y por lo tanto efectivo en costo; tiene una baja susceptibilidad a la interferencia combinada con una capacidad para acomodar una pluralidad de sensores en una cubierta y es por lo tanto segura en su manejo.

Claims (11)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un sensor para medir las concentraciones de gas en una mezcla gaseosa, que incluye un tubo pequeño cerrado en un lado, en el exterior del cual está dispuesto un sensor eléctrico a lo largo de un lado del tubo pequeño y al final del cual, opuesto al extremo cerrado está acomodado en una cubierta, un entre espacio que rodea al tubo pequeño entre la cubierta y el tubo pequeño estando sellado en una forma hermética al gas, caracterizado además porque un sellado que rodea y que es hermético al gas (14) entre la cubierta (8) y el tubo pequeño (1) está hecho de un material elástico eléctricamente aislante que está provisto en el extremo opuesto al extremo cerrado, el cual representa un extremo frío del tubo pequeño (1), y porque por lo menos un contacto de sensor eléctrico (2,3) está provisto eléctricamente aislado de la cubierta (8) en el exterior del tubo pequeño (1) y además porque el por lo menos un contacto de sensor (2,3) concluye hacia adentro del extremo opuesto al extremo cerrado del tubo pequeño (1) y está conectado a un conductor eléctrico (16).

2.- Un sensor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el conductor eléctrico (16) es presionado sobre el contacto de sensor (2,3) por medio de un anillo elástico (15).

3.- Un sensor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el conductor eléctrico (16) está soldado al contacto de sensor (2,3).

4.- Un sensor de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3? caracterizado además porque una pluralidad de contactos de sensor (2,3) están dispuestos en la superficie exterior del tubo pequeño (1), por lo menos un contacto de sensor está adaptado como un contacto de calentamietno ( 3 ) .

5.- Un sensor de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado además porque por lo menos un contacto eléctrico (7) está dispuesto en el interior del tubo pequeño (1).

6.- Un sensor de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones l a 5, caracterizado además porque el tubo pequeño (1) tiene forma de cilindro.

7.- Un sensor de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado además porque una capa eléctricamente aislante (4) está provista sobre el tubo pequeño (1) entre la cubierta (8) y los contactos de sensor (2,3).

8.- Un sensor de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado además porque por lo menos parte de la superficie exterior del tubo pequeño (1) incluye un material de electrolito sólido, el cual está conectado a por lo menos un contacto de sensor (2).

9.- Un sensor de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones l a 7, caracterizado además porque el tubo pequeño completo (1) está hecho de un material de electrolito sólido, el cual está conectado a por lo menos un contacto de sensor (2) .

10.- Un sensor de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado además porque por lo menos parte de la superficie exterior del tubo pequeño (1) incluye un material cuya resistencia eléctrica depende de la concentración de gas.

11.- i)n sensor de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado además porque costillas de enfriamiento (21) están provistas en el exterior de la cubierta (8) .