ES2208713T3 - Dispositivo sensor de gas. - Google Patents
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Abstract
UNA DISPOSICION DE SENSOR DE GAS TIENE AL MENOS UN PRIMER ELEMENTO SENSOR, QUE ES CON PREFERENCIA SENSIBLE CONTRA GASES OXIDABLES Y GENERA UNA SEÑAL DE MEDICION CORRESPONDIENTE CON UNA UNIDAD DE VALORACION Y DE CONTROL ELECTRICA, EN LA QUE SE VALORA LA SEÑAL DE MEDICION GENERADA POR EL PRIMER ELEMENTO SENSOR. PARA EVITAR INEXACTITUDES, CUANDO SE ENCUENTRAN PRESENTES JUNTO A GASES OXIDABLES TAMBIEN GASES REDUCIBLES, SE PROPONE QUE LA DISPOSICION DE SENSOR DE GAS ESTE PREVISTO AL MENOS CON UN SEGUNDO ELEMENTO SENSOR, QUE ES CON PREFERENCIA SENSIBLE CONTRA GASES REDUCIBLES Y QUE GENERE UNA SEÑAL DE MEDICION CORRESPONDIENTE, QUE ES GUIADA PARA SU VALORACION A LA UNIDAD DE VALORACION Y CONTROL.
Description
Dispositivo sensor de gas.
La invención se refiere a un dispositivo sensor
de gas según el preámbulo de la reivindicación 1 de la patente.
Cada vez es más importante la necesidad de
verificar la presencia de gases en el aire.
Existe, por ejemplo, el deseo de activar procesos
de conmutación en función del contenido de substancias
contaminantes en el aire. Especialmente en el caso de la
ventilación de automóviles se conocen numerosos esfuerzos para
actuar, con la ayuda de un sensor sensible al gas, sobre la
ventilación del automóvil, de tal forma que cuando existe una carga
de substancias contaminantes inhabitualmente alta en el aire
exterior, se interrumpe la alimentación de aire fresco del
automóvil y se conmuta, por ejemplo, al modo de circulación de
aire.
Se conoce detectar determinados gases con la
ayuda de elementos sensores de gas de óxido de metal. En este caso,
el elemento sensor está constituido la mayoría de las veces por un
óxido de metal, que se lleva a una temperatura de trabajo a través
de una calefacción adecuada.
Han encontrado una gran difusión los elementos
sensores de dióxido de estaño, que son calentados a una temperatura
aproximadamente de 250ºC a 450ºC. Se mezcla con el dióxido de
estaño, en general, una substancia que actúa catalíticamente. Por
ejemplo, han dado buen resultado platino, paladio, rodio.
Los elementos sensores de este tipo reaccionan
con una reducción de la resistencia en el caso de presencia de
gases, que son oxidables. En este caso, el dióxido de estaño emite
oxígeno. Si el sensor es expuesto de nuevo a aire normal, entonces
la superficie reacciona con el oxígeno del aire de nuevo para
formar dióxido de estaño. Por lo tanto, el proceso es reversible y
no está sujeto a desgaste.
Se observa que a veces existe una gran diferencia
entre el valor de conductibilidad eléctrica esperado del sensor y la
concentración de gases oxidables, por ejemplo monóxido de carbono.
Investigaciones más concretas han mostrado ahora que en el caso de
presencia simultánea de gases reducibles, éstos influyen en gran
medida en la reacción de los gases oxidables con la superficie del
sensor. En el caso extremo, a pesar de la concentración grande, no
se produce ninguna reacción o sólo una reacción eléctrica pequeña
del sensor. A modo de ejemplo, se hace referencia a la reacción en
el caso de presencia simultánea de monóxido de carbono (CO) y óxido
nítrico (NOx). La causa es la reacción directa de los gases entre
sí en la proximidad de la superficie caliente del sensor, donde
ejerce influencia la substancia catalizadora.
Especialmente en el caso del sensor de dióxido de
estaño calentado mencionado anteriormente es un inconveniente que
es poco sensible frente a gases de escape de motores Diesel. Esto
es debido a lo siguiente:
Los sensores de dióxido de estaño reaccionan con
una reducción de la resistencia siempre que está presente una
substancia gaseosa oxidable. Los sensores de dióxido de estaño
reaccionan, por lo tanto, por ejemplo a monóxido de carbono,
hidrógeno o vapores de gasolina de acuerdo con la representación de
la barra 60 en la figura 1. Estos componentes se encuentran en los
gases de escape de motores de gasolina, de manera que se produce
esta reacción clara del sensor de óxido de estaño.
Si se impulsa este sensor de dióxido de estaño en
el laboratorio con óxidos nítricos (NOx), entonces eleva su
resistencia interior, como se muestra a través de la barra 50 en la
figura 1.
En el gas de escape de un motor Diesel,
especialmente cuanto éste es accionado bajo carga, se encuentran
además de las substancias que corresponden a la barra 60 en la
figura 1, también las substancias que corresponden a la barra 50.
Como resultado se observa que el sensor de dióxido de estaño
reacciona claramente en una medida menor que lo que sería previsible
en virtud de los porcentajes de gases verificados según la técnica
de medición. La reacción del sensor de dióxido de estaño
corresponde a la barra 70 en la figura 1.
Esto es muy perturbador para el funcionamiento
del sensor, puesto que en el caso de empleo de un sensor de gas de
este tipo en la práctica se producen con frecuencia tanto gases
oxidables como también gases reducibles.
Se conoce por el documento
JP61-93945 utilizar el valor de resistencia de un
elemento sensor de dióxido de estaño sensible a NO con mezcla de Fe
para poner a disposición una señal de conmutación para la
ventilación del espacio interior de un automóvil en función del
contenido de NO del aire exterior.
Se conoce por el documento
DE-C-32 13 286 un dispositivo sensor
de gas para la detección de gases en el aire, en el que están
previstos ya varios sensores de medición o bien elementos sensores
en un soporte, tratándose en este caso de diferentes elementos
sensores, que deben detectar diferentes substancias. El
funcionamiento del dispositivo sensor de gas se realiza a una
temperatura que es uniforme para todos los elementos sensores
utilizados y está seleccionado de tal forma que todos los elementos
sensores funcionan con resultados satisfactorios a esta
temperatura.
A un sensor de medición respectivo está asociada
una corriente definida y determinada, siendo introducida esta
tensión entonces como magnitud fija en un sistema de ecuaciones
lineales. Este sistema de ecuaciones lineales comprende seis
ecuaciones de acuerdo con el número de los sensores de medición,
sirviendo para el cálculo de la porción de seis gases diferentes en
el volumen de gas. Los sensores de medición individuales tienen
diferentes sensibilidades frente a los gases a detectar.
El documento US 3 961 248 muestra un dispositivo
sensor de gas, al que pertenecen varios elementos sensores de
dióxido de estaño con diferentes aditivos de material catalizador.
En algunas formas de realización están presentes dos elementos
sensores, que sirven para la detección de gases oxidables con
diferentes sensibilidades respectivas. En el ejemplo de realización
de la figura 11, los dos elementos sensores forman un divisor de la
tensión. El valor de la señal, que se toma entre los dos elementos
sensores, está influenciado por los dos elementos sensores o bien
por los impulsos de gas de los dos elementos sensores.
Partiendo del estado de la técnica descrito al
principio, la invención tiene el cometido de crear un dispositivo
sensor de gas, con el que debe ser posible activar de forma
inmediata un proceso de conmutación tanto en presencia de gases de
escape de motores Otto en el aire exterior como también en el caso
de presencia de gases de escape de motores Diesel en el aire
exterior.
Este cometido se soluciona según la invención a
través de las características de la parte de caracterización de la
reivindicación 1 de la patente.
Según la invención, se crea un dispositivo sensor
de gas, por medio del cual es posible generar una señal de
conmutación siempre que se exceda o no se alcance una concentración
discrecionalmente predeterminable y ajustable de substancias
contaminantes en el aire ambiental. En este caso, no tiene
importancia si la concentración de las substancias contaminantes se
forma a través de la presencia de gases de escape de motores
Diesel, de gases de escape de motores de gasolina o de gases de
escape de motores Diesel y de gases de escape de motores de
gasolina. En cualquier caso, a través del dispositivo sensor de gas
según la invención, se asegura que se pueda activar una señal de
conmutación en cualquiera de las concentraciones de substancias
contaminantes mencionadas.
La figura 2 muestra la relación de principio,
donde se muestra la resistencia interna 5 del sensor en el caso de
presencia de una concentración constante de metano (CH4) y de una
concentración diferente de óxido nítrico (NO2). Como valor de
resistencia 100% 4 se designa la resistencia del sensor con aire
normal.
Los resultados de medición para un segundo
elemento sensor 21, que están representados en principio en la
figura 3, han sido conseguidos en los materiales indicados a
continuación.
La figura 3 muestra
- a)
- una resistencia 12 del elemento sensor inusualmente baja, con respecto a los sensores habituales de dióxido de estaño, con aire no contaminado;
- b)
- una reacción clara del elemento sensor en el caso de impulsión con óxidos nítricos, como se deduce a partir de la barra 80;
- c)
- una reacción reducida en el caso de impulsión con gases de escape de motores Otto, como se deduce a partir de la barra 90;
- d)
- una reacción clara del elemento sensor en el caso de impulsión con gases de escape de motores Diesel, como se deduce a partir de la barra 100.
De ello se deduce que un dispositivo sensor de
gas que presenta un primer elemento sensor de dióxido de estaño 11
en combinación con el segundo elemento sensor 21, cuyo modo de
funcionamiento se representa en la figura 3, en un circuito, que
corresponde a la figura 4, proporciona resultados muy buenos para
la aplicación en el automóvil.
La figura 4 muestra una representación de
principio, que aprovecha el hecho de que el segundo elemento sensor
21 descrito anteriormente tiene una resistencia interior muy baja
cuando el aire no está contaminado. En este caso, el primer
elemento sensor 11 de dióxido de estaño y el segundo elemento sensor
21 forman un divisor de la tensión. Su toma 13 pone a disposición
una señal eléctrica, que, independientemente del efecto de
enmascaramiento descrito al principio pone a disposición una señal
de conmutación, que proporciona valores útiles tanto en motores
Diesel como en Motores Otto.
Para el segundo elemento sensor 21, que presenta
las propiedades según la figura 3, se han utilizado los siguientes
materiales sensores:
- a)
- Dióxido de estaño o dióxido de estaño reducido con mezclas de materiales catalíticos. En la forma de realización probada se añaden al dióxido de estaño entre 1 y 15% de paladio.
- b)
- Como a), pero se substituyó el paladio por platino. En una forma de realización probada se hicieron ensayos con una mezcla catalítica entre 1 y 10% de platino.
- c)
- Óxido de hierro con 1 - 20% de paladio como mezcla catalítica.
- d)
- Una mezcla de dióxido de estaño, óxido de cinc y paladio. Dieron buen resultado aproximadamente 50% de dióxido de estaño, aproximadamente 40% de óxido de cinc, de 1 a 10% de paladio.
- e)
- Además, se propone crear a través de evaporación o pulverización una capa fina de metal noble de oro o platino sobre el material sensor. Las substancias oxidables reaccionan bajo la influencia del catalizador con el oxigeno del aire y no llegan al material sensor.
- f)
- Alambre o espiral de alambre, con preferencia catalizadores, eventualmente calientes, están dispuestos en la proximidad de la superficie del sensor, para oxidar substancias oxidables con oxígeno del aire. El objetivo corresponde a e).
- g)
- Todos los materiales sensores tienen en común que se trata de semiconductores de conducción-n (por ejemplo, en oposición a los sensores de ftalocianina, que son conductores-p).
Un elemento sensor de dióxido de estaño del tipo
de funcionamiento habitual se combina con sensores de gas de
construcción habitual, donde los elementos sensores de los últimos
sensores de gas mencionados son conductores-n y
están constituidos por dióxido de estaño con aditivos catalíticos,
óxido de cinc con aditivos catalíticos, una mezcla de dióxido de
estaño y dióxido de estaño con aditivos catalíticos y por óxido de
hierro con aditivos catalíticos.
Como cantidad adicional catalítica se propone
paladio, platino o rodio.
La invención se puede emplear de una manera
ventajosa allí donde deben detectarse gases y donde existe el
peligro de que aparezcan en común gases oxidables con gases
portadores de oxígeno, por ejemplo óxidos nítricos. Aquí es posible
de manera ventajosa una aplicación especialmente en la técnica del
medio ambiente.
En la forma de realización preferida se obtiene
una estructura según la figura 5. Un soporte 72 está constituido
por óxido de aluminio o silicio. Sobre el mismo se aplica una
calefacción 62, que está constituida con preferencia por platino
arrollado, aplicado en técnica de película fina o película gruesa.
Aislado del mismo se aplica el material sensor 52 propiamente
dicho, que es, por ejemplo, un molibdato de bismuto. A través de
contactos 82 se puede medir el valor de conductibilidad eléctrica
del molibdato.
Claims (9)
1. Dispositivo sensor de gas con al menos un
primer elemento sensor (11), que está configurado como elemento
sensor de dióxido de estaño y es principalmente sensible frete a
gases oxidables en el aire exterior y genera una señal de medición
correspondiente, con al menos un segundo elemento sensor (21), y con
una unidad de control y evaluación eléctrica, en la que se
introducen las señales de medición generadas por el primero y el
segundo elemento sensor (11, 21), caracterizado porque el
segundo elemento sensor (21) es principalmente sensible frente a
gases reducibles en el aire exterior y genera una señal de medición
correspondiente, y porque la señal de medición del primer elemento
sensor (11) y la señal de medición del segundo elemento sensor (21)
se ponen a disposición en una toma (13) común para los dos
elementos sensores (11, 21), formando el primer elemento sensor
(11) y el segundo elemento sensor (21) un divisor de la tensión, que
presenta la toma (13) y donde el dispositivo pone a disposición una
señal de conmutación tanto en el caso de presencia de gases de
escape de motores Diesel como también en el caso de presencia de
gases de escape de motores Otto.
2. Dispositivo sensor de gas según la
reivindicación 1, en el que el segundo elemento sensor (21) es un
elemento sensor de gas conductor-n sobre la base de
un semiconductor homogéneo y está constituido por óxido metálico en
la capa sensible al gas.
3. Dispositivo sensor de gas según la
reivindicación 2, en el que el segundo elemento sensor (21) está
constituido por óxido de estaño reducido en la capa sensible al
gas.
4. Dispositivo sensor de gas según la
reivindicación 2 ó 3, en el que el segundo elemento sensor (21)
presenta aditivos catalíticos y sobre la capa sensible al gas está
aplicada una capa fina de metal noble.
5. Dispositivo sensor de gas según una de las
reivindicaciones 2 a 4, en el que el segundo elemento sensor (21)
está rodeado por un alambre caliente de material catalítico, como
platino, oro, rodio o paladio.
6. Dispositivo sensor de gas según la
reivindicación 2, en el que el segundo elemento sensor (21) está
constituido por dióxido de estaño con aditivos catalíticos, óxido
de cinc con aditivos catalíticos u óxido de hierro con aditivos
catalíticos.
7. Dispositivo sensor de gas según la
reivindicación 2, en el que el segundo elemento sensor (21) está
constituido por una mezcla de al menos dos de los materiales
mencionados en la reivindicación 8.
8. Dispositivo sensor de gas según una de las
reivindicaciones 2 a 7, en el que en el segundo elemento sensor
(21) encuentran aplicación como aditivos catalíticos paladio,
platino, rodio u oro.
9. Procedimiento para la detección de gases, en
el que para asegurar el reconocimiento frente a gases de escape de
motores Diesel, motores de catalizador o motores Otto
convencionales, se emplea un dispositivo sensor de gas según una de
las reivindicaciones 1 a 8.
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