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Sensores de gas, sondas de concentración

Magnitudes de medición
La concentración de una sustancia determinada indica la fracción de masa o de volumen con que está contenida en otra sustancia o en una mezcla de otras sustancias. La propiedad principal de un sensor de concentración (llamado a menudo también sonda de concentración) consiste en que es únicamente sensible a una sustancia de medición e "ignora" (en el caso ideal) a ser posible totalmente otras sustancias. En realidad, cada sonda posee sin embargo una "sensibilidad transversal" a otras sustancias, incluso si los parámetros de medición "temperatura" y "presión" se mantienen constantes (lo que ocurre con frecuencia).

En el automóvil hay que medir las siguientes magnitudes:

• Contenido de oxígeno en los gases de escape (regulación de la combustión, vigilancia del catalizador).
• Contenido de monóxido de carbono, de óxido de nitrógeno y de humedad en el habitáculo (calidad del aire, empañamiento de los vidrios del vehículo).
• Humedad del aire en sistemas de freno neumáticos (vigilancia del secador de aire).
• Humedad del aire exterior (aviso de superficie helada).
• Concentración de hollín en los gases de escape de motores Diesel, aunque este es un problema todavía no resuelto. Contrariamente a las concentraciones de gas antes mencionadas, se trata aquí de una concentración de partículas. La función de medición la dificulta adicionalmente la circunstancia de que las partículas pueden obturar el sensor hasta ser éste incapaz de funcionar.
  

La introducción de pilas de combustible como sistema de tracción de automóviles exigirá ciertamente el desarrollo de otros sensores de gas, como p. ej. para la detección de hidrógeno.

Principios de medición
Las sustancias a medir se presentan en estado gaseoso, líquido o sólido, habiéndose desarrollado por ello en el transcurso del tiempo un gran número de métodos de medición. Hasta el presente para la técnica del automóvil es sólo de interés el campo del análisis de gases, con un sector especial para la medición de la humedad en forma gaseosa.

• Medición de gases en general
  Los sensores de gas, que generalmente están expuestos directamente y sin protección al medio a medir (es decir, a sustancias extrañas), corren el riesgo de sufrir un daño irreversible. Este daño recibe también la designación de "envenenamiento" de la sonda. Así, por ejemplo, el plomo eventualmente contenido en el combustible o en los gases de escape puede hacer inservibles las sondas de oxígeno (sondas lambda).
  
  
• Medición de la humedad
  Junto al papel esencial que desempeña la sonda de oxígeno (sonda lambda) en lo que se refiere a los gases de escape, hay que atribuir asimismo una gran importancia a la medición de la humedad del aire. La humedad indica por extensión el contenido de agua en sustancias gaseosas, líquidas y sólidas.
  

Sensores de calidad del aire
Aplicación
Estos sensores (figura inferior) comprueban continuamente la calidad del aire en la zona de entrada de la ventilación. Reaccionan especialmente a los componentes nocivos de los gases de escape CO (principalmente de motores de gasolina) y NOX (sobre todo de motores Diesel).
Otra función de estos sensores es impedir el empañamiento de los cristales de un vehículo. A este efecto, un sensor de humedad detecta el contenido de vapor de agua en el aire.

Estructura y funcionamiento
Estos sensores (figura inferior) integrados en la unidad de control de la calidad del aire, consisten en resistencias de capas gruesas que contienen óxido de estaño. En cuanto las sustancias a medir se depositan en ellos (de modo reversible), la resistencia eléctrica de los sensores varía en parte rápida e intensamente dentro de un amplio margen (p. ej. 1 a 100 kohmios). Las resistencias de esas sondas se encuentran sobre un substrato cerámico común, que por su parte trasera es calentado por un conductor de caldeo hasta una temperatura de funcionamiento de unos 330 °C. A causa de esta alta temperatura, el substrato está contactado sin apoyos.
La sonda de CO mide concentraciones del orden de 10 a 100 ppm (partes por millón) y la sonda de NOX, del orden de 0,5 a 5 ppm. Tan pronto como la concentración de gases nocivos es excesiva (en ocasiones casi 100 veces superior a la del aire limpio), la unidad de control de la calidad del aire cierra las chapaletas de aire fresco de ventilación del habitáculo del vehículo. Impide así que el conductor respire esos gases y se canse prematuramente. Al mantener apartadas esas sustancias nocivas, se prolonga la vida útil de los filtros de carbón activo.
Una tapa metálica (6) ofrece una protección superficial. Una membrana de teflón (1) situada debajo para las dos cámaras del sensor deja pasar ciertamente los gases de medición, inclusive la humedad en forma de vapor, pero retiene la humedad líquida. Si bien los gases a medir tienen que difundirse a través de la membrana de teflón, el tiempo de reacción de los sensores es de algunos milisegundos.

Las unidades de la última versión para el control de la calidad del aire poseen asimismo un sensor de humedad (figura inferior). Su señal no sólo sirve para medir la temperatura del habitáculo mediante un sensor de temperatura NTC, sino también para calcular el punto de rocío, que influye en el empañamiento de los cristales del vehículo.

Sondas lambda
La sonda lambda mide la concentración de oxigeno en los gases de escape. Es parte integrante de un circuito de regulación encargado de mantener continuamente la composición correcta de la mezcla de combustible y aire.
La relación de mezcla del oxigeno atmosférico respecto al combustible, con la que se consiguen máximos niveles de conversión de los contaminantes en el catalizador es de lambda = 1 (relación estequiométrica de la mezcla).

Hay dos modelos de sondas lambda:

• Sondas lambda de dos puntos
• Sondas lambda de banda ancha

Sondas lambda de dos puntos
Aplicación
Las sondas lambda de este tipo se utilizan en motores de gasolina dotados de una regulación lambda de dos puntos. Las sondas están situadas en el tubo de escape y detectan simultáneamente el flujo de gases de escape de todos los cilindros. El modo de funcionar se basa en el principio de la célula galvánica de concentración de oxígeno en combinación con un electrólito sólido.
Las "sondas de dos puntos" indican si los gases de escape proceden de una mezcla rica (valor lambda < 1) o pobre (valor lambda > 1). La curva característica de variación brusca (salto) de estas sondas permite regular la mezcla "valor lambda" = 1.

Estructura
Sondas digitiformes (en forma de dedo)
El electrólito sólido está constituido por un cuerpo cerámico cerrado por un lado, estanco a los gases, de dióxido de circonio estabilizado con óxido de itrio. Las superficies de la cerámica están provistas en ambos lados de electrodos realizados partiendo de una delgada capa porosa de platino.
El electrodo de platino en el lado externo, que está situado en el tubo de escape, actúa como un pequeño catalizador; los gases de escape son objeto allí de un tratamiento posterior catalítico y obtienen un equilibrio estequiométrico (lambda = 1). El lado expuesto a los gases de escape está recubierto adicionalmente de una capa cerámica porosa (tipo espinela) que lo protege contra la suciedad. Un tubo metálico con varias ranuras protege el cuerpo cerámico contra esfuerzos mecánicos (golpes) y choques térmicos. El espacio interno abierto, en el lado opuesto al de los gases de escape, comunica con el aire exterior, que constituye el gas de referencia (figura inferior)

• Sonda digitiforme no calefaccionada LS21
  Un tubo cerámico de apoyo (6) y un resorte de disco (7) sostienen el elemento cerámico activo digitiforme (2) dentro de la caja de la sonda (3) y aseguran su estanqueidad (figura inferior). Un talón de contacto (4) entre el tubo de apoyo y la cerámica activa de la sonda constituye la unión eléctrica intermedia entre el electrodo interno y el cable de conexión (8).
  Un anillo metálico estanqueizante une el electrodo externo con la caja de la sonda (3). Un casquillo metálico de protección (5), que al mismo tiempo sirve de contraapoyo al resorte de disco, sostiene y fija toda la estructura interna de la sonda. Protege también el interior de la sonda contra la suciedad.
  El cable de conexión está engarzado a presión en el talón de contacto que conduce al exterior y es protegido por una caperuza estable a la temperatura contra la humedad y deterioros mecánicos.
  Para que la cerámica de la sonda no esté expuesta a los residuos de combustión contenidos en los gases de escape, en el extremo sometido a éstos la caja de la sonda está provista de un tubo de protección de forma especial. Las ranuras de este tubo están diseñadas de manera que garantizan una protección eficaz contra grandes esfuerzos térmicos y químicos.
  

• Sonda digitiforme calefaccionada LSH24
  La sonda lambda calefaccionada (figura inferior) posee adicionalmente un elemento calefactor. La temperatura de la cerámica es determinada por la calefacción eléctrica cuando la carga del motor es reducida (es decir, mientras la temperatura de los gases de escape es baja); a alta carga, por la temperatura de los gases de escape. La sonda lambda calefaccionada puede ser montada a una mayor distancia del motor, de manera que incluso un funcionamiento continuo a plena carga no plantea ningún problema. La calefacción externa proporciona un rápido calentamiento de la cerámica, alcanzándose la temperatura de servicio de ésta dentro de 20 a 30 s después del arranque del motor, estando entonces disponible ya la regulación lambda. Por tener la sonda calefaccionada una temperatura constantemente óptima de funcionamiento, se consiguen emisiones de gases de escape bajas y estables.

Sondas lambda planares
El modo de funcionamiento de las sondas planares corresponde al de las sondas digitiformes calefaccionadas con una variación brusca de la línea característica a "valor lambda" = 1. El electrólito sólido se compone, sin embargo, de hojas cerámicas laminadas superpuestas. Un tubo de doble pared lo protege contra influencias térmicas y mecánicas.
La cerámica planar (que integra la célula de medición y el calefactor) tiene la forma de una plaquita alargada de sección rectangular. La superficie de la célula de medición está provista de una capa microporosa de metal precioso. En el lado recorrido por los gases de escape, esta capa está recubierta adicionalmente por una capa protectora de cerámica porosa, para impedir daños por efecto de erosión causada por los residuos contenidos en los gases de escape. El calefactor está constituido por un serpentín que contiene metal precioso; está integrado, de modo aislado, en la plaquita cerámica y asegura un calentamiento rápido de la sonda.
Mientras que la cámara de referencia en el interior de la sonda LSF4 comunica con el aire ambiente (figura inferior, posición"a"), la sonda LSF8 (figuras inferior, posición "b") contiene una cámara de referencia de oxígeno hermética hacia el exterior.

Funcionamiento
La cerámica de la sonda de dos puntos, que funciona según el principio de Nernst, se vuelve conductora de los iones de oxígeno a partir de una temperatura de aprox. 350 °C. Como los gases de escape contienen un resto de oxígeno incluso funcionando el motor con un excedente de combustible (p. ej. para "valor lambda" = 0,95 todavía de un 0,2 a un 0,3 por ciento en volumen), se produce una tensión eléctrica entre las dos superficies límite a causa del diferente porcentaje de oxígeno en cada lado de la sonda. De ese modo es posible utilizar el porcentaje de oxígeno de los gases de escape como medida de la relación de aire y combustible.
La sonda LSF8 tiene la particularidad de comparar el porcentaje de oxígeno residual de los gases de escape con el oxígeno encerrado en una cámara de referencia hermética hacia el exterior. La aplicación de una tensión de bombeo Up a dos electrodos genera una corriente de 20 µA, que bombea permanentemente oxígeno de los gases de escape, a través de la cerámica Zr02 conductora de oxígeno, hacia la cámara de referencia, rellena de un material poroso. De la cámara de referencia se difunde también permanentemente oxígeno hacia el lado de gases de escape, en función del contenido de oxígeno que reina allí.
La tensión de la sonda en el momento resulta de este intercambio. La tensión suministrada por la sonda en función del porcentaje de oxígeno de los gases de escape alcanza 800 a 1000 mV para una mezcla rica ("valor lambda" < 1), y solamente 100 mV para una mezcla pobre ("valor lambda" > 1). La transición de la zona rica a la zona pobre tiene lugar a una tensión de 450 a 500 mV.
La temperatura del cuerpo cerámico influye también en la conductibilidad de los iones de oxígeno y, por tanto, en el desarrollo de la tensión suministrada en función del coeficiente de aire "valor lambda". Además, el tiempo de respuesta a una variación de la tensión en caso de cambiar la composición de la mezcla depende mucho de la temperatura.
Si esos tiempos de respuesta son de algunos segundos cuando la cerámica tiene una temperatura inferior a 350°C, la sonda reacciona ya tras un tiempo inferior a 50 ms al tener una temperatura óptima de funcionamiento de 600 °C. Por eso está desactivada la regulación lambda después del arranque del motor hasta alcanzarse la temperatura mínima de funcionamiento de unos 350 °C. El motor funciona entonces de modo controlado.
Si las temperaturas son demasiado elevadas, se acorta la vida útil. Por eso la sonda ha de estar montada de modo que no se sobrepasen los 850 °C durante un largo funcionamiento a plena carga; para un corto período de tiempo se admite un límite máximo de 930 °C.

Sonda lambda planar de banda ancha LSU4
Aplicación
Con la sonda lambda de banda ancha se puede determinar en un gran margen la concentración de oxígeno en los gases de escape y juzgar por ella la relación aire-combustible en la cámara de combustión. El coeficiente de aire (valor lambda) describe esta relación de aire-combustible. Las sondas lambda de banda ancha no sólo pueden medir exactamente en el punto "estequiométrico" de "valor lambda" = 1, sino también en el margen pobre de combustible (valor lambda > 1) y en el rico (valor lambda < 1). Ellas suministran en el campo de 0,7 < "valor lambda" < infinito (infinito = aire con el 21 % 02) una señal eléctrica unívoca y constante (figura inferior).

Con estas características, la sonda lambda de banda ancha no sólo se aplica en sistemas de gestión de motores con regulación de dos puntos (valor lambda = 1), sino también en conceptos de regulación con mezclas de aire y combustible pobres y ricas. También es idónea para la regulación lambda de motores de gasolina que funcionan con mezclas pobres, motores Diesel, motores de gas (por eso la denominación LSU: Lambda-Sonde-Universal).
La sonda penetra en el tubo de escape y detecta la corriente de gases de escape de todos los cilindros.
Para una regulación más exacta, en algunos sistemas se emplean varias sondas, p.ej. delante y detrás del catalizador (figura inferior), así como en los distintos tramos de gases de escape (bancos de cilindros).

Estructura
La sonda lambda de banda ancha LSU4 es una sonda planar de dos células de corriente límite. Su célula de medición (figura inferior) es de cerámica de dióxido de circonio (ZrO2).
Está constituida por la combinación de una célula de concentración de Nernst (célula sensible, funciona como en una sonda lambda de dos puntos) y una célula de bombeo que transporta iones de oxígeno.
La célula de bombeo de oxígeno (figura inferior, pos. 8) está dispuesta de tal modo respecto a la célula de concentración de Nernst (7) que entre ambas se forma una ranura de difusión (6) de aprox. 10... 50 µm. Esta ranura está en comunicación con los gases de escape a través de un agujero de acceso (10); la barrera porosa de difusión (11) limita el flujo sucesivo de las moléculas de oxígeno contenidas en los gases de escape.
La célula de concentración de Nernst comunica en un lado por un canal de aire de referencia (5), a través de una abertura, con la atmósfera ambiente; en el otro lado está expuesta a los gases de escape en la ranura de difusión.
La sonda no suministra una señal útil hasta que se alcanza una temperatura de servicio de 600... 800 °C como mínimo. Para que se alcance rápidamente esta temperatura, la sonda está provista de un calentador (3).

Funcionamiento
Los gases de escape llegan a través del pequeño agujero de acceso de la célula de bombeo a la verdadera cámara de medición (ranura de difusión) de la célula de concentración de Nernst. Para poder ajustar el coeficiente de aire "valor lambda" en la ranura de difusión, la célula de concentración de Nernst compara los gases en esta ranura con el aire ambiente en el canal de aire de referencia.

El proceso total se desarrolla del modo siguiente: Mediante la aplicación de una tensión Up a los electrodos de platino de la célula de bombeo, a través de la barrera de difusión se puede bombear oxígeno de los gases de escape a la ranura de difusión o viceversa. Con ayuda de la célula de concentración de Nernst, un circuito electrónico en la unidad de control regula esta tensión aplicada a la célula de bombeo Up, de manera que la composición de los gases en la ranura de difusión se mantenga constante en "valor lambda" = 1. Cuando los gases de escape son pobres, la célula de bombeo, bombea el oxígeno hacia afuera (corriente de bombeo positiva). Cuando son ricos, se bombea por el contrario el oxígeno (mediante descomposición catalítica de C02 y H20 en el electrodo de gases de escape) de los gases del entorno a la ranura de difusión (corriente de bombeo negativa). Con "valor lambda" = 1 no se ha de transportar oxígeno. La corriente de bombeo es cero. Ella es proporcional a la concentración de oxígeno en los gases de escape y constituye así una medida (no lineal) del coeficiente de aire "valor lambda".