PROBLEMAS DE INSTRUMENTACIÓN “DESCRICIÓN DE UN SENSOR Y SU APLICACIÓN” 4º INGENIERÍA INDUSTRIAL GRUPO FORMADO POR: ‐
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FRANCISCO ANTONIO MATEO DÍAZ JOSE EDUARDO CANDELA RIQUELME JAVIER MIRALLES MORENO MARCOS NAVARRO ARCE APLICACIÓN Monitorización el O2 en los gases de escape de los motores de combustión interna mediante la sonda lambda o sensor de oxígeno. SENSOR Resistencia semiconductora para detección de gases. ¿Qué es? La Sonda lambda (Sonda‐λ), también conocida como sensor de oxígeno es un sensor situado en el sistema de evacuación de gases de escape de un motor de combustión interna, que ayuda a la hora de regular el factor óptimo entre aire y combustible. Primera sonda lambda utilizada en Volvo 240 Aspecto exterior sonda lambda sustituida ¿Cuál es su función? Para que un catalizador pueda funcionar de forma óptima, la relación de aire y combustible debe ser ajustada con precisión. Y de ello se encarga la sonda Lambda que detecta de forma continuada el contenido residual de oxígeno en el gas de escape. Mediante una señal de salida regula la unidad de control del motor (centralita o E.C.U.) que, en consecuencia, realiza las modificaciones necesarias para mantener la relación (entre combustible y aire) en su grado óptimo.
Lambda: es la relación de aire disponible para la combustión con respecto al aire teórico necesario para una combustión completa. LAMBDA= masa de aire proporcionado / masa de aire necesaria Por tanto si la cantidad de aire proporcionado a los cilindros, es igual a la cantidad de aire necesario para la combustión completa del combustible inyectado, obtendremos un valor de λ=1(decimos que tenemos una mezcla estequiométrica). De esta manera, obtener una lectura de λ >1 nos expresa exceso de aire, mientras que una un λ<1expresa un de exceso de combustible. Aplicaciones Su campo principal de aplicación es el motor de combustión interna, pero también se usa para regular el gas emitido por calderas de condensación y motores diesel. Además las resistencias semiconductoras para la detección de gases se aplican a la detección de fugas de gases, de procesos de fermentación, al control del funcionamiento de la ventilación (aire acondicionado, detección de humo), alarmas contra incendio y detección de alcohol en gases espirados. Uso en motores En los motores Otto, la sonda se atornilla normalmente en el codo, para desviar el gas, o bien detrás del tubo colector. En vehículos con altos requisitos legales en lo referente a la limpieza del gas evacuado y al autodiagnóstico se utilizan varias sondas. En motores con cilindros en V, una sonda por banco de cilindros, o incluso una por cilindro para una regulación selectiva de los cilindros. En motores Otto modernos con turbo, la sonda se coloca tras el cargador del turbo. Sonda lambda en tubo de escape Imágenes de sondas lambda situadas en el colector de escape Tipos y materiales Existen dos tipos de sondas Lambda: de titanio y de circonio. Las que nos encontramos en mayor medida son las sondas Lambda de circonio, en las cuales el electrolito sólido que forma el sensor está formado por un compuesto cerámico de Dióxido de Zirconio estabilizado con oxido de Itrio. A las superficies de este cuerpo cerámico de les dota de electrodos de platino permeables a los gases. 1. Cuerpo metálico 2. Cuerpo de bióxido de Circonio 3. Contactores de Platino 4. Conector eléctrico 5. Cápsula protectora 6. Aislante Funcionamiento El sensor se basa en dos principios diferentes para las mediciones: el voltaje de un electrolito (sonda de Walther Nernst) y una variación de la resistencia eléctrica de un resistencia de cerámica (sonda de resistencia). Dicho sensor se monta de manera que uno de los electrodos esté en contacto con la atmósfera (a través del electrolito sólido) y el otro con los gases de escape. El principio de la medida está relacionado con la conducción de iones de oxígeno a través del óxido de circonio, el cual al alcanzar una temperatura mayor de 300 °C se hace permeable a los iones de oxígeno y permite el contacto del oxígeno de la atmósfera con el electrodo debido a su estructura porosa, de ahí su efectividad. Cuando el contenido de oxígeno, es diferente a ambos lados de los electrodos, aparece entre ellos, una tensión eléctrica cuyo valor depende de la diferencia en el contenido de oxígeno. Esta tensión puede ser, con una mezcla rica de 0,8 a 1,0 voltios, y con una mezcla pobre, la tensión estaría en valores de 0,01 Voltios. El voltaje medido se describe en la ecuación de Nernst. Esta tensión genera una corriente eléctrica que se envía por el cable a un sistema de control, que actúa sobre la mezcla hasta llevarla a su valor estequiométrico en cada instante. Todo esto se consigue mediante una resistencia semiconductora para detección de gases. Esquema general flujo de gases por el sensor ¿Qué es una resistencia semiconductora para detección de gases? Este tipo de sensores se caracterizan por variar su resistencia en función de la concentración de gases existente en el ambiente. Por ejemplo si estamos midiendo concentración de O2, cuanto mayor sea la concentración de dicho gas disminuirá la conductividad del sensor pero aumentará su resistencia. El fenómeno en el que basan su funcionamiento es la variación en la conducción volumétrica o superficial que se produce en algunos óxidos semiconductores en función de la concentración de O2 en el ambiente. Ello es debido a defectos en la estructura cristalina, con déficit de átomos de oxígeno. Al aumentar la temperatura, el O2 absorbido se disocia y sus electrones neutralizan el exceso de metal, y reducen la conductividad. La conductividad eléctrica σ en el rango de trabajo se describe por medio de la ecuación de Arrhenius con una energía de activación EA: 1
⎡ ⎛⎜⎝ −kE∙ T ⎞⎟⎠ ⎤
N
∙
P
(
O
)
σ = A ⎢e
2
⎥
⎣
⎦
A
siendo: σ: conductividad térmica P(O2): presión parcial del oxígeno, a temepraturas superiores a 700°C A: una cnostante EA: energía de activación para la conducción N: constante que depende del tipo de defecto predominante en el material y que determina el equilibrio entre este y el O2, (vale entre ‐4 y ‐6). Más información de interés: Catálogo sensores de oxígeno Bosch 2009: ‐
http://www.bosch.com.mx/content/language1/downloads/Cat_Sens_Ox09_low.pdf Funcionamiento resistencias semiconductoras para detección de gases: ‐
http://www.investigacion.frc.utn.edu.ar/sensores/Tutorial/TECNO2.pdf Función de la sonda Nernst: ‐
http://es.wikipedia.org/wiki/Walther_Nernst Función de la sonda de resistencia: ‐
http://es.wikipedia.org/wiki/Sonda_Lambda Vídeos: ‐
http://www.manualesdemecanica.com/es/videos/26‐Sonda+Lambda.html?userid=62&Itemid=100024 ‐
http://www.metacafe.com/watch/1296370/brico_cambiar_sondas_lambda_en_bmw_328_e36/