Brevet FR2260796A1 — publié le 19750905

La présente invention concerne un dispositif de mesure de la concentration des gaz combustibles dans l'air, à l'aide de la combustion catalytique de ceux-ci. Les appareils employés à présent pour la combustion catalytique utilisent essentiellement des procédés de mesure continus dans lesquels les mélanges à mesurer alimentent d'une façon continue la chambre de mesure. Dans certains cas on emploie une alimentation forcée, à l'aide d'une pompe par exemple, tandis que dans d'autres cas l'échange des gaz entre la chambre de combustion et l'environnement s'effectue par simple diffusion. Bien que dans certains cas le pont de mesure ne soit pas alimenté en courant d1une manière continue et que le courant ne soit appliqué au pont que pendant une durée relativement courte, - nécessaire pour la lecture des résultats de la mesure - cependant même dans ces cas on considère qu'il y a identité entre la saleur absolue du pont et le résultat de la mesure. Un des inconvénients des dispositifs connus réside dans le fait que la tension de sortie ne dépend pas uniquement de la combustion des gaz combustibles à l'aide du catalyseur mais également de la variation en fonction de la température de la conductibilité du mélange analysé aussi bien que de la variation de la température du support de la chambre de combustion. Ces causes d'erreurs peuvent théoriquement être éliminées en faisant balayer par le même mélange etla masse catalytique et la masse non active du tarage. En réalité, il s'avère très difficile de produire deux corps parfaitement identiques tant sur le plan électrique que sur le plan de la géométrie I1 est non moins difficile de réaliser des écoulements gazeux parfaitement identiques autour de ces deux masses.Lors de la mesure de taux élevés de concentration en gaz combustibles, les phénomènes perturbateurs ci-dessus sont négligeables, mais ils créent par contre des difficultés sérieuses lors-u'il s'agit de mesurer de faibles taux de concentration. Un des buts de la présente invention est d'éliminer les inconvénients ci-dessus signalés. Une caractéristique essentielle du dispositif objet de ltin- vention pour la mesure de la concentration des gaz combustibles dans l'air par la combustion de ceux-ci dans une masse catalytique dont le filament (de chauffage) est inséré dans un pont de mesure réside dans le fait que le pont de mesure est relié à un circuit de différentiation, qui à son tour est relié à travers un circuit d'intégration à un appareil de mesure et que le dit circuit d'intégration est également relié à une base de temps qui alimente le pont de mesure aussi. La sortie du pont de mesure peut être reliée à un préamplificateur dont la sortie alimente à travers un relais et un condensateur de différentiation un amplificateur de puissance dont la sortie est reliée à sa propre entrée à travers un condensateur d'intégration. Çe condensateur d'intégration est shunté par un contact de mise en court-circuit. La sortie de l'amplificateur de puissance est également reliée à une des bornes d'un volts mètre dont l'autre borne est réunie à un potentiomètre de mise à zéro. Le dispositif, objet de l'invention peut, à titre de variante, également part réalisé en reliant le pont de mesure à l'entrée d'un amplificateur dont la sortie est reliée à travers un inverseur à une des bornes d'un condensateur et en même temps à l'électrode de commande d'un transistor. Ce transistor se trouve, de par son électrode de sortie, être branché en parallèle avec une des branches du pont de mesure. La sortie de cet amplificateur est également reliée à l'entrée d'une bascule monostable dont la sortie est branchée d'une part à un inverseur et d' autre part à un compteur d'impulsions. L'avantage principal de dispositif conforme à l'invention réside dans l'élimination des effets parasites comme par exemple, ceux dûs à la variation de la conductibilité du mélange gazeux et ceux dRs à la variation de la température de l'environnement du dispositif de mesure. Etant donné que pendant la durée de la mesure, c'est-à-dire pendant l'intervalle tl à t2 le gaz dans la chambre de mesure reste stationnaire, l'influence de l'écoulement des gaz sur le résultat de la mesure disparait également tout à fait. On peut ainsi, sans difficultés, obtenir des mesures dont la précision est de t 1 du volume et ceci même en présence de fortes variations du contenu du mélange en-par exemple-vapeur d'eau ou oxyde de carbone. Sur les dessins annexés, la figure 1 représente la variation de la tension de sortie du pont de mesure en fonction du temps et ceci à partir du moment de l'alimentation électrique du pont il reste bien entendu qu'auparavent la chambre de mesure a été remplie de mélange à analyser la figure 2 représente le bloc-diagramme du dispositif, objet de l'invention la figure 3 représente à titre d'exemple non limitatif, un dispositif conforme à l'invention assurant la lecture directe de la variation de la tension de sortie du pont de mesure pendant la combustion des gaz combustibles du mélange à analyser ; la tension de sortie délivrée par le pont aubit une amplification analogique par les amplificateurs. La figure 4 représente un dispositif opérant, par contre, pendant l'intervalle de mesure à l'aide de signaux rectangulaires discrets. La courbe 1 de la figure 1, représente la tension de sortie lorsque le mélange de la chambre de mesure ne contient aucun lément combustible tandis que la courbe 2, représente la même tension lorsque le taux en élément combustible du mélange est différent de zéro L'examen de la figure I montre qu'il convient de choisir le moment de la mesure d'une façon telle que pendant l'intervalle de mesure tl à t2 la tension de sortie aurait déjà atteint une valeur constante si le taux en élément combustible du mélange avait été égal à zéro. Cette manière de choisir l'intervalle de mesure n'est cependant pas indispensable. La figure 2 montre que le pont de mesure 20 est relié à un circuit de différentiation 21 qui, dans un cas, se compose d'un amplificateur 5 et d'un condensateur de différentiation 7 et, dans un autre cas, se compose d'un pré-amplificateur 16, d'une bascule monostable 17, d'un condensateur d'intégration 14 et d'un transistor 15. Le circuit de différentiation 21 est relié à un appareil de mesure 23 qui peut à titre d'exemple être le voltmètre 11, ll,-et cette liaison s'-établit à travers un circuit d'intégration 22 qui, dans un cas, se compose d'un amplificateur de puissance 10 et d'un condensateur d'intégration 8 et, dans l'autre cas, d'un compteur d'impulsion 18. Le circuit d'intégration 22 est relié à une base de temps 24 qui, dans le premier cas, comporte des contacts 6 et 9 et, dans l'autre cas comporte vl'inverseur 13 également relié au pont de mesure 20. Dans les deux réalisations représentées par les figures 3 et 4, qui l'une et l'autre ne sont que des variantes données à titre d'exemples non limitatifs de l'invention, l'élément essentiel du dispositif est le pont de mesure qui se compose d'un fil de mesure 1 d'un fil de tarage 2 et de deux résistances additionnelles 3 et 4. Le filament de mesure 1 consiste en un fil en platine ou en alliage de platine-iridium. La surface de ce fil peut constituer la surface catalytique qui assure la combustion catalytique des composants combustibles du mélange gazeux à analyser. Cependant, le fil de mesure peut également autre enfermé à l'intérieur d'un corps céramique dont la surface extérieure est catalytique.Le fil de tarage est habituellement rXa- lisé de la même manière que le fil de mesure, et il se distingué de ce dernier par le fait qu'il ne provoque aucune combustion, soit parce que sa surface n'est pas catalytique, soit parce qu'il se trouve dans une atmosphère ne contenant aucun élément combustible. Les résistances additionnelles 3 et 4 constituent les deux autres branches du pont de mesure. Dans les cas où l'on Juge opportun d'opérer avec des tensions de sortie ayant un niveau deux fois plus grand que normalement, on peut remplacer la résistance 4 par un deuxième fil de mesure et la résistance 3 par un deuxième fil de tarage.Dans la mesure mEme où le pont à quatre fils délivre une tension de sortie deux fois plus grande qu'un pont à deux fils, le rapport "signal sur bruit" reste le m8me dans les deux cas. Le dispositif de la figure 3 comporte, outre le pont de mesure, un amplificateur 5, le contact 6 d'une base de temps, un condensateur de différentiation 7 un condensateur d'intégration 8, une mise en court-circuit 9, un amplificateur de puissance 10, un voltmètre 11 et un potentiomètre d'équilibrage 12. Le préamplificateur 5 sert à élever le niveau de la tension qui sera ensuite utilisée dans les circuits suivants. L'amplifi cateur de puissance 10 associé au condensateur de différentiation 7 et au condensateur d'intégration 8 effectue l'équivalent de la fonction mathématique dans laquelle u1 = la tension de sortie du pont de mesure U2 = la tension de sortie de l'amplificateur de puissance K = constante de proportionalité fonction du gain du préamplificateur 5 et du rapport entre les capacités des condensateurs 7 et 8. t = le temps. tl= instants définis sur la figure 1 t2 C = constante d'intégration La mise en court-circuit 9 sert à rendre égale à zéro la constante dtintegration C. Dans ce dernier cas c'est-à-dire que la tension de sortie de l'amplificateur de puissance est, dans l'intervalle de temps tl à t2 directement proportionnelle à la variation tension de sortie du pont de mesure. -La mesure de la tension de sortie de l'amplificateur de puissance 10 s'effectue a l'aide d'un voltmètre 11. Le cadran de celui-ci peut etre gradué directement en concentrations. Le potentiomètre d'équilibrage 12 permet d'annuler l'effet des différentes dérives de la chaîne de mesure. L'annulation de ces dérives est parfaite dans la mesure où ces dernières restent reproductibles ou constantes dans toute l'étendue des conditions de travail. L'exécution d'une mesure s'effectue de la manière suivante: En premier lieu on remplit la chambre de mesure avec du mélange à analyser. Ensuite on branche l'alimentation électrique du pont de mesure. Jusqu'à l'instant tl les contacts 6 et 9 doivent rester fermés. A l'instant tl on ouvre le contact 9 puis à l'instant t2 on ouvre le contact 6. Le cycle de mesure prend fin à l'instant t2 et le résultat peut être lu sur le voltmètre 11. Si on utilise des condensateurs de haute qualité et si l'amplificateur de puissance a une haute impédence d'entrée, le résultat de mesure reste affiché sur le voltmetre 11 pendant plusieurs heu rets. Le dispositif de la figure 4 comporte, outre le pont de mesure, un préamplificateur 16, un inverseur 13, un condensateur d'intégration 14, un transistor 15, une bascule monostable 17 et un compteur d'impulsions 18. Le transistor 15 peut autre remplacé par un autre dispositif qui transforme des variations de tension en variations de courant tout en ayant une haute impédence d'entrée. Dans la position de repos de l'inverseur 13, la boucle de contre réaction de l'amplificateur 16 se referme à travers l'inverseur 13 et le transistor 15. On utilisera de préference un transistor à effet de champ (F.E.T.). Si le gain de l'amplificateur 16 est suffisamment grand, la tension d'entrée de celui-ci se maintiendra automatiquement au voisinage de zéro. En position de mesure, la boucle de contre-réaction renferme également la bascule monostable 17 dont l'action consiste à envoyer une impulsion de courant vers le condensateur î4 aussit8t que la tension à son entrée dépasse un certain seuil, impulsion qui provoque une variation de la tension de bru aux bornes du condensateur. Le transistor 15 transforme la variation de tension du condensateur 14 en variation du courant émetteur-collecteur du mtme transistor ce qui à son tour provoque un changement de l'équilibre du pont. La polarité de l'impulsion envoyée par la bascule monos table 17 est telle que le pont tend à rétablir son propre équilibre.En présence de ce mode de fonctionnement discontinu, l'arrivée de chacune des impulsions provoque une surcompen tion qui disparait cependant par la suite et ceci d'autant plus rapidement que la quantité d'élément combustible brûlée par le filament de mesure est grande. Le nombre d'impulsions délivrées par la bascule monostable 17 est enregistré par le compteur d'impulsions 18. Lors du réglage de l'appareil, on ajuste l'amplitude de l'impulsion envoyée sur le condensateur de telle manière que le nombre affiché par le compteur d'impulsion indique directement la concentration des composants mesurés. Les opérations se déroulent selon la séquence suivante : On remplit d'abord la chambre de mesure avec du mélange à mesurer. A l'instant 0 on brambre l'alimentation électrique sur le pont de mesure. Avant l'instant tl le compteur d'impulsion doit être ramené à zéro. A l'instant tl on commute l'inverseur 13 qui de la position "repos" passe en position "mesure". A l'instant t2 on ramène l'inverseur 13 en position "repos". Le compteur d'impulsion conserve le résultat de comptage pendant toute la durée voulue. La tension de sortie délivrée par un pont de mesure réalisé selon la figure 4 ne correspond pas à la courbe donnée par la figure 1 car la boucle de contre-réaction la réduit à une valeur très proche de zéro. Dans ce cas, la courbe de la figure 1 représente l'allure du courant de compensation qui s1 écoule entre le collecteur et l'émetteur du transistor 15. En outre, dans ce cas les variations de courant entre t1 et t2 sont discontinues et en escalier. Le procédé de mesure objet de l'invention convient particulièrement bien pour la mesure de faibles concentrations d'un corps combustible pour autant que la mesure continue ne soit pas indispensable. Bien entendu, les dispositions décrites et représentées pourront faire l'objet de modifications et variantes, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. BEVENDII0NS 1) Dispositif pour mesurer la concentration dans l'air de gaz combustibles par combustion catalytique de ces gaz à l'aide d'une masse catalytique chauffée électriquement par un fil qui constitue une des branches d'un pont de mesure, caractérisé par le fait que le pont de mesure est réuni à un circuit de différentiation qui, à son tour, est réuni à travers un circuit d'intégration à un appareil de mesure alors que le circuit d'intégration est également réuni à une base de temps qui alimente également le pont de mesure. 2) Dispositif selon la revendication 1 ci-dessus caractérisé en outre par le fait que la sortie du pont de mesure est reliée à un préamplificateur dont la sortie se trouve reliée à travers un contact à un condensateur de différentiation qui, à son tour, est relié à l'entrée d'un amplificateur de puissance dont la sortie est reliée, d'une part, à son entrée à travers un conuensa- teur d'intégration qui est shunté par une mise en court-circuit et, d'autre part, à une des bornes d'un voltmètre dont l'autre borne est reliée au potentiomètre d'équilibrage. 3) Dispositif selon revendication 1 caractérisé en outre par le fait que la sortie du pont de mesure est reliée à un amplificateur dont la sortie est reliée, d'une part, à travers un contact d'un inverseur à une des bornes d'un condensateur et en même temps à l'électrode de commande d'un transistor qui, de par son électrode de sortie, se trouve en parallèle avec une des branches du pont de mesure et, d'autre part, à l'entrée d'une bascule monostable dont la sortie est reliée d'une part à l'inverseur et d'autre part au compteur d'impulsions.