Brevet FR2280075A1 — publié le 19760220

La présente invention concerne des détecteurs de gaz et plus spécialement des détecteurs de gaz comportant un élément sensible aux gaz à semi-conducteurs. La figure 1 représente le schéma du circuit d'un exemple de détecteur à gaz classique utilisé pour déceler la présence d'oxyde de carbone dans la fumée émise par un feu ou une fuite d'un gaz inflammable tel que le gaz de ville. Le détecteur de gaz représenté comporte une source de courant alternatif Q raccordé à l'enroulement primaire d'un transformateur TF. Un élément sensible aux gaz S et une résistance R montée en série sont raccordés à un enroulement secondaire du transformateur TF. Une paire de bornes de sortie est branchée aux bornes de la résistance R pour créer une tension de sortie Vr.L'élément S sensible aux gaz est à proximité d'un élément chauffant R dont les extrémités sont raccordées aux bornes de l'enroulement secondaire du transformateur TF, pour former un circuit en parallèle sur l'élément sensible aux gaz S et la résistance R. En service, l'élément S sensible aux gaz est chauffé et maintenu à une température voisine de 200 C par l'élément chauffant H dans le but d'augmenter les vitesses d'adsorption et de désorption des gaz par l'élément sensible S. Quand l'oxyde de carbone gazeux contenu dans la fumée émise par un feu, ou contenu dans un gaz inflammable tel que le gaz de ville, est en contact avec l'élément sensible S, la résistance de l'élément S sensible aux gaz diminue ce qui augmente le courant circulant dans la résistance de sortie R, modifiant ainsi la tension de sortie Vr aux bornes pour envoyer un signal d'alarme par l'inter médiaire d'un ensemble de commutation ou analogue non représenté, à un dispositif d'alarme, non représenté. -Le chauffage de l'élément sensible S à environ 2000C et le maintien de la température à une valeur constante sont avantageux du fait que différents gaz peuvent autre détectés en même temps, que la réponse de l'élément sensible est rapide étant donné l'aug- mentation des vitesses d'adsorption et de désorption du gaz et que le détecteur ne peut avoir un fonctionnement incorrect étant donné que les gaz adsorbés ne s'accumulent pas dans l'élément sensible. Cependant et en même temps, la puissance électriquewnéces- saire pour chauffer à une température constante l'élément est importante, ce qui pose un problème du point de vue économique. En général, l'élément sensible peut percevoir ou détecter un gaz particulier quand cet élément est chauffé à une température relativement peu élevée, bien que sa sensibilité diffère suivant le catalyseur qu'il contient. Par exemple, quand un élément sensible S de composition déterminée est placé dans une atmosphère contenant du méthane, de l'oxyde de carbone, de l'hydrogène et du propane, tous gazeux et ayant une concentration déterminée, et est chauffé à l'aide d'un élément chauffant fl de façon à élever progressivement sa température, la tension de sortie Vr par rapport aux divers gaz sera celle représentée par les courbes m, c, h et p de la figure 2.On voit d'après ces courbes que si l'onddire détecter sélectivement l'oxyde de carbone seul, il est nécessaire et suffisant de chauffer l'élément sensible à une température voisine de 400C, La présente invention a pour objet un détecteur de gaz qui consomme seulement une faible puissance électrique et présentant les caractéristiques ci-après : il est très efficace et cependant de construction simple; il est capable de détecter sélectivement tout gaz choisi; il fonctionne sans erreur susceptible de déclencher une fausse alarme. A cet effet, un détecteur de gaz selon la présente invention comprend un élément sensible aux gaz constitué par un oxyde métallique semi-conducteur, des éléments chauffants pour chauffer de façon répétée ledit élément sensible aux gaz à une première température peu élevée à laquelle ledit élément sensible aux gaz adsorbe un composant gazeux et à une seconde température plus élevée à laquelle ledit élément sensible aux gaz désorbe le composant gazeux adsorbé au moment où ledit élément est à sa première température peu élevée et des moyens pour détecter la variation de résistance électrique dudit élément. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante, faîte en se référant au dessin annexé, dans lequel - La figure 1 est un schéma des circuits d'un détecteur de gaz classique. - La figure 2 est un graphique représentant les caractéristiques tension de sortieitempérature pour plusieurs gaz, du détecteur de gaz représenté sur la figure 1. - La figure 3 est un schéma des circuits d'un détecteur de gaz selon 1' invention. - Les figures 4a à f sont des diagrammes de fonctionnement destinés à faire comprendre le fonctionnement du détecteur de gaz représenté sur la figure 3. - La figure 5 est un schéma des circuits d'un autre détecteur de gaz selon l'invention, et - Les figures 6a à 6f sont des schémas de fonctionnement destinés à faire comprendre le fonctionnement au détecteur de gaz représenté sur la figure 5. La figure 3 représente un schéma du circuit d'un détecteur de gaz réalisé selon la présente invention. Le détecteur de gaz représenté sur la figure 3 comprend un multivibrateur astable AM raccordé à une source E de courant continu par deux conducteurs L1 et L2. Le conducteur L1 comporte un interrupteur SW intercalé entre le multivibrateur AM et la source de courant E.Le multivibrateur astable AM est constitué par quatre résistances R1, R2, R3 et R4, deux condensateurs C1 et C2 et deux transformateurs Trl et Tr2 et est réglé de façon que le transistor Tr soit conducteur (C) pendant le temps tl et non-conducteur, ou "bloqué11, ) pendant le temps t2 alors que le transistor Tr2 est bloqué pendant le temps tl et conducteur pendant le temps t2.Un élément chauffant H est branché entre le conducteur L2 et le multivibrateur AM par l'intermédiaire d'un transistor Tr3 dont la base est reliée à l'une des bornes de sortie du multivibrateur AM, dont le collecteur est raccordé au conducteur L1 et dont l'émetteur est raccordé à l'élément chauffant R. Une résistance R5 est intercalée entre le collecteur et l'émetteur. L'autre borne de sortie du multivibra- teur astableÂXest reliée à la base d'un transistor Tr4, de préférence par l'intermédiaire d'une diode de Zener Z. Un condensateur C3 est branché entre un point placé entre le multivibrateur et la diode de Zener Z, d'une part, et le conducteur L2, d'autre part, pour former, associé à la diode de Zener Z, un circuit à retard. Le collecteur du transistor Tr4 est raccordé au conducteur L1 et l'émetteur du transistor Tr4 est raccordé à une extrémité d'un élément à semi-conducteurs sensible aux gaz constitué par un oxyde métallique, l'autre extrémité de l'élément S est reliée, par l'intermédiaire d'une résistance de sortie R6, au conducteur L2. L'élément S sensible aux gaz et l'élément chauffant H constituent un élément D détecteur de gaz. Le fonctionnement du détecteur de gaz représenté sur la figure 3 est décrit ci-après en référence aux figures 4 à 4f. Quand l'interrupteur SW est fermé, le transistor Trl du multivibrateur astable AM est bloqué (B) plusieurs fois pendant un Intervalle de temps tl et rendu conducteur (C) pendant un intervalle de temps t2 plus lony, comme l'indique la figure 4a, alors que le transistor Tr2 c-st plusieurs os rendu conducteur pendant 'intervalle de temps tl et bloaué pendant l'intervalle de temps t2 plus long, comme l'indique la figure 4d. Comme l'indiquent les figures 48 et 4c, pendant l'intervalle de temps tl au cours duquel le transistor rt est bloqué, le transis- tor Tr3 raccordé à l'extrémIté du multivibrateur R4 est à l'état conducteur et par conséquent la tension Vh appliquée aux bornes de l'élément chauffant H du détecteur de gaz D augmente jusqu'à une tension Vhl qui est à peu pres égale à la tension de la source, chauffant ainsi l'élément sensible aux gaz S à une température élevée comprise entre 100 et 2000C, de préférence 200 C, convenant pour la désorption de l'oxyde de carbone gazeux absorbé par l'élément sensible S pendant une période à basse température qui est décrite ci-après. Pendant l'intervalle de temps t2, quand le transistor fFq est conducteur, le transistor Tr3 est à l'état bloqué et, par conse- quent, un faible courant circule à travers la résistance R5 pour engendrer une faible tension Vh2 aux bornes de l'élément chauffant H de façon à chauffer l'élément S sensible aux gaz à une tempéra ture relativement basse entre 30 et 400C, de préférence égale à 400C, convenant pour l'adsorption par-l'élément S sensible aux gaz de l'oxyde de carbone contenu dans l'atmosphère. A noter que les intervalles de température ci-dessus sont indiqués simplement pour expliquer la détection de l'oxyde de carbone par le détecteur de gaz, et on doit choisir pour d'autres gaz d'autres intervalles de température fonction du type d'éliment sensible aux gaz utilisé et de la nature du gaz à détecter. Le transistor Tr4 branché entre le conducteur L1 et l'élément D sensible aux gaz est bloqué quand le transistor Tr2 devient conducteur et devient conducteur quand le transistor Tr2 est bloqué, avec un retard tx déterminé, étant donné la présence du circuit à retard constitué par la diode de Zener Z et le condensateur C3. Le retard tx correspond à la durée de chauffage complé mentaire, qui représente l'intervalle de temps pendant lequel l'élément sensible aux gaz est à une température relativement élevée à cause du chauffage complémentaire. Par conséquent, comme l'indique la figure 4e, le transistor Tr4 est bloqué pendant un intervalle de temps t3 qui est la somme des intervalles de temps tl et tx et est à l'état conducteur pendant un intervalle temps t4. Par conséquent, comme 1'indique la figure 4XL la tension de sor tiè Vr aux bornes de la résistance de sortie R6 apparait sous la forme d'une tension Vs pendant l'intervalle de temps t4 et aucune tension Vr n'apparat pendant l'intervalle de temps t3. I1 convient de noter que l'élément S sensible aux gaz est chauffé seulement quand la tension de sortie Vr aux bornes de la résistance R est nulle. En d'autres termes, le détecteur peut créer des tensions de sortie indiquant la valeur de la résistance de l'élément S sensible aux gaz seulement quand cet élément S est chauffé à la température peu élevée sus-mentionnée. Ceci parce que si une tension de sortie est engendrée quand cet élément est à la température la plus élevée, cette tension de sortie est suffisamment élevée pour faire fonctionner le dispositif d'alarme branché extérieurement. Par conséquent, quand l'atmosphère à surveiller ne contient aucun composant gazeux ou seulement une faible proportion de composants gazeux inférieure à une valeur déterminée, l'adsorption par l'élément sensible S pendant l'intervalle t2 correspondant à la température peu élevée et la désorption par l'élément sensible S pendant l'intervalle t1 au cours duquel la température est la plus élevée se répète simplement en n'engendrant aucune tension de sortie suffisamment élevée pour actionner le dispositif d'alarme. Quand l'atmosphère contient une proportion d'un composant gazeux dépassant la valeur déterminée précitée, l'élément sensible S adsorbe ce composant gazeux à température peu élevée pendant la période t2 abaissant la résistance de l'élément sensible S jusqu'à une valeur inférieure à une valeur déterminée. Ensuite, la tension de sortie Vr augmente comme 1 'indique la courbe n sur la figure 4f, actionnant ainsi le dispositif d'alarme, non représenté, par un dispositif de commutation, non représenté, etc. Pendant la période tl à température élevée, l'élément S sensible aux gaz désorbe rapidement le composant gazeux adsorbé et accumulé dans cet élément S pendant la période t2 correspondant à la température peu élevée. Si le circuit à retard constitué par la diode de Zener Z et le condensateur C3 n'est pas incorporé à l'ensemble détecteur de gaz, le transistor Pur, devient instantanément conducteur quand le transistor Tr2 du multivibrateur AM devient non conducteur (53) . Ceci peut faire apparaître aux bornes de la résistance R6 une tension de sortie Vs' supérieure à la tension de sortie Vs pendant la durée du chauffage complémentaire correspondant au retard tx, comme l'indique en pointillé la figure 4;. Etant donné que l'élément sensible aux gaz S peut etre encore à une température élevée pendant cette période du fait du chauffage pendant la période tl correspondant à une température élevée.Cette tension de sortie Vs' due au chauffage complémentaire de l'élément sensible aux gaz est indésirable étant donné qu'elle peut mettre en action à tort le dispositif d'alarme. La figure 5 représente le schéma des circuits d'un autre détecteur de gaz selon l'invention. Ce détecteur de gaz comprend un ensemble série constitué par l'élément S sensible aux gaz et la résistance de sortie R6. Cet ensemble série est raccordé directement aux conducteurs L1 et L2 pour former un circuit en parallèle sur la source de courant E. Le collecteur du transistor Tr4 est raccordé à un point placé entre l'élément sensible aux gaz S et la résistance R6 d'une part et son émetteur est relié au conducteur L2 d'autre part. L'électrode de la base du transistor Tr4 est raccordée à l'émetteur du transistor Tr3 par une résistance R7. On voit que le circuit à retard constitué par la diode de Zener Z et le condensateur C3 est supprimé sur ce circuit. En d'autres termes, ce circuit est identique à celui représenté sur la figure 3. On comprend facilement, en examinant le schéma des circuits, que les transistors Trlw Tr2, Tr3 et l'élément chauffant H sont identiques du point de vue de leur mode d'utilisation et de fonctionnement à ce qui est représenté sur les figures 6a à 6d. Puisque l'électrode de la base du transistor Tr4 est raccordée au transistor Tr2, il devient conducteur quand le transistor Tr2 devient conducteur et est bloqué quand le transistor Tir 2 est bloqué, comme l'indique la figure 6e. Etant donné qu'il n'y a pas de circuit à retard, le transistor Tr4 est bloqué instantanément quand le transistor Tr2 est bloqué, faisant varier la tension de sortie Vr aux bornes de la résistance de sortie R6, comme l'indique la figure 6f. Dans ces conditions, le détecteur de gaz selon l'invention engendre une tension de sortie Vr représentée par la courbe T de la figure 6f suffisamment élevée pour mettre en action le dispositif d'alarme-branché extérieurement seulement quand l'atmosphère contient une proportion d'un composant gazeux dépassant la valeur déterminée précitée, pour la raison exposée précédemment. I1 convient de noter qu'un circuit à retard quelaonque peut etre facilement intercalé dans le circuit chaque fois qu'on le désire. -RE'Vz DICATIONS 1 - Détecteur de gaz, du type comprenant un éIént sensible aux gaz constitué par un oxyde métallique seml-conducteur, des moyens pour chauffer ledit élément à une première température peu éle- vée, à laquelle ledit élément sensible aux gaz adsorbe un composant gazeux, et à une seconde température plus élevée, à laquelle ledit élément désorbe le composant gazeux adsorbé au moment où ledit élé- ment est 2 ladite première température, et un moyen pour engendrer un signal de sortie représentatif de la résistance électrique dudit élément, ledit signal n'étant engendré que lorsque ledit élément est chauffé à ladite première température, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour chauffer ledit élément sont agencés pour chauffer l'élément, de façon répétée, tour à tour à ladite première température peu élevée et à ladite seconde température élevée. 2 - Détecteur selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens pour chauffer de façon répétée ledit élément auxdites températures comprend la mise en action successive de deux interrupteurs, le premier commandant le chauffage dudit élément et le second commandant lesdits moyens destinés à créer ledit signal de sortie. 3 - Détecteur selon la revendication 2, dans lequel ledit second interrupteur fonctionne de façon à engendrer ledit signal de sortie avec un retard, par rapport au fonctionnement dudit premier interrupteur, au moins égal à la durée de chauffage due à la chaleur résiduelle. 4 - Détecteur selon la revendication 2, dans lequel lesdits interrupteurs sont commandés par un multivibrateur astable.