Brevet FR2280074A1 — publié le 19760220

La présente invention concerne des détecteurs de gaz et plus spécialement des détecteurs de gaz comportant des éléments sensibles aux gaz à semi-conducteuss. Pour détecter les gaz dangereux tels que les gaz inflammables et les gaz toxiques contenus dans une atmosphère, divers types de détecteurs de gaz à semi-conducteurs ont été proposés et mis au point. La figure 1 représente un exemple typique de détecteur de gaz classique à semi-conducteurs, qui comprend une paire de bornes d'entrée 1 et 2 à raccorder à une source de courant continu, non représentée, l'ensemble en série d'une résistance R et d'un élément A à semi-conducteurs sensible aux gaz branché entre les bornes d'entrée 1 et 2 et une paire de bornes de sortie 3 et 4 reliées aux bornes de la résistance R. Bien que cela ne soit pas représenté, les bornes de sortie 3 et 4 sont reliées à un dispositif approprié destiné à indiquer ou enregistrer la tension de sortie. L'élément A à semi-conducteurs sensible aux gaz est une des nombreuses réalisations à base d'oxyde semi-conducteur réducteur du type -n bien connues, par exemple un oxyde d'étain du type-n contenant une faible proportion d'un catalyseur approprié. La caractéristique résistance électrique/gaz de I'élément détecteur et, par conséquent, la caractéristique tension de sortie/gaz d'un détecteur à gaz dans lequel cet élément est utilisé peut être transformée facilement en la caractéristique souhaitable simplement en faisant varier la proportion de catalyseur ajouté au matériau semiconducteur. L'élément détecteur de gaz comporte en général un organe de chauffage approprié h pour porter l'élément sensible a une température élevée en vue de son activation. Le détecteur de gaz représenté sur la figure 1 possède des caractéristiques tension-température entre les bornes de sortie 3 et 4 représentées par la famille-de courbes de la figure 2. Sur cette courbe, la tension de sortie du détecteur à gaz est portée en fonction de la température en degrés Celsius. Les courbes P, H, M et I représentent les tensions aux bornes de sortie 3 et 4 quand le détecteur de gaz est placé dans une atmosphère d'air contenant 0,1 % d'un autre gaz, à savoir du propane, de l'hydrogène, du méthane et de l'isobutane, en appliquant une tension de 100 V aux bornes d'entrée 1 et 2 et en choisissant une valeur ohmique de 4 000 ohms pour la résistance R. Si, à la place de ce premier élément A sensible aux gaz, on incorpore un second élément A' sensible aux gaz différent, qui contient une proportion différente du catalyseur précédemment mentionné dans ledit circuit détecteur de gaz représenté sur la figure 1, le détecteur de gaz avec le second élément A' sensible aux gaz présente la caractéristique tension de sortie/température pour le propane, l'hydrogène, le méthane et l'isobutane, tous gazeux, représentée sur la figure 3, laquelle est très différente de celle représentée sur la figure 2. Les courbes caractéristiques P, H, M et I sont celles obtenues dans les mêmes conditions que pour la figure 1, en dehors de la présence du second élément A' sensible aux gaz.A partir de ces courbes caractéristiques représentées sur les figures 2 et 3, il est facile de voir qu'avec l'un ou l'autre des premier et second éléments sensibles A et A', plusieurs types d'ingrédients gazeux sont détectés en meme temps, ce qui empeche le détecteur de gaz de détecter sélectivement un gaz donné. Dans certains cas, il est impossible de détecter des gaz dangereux, par exemple un gaz inflammable ou un gaz toxique, par l'utilisation d'un détecteur de gaz classique comportant un seul élément semi-conducteur sensible aux gaz. Par conséquent, les détecteurs de gaz classiques sont peu satisfaisants ou, dans certains cas, inutilisables pour l'application envisagée. Par ailleurs, les détecteurs de gaz classiques ne peuvent identifier le composant gazeux détecté et sont peu fiables et inefficaces. L'invention a pour principal objet un détecteur de gaz nouveau perfectionné et très fiable, capable de distinguer avec précision des ingrédients gazeux ainsi qu'un détecteur de gaz de réalisation simple comportant des éléments sensibles aux gaz classiques. Pour atteindre ces objectifs, le détecteur de gaz selon l'invention comprend une paire de bornes d'entrée, une paire de bornes de sortie et un circuit électrique comprenant plusieurs éléments sensibles aux gaz et branches entre lesdites bornes d'entrée et de sortie, lesdits éléments détecteurs de gaz ayant chacun une sensibilité différente pour au moins un des gaz composants à détecter. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante, faite en se référant au dessin annexé, dans lequel - La figure 1 représente le schéma des circuits d'un détecteur classique de gaz comportant un seul élément a semi-conducteurs sensible aux gaz. - La figure 2 représente la- caractéristique de tension de sortie pour plusieurs gaz obtenue à l'aide du détecteur de gaz représenté sur la Figure 1. - La figure 3 représente la caractéristique de tension de sortie d'un autre détecteur de gaz comportant un type différent d'élément à semi-conducteurs sensible aux gaz. - La figure 4 représente un schéma du circuit du détecteur de gaz selon 1' invention. - La figure 5 est un graphique représentant des courbes caracté ristiques tension de sortie/température pour plusieurs gaz, dans le cas du détecteur de gaz représenté sur la figure 4. - Les figures 6 à 8 représentent des schémas de circuit de détec teurs de gaz modifiés selon la présente invention. - La figure 9 est un graphique représentant les courbes caracté ristiques tension de sortie/température pour plusieurs gaz, tra cées à l'aide du détecteur de gaz représenté sur la figure 8. - Les figures 10 à 12 représentent des schémas de circuit d'une autre forme de réalisation de détecteurs de gaz selon l'invention, et - La figure 13 est une coupe représentant les premier et second éléments sensibles aux gaz formant une structure d'un seul bloc. Il est à noter que sur toutes ces figures, les mêmes caractères et numéros de référence désignent des entités identiques ou équi valentes. La figure 4 représente un détecteur de gaz réalisé selon l'invention, figure sur laquelle on voit facilement que le détecteur de gaz lO selon l'invention est réalisé en introduisant simplement le second élément A' à semi-conducteurs sensible aux gaz du type ayant les caractéristiques représentées sur la figure 3 entre le premier élément sensible A et une résistance R de 10 k Bien série avec celui-ci. A tous autres points de vue, ce circuit est iden tique à celui représenté sur la figure 1. Le détecteur de gaz 10 a, pour divers gaz, des caractéristiques température/tension de sortie entre les bornes de sortie 3 et 4 représentées par la famille de courbes de la figure 5. A partir de cette famille de courbe, qui est tracée de la même manière que pour les figures 2 et 3, on voit que le détecteur de gaz 10 est constitué par deux éléments sensibles A et A' différents et est sensible vis-a-vis du gaz hydrogène seul dans un intervalle de température allant de 100 à 150 0C, du fait que les premier et se cond éléments sensibles A et A' créent une tension de sortie aux bornes de la résistance R. Il est facile à comprendre que le détecteur de gaz lO selon l'invention fournit cette caractéristique tension de sortie/tempé- rature pour divers composés gazeux comme l'indique la figure S en tenant compte du fait que les premier et second éléments sensibles A et A' branchés en série, qui présentent les courbes caractéristiques représentées sur les figures 2 et 3, sont intercalés dans le circuit. plus précisément, si l'on admet que la résistance totale des premier et second éléments détecteurs A et A' du détecteur 10 Q gaz placés dans une atmosphère d'air pur est égale à 100, alors la valeur de la résistance R sera voisine de lO et la résistance totale des premier et second éléments détecteurs A et A' placés dans une atmosphère d'air contenant l'un quelconque des gaz qui peuvent ttre détectés par les deux éléments A et A' sera de l'or- dre de 1. Par conséquent, comme l'indiquent les figures 2 et 3, l'un ou l'autre des éléments détecteurs A et A' ne peut détecter que difficilement la présence d'hydrogène, de méthane, de propane et d'isobutane gazeux et présente une résistance élevée à une température inférieure à 100 C, faisant apparatre une tension de sortie presque nulle aux bornes de la résistance R, comme l'indique la figure 5. Dans l'intervalle de température de 100 à 1500C, le premier et le second éléments détecteurs A et A' détectent l'hydro- gène gazeux seul et lueur résistance diminue, faisant apparaître une tension de sortie aux bornes de la résistance R, comme l'indique la courbe H de la figure 5.Au-dessus de 150 0C, les deux éléments détecteurs A et A' détectent l'hydrogène, le propane et l'isobutane gazeux, ce qui conduit aux diverses tensions de sortie aux bornes de la résistance R. Etant donné que le méthane n'influe pas de façon appréciable sur la sensibilité du second élément détecteur A' dans la totalité de la gamme de températures réalisables, il fait apparaître seulement une tension de sortie négligeable aux bornes de la résistance R comme 1 'indique la courbe M de la figure 5. Par conséquent, avec le détecteur de gaz 10 représenté sur la figure 4, dans lequel le premier et le second éléments détecteurs A et A', ayant chacun des caractéristiques différentes, sont branchés en série, ainsi qu'avec la résistance de sortie R, entre les bornes d'entrée 1 et 2, même les gaz qui sont détectés par le premier et le second éléments détecteurs A et A' peuvent faire appa raître des tensions de sortie entre les bornes de sortie 3 et 4. En variante, quand les composants gazeux contenus dans l'atmosphère à surveiller et qui sont détectés par les deux éléments sensibles A et A' sont en trop grand nombre pour discerner un gaz particulier, on peut brancher un nombre additionnel choisi d1 éléments détecteurs de gaz appropriés qui ont une sensibilité ou une caractéristique différentes vis-à-vis de ces gaz, en série avec les premier et second éléments sensibles A et A', de façon à améliorer la sélectivité de ce détecteur de gaz pour les divers gaz. La figure 6 représente une forme de réalisation du détecteur 20 de gaz selon l'invention, dans laquelle un circuit en pont est constitué par deux résistances R et R', et un premier et un second éléments A et A' sensibles aux gaz chauffés à environ 1300C par un organe de chauffage approprié h.Les éléments A et A' sont de construction identique à ceux utilisés dans le circuit représenté sur la figure 4 et branchés de façon à former deux branches adjacentes de ce circuit en pont. Gracie à l'utilisation du détecteur 20 de gaz réalisé de cette manière, l'hydrogène qui agit sur les éléments détecteurs A et A' ne peut autre détecté étant donné que les variations de résistance des deux éléments détecteurs A et A' se compensent mutuellement, alors que du propane ou du méthane gazeux peuvent etre détectés sous la forme d'une tension de sortie apparaissant entre les bornes de sortie 3 et 4, du fait que l'équilibre du pont est rampe. On peut facilement faire la distinction entre le propane gazeux et le méthane en déterminant la polarité de la tension de sortie. La figure 7 représente un autre détecteur de gaz 30 réalisé selon l'invention. Le détecteur de gaz 30 est semblable au détecteur de gaz 20 représenté sur la figure 6, Si ce n'est que les éléments A et A' détecteurs de gaz sont connectés de façon à former les deux branches opposées du pont et que les résistances R et R' forment par conséquent les branches restantes. Avec cet agencement, les gaz tels que l'hydrogène qui peuvent être détectés par les premier et second éléments sensibles A et A' font appa raitre une tension de sortie entre les bornes de sortie 3 et 4, ce qui permet au détecteur 30 de détecter ces gaz. La figure 8 représente le schéma du circuit d'une autre variante de détecteur de gaz 40 selon l'invention. Le détecteur de gaz 40 comprend deux branches série constituées par un premier élément A détecteur de gaz et une diode D, et un second élément A' détecteur de gaz et une diode D'. La diode D' est polarisée en sens inverse par rapport à la diode D. Ces branches série sont branchées mutuellement en parallèle. Une source de courant électrique alternatif de 100 V, non représentée, est raccordée aux bornes d'entrée 1 et 2. A tous autres points de vue, ce circuit est identique à celui représenté sur la figure 4. La figure g représente les formes d'onde des tensions de sortie H, N et I apparaissant aux bornes de sortie 3 et 4 du détecteur de gaz représenté sur la figure 8, avec une atmosphère contenant respectivement 0,1 % d'hydrogène, de methane et d'isobutane, tous gazeux. L'examèn de ces formes d'onde montre que la courbe H pour l'hydrogène est à peu près celle à deux alternances observées pour une tension alternative normale, la courbe M équivaut à peu près à une alternance positive et la courbe I équivaut à peu près à une alternance négative.Par conséquent, en déterminant le caractère ou la forme de la courbe représentant la tension de sortie entre les bornes 3 et 4, les composants gazeux détectés dans l'at atmosphère peuvent etre facilement identifiés. Bien qu'on utilise seulement une paire unique de bornes de sortie 3 et 4 dans les réalisations ci-dessus de l'invention pour obtenir les valeurs de tension nécessaires pour détecter les gaz, il convient de noter qu'on peut utiliser plus de deux paires de bornes de sortie pour détecter et identifier les gaz. Par exemple, comnte on le voit sur la figure 10, le détecteur de gaz 50 peut comporter une paire de bornes de sortie 5 et 6 raccordées au premier élément sensible A. Les autres caractéristiques du détecteur de gaz 50 sont identiques à celle du détecteur de gaz 10 représenté sur la figure 4.Avec cette disposition des circuits, quand les éléments sensibles aux gaz A et A' sont chauffés à environ 1300C et quand la résistance R a une valeur de 10 kST , les tensions de sortie VR et VA indiquées sur le tableau ci-dessous sont mesurées entre les bornes de sortie 3 et 4, ainsi que 5 et 6, respectivement pour de l'air pur Ai et pour de l'air contenant 0,1 % de composants gazeux, à savoir de l'hydrogène H, du propane P, de l'isobutane I et du méthane N. A. H P I M V 48V 16V 86V 76V 4V VR -6V 48V 8V 6V 4V Comme l'indique clairement le tableau ci-dessus, la tension de sortie VA pour l'hydrogène gazeux H est inférieure à celle mesurée pour l'air pur A. alors que la tension de sortie VR pour l'hydrogène gazeux H est supérieure à celle pour l'air pur Ai. Pour le propane gazeux P et l'isobutane gazeux I, seule la tension de sortie V est appréciable et seulement une faible tension de sortie V apparaît entre les bornes de sortie 3 et 4, et la tension de sortie V ou V développée est presque nulle pour le méthane gazeux M. Par conséquent, en utilisant les relations cidessus concernant les tensions de sortie VR et VA, on peut réaliser la détection individuelle de l'hydrogène, d'un mélange de propane et d'isobutane et du méthane. Le détecteur de gaz représenté sur la figure 11, dans lequel la résistance R et les bornes de sortie 3 et 4 sont supprimées de l'ensemble du circuit représenté sur la figure lO, est capable de détecter des gaz grâce à la surveillance des tensions de sortie apparaissant aux bornes des éléments sensibles A et A'. Plus précisément, quand la tension de sortie aux bornes du premier élément A est sensiblement égale à la tension de la source, le gaz présent dans l'atmosphère est un gaz qui ne peut etre détecté par le premier élément sensible A mais qui peut l'etre par le second élément sensible A'.Si chacun des premier et second éléments sensibles A et A' engendre une tension de sortie égale à partir de la tension de la source, on peut établir que le gaz présent dans l'atmosphère est un gaz qui ne peut etre détecté par les premier et second éléments sensibles A et A' et qui peut etre détecté par un autre élément sensible. Par ailleurs, le détecteur de gaz 70 représenté sur la figure 12, dans lequel un des éléments sensibles A ou A' du détecteur de gaz 10 représenté sur la figure 4 est remplacé par plusieurs éléments sensibles aux gaz branchés en parallèle présentant des sensibilités différentes pour différents composants gazeux, peut etre utilisé pour détecter des composants gazeux dans l'atmosphère. Quand la tension aux bornes des branches sus-mentionnées en parallèle est suffisamment élevée, le composant gazeux présent dans l'atmosphère est un de ceux qui peuvent être détectés par l'un quelconque des éléments sensibles branchés dans lesdites branches en parallèle. Si la tension de sortie aux bornes de l'ensemble des branches en parallèle est quasiment nulle, le gaz contenu dans l'atmosphère est l'un de ceux qui ne peuvent être détectés par l'un ou l'autre des éléments sensibles constituant le circuit à branches en parallèle. Bien que l'invention ait été décrite pour des détecteurs de gaz dont les éléments sensibles sont séparés, il convient de noter que ces éléments sensibles peuvent être réalisés d'une seule pièce, rendant ainsi le détecteur de gaz peu encombrant, simple et facile à manipuler. La figure 13 représente un tel exemple sur le qel on voit que les premier et second éléments sensibles A et ' forment un ensemble d'une seule pièce. Les éléments A et A' formant un ensemble d'une seule pièce sont supportés par un tube creux de porcelaIne 7 à travers lequel passe un élément chauffant n Les rils conducteurs 8 et 8' sont reliés aux éléments sensibles A et A'. Si l'on désire que les éléments sensibles branchés en parallèle A et A' forment un ensemble d'une seule pièce, l'un des fils conducteurs est branché au point commun des éléments détecteurs A et A' pour réaliser une connexion à ces deux éléments A et A', tandis que l'autre fil conducteur se divise en deux à son extrémité et est raccordé aux éléments respectifs A et A'. Par ailleurs, comme l'indiquent nettement les circuits représentés sur la figure 8, un premier et un second éléments sensibles A et A', présentant des caractéristiques différentes pour plus d'un composant gazeux peuvent être réalisés en chauffant des éléments sensibles du même type à des températures différentes au lieu de changer la proportion de catalyseur contenu dans ces éléments , - R s V X ff D I C A T I 0 N S 1.- Détecteur de gaz caractérisé par le fait qu'il comprend deux bornes d'entrée, deux bornes de sortie et un circuit électrique unique comportant une pluralité d'éléments sensibles aux gaz et branchés entre lesdites bornes d'entrée et de sortie, lesdits éléments sensibles aux gaz ayant chacun une sensibilité différente pour au moins un des composants gazeux à détecter. 2.- Détecteur selon la revendication 1, dans lequel lesdits éléments sensibles aux gaz sont branchés en série, entre les dites bor nes d'entrée, par l'intermédiaire d'une résistance branché entre leedites bornes de sortie. 3.- Détecteur selon la revendication 2, dans lequel une paire de bornes de sortie est raccordée aax extrémités d'un desdits éléments sensibles aux gaz. 4.- Détecteur selon la revendication 1, dans lequel lesdits élé- ments détecteurs de gaz sont branchés en série lun avec l'autre et une paire de bornes de sortie est reliée aux extrémités d'un desdits éléments sensibles aux gaz. 5.- Détecteur selon la revendication 2, dans lequel un desdite éléments détecteurs de gaz est branché en parallèle sur un autre élé- ment sensible aux gaz. 6.- Détecteur de gaz selon la revendication 1, dans lequel un circuit de liaison en parallèle est branché entre lesdites bornes d'entrée en passant par une résistance branchée entre lesdites bornes de sortie, ledit circuit à connexion en parallèle comprenant deux éléments sensibles aux gaz branchés en parallèle l'un avec l'antre, et deux diodes branchées chacune en série avec un desdits éléments sensibles aux ga & et polarisées dans des directions inverses par rapport b l'autre. 7.- Détecteur de gaz selon la revendication 1, dans lequel un cir- cuit en pont est branché entre lesdites bornes d'entrée et de sortie, ledit circuit en pont comprenant deux éléments sensibles aux gaz, exposés à une atmosphère et formant deux branches adjacentes de ce circuit en pont, ainsi que deux résistances formant les deux autres branches de ce circuit en pont. 8.- Détecteur de gaz selon la revendication 1, dans lequel un circuit en pont est branché entre lesdites bornes d 'entrée et de sor tie, ledit circuit en pont comportant deux éléments sensibles aux gaz formant deux branches opposées de ce circuit en pont ainsi que deux résistances formant les deux autres branches de ce circuit en pont. 9.- Détecteur selon la revendication 4, dans lequel un desdits éléments sensibles aux gaz muni desdites bornes de sortie est asso cié avec un autre élément sensible aux gaz branché en parallèle sur lui. 10.- Détecteur selon la revendication 1, dans lequel lesdits éléments sensibles aux gaz sont exposés à une atmosphère et réalisés d'une seule pièce. 11.- Détecteur selon la revendication 1, dans lequel lesdits éléments sensibles aux gaz sont du mbme modèle et chauffés à une température différente pour modifier leur sensibilité.