Brevet FR2357894A1 — publié le 19780203

La présente invention concerne un élément de détection de produits gazeux destiné à détecter les constituants dans le milieu environnant engendrés à la suite d'une combustion ou analogue. Des appareils de détection de combustion et d'alarme utilisant divers moyens de captage et de détection ont déjà été proposés, tels que des détecteurs thermiques, des détecteurs de flamme, des détecteurs photo-électriques, des détecteurs à chambre d'ionisation, des détecteurs à semiconducteur constitué par un oxyde métallique ou par une matière organique polymère et des détecteurs à cellule électrolytique. la demande de brevet des EUA en instance n 607.892 aux noms de Carl F. Klein et autres décrit un appareil qui détecte la combustion à son stade initial ou naissant par contraste au stade de combustion plua avancé nécessaire pour la détection par les dispositifs de la technique antérieure utilisant des réactions thermiques, aux flammes ou photoélectriques.Dans de telles applications, les autres dispositifs ne régissent pa aux gaz de combustion invisibles produits au cours du stade naissant. Les dispositifs de la technique antérieure ont des limitations de construction et de fonctionnement spéciales. Les métaux sensibles particuliers et les conditions requises pour la fabrication du dispositif de la demande de brevet précitée ont pour conséquence que l'ensemble de détecteur est relativement motteux. En outre, le degré de sensibilité à certains produits de combustion peut être très faible. Le service d'information technique "National Technical Information Service Springfield, Virginie, 22151, EUA, présente un document désigné NASA CR - 134693 qui décrit des polymères semiconducteurs qui sont électronégatifs comme formant des complexes de transport de charge avec différents gaz, tels que ceux produits par la combustion, et qui sont utilisables pour produire un signal de sortie détectable. Le brevet des EUA nO 3.603.954 décrit un oxyde métallique qui présente un changement de résistance susceptible de produire un signal de sortie détectable en présence de gaz oxydables, tels que ceux produits par la combustion. Cependant, l'oxyde métallique doit être chauffé et des gaz oxydables autres que les gaz de combustion peuvent pro voquer de fausses alarmes bien qu'une condition dangereuse n'existe pas. Conformément à la présente invention, un élément détecteur comporte ;une surface sensible non conductrice qui a une résistivité superficielle supérieure à lux1010 ohms par carré et une résistivité dans la masse supérieure à 1x1012 ohms-cm et qui est essentiellement exempte de forces de liaison homogène dipolaires. De préférence, la résistivité superficielle dépasse 1x1015 ohms-cm à 50% d'humidité relative. Des matières particulièrement appropriées pour la détection de produits gazeux qui ont une constante "a" du gaz dans l'équation d'état de Van der Waals élevée et un moment dipolaire élevé sont caractérisées par une composante d'énergie superficielle due principalement aux forces de liaison de dispersion avec une contribution minimale des forces de liaison hydrogène dipolaire. La réduction à sa valeur minimale de la composante de l'énergie superficielle due à la liaison hydrogène apparat comme l'un des facteurs principaux qui sont la cause de l'utilité d'une matière selon l'invention et cette composante doit avoir, en général, une valeur inférieure à 5,0 ergs/cm2 et, de préférence, inférieure à 1 erg/cm2.Des matières qui se sont avérées donner des résultats extrêmement satisfaisants sont notamment le polytétrafluoroéthylène (TFE) les perfluoroalcoolates (PFA), les copolymères fluorés d'éthylène et de propylène (FEP), qui peuvent être obtenus sous la marque "Téflon" de la société du Pont de Nemours and Company, le polystyrène et le polyéthylène (qui ont tous une valeur de liaison hydrogène dipolaire inférieure à 1 erg/cm2). D'autres matières appropriées sont notamment le polyester (Mylar-marque de la société du Pont de Nemours and Company) les polytérephtalates, les polyimides, les polysulfones, et analogues. La surface fait partie d'un espace libre exposé aux produits de la combustion à l'étape initiale ou naissante de la combustion et, en particulier, aux gaz toxiques et dangereux produits par le processus de combustion.La détection apparaît comme étant dépendante de la capacité de la surface spéciale de l'élément d'adsorber les molécules de gaz polaire engendrées par la combustion, ce qui produit une charge induite qui peut être détectée. La sonde ou électrode est également sensible aux radicaux ioniques et aux particules chargées associées aux produits de combustion et analogues qui se déplacent en étroite proximité de la surface. La caractéristique d'adsorption parait être une fixation ou liaison physique entre les produits et la surface détectrice. La sensibilité est une fonction à la fois de la constante du gaz "a" de l'équation d'état de Van der Walls pour les gaz réels et du moment dipolaire de la molécule gazeuse. Généralement, l'invention exige que ces deux valeurs soient relativement grandes. Alors que la charge induite crée une sonde plus sensible même que celle réalisée conformément à la demande de brevet des EUA précitée, la grandeur de la charge est généralement telle qu'un dispositif à forte impédance d'entrée qui a également de bonnes caractéristiques électrométriques est nécessaire pour détecter le signal. En général, un appareil détecteur et amplificateur à transistor à effet de champ constitue un moyen extrêmement satisfaisant. Plus particulièrement,une construction extrêmement pratique comporte une électrode détectrice en forme de disque ayant une surface détectrice formée en un polymère spécial diélectrique et non conducteur qui est, de préférence, collé ou fixé intimement d'une autre manière à une couche conductrice. Un goujon support formant connecteur est fixé à la face arrière de l'électrode et est monté dans un organe support spécial, ayant une résistivité superficielle et une résistivité dans la masse élevées pour éviter la perte des signaux, et muni d'un conducteur de sortie électrique connecté au goujon. Une enceinte comportant un organe de blindage spécial est de préférence prévue au-dessus de l'électrode détectrice.L'électrode détectrice est raccordée à un circuit de traitement des signaux à forte impédance et à gain élevé de façon à réaliser une tête de détection intégrée et compacte. La présente invention s'est avérée fournir un élément détecteur à surface extrêmement sensible formé en des matières relativement peu onéreuses pour détecter les produits de combustion et les produits similaires portés par le milieu environnant. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préférentiel et à l'examen du dessin annexé dans le quel la Fig. 1 est une vue en élévation de la nouvelle électrode détectrice; la Fig. 2 est un schéma bloc d'un appareil de détection d'incendie; la Fig. 3 est une représentation graphique représentant une première caractéristique de sensibilité de l'électrode; et la Flg. 4 est une représentation graphique représentant une seconde caractéristique de l'électrode. Dans l'exemple représenté sur les Fig. 1 et 2, une sonde de détection 1 comprend une plaque support métallique 2 et de nouvelles matières de surface sensibles non conductrices et réactives 3 et 4 en contact intime avec les faces opposées de la plaque 2. Le revêtement de surface peut, naturellement, n'être appliqué que sur une face. La sonde 1 peut être employée directement mais elle est, de préférence, montée à l'intérieur d'un carter ou bottier support 5 qui comporte une paire de plaques perforées ou électrodes en forme de cuvettes 6 et 7 comme décrit dans la demande de brevet des EUA précitée. Les perforations 8 formées dans les deux électrodes de blindage 6 et 7 permettent un accès essentiellement libre du milieu environnant à l'intérieur du bottier au-delà des électrodes et sa venue avec l'électrode ou sonde spéciale. La matière des couches 3, 4 peut être déposée sous forme d'un revêtement ou une matière pelliculaire peut être fixée à la plaque 2 au moyen d'un adhésif approprié 9, tel qu'un adhésif adhérent par contact à base de silicone. D'autres moyens peuvent naturellement être employés. Par exemple, un revêtement conducteur peut être déposé sous vide sur la matière réactive puis mécaniquement fixé à la plaque support 2. Une tige ou gou. jon support 11 est fixé à la plaque 2 et porte la sonde 1 d'une manière appropriée. La sonde 1 est raccordée à l'entrée d'un circuit de détection et de traitement à forte impédance 12, comme représenté sur la Fig. 2, et commande un circuit d'alarme approprié 13 d' une construction appropriée quelconque. Généralement, la sonde 1 fonctionne pour engendrer un signal électrique en présence des produits gazeux, tels que ceux rencontrés au stade naissant et aux stades suivants de la combustion. En utilisant un circuit approprié, un tel signal peut être détecté. Le circuit de traitement électronique 12 peut naturellement être d'une construction appropriée capable de présenter une connexion d'entrée à forte impédance à la sonde 1 comme décrit dans la demande de brevet des EUA précitée et de ce fait il ne sera pas plus complètement décrit ici. Chacun des revêtements ou couches 3, 4 de la sonde est en une matière non conductrice spéciale qui présente une réponse spéciale et unique aux produits des combustions, y compris ceux engendrés aux cours des stades naissant et initial. Les couches 3 et 4 peuvent être formées dans la même matière ou dans des matières différentes. Généralement, les produits gazeux de la combustion comprennent des molécules de gaz polaires ayant une constante de gaz "a" de l'équation d'état de Van der Waals élevée. En choisissant des matières non conductrices qui peuvent adsorber de tels produits de combustion, une charge induite est créée sur la sonde détectrice. Le niveau ou grandeur de la charge induite est naturellement directement lié à la nature polaire des molécules de gaz et à la constante de gaz "a" dans l'équation d'état de Van der Waals.L'analyse effectuée par les inventeurs a permis de découvrir que les produits de combustion comprennent des molécules de gaz ayant des moments dipolaires relativement élevés et qui, par conséquent, ont une nature polaire, qui peuvent produire une réponse extrêmement sensible en utilisant une matière de surface qui favorise l'adsorption nécessaire.Bien que divers diélectriques puissent être utilisés, les inventeurs ont trouvé que l'on obtient une détection optimale et particulièrement pratique lorsque la matière est totalement ou en très grande partie composée par une ou plusieurs des matières choisies dans un groupe de polymères constitué par le polytétrafluoroéthylène (TFE), le polystyrène, le polyéthylène, les perfluoroalcoolates, (PFA) et les copolymères fluorés d'éthylène et de propylène (FEP), le polyester (Mylar, marque de la société du Pont de Nemours) (qui ont tous une valeur de liaison hydrogène dipolaire inférieure à 1 erg/cm2), les poly téréphtalates, les polyimides, les polysulfones et analogues. Les caractéristiques des trois premières matières ci-dessus mentionnées qui donnent des résultats particulièrement satisfaisants et sont les matières optimales sont les suivantes Matière Composante de l'énergie de Composante de 1 'éner- surface due à la liaison de gie de surface due à dispersion la liaison hydrogène #d (ergs/cm) #h (ergs/cm) TFE 18,6 0,5 Polystyrène 41,4 0,6 Polyéthylène 33,2 0,0 Le facteur d'énergie superficielle minimal dû à la liaison hydrogène des matières est un facteur extrêmement important sinon dominant qui est l'une des causes de l'utilité des matières de la présente invention.Des matières dont le facteur r h est inférieur à 5,0 ergs/cm2 et, de préférence à 1,0 erg/cm2 sont les plus utiles en tant que couches sensibles aux produits de la combustion de la présente invention. Ces matières sont caractérisées par des résistivités superficielles et dans la masse élevées. Généralement, ces matières ont une résistivité superficielle d'une grandeur supérieure à Ixl0-10 ohms par carré et une résistivité dans la masse supérieure à 1x1012 ohms-cm. En outre, la couche sensible présente une quantité vraiment minimale de forces de liaison hydrogène dipolaire à sa surface. La sensibilité de la matière de détection aux produits de 1a combustion paratt être dépendante de sa capacité d'adsorber des molécules de gaz polaires engendrées au cours du processus de combustion.Ces forces sont généralement le résultat des liaisons de Van der Walls connues. Une mesure de cette force de liaison est contenue dans la constante "a" de Van des Waals obtenue de l'équation d'état de Van des Waals pour les gaz réels (p+a/ 2)( 9-b) = RT (cf Physical Chemistry, 2ème édition, de Daniels et Alberty, John Wiley, 1961). La grandeur de la -sensibilité de la sonde est, par conséquent, fonction à la fois de sa capacité d'adsorption des produits de combustion et de la nature polaire des molécules adsorbées. Les Fig. 3 et 4 représentent les caractéristiques de sensibilité d'une sonde formée en l'un quelconque des polymères "Téflon" précédemment identifiés à un certain nombre de gaz respectivement en fonction du moment dipolaire d'un tel gaz.Ces caractéristiques montrent que la sonde en "Téflon" ne détecte que les gaz qui ont un moment dipolaire élevé et peuvent, par conséquent, induire une charge sur la surface de la sonde et qui ont une constante "a" de Van der Waals élevée. Quatre de ces gaz, à savoir (1) le 2-butanone, (2) le méthanol, (3) l'eau et (4) lthexane sont représentés comme produisant différentes réponses qui seront particulièrement décrites pour expliquer plus complètement la présente invention. La capacité du gaz à être détecté ou non détecté par les sondes en téflon est expliquée en se référant aux Fig. 3 et 4. Le 2-butanone gazeux est facilement détecté par la sonde. Ceci est dû à son moment dipolaire élevé de 2,76 debyes qui est la cause de l'induction de charges dans le téflon et à sa constante "a" de Van der Waals de 19,78 qui est la cause du niveau de liaison.Le méthanol est détecté relativement moins bien que le 2-butanone bien qu'il ait un moment dipolaire plus élevé (2,87). La plus faible sensibilité au méthanol est dûe à la plus faible constante "a" Van der Waals de ce dernier. I1 en résulte qu' une moindre quantité de méthanol est adsorbée de façon appréciable sur la surface du téflon et que, par conséquent, l'induction d'une charge est très faible. La sensibilité à l'eau de la sonde en téflon est très faible bien que l'eau ait un moment dipolaire appréciable (1;87 debyes) du fait que la constante "a" de Van der Waals de l'eau qui est de 5,46 est très faible. D'une manière générale, les inventeurs ont trouvé que les gaz ayant une constante "a" de Van der Waals inférieure à 7 ou 8 paraissent être faiblement détectés par la sonde en téflon quel-que soit leur moment dipolaire. L'hexane a la constante "a" de Van der Waals la plus élevée (24,39) des gaz évalués mais n'est pas détecté par la sonde en téflon. Le moment dipolaire extrêmement faible de l'hexane (0,085 debyes) est responsable de cette insensibilité du fait qu'une charge ne peut pas être engendrée. La sonde est également capable de déceler les- radicaux ioniques et les particules chargées associées aux produits de la combustion. Les contaminants gazeux ou aérosols de com bustion possèdent, en général, une charge électrique et, lorsque de tels produits sont très proches de la surface de la sonde, une charge égale et opposée est induite sur une telle surface. Le transport de charge à partir des produits de combustion chargés qui entrent en contact direct avec la sonde modifie également la charge de la surface. Les changements de la charge sur la surface de 11 électrode provoquent également un changement du potentiel de la sonde et, par conséquent, du signal d'entrée du circuit de détection et d'amplification à haute impédance du détecteur. Le potentiel est directement proportionnel à la charge de tels radicaux ioniques et particules chargées sur la surface de l'électrode détectrice. L'adsorption des gaz polaires sur la surface de l'élément détecteur induit une charge dans la surface de l'électrode détectrice qui est un signal de niveau relativement bas. Afin de détecter cette petite charge, le circuit de détection doit, en général, présenter une forte impédance d'entrée avec de bonnes caractéristiques électrométriques. Plusieurs types de circuits sont disponibles pour obtenir des impédances d'entrée extrêmement élevées. Les quatre solutions les plus largement utilisées sont l'emploi de transistors à effet de champ, l'emploi d'un tube électromètre, l'emploi d'un condensateur vibrant ou l'emploi d'un pont de diodes à capacité variable. Les inventeurs ont trouvé que le transistor à effet de champ est un circuit particulièrement satisfaisant pour le dispositif à forte impédance d'entrée. En l'utilisant comme amplificateur de tension, on obtient une impëdance supérieure à 1010 ohms et de préférence supérieure à 1012 ohms avec de faibles tensions résiduelles, une bonne stabilité de la tension et du courant, des performances relativement bonnes pour le bruit et une faible dissipation d'énergie. La présente invention enseigne ainsi qu'un résultat extrêmement significatif est obtenu grâce à l'utilisation d'une surface appropriée de matière diélectrique dans laquelle les changements sont le résultat direct de l'interaction entre les produits de pollution et la matière de la surface. En particulier, pour la détection de la combustion, les inventeurs ont trouvé que la matière réactive diélectrique ou non conductrice appropriée pour la mise en oeuvre de la présente invention se distingue de la catégorie générale des matières non conductrices par une composante d'énergie superficielle dûe principalement aux forces de liaison de dispersion avec une contribution minimale des forces de liaison hydrogène dipolaire. Bien que le détecteur de l'invention ait été représenté avec la matière de surface fixée aux faces opposées d'un élément du type plaque, d'autres configurations peuvent naturellement être employées. Par exemple, une seule face de la plaque support peut être revêtue et des organes supports autres que des plaques peuvent être facilement employées. L'aspect important de la présente invention est l'exposition des produits gazeux à une superficie non négligeable de la matière diélec- trique, choisie de manière nouvelle et originale présentant les caractéristiques spéciales décrites, en combinaison avec des moyens pour détecter la caractéristique de charge correspondant aux molécules de gaz adsorbées. Dans des espaces relativement grands, plusieurs détecteurs peuvent être répartis dans l'espa- ce et connectés à un circuit de traitement des signaux commun ou à des circuits de traitement des signaux individuels. La présente invention propose ainsi une nouvelle surface diélectrique originale sensible aux produits gazeux contenus dans l'atmosphère environnante, tels que ceux-engendrés au stade naissant de la combustion et aux stades analogues. La matière utilisée et le procédé de fabrication employé permettent de réaliser un appareil relativement bon marché, ayant une longue durée de vie et une grande fiabilité. L'invention peut être utilisée dans tout milieu gazeux dans lequel les produits engendrés interagissent avec la surface spéciale pour produire un changement dans la charge superficielle du détecteur. REVENDICATIONS 1 - Sonde détectrice (1) de produits gazeux contenus dans le milieu environnant, destinée à être utilisée dans un appareil (5, 8, 12, 13) qui comporte un dispositif de sortie (12, 13) produisant un signal de sortie électrique en présence de produits contaminants-portés dans le milieu environnant, cette sonde détectrice (1) étant caractérisée en ce qu'elle comporte une surface détectrice exposée (3 et 4) et un élément de borne (11) de raccordement électrique destiné à être raccordé au dispositlf de sortie électrique (12) et en ce qu'elle est formée en une matière diélectrique ayant une composante d'énergie superficielle principalement créée par les forces de liaison de dispersion et une force de liaison hydrogène dipolaire minimale, cette matière réagissant avec les produits contaminants pour produire un signal de sortie électrique détectable. 2 - Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que la matière diélectrique (3, 4) est choisie dans le groupe constitué par le polytétrafluoroéthylène (TFE), les perfluoroalcoolates (PFA), les copolymères fluorés d'éthylène et de propylène (FEP), le polystyrène, le polyéthylène, le polyester, les polytéréphtalates, polyimides et les polysulfones. 3 - Sonde selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière (3, 4) est le polytétrafluoroéthylène (TFE). 4 - Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que la matière (3) est le polystyrène0 5 - Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que la matière (3, 4) est le polyéthylène. 6 - Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que la matière (3, 4) est un perfluoroalcoolate (PFA). 7 - Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que la matière (3, 4) est un copolymère fluoré d'éthylène et de propylène (FEP)o 8 - Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que la matière (3, 4) comprend une partie prédominante d'une matière choisie dans le groupe constitué par le polytétrafluoroéthylène (TFE), les perfluoroalcoolates -PFA), les copolymères fluorés d'éthylène et de propylène (FEP), le polystyrène et le polyéthylène. 9 - Sonde selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte un organe de base support (2) sur lequel la matière diélectrique (3, 4) est intimement fixée sous forme d'un revêtement. 10 - Sonde selon la revendication 9, caractérisée en ce que la matière diélectrique (3, 4) est collée à l'organe de base (2). 11 - Sonde selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'adhésif utilisé est un adhésif adhérent par contact à base de silicone. 12 - Sonde selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce qu'elle comporte une enceinte extérieure perforée (6, 7), ladite sonde étant montée à l'intérieur de l'enceinte, ladite enceinte (6, 7) étant conductrice. 13 - Sonde selon l'une des revendications 1 à 12, plus particulièrement prévue pour détecter la combustion, caractérisée en ce que la force de liaison hydrogène dipolaire est inférieure à 5,0 ergs/cm. 14 - Sonde selon la revendication 13, caractérisée en ce que la force de liaison hydrogène dipolaire est inférieure à 1 erg/cm. 15 - Sonde selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que la matière diélectrique (3, 4) a une résistivité superficielle supérieure à lx1010 ohms par carré et une résistivité dans la masse supérieure à lx1012 ohms-cm à 50% d'humidité relative. 16 - Sonde selon la revendication 15, caractérisée en ce que la résistivité superficielle de la matière diélectrique est supérieure à lx1015 ohms par carré et la résistivité dans la masse est supérieure à 1x1015 ohms-cm à 50% d'humidité relative. 17 Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce quelle est utilisée pour détecter des molécules de gaz polaires ayant une constante "a" de Van der Waals élevée. 18 - Appareil capacitif de détection de produits gazeux contenus dans un milieu environnant pour détecter la présence de produits contaminants contenus dans le milieu environnant, cet appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur capacitif comportant deux électrodes capacitives espacées (1, 6 et 7) entre lesquelles se trouve un espace libre non conducteur, au moins une première (l)de ces électrodes ayant une surface diélectrique (3, 4) espacée de l'électrode opposée (6, 7) et choisie dans le groupe constitué par le polytétrafluoroéthylène (TFE), les perfluoroalcoolates (PFA), les copolymères fluorés d'éthylène et de propylène (FEP), le polystyrène et le polyéthylène et constituant une matière active qui interagit avec les produits contaminants pour changer le signal de sortie électrique des électrodes capacitives et un amplificateur (l2) ayant des moyens d'entrée à forte impédance raccordés au détecteur capacitif (1, 6 et 7) pour produire un signal de sortie amplifié du détecteur capacitif. 19 - Appareil selon la revendication 18, caractérisé en ce que la seconde électrode capacitive est un organe conducteur mis à la terre (5, 6) entourant la première électrode (1) et est munie d'ouvertures pour permettre le mouvement relativement libre du milieu environnant entre les électrodes et en contact avec la matière active (3, 4), la première électrode étant constituée par un élément en forme de disque (2) monté à l'intérieur de la seconde électrode (5, 6, 7) et portant ladite matière (3, 4) sur ses faces opposées