Brevet FR2468121A1 — publié le 19810430

L'invention concerne une sonde de mesure chauf- fante pour constituants de gaz, notamment pour les constituants des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne, compor- tant un détecteur dont le fonctionnement dépend de la tempéra- ture et qui est entouré par un élément chauffant disposé sur un support tubulaire. Les sondes électrochimiques de mesure à électro- lytes solides conducteurs d'ions-ne présentent, par exemple, une conductibilité ionique suffisante en pratique pour leur fonctionnement qu'au-dessus de 4000C et leur fonctionnement n'est plus perturbé par le plomb contenu dans les gaz d'échap- pement qu'au-dessus de 500'C. Le signal de sortie des sondes de mesure de ce type est en outre fonction de la température de l'électrolyte solide. Pour raccourcir le temps de réponse de telles sondes de mesure dans les gaz froids, pour obtenir un signal de sortie bien exploitable en pratique, pour augmenter leur durée de vie dans les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne contenant du plomb et pour accro tre leur précision de mesure, il est judicieux de les équiper d'éléments chauffants. La disposition d'éléments chauffants sur de telles sondes de mesure est également indiquée lorsque, pour des rai- - sons constructives, elles doivent être disposées en des empla- cements de la tubulure d'échappement du moteur à combustion interne o les gaz se sont déjà refroidis. Une sonde de mesure de ce type est déjà décrite dans le brevet US 3 597 345. Cette sonde de mesure comporte en tant que détecteur un tube en électrolyte solide muni d'un fond d'un c8té, un support tubulaire pour un élément chauffant par résistance étant disposé à distance autour du tube en électrolyte solide. L'élément chauffant par résistance se trouve alors sur le c8té extérieur du support situé à l'opposé du tube en électrolyte solide. Un inconvénient d'une telle sonde de mesure est que l'élément chauffant par résistance nécessite un isolant thermique particulier et que le rendement de cet élé- ment chauffant est assez mauvais. On mentionnera du reste que la sonde de mesure décrite dans ce brevet US constitue une forme de réalisation onéreuse, peu adaptée à une fabrication en série et qui n'est pas à l'épreuve des secousses. L'invention a pour but d'éviter ces inconvénients et concerne à cet effet une sonde de mesure du type ci-dessus 2 2468121 caractérisée en ce que l'élément chauffant est disposé sur la surface intérieure du support dont l'épaisseur de paroi est, de préférence, comprise entre 0,3 et 0,8 mm, et en ce que la distance de l'élément chauffant au tube en électrolyte solide stratifié est au maximum égale à i mm et, de préférence, mime inférieure à 0,5 mm. Par rapport aux réalisations connues, la sonde de mesure conforme à l'invention a pour avantages que l'élément chauffant permet une utilisation particulièrement favorable de sa puissance de chauffage et que cet élément chauffant peut être intégré sans modification importante dans les sondes de mesure de ce type actuellement usuelles pour les véhicules automobiles. En outre, une sonde de mesure munie d'un tel élé- ment chauffant présente dans l'ensemble une construction robuste, à l'épreuve des secousses et relativement économique, cette construction étant éminemment appropriée à la fabrication en série. Des dispositions indiquées dans la suite permet- tent d'obtenir des modes de réalisation avantageux et des per- fectionnements dela sonde de mesure conforme à l'invention. Il est particulièrement avantageux que le support de l'élément chauffant puisse servir en m9me temps de tube de protection du tube en électrolyte solide. L'invention n'est cependant pas limitée à des sondes de mesure pour déterminer la teneur en oxygène de gaz. Elle peut aussi être mise en application pour toutes les sondes de mesure disposées dans des gaz et dont lesdétecteurs fournis- sent des signaux fonction de la température. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés représentant un exemple de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels - la figure 1 est une coupe longitudinale à grande échelle d'une sonde de mesure électrochimique conforme à l'invention avec un tube en électrolyte solide conducteur d'ions; - la figure 2 représente à une échelle encore plus grande une partie du détecteur dans la zone désignée par A sur la figure 1 (tube en électrolyte solide, élément chauf- fant et support). La sonde de mesure électrochimique 10 représentée 3 2468121 sur la figure 1 et la figure 2 comporte un détecteur 11 avec un tube en électrolyte solide conducteur d'ions il' en bioxyde de zirconium stabilisé. Ce tube est municdun fond 12 formé à son extrémité pénétrant dans une tubulure d'échappement non repré- sentée. Il présente une collerette 13 moulée du côté extérieur de la partie d'extrémité éloignée du gaz faisant l'objet de la mesure. Ce tube en électrolyte solide 11' est muni sur sa sur- face extérieure d'une couche poreuse de catalyseur (platine) constituant une électrode de mesure 14, cette couche recouvrant la zone balayée par les gaz d'échappement, la collerette 13 du tube en électrolyte solide et, partiellement, la face frontale du tube en électrolyte solide 1l' éloignée du gaz faisant l'objet de la mesure. L'électrode de mesure 44 est recouverte au moyen d'une couche de protection poreuse 16 (par exemple en spinelle de magnésium) dans le domaine balayé par les gaz considérés. Cette couche est destinée à protéger l'électrode de mesure 14 contre les attaques mécaniques et thermiques des gaz faisant l'objet de la mesure. Sur la surface du tube en électrolyte solide 11' dirigée vers le volume intérieur 17 est disposée une piste con- ductrice poreuse conduisant les électrons et constituant une électrode de référence 18. Cette couche peut être également en platine et s'étend du fond 12 du tube en électrolyte solide jusqu'à la face frontale 15 de ce tube. Les zones de l'électrode de mesure 14 et de l'électrode de référence 18 qui se trouvent sur la face frontale 15 du tube en électrolyte solide 11' ne sont pas reliées électriquement l'une à l'autre. Par la face inférieure de sa collerette 13, le tube en électrolyte solide 11' repose sur un joint d'étanchéité annulaire 19 en acier réfractaire cuivré. Par l'intermédiaire de ce joint d'étanchéité annulaire 19, le tube en électrolyte solide 11' repose sur un appui 20 en forme d'épaulement consti- tué sur la surface intérieure 21 d'un support 22 pour un élément chauffant. Ce support 22 de l'élément chauffant est constitué de préférence en matière céramique (par exemple en oxyde d'alu- minium)et est disposé coaxialement au tube en électrolyte solide il', Ce support 22 de l'élément chauffant a une épais- seur de 0,6 mm; il entoure comme un tube le tube en électrolyte solide 1l' et comporte aussi, de préférence, un fond 23 pré- sentant au moins un orifice de passage 24 pour le gaz faisant 4 2468121 l'objet de la mesure. Sur la surface intérieure 21 de ce support 22 s'étend un élément chauffant 25 constitué par un fil disposé en hélice ou avec des méandres ou encore par une couche de tracé approprié. Les connexions, non représentées, de cet élément chauffant sont dirigées vers la face frontale 26 du support 22. L'élément chauffant 25 est, de préférence, recou- vert par une couche de protection 27 électriquement isolante, ce qui est favorable pour la durée de vie de cet élément chauf- fant 25 et évite en outre les courts-circuits électriques qui pourraient être provoqués par les dépôts en provenance du gaz faisant l'objet de la mesure. L'élément chauffant 25 est fixé sur le support 22 au moyen d'un adhésif céramique non repré- senté, si cet élément est en forme de fil. Si l'élément chauf- fant 25 est constitué par une couche disposée sur la surface intérieure 21 du support 22, elle est avantageusement déposée sur celui-ci par projection ou laminage d'une suspension com- prenant des particules conductrices de matière conductrice chauffante avec l'aide d'un gabarit. Pour le dimensionnement de l'élément chauffant et de son support 22, il s'est révélé particulièrement avantageux que la distance de l'élément chauffant 25 au tube en électrolyte solide stratifié 11' soit au maximum égale à 1 mm et même, de préférence, inférieure à 0,5 mm. Dans l'exem- ple considéré, l'élément chauffant 25 est situé à une distance de 0,4 mm du tube en électrolyte solide stratifié Il'. Le tube en électrolyte solide 11', qui va en s'amincissant vers son fond 12, présente un diamètre moyen de 6 mm. Cette dispo- sition d'un élément chauffant 25 sur le support 22, dont l'épaisseur est de préférence comprise entre 0,3 et 0,8 mm, permet une utilisation particulièrement favorable de la puis- sance de chauffage. On mentionnera qu'au lieu d'un support 22 en céramique pour l'élément chauffant, on peut utiliser un support métallique qui doit alors cependant être muni d'une couche isolante sur sa surface intérieure portant l'élément chauffant 25. L'élément chauffant 25 peut aussi être lui-même enveloppé par une couche isolante. Tandis que dans l'exemple considéré, le support 22 de l'élément chauffant constitue en même temps un tube de 2468121 protection du tube en électrolyte solide il' et de son électrode de mesure 14, on peut aussi, en variantes disposer un tube de protection supplémentaire non représenté. avec des orifices de passage, coaxialement autour du support 22 de l'élément chauf- fant. Dans ce cas, on peut se dispenser de prévoir le fond 23 du support 22 de l'élément chauffant. Sur la surface extérieure du support 22 de l'élément chauffant, est formé un épaulement 28 reposant à son tour sur un joint d'étanchéité annulaire 29 pouvant aussi, par exemple, être constitué en acier réfractaire cuivré. Ce joint d'étanchéité 29 repose sur un redan 30 du perçage de traversée 31 d'un carter métallique 32. Le carter 32 est en métal réfrac- taire. Il comporte extérieurement un filetage de montage 33 et un six pans 34 recevant une clé pour assurer le montage étanche de la sonde de mesure 10 dans une tubulure de mesure de gaz et présente, dans sa partie d'extrémité éloignée du gaz faisant l'objet de la mesure sur sa face extérieure, quelques renfonce- ments 25 dans lesquels s'enclenchent des ergots de cisaillement 36 appartenant à une douille de protection métallique 37 à paroi mince. Cette douille de protection 37 est guidée sur la partie d'extrémité du carter 32 éloignée des gaz faisant l'objet de la mesure. Elle comporte, dans sa partie d'extrémité éloignée du gaz, un fond 38 présentant un perçage central 39. Dans le perçage de traversée 31 du carter pénè- tre un corps d'appui 40 en matière céramique, pouvant être constitué par exemple en bioxyde de silicium. Le corps d'appui 0:O présente un perçage longitudinal 41 et assure le guidage, dans des conduits longitudinaux non désignés de façon particu- lière, de fils de connexion 42 pour l'électrode de mesure 14 et l'électrode de référence 18 ainsi que des fils de connexion 43 pour l'élément chauffant 25. Les fils de connexion 42 et 43 sortent du corps d'appui 40, du c8té éloigné du gaz et sont repliés sous forme de pièces de contact 45 sur la face frontale 44 du corps d'appui 40 voisine du gaz. Les pièces de contact 45 peuvent être fixées dans des rainures de guidage non repré- sentées de la face frontale 44 du corps d'appui. Mais elles sont en tout cas disposées de manière qu'il n'y ait aucune liaison électrique entre les fils de connexion d'électrodes 42 et les fils de connexion 43 de l'élément chauffant. Sur la surface extérieure de la partie d'extrémité 6 2468121 du corps d'appui 40 éloignée du gaz faisant l'objet de la mesure est formé un épaulement 46 sur lequel repose une ron- delle Belleville 47, cette rondelle Belleville 47 ne dépassant cependant pas le pourtour du corps d'appui 40. Cette rondelle Belleville 47 est maintenue sous précontrainte mécanique par le fond 38 de la douille de protection et entratne en conséquence un maintien sar et ferme des éléments de construction de la sonde de mesure 10. Au lieu du mode de fixation préférentiel précé- demment décrit du support 22 de l'élément chauffant sur la sonde de mesure 10, on peut aussi choisir d'autres modes de fixation. Par exemple, il est possible de fixer directement par des procédés connus (par exemple par sertissage) le support 22 de l'élément de chauffage sur la partie d'extrémité du carter 32 voisine du gaz faisant l'objet de la mesure, les fils de connexion étant ensuite conduits à part. Mais on a aussi la possibilité de fixer le support 22 de l'élément chauffant sur la surface extérieure du tube en électrolyte solide ll'. En outre, l'invention n'est pas limitée au mode d'étanchéité entre le tube en électrolyte solide ll' et le carter 32 ou le support 22 de l'élément chauffant au moyen de bagues en acier cuivré en tant qu'éléments d'étanchéité 290 On peut aussi, en variante, utiliser d'autres modes d'étanchéité. La réalisation et la disposition conformes à l'invention pour l'élément de chauffage ne sont pas limitées à des détecteurs comportant un tube fermé c8té gaz constitué par un électrolyte solide conducteur d'ions oxygène avec une électrode de référence exposée à une matière de références On peut aussi les mettre en application pour des détecteurs dans lesquels les deux électrodes sont exposées au gaz faisant l'objet de la mesure (DE-OS 2547683). Il est également sans importance pour l'invention que les sondes de mesure fonction- nent suivant le principe de mesure potentiométrique ou le prin- cipe de mesure polarographique (DE-OS 27 11 880). De même, l'invention convient bien pour des détecteurs à semi-conducteurs (par exemple TiO2) (DE-OS 28 17 873, DE-OS 28 34 671, DE-OS 25 35 500). Les seules adaptations nécessaires sont d'ordre artisanal. L'invention est avantageuse même pour l'ap- plication à des détecteurs pour déterminer la teneur en suie dans des gaz (Demande de brevet DE P 28 36 002). 2 2468121 R E V ENDICATIONS ) Sonde de mesure chauffante pour constituants de gaz, notamment pour les constituants des gaz d'échappement de moteurs à combustion interne, comportant un détecteur dont le fonctionnement dépend de la température et qui est entouré par un élément chauffant disposé sur un support tubulaire, sonde caractérisée en ce que l'élément chauffant (25) est disposé sur la surface intérieure (21) du support (22) dont l'épaisseur de paroi est, de préférence, comprise entre 0,3 et 0,8 mm, et en ce que la distance de l'élément chauffant (25) au tube en électro- lyte solide stratifié (11') est au maximum égale à 1 mm et, de préférence, même inférieure à 05 mm. ) Sonde de mesure chauffante selon la revendi-. cation 1, caractérisée en ce qu'elle est agencée sous forme de sonde de mesure électrochimique pour déterminer la teneur en oxygène et comporte un détecteur (11) fixé dans un perçage de traversée (31) d'un carter (32), ce détecteur comportant un électrolyte solide (11') conducteur d'ions oxygène sur lequel sont disposées à distance l'une de l'autre une électrode de mesure (14) et une électrode de référence (18). ) Sonde de mesure selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'élément chauf- fant (25) est disposé en forme d'hélice ou avec des méandres sur la surface intérieure (21) du support (22) et est constitué, par un fil ainsi façonné. 4 ) Sonde de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le support tubu- laires (22) de l'élément chauffant (25) comporte un fond (23) du c8té du gaz faisant l'objet de la mesure et au moins un ori- fice de passage (24) pour ce gaz. ) Sonde de mesure selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que le support (22) de l'élément chauffant (25) repose par un épaulement (28) sur un redan (30) du perçage de traversée (31) du carter (32), un joint d'étanchéité (29) étant disposé entre le support (22) de l'élément de chauffage et le redan (30) du perçage de traversée. 6 ) Sonde de mesure selon la revendication 5, caractérisée en ce que la surface intérieure (2) du support (21) de l'élément chauffant (25) présente un appui (20) sur lequel repose une collerette (13) du tube en électrolyte solide, 8 2468121 un joint d'étanchéité (19) étant disposé entre l'appui (20i du support de l'élément de chauffage et la collerette (13) du tube en électrolyte solide.