Brevet FR2472750A1 — publié le 19810703

La présente invention se rapporte en général à un capteur d'oxygène pour mesurer la concentration en oxygène dans un fluide, et plus particulièrement à un capteur d'oxygène comprenant un élément capteur d'oxygène du type en pellicule plate et un élément de support de l'élément capteur. Des éléments capteurs d'oxygène du type en -pellicule plate, qui emploient une couche plate d'électrolyte solide, montrent une meilleure performance en ce qui concerne les caractéristiques de force électromotrice et de réponse que des capteurs d'oxygène du type tubulaire employant un électrolyte solide sous forme d'un tube. Cependant, certains éléments capteurs d'oxygène du type en pellicule plate ne peuvent présenter leuisperformances maximum possibloedu fait de l'utilisation d'un élément de support ayant de mauvaises caractéristiques d'isolement thermique. En fait, l'usage d'un tel élément de support provoque une libération considérable de chaleur de l'élément capteur à son utilisation, empochant ainsi celui- ci d'être maintenu à une température d'utilisation efficace. Ce phénomène devient plus critique quand le capteur est exposé à un fluide n'ayant pas une température si élevée. Selon la présente invention, on prévoit un capteur d'oxygène. Il comprend un élément capteur de l'oxygène sensible à l'oxygène dans un fluide pour produire un signal représentatif de la concentration en oxygène dans ce fluide, et un organe de support supportant l'élément capteur d'oxygène, au moins une partie de l'organe de support avec laquelle l'élément capteur d'oxygène est directement en contact, étant construite en un matériau thermiquement isolant ayant une conductivité thermique inférieure à 0,01 cal.cm/cm2.s.OC. La irésente inventn a our objet un capteur d'oxygène comprenant un élémentcaptur etunsupport de l'élément, ce support étant construit en un matériau thermiquement isolant afin que la chaleur libérée par l'élément capteur soit diminuée. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative quiva suivre faite en-référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: - - les figures 1 et 2 sont des vues en coupe schéma- tique d'éléments capteurs d'oxygène du type en pellicule plate; - les figures 3 et 4 illustrent des circuits électriques agencés dans les éléments capteurs d'oxygène respectifs des figures 1 et 2 - les figures 4A et 4B sont des vues en plan et avant d'un support traditionnel de l'élément capteur d'Ioxygène de la figure 2; - la figure 5 est une vue avant d'un capteur d'oxygène se composant de l'élément capteur d'oxygène de la figure 2 et du support traditionnel des figures 4A et 4B; - la figure 6 est une vue en coupe partielle d'un support de capteur d'oxygène o est monté le capteur d'oxygène de la figure 5; - les figures 7A et 7B sont des vues en plan et avant d'un support perfectionné de l'élément capteur d'oxygène de la figure 2, le support faisant partie du capteur d'oxygène selon la présente invention; - la figure 8 est une vue en coupe du capteur d'oxygène selon l'invention, ce capteur se composant de l'élément capteur d'oxygène de la figure 2 et du support perfectionné des figures 7A et 7B; - la figure 9 est une vue en coupe d'un support de capteur d'oxygène o est monté le capteur d'oxygène assemblé de la figure 8; - la figure 10 est un graphique des résultats d'une expérience montrant-la relation entre un temps écoulé sur l'axe des abscisses et le courant électrique consommé par un réchauffeur noyé dans l'élément capteur d'oxygènesur l'axe des ordonnéestainsi que la vitesse du véhicule en km/h; et - la figure 11 est un graphique des résultats d'une autre expérience o est montrée la relation entre la température de gaz d'échappement à mesurer, sur l'axe des abscisses, et la tension de sortie de l'élément capteur d'oxygène sur l'axe des ordonnées. Avant de décrire la présente invention en détail, on décrira des capteurs d'oxygène traditionnels en se référant aux figures 1 à 6, afin de rendre plus claire la présente invention. En se référant aux figures 1 et 2, elles montrent, en coupe, des éléments capteurs d'oxygène traditionnels du type en pellicule plate. Les éléments capteurs d'oxygène désignés par les repères 10 et 12 respectivement, comprennent une couche de séparation 14 en céramique étudiée pour servir d'organe de structure de base de l'élément capteur 10 ou 12, une première couche formant électrode de référence 16 déposée sur la couche de sépara- tion 14, une couche 18 en un électrolyte solide conducteur de l'ion oxygène déposée sur la première couche formant électrode 16, une seconde couche formant électrode de mesure 20 déposée sur la couche d'électrolyte solide 18, et une couche protectrice 22 couvrant totalement et de façon intime la seconde couche formant électrode 20 et les côtés de la couche d'électrolyte solide 18. Dans l'élément 12 de la figure 2, un réchauffeur électrique 24 est de plus prévu, qui est noyé dans la couche de séparation 14. Comme on le sait, le réchauffeur électrique 24 est utilisé pour maintenir l'élément 12 à une tempéra- ture relativement élevée. Les figures 3 et 4 montrent des circuits électri- ques ou cAblages appliqués aux éléments capteurs d'oxygène et 12 respectivement. Dans les circuits représentés, R. représente la résistance interne de la couche d'électrolyte solide 18, E représente la force électro- motrice produite par la couche 18, et Rh représente la résistance électrique du réchauffeur 24. La force électro- motrice est captée par des conducteurs appropriés 26 et 28 qui sont respectivement reliés aux première et seconde couches formant électrodes 16 et 20 par une technique appropriée de connexion, comme soudure ou brasage. Dans le cas de l'élément 12, un conducteur supplémentaire 30 est employé, qui est relié au réchauffeur électrique 24 et à une source appropriée de courant électrique (non représentée). Comme matériau des fils conducteurs, on peut employer du platine, du nickel et du cuivre. Quand on met ces éléments capteurs d'oxygène 10 et 12 en usage pratique, il est nécessaire de les monter sur un support solide de structure, du fait de la construc- tion délicate et fragile des éléments 10 et 12. Les figures 4A et 4B montrent un support traditionnel désigné par le repère 32. Le support 32 illustré est étudié pour coopérer avec-l'élément capteur 12 de la figure 2. Le support 32 est construit en alumine frittée et sa forme est cylindrique. Comme on peut le comprendre sur les dessins, trois orifices parallèles et s'étendant longitudinalement 32a, 32b et 32c sont formés à travers le support 32 et une gorge 32d est formée à une extrémité longitudinale du support 32, pour se confondre avec les orifices 32a, 32b et 32c. Comme le montre la figure 5, lors de l'assemblage, la section-inférieure de l'élément capteur 12 est reliée par la gorge 32davec les trois fils capteurs 26, 28 et 30 traversant les orifices 32a, 32b et 32c respectivement, et un matériau adhésif inorganique 34 est appliqué à la partie o l'élément capteur 12 et le support 32 sont en contact l'un avec l'autre, pour assurer la connexion entre eux. La figure 6 montre un support 36 de capteur d'oxygène o est monté le capteur d'oxygène assemblé (12+32), qui est couramment utilisé lorsque l'on mesure la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement d'un moteur, passant par un tuyau d' échappement. Le support 36 comprend une gaine cylindrique en métal 38 dans laquelle est disposé très serré le support 32 en alumine frittée, et un capuchon 40 en métal à ouvertures monté à une extrémité de la gaine 38 pour couvrir de façon espacée l'élément capteur 12 sur le support 32. Un siège d'accouplement 42 avec des filetages mâles est monté solidement sur la gaine 38 pour connexion amovible à un tube par lequel passe un gaz à mesurer. L'extrémité arrière de la gaine 38 est emboutie comme on peut le voir. Le repère 44 désigne un agent d'étanchéité en poudre d'aluminium, introduit dans la gaine 38. Lors de la connexion du support 36 au tuyau d'échappement, le capuchon 40 est exposé autgaz dans le tuyau, permettant ainsi aumgaz de s'écouler dans et hors du capuchon par ses ouvertures 40a. Cependant, l'utilisation du support 36 ci-dessus mentionné avec le capteur d'oxygène (12+32) qui y est monté, présente l'inconvénient qui suit, provenant des mauvaises caractéristiques d'isolement thermique que possède le support 32ònstruit en alumine frittée. En fait, quand l'élément 12 dans le support 36 est exposé à un fluide qui doit être mesuré, il y a une transmission considérable de chaleur de l'élément capte-ur d'oxygène 12 vers la gaine en métal 38 placée à l'extérieur à travers le support 32 ayant de mauvaises caractéristiques d'isolement thermique. Ainsi, il est difficile de chauffer rapidement l'élément capteur d'oxygène 12 à un niveau auquel il présente un fonctionnement normal de mesure, même si le réchauffeur 24 est excité pour le chauffer. Afin de maintenir la température de l'élément capteur d'oxygène -12 à son niveau normal de fonctionnement lors de la mesure d'un gaz à basse température, il faut une plus grande quantité d'électricité que-celle théoriquement nécessaire. On rencontre de même un inconvénient non souhaitable dans un autre capteur d'oxygène contenant l'élément capteur d'oxygène 10 non chauffé et son support associé (non représenté)construit en alumine frittée. Par conséquent, l'élimination de l'inconvénient ci-dessus est un objet essentiel de l'invention. Dans ce qui suit, on décrira le capteur d'oxygène perfectionné selon l'invention. En se référant aux figures 7A et 7B, elles montrent un support perfectionné 46 faisant partie du capteur d'oxygène selon l'invention. Le support 46 illustré est -5 étudié pour coopérer avec l'élément capteur d'oxygène 12 de la figure 2. Le support 46 comprend un corps cylindrique supérieur 48 et un corps cylindrique inférieur 50 reliés coa.xialement comme on peut le voir sur la figure 7B. Le corps cylindrique supérieur 48 est construit en mullite frittée. Quand le corps 48 est encore à l'état vert, une gorge 46d et trois orifices traversant#46a, 46b et 46c y sont formés. Le corps cylindrique inférieur 50 est construit en alumine frittée. Quand le corps 50 est encore à l'état vert, trois orifices 46a, 46b et 46c y sont formés. Les corps 48 et 50 conditionnés à l'état vert sont cuits à une température de l'ordre de 14000C pendant environ 3 heures pour les fritter. Par la présence de diffusion d'atomes ou d'ions pendant le frittage, les deux corps 48 et 50 se collent intimement et fortement l'un à l'autre. Si on le souhaite, la connexion de ces corps 48 et 50 peut ttre effectuée à l'aide de mullite ou d'alumine appliquée aux faces de contact des corps. Avec ces processus, on obtient un support 46 ayant deux parties 48 et 50 ayant des conductivités thermiques différentes. Comme le montre la figure 8, comme avec le capteur traditionnel de la figure 5, l'élément 12 est serré par la gorge 46d du corps supérieur 48, les trois fils conducteurs 26, 28 et 30 traversant les orifices 46a, 46b et 46c, respectivement, et un matériau adhésif inorganique 34 est appliqué à la partie o l'élément capteur 12 et le corps supérieur 48 sont en contact l'un avec l'autre, pour assurer la connexion entre eux. Comme le montre la figure 9, le capteur d'oxygène (12+46) est monté dans le support 36 de la même façon que dans le cas du capteur d'oxygène traditionnel de la figure 5. Le capteur d'oxygène (12+46) de la figure 8 a été soumis à un essai sur route d'automobile, o l'on a mesuré le courant électrique consommé par le réchauffeur 24 pour maintenir l'élément capteur d'oxygène 12 à une température constante et donnée, A titre de comparaison, le capteur traditionnel (12+32) de la figure 5 a été soumis au même essai. Les résultats de cet essai sont représentés sur la figure 10 o la ligne I (traits pleins) représente la vitesse du véhicule, la ligne II (traits pleins) représente le courant électrique consommé par le réchauffeur 12 coopérant avec le capteur (12+46) selon l'invention et la ligne III (pointillés) représente le courant électrique consommé par le réchauffeur 12 coopérant avec le capteur traditionnel (12+32) de la figure 5. Comme on peut le comprendre sur ce graphique, la consommation électrique par le capteur selon l'invention-est assez faible en comparaison avec celle du capteur traditionnel (12+32). Cela signifie que, dans le capteur d'oxygène selon l'invention, la chaleur produite par le réchauffeur 24 est efficacement utilisée pour maintenir la température de l'élément capteur 12 à son niveau prédéterminé de fonctionnement. L'utilisation de l'organe thermiquement isolant comme support de l'élément capteur 12 produit le résultat souhaité ci-dessusnentionné. Dans un autre mode de réalisation, on a formé un capteur d'oxygène comprenant l'élément capteur d'oxygène sans réchauffeur de la figure 1 et un support ayant sensiblement la même construction que le support 46 des figures 7A et 7B. Ce capteur d'oxygène a été soumis à un essai aiubanc d' automobile, o l'on a mesuré la variation de la puissance de sortie de l'élément capteur d'oxygène 10 par rapport à la variation de la température des gaz d'échappement. A titre de comparaison, un capteur d'oxygène traditionnel comprenant l'élément 10 de la figure 1 et un support ayant sensiblement la même construction que le support traditionnel 32 des figures 4A et 4B a également été soumis au même essai. Les résultats de cet essai sont représentés sur la figure 11 o la ligne IV (traits pleins) représente la puissance de sortie de l'élément capteur d'oxygène 10 de l'unité selon l'invention et la ligne V (pointillés) représente la puissance de sortie de l'élément capteur 10 du capteur traditionnel. Comme on peut le comprendre sur ce graphique, dans le capteur d'oxygène selon l'invention, la puissance de sortie de l'élément 10 est suffisamment importante mfme si la température des gaz d'échappement auxquels l'élément capteur est exposé est relativement faible en comparaison avec le capteur traditionnel. Cela signifie que, dans cet autre mode de réalisation de l'invention, la chaleur s'échappant de l'R&ément capteur 10 est assez faible en comparaison à oelle du capteur traditionnel, grâce à l'utilisation de l'organe thermiquement isolant comme support. En général, le degré de transmission de chaleur par unité de surface et unité de temps est représenté par l'équation qui suit k(Ts Te) Q = d dans laquelle: k = conductivité thermique de la substance Ts>Te: températures de deux points de la substance; d: distance entre les deux points de la substance. Avec cette équation, on peut noter qu'afin de diminuer la transmission de chaleur, il est nécessaire d'utiliser, comme matériau du support du capteur d'oxygène, un matériau isolant ayant une plus faible conductivité thermique. Comme on le sait, dans une substance qui est construite d'un matériau fritté comme de la céramique, sa conductivité thermique "k" varie selon la densité apparente de la substance. En d'autres termes, tandis que la densité apparente diminue, la conductivité thermique "k" baisse de façon correspondante. Dans les modes de réalisation ci-dessus mentionnés de la présente invention, le support 46 se compose du corps cylindrique supérieur 48 construit en mullite frittée dont la conductivité thermique est inférieure à 0,01 cal.cm/cman2.s. C et du corps cylindrique inférieur construit en alumine frittée, dont la conductivité thermique est de l'ordre de 0,05 à 0,08 cal.cm/cm2. Il est également possible de construire la totalité du support 46 en mullite frittée ayant une conductivité thermique inférieure à 0,01 cal.cm/cm2.s. C. Des expériences ont révélé qu'en plus de la mullite frittée ci-dessus mentionnée utilisée comme matériau du corps cylindrique supérieur 48 du support 46, il était également possible d'utiliser d'autres matériaux frittés et isolants comme de la forstérite frittée, de la stéatite frittée et de la cordiérite frittée, qui sont indiqués sur le tableau 1, chacun ayant une conductivitéfhermique inférieure à la valeur de 0,01 cal. cm/cm2.s. C. Bien entendu, la totalité du support 46 peut être construite dans l'un des matériaux indiqués. Des expériences ont de plus révélé que l'on pouvait s'attendre au résultats souhaitésquand au moins une partie du support 46 en contact avec l'élément capteur d'oxygène 10 ou 12 était construite en un matériau isolant ayant une conductivité thermile inférieure à lavaleur ci-dessus mentionnée. Des expériences ont également révélé que quand le support 46 est construit en un matériau fritté très poreux d'alumine, sa conductivité thermique devenait assez faible, mais qu'il présentait une résistance mécanique insuffisante. Ainsi, cette mesure ne s'applique pas à un capteur d'oxygène monté dans un tuyau d'échappement d'un moteur automobile. Pour choisir le matériau du support 46, l'isolement électrique doit également ttre pris en considération du fait de l'isolement électrique entre les fils conducteurs adjacents qui traversent respectivement les orifices du support 46. Tableau 1. Matériau du corps Rigidité Conductivité Résistance cylindrique supéAbsorption à la thermique d'isolement rieur (48) du d'eau (%) flexion (20 C) 2 (MC-L) support (46) (bars) (cal.cm/cm. s. C)( iI (5000c) Cordiérite (2MgO. 2A1203.5SiO2) 1 981 0,005 10 Mullite (3A1203.2SiO2) 0 1373 0,005 102 Stéatite (Mg0O.SiO2) O 1570 0,006 102 Forstérite (2Mg0.SiO2) 0 1471 0,008 104 o rO -4 On il Dans la production du support 46 se composant des corps cylindriques supérieur et inférieur 48 et 50, un oujdeux matériaux choisis et indiqués au tableau 1 sont préparés et mélangés avec un liant organique ou inorganique pour former des composés pâteux respectifs, et ensuite ces composés sont soumis à un processus d'extrusion pour produire des articles conditionnés à l'état vert configurés de façon à correspondre aux corps cylindriques supérieur et inférieur finis 48 et 50 respectivement. Alors, ces articles conditionnés à l'état vert sont cuits pour former des articles frittés du support 46. En particulier, quand on produit le corps cylindrique supérieur 48 en mullite, de la mullite pulvérulente est mélangée avec de la carboxyméthyl cellulose comme liant organique, du pyrophosphate de sodium comme agent dispersant, et une très faible quantité de fluide résiduel de pulpe comme agent plastifiant, et on malaxe pour former un composé pateux, ensuite le composé pâteux est soumis à un moulage par extrusion en utilisant une machine d'extrusion sous vide. Les orifices 46a, 46b et 46c sont formés au moment du traitement du moulage par extrusion. L'article moulé ainsi formé est coupé à des longueurs prédéterminées et les pièces ainsi coupées sont soumises à un processus de frittage temporaire, en formant la gorge 46d. Après ce pocessus, un processus sensible de frittage est effectué à une température de l'ordre de 14000C pendant trois heures pour obtenir un article fini du corps cylindrique supérieur 48. Le corps cylindrique inférieur 50 du support 46 est formé de l'un des matériaux indiqués au tableau 1 en employant sensible- ment le même processus de production que pour le corps 48. Comme on l'a mentionné précédemment, les corps cylindriques supérieur et inférieur 48 et 50 sont placés l'un sur l'autre quand ils sont encore à l'état vert, et ensuite ils sont cuits. La diffusion des atomes ou ions lors du processus de f rittage amène la connexion sûre entre ces deux corps 48 et 50. Bien que dans les modes de réalisation ci-dessus mentionnés,soient indiquésdes cas o la substance détectant la concentration en oxygène est construite de l'électrolyte solide conducteur de l'ion oxygène comme CaOZrO2 ou Y203-ZrO2, qui produit une force électromotrice correspon- dant à la différence de pression partielle d'oxygène, il est possible d'utiliser, comme substance détectant la concentration en oxygène,un oxyde semiconducteur comme TiO2 et CoO, dont la résistance électrique change selon les variations de la concentration en oxygène dans l'atmosphère à mesurer. Dans ce dernier cas, les conducteurs 26 et 28 peuvent être collés de façon adhésive aux couches respectives d'électrode formées sur l'oxyde semi-conducteur, ou bien les fils conducteurs peuvent ttre noyés dans l'oxyde semi-conducteur, pour connexion électrique entre eux. Comme on l'a décrit ci-dessus, selon la présente invention, au moins une partie d'un support 46 d'élément- capteur, avec)aquelle l'élément capteur 10 ou 12 est directement en contact, est construite en un matériau thermiquement isolant ayant une très faible conductivité thermique (inférieure à 0,01 cal.cm/cm2.s.OC). Ainsi, dans le cas de l'élément capteur d'oxygène 10 sans réchauffeur de la figure 1, la chaleur obtenue de l'exté- rieur est efficacement utilisée pour maintenir l'élément 10 à la température prédéterminée souhaitée. Par ailleurs, dans le cas de l'élément capteur d'oxygène à réchauffeur incorporé 12 de la figure 2, le courant électrique consommé par le réchauffeur 24 est minimum. Bien entendu, l'invention n'est nullment limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. R E V E N D I C AT I 0 NS 1. Capteur d'oxygène caractérisé en ce qu'il comprend: un élément capteur d'oxygène du type en pellicule plate (10, 12) sensible à l'oxygène dans un fluide pour mesurer la concentration en oxygène dans ledit fluide; et un organe de support (46) supportant ledit élément capteur d'oxygène, au moins une partie (48) dudit organe de support avec laquelle ledit élément capteur d'oxygène est directement en contact étant construite en un matériau thermiquement isolant ayant une conductivité thermique inférieure à 0,01 cal.cm/cm2.s.eC. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de support précité comprend des premier et second corps cylindriques (48, 50) reliés coaxialement et intimement l'un à l'autre, ledit premier corps cylindrique étant en connexion directe avec l'élément capteur d'oxygène précité et construit en un matériau thermiquement isolant. 3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier corps cylindrique précité est construit en cordiérite, mullite, stéatite ou forstérite frittées. 4. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un matériau inorganique de liaison (34) appliqué en des parties o la partie de l'organe de support précitée et l'élément capteur d'oxygène précité sont directement en contact l'un avec l'autre. 5. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le second corps cylindrique précité est construit en matériau thermiquement isolant. 6. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans l'élément capteur d'oxygène précité est noyé un réchauffeur électrique (24). 7. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le second corps cylindrique précité est construit en alumine frittée.