Brevet FR2488408A1 — publié le 19820212

La présente invention a pour objet un dispositif de mesure de la teneur en oxygène des gaz et notamment des gaz d'échappement de voiture. La plupart des systèmes connus actuellement comportent deux électrodes plongées dans un même électrolyte solide, la première électrode présentant une activité -catalytique à la température de fonctionnement tandis que la deuxième électrode ne présente pas d'activité catalytique particulière et peut être située dans l'environnement des gaz brûlés, évitant de recourir à une référence en oxygène. Le potentiel de la deuxième électrode, généralement réalisée en un métal noble conducteur électronique tel que ltor ou l'argent, varie peu avec la teneur en oxygène des gaz tandis que celui de la première électrode ou électrode catalytique varie beaucoup car celle-ci est réalisée en un matériau, conducteur électronique, à travers lequel les atomes d'oxygène peuvent transiter, du platine poreux par exemple : la mesure de la tension entre les deux électrodes permet donc, moyennant un étalonnage préalable, de déterminer le pourcentage d'oxygène dans les gaz considérés. Le système peut être placé dans le tuyau d'échappement d'une voiture et être relié à un asservissement qui agit sur le carburateur au cas où la teneur en oxygène des gaz d'échappement dépasse certaines limites. Cependant, la plupart des dispositifs actuels présentent un inconvénient important : le carburant utilisé en France contient du plomb-tétraéthyle et ce produit empoisonne l'électrode catalytique à basse température et lui fait perdre ses propriétés catalytiques. D'autre part, pour que le système fonctionne, il est indispensable que la température de la sonde soit supérieure à 3000C, même si les gaz sont froids ; or, la plupart des sondes utilisées actuellement sont relativement épaisses et présentent une certaine inertie thermique. Au démarrage, elles mettent longtemps à atteindre leur température de fonctionnement au contact des gaz chauds et elles risquent d'être empoisonnées par le plomb-tétraéthyle. La présente invention a justement pour objet un dispositif qui remédie à ces inconvénients grâce à une inertie thermique très faible. Selon la principale caractéristique du dispositif objet de l'invention, l'électrolyte solide se présente sous la forme d'une couche mince, dont l'épaisseur est de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre à un millimètre, prise en sandwich entre les deux électrodes se présentant chacune sous la forme d'une couche très mince dont l'épaisseur est de l'ordre de 0,1 à 1 micron, l'ensemble ayant une inertie thermique suffisamment faible lui permettant d'être chauffé en quelques secondes à une température d'au moins 3000C. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif objet de l'invention, celui-ci se présente sous la forme d'un solide creux, ayant une symétrie de révolution (cylindre ou cône par exemple) et dont les parois comprennent de l'intérieur vers l'extérieur - une couche d'un matériau isolant électri que - une couche d'un matériau conducteur élec tronique constituant la deuxième électrode - une couche d'un matériau conducteur ioni que, constituant l'électrolyte solide, et - une couche d'un matériau conducteur élec tronique constituant la première électrode. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente une vue schématique en coupe d'un mode de réalisation dans le quel le dispositif a une forme cylindrique, - la figure 2 représente une vue schématique en coupe d'un autre mode de réalisation dans lequel le dispositif a la forme d'un tronc de cône. La figure 1 représente le mode de réalisation préféré dans lequel le dispositif a la forme d'un tube cylindrique creux. On voit que les parois du tube sont formees de quatre couches superposées qui sont, de l'intérieur vers l'extérieur - une couche 1 d'un matériau isolant élec trique et réfractaire qui -sert de support, - une couche très mince (épaisseur de l'or dre du micron) d'un métal conducteur élec tronique, or ou argent par exemple, qui constitue la deuxième électrode 2, - une couche mince (épaisseur de l'ordre du millimètre) d'un matériau conducteur ioni que qui constitue l'électrolyte solide 3.Ce matériau peut être de la zircone Zr 2' sta bilisée par l'addition de 8 à 16 % d'oxyde d'yttrium Y203 : ce dernier, en plus de son rôle stabilisateur, engendre dans la masse de zircone un certain nombre de défauts qui permettent la transition, par mécanisme lacunaire, des ions oxygène captés par l'électrode catalytique, - une couche très mince (épaisseur de l'or- dre du micron) d'un métal conducteur élec tronique, de préférence du platine poreux, qui constitue la première électrode 4 ou électrode catalytique. On peut éventuellement recouvrir l'électrode 4 d'une couche supplémentaire 5, destinée à protéger la sonde ; afin de laisser passer les gaz dont on veut mesurer la teneur en oxygène, il faut utiliser une couche mince d'un matériau poreux, de l'alumine par exemple. De plus, le cylindre comprend deux bagues métalliques 6 et 7, placées à chacune de ses extrémités 8 et 9 respectivement ; la bague 6 est en contact électrique avec l'électrode catalytique 4 et la bague 7 avec l'électrode 2. Deux fils conducteurs 10 et-ll relient les bagues 6 et 7 respectivement à des moyens de mesure (non représentés) permettant de connaître la tension entre les électrodes 2 et 4. Pour que le dispositif atteigne très rapidement sa température de fonctionnement, on peut-placer à l'intérieur du tube des moyens de chauffage, par exemple un fil 12 relié à la batterie de la voiture. Un exemple de réalisation peut être le suivant : diamètre extérieur du tube : 5 mm longueur : 10 mm support isolant et réfractaire en céramique (couche 1) : épaisseur 1 mm deuxième électrode 2 en un métal noble tel que l'or ou l'argent épaisseur 0,101 à 1 0i électrolyte solide 3 : zircone stabilisée avec 8 à 16 % d'oxyde d'yttrium Y203 : épaisseur : 1 mm première électrode 4 en platine poreux : épaisseur 0,1 > à 1 W Couche de protection externe 5 en alumine : éDai9sPnr l mm Le tube peut se placer à n'importe quel endroit du tuyau d'échappement, son axe étant de préférence perpendiculaire à la direction des gaz. Un tel dispositif peut atteindre une température de l'ordre de 3000C en moins de 10 secondes, ce qui est suffisant pour le mettre à l'abri de la destruction par le plomb-tétraéthyle notamment. La figure 2 illustre un autre mode de réalisation dans lequel la sonde a la forme d'un tronc de cône ; dans ce cas, le fil 11 reliant la deuxième électrode 2 aux moyens de mesure, peut suivre l'axe longitudinal du cône et la mesure se fait du même côté de celui-ci. Enfin, si cela s'avère plus commode dans certains cas, le dispositif peut avoir la forme d'une plaque plane. Le dispositif objet de l'invention présente des avantages particulièrement intéressants : le fait que les électrodes 2 et 4 se présentent sous la forme de couches tLèS minces (épaisseur inférieure à un micron) ainsi que l'électrolyte solide 3 (épaisseur de l'ordre du millimètre) confère à l'ensemble, une inertie thermique très faible. Que le système soit chauffé par une résistance, ou qu'il soit plongé dans des gaz chauds, il atteint sa température de fonctionnement en quelques secondes. I1 est donc tout de suite utilisable (par exemple en liaison avec un asservissement agissant sur le carburateur) et d'autre part, il n'a pas le temps d'être empoisonné par le plomb-tétraéthyle au cours des périodes de démarrage, ce qui augmente considérablement sa durée de vie. Quant aux applications, elles sont nombreuses et variées, même en dehors du domaine automobile. I1 est bien évident qu'un tel dispositif est utilisable partout où l'on a besoin de connaître la teneur en oxygène d'un gaz, dans les gaz issus de brûleurs, par exemple. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de la teneur en oxygène des gaz, notamment des gaz d'échappement de voiture, du genre de ceux qui comprennent une première électrode (4) et une deuxième électrode (2), la première électrode (4) étant constituée par un matériau catalyseur et conducteur électronique à travers lequel les atomes d'oxygène peuvent transiter, généralement un métal tel que le platine poreux, la deuxième électrode (2) étant constituée par un matériau conducteur électronique, généralement un métal noble comme l'or ou l'argent, ces deux électrodes étant en contact électrique avec un même électrolyte solide (3), conducteur ionique, à travers lequel les atomes d'oxygène peuvent transiter, cet électrolyte (3) étant généralement une céramique, caractérisé en ce que l'électrolyte solide (3) se présente sous la forme d'une couche mince, dont l'épaisseur est de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre à un millimètre, prise en sandwich entre les deux électrodes (4, 2) se présentant chacune sous la forme d'une couche très mince dont l'épaisseur est de l'ordre de 0,1 à 1 micron, l'ensemble ayant une inertie thermique suffisamment faible lui permettant d'être chauffé en quelques secondes à une température d'au moins 3000C. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il se présente sous la forme d'une plaque plane. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il se présente sous la forme d'un solide creux ayant une symétrie de révolution et dont les parois comprennent, de l'intérieur vers l'extérieur - une couche (1) d'un matériau isolant élec trique, - une couche d'un matériau conducteur élec tronique constituant la deuxième- électrode (2), - une couche d'un matériau conducteur ioni que, constituant l'électrolyte solide (3), et - une couche d'un matériau conducteur élec tronique constituant la première électro de (4). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il se présente sous la forme d'un cône ou d'un tronc de cône creux. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il se présente sous la forme d'un cylindre creux. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte deux bagues métalliques (6, 7) placées chacune à une extrémité du cylindre, dont l'une est en contact électrique avec la première électrode (4) et l'autre avec la deuxième électrode (2). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la première électrode (4) est recouverte d'un dépôt protecteur (5), celui-ci étant constitué par un matériau perméable à l'oxygène. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens permettant de chauffer les deux électrodes ainsi que l'électrolyte solide.