Brevet FR2514898A1 — publié le 19830422

L'invention concerne un procédé de détection dans une atmosphère à surveiller de traces ou impuretés gazeuses par mesure de la conductivité électrique d'un capteur en oxyde métallique du groupe constitué par Sn O 2 Ni O, procédé dans lequel on met le capteur en service dans un dispositif de détection dans lequel on le chauffe et on l'expose et/ou le soumet à l'atmosphère à surveiller. Elle concerne également un capteur en oxyde métallique et un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. On connaît les propriétés de semi-conduction de certains oxydes métalliques, dont la conductivité électri- que varie en fonction de la température et de la présence de certains gaz Ces propriétés ont été utilisées dans la détection de traces ou d'impuretés gazeuses Les oxydes utilisés à cet effet sont généralement l'oxyde d'étain Sn O 2 et l'oxyde de nickel Ni O utilisés soit à l'état cristallin, soit en recouvrement sur un support céramique, soit en pastilles de poudre frittée Des applications de ce type ont été décrites notamment dans les brevets US 3625 756, 3900 815 et 4039 941. Mais la conductivité de ces oxydes étant variable en fonction d'un grand nombre de gaz, leur utilisation comme capteur de détection ne permet pas une grande fiabi- lité faute de caractère spécifique ou sélectif. L'invention, qui sera décrite plus loin, repose sur la découverte qu'un traitement approprié confère aux oxydes semi-conducteurs précités des caractéristiques de conductivité électrique tout à fait nouvelles ouvrant la voie à la détection vraiment sélective de tel ou tel gaz ou de tel ou tel groupe de gaz. Généralement, les oxydes semi-conducteurs ont une conductivité électrique a qui varieavec la température, avec la nature et la pression des gaz qui composent le milieu ambiant. a croît de façon exponentielle avec la tempé- rature, le sens de variation de a est lié à la nature du gaz, l'amplitude est liée à la pression partielle des gaz et à la composition de la phase gazeuse. La chimisorption d'un gaz sur un oxyde semi-conduc- teur, en soi bien connue, met à profit un transfertd'électrons entré le gaz et l'oxyde Selon que le gaz g a une affinité électronique supérieure ou inférieure à celle de l'oxyde s, il y a respectivement un transfert d'électrons du solide vers le gaz (s±g-) ou du gaz vers le solide (s g+) Ces transferts contribuent à faire augmenter ou à faire diminuer le nombre de porteurs libres majoritaires dans le solide. Le sens d'une telle variation sera défini par le type de liaison (g±5 ou g S+) et par la nature des porteurs majoritaires, c'est-à-dire des électrons pour les semi- conducteurs de type N et des trous d'électrons pour les semi- conducteurs de type p. On sait que la conductance électrique G d'un semi- conducteur est sensiblement proportionnelle au nombre de porteurs majoritaires En conséquence, la présence d'un gaz va faire varier la conductance du semi-conducteur et selon le cas, le gaz absorbé va prendre ou céder des électrons au semi-conducteur. On dit alors qu'il est respectivement accepteur ou donneur d'électrons. Si le gaz est accepteur et si l'oxyde métalliqque semi-conducteur est de type n, le gaz prend un électron au solide qui voit sa conductance diminuer En revanche, si le gaz est accepteur et si l'oxyde métallique semi-conducteur est de type p, le gaz prend un électron au solide, qui voit sa conductance augmenter. Dans l'hypothèse d'un gaz donneur, le sens des variations électriques observé sera inversé par rapport aux cas précédents En d'autres termes, pour un gaz donné, on aura toujours une variation de la conductance en fonction de la concentration de ce gaz Il suffit alors de mesurer cette variation pour détecter la présence de ce gaz Les capteurs qui sont actuellement exploités sur ce principe sont assez sensibles en pratique, mais ils présentent l'inconvénient majeur de donner une réponse électrique qui ne permet pas de détecter sélectivement ou spécifiquement un gaz donné dans un mélange. Le but de l'invention est de proposer un nouveau procédé, un nouveau capteur et un nouveau dispositif permet- tant une sélectivité des gaz à détecter et ce, avec une très grande sensibilité. Ce but est atteint par un procédé du type décrit au début, grâce au fait qu'on fabrique le capteur en oxyde métallique à une température au plus égale à 550 'C environ et on le traite, avant mise en service, en le soumettant à environ la même température au plus égale à 550 'C environ, à un flux gazeux contenant un gaz activant du groupe consti- tué par SO 2 et H 25. C'est en partant de la mise au point d'un capteur spécifique du benzène que les inventeurs ont constaté que certains ca#teurs présentaient un pic vers 400 'C sur la courbe G = f(T) sous atmosphère de benzène(G = conductance, T = température) et ce, dès 0,001 % ou moins, c'est-à-dire très au-dessous du seuil de toxicité qui est de 0,0035 %. Parmi ces capteurs, les uns étaient en poudre d'oxyde frittée, les autres étaient obtenus par dépôt de poudre d'oxyde sur support céramique C'est de l'examen critique des résul- tats obtenus et essais systématiques que les inventeurs ont pu établir: 1 que le pic se déplace vers les hautes tempé- ratures et diminue en intensité jusqu'à disparaître complète- ment si on porte le capteur à une température trop élevée, de l'ordre de 5500 C, 2 que le pic n'apparaît que si le capteur a été exposé à So 2 ou H 2 S Un tel traitement est irréversible, sauf si on sature le capteur par un traitement de plusieurs heures, par exemple. C'est cette double leçon qu'on retrouve donc appliquée dans la caractéristique essentielle de l'invention. Il convient cependant de relever l'influence de l'eau absorbée par le capteur, cette eau produisant vers 2500 C un pic anormal en cas de montée en température sous air humide, ainsi qu'un plateau au niveau; du pic vers 4000 C lors des descentes en température Cependant, de telles conditions d'humidité sont rarement reproduites en condition normale d'exploitation. Selon un mode de réalisation préféré, on fabrique le capteur en oxyde métallique par frittage, comme il est connu en soi Ce mode de fabrication est préféré comme facilitant un contact fiable avec les électrodes d'alimenta- tion et de mesure et comme facilitant l'usinage du capteur. Selon l'invention, le flux gazeux contient le gaz activant à une concentration de 0,1 % environ dans un vecteur constitué par de l'air ou un gaz neutre La durée de traitement du capteur en oxyde métallique par le flux gazeux contenant le gaz activant est de l'ordre de 30 s à mn. Il est avantageux de déceler la présence du pic caractéristique en portant le capteur en oxyde métallique à deux températures différentes, dont la plus basse corres- pond à celle du pic du gaz à détecter, tandis qu'on l'expose et/ou le soumet à l'atmosphère à surveiller et on mesure, comme représentative de la présence et/ou la teneur d'impureté gazeuse, le sens et/ou l'écart de ses valeurs respectives de conductivité à chacune des deux températures. Selon un mode de réalisation, le capteur en oxyde métallique est porté successivement à chacune des deux températures, mais selon une variante préférée, on utilise deux capteurs en oxyde métallique identiques et on les porte simultanément l'un à l'une des température, l'autre à l'autre température. Dans les deux cas, les deux températures ont un écart de l'ordre de 1000 C, la plus basse des deux étant d'environ: 100 'C pour H 2 S, 200 'C pour SO 2, 400 'C pour le benzène, 250 à 2750 C pourle tétrachlorure de carbone, le le diéthyléther, l'acétate de butyl, le butanol, l'acétal- déhyde, 300 à 3250 C pour la toluène, le chloroforme, 325 à 350 'C pour l'hexane, 3750 C pour le cylohéxane. Ces caractéristiques de l'invention sont basées sur l'observation de pics de conductivité spécifique du ou des gaz désignés à la plus basse des deux températures telle que mentionnée. On voit, par ces caractéristiques, qu'il est possible de détecter sélectivement soit H 2 S, soit 502, soit un hydrocarbure ou dérivé toxique du groupe désigné Dans l'hypothèse o le gaz analysé est l'un des gaz désignés et en opérant aux deux températures désignées en association, le capteur travaillant à la plus basse température, c'est-à- dire au voisinage du pic précédemment évoqué, fournira un signal électrique supérieur à celui qui est délivré par le capteur travaillant à la plus haute température, alors qu'en l'absence de ce gaz le signal électrique varie comme la température. Les buts de l'invention sont atteints par un capteur en oxyde métallique, du groupe constitué par Sn O 2, Ni O, pour la détection dans une atmosphère à surveiller de traces ou impuretés gazeuses par mesure de sa conduc- tivité électrique, fabriqué à une température au plus égale à 5500 C environ et traité par activation en le soumettant à un flux gazeux contenant un gaz du groupe constitué par S 2 et H 25. Les buts de l'invention sont également atteints par un dispositif comprenant un four, des moyens de règlage en température du four, un capteur logé dans le four, ledit capteur étant un oxyde métallique du groupe constitué par Sn O 2, Ni O, et ayant été activé par un flux gazeux contenant un gaz du groupe constitué par SO 2 et H 2 S, des moyens d'alimentation électrique du capteur, des moyens de détection d'un signal électrique du capteur constitué par une carac- téristique électrique du capteur, des moyens d'introduction dans le four et d'évacuation d'une partie de l'atmosphère à surveiller, ledit dispositif comprenant, en outre, des moyens de règlage de la température du four à deux tempé- ratures successives, des moyens de mémorisation du signal électrique du capteur à au moins une des deux températures et des moyens de comparaison du signal du capteur mémorisé avec le signal du capteur soumis à l'autre température. L'invention concerne également en variante, un dispositif comprenant un ensemble constitué par un four, des moyens de règlage du four à une température donnée, un capteur logé dans le four, ledit capteur étant en oxyde métallique du groupe constitué par Sn O 2, Ni O et ayant été activé par un flux gazeux contenant un gaz du groupe cons- titué par SO 2 et H 2 S, des moyens d'alimentation électrique du capteur, des moyens de détection d'un signal électrique du capteur constitué par une caractéristique électrique du capteur, des moyens d'introduction dans le four et d'évacuation d'une partie de l'atmosphère à surveiller, ledit dispositif comportant un second ensemble dont la température de four est règlée ou règlable à une tempéra- ture distincte de celle du premier four et comportant des moyens de comparaison des signaux de respectivement chacun des capteurs. -D'autres caractéristiques et avantages ressorti- ront de la description qui sera donnée ci-après uniquement à titre d'exemple de mode de réalisation de l'invention. On se reportera à cet effet aux dessins annexés, dans lesquels: la fig 1 est une coupe schématique très grossie d'un type de capteur de l'invention, la fig 2 est une vue équivalente pour une variante préférée, la fig 3 est un diagramme représentant la variation de conductance d'un capteur donné en fonction de la température pour certaines compositions gazeuses, la Fig 4 est un diagramme représentant la variation de conductance d'un capteur donné de l'invention en fonction de la température pour diverses teneurs de benzène dans l'air, la Fig 5 est un diagramme représentant la variation de conductance d'un capteur donné de l'invention en fonction de la température, pour l'air pur, et l'air contenant des impuretés à détecter, la Fig 6 est le schéma d'un appareil de détection conforme à l'invention. Les Fig 1 et 2 représentent en fort agrandis- sement deux capteurs conformes à l'invention. A la fig 1 un support 1 en alumine est recou- vert d'une couche 2 d'environ 1 mm d'épaisseur d'une poudre de Sn O 2 ou Ni Omapportée par une suspension dans l'éthanol. Le support en alumine est percé de part en part de deux trous 3 débouchant sous la couche 2 Deux joints de contact 4 en pâte d'or assurent chacun le contact avec un des deux fils de contact 5 en platine montés en boucles et reliés chacun à uri électrode 6 On obtient ainsi un capteur qui, avant sa mise en service, est soumis pendant 30 s à mm, de préférence 3 mm, à environ 550 çC à un courant d'air contenant 0,1 % de 502 ou H 25. A la fig 2, on a représenté un capteur fabriqué selon un mode de réalisation préféré, par frittage A partir d'une poudre de Sn O 2 ou de Ni O de 50 à 100 pm on pastille sous pression de 2 t pendant une minute à la température ambiante La pastille ainsi obtenue est frittée à 500 C pendant 10 minutes, après quoi, on la soumet à la même température de 5000 C à un flux d'air contenant 0,1 % de 502 ou H 2 S et ce, pendant 30 s à 5 mm, de préférence 3 mm On obtient alors une pastille 7 frittée et activée qu'on perce de part cn part à la mèche pour créer deux trous de passage 8, servant alors chacun au passage d'un fil de contact 9 bouclé et scellé de chaque côté de son trou 8 par un peu de pâte d'or 10. L'un et l'autre procédé permettent d'obtenir un capteur 11 ou 12, qui, dans la suite de la description, seront indiférenciés par la désignation "capteur 13 ", la différence entre les deux n'étant pas fonctionnelle, mais principalement de tenue à l'usure en faveur du capteur fritté 12. on comprendra mieux le procédé et le dispositif en s'attachant d'abord aux observations faites par les inventeurs sur le comportement des capteurs de l'invention, en présence du benzène et d'autresgaz, en se référant à la fig 3, sur laquelle on a représenté en abcisses la température à laquelle est portée le capteur et en ordonnée -4 1 sa conductance G exprimée en 10 La courbe A représente la relation entre conductance et température dans le cas o le capteur activé est exposé à l'air pur. La courbe B représente la même relation pour le capteur non activé (hors invention) exposé à de l'air contenant 0,01 % de benzène, tandis qu'à la courbe C le capteur activé de l'invention a été exposé à l'air à 0,012 % de benzène. La courbe D est la caractéristique du capteur de l'invention avec de l'air contenant 0,0-4 % de CH 4 La présence de benzène donne à la courbe caractéristique du capteur un pic caractéristique 14 aux environs de 400 'C L'invention utilise cette propriété pour mesurer G( 500) G( 400) qui est positif en l'absence de benzène et négatif en présence de benzène En se référant à la fig 4, on verra que l'écart G( 500) G( 400) varie de façon significative en fonction du pourcentage de benzène, pour lequel on a repré- senté les caractéristiques de O % à 0,05 %, faisant appa- raître à la fois un pic 14 de la valeur G croissant avec la teneur en benzène et un écart négatif croissant en valeur absolue entre G( 500) et G( 400). A la fig 5 on a représenté, avec les mêmes coor- données qu'à la fig 4, et pour un capteur de l'invention activé à 502, les courbes caractéristiques R de l'air pur, et S pour de l'air à 0,004 % H 2 S et 0,1 % benzène On y retrouve le pic 14 à environ 400 'C (pic caractéristique du benzène) et un pic 15 à environ 1000 C, ce pic étant carac- téristique d'H 2 S La courbe T présentant un pic 16 corres- pond à de l'air contenant 0,1 % de 502. D'autres essais des inventeurs ont permis d'établir un catalogue des pics caractéristiques de la plupart des gaz ou vapeurs classés toxiques, tels que cités ci-après avec indication de leur seuil de toxicité en %: Tétrachlorure de carbone ( 0,005): 250 à 275 C environ Toluène ( 0,02) :300 à 325 C " Chloroforme ( 0,01):300 à 325 C " Acetate de butyl ( 0, 02):250 C " Diethyléther ( 0,04): 250 à 275 C " Méthylethylcétone: 250 à 275 C " Hexane ( 0,05): 325 à 350 C " Butanol ( 0,005): 250 à 275 C " Acetaldéhyde ( 0,02): 275 C " cyclohexane ( 0,04): 375 C " Pour tous ces produits le pic apparaît en- dessous du seuil de toxicité. En outre, on a pu observer un pic pour les caractéristiques des hydrocarbures suivants: Pentane: 400 C environ Butane: 425 C " Ethylène: 425 C " On voit par ce qui précède, qu'il est désormais possible de détecter de façon sélective, soit le benzène seul, soit des groupes choisis de produits toxiques en mesurant la conductance d'un capteur à la température du pic et celle de l'autre capteur à une température nettement supérieure, soit d'environ 100 C, puis en les comparant. On comprendra mieux maintenant le fonctionnement et le mode d'emploi de l'appareil de l'invention qui va être décrit en regard de la fig 6. Un appareil de l'invention comprend une enceinte 17, dans laquelle sont disposés deux fours 18 et 19 contenant chacun un capteur 13 de l'invention Les capteurs 13, s'ils sont du type fritté, sont meulés jusqu'à atteindre une taille de 2 x 5 mrn environ Les fours 18 et 19 sont cylindriques (longueur: 20 mm, diamètre: 8 mm) Ils sont réalisés en bobinant un fil de Kanthal ( % 0,1 mm) sur un tube de quartz Une tresse d'amiante permet de bien séparer les spires Le tout est enrobé de ciment réfrac- taire Un thermocouple 20 est encastré dans le ciment de façon à pouvoir contrôler la température du four 18 ou 19 On dispose ainsi de véritables têtes de mesure 21 d'encombrement assez réduit Les deux têtes 21 sont montées dans l'enceinte 17 comportant une arrivée 22 et une sortie 23 de gaz pour travailler en circulation, et une fenêtre 24 permettant l'adaptation d'un bouchon fritté métallique pour travailler éventuellement directement sur l'atmos- phère ambiante par diffusion Les fours sont alimentés avec des variacs (fraction de 220 V alternatif) Avec une dizaine de spires, on atteint facilement les deux tempéra- tures, par exemple de 400 et 5000 C (environ 30 volts et 0,4 Ampère) Le chauffage des fours 18 et 19 est assuré par des alimentations électriques, respectivement 24 et , et par des lignes 26, chaque alimentation électrique- étant régulée par une liaison 27 établie avec le thermocouple convenable 20. Les bornes 6 ou 9 des capteurs sont reliées par des circuits 28 à un circuit de mesure alimenté par une source 29 et comportant une résistance R aux bornes de laquelle on recueille un signal, respectivement X 1 pour le four 18, X 2 pour le four 19, ledit signal étant propor- tionnel à la conductance G du capteur associé Les signaux X 1 et X 2 sont envoyés sur un comparateur 30 des- criminateur de sens Le comparateur 30 est raccordé d'une part, à un circuit d'alarme, d'autre part à un circuit de mesure 32 de X X 2. 1 2 Le mode d'emploi de l'appareil est simple. On règle la température d'un four ( 18 par exemple) au voisinage de la température d'apparition connue du pic caractéristique du gaz ou famille de gaz à détecter de façon sélective On règle la température de l'autre four 19 à 100 'C environ de plus que le premier four 18 On fait passer en continu dans l'enceinte une partie pulsée de l'atmosphère à surveiller, ou bien on place l'enceinte 17 dans l'atmosphère en laissant la diffusion s'opérer à travers la fenêtre 24 à bouchon en métal fritté Si le gaz à détecter est présent au-dessus de son seuil de détection, qui est très bas ( 0,015 % pour le benzène, dont il le seuil de toxicité est de 0,035 %), le sens du signal Xl X 2, qui était négatif jusque là (voir fig 4) devient positif, ce qui provoque 'L'intervention du dispositif comparateur 30, qui peut, au choix de l'utilisateur, déclencher une alarme à partir d'un certain seuil et/ou enregistrer et/ou afficher la grandeur de la différence X 1 X 2- On compimd qu'il est également possible, pour les cas de variations lentes de teneurs nocives, d'utiliser un seul capteur en le portant successivement à la tempé- rature du pic et à 100 'C de plus, à condition de mettre dans un dispositif à mémoire 34 la grandeur X 1 et de l'en- voyer au comparateur 30 seulement lorsque la grandeur X 2 est mesurée. On ne sortira pas non plus du champ de l'inven- tion en disposant plus de deux capteurs pour détecter sélectivement deux gaz ou familles de gaz à pics caracté- ristiques se présentant à des températures différentes. REVENDICATIONS 1 Procédé de détection dans une atmosphère à surveiller de traces ou impuretés gazeuses par mesure de la conductivité électrique d'un capteur en oxyde métallique du groupe constitué par Sn O 2, Ni O, procédé dans lequel on met le capteur en service dans un dispositif de détection dans lequel on le chauffe et on l'expose et/ou le soumet à l'atmosphère à surveiller-, caractérisé en ce qu'on fabrique le capteur ( 13) en oxyde métallique à une tempé- rature au plus égale à 550 'C environ et on le traite, avant mise en service, en le soumettant à environ la même tempé- rature au plus égale à 550 'C environ, à un flux gazeux contenant un gaz activant du groupe constitué par SO 2 et H 25. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fabrique le capteur ( 13) en oxyde métallique par frittage ( 12). 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flux gazeux contient le gaz activant à une concentration de 0,1 % environ dans un vecteur constitué par de l'air ou un gaz neutre. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la durée de traitement du capteur ( 13) en oxyde métallique par le flux gazeux contenant le gaz activant est de l'ordre de 30 s à 5 mn, de préférence de l'ordre de 3 mn. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on porte le capteur ( 13) en oxyde métallique à deux températures différentes, tandis qu'on l'expose et/ou le soumet à l'atmosphère à surveiller et on mesure, comme représentative de la présence et/ou la teneur d'impureté gazeuse, le sens et/ou l'écart de ses valeur respectives de conductivité à chacune des deux températures. 6 / Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le capteur ( 13) en oxyde métallique est porté successivement à chacune des deux températures. 14898 7 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on utilise deux capteurs ( 13) en oxyde métallique identiques et on les porte simultanément l'une à l'une des températures, l'autre à l'autre température. 8 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux températures ont un écart de l'ordre de 1000 C, la plus basse des deux étant denviron 1000 C pour le, pent ane, H 2 S, 2000 C pour 502; 4000 C pour le benzène,/250 à 2750 C pour le tétrachlorure de carbone, le digthyléther, l'acétate de butyl, le butanol, l'acétaldéhyde, 300 à 3250 C pour le toluène, le chloroforme, 325 à 350 'C pour l'hexane, 3750 C pour le cyclohexane, 4250 C pour le butane, l'éthylène. 9 Capteur en oxyde métallique, du groupe cons- titué par Sn O 2, Ni O, pour la détection dans une atmosphère à surveiller de traces ou impuretés gazeuses par mesure de sa conductivité électrique, caractérisé en ce qu'il a été fabriqué à une température au plus égale à 550 'C envi- ron et il a été traité par activation en le soumettant à un flux gazeux contenant un gaz du groupe constitué par So 2 et H 25. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 6 comprenant un four, des moyens de règlage en température du four, un capteur logé dans le four, ledit capteur étant en oxyde métallique du groupe constitué par Sno 2, Ni O, et ayant été activé par un flux gazeux cortanant un gaz du groupe constitué par 502 et H 25, des moyens d'alimentation électrique du capteur, des moyens de détection d'un signal électrique du capteur constitué par une caractéristique électrique du capteur, des moyens d'introduction dans le four et d'évacuation d'une partie de l'atmosphère à surveiller, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des moyens de règlage ( 24) de la tempé- rature du four à deux températures successives, des moyens de mémorisation ( 34) du signal électrique du capteur à au moins une des deux températures et des moyens de compa- raison ( 30) du signal du capteur mémorisé avec le signal du capteur soumis à l'autre température. 11 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 7, comprenant un ensemble constitué par un four ( 19), des moyens de règlage du four à une température donnée, un capteur logé dans le four, ledit capteur étant en oxyde métallique du groupe constitué par Sno 2, Ni O, et ayant été activé par un flux gazeux contenant un gaz du groupe constitué par SO 2 et H 2 S, des moyens d'ali- mentation électrique du capteur, des moyens de détection d'un signal électrique du capteur constitué par une carac- téristique électrique du capteur, des moyens d'introduction dans le four et d'évacuation d'une partie de l'atmosphère à surveiller, caractérisé en ce qu'il comporte un second ensemble dont la température du four ( 20) est règlée ou règlable à une température distincte de celle du premier four ( 19) et il comporte des moyens de comparaison ( 30), des signaux (Xl, X 2) de respectivement chacun des capteurs. 12 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les deux fours ( 18, 19) avec leurs capteurs comportant les moyens d'introduction( 22, 24, 33) et d'éva- cuation ( 23, 24, 33) d'une partie de l'atmosphère à surveiller -