Brevet FR2592716A1 — publié le 19870710

CAPTEUR ACOUSTIQUE POUR LA DETERMINATION DE LA COMPOSITION D'UN MELANGE GAZEUX La présente invention a pour objet un capteur acoustique pour la détermination de la composition d'un mélange gazeux. Elle trouve une application notamment dans la détermination de la composition de mélanges air-essence. Le capteur de l'invention est du genre filtre électromécanique. On sait que ces dispositifs comprennent deux résonateurs acoustiques de type piézoélectrique ou magnétostrictif, une source électrique d'excitation reliée à l'un des capteurs et un appareil de mesure de la tension délivrée par l'autre. Un tel filtre est décrit notamment dans la demande de brevet français FR-A 2 504 326 intitulée "Filtre électromécanique passe-bande à résonateurs couplés". Lorsque les deux résonateurs sont couplés par le gaz dans lequel ils baignent, un tel dispositif peut constituer un capteur de pression. Le signal délivré est en effet une fonction de la pression, fonction d'ailleurs quasi-linéaire. Les résonateurs peuvent être constitués par des barreaux vibrant longitudinalement et mis bout à bout, le couplage s'effectuant par les extrémités. Mais il peut s'agir aussi de barreaux ou de disques vibrant en flexion. Les caractéristiques et les propriétés de ces capteurs de pression sont décrites dans le brevet français FR-A 2 504 265 intitulé "Dispositif de mesure de la pression d'un gaz". L'invention vise une application nouvelle de ces capteurs. Il s'agit non plus de mesurer la pression d'un gaz, mais de déterminer la composition d'un mélange gazeux. A priori, on ne voit pas comment cette information pourrait être obtenue à partir de telles structures, qui sont réputées n'être sensibles qu'à la pression. Les travaux des inventeurs ont permis de montrer cependant que, de façon surprenante, certaines structures sont très sensibles à la composition du mélange gazeux dans lequel elles baignent. Cette propriété était passée inaperçue dans l'art an térieur pour la raison que le gaz utilisé était toujours un corps simple. Les demandeurs ont eu L'idée de travailler avec des mélanges et ont recherché les structures pour lesquelles une forte sensibilité à la composition pouvait être obtenue. Le résultat de ces recherches est que, pour les structures qui ont une réponse électrique différente pour les deux gaz entrant dans la composition du mélange, on peut obtenir un tel effet. Toutes les structures ne conviennent pas à cet égard, tant s'en faut. Celles qui conduisent à ce phénoméne sont celles qui correspondent à des modes de vibration dits en flexion, avec deux résonateurs dont les faces en regard vibrent selon une direction perpendiculaire au plan des faces. Les systèmes à barreaux parallèles ou à disques parallèles vibrant en flexion conviennent bien à cet égard. En revanche, les résonateurs longitudinaux mis bout à bout ne conviennent pas. Une interprétation théorique de ce résultat est possible. Elle consiste à remarquer tout d'abord que la réponse de certains systèmes de résonateurs dépend principalement d'un coefficient noté généralement y et qui est le rapport des chaleurs spécifiques du gaz, respectivement à pression et à volume constants. Or, ce coefficient dépend peu de la nature du gaz, étant compris entre environ 1,3 et 1,65. Un capteur sensible à y conduira donc à un capteur de pression et non à un capteur de composition. En revan che, les systémes qui conviennent bien à l'application visée par L'invention sont ceux dont la réponse dépend principalement de la masse moléculaire du gaz. C'est le cas des résonateurs en flexion.Les réponses sont alors différentes pour deux gaz de masses moléculaires différentes de sorte que, dans un mélange de ces deux gaz, le capteur délivrera une information reflétant la composition du mélange. Pour augmenter La sensibilité du capteur à L'égard d'un gaz particulier, on peut s'y prendre comme suit. On sait que les longueurs d'onde acoustique sont en général différentes dans les deux gaz. Or, les performances d'un capteur plongé dans un gaz dépendent en partie du rapport entre les dimensions des résonateurs et de la longueur d'onde dans ce gaz. On choisira alors les résonateurs pour que ce rapport soit voisin de la longueur d'onde du gaz à privilégier. Un autre moyen peut être utilisé pour augmenter la sensibilité du capteur, qui est la création d'une résonance de l'ensemble du résonateur et de la cavité acoustique constituant le boitier. Si une telle résonance intervient pour l'un des gaz composant un mélange, au voisinage de la fréquence de travail, la réponse pour les mélanges riches en ce gaz s'en trouvera amplifiée et la discrimination entre les deux gaz accentuee. De toutes façons les caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 montre un exemple de capteur à barreaux résonant en flexion, - la figure 2 montre un exemple de capteur à disques, - la figure 3 donne la réponse du premier capteur pour différents gaz, - la figure 4 montre la réponse du capteur dans le cas d'un mélange air-isooctane, - la figure 5 donne la variation du signal délivré par le capteur en fonction de la pression partielle d'isooctane, - la figure 6 montre des réponses pour l'air et l'anhydride carbonique C02 pour différentes pres serons, - La figure 7 montre les réponses d'un capteur lorsqu'une résonance avec le boîtier extérieur se produit pour L'un des gaz (en l'occurrence C2F6). La figure 1 montre un système de résonateurs pouvant être utilisé selon l'invention. Un tel systéme comprend deux barreaux 10 et 11 sur lesquels sont fixées deux Lames piézoélectriques 12, 13 reliées par des connexions électriques 14, 15 respectivement à une source d'excitation 20 et à un appareil de mesure 22. Les barreaux sont reliés à un cadre 24 par des tiges 26 à 29 qui prennent appui sur chaque barreau en un point d'une ligne nodale, c'est-à-dire en un point sans déplacement pour le mode de résonance utilisé. Comme chaque barreau vibre en flexion, de telles lignes existent nécessairement. Pour le premier mode de flexion, il en existe deux. La surtension des résonateurs n'est alors pratiquement pas affectée par ces liaisons mécaniques. L'ensemble de ces pièces est disposé dans un boîtier 17. Les fréquences de résonance des deux résonateurs ne sont pas nécessairement identiques, mais plu tôt Légèrement décalées pour assurer un méplat dans la courbe de réponse en fonction de la fréquence. La ré ponse méplate peut être obtenue par choix de plusieurs paramètres (non indépendants) dont les plus faciles à régler sont les résistances de terminaison et les fréquences de résonateurs (à constitution des résonateurs fixée). La réponse du capteur est le rapport entre la tension Vs prélevée à la sortie du capteur et la tension Ve appliquée à l'entrée. Selon un mode de réalisation, les barreaux ont une longueur de 30,7 mm, une largeur de 3 mm et une épaisseur de 0,8 mm. Les transducteurs piézoélectriques ont une longueur de 15 mm, un.e largeur de 3 mm et une épaisseur de 0,3 mm. La figure 2 montre un autre capteur utilisable dans l'invention. Il s'agit de deux disques 30 et 31 sur lesquels sont fixées deux pastilles piézoélectriques 32, 33 reliées à des connexions électriques 34, 35. Des tiges de fixation 36 à 39 viennent prendre appui sur une ligne nodale circulaire. L'ensemble est placé dans une enceinte 40. Dans un mode particulier de réalisation les disques 30, 31 ont un diamètre de 25,4 mm et une épaisseur de 0,5 mm, les pastilles piézoélectriques 32 et 33 ont un diamètre de 16 mm et une épaisseur de 0,5 mm. Les barreaux ou disques peuvent être en alliage DURINVAL C et les pastilles piézoélectriques en niobate de lithium de coupe Y-450 pour les barreaux et de coupe Z pour les disques. Les résultats de mesure qui vont maintenant être donnés correspondent au système de la figure 1 à barreaux travaillant en flexion. Ces résultats sont donnés soit sous la forme de fonction du transfert en Vs VS Vs t ens i on Ve soit d'un facteur de transmission Ve (e étant la force électromotrice du générateur, figure 1). La figure 3 tout d'abord montre le facteur de transmission exprimé en décibels, en fonction de L'écart de fréquence Af par rapport à La fréquence centrale, qui est, en l'occurrence, de 5700 Hz. Ces courbes correspondent à différents gaz, à savoir, successivement, de bas en haut, l'air, 02, Ar, C02, Kr, CF4 et CF6. Pour tous ces gaz, la pression est de 760 torrs. Ces courbes montrent nettement la dépendance vis-å-vis de La nature du gaz. La figure 4 montre la variation du rapport Vs exprimée en millivolts à e exprimée en volts, en fonction de la fréquence pour un mélange d'air et d'isooctane. La pression partielle de ce dernier gaz va de O (air pur, courbe du bas) à 9,5 torrs. La pression totale est encore de 760 torrs. Ces courbes montrent qu'il est possible, selon L'invention, de déterminer la concentration d'isooctane dans l'air. La figure 5 traduit cette propriété d'une autre manière en donnant, à fréquence fixe de 5245 Hz, le même rapport Vs/e en fonction de la pression partielle Pi d'isooctane exprimée en torrs Des résultats analogues sont illustrés sur la figure 6 pour l'air et le CO2. Les pressions de ces gaz sont successivement, en partant du bas, de 95, 132, 190, 285, 380, 570 et 760 torrs. Comme indiqué plus haut, il est possible de privilégier un gaz en créant pour celui-ci une résonance avec Le boitier contenant les résonateurs. Le résultat obtenu est illustré sur la figure 7 où l'on voit la courbe de réponse pour l'air et la courbe de réponse pour C2 F6. Dans ce dernier cas, une résonance d'ordre élevé se produit pour C2F6 vers 19 kHz. La différence de réponse apparaît nettement. REVENDICATIONS 1. Capteur acoustique comprenant deux résonateurs (10, 12-11, 13) couplés par un gaz, caractérisé par le fait que le gaz dans lequel baignent les résonateurs est un mélange de deux composants et par le fait que pour obtenir une sensibilité à la composition de ce mélange, les résonateurs sont excités selon un mode de résonance en flexion et présentent deux faces en regard vibrant perpendiculairement à leur plan, et par le fait que les caractéristiques de ces résonateurs sont telles que la réponse du capteur est différente pour les deux composants du mélange. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les résonateurs sont disposés dans un boîtier (17, 40) l'ensemble résonateurs-boî- tier présentant une résonance pour l'un des composants du mélange au voisinage de la fréquence de travail du capteur.