Brevet FR2640381A1 — publié le 19900615

La présente invention concerne un procédé d'étalonnage pour la mesure de la concentration relative de gaz ou de vapeur suivant lequel: - un capteur est mis dans des conditions de référence, dans lesquelles on détermine au moins un point d'étalonnage; et - on calcule la réponse du capteur pour la concentration relative du gaz ou de la vapeur mesuré en se servant du point d'étalonnage déterminé. L'invention concerne aussi un dispositif cap- teur pour la mise en oeuvre du procédé. Dans ce contexte, on comprend que la concen- tration relative de gaz ou de vapeur fait référence au rapport obtenu en divisant la concentration absolue du gaz par la concentration du gaz à son niveau de satura- tion. De façon classique on utilise la concentration relative, par exemple, pour déterminer la concentration de vapeur d'eau (humidité relative). Les principales caractéristiques du matériel de mesure sont définies en termes de fiabilité et de précision. Pour la vérification de celles-ci, on a besoin de différents procédés d'étalonnage. Une solution idéale pour l'étalonnage en exploitation serait une forme d'auto-étalonnage automa- tique. La réalisation de ce type d'auto-étalonnage serait extrêmement difficile pour la plupart des para- mètres. Actuellement, la plupart des instruments pour la mesure de la concentration relative de gaz et de vapeurs sont étalonnés dans des conditions de labora- toire maîtrisées. Un inconvénient de la technique connue est que, par suite de la routine d'étalonnage peu commode, on applique de longs intervalles entre les étalonnages. En outre cela conduit à des mesures imprécises, parce que les mesureurs de concentration relative sont in- stables par nature. La présente invention vise à surmonter les inconvénients faisant partie de la technique décrite précédemment et à réaliser un procédé d'étalonnage entièrement nouveau pour la mesure de la concentration relative de gaz-ou de vapeur. L'invention est basée sur la mesure de la tem- pêrature de l'élément capteur détectant la concentration relative de gaz ou de vapeur, tandis qu'on fait varier la température de l'élément capteur par rapport à la température ambiante de façon à établir des points d'étalonnage sans ambiguïté. Cette solution offre des conditions d'étalonnage définies pour le paramètre mesuré et/ou fait varier ces conditions de façon à obter- nir de l'information supplémentaire sur le paramètre mesuré. Plus spécifiquement, le procédé d'étalonnage selon l'invention est caractérisé en ce que, sur le site réel de mesure: - on effectue des mesures répétitives et au moins approximativement simultanées, à la fois de la température du capteur et de la concentration relative du gaz ou de la vapeur; et - on fait varier si rapidement la température du capteur par rapport à la température ambiante qu'on peut supposer que la pression partielle du gaz ou de la vapeur mesuréereste au moins approximativement constante sur le site de mesure, de sorte que les résultats de la mesure effectuée pour chaque niveau de variation de tem- pérature peuvent être utilisés pour calculer un facteur de correction pour l'étalonnage du capteur. En outre, le dispositif capteur selon l'invention est caractérisé par - un capteur de température, placé au voisi- nage immédiat du capteur de gaz pour la mesure de la température du capteur de gaz; et - un dispositif de commande de température, placé au voisinage du capteur de gaz pour la commande de la température du capteur de gaz. L'invention produit des résultats exception- nels. L'invention facilite l'étalonnage automatique lors de la mesure de concentration de gaz qui se conden- sent (vapeur d'eau, par exemple). Le procédé offre aussi la possibilité d'effectuer un étalonnage précis et rapide dans des conditions d'exploitation sans enlever le capteur de gaz de l'espace mesuré. Les intervalles d'étalonnage raccourcis contribuent sensiblement & la précision de mesure des capteurs relativement instables, utilisés pour la mesure de l'humidité relative par exemple. Un avantage supplémentaire est l'allongement appréciable des intervalles de service requis. D'autres particularités et avantages de l'invention résulteront encore de la description qui va suivre. Aux dessins annexes, donnés & titre d'exemples non limitatifs: La figure 1 montre dans un diagramme la pres- sion partielle de vapeur d'eau saturée en fonction de la température. La figure 2 montre un dispositif capteur met- tant en oeuvre le procédé d'étalonnage selon l'invention. L'invention utilise le fait que la température est un paramètre facile & mesurer et & ajuster même dans des conditions d'exploitation et en outre le fait que la concentration relative d'un gaz qui se condense change avec la température si la pression partielle du gaz est maintenue constante. Un capteur sensible à un gaz qui se condense répond à la concentration relative du gaz mesuré plutôt qu'à la concentration absolue. Dans ce cas la concentra- tion relative du gaz mesuré peut être définie comme suit: u = Pgaz/P(T) (1) o Pgaz = pression partielle du gaz mesuré PS(T) = pression partielle du gaz mesuré à saturation (fonction de la température) Si la fonction de réponse du capteur est du type: V = f(u) (2) alors, la variation de la température du capteur (en chauffant ou en refroidissant) peut être utilisée pour effectuer un changement dans la concentration relative du gaz détecté par le capteur. Par exemple, le capteur peut d'abord être refroidi à la température de condensa- tion du gaz (faisant que l'activité a = 1), et ensuite chauffé suffisamment pour réaliser une activité très faible (faisant que a est presque égal à 0). Ces deux points d'étalonnage peuvent alors être utilisés pour effectuer un étalonnage à deux points du capteur. Quand cela est nécessaire, on peut utiliser plusieurs niveaux de température pour l'étalonnage de manière à mesurer aussi la linéarité du capteur. La figure 1 montre la pression partielle de la vapeur d'eau saturée en fonction de la température. Comme cela est évident à partir du diagramme, la pression partielle du gaz saturé dépend exponentiel- lement de la température, de façon très approchée. Dans la situation décrite à titre d'exemple, on suppose que la température ambiante est de 20C pour une humidité relative de 50% (égale à une activité relative de 0,5). Pour ces valeurs, la pression partielle réelle de la vapeur d'eau est approximativement de 11,7 hPa. Si, par exemple, on suppose une erreur de mesure du type & décalage de 5%, la lecture de l'équipement de mesure serait une humidité relative de 55 % (HR 55 %). Alors, une pression partielle de vapeur d'eau calculée a partir de la lecture et de la pression ambiante apparaît être approximativement 12,9 hPa. Ensuite, le capteur de l'équipement de mesure est chauffé par exemple & une température de 100'C faisant que l'humidité relative réelle imposée au capteur tombe & 1,2%. Avec l'hypothèse de l'erreur de décalage du capteur, la lecture est alors de 6,2%. Le calcul de l'humidité relative pour la même situation sur la base de la première lecture (HR, 55 %. 'C, pression partielle calculée 12,9 hPa) conduit pour la température de 100'C à une HR de 1,3 %. Sur la base de ces deux mesures l'appareil à autoétalonnage est capable d'effectuer une correction unitaire de 4,9 % vers le bas 2O de son indication. Le cas o l'on chauffe par exemple le capteur & une température de 100' C ne doit être considéré que comme une solution possible. Un point essentiel est de chauffer suffisamment le capteur d'au moins, par exemple, 60 K au-dessus de la température ambiante. Dans ce qui suit est décrit un algorithme d'étalonnage pour un capteur d'humidité relative. L'hypothèse faite est: La réponse du capteur peut être décrite par les équations: u = (C - CO)/a (3) u = PW/Ps(T) o Pw - pression partielle de vapeur d'eau Ps(T) = pression partielle de vapeur d'eau saturée à la température T 1. La réponse du capteur est d'abord mesurée à la température ambiante T1: C1 = Co + a*Pw/Ps(T1) 2. Le capteur est alors refroidi suffisamment bas pour atteindre le point de rosée de façon déterminée et la réponse est mesurée: C2 = CO + a 3. Le capteur est chauffé à une température T2 au-dessus de la température ambiante et la réponse est mesurée: C3 CO + a*Pw/Ps (T2) 4. La pression partielle de vapeur d'eau pré- valante peut alors être résolue: (C1 - C3)*PS(T1) Pw =(4) C2 - C3 - Ps(T1)/Ps(T2)*(C2 - C1) 5. La composante CO peut alors être résolue à l'aide de la pression partielle de vapeur d'eau préva- lante: C3 - C2*Pw/ps(T2) CO = (5) 1 - PW/Ps(T2) 6. La sensibilité a du capteur est résolue: a = C2 - CO (6) D'une manière similaire le comportement du capteur peut être régi en utilisant un autre modèle par exemple une fonction logarithmique ou une fonction poly- nomiale d'ordre supérieur, offrant une meilleure adapta- tion avec la réponse du capteur. Si l'on utilise une solution plus générale en décrivant la réponse du capteur comme: n u(C) = Z ai * Ci i=o (7) & partir de laquelle un ensemble de n + 1 mesures à différents niveaux de température conduira à l'ensemble de n + i équations: n P,(T.) (Y a, * C:) - P. - 0 (8) i=0 n E a, * c 1 (9) i=-O Cet ensemble d'équations peut être résolu & la fois pour les coefficients a et pour la pression par- tielle prévalante Pw. La figure 2 montre une réalisation possible du dispositif capteur que l'on peut chauffer/refroidir. La figure représente un capteur de gaz i et un capteur de température 3 qui sont tous deux fixés par exemple en les collant à la surface plane d'un élément Peltier 2 composé d'éléments en forme de barres aux contours alternés. Les capteurs i et 3 sont en outre reliés par des conducteurs 4 à l'électronique des cir- cuits de mesure. L'élément Peltier est également ali- menté via des conducteurs 5. Une particularité essen- tielle est que le capteur de gaz 1 est placé près du capteur de température 3 de façon à obtenir la plus grande précision possible de l'information de tempéra- ture détectée. Le capteur de gaz i peut être d'un type, par exemple, appelé le capteur Humicapt, lequel est décrit dans les demandes de brevets FI 824393 et 824392. Egalement, le capteur de température 3 peut être un type quelconque de capteur de température existant, par exemple un capteur à semi-conducteur à l'état solide ou un capteur résistant. Typiquement le capteur de tempéra- ture utilisé est un capteur résistant en platine. La liaison de courant à l'élément Peltier 2 entraîne l'élévation ou l'abaissement de la température des cap- teurs selon le sens du courant choisi. Le procédé d'étalonnage est aussi applicable à la mesure par exemple d'alcools ou d'ammoniaque si, en première approximation, la réponse du matériau actif du capteur dépend de la concentration relative du gaz plu- tôt que de sa concentration absolue. REVENDICATIONS 1. Procédé d'étalonnage pour la mesure de la concentration relative de gaz ou de vapeur, suivant lequel: - un capteur (1) est mis dans des conditions de référence, dans lesquelles on détermine au moins un point d'étalonnage; et - on calcule la réponse du capteur (1) pour la concentration relative du gaz ou de la vapeur mesurée en se servant du point d'étalonnage déterminé, caractérisé en ce que - sur le site réel de mesure, on effectue des mesures répétitives et au moins approximativement simul- tanées, à la fois de la température du capteur (1) et de la concentration relative du gaz ou de la vapeur; et - on fait varier si rapidement la température du capteur (1) par rapport à la température ambiante qu'on peut supposer que la pression partielle du gaz ou de la vapeur mesurée reste au moins approximativement constante sur le site de mesure, de sorte que les résul- tats de la mesure effectuée pour chaque niveau de varia- tion de température peuvent être utilisés pour calculer un facteur de correction pour l'étalonnage du capteur. 2. Procédé d'étalonnage selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour déterminer le point correspondant à une concentration relative de 100%, on refroidit le capteur (1) à une température suffisamment basse pour que le gaz ou la vapeur se condense. 3. Procédé d'étalonnage selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour établir un point d'étalonnage de faible concentration relative, on chauffe le capteur (1) de façon appréciable, par exemple de 60 K au-dessus de la température ambiante. 4. Procédé d'étalonnage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on réalise la variation de température du capteur en utilisant un élément Peltier. 5. Dispositif capteur étalonnable pour la mesure de concentration relative de gaz ou de vapeur, comprenant un capteur de gaz (1), caractérisé par - un capteur de température (3), placé au voi- sinage immédiat du capteur de gaz (1) pour la mesure de la température du capteur de gaz (1); et - un dispositif de commande de température (2), placé au voisinage du capteur de gaz (1) pour la commande de la température du capteur de gaz (1). 6. Capteur selon la revendication 5, caracté- risé en ce que le dispositif de commande de température (2) est un élément Peltier.