Brevet FR2651038A1 — publié le 19910222

DETECTEUR DE GAZ EXPLOSIFS METTANT EN OEUVRE UNE CELLULE A COEFFICIENT DE TEMPERATURENEGATIF. La présente invention concerne un détecteur de gaz explosifs. Ce genre de détecteur est de plus en plus demandé, afin de disposer d'une alarme avant oue la concentration de gaz explosifs dans une pièce ne devienne dangereuse, et de pouvoir alors prendre les mesures aui s' imposent pour éviter un accident. La présente invention concerne plus particulierement un détecteur de gaz explosifs1 mettant en oeuvre une cellule a coefficient de température négatif. Ces cellules sont des éléments dont la résistance électricue, décroit lorsque leur température croit. Ces cellules sont par exemple constituées par un corps en céramique, sur lequel est déposé de 11 oxyde d'étain (SnO;). Pour leur mise en oeuvre, ces cellules sont chauffées par un filament situé b proximité, afin d'atteindre une température d'environ 25 C. Une fois portées å cette température, les cellules sont extrêmement sensibles å toute sorte de gaz. En effet, si un gaz tel que de l'oxyde de carbone, une vapeur d'alcool ou d'une maniere générale un gaz réducteur, est présent dans le voisinage d'une telle cellule, il est adsorbé par ladite cellule du fait de la présence de l'oxydant déposé b sa surface. Le phénomène d'adsorption au cours duquel les molécules se lient entre elles, connu sous le nom de chimisorption, présente tous les caractères d'une véritable réaction chimique d'oxydation et en particulier celui d'être exothermique. Ce dégagement de chaleur échauffe la cellule, ce qui fait décroitre sa résistance, ce qui est facilement detecté en surveillant le courant circulant dans la cellule ou la tension b ses bornes. Lorsqu'une telle cellule est dans une atmosphère contenant un gaz explosif, celui-ci prude b son contact sans provoquer d'explosion et cette combustion, en échauffant la cellule, provoque une baisse ce sa résistance détectée par le circuit de surveillance. Les détecteurs utilisant une cellule à coefficient de température négatif, sont donc des détecteurs extrêmement sensibles à tous les gaz réducteurs. Ils sont alors très intéressants b mettre en oeuvre dans des locaux où toute présence de gaz est suspecte et devient obligatoirement dangereuse. Lorsqu'une cellule à coefficient de température négatif est froide, elle présente une résistance généralement comprise entre 1 et 5 kilo-Ohm. Dans les utilisations connues de ces cellules, on déclenche généralement l'alarme liée. au détécteur; lorsque sa résistance est de tordre de 2 ou 3-kilo-Ohm car, jusqu'a cette valeur on peut donner de manière quasi exacte, la proportion de gaz présente dans l'atmosphère, tandis que lorsque la résistance continue à baisser. on ne sait plus déterminer avec précision ladite proportion de gaz. Les détecteurs de type connu ne peuvent donc pas être utilisés en explosimétrie. A titre d'exemple, la limite inférieure d'explosivité du méthane est définie par les organismes compétents å 5 ppm. Un détecteur de type connu donnera une alarme des 5 e ppm de méthane car, pour de plus fortes concentrations les moyens de calcul sont confrontés b des abérrations. On comprend qu'en explosimétrie on préfèrera déclencher l'alarme à des concentrations plus importantes, par exemple supérieures b 1 ppm. Le probleme qui se pose à l'heure actuelle est celui de la protection des locaux d'habitation par la mise en oeuvre de détecteurs dans des pièces telles sue les cuisines ou les salles de bains afin de signaler toute fuite de gaz explosif. I1 est alors nécessaire de mettre au point un détecteur capable de ne pas etre sensible aux gaz tels aue l'oxyde de carbone ou les vapeurs d'alcool souvent présents dans les cuisines et de donner l'alarme lorsque la concentration en gaz explosif devient véritablement dangereuse afin de ne pas déclencher pour toute présence minime de ces gaz par exemple pour le dégagement se produisant durant le temps nécessaire a l'allumage d'un brûleur. La présente invention tend a proposer un détecteur de gaz explosifs répondant å ces critères. A cet effet, on s'appuie sur le fait que la détection d' un gaz non explosif se fait par chimisorption, c'est-b-dire par une réaction relativement faiblement exothermique donc échauffant peu la cellule et abaissant peu la valeur de sa résistance. A l'inverse, la détection d'un gaz explosif tel qu'un hydrocarbure est faite par la combustion de celui-ci å la surface de la cellule. I1. se produit alors un très fort dégagement de chaleur qui d'une part fait chuter la résistance de la cellule et d'autre part est tel qu'il chauffe le filament. On obtient alors un phénomène auto-entretenu et croissant de chauffage aela cellule et du filament. Un problème se pose alors, qui est celui de la non destruction de la cellule car l'oxyde d'étain qui la recouvre ne supporte pas des températures supérieures å 95'C. Les détecteurs de type connu, utilisant une cellule a coefficient de température négatif résolvent ce problème en mettant une résistance très importante en série avec ladite cellule afin de limiter l'intensité du courant la traversant. Mais cette solution atténue la surveillance du circuit électriaue car le courant circulant est alors tres faible et difficilement utilisable. Un but de l'invention est de proposer un détecteur de gaz explosifs dans lequel le circuit d'alimentation de la cellule soit coupé dès aue sa température atteint une valeur limite fixée b l'avance. L'invention a pour objet un détécteur de gaz explosifs, du type comportant une cellule á coefficient de température négatif, chauffé par un filament. caractérisé en ce que la cellule est alimentée par l'intermédiaire d'un transistor et est reliée b la masse par l'intermédiaire d'une résistance, le point commun b la cellule et à la résistance étant relié a la porte d'un thyristor qui contrôle le transistor, de telle sorte que, en présence d'un gaz es.. qui brèle sans explosion sur la cellule, la temDeraXure de la cellule augmente au point d'entrainer une augmentation de la tempérarure du filament et un échauffement supplémentaire de la cellule, la diminution correspondante de la résistance de la cellule provoque la conduction du thyristor et par voie de conséquence le blocage du trans'- r et l'interruption de l'alimentation de la ce .t ainsi Que le déclenchement d'une alarme. Selon d'autres caractéristiques de l'invention Le thyristor est monté en série avec une photodiode qui s' allume lorsque le thyristor est conducteur. Le thyristor est relié b la base du transistor par l'intermédiaire d'un photocoupleur commandant un Triac susceptible d'alimenter une alarme. La base du transistor est reliée à la masse par l'intermédiaire d'un photocoupleur commandant un Triac susceptible d'alimenter un circuit de veille. La base du transistor est reliée b la masse par l'intermédiaire d'une photodiode et d'une diode Zener. Un temporisateur est prévu pour assurer l'inhibition du détecteur pendant la .-+ de de chauffage initial de la cellule. L'inhibition du détecteur est réalisée au moyen d'un second transistor qui court-circuite, pendant la période de chauffage initial de la cellule, la résistance montée en série avec la cellule. Suivant l'invention, on utilise la cellule å coefficient de température négatif dans des conditions telles que l'on ne déclenche l'alarme que ; sque la cellule est à la iimite de sa destruction, en couDant alors imméoiatement l'alimentation du circuit électrique. A cet effet, on a mis au point un circuit ae détection comportant une cellule b coefficient de température négatif qui déclenche l'alarme et coupe i'alimentation de ladite cellule en fonction de la résistance instantanée de celle-ci. Des essais ont montré que lorsqu'une telle cellule voit sa résistance tomber à environ îe & ommat; 100 Ohms sa température est proche mais n'atteint pas encore sa température de destruction, et que la concentration d'un gaz explosif comme le methane est alors d'environ 1 ppm, ce qui est un seuil de déclenchement d' alarme intéressant. Afin d'être certain d'avoir affaire b une chute de la resistance de la cellule par la combustion d'un gaz b sa surface, le circuit de déclenchement d'alarme est tel qu'il prend en compte les modifications du courant électrique traversant la cellule et de celui traversant le filament. On peut alors confirmer qu'il y a échauffement de la cellule par la chute de sa résistance, et échauffement du filament par l'accroissement de sa résistance. On a représenté sur la figure un circuit de commande et de surveillance d'un détecteur selon l'invention. Le circuit se présente globalement en deux parties 1 et 2 que l'on peut, pour des raisons pratiques de construction du détecteur, disposer chacune sur une carte électronique. La partie ie concerne l'alimentation en courant électrique tandis que la partie 2, concerne la détection de la présence de gaz explosifs tels aue des hydrocarbures. Le courant est fourni à partir du transformateur T1 et de la capacité C1 et est stabilisé b la fois par la diode Zener D5 et par le transistor Ql. L'élément de détection Z3 est formé par la cellule b coefficient de température négatif 3 et le filament 31 de chauffage de celle-ci. Sur la figure unique du dessin, on peut voir encore de 1 à 6 les bornes de connexion de la carte d'alimentation dans un exemple pratique de réalisation. Les bornes 4 et 5 sont en court-circuit, et sont séparées de la borne l par un fusible Fl. Les bornes 2 et 3 sont en court-circuit, et sont reliées à l'entrée C- > du pont redresseur D1 à diodes, elle-même reliée à la masse de la partie 2 du circuit. Le primaire du transformateur T1 est monté entre les bornes 5 et 6 le secondaire du transformateur est branché sur la diagonale du pont redresseur. La sortie (t) du pont redresseur est reliée, par l'intermédiaire de l'interrupteur Si, au collecteur du transistor Qi. Une résistance R1 est montée entre le collecteur et la base du transistor Qi. La base du transistor Q1 est par ailleurs reliée au point commun a deux photodiodes faisant partie chacune d'un photocoupleur, respectivement Zi et Z2. La photodiode du photocoupleur Zi est reliée à la masse par l'intermédiaire d'une photodiode D4 et de la diode Zener D5. Le phototransistor du photocoupleur Zi est relié d'une part å une sortie B, d'autre part a la grille d'un Triac TRl monté entre la ligne 6 et la sortie B. Le phototransistor du photocoupleur Z2 est relié d'une part à une sortie A, d'autre part à la grille d'un Triac TR2 monté entre la borne 6 et la sortie A. La photodiode du photocoupleur Z2 est reliée à la masse par l'intermédiaire d'une photodiode D3 et d'un thyristor Thl. Entre l'émetteur du transistor Q1 et la masse, sont montées en parallèle différentes branches de circuit : un condensateur C2 ; un temporisateur Z4 une diode inverse D2 en série avec un condensateur C3 le filament chauffant 31 ; l'appareil de mesure M ; et la cellule 3 montée en série avec une résistance R5. Le point commun å la cellule 3 et å la résistance R5 est relié d'une part b la porte du thyristor Thl, d'autre part . au collecteur d'un transistor Q2 dont l'émetteur est à la masse. La base du transistor Q2 est reliée à la masse par l'intermédiaire de deux résistances R3 et R4 montées en série avec une photodiode D6. Le point commun aux deux resistances R3 et R4 est relié-au temporisateur Z4 aui est par ailleurs relié d'une part b l'émetteur du transistor Ql par une résistance R2, d'autre Part au point commun à la diode D2 et au condensateur C3. A la mise en route du détecteur ou lors d'un réarmement après une alarme, on décharge le condensateur C3 et on déclenche le temporisateur Z4 aui produit un courant de sortie aui d'une part allume la diode D6 pour indiauer que le détecteur n'est pas pret à l'emploi et d'autre part rend le transistor Q2 conducteur. Ceci permet tout d'abord de détourner une grande partie du courant traversant R5 et d'émécher la mise en marche de Thl, mais également de faire traverser les élements par un courant important et croissant pendant la période de chauffage. La cellule doit en effet, comme déJà mentionné, etre b une température d'environ 250 C pour etre opérationnelle. La mise en oeuvre du condensateur C3 et du temporisateur Z4 permet de rendre opérationnelle en moins de iee secondes toute cellule même ayant été stockée dans de mauvaises conditions. La présence du temporisateur Z4 a ainsi neutralisé une période transitoire durant laquelle aucun déclenchement de l'alarme ne peut avoir lieu. A la fin de cette période de temporisation, tout passage de courant par Z4 est interrompu ce qui éteint la diode D6 et bloque le thyristor Thi. Le courant alimente alors le photocoupleur Z1 ainsi que la diode luminescente D4 et la diode Zener D5. L'allumage de la diode D4 permet de savoir que le détecteur est en état de veille. Par l'intermédiaire de a sortie B du Triac Trl on peut détecter également cet état de veille b l'aide d'un circuit non représenté. Au cours de cette veille, le transistor Q1 conduit et alimente la cellule 3 et son filament de chauffage 31 afin de conserver une température de 25'C. Lorsqu'un gaz combustible brûle å la surface de la cellule 3, celle-ci s'échauffe fortement et provoque l'échauffement du filament 31 qui b son tour chauffe de nouveau la cellule. On obtient ainsi un très fort échauffement de la cellule 3 et donc une très forte baisse de sa résistance. Le courant traversant la cellule 3 est calibré. par la résistance R5 et croit b mesure que la résistance de la cellule décroît, jusqu'b provoquer le déclenchement de thyristor Thl. A titre d'exemple, on utilise une résistance R5 de 22 Ohms et on alimente la cellule sous une tension de 5 Volts. Le thyristor est alors déclenché lorsque la résistance de la cellule atteint iee Ohms. Lorsque le.thyristor Thl devient conducteur, la base du transistor Ql est pratiquement mise å la masse par l'intermédiaire de la photodiode du phtocoupleur Z2, de la photodiode D3 et du thyristor Thl. Le transistor Ql est alors bloqué et l'alimentation de la cellule 3 est coupée ce qui permet d'éviter sa destruction. Le photocoupleur Z1 s'éteint ainsi que la photodiode D4, tandis que le photocoupleur Z2 et .la photodiode D3 sont allumés. La sortie A du Triac TR2 lié au photocoupleur Z2 peut etre utilisée pour déclencher un circuit d'alarme. Un moyen de mesure M permet de confirmer l'échauffement du filament en meme temps que l'échauffement de la cellule 3. REVENDICATIONS 1. Détecteur de gaz explosifs, du type comportant une cellule à coefficient de température négatif, chauffé par un filament, caractérisé en te que la cellule et est reliée b la masse par l'intermédiaire d'une résistance (R5), le point commun à la cellule (3e) et à la résistance (R5 > étant relié b la porte d'un thyristor (Th1) qui contrôle le transistor (Q1), de telle sorte que, en présence d'un gaz explosif qui brûle sans explosion sur la cellule, la température de la cellule augmente au point d'entraîner une augmentation de la tempérarure du filament et un échauffement supplémentaire de la cellule, la diminution correspondante de la résistance de la cellule provoque la conduction du thyristor (Thl) et par voie de conséquence le blocage du transistor (Q1) et l'interruption de l'alimentation de la cellule. ainsi que le déclenchement d'une alarme. 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le thyristor (Thl) est monté en série avec une photodiode (D3 > qui s'allume lorsque le thyristor est conducteur. 3. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le thyristor (Thl) est relié b la base du transistor (Ql) par l'intermédiaire d'un photocoupleur (Z2) commandant un Triac 4. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la base du transistor (Q1) est reliée & la ' masse par l'intermédiaire d'un photocoupleur 5. Détecteur selon la revendication 1, caracterisé en ce que la base du transistor (Q1) est reliée b la masse par l'intermédiaire d'une photodiode (D4) et d'une diode Zener (D5). 6. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que un temporisateur (Z4) est prévu pour assurer 11 inhibition du détecteur pendant la période de chauffage initial de la cellule. 7. Détecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce aue l'inhibition du detecteur est réalisée au moyen d'un second transistor (Q2 > qui court-circuite, pendant la période de chauffage initial de la cellule, la résistance (R57 montée en série avec la cellule.