Brevet FR2678383A1 — publié le 19921231

La présente invention se rapporte à un capteur-détecteur de matières volatiles et gaz imbrûlés se trouvant dans le flux de sortie d'une chambre de combustion d'un appareil de chauffage ou d'un moteur ou dans un milieu gazeux. Elle se rapporte également au procédé de fabrication ou de confection d'un tel capteur-détecteur d' imbrûlés. Les combustions de divers produits dans les appareils de chauffage et moteurs ne présentent pas toujours la perfection et le degré de propreté souhaités, en raison bien souvent des mauvaises conditions de fonctionnement, mais aussi de la qualité du combustible ou du carburant. Pour y remédier, on utilise des cellules catalytiques placées dans le flux des gaz et fumées de combustion ou d'échappement. Les catalyseurs ne permettent que d'épurer les résidus gazeux de combustion. Ils ne permettent pas, par contre, de remédier dans une correcte mesure à des défauts ou insuffisances de combustion ou de carburation en vue de les rendre toutes les deux plus complètes, c'est-à-dire plus propres. Malheureusement, ils ne suffisent pas seuls, en général, à corriger les mauvaises conditions de combustion ou de carburation car leur rôle se montre purement statique. Or, pour une maîtrise totale de la combustion ou de la carburation, il faut pouvoir ramener, chaque fois que nécessaire, les paramètres dans la zone de fonctionnement idéal du point de vue pollution. Ceci nécessite une surveillance permanente des conditions de combustion ou de carburation. Cette maîtrise peut résulter, dans une large mesure, de la surveillance constante de la teneur en matieres imbrûlées des fumées et gaz de combustion ou d'échappement. La présente invention a pour but de remédier à ces différents inconvénients, en offrant la double possibilité de parfaire la combustion et d'intervenir sur les principaux paramètres conditionnant celle-ci en vue de la rendre idéale du point de vue de la propreté de l'environnement. A cet effet, l'invention se rapporte à un capteur-détecteur des matieres volatiles et gaz imbrûlés présents dans le flux gazeux de sortie d'une chambre de combustion d'un appareil de chauffage ou d'un moteur à combustion interne ou dans un volume d'échantillon gazeux, caractérisé en ce qu'il se compose d'une chambre tubulaire de détection traversée par le flux gazeux, revêtue sur ses parois latérales intérieures d'une couche de matière ou d'un matériau catalytique, occupée intérieurement par un thermocouple de détection protégé par une matiere neutre, et en ce que celui-ci est monté électriquement en opposition avec un thermocouple de référence protégé par une matiere neutre, disposé hors de la chambre de détection mais dans le flux gazeux, lesdits thermocouples étant raccordés électriquement de façon à présenter une borne de sortie correspondant au point milieu des deux thermocouples montés électriquement en opposition. Les principaux avantages découlant de cette invention peuvent se regrouper comme suit la grande sensibilité permet de diminuer notablement le seuil de détection cette amélioration notable de la sensibilité permet l'exploitation électronique efficace dans un montage de régulation ce montage de régulation procure simultanément une indication de la température ambiante fournie par le thermocouple de référence et permet, sans l'aide d'un autre capteur, de gérer entièrement la post combustion d'un appareil de chauffage ou d'un moteur thermique la confection du thermocouple de détection s' avère notablement simple car il suffit, comme le thermocouple de référence, de l'enduire d'une matiere de protection il suffit de le dégager de son support et de le sortir de la chambre pour remplacer le thermocouple de détection ; le fonctionnement de détection par rayonnement apporte encore une meilleure sensibilité et une plus grande rapidité de réponse ; cette association de moyens permet un blindage efficace et continu sur toutes les parties exposées des fils électriques de liaison parmi les nombreuses applications, on peut envisager l'utilisation du capteur-détecteur en cellule de mesure dans le cadre de 11 analyse d'un échantillon gazeux on peut également prévoir la surveillance d'une atmosphère en teneur de gaz imbrûlés. Les caractéristiques techniques et d'autres avantages de l'invention sont consignés dans la description qui suit, effectuée à titre d'exemple non limitatif sur un mode d'exécution en référence aux dessins accompagnants dans lesquels la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale du capteur-détecteur d'imbrûlés à deux thermocouples selon l'invention dans sa version de base la figure 2 est une vue schématique en perspective d'une forme de réalisation du capteur-détecteur selon une version à cellules en nids d'abeille la figure 3 est un schéma montrant le principe d'utilisation dans un appareil de chauffage sans chambre de postcombustion la figure 4 est un schéma montrant l'utilisation dans un appareil de chauffage avec chambre de post combustion la figure 5 est un schéma illustrant le principe d'utilisation sur un moteur à combustion interne. Le détecteur selon l'invention se compose d'une chambre longitudinale 1 de détection-catalyse, par exemple de forme générale tubulaire, traversée par un flux de gaz matérialisé par les fleches 2, gaz issus de la combustion ou présents dans le circuit de préparation d'un appareil de mesure ou d'une atmosphère présumée être chargée de gaz à l'état combustible. Cette chambre 1 est revêtue sur sa surface latérale intérieure 3 directement ou sur une souscouche de préparation, d'un dépôt ou d'une couche 4 d'un produit ou d'une matière présentant une activité catalytique à l'égard des matières volatiles ou gaz imbrûlés à surveiller, par exemple spécifiques du combustible ou du carburant utilisé, tel que par exemple le platine, le palladium, le rhodium pour la combustion du bois, ou des hydrocarbures. Cette chambre est occupée par un premier thermocouple appelé thermocouple de détection 5. Ce thermocouple est enduit d'une simple couche de protection mécanique et thermique 6 et, selon le cas, d'une sous-couche neutralisante. Un deuxième thermocouple, appelé thermocouple de référence 7, de préférence de même nature que le premier, est placé dans le même milieu ambiant à l'extérieur de la chambre de détection 1 dans le flux 2 des gaz, c'est-å-dire dans le même milieu gazeux que le thermocouple de détection. Pour des raisons mécaniques, il est préférable de l'insérer dans une chambre neutre de référence 8, c'est-à-dire sans revêtement catalytique, par exemple de même forme générale tubulaire et parallèle à la première. Ce deuxième thermocouple 7 est enduit d'une couche de protection mécanique et thermique 9 et, selon le cas, d'une souscouche neutralisante. A titre d'exemple, on peut citer les couples de métaux susceptibles de convenir pour la constitution des thermocouples ci-dessus. I1 s'agit de platineplatine rhodié, chromel-alumel, fer-constantan, nickelcuivre. Les deux thermocouples 5 et 7 sont par exemple identiques et montés électriquement en opposition. Les différents points ou bornes électriques de sortie sont accessibles ou utilisables pour des mesures directes à partir de chaque thermocouple pris individuellement. I1 s'agit de deux bornes distinctes 10 et 11 et d'une borne commune 12 correspondant à la branche de liaison électrique entre les deux bornes distinctes 10 et 11. Par exemple, le thermocouple de référence utilisé isolément comme capteur thermique fournira la valeur de la température du flux gazeux ambiant, indication utile pour connaître la température de la combustion et l'allure de chauffe ou de fonctionnement. Les liaisons électriques entre les thermocouples sont protégées des parasites électriques et du bruit de fond par un blindage individuel 13 et 14 et par un blindage de sortie 15. Ces liaisons ainsi protégées ne constituent plus des sources de bruit de fond et permettent d'améliorer notablement la sensibilité, c'est-à-dire le seuil de détection. Le thermocouple de détection 5 est exploité comme un détecteur de présence de matières et gaz à l'état combustible, c'est-à-dire imbrûlés, dans le cas d'applications à une chambre de combustion et à un moteur thermique. Pour ce faire, un circuit électrique approprié de détection les utilise comme éléments actifs de caractéristiques variables à partir d'un seuil de détection ou pour une mesure. Selon une variante perfectionnée, les chambres de détection 5 et de référence 7 peuvent être constituées par l'un des canaux de cellules en nids d'abeille, respectivement une cellule catalytique 16 et une cellule neutre 17 comme représenté sur la figure 2. Ces cellules sont individuelles, indépendantes et traversantes pour le flux des gaz et fumées, flux dirigé selon les canaux et matérialisé par une flèche. La matière de ces cellules est de type réfractaire. La cellule catalytique 16 présente un revêtement ou une enduction d'une matière catalytique qui lui confère une fonction de catalyseur. Par contre, la cellule neutre 17 est laissée brute, par exemple en céramique sans finition. Les deux cellules sont juxtaposées et solidarisées entre elles par une de leurs faces, par exemple par l'intermédiaire d'une pàte réfractaire 18, formant joint et constituant une cellule composite double de détection 19. De façon non limitative, les exemples d'application se concentrent autour des appareils de chauffage et chaudières, puis des moteurs à combustion interne, puis des appareils de surveillance, d'analyse et de mesure de la teneur d'une atmosphère en matières volatiles ou gaz imbrûlés, et de façon plus générale, en gaz combustible. On décrira ci-après trois exemples caractéristiques d'application non limitatifs à l'aide des figures 3, 4 et 5, étant bien entendu que toutes les autres applications possibles entrent également dans le champ de la protection. La figure 3 montre un appareil de chauffage comprenant un foyer fermé 20 formant une chambre de combustion 21 de laquelle s'échappent les gaz et fumées de combustion à travers une boîte à fumées 22, puis un conduit de cheminée 23. Le capteur-détecteur selon l'invention, utilisé par exemple dans sa version à cellule double de détection 19, se place à la sortie de la bote à fumées 22. Il se relie à une interface de commande 24 pour action sur les moyens de réglage de la combustion, par exemple sur l'admission d'air primaire 25 et, le cas échéant, également sur l'admission d'air secondaire 26 (liaison en pointillés). La figure 4 concerne la commande en fonctionnement d'une chambre de postcombustion 27 placée en aval sur le circuit des gaz et fumées issus de la combustion, par exemple sur le même type d'appareil de chauffage à foyer fermé 20 et à chambre de combustion 21. La cellule composite double de détection 19 constituant le capteur-détecteur selon l'invention est placée dans ou à la sortie de la chambre de postcombustion. Il commande, par l'intermédiaire d'une interface appropriée 28, des moyens 29 de chauffage de l'air neuf admis dans la chambre de postcombustion 27 à chaque fois que le taux d'imbrûlés dépassant une limite prédéterminée implique une décision de déclenchement de la postcombustion. Les moyens essentiels nécessaires pour la régulation en propreté de la combustion interne d'un moteur thermique 30 sont représentés sur la figure 5. Sur cette figure, on distingue la cellule composite double de détection 19 et une interface propre d'exploitation 31 qui agit sur un module 32 de gestion globale du fonctionnement du moteur par commande directe ou indirecte de la richesse du mélange ou séparément de la quantité d'air sur une entrée d'air 33 d'une part, et de la quantité de carburant sur un bloc d'injection 34 d'autre part. Bien entendu, la cellule composite double de détection 19 constituant le capteur-détecteur selon l'invention sera placée dans l'ensemble d'échappement 35 du moteur 30 à pot de détente 36 et d'échappement 37. Elle le sera en amont ou en aval d'un catalyseur 38 (position en pointillés), lorsque celui-ci existe, selon le degré de régulation souhaité, mais de préférence en amont avec un seuil de détection différent, pour arriver simultanément à une meilleure régulation de propreté de combustion, et à ne pas surcharger le catalyseur 38 ou à permettre d'en diminuer les capacités ou les dimensions. D'autres applications en surveillance d'atmosphère, d'ambiance ou autres, ainsi que dans le circuit de mesure d'un appareil d'analyse d'un échantillon gazeux, sont envisagées. Il y a lieu de remarquer ici qu'aussi bien dans le cadre de l'application aux appareils de chauffage que de l'application aux moteurs thermiques, la gestion de la propreté de la combustion quant à la présence d'imbrûlés est totalement remplie à partir des seules indications provenant du capteur-détecteur selon l'invention. L'invention se rapporte également à la confection d'un capteur-détecteur selon la méthode suivante. On revêt ou on enduit, par un procédé connu, la surface latérale intérieure d'une chambre tubulaire traversée par le flux des gaz issus de combustion d'une couche ou d'un dépôt d'un matériau ou d'une matière à activité catalytique, puis on insère à l'intérieur de cette chambre un thermocouple de détection en disposition longitudinale, on monte ce thermocouple électriquement en opposition avec un autre thermocouple dit de référence, de nature identique au premier, plongé dans le flux des gaz issus de combustion dans une chambre parallèle neutre, on blinde les liaisons sensibles de raccordement électrique et on sort trois points ou bornes de branchement électrique correspondant aux deux extrémités libres des thermocouples et à un point sur la liaison électrique commune. La chambre de détection peut également être formée par le canal d'une cellule d'un catalyseur en nids d'abeille revêtue ou enduite entièrement, par un procédé connu, d'une matière à activité catalytique du type sel de métaux rares tels que le platine, le palladium, le rhodium ..., alors que le thermocouple de référence est introduit dans une chambre neutre constituée par un canal d'une cellule en nids d'abeille non revêtue ou enduite d'une matiere à activité catalytique. REVENDICATIONS 1. Capteur-détecteur des matières volatiles imbrûlées et gaz présents dans un flux gazeux (2) de sortie d'une chambre de combustion d'un appareil de chauffage ou d'un moteur à combustion interne, ou dans un volume ou une atmosphère d'un appareil de mesure ou d'analyse, ou dans un milieu gazeux, caractérisé en ce qu'il se compose d'une chambre tubulaire de détection (1) traversée par le flux gazeux, revêtue sur sa surface latérale intérieure d'une couche (4) de matière ou d'un matériau catalytique, occupée intérieurement par un thermocouple de détection (5) protégé par une matière neutre, et en ce que celui-ci est monté électriquement en opposition avec un thermocouple de référence (7) protégé par une matière neutre, disposé hors de la chambre de détection (1) mais dans le flux gazeux (2), lesdits thermocouples étant raccordés électriquement de façon à présenter une borne de sortie commune (12) correspondant à un point de la liaison électrique entre les deux thermocouples montés en opposition. 2. Capteur-détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les thermocouples de détection (5) et de référence (7) sont identiques. 3. Capteur-détecteur selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le thermocouple de référence (7) est un thermocouple de mesure de la température. 4. Capteur-détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les thermocouples sont placés en disposition longitudinale. 5. Capteur-détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre de détection est revêtue d'une matière catalytique en métaux rares du type platine, palladium et rhodium. 6. Capteur-détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le thermocouple de référence est disposé dans une chambre adjacente. 7. Capteur-détecteur selon l'une des revendications de 1 à 5, caractérisé en ce que la chambre de détection est un canal d'une cellule catalytique (16) en nids d'abeille. 8. Capteur-détecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le thermocouple de référence est placé dans un canal d'une cellule neutre en nids d'abeille adjacente à la cellule catalytique pour former une cellule composite double de détection (19). 9. Capteur-détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les thermocouples sont du type platine-platine rhodié, chromel-alumel, fer-constantan, nickel-cuivre. 10. Procédé de confection d'une cellule de capteur-détecteur, caractérisé en ce que l'on enduit la surface latérale intérieure d'une chambre tubulaire traversée par le flux des gaz issus de combustion d'une couche ou d'un dépôt d'un matériau ou d'une matière à activité catalytique, que l'on insère à l'intérieur de cette chambre un thermocouple de détection en disposition longitudinale et que l'on monte ce thermocouple électriquement en opposition avec un autre thermocouple dit de référence, plongé dans le flux des gaz issus de combustion dans une chambre parallèle neutre.