Brevet FR2734907A1 — publié le 19961206

I CAPTEUR DESTINÉ A MESURER DES PRESSIONS PARTIELLES D'OXYGÈNE La présente invention concerne un capteur destiné à mesurer des pressions partielles d'oxygène basé sur le principe du "courant limite", comprenant une cellule de pompage d'oxygène, qui est reliée, de manière étanche au gaz, à une barrière de diffusion gazeuse. Dans les capteurs d'oxygène basés sur le principe du "courant limite", des électrodes sont disposées sur un élément en oxyde de zirconium sur deux faces opposées de celui-ci et on applique une pression à la cellule en oxyde de zirconium ainsi créée, de façon à "pomper" l'oxygène de la cathode vers l'anode de la cellule, étant donné que le transport de charge à l'intérieur de la cellule est effectué par les ions oxygène. Lorsqu'on augmente la tension appliquée, le courant atteint une valeur de saturation dépendant de la teneur en oxygène de l'atmosphère environnant la cellule. Dans ce mode de réalisation simple du capteur, le courant de saturation n'est pas stable, car il dépend directement de la décomposition de la cathode. C'est pourquoi la cathode est entourée d'une barrière de diffusion. Celle-ci est réalisée de manière étanche au gaz et elle est munie d'un petit alésage à travers lequel l'atmosphère peut parvenir jusqu'à la cathode. L'alésage est réalisé de façon suffisamment petite pour que le courant de saturation atteint dépende uniquement de la diffusion gazeuse à travers cet alésage. Une légère décomposition de la cathode n'a ainsi aucune influence sur la valeur du courant de saturation. Etant donné que la conductibilité des ions oxygène de la cellule dépend fortement de la température, on prévoit une résistance chauffante pour le capteur dans presque tous les capteurs d'oxygène en oxyde de zirconium. Dans les modes de réalisation connus jusqu'à présent de ces capteurs en oxyde de zirconium, la barrière de diffusion gazeuse ainsi que la cellule de pompage d'oxygène se composent d'oxyde de zirconium. Ce matériau est toutefois d'un prix élevé et son usinage est difficile; il est en particulier difficile de percer un alésage ayant un diamètre suffisamment petit. Pour ces raisons, le capteur est relativement onéreux du fait que la barrière de diffusion doit être réalisée de façon à avoir un volume nettement plus important que celui de la cellule de pompage d'oxygène. La présente invention a pour objet de fournir un capteur du type indiqué ci-dessus, dans lequel la barrière de diffusion gazeuse est facile à usiner et peut, en particulier, être munie de manière simple d'un alésage de faible diamètre. Selon la présente invention, cet objet peut être atteint avec une barrière de diffusion gazeuse se composant d'un matériau choisi dans le groupe formé par du verre, du métal ou de la vitrocéramique. La présente invention a, par conséquent, pour objet un capteur destiné à mesurer des pressions partielles d'oxygène basé sur le principe du "courant limite", comprenant une cellule de pompage d'oxygène électrochimique qui est reliée, de manière étanche au gaz, à une barrière de diffusion gazeuse, caractérisé par le fait que la barrière de diffusion gazeuse se compose d'un matériau choisi dans le groupe formé par un verre, un métal ou une vitrocéramique. Ces matériaux sont relativement moins onéreux que l'oxyde de zirconium, sont plus faciles à usiner, et permettent, en particulier, le perçage d'alésages plus petits que ceux réalisés dans l'oxyde de zirconium. Ainsi la température de fonctionnement du capteur selon la présente invention peut être maintenue à un niveau plus faible que dans le cas d'un capteur muni d'une barrière en oxyde de zirconium, ce qui permet d'obtenir une plus faible puissance absorbée ainsi qu'une plus grande fiabilité. Les matériaux énumérés présentent néanmoins toutes les propriétés nécessaires pour réaliser des barrières de diffusion gazeuse. Dans ce contexte, il peut être prévu, dans un autre mode de réalisation de la présente invention, que la cellule de pompage d'oxygène soit reliée de manière étanche au gaz à la barrière de diffusion au moyen de verre. Ainsi, il est possible de créer de manière simple une liaison parfaitement étanche au gaz entre la cellule de pompage d'oxygène et la barrière de diffusion gazeuse. Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, il peut être prévu que des rails de platine munis de fils de connexion en platine soient disposés comme résistance chauffante pour le capteur, sur la face externe de la barrière de diffusion. De cette façon, la résistance chauffante peut être fabriquée de manière simple et étant donné qu'elle est disposée directement sur la barrière de diffusion, elle permet un chauffage efficace du capteur. Il peut être avantageux, dans un autre mode de réalisation de la présente invention, que des éléments entourant respectivement les fils de connexion en platine utilisés comme décharge de traction pour les fils de connexion en platine sur la surface de la barrière de diffusion ou sur la surface de la cellule de pompage d'oxygène soient en pâte de verre. Cette décharge de traction est facile à fabriquer et offre une protection efficace contre les charges de traction anormalement élevées. Dans ce contexte, un autre mode de réalisation de la présente invention peut consister en ce que pour l'adaptation mutuelle des propriétés de matériaux du verre et de la pâte de verre, ceux-ci soient constitués d'un mélange de poudres de verre différentes et d'un liant organique. Une telle mesure permet de traiter conjointement les deux matériaux. Un mode de réalisation préféré de la présente invention peut consister en ce que le verre et la pâte de verre se composent de matériaux choisis dans le groupe formé par SiO2, Na203, BaO, K20, A1203 et B203. Cette composition permet d'obtenir un verre doté d'un coefficient de dilatation thermique qui est adapté à celui de la cellule de pompage d'oxygène fabriquée en oxyde de zirconium. La présente invention est décrite ci-après selon un mode de réalisation préféré d'un capteur d'oxygène selon la présente invention représenté en coupe sur le dessin. La cellule de pompage d'oxygène 1 présente une plaque 20 formée d'un matériau conducteur des ions oxygène, par exemple de l'oxyde de zirconium stabilisé avec de l'oxyde d'yttrium. Sur les faces inférieure et supérieure de cette plaque 20, sont disposées des électrodes en platine 4, 5, qui sont connectées à une source de tension 11 par l'intermédiaire de fils de platine 6, 12. On obtient une estimation de la valeur de la pression partielle d'oxygène à mesurer en évaluant le courant que la source de tension 11 fournit au capteur. Dans le mode de réalisation représenté sur le dessin, cette évaluation s'effectue à l'aide d'un ampèremètre 13. La cellule de pompage d'oxygène 1 est reliée de manière étanche au gaz à une barrière de diffusion 2 au moyen d'un verre 3. La barrière de diffusion 2 se compose d'un matériau étanche au gaz présentant un alésage 7. Il s'agit de manière préférée pour ce matériau, de vitrocéramique. En principe, on peut utiliser au sens de la présente invention des matériaux qui présentent: 1.) environ le même coefficient de dilatation thermique que celui de la cellule de pompage d'oxygène 1; 2.) une stabilité thermique jusqu'à environ 700 C; 3.) une totale étanchéité au gaz; 4.) une grande facilité d'usinage 5.) la possibilité de percer des alésages de très faible diamètre et 6.) un faible prix. La vitrocéramique répond particulièrement bien à ces exigences, ce matériau permettant notamment de percer des alésages de diamètre plus faible que dans l'oxyde de zirconium; mais le verre et le métal répondent également aux conditions posées. La vitrocéramique offre avec le verre 3 une mouillabilité particulièrement bonne, ce qui permet d'éviter d'éventuelles fuites entre le verre 3 et la barrière de diffusion 2. La résistance chauffante pour le capteur est disposée sur la face externe de la barrière de diffusion 2. Elle se compose comme les électrodes de la cellule de pompage d'oxygène 1 de rails en platine 8 qui sont connectés à une source de tension par l'intermédiaire de fils de platine 9. Des éléments en pâte de verre 10 entourant respectivement les fils de connexion en platine 6, 9 sont disposés comme décharges de traction pour les fils de connexion en platine 9, 6 sur la surface de la barrière de diffusion 2 ou sur la surface de la cellule de pompage d'oxygène 1. Les compositions du verre 3 et de la pâte de verre 10 formant les décharges de traction sont choisies de façon que ces matériaux présentent les mêmes propriétés thermiques adaptées à la vitrocéramique. Ainsi les deux matériaux, la pâte de verre 10 et le verre 3, peuvent être transformés conjointement, c'est-à-dire fondus, dans la même étape de fabrication. Le verre 3 et la pâte de verre 10 sont préparés à partir d'un mélange de poudres de verre différentes et d'un liant organique. Il s'est révélé avantageux que le verre 3 et la pâte de verre se composent de matériaux choisis dans le groupe formé par SiO2, Na203, BaO, K20, A1203 et B203, un rapport du mélange de 55 % de SiO2, de 5 % de Na203, de 17 % de BaO, de 6 % de K20, de 3 % de A1203, de 14 % de B203 donnant un verre dont le coefficient de dilatation thermique est particulièrement bien adapté au coefficient de dilatation thermique de la cellule de pompage d'oxygène. Afin de rendre cette poudre compressible, on ajoute comme liant environ 5 % de Plextol. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit ci-dessus et représenté sur le dessin annexé. On pourra prévoir d'autres modes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Capteur destiné à mesurer des pressions partielles d'oxygène basé sur le principe du "courant limite", comprenant une cellule de pompage d'oxygène électrochimique (1), qui est reliée, de manière étanche au gaz, à une barrière de diffusion gazeuse (2), caractérisé en ce que la barrière de diffusion gazeuse (2) se compose d'un matériau choisi dans le groupe formé par du verre, du métal ou de la vitrocéramique. 2. Capteur destiné à mesurer les pressions partielles d'oxygène selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule de pompage d'oxygène (1) est reliée, de manière étanche au gaz, à la barrière de diffusion (2) au moyen du verre (3). 3. Capteur destiné à mesurer les pressions partielles d'oxygène selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que des rails en platine (8) munis de fils de connexion en platine (9) sont disposés comme résistance chauffante pour le capteur sur la face externe de la barrière de diffusion (2). 4. Capteur destiné à mesurer les pressions partielles d'oxygène selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que des éléments en pâte de verre (10) entourant respectivement les fils de connexion en platine (6, 9) sont disposés comme décharge de traction pour les fils de connexion en platine (9, 6) sur la surface de la barrière de diffusion (2) ou sur la surface de la cellule de pompage d'oxygène (1). 5. Capteur destiné à mesurer les pressions partielles d'oxygène selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que pour l'adaptation mutuelle des propriétés de matériaux du verre (3) et de la pâte de verre (10), ceux-ci sont formés d'un mélange de poudres de verre différentes et d'un liant organique. 6. Capteur destiné à mesurer les pressions partielles d'oxygène selon la revendication 5, caractérisé en ce que le verre (3) et la pâte de verre (10) se composent de matériaux choisis dans le groupe formé par SiO2, Na203, BaO, K20, A1203 et B203.