Brevet FR2764068A1 — publié le 19981204

Etat de la technique La présente invention concerne un.circuit de me- sure du courant dans les électrodes d'un capteur de gaz en matière céramique comprenant deux électrodes de capteur, pla- cées dans une matière céramique, susceptibles d'être chauf- fées, et dont l'une sert à mesurer le gaz et l'autre d'électrode de référence, à l'aide d'un circuit de mesure de courant en aval des électrodes de capteur. On connaît depuis longtemps de tels capteurs de gaz en céramique. Ils sont utilisés notamment dans les véhi- cules automobiles pour détecter les gaz d'échappement pol- luants; ils comportent une céramique conductrice d'ions par exemple de l'oxyde de zirconium (ZRO2). Pour fonctionner cor- rectement, cette céramique doit être chauffée. Pour cette raison, un élément chauffant est intégré dans la céramique. Mais comme la céramique devient conductrice électrique lors- qu'elle est chauffée, il faut isoler l'élément chauffant. Or, l'isolation de l'élément chauffant est parti- culièrement délicate aux températures élevées car il y a des résistances de fuite entre l'élément chauffant et les élec- trodes du capteur, ces résistances sont de l'ordre de gran- deur de quelques Megaohm. Mais cela est sans importance pour des courants de mesure importants par exemple pour les sondes Lambda. Dans le cas de capteurs de gaz dans lesquels l'effet de la mesure est de l'ordre de grandeur de quelques micro-ampères, et qui sont en outre reliés à des circuits exploitant le courant, cela se traduit néanmoins par une erreur de mesure très im- portante. Le courant de fuite qui provient du moyen de chauf- fage se combine en fait au courant de mesure proprement dit et engendre des erreurs relativement importantes dans le ré- sultat de la mesure. Dans le cas de capteurs de gaz on rencontre des dispersions très importantes entre les exemplaires et les phénomènes de vieillissement importants si bien que le cou- rant de fuite ne peut pas être compensé simplement par une grandeur de correction fixe. Pour cette raison, jusqu'alors, pour mesurer le courant de fuite on a utilisé par exemple un amplificateur isolé. Celui-ci fait fonctionner le circuit de mesure propre- ment dit en séparant le potentiel et en isolant la grandeur de mesure pour la suite du traitement du signal. Le décou- plage du potentiel peut se faire par exemple par les trans- formateurs ou par des liaisons optoélectroniques. Dans ce cas, le potentiel s'établit sur les électrodes du capteur an- nulant le courant de fuite, car le courant ne peut s'échapper. En conséquence, on ne mesure que le courant de mesure souhaité. Mais l'inconvénient de ce procédé de mesure est celui de nécessiter beaucoup de composants coûteux et qui ne peuvent être intégrés ou ne l'être que difficilement. Il est connu pour les capteurs fournissant un si- gnal de tension, de faire la mesure par des électromètres ou des amplificateurs d'instrument. Un tel appareil mesure la tension sans passage de courant de sorte que le courant de fuite ne peut pas se répercuter sur le résultat de la mesure. Selon le document EP 0 403 615 B1, on connaît un autre procédé et un autre dispositif pour détecter un état de courant de fuite d'une sonde Lambda et pour prendre des mesu- res à la suite d'un signal de défaut, ce signal étant émis lorsqu'un état de défaut est reconnu, avant que le procédé par corrélation ne diagnostic des causes d'erreur élevées, acceptables pendant le fonctionnement de la sonde Lambda. Comme les courts-circuits n'existent que pendant le fonction- nement du moyen de chauffage, ce procédé de mesure coupe le chauffage de la sonde pour détecter un état défectueux car dans ce cas, il n'y a pas de court-circuit de tension auxi- liaire et ainsi on ne fausse pas le résultat de la mesure. La différence entre la tension de la sonde lorsque le chauffage est branché, le chauffage est coupé donne la tension de court-circuit auxiliaire. La difficulté de ce procédé est de ne pouvoir s'appliquer tel quel à une mesure d'intensité. La présente invention a ainsi pour but de déve- lopper un circuit du type défini ci-dessus pour mesurer le courant dans les électrodes d'un capteur de gaz en céramique, pour permettre une détection aussi précise que possible du courant de mesure sans risquer des perturbations provoquées par les courants de fuite. Avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un circuit du type défini ci-dessus, caractérisé en ce quele circuit de me- sure de courant comprend une première partie de circuit dé- tectant le courant de mesure passant de la première électrode de capteur à travers une résistance Shunt de mesure d'intensité (R2), une seconde partie de tension générant un courant dont l'intensité correspond au courant de mesure dé- tecté par la première partie de circuit et qui revient vers la seconde électrode de capteur en passant par une résistance Shunt de retour de courant (Ri) ainsi qu'une troisième partie de circuit amplifiant la différence de tension aux bornes des résistances Shunt (Ri, R2) et transformant cette différence de tension en un signal de mesure rapporté à un potentiel de référence. La première partie de circuit qui détecte le cou- rant de mesure sortant de la première électrode de capteur et la seconde partie de circuit qui génère un courant ayant la même intensité que le courant de mesure détecté, pour aller à l'autre électrode de capteur, s'obtient d'une manière parti- culièrement avantageuse en ce que le courant de mesure sor- tant de la première électrode de l'élément de capteur entre de nouveau avec la même intensité dans la seconde électrode de l'élément de capteur. L'invention repose ainsi sur l'idée de base que si les deux intensités sont exactement identi- ques, un courant de fuite ne produit un décalage du potentiel de mesure au niveau des électrodes de capteur que jusqu'à ce que le courant de fuite soit nul. La grandeur de mesure proprement dite est alors amplifiée d'une manière particulièrement simple à réaliser dans la troisième partie de circuit qui amplifie la diffé- rence de tension aux bornes des résistances Shunt, pour con- vertir en un signal de mesure rapporté au potentiel de référence. La réalisation des parties de circuit permet d'envisager sur le strict plan des principes, les formes de réalisation les plus différentes. Un mode de réalisation simple, facile à réaliser, notamment sous forme de circuit intégré est caractérisé en ce que: - la première partie de circuit comprend un premier amplifi- cateur opérationnel branché comme convertisseur intensi- té/tension, inversé et dont la branche de réaction comporte la résistance Shunt de mesure de courant, - la seconde partie de circuit comprend un second amplifica- teur opérationnel en aval du premier amplificateur opéra- tionnel inverseur de tension, et qui inverse la tension de sortie du premier amplificateur opérationnel par rapport à un potentiel de référence et dont la tension de sortie ar- rive sur la résistance Shunt de retour de courant pour gé- nérer le courant de mesure en retour et, - la troisième partie comprend un troisième amplificateur opérationnel branché en amplificateur de différence, qui amplifie la tension de différence fournie par les résistan- ces Shunt. Pour compenser en particulier les perturbations causées par des lignes d'alimentation longues, il est prévu selon un mode de réalisation avantageux, une capacité est branchée entre l'entrée inversée et la sortie du premier am- plificateur opérationnel et, l'entrée inversée du premier am- plificateur opérationnel est précédée d'une résistance ohmique. Ce montage du premier amplificateur opérationnel rend le circuit de mesure particulièrement insensible vis-à- vis des fréquences parasites élevées. Pour certains types de capteurs, la mesure de l'intensité doit se faire en appliquant une tension de pola- risation. Pour une tension de polarisation définie, on peut détecter notamment des composants de gaz définis séparément car le capteur de gaz fonctionne dans ce cas comme une cel- lule de pompage. Pour pouvoir faire fonctionner le circuit de me- sure de courant avec une tension de polarisation déterminée, il est prévu selon un mode de réalisation avantageux: * que le circuit de mesure de courant est précédé d'un con- vertisseur d'impédance suivi d'un diviseur de tension par lequel une source de tension de consigne en aval du divi- seur de tension, décale le potentiel de référence du cir- cuit de mesure de courant; * la source de tension de consigne est une résistance traver- sée par le signal de sortie d'une source de courant comman- dée. La source de tension de consigne peut être réali- sée de différentes manières. Par exemple, on peut utiliser une diode Zener. Un mode de réalisation avantageux qui permet notamment d'avoir une source de tension de consigne commandée prévoit que la source de tension de consigne comporte une ré- sistance traversée par le signal de sortie d'une source de courant. Cela permet de rendre réglable la source de tension de consigne ou en d'autres termes la tension appliquée par celle-ci. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans les- quels: - la figure 1 montre un premier mode de réalisation d'un cir- cuit selon l'invention pour mesurer le courant dans les électrodes d'un capteur de gaz en matière céramique, - la figure 2 montre un second mode de réalisation d'un cir- cuit selon l'invention pour mesurer le courant dans les électrodes d'un capteur de gaz en matière céramique, - la figure 3 montre schématiquement un troisième mode de réalisation d'un circuit selon l'invention pour mesurer le courant dans les électrodes d'un capteur de gaz en matière céramique, - la figure 4 montre une variante du troisième exemple de réalisation représenté à la figure 3 d'un circuit selon l'invention pour mesurer le courant dans les électrodes d'un capteur de gaz en matière céramique, - la figure 5 montre un autre exemple de réalisation d'un circuit selon l'invention pour mesurer le courant dans les électrodes d'un capteur de gaz en matière céramique. Description des exemples de réalisation Un circuit de mesure de courant pour mesurer le courant dans les électrodes d'un capteur de gaz en matière céramique, non représentées, chauffées à l'aide d'une résis- tance chauffante, représentée à la figure 1 comprend trois parties de circuit. La première partie d'un circuit comprend un am- plificateur opérationnel OP1 fonctionnant comme convertisseur intensité/tension, inversé; il règle à zéro la tension entre les deux bornes du capteur, c'est-à-dire les électrodes de l'élément de capteur. L'intensité nécessaire à cet effet crée dans une résistance Shunt R2, une chute de tension qui est une mesure de l'intensité à mesurer. Cette tension est inver- sée par un amplificateur opérationnel OP2 faisant partie d'un second circuit, par rapport au potentiel du second branche- ment de capteur. La tension inversée est reliée par un Shunt de retour de courant Rl au second branchement de capteur. De cette manière, sur les deux résistances Shunt Rl, R2 on re- cueille exactement la même chute de tension. Si les deux ré- sistances ont la même valeur ou sont adaptées selon le rapport des résistances R3, R4, les deux parties du circuit sont traversées par les mêmes intensités. En d'autres termes, un courant qui correspond au courant traversant la première partie de circuit, c'est-à-dire détecté par le premier ampli- ficateur opérationnel OP1 et sortant de la première électrode de mesure ou de capteur, passe de nouveau avec la même ampli- tude dans la seconde électrode de capteur. De cette manière, un courant de fuite provenant du moyen de chauffage produit uniquement un décalage du potentiel de mesure sur les élec- trodes du capteur. Ce décalage se produit jusqu'à la dispari- tion du courant de fuite.35 Ce circuit ne génère des erreurs que par les to- lérances d'adaptation des résistances et par la tension de décalage des amplificateurs opérationnels OP1, OP2. Ceux-ci peuvent toutefois ne représenter au plus qu'une faible frac- tion du courant de mesure et sont de ce fait négligeables. La chute de tension aux bornes des deux résistan- ces Shunt Ri, R2 est amplifiée par le troisième amplificateur opérationnel OP3 branché comme amplificateur de différence; ce troisième amplificateur opérationnel fait partie de la troisième partie de circuit. Le circuit de la figure 2 se distingue de celui de la figure 1 uniquement entre l'entrée inversée et la sor- tie du premier amplificateur opérationnel OP1 on a branché une capacité Ci et l'entrée inversée du premier amplificateur opérationnel OP1 est précédé d'une résistance ohmique R9. Les autres éléments du circuit représentés à la figure 2 correspondent à ceux du circuit de la figure 1 et pour leur description on se reportera à celle du mode de réa- lisation de la figure 1. Le circuit modifié du premier amplificateur opé- rationnel OP1, représenté à la figure 2, repose notamment sur l'idée de rendre insensible le circuit vis-à-vis des oscilla- tions qui peuvent être provoquées notamment en reliant le circuit à des lignes d'alimentation longues et du fait des capacités ainsi crées. Le circuit représenté à la figure 2 se comporte en mode de tension continu comme le circuit de la figure 1. La résistance R9 n'a pas d'effet car le courant d'entrée de l'amplificateur opérationnel OP1 est pratiquement nul. Aux fréquences élevées, le circuit devient insensible du fait de la contreréaction par le condensateur Ci. L'amplification aux fréquences élevées devient très petite et ainsi la boucle de régulation est stable. Pour certains types de capteurs de gaz, il faut mesurer l'intensité en appliquant une tension de polarisa- tion, pour permettre de détecter par exemple différents types de gaz qui peuvent être pompés d'une certaine mesure dans le capteur de gaz lorsqu'on applique une tension de polarisation déterminée. La figure 3 montre schématiquement un circuit de mesure de courant qui permet même lorsqu'une tension de pola- risation est appliquée, que le courant de mesure qui sort d'une électrode du capteur puisse entrer dans l'autre élec- trode de capteur de l'élément de capteur. Dans le circuit de la figure 3, les électrodes de capteur sont suivies d'un diviseur de tension formé des ré- sistances R5, R6. Le diviseur de tension est relié par une source de tension de consigne Ucons au premier amplificateur opérationnel OPl. Cet amplificateur opérationnel OPl règle par la résistance Shunt de mesure de courant R2, la tension centrale de sorte que la chute de tension aux bornes de la résistance R5 est égale à la chute de tension Ucons générée par la source de tension de consigne Ucons. Le second ampli- ficateur opérationnel OP2 forme l'image de la tension de sor- tie du premier amplificateur opérationnel OPl par rapport à la tension centrale du diviseur de tension. On arrive ainsi sur la résistance Shunt de retour de courant Rl à la même chute de tension qu'aux bornes de la résistance de mesure de courant R2. En conséquence, comme indiqué cidessus, les deux courants qui partent de la première électrode de capteur et entrent dans la seconde électrode de capteur ont la même in- tensité de sorte qu'un courant de fuite produit uniquement un décalage du potentiel de mesure jusqu'à la disparition du courant de fuite. Le signal de mesure peut également être converti ici par un troisième amplificateur opérationnel OP3, non re- présenté à la figure 3 branché comme amplificateur de diffé- rence en un signal rapporté à la masse. Il est clair que le diviseur de tension et la source de tension de consigne peuvent également être montés en amont du circuit de la figure 2. Un tel circuit est repré- senté à la figure 4. En plus du circuit représenté à la fi- gure 3, le diviseur de tension de la figure 4 formé des résistances R5, R6 est précédé chaque fois d'un convertisseur d'impédance. Selon la figure 4, les convertisseurs d'impédance sont constitués par exemple par des amplifica- teurs opérationnels 0P4, 0P5 branchés en convertisseurs d'impédance. La tension de capteur subit tout d'abord une conversion d'impédance par les convertisseurs d'impédance 0P4, 0P5. Les résistances R5, R6 génèrent la tension centrale entre les sorties des amplificateurs opérationnels OP4, OP5. L'amplificateur opérationnel OP1 règle la tension centrale par la résistance Shunt de mesure de courant R2 pour que la chute de tension aux bornes de la résistance R5 soit égale à la tension de consigne. L'amplificateur opérationnel OP1 est branché en moyen de régulation intégral (I) par le condensa- teur C3. L'amplificateur opérationnel OP2 donne l'image de la tension de sortie de l'amplificateur opérationnel OP1 par rapport à la tension centrale décalée. Il en résulte au ni- veau du Shunt de retour de courant Rl, la même chute de ten- sion que dans la résistance Shunt de mesure de courant R2 de sorte que le courant de mesure qui sort du circuit et va vers une électrode de capteur est exactement égal au courant de mesure passant de l'autre électrode de capteur dans le cir- cuit. Le signal de mesure est de nouveau converti par l'amplificateur opérationnel OP3 branché comme amplificateur de différence en un signal rapporté à la masse. La tension de consigne Ucons peut être obtenue de différentes manières par exemple à l'aide de diodes Zener. Il est également possible d'utiliser comme source de tension de consigne une résistance traversée par le signal de sortie d'une source de courant commandée. Dans une telle source de25 tension de consigne, on peut commander la tension de consigne combinée, assurant le décalage de tension. On connaît en outre des types de capteurs utili- sant certes une mesure de tension pour l'exploitation mais nécessitant une intensité combinée. Lors de l'exploitation on rencontre les mêmes difficultés de principe que pour la me- sure de l'intensité. Pour remédier à ces inconvénients, on peut modi- fier le circuit de la figure 4 comme le montre la figure 5. Dans cette figure, on a désigné les mêmes éléments par les mêmes références que ci-dessus et pour leur description on se reportera à la description correspondante selon la figure 4. Le circuit représenté à la figure 5 permet une mesure de tension fortement ohmique avec implication d'intensité combinée. Dans ce cas, l'amplificateur opération- nel OP1 établit une tension sur la résistance Shunt de mesure d'intensité R2; cette tension dépasse la tension à la borne du capteur de la valeur de la tension de consigne Ucons. La conséquence en est l'addition d'une intensité. L'amplificateur opérationnel OP2 donne un miroir de la ten- sion décalée par rapport à la tension centrale et génère sur la résistance Shunt de retour de courant R1, un courant cir- culant en sens opposé et ayant la même intensité; ainsi, le courant de mesure passe d'une électrode de capteur dans le circuit pour en ressortir et traverser l'autre électrode de capteur. Les circuits des figures 2, 4 et 5 peuvent égale- ment servir simultanément à une mesure de la résistance du capteur à l'aide d'une tension alternative. Par la combinai- son décrite ci-dessus, des filtres pour la figure 2, on ne dérange pas les circuits en injectant une tension alternative de fréquence suffisamment élevée dans l'élément de capteur. Cela est nécessaire pour une régulation de température des capteurs à l'aide de la résistance dynamique interne. Il est particulièrement avantageux dans les cir- cuits décrits ci-dessus de pouvoir les réaliser de manière simple notamment avec des éléments intégrables. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Circuit de mesure du courant dans les électrodes d'un capteur de gaz en matière céramique comprenant deux électro- des de capteur, placées dans une matière céramique, suscepti- bles d'être chauffées, et dont l'une sert à mesurer le gaz et l'autre d'électrode de référence, à l'aide d'un circuit de mesure de courant en aval des électrodes de capteur, caractérisé en ce que le circuit de mesure de courant comprend: une première partie de circuit détectant le courant de mesure passant de la première électrode de capteur à travers une ré- sistance Shunt de mesure d'intensité (R2), une seconde partie de tension générant un courant dont l'intensité correspond au courant de mesure détecté par la première partie de circuit et qui revient vers la seconde électrode de capteur en pas- sant par une résistance Shunt de retour de courant (R1) ainsi qu'une troisième partie de circuit amplifiant la différence de tension aux bornes des résistances Shunt (Rl, R2) et transformant cette différence de tension en un signal de me- sure rapporté à un potentiel de référence. ) Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première partie de circuit comprend un premier amplifica- teur opérationnel (OP1) branché comme convertisseur intensi- té/tension, inversé et dont la branche de réaction comporte la résistance Shunt de mesure de courant (R2), - la seconde partie de circuit comprend un second amplifica- teur opérationnel (OP2) en aval du premier amplificateur opérationnel (OP1) inverseur de tension, et qui inverse la tension de sortie du premier amplificateur opérationnel (OPl) par rapport à un potentiel de référence et dont la tension de sortie arrive sur la résistance Shunt de retour de courant (Rl), pour générer le courant de mesure en re- tour et, - la troisième partie comprend un troisième amplificateur opérationnel (OP3) branché en amplificateur de différence, qui amplifie la tension de différence fournie par les ré- sistances Shunt (R1, R2). 3 ) Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu' - une capacité (CI) est branchée entre l'entrée inversée et la sortie du premier amplificateur opérationnel (OP1) et, l'entrée inversée du premier amplificateur opérationnel (OP1) est précédée d'une résistance ohmique (R9). 4 ) Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le circuit de mesure de courant est précédé d'un convertis- seur d'impédance suivi d'un diviseur de tension (R5, R6) par lequel une source de tension de consigne (Ucons) en aval du diviseur de tension (R5, R6), décale le potentiel de réfé- rence du circuit de mesure de courant. ) Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la source de tension de consigne (Ucons) est une résistance traversée par le signal de sortie d'une source de courant commandée.