Brevet FR2763130A1 — publié le 19981113

La présente invention concerne un procédé permettant de déterminer la concentration en une espèce chimique, ainsi qu'un système capteur permettant de déterminer la concentration en une espèce chimique. On utilise des capteurs chimiques pour contrôler la concentration en espèces chimiques particulières, pouvant se trouver sous forme liquide ou gazeuse. De façon générale, les capteur chimiques comprennent une couche sensible permettant de détecter une espèce chimique particulière et un élément chauffant servant à chauffer la couche sensible. Un problème lié à l'utilisation de ces capteurs chimiques est que l'humidité peut interférer avec la réponse du capteur, ce qui peut conduire à des lectures inexactes du capteur. Par exemple, dans un avertisseur d'incendie au monoxyde de carbone, qui comprend un capteur chimique de monoxyde de carbone doté d'une couche sensible en oxyde métallique, les effets de l'humidité peuvent provoquer une fausse alerte ou une fautive absence d'alerte. L'humidité est toujours présente dans l'atmosphère et peut varier d'un endroit à un autre et d'un jour à un autre. Ainsi, pour éviter des fausses alarmes dues à l'humidité, il est souhaitable que la réponse du capteur soit corrigée de manière à tenir compte de l'humidité. Une solution possible serait d'utiliser un capteur d'humidité spécial en plus du capteur chimique. Un algorithme doit alors être utilisées pour soustraire le signal d'humidité de la réponse du capteur chimique. Cette solution présente un certain nombre d'inconvénients. Puisqu'on utilise deux capteurs distincts, leurs signaux de sortie doivent être synchronés et stables avant qu'une correction puisse être faite. Ceci augmente la complexité du système et augmente le risque d'erreurs tout en demandant également que l'effet du niveau d'humidité soit stocké de manière régulière. De plus, cette solution demande deux capteurs, ce qui demande plus de place qu'un seul capteur. Une autre solution, qui est employée dans le brevet des Etats Unis d'Amérique, consiste à utiliser un capteur qui comprend une couche sensible permettant de détecter le monoxyde de carbone et un élément chauffant servant à chauffer successivement la couche sensible à deux températures différentes au moyen d'un signal pulsé appliqué à l'élément chauffant. La réponse du capteur est mesurée pendant le laps de temps au cours duquel la couche sensible se trouve à la température inférieure, puis la réponse dynamique subit une déconvolution de façon à tenir compte de l'humidité. Puisque la déconvolution de la réponse du capteur ne peut pas distinguer de manière correcte le signal dû à l'humidité, cette solution ne compense pas l'effet de l'humidité à un degré suffisant. Il existe donc le besoin d'un procédé et d'un système capteur améliorés permettant de déterminer la concentration en une espèce chimique avec une compensation améliorée de l'humidité. Selon un premier aspect de la présente invention, il est proposé un procédé permettant de déterminer la concentration en une espèce chimique en présence d'un contaminant. Selon un deuxième aspect de l'invention, il est proposé un système capteur permettant de déterminer la concentration en une espèce chimique en présence d'un contaminant. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages ; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 et un schéma fonctionnel simplifié d'un système capteur selon l'invention; la figure 2 est une représentation graphique d'un signal de tension pulsé préféré permettant de chauffer le capteur chimique du système capteur de la figure 1; la figure 3 est une représentation graphique de la réponse du capteur chimique du système capteur de la figure 1 sur l'étendue d'un cycle de chauffage; la figure 4 est une représentation graphique de la dérivée de la réponse du capteur chimique par rapport au temps pendant une première période du cycle de chauffage; la figure 5 est une représentation graphique de la dérivée de la réponse du capteur chimique par rapport au temps pendant une deuxième période du cycle de chauffage; et la figure 6 est une représentation graphique de la dérivée de la réponse du capteur chimique par rapport au temps pendant une deuxième période pour différentes concentrations en monoxyde de carbone. On se reportera d'abord à la figure 1. Un système capteur 2 selon un mode de réalisation préféré de l'invention comprend un capteur chimique 4 et une unité de traitement 6. Le capteur chimique 4 comprend une couche sensible, représentée sur la figure 1 par une résistance 8, et un élément chauffant, représenté par une résistance 10, servant à chauffer la couche sensible. Des contacts 12, 14, avec la couche sensible sont connectés à des entrées 16, 18 de l'unité de traitement 6. Des contacts 20, 22 avec l'élément chauffant sont également connectés à l'unité de traitement 6 afin de recevoir un signal de tension produit par un circuit 24 d'alimentation en signal se trouvant dans l'unité de traitement 6. Dans le mode de réalisation préféré décrit ci-après, le capteur chimique 4 est un capteur chimique de monoxyde de carbone possédant une couche sensible en oxyde métallique. L'invention peut toutefois être appliquée à différents types de capteurs chimiques comportant des couches sensibles qui sont formées en des matières autres qu'une matière du type oxyde métallique. La valeur de la résistance 8 de la couche sensible varie en fonction de la concentration en l'espèce devant être détectée par le capteur chimique 4 ainsi qu'avec la température. Par conséquent, L'unité de traitement 6 contrôle la résistance de la couche sensible entre les contacts 12 et 14 afin de déterminer la réponse de la couche sensible et, ainsi, la concentration en l'espèce chimique. Le circuit 24 d'alimentation en signal fournit un signal de tension pulsé à l'élément chauffant du capteur chimique 4 de façon que l'élément chauffant chauffe la couche sensible jusqu'à une première température au cours d'une première période et jusqu'à une deuxième température au cours d'une deuxième période lui faisant suite, la deuxième température étant supérieur à la première. Les inventeurs ont compris que, pendant la première période, la réponse du capteur chimique est une fonction de la concentration en l'espèce chimique devant être détectée par le capteur chimique, laquelle est, dans le mode de réalisation préféré de l'invention, constituée par le monoxyde de carbone, ainsi que du niveau d'humidité présent pendant le milieu ambiant, tandis que, pendant la deuxième période, si l'on fait en sorte que la deuxième température atteigne une valeur optimale, la réponse du capteur chimique est fonction du seul niveau d'humidité. En d'autres termes, si l'on choisit des valeurs appropriées pour le cycle de chauffage relatif à la deuxième période, la réponse du capteur chimique est sensiblement constante quelles que soient les variations de la concentration en monoxyde de carbone. Dans le mode de réalisation préféré, la valeur optimale se situe dans l'intervalle de 380 OC à 450 OC. Pour un capteur de NO2, la valeur optimale se trouvera dans l'intervalle de 250 "C à 320 "C. La température est déterminée par le niveau du signal de tension appliqué à l'élément chauffant et sa durée (c'est-à-dire la durée de la deuxième période). Le niveau du signal de tension relatif à la deuxième période et, par conséquent, la valeur de la deuxième température sont de préférence déterminés par l'analyse de la réponse du capteur pour divers niveaux de tension à une concentration donnée en monoxyde de carbone et par sélection du niveau de tension pour lequel la réponse du capteur est maximale, c'est-à-dire le niveau de tension pour lequel le capteur est le plus sensible. La valeur de la résistance 8 de la couche sensible et, par conséquent, la réponse du capteur chimique 4 varient sur l'étendue de la première période et celle de la deuxième période du cycle de chauffage comme cela est représenté par la courbe 28 de la figure 3. Puisque, pendant la première période, ou période froide, I'élément chauffant chauffe la couche sensible jusqu'à la première température, laquelle est inférieure à la deuxième température régnant pendant la deuxième période, ou période chaude, la résistance de la couche sensible est plus élevée pendant la première période que pendant la deuxième période. Ainsi, le procédé et le système capteur permettant de déterminer la concentration en une espèce chimique selon l'invention mesurent la réponse du capteur à la fois pendant la première période, froide, et la deuxième période, chaude, puis traite les deux réponses mesurées afin de déterminer la concentration réelle en monoxyde de carbone pour laquelle l'unité a été compensée. Alors que les valeurs absolues de la réponse du capteur pendant les première et deuxième périodes pourraient être utilisées pour déterminer la concentration réelle en monoxyde de carbone, dans le module de réalisation préféré, c'est la dérivée, par rapport au temps, de la réponse du capteur mesurée pendant la première période et la deuxième période qui est déterminée, puis est traitée afin que la concentration réelle soit obtenue. L'avantage qu'il y a à traiter des dérivées temporelles au lieu de valeurs absolues est que les variations de la résistance de la couche sensible, qui peuvent se produire par exemple du fait du vieillissement naturel de l'oxyde métallique, n'affectent pas la concentration réelle déterminée en monoxyde de carbone. Du fait de la dérive continue de la résistance de la couche sensible, si l'on compense la valeur absolue de l'humidité plutôt que sa valeur relative, le système capteur peut amener des fausses alertes. Le traitement des réponses du capteur mesurées et le calcul des dérivées temporelles dans les première et deuxième périodes ainsi que leur traitement ultérieur peuvent être effectués par l'unité de traitement 6 ou par des unités spéciales (qui ne sont pas représentées de manière particulière sur la figure 1) appartenant à l'unité de traitement ou bien par des unités distinctes (non représentées). L'unité de traitement 6 peut comprendre par exemple un microrégisseur tel que le microrégisseur HC05, fourni par la société Motorola, Inc. La figure 4 représente une courbe lissée 22 qui montre la dérivée temporelle de la réponse du capteur (dR/dt) pendant la première période, après filtrage. Le temps permettant que la dérivée de la réponse du capteur se stabilise est la constante de temps To de la dérivée pendant la première période. La constante de temps To dépend de la concentration en monoxyde de carbone et du niveau d'humidité et peut être déterminée par contrôle de la dérivée pendant la première période. Dans le mode de réalisation préféré, on mesure la constante de temps en échantillonnant la dérivée temporelle de la réponse du capteur et en déterminant (via un compteur par exemple) le moment où x points échantillonnés se trouvent à l'intérieur d'une fenêtre de seuil prédéterminée. On choisit x pour permettre que la dérivée temporelle se stabilise. La figure 5 représente une courbe lissée 30 qui montre la dérivée temporelle de la réponse du capteur (dR/dt) pendant la deuxième période, après filtrage. Comme on peut le voir sur la courbe 30 de la figure 5, la dérivée temporelle de la réponse du capteur ou la résistance de la couche sensible ne varient pas beaucoup pendant la deuxième période. De fait, à l'aide d'expériences, les inventeurs ont découvert que la dérivée temporelle de la réponse du capteur pendant la deuxième période était sensiblement constante pour différentes concentrations en monoxyde de carbone (voir les courbes 32, 34, 36 sur la figure 6). Comme on peut le voir sur la figure 6, la dérivée temporelle diminue lorsque le niveau d'humidité augmente. Le procédé permettant de déterminer la concentration en monoxyde de carbone selon le mode de réalisation préféré de l'invention va maintenant être décrit en relation avec les figures 1 à 6. Initialement, on effectue un processus d'étalonnage pour déterminer la constante de temps To de la dérivée de la réponse du capteur pendant la première période pour différentes concentrations en monoxyde de carbone et différents niveaux connus d'humidité. À partir de ce processus d'étalonnage, des premières données, comme représenté dans le le tableau ci-après, peuvent être produites, qui donnent les constante de temps déterminées To relatives aux différentes concentrations en monoxyde de carbone et aux différents niveaux d'humidité. Tableau I Pourcentage d'humidité 20% 50% 80% Concentration en 0 ppm > 10,0 s 10,0 s 7,0 s monoxyde de 15 ppm 10,0 s 7,2 s 5,5 s carbone 60 ppm 7,2 s 4,2 s 4,2 s 100ppm 6,0s 3,2s 2,2s En même temps qu'on produit le tableau ci-dessus, on détermine la valeur de la dérivée de la réponse du capteur pendant la deuxième période, pour les différentes concentrations connues en monoxyde de carbone et les différents niveaux d'humidité connus, afin de recueillir des deuxièmes données relatives aux valeurs de la dérivée pour différents niveaux d'humidité. À partir de ces deuxièmes données, les courbes 32 à 36 de la figure 6 peuvent être produites. De préférence, pour chaque concentration en monoxyde de carbone et pour chaque niveau d'humidité, la constante de temps To relative à la première période d'un cycle de chauffage et la valeur de la dérivée pour la deuxième période du cycle de chauffage sont mesurées sur trois cycles de chauffage, après quoi les valeurs moyennes sont mémorisées. Le fait d'étendre la mesure à trois cycles améliore la fiabilité des données. Toutefois, il est possible d'utiliser les valeurs après un seul cycle de chauffage. L'étalonnage peut-être effectué pour chaque dispositif capteur chimique. Toutefois, ceci peut demander un temps extrêmement long. Pour des capteurs chimiques intégré sur un substrat semiconducteur, les premières et deuxièmes données seront sensiblement les mêmes pour une même famille de capteurs, ce qui signifie que d'étalonnage n'a besoin d'être effectué qu'une seule fois pour chaque famille. Ainsi, I'étalonnage du détecteur s'effectue de préférence une fois pour chaque classe de capteurs possédant des résistances détectrices semblables. Dès que l'étalonnage a été effectué, les premières et deuxièmes données sont contenues dans l'unité de traitement 6. Pendant le fonctionnement normal du système capteur 2, on applique le signal pulsé 26 à l'élément chauffant et on détermine la dérivée de la réponse du capteur pendant une première période du cycle de chauffage, tandis qu'on mesure la constante de temps de la dérivée déterminée. On détermine la dérivée de la réponse du capteur pendant une deuxième période du cycle de chauffage et on mesure la valeur de la dérivée. À partir de la valeur mesurée et grâce à l'utilisation des deuxièmes données contenues dans l'unité de traitement, on peut déterminer le niveau réel de l'humidité. On compare ensuite le niveau d'humidité déterminé et la constante de temps mesurée avec les premières données afin de déterminer la concentration réelle en monoxyde de carbone. De préférence, on utilise la valeur mesurée de la dérivée de la deuxième période d'un précédent cycle de chauffage avec la constante de temps de la dérivée de la première période du cycle de chauffage suivant. En d'autres termes, on prend les premières mesures dans la deuxième période (ou période chaude), puis dans la première période (ou période froide) du cycle de chauffage suivant. Dans le mode de réalisation préféré, cette opération de comparaison comprend l'utilisation du niveau d'humidité déterminé permettant de sélectionner l'une des colonnes de la table de recherche mémorisée, puis, en lisant la concentration en monoxyde de carbone qui se rapporte à la constants de temps mesurée dans la colonne sélectionnée, on peut déterminer la concentration réelle en monoxyde de carbone. De préférence, pendant le fonctionnement normal, on mesure la constante de temps To pendant la première période d'un cycle de chauffage et la valeur de la dérivée pendant la deuxième période d'un cycle chauffage, ces mesures s'étendant sur trois cycles de chauffage, et on détermine des valeurs moyennes que l'on utilise pour déterminer la concentration réelle en monoxyde de carbone. Selon un autre mode de réalisation, le signal pulsé comprend en plus de la série de cycles de chauffage décrite ci-dessus, un cycle de nettoyage placé après un nombre prédéterminée de cycles de chauffage, le cycle de nettoyage comprenant une impulsion qui possède un troisième niveau de tension et une durée correspondant à une troisième période, le troisième niveau de tension étant supérieur au deuxième niveau de tension et la troisième période étant supérieure à la première période. L'invention propose donc un procédé et un système capteur qui distinguent et mesurent de manière correcte l'humidité et la concentration réelle en monoxyde de carbone (ou une autre espèce chimique fonction du type du capteur chimique). De plus, I'invention détermine une concentration réelle en monoxyde de carbone qui a été correctement compensée en ce qui leur concerne la présence d'humidité, sans qu'il ait été besoin de faire appel à un capteur d'humidité spécial supplémentaire. En outre, puisque le signal d'humidité (la dérivée associée à la deuxième période) est synchrone avec le signal du monoxyde de carbone (la dérivée associé à la première période), il n'est pas nécessaire de mémoriser l'historique des réponses du capteur en temps réel pour déterminer la concentration réelle en monoxyde de carbone. Le mode de réalisation préféré utilise les courbes des dérivées pour déterminer la concentration réelle en monoxyde de carbone. Ceci a pour avantage qu'aucune erreur n'est introduite du fait de la dérive due au vieillissement ou à une cause analogue de la résistance de la couche sensible. Alors que l'invention a été décrite en liaison avec la compensation de l'humidité, elle peut compenser l'effet d'autres contaminants, au lieu de l'humidité ou en plus de d'humidité. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du dispositif et du procédé dont la description vient d'être donnée à titre simplement et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé permettant de déterminer la concentration en une espèce chimique en présence d'un contaminant à l'aide d'un capteur chimique qui possède une couche sensible servant à détecter l'espèce chimique et un élément chauffant servant à chauffer la couche sensible, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes; fournir à l'élément chauffant un signal pulsé, comprenant une série de cycles de chauffage, où, pendant chaque cycle de chauffage, I'élément chauffant chauffe la couche sensible jusqu'à une première température pendant une première période et jusqu'à une deuxième température pendant une deuxième période suivante, la deuxième température étant plus élevée que la première température; mesurer la réponse de la couche sensible pendant une première et une deuxième période; et traiter la réponse mesurée pendant les première et deuxième périodes afin de déterminer la concentration en l'espèce chimique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'opération consistant à produire une première dérivée, par rapport au temps, de la réponse mesurée pendant une première période et à produire une deuxième dérivée, par rapport au temps, de la réponse mesurée pendant une deuxième période, la deuxième dérivée temporelle étant sensiblement indépendante de changements de concentration en l'espèce chimique, et où l'opération de traitement comprend un traitement des première et deuxième dérivées temporelles visant à déterminer la concentration en l'espèce chimique. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'opération consistant à effectuer une opération d'étalonnage pour différentes concentrations connues en l'espèce chimique et différents niveaux connus du contaminant, comprenant les opérations suivantes: fournir le signal pulsé à l'élément chauffant; mesurer la réponse de la couche sensible pendant une première et une deuxième période pour chaque concentration connue en l'espèce chimique et chaque niveau connu du contaminant; et mémoriser les réponses mesurées pendant la première période ainsi que les concentrations connues correspondantes en l'espèce chimique et les niveaux connus correspondants du contaminant en tant que premières données et mémoriser les réponse mesurées et les niveaux connus correspondants du contaminant pendant la deuxième période en tant que deuxièmes données, et où l'opération de traitement consiste à comparer respectivement les réponses mesurées des première et deuxième périodes avec les premières et deuxièmes données afin de déterminer la concentration en l'espèce chimique. 4. Procédé selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le processus d'étalonnage comprend en outre les opérations suivantes: produire la première dérivée temporelle de la réponse mesurée pendant une première période pour chaque concentration connue en l'espèce chimique et chaque niveau connu du contaminant et produire la deuxième dérivée temporelle de la réponse mesurée pendant une deuxième période pour chaque concentration connue en l'espèce chimique et chaque niveau connu du contaminant; mesurer la constante de temps de la première dérivée temporelle pour chaque concentration connue en l'espèce chimique et chaque niveau connu du contaminant; et mesurer la valeur de la deuxième dérivée temporelles pour chaque concentration connue en l'espèce chimique et chaque niveau connu du contaminant, et où l'opération de mémorisation comprend la mémorisation des constantes de temps mesurées en tant que premières données et la mémorisation des valeurs mesurées de la deuxième dérivée en tant que deuxième données , et où l'opération de traitement des première et deuxième dérivées comprend la mesure de la constante de temps de la première dérivée temporelle et la mesure de la valeur de la deuxième dérivée temporelle ainsi que la comparaison respectives de la réponse temporelle mesurée et de la valeur mesurée avec les premières et deuxièmes données afin de déterminer la concentration en l'espèce chimique. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le signal pulsé comprend une série de cycles de chauffage, chaque cycle de chauffage comprenant une impulsion qui possède un premier niveau de tension et une durée correspondant à la première période ainsi qu'une impulsion consécutive ayant un deuxième niveau de tension et une durée correspondant à la deuxième période, le deuxième niveau de tension étant supérieur au premier niveau de tension et la première période étant supérieure à la deuxième période. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le contaminant est l'humidité. 7. Système capteur (2) servant à déterminer la concentration en une espèce chimique en présence d'un contaminant, le système capteur étant caractérisé en ce qu'il comprend: un capteur chimique (4) doté d'une couche sensible (8) servant à détecter l'espèce chimique et d'un élément chauffant (10) servant à chauffer la couche sensible un circuit (24) d'alimentation en signaux, servant à fournir à l'élément chauffant un signal pulsé (26), comprenant une série de cycles de chauffage, chaque cycle de chauffage étant destiné à chauffer la couche sensible jusqu'à une première température pendant une première période et jusqu'à une deuxième température pendant une deuxième période lui faisant suite, la deuxième température étant supérieure à la première température; un moyen de mesure (6) servant à mesurer la réponse (28, 29, 30) de la couche sensible pendant les première et deuxième périodes; et un moyen (6) servant à traiter la réponse mesurée pendant les première et deuxième périodes afin de déterminer la concentration en l'espèce chimique. 8. Système capteur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen (6) servant à produire une première dérivée temporelle de la réponse mesurée pendant une première période et à produire une deuxième dérivée temporelle de la réponse mesurée pendant une deuxième période, la deuxième dérivée temporelle étant sensiblement indépendante de changements de concentration en l'espèce chimique, et où le moyen de traitement (6) est conçu pour traiter les première et deuxième dérivées temporelles afin de déterminer la concentration en l'espèce chimique. 9. Système capteur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: un moyen (6) servant à mesurer la constante de temps de la première dérivée temporelle un moyen (6) servant à mesurer la valeur de la deuxième dérivée temporelle ; et un moyen de mémorisation (6) servant à mémoriser des premières données comprenant des constantes de temps mesurées prédéterminées de la première dérivée temporelle pour différentes concentrations connues en l'espèce chimique et différents niveaux connus du contaminant ainsi que les concentrations connues correspondantes en l'espèce chimique et les niveaux connus correspondants du contaminant, et des deuxièmes données comprenant des valeurs mesurées prédéterminées de la deuxième dérivée temporelle pour les différentes concentrations connues en l'espèce chimique et les différents niveaux connus du contaminant ainsi que les niveaux connus correspondants du contaminant, et où le moyen de traitement (6) comprend un moyen servant à comparer respectivement la réponse temporelle mesurée et la valeur mesurée avec les premières et deuxièmes données afin de déterminer la concentration en l'espèce chimique. 10. Système capteur selon la revendication 7, 8 ou 9, caractérisé en ce que la couche sensible (8) comprend une couche formée d'oxyde métallique. Il. Système capteur selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que le signal pulsé (26) comprend: une série de cycles de chauffage, chaque cycle de chauffage comprenant une impulsion qui possède un premier niveau de tension et une durée correspondant à la première période ainsi qu'une impulsion consécutive qui possède un deuxième niveau de tension et une durée correspondant à la deuxième période, le deuxième niveau de tension étant supérieur au premier niveau de tension et la première période étant supérieure à la deuxième période; et un cycle de nettoyage placé après un nombre prédéterminée de cycles de chauffage, le cycle de nettoyage comprenant une impulsion qui possède un troisième niveau de tension et une durée correspondant à une troisième période, le troisième niveau de tension étant supérieur au deuxième niveau de tension et la troisième période étant supérieure à la première période. 12. Système capteur selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que le contaminant est l'humidité.