Brevet FR2764698A1 — publié le 19981218

L'invention concerne, de façon générale, une tête de mesure de gaz comportant un détecteur de gaz électrochimique qui présente un dispositif à électrodes, des circuits électriques destinés à traiter les signaux analogiques électriques émis par le dispositif à électrodes et à les convertir en signaux numériques, et comportant un microprocesseur conçu pour recevoir et traiter de façon supplémentaire les signaux numériques. Des têtes de mesure de gaz du type évoqué sont connues sous de nombreuses formes et sont utilisées dans différents domaines, dans des usines de produits chimiques, dans des laboratoires et dans des unités de production o des gaz sont utilisés comme moyens d'exploitation, pour la surveillance, la régulation ou également pour déclencher une alarme. Un exemple typique est représenté par les têtes de mesure de gaz qui peuvent communiquer avec une unité centrale et qui peuvent fonctionner sous forme de système de têtes de mesure de gaz réparties. Chaque tête de mesure de gaz comporte au moins un détecteur de gaz électrochimique avec des électrodes émettant un signal analogique électrique représentatif de la concentration du gaz auquel le détecteur de gaz est sensible. Les signaux électriques sont gérés dans la tête de mesure de gaz par l'intermédiaire de circuits électriques, par exemple tout d'abord au moyen d'un amplificateur, filtré le cas échéant, et sont ensuite convertis en signaux numériques par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique- numérique. Les signaux numériques sont ensuite acheminés vers un microprocesseur, situé dans la tête de mesure de gaz, qui calibre, corrige et, autrement, analyse les signaux, et les achemine, le cas échéant, ou les sort localement comme résultats de mesure. En outre, le microprocesseur peut également remplir des fonctions de contrôle et de vérification du détecteur de gaz et des circuits électriques montés en aval. Les têtes de mesure de gaz connues présentent l'inconvénient que les détecteurs de gaz électrochimiques servant à mesurer des gaz dans l'air ne produisent que des signaux très faibles, avec des courants de mesure de l'ordre d'l nA. Etant donné que, dans de nombreux domaines, les valeurs limites de concentration du gaz dans l'air - à laquelle la tête de mesure de gaz doit réagir avec une grande fiabilité - qui sont prescrites sont faibles, l'inconvénient de disposer de très faibles10 signaux électriques du détecteur de gaz va encore s'aggraver à l'avenir, car les valeurs limite de concentrations de gaz admises vont avoir tendance à baisser à l'avenir, dans de nombreux domaines. L'analyse de signaux électriques du détecteur de gaz avec des courants de mesure calculés en nanoampères exige des circuits électriques très sensibles pour la gestion et le traitement, circuits qui, du fait de leur grande sensibilité, sont forcément susceptibles d'être influencés par des perturbations électromagnétiques. Cette sensibilité aux parasites est encore renforcée par les dimensions importantes des circuits électriques, qui sont inévitables du fait que l'amplificateur, le convertisseur analogique-numérique, etc. comportent des composants électriques discrets. Les dimensions importantes du dispositif dans l'espace et, par conséquent, la sensibilité aux perturbations induites, sont encore considérablement augmentées lorsque des circuits électriques supplémentaires sont prévus pour d'autres fonctions, comme par exemple des circuits électriques destinés à une polarisation du détecteur numériquement réglable, à une limitation du courant du détecteur, à une amplification du signal du détecteur numériquement réglable, à un réglage numérique d'un filtre analogique, des circuits servant à déterminer la température du détecteur ou à des fonctions de vérification pour le détecteur de gaz. La présente invention a pour but de proposer une tête de mesure de gaz avec laquelle il soit possible de réaliser, même avec de faibles signaux électriques du détecteur de gaz, une mesure de la concentration du gaz concerné qui soit précise et insensible aux perturbations électromagnétiques. Selon l'invention, tous les circuits électriques servant à traiter et à convertir les signaux électriques analogiques du détecteur de gaz qui se trouvent en amont du microprocesseur sont conformés en circuits intégrés montés sur une puce, de sorte que seuls des signaux numériques sont acheminés de la puce vers le microprocesseur. Selon une forme d'exécution avantageuse, la puce qui porte les circuits électriques est intégrée dans le détecteur de gaz, de sorte que les circuits électriques intégrés peuvent être très proches du dispositif à électrodes, ce qui minimise la sensibilité aux perturbations électromagnétiques intervenant entre le dispositif à électrodes et les circuits électriques d'analyse et de conversion. L'interface entre le détecteur de gaz et le microprocesseur, qui est présent sur la tête de mesure de gaz, est un interface purement numérique, qui n'est absolument pas sensible aux perturbations électromagnétiques. Ceci est particulièrement avantageux du fait que les détecteurs de gaz se présentent souvent sous la forme d'unités interchangeables pouvant être branchées, au choix, sur la tête de mesure de gaz. Dans ce mode de réalisation, le traitement et la conversion des signaux électriques analogiques (sensibles) est réalisée dans le détecteur de gaz proprement dit; ils ne doivent donc plus être acheminés dans la tête de mesure en passant par des câbles, raccords et similaires, mais peuvent être acheminés dans la tête de mesure de gaz sous forme de signaux numériques. L'intégration des circuits électriques dans une puce réduit considérablement leurs dimensions dans l'espace, ce qui réduit nettement leur sensibilité générale aux perturbations électromagnétiques. Il est, en outre, possible de réduire la sensibilité aux perturbations électromagnétiques en montant les circuits sous forme de micro-îlots. L'invention va maintenant être décrite à l'aide d'un exemple d'exécution, en référence au dessin, dans lequel: la figure 1 est un schéma-bloc représentant le détecteur de gaz, la puce et le microprocesseur et la figure 2 est un schéma-bloc représentant le détecteur de gaz, la puce et le microprocesseur, des circuits électriques de mesure supplémentaires étant prévus sur la puce, dans cet exemple. La figure 1 est une représentation schématique d'une forme d'exécution comportant des circuits électriques relativement simples de traitement et de conversion placés sur une puce 10. Un détecteur de gaz 2 est relié à la puce 10 par plusieurs lignes 4. Sur la puce sont prévus un circuit potentiostatique 11 et un circuit amplificateur 12 qui sont destinés aux signaux électriques reçus par le détecteur de gaz 2. Le courant de mesure est amplifié dans le circuit amplificateur 12 et le signal amplifié est ensuite acheminé vers un convertisseur analogique-numérique 13. Après la numérisation, les signaux sont acheminés de la puce 10 vers le microprocesseur 20 de la tête de mesure de gaz. Dans le microprocesseur 20, ils sont ensuite gérés, corrigés et sont soumis, si on le souhaite, à d'autres traitements. La figure 1 est une représentation purement schématique et n'est pas à l'échelle. La puce 10 est véritablement de taille nettement plus réduite que le détecteur de gaz 2. Avantageusement, la puce 10 est insérée dans le détecteur de gaz 2, de sorte que les lignes 4 entre le dispositif à électrodes du détecteur de gaz 2 et les circuits 11, 12, 13 de la puce 10 peuvent être très courtes et avoir peu d'influences négatives sur les circuits électriques situés en aval. De plus, lorsque la puce 10 est montée à l'intérieur du détecteur de gaz 2 proprement dit, les signaux électriques analogiques, qui sont sensibles, sont traités et convertis à l'intérieur du détecteur de gaz 2 proprement dit, et seuls des signaux numériques sont acheminés du détecteur de gaz 2 situé dans10 la tête de mesure de gaz vers son microprocesseur. Ceci permet de disposer d'une liaison électrique simple entre le détecteur de gaz 2 et le microprocesseur 20 situé dans la tête de mesure de gaz, sous forme d'interface purement numérique. Ceci est particulièrement avantageux dans le cas o les détecteurs de gaz sont conformés en unités interchangeables et susceptibles d'être retirés de la tête de mesure de gaz. La figure 2 est un schéma-bloc comparable à celui de la figure 1, des circuits électriques supplémentaires étant prévus sur la puce 10 pour soutenir et améliorer la mesure. Ainsi, en plus du circuit potentiostatique 11, du circuit amplificateur 12 et du convertisseur analogique- numérique 13, il est prévu un circuit 16 destiné à régler l'amplification du circuit amplificateur 12. En outre sont25 prévus un circuit 14 limiteur du courant du détecteur, un circuit de contrôle 15 destiné à surveiller les fonctions du détecteur de gaz, un circuit de mesure de température 17 destiné à mesurer la température du détecteur de gaz, et un circuit de polarisation 18 destiné au détecteur de gaz 2, circuits qui peuvent tous être adressés et commandés par le microprocesseur 20. La liaison entre la puce 10 et le microprocesseur 20, dans ce cas, est donc conformée en voie de communication bidirectionnelle. Une tête de mesure de gaz selon l'invention peut également être équipée d'un autre détecteur ne fonctionnant pas selon un principe électrochimique et présentant une sensibilité aux perturbations électromagnétiques comparable. On peut envisager le montage de détecteurs à semi-conducteurs, de détecteurs optiques à infrarouges, ainsi que de détecteurs analysant la combustion catalytique du gaz à mesurer (appelés pellistors). Revendications 1. Tête de mesure de gaz comportant un détecteur de gaz électrochimique qui présente un dispositif à électrodes, des circuits électriques destinés à traiter les signaux analogiques électriques émis par le dispositif à électrodes et à les convertir en signaux numériques, et comportant un microprocesseur conçu pour recevoir et traiter de façon supplémentaire les signaux numériques, caractérisée en ce que les circuits électriques de traitement et de conversion qui sont situés entre le dispositif à électrodes et le microprocesseur (20) sont conformés en circuits intégrés dans une puce (10), de sorte que seuls des signaux numériques sont transmis de la puce (10) au microprocesseur (20). 2. Tête de mesure de gaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que la puce (10) qui porte les circuits électriques est intégrée dans le détecteur de gaz (2), de sorte que l'interface, présent sur la tête de mesure de gaz, entre le détecteur de gaz (2) et le microprocesseur (20), est un interface purement numérique. 3. Tête de mesure de gaz selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les circuits électriques comprennent un circuit potentiostatique (11) pour alimenter le détecteur de gaz (2) électrochimique, un circuit amplificateur (12) pour les signaux électriques analogiques émis par le détecteur de gaz et un circuit convertisseur analogique-numérique (13). 4. Tête de mesure de gaz selon la revendication 3, caractérisée en ce que les circuits électriques comprennent, en outre, un circuit (17) destiné à déterminer la température du détecteur de gaz (2). 5. Tête de mesure de gaz selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que les circuits électriques comprennent, en outre, un circuit de contrôle (15) servant à surveiller les fonctions du détecteur de gaz. 6. Tête de mesure de gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle présente, en outre, au moins un détecteur de gaz (2) choisi dans le groupe comprenant les détecteurs à semi-5 conducteurs, les détecteurs optiques à infrarouges ou les pellistors.