Brevet FR2828737A1 — publié le 20030221

La présente invention concerne un procédé de mesure de la résistance interne R 1 d'une cellule électrochimique pour déterminer la température d'un capteur de gaz d'échappement équipé de la cellule élec trochimique, notamment dans un véhicule automobile. De façon générale, l'invention concerne la mesure de la température de capteur de gaz d'échappement, en particulier de véhicules et notamment un procédé et un circuit pour mesurer comme indiqué ci dessus la résistance interne d'une cellule électrochimique et déterminer la température d'un tel capteur de gaz d'échappement. o La régulation dite LAMBDA en combinaison avec un cataly seur est actuellement le procédé le plus efficace de nettoyage des gaz d'échappement de moteur à essence. Ce n'est qu'en coopérant avec les systèmes d'allumage et d'inJection disponibles actuellement que l'on peut obtenir de très faibles teneurs en polluants dans les gaz d'échappement. L'utilisation d'un catalyseur à trois voies ou catalyseur sélectif est parti culièrement efficace. Ce type de catalyseur a la propriété de décomposer les hydrocarbures, le monoxyde de carbone et les oxydes d'azote jusqu'à plus de 98% si le moteur fonctionne dans une plage qui entoure d'environ 1% le rapport stoechiométrique air/carburant avec LAMBDA = 1. La va o leur LAMBDA indique de combien le mélange air/carEurant rcel diffère de la valeur LAMBDA = 1 correspondant à la combustion totale théorique pour un rapport des deux masses de 14,7 kg d'air pour 1 kg d'essence; en d'autres termes le coefficient LAMBDA est le quotient de la masse d'air fournie sur la demande théorique d'air. :5 La régulation LAMBDA mesure les gaz d'échappement et corrige immédiatement la quantité de carburant fournie selon le résultat de la mesure par exemple au niveau du système d'injection. Comme cap teur de mesure, on utilise une sonde LAMBDA qui présente un saut de tension exactement pour LAMBDA = 1 et fournit ainsi un signal indiquant si le mélange est plus riche ou plus pauvre que celui correspondant à LAMBDA = 1. Ce fonctionnement de la sonde LAMBDA repose sur le prin cipe d'une cellule à concentration galvanique d'oxygéne avec un électrolyte solide. Les sondes LAMBDA réalisées sous la forme de sondes tra vaillant en deux points fonctionnent de façon connue selon le principe de Nernst, reposant sur une cellule de Nernst. L'électrolyte solide est formée de deux surfaces limites séparées par une céramique. La matière cérami que utilisée est conductrice par émission d'ions d'oxygéne à environ 350 C de sorte qu'alors, en cas de teneur différente en oygène sur les deux faces de la matière céramique, il se crce une tension dite de Nernst entre les deux surfaces limites. Cette tension électrique est une mesure de la diffé- rence de la teneur en oxygène de part et d'autre de la céramique. Comme la teneur en oxygène résiduel dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne dépend dans une forte mesure du rapport air/carburant alimentant le moteur, il est possible d'utiliser la teneur en oxygène dans les gaz d'échappement comme mesure du rapport air/carburant effectivement utilisé. o Le fonctionnement et la précision de la mesure des sondes LAMBDA dépend très fortement de la température de l'élément de me sure, c'est-à-dire de la cellule de Nernst. Pour des températures de gaz d'échappement et des quantités de gaz d'échappement variables, la tempé rature de la sonde subirait de fortes variations si l'on ne prenait des me sures. C'est pourquoi, de façon connue, on maintient la température de la sonde aussi constante que possible et à l'aide d'un moyen de chauffage électrique, on fournit une puissance régulée à la sonde. Pour déterminer la quantité nocessaire de puissance de chauffage, il faut un signal de me sure approprié indiquant la température de la sonde. Comme signal de o mesure on utilise en général la résistance interne électrique de la cellule de Nernst, électrochimique. Pour cela, on applique, par exemple, un cou- rant de mesure à la résistance interne et on détermine la tension qui s'établit au bord de la résistance à l'aide d'un circuit d'exploitation. Le courant de mesure est ainsi pré-réglé de façon connue :5 par le dimensionnement approprié du circuit d'exploitation. Mais, pour de tels composants de circuit d'exploitation, les tolérances existantes condui- sent à des influences erronées lors de la mesure de la résistance interne et détériorent ainsi la précision de la régulation du chauffage. La présente invention a pour but de développer un procédé so du type cidessus ainsi qu'un circuit pour sa mise en _uvre, évitant les inconvénients de l'état de la technique et permettant une précision de me- sure aussi élevée que possible avec un circuit de mesure de la résistance interne d'un capteur de gaz d'échappement avec pour objectif d'améliorer la régulation de la température constante et d'améliorer finalement le comportement du capteur de gaz d'échappement. A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus caractérisé en ce qu'on applique à la résistance interne R1 de la cellule électrochimique, un courant de mesure I-mes, et on détecte la première tension qui en résulte, on commute de temps en temps ou à des intervalles réguliers, sur une résistance de référence R2, et on enregistre en mémoire une seconde tension engendrce par le courant de mesure lorsqu'on commute sur la résistance de référence R2 et ensuite on utilise cette seconde tension comme valeur de référence pour mesurer la résis tance interne R1. De préférence, la commutation sur la résistance de réfé rence R1 se fait à l'aide de lignes d'application de courant/détection de tension. Si on amplifie et/ou prépare un signal de tension obtenu sur une résistance interne R1 à l'aide d'une unité d'exploitation du signal de mesure, avantageusement on fournit le signal de tension amplifié et/ou préparé à un convertisseur analogique/numérique. Egalement le circuit pour la mise en _uvre de ce procédé est caractérisé par des moyens correspondants. Par exemple, le circuit prévoit une unité de commutation ayant une résistance de référence R2 et plusieurs commutateurs S1-S4, qui commutent de temps en temps ou régulièrement la saisie de la valeur de mesure sur la résistance de référence R2. Mais il peut aussi compren o dre une unité générant un courant de mesure et une unité d'exploitation du signal de mesure, de manière à effectuer la commutation du courant de mesure I-mes sur les résistances de mesure R1, R2 et le couplage d'une tension de mesure saisie dans l'unité d'exploitation du signal de me sure, à l'aide des lignes d'application de courant/détection de tension. La présente invention propose un procédé de calibrage par ticulier selon lequel, de préférence en combinaison avec des lignes de force et de détection, on commute de temps en temps ou régulièrement sur une résistance de référence et on enregistre la tension électrique produite dans une mémoire. Cette valeur de tension ainsi enregistrée sert en consé quence de valeur de référence pour mesurer la valeur proprement dite, souhaitée, pour la résistance interne R1. Par exemple, on commute le courant de mesure I-mes à l'aide de commutateurs de force S1, S2 sur les résistances de mesure R1, R2 et on couple la tension de mesure saisie dans l'unité d'exploitation du signal de mesure par des commutateurs de détection S3, S4. Dans ce cas, de préférence, les commutateurs S1, S2 ainsi que les commutateurs S3, S4 ont la même résistance de passage ou une résistance de passage ana logue. I1 est avantageux en outre d'avoir la valeur de la résistance R choisie pour correspondre globalement à la résistance interne R1 à ré gler. Ces mesures permettent d'augmenter la précision de la me sure par un circuit de mesure de la résistance interne d'un capteur de gaz d'échappement. Le procédé et le circuit selon l'invention favorisent ainsi, en particulier, le comportement du système formé par la combinaison du capteur de gaz d'échappement (par exemple la sonde LAMBDA) et le cir cuit d'exploitation évoqué ci-dessus. o La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans l'unique fi gure annexée qui est un schéma par bloc. Le circuit tel que représenté sert à mesurer la résistance interne R1 1O et ainsi, indirectement, à déterminer la température d'une is cellule de Nernst 12 représentée schématiquement et appartenant à un capteur de gaz d'échappement électrochimique (le capteur n'est pas repré senté). La référence 12 (U1) désigne la tension de source électrochimique de la cellule de Nernst. Le circuit se compose de trois unités, à savoir une unité générant le courant de mesure 14, une unité d'exploitation du signal de mesure 16 et un unité de commutation 18. A l'aide du courant de mesure généré (I-mes) O, qui est ap pliqué à la cellule de Nernst 12, on génère sur la résistance R1 une ten sion proportionnelle à la valeur de la résistance R1. Cette tension est ensuite amplifiée par l'unité d'exploitation 16 du signal de mesure et est s préparce pour permettre une saisie optimale du signal de mesure par un convertisseur analogique/numérique (A/D) non représenté. A l'aide du signal fourni par le convertisseur A/D, on peut avantageusement traiter celui-ci de manière numérique. Du fait des tolérances et des dérives de tension à la fois dans l'unité générant le courant de mesure 14 et dans l'unité d'exploitation du signal de mesure 16, si l'on ne prenait des mesures spé ciales, une erreur s'introduirait dans le signal de sortie UA. Pour arriver à une précision élevée du signal R1, il faudrait utiliser des techniques de circuit extrêmement précises et, de ce fait, coûteuses. 3s Le circuit présenté ainsi que le procédé pour sa mise en _uvre permettent une amélioration de la précision en utilisant exclus*e ment des composants électriques standard. De plus, cela permet d'intégrer le circuit par des procédés classiques de semi-conducteurs. s Pour cela, on utilise d'une part une résistance de calibrage R2 et l'unité de commutation 18 à plusieurs commutateurs S1-S4. A l'aide des commutateurs S1-S4, on commute la saisie des valeurs de mesure, périodiquement ou à des intervalles de temps réguliers sur la résistance s R2 connue, définie de manière précise. La valeur de la résistance R2 est avantageusement choisie pour correspondre à la résistance interne R1 à régler (suivant le point de régulation du chauffage). Le signal de tension UA que l'on recucille à la sortie du circuit est enregistré dans la mémoire d'un micro-contrôleur (non représenté) pour servir à l'avenir de valeur de référence pour la mesure de la résistance interne R1. Ces moyens permettent ainsi d'éliminer les erreurs liées au circuit dans l'unité générant le courant de mesure 14 et dans l'unité d'exploitation du signal de mesure 16. La précision du signal de sortie UA n'est définie que par la précision de la résistance de calibrage R2. Pour éliminer un autre defaut par les commutateurs S1-S4 eux-mémes, l'unité de commutation 18 du présent exemple de réalisation est conçue comme connexion d'application de courant/détection de ten- sion. Le courant de mesure I-mes 20 est ainsi commuté par les commuta- teurs S1, S2 ( commutateurs d'application de oourant) qui ne sont soumis qu'à de faibles exigen_s de précision, pour étre appliqués aux résistan_s de mesure R1 ou R2. Ce est que le synchrorisme de tous les commutateurs qui doit répondre à des exigen_s mini- males, _ qui est simple à réaliser en cas d'intogration du circuit ou d'une application de circuit intogré spécifique (circuit ASIC). Il convient de souligner que la connexion d'application de 2s courant/détection de tension n'est pas indispensable et que l'on peut également y renoncer si le rapport entre la résistance à me surer et les ré- sistances des commutateurs est suffsamment grand, par exemple lors- qu'on utilise des commutateurs ou interrupteurs faiblement ohmiques. Cela est également vrai si les commutateurs fournissent, certes, des parti cipations notables à la valeur de la résistance mesurce mais si la valeur absolue de la résistance à mesurer importe peu alors qu'il faut être aussi prés que possible de la présente résistance de comparaison R2. Le coupl age du s ign al de me sure dans l 'unité d 'explo itation 16 se fait par les deux commutateurs S3, S4 ( commutateurs de détection de tension). Du fait de l'entrce fortement ohmique de l'unité d'exploitation du signal de mesure 16, cela n'influence que faiblement le signal de me- sure. C'est pourquoi on peut utiliser, pour les commutateurs S3, S4, des commutateurs relativement simples et économiques (fortement ohmiques). Les erreurs de mesure produites par les commutateurs S1 S4 du fait du calibrage décrit par la résistance R2 sont éliminces aussi longtemps que S1 et S2 ou S3 et S4 ont des propriétés comparables, par exemple une résistance de passage analogue ou identique. Enfin, il convient de remarquer que le circuit d'exploitation selon l'invention peut également s'utiliser avantageusement dans le cas de sondes LAMBDA en bande large à deux cellules, comprenant une cellule de Nernst et une cellule de pompage couplée à celle-ci. La sonde LAMBDA et le circuit d'exploitation fournissent en combinaison un signal LAMBDA o continu à l'aide duquel on peut régler, en principe, une régulation LAMBDA sur n'importe quel point de fonctionnement, c'est-à-dire égale ment sur LAMBDA différent de 1, pour avoir ainsi une régulation LAMBDA . R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Procédé de mesure de la résistance interne R1 (10) d'une cellule élec- trochimique (12) pour déterminer la température d'un capteur de gaz d'échappement équipé de la cellule électrochimique, notamment dans un véhicule automobile, caractérisé en ce qu' on applique à la résistance interne R1 (10) de la cellule électrochimique (12), un courant de mesure I-mes (20), et on détecte la première tension qui en résulte, on commute de temps en temps ou à des intervalles régu liers, sur une résistance de référence R2, et on enregistre en mémoire une seconde tension engendrce par le courant de mesure lorsqu'on commute sur la résistance de référence R2 et ensuite on utilise cette seconde tension comme valeur de référence pour mesurer la résistance interne R1 (10). 2 ) Procédé de mesure de la résistance interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la commutation sur la résistance de référence R1 se fait à l'aide de lignes d'application de courant/détection de tension. 3 ) Procèdé de mesure de la résistance interne selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu' on amplifie et/ou prépare un signal de tension obtenu sur une résistance :5 interne R1 à l'aide d'une unité d'exploitation du signal de mesure (16) . 4 ) Procédé de mesure de la résistance interne selon la revendication 3, caractérisé en ce qu' on fournit le signal de tension amplifié et/ou préparé à un convertisseur analogique/numérique. ) Procédé de mesure de la résistance interne selon une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu' on commute le courant de mesure I-mes (20) à l'aide de commutateurs de force S1, S2 sur les résistances de mesure R1, R2 et on couple la tension de mesure saisie dans l'unité d'exploitation du signal de mesure (16) par des commutateurs de détection S3, S4. 6 ) Procédé de mesure de la résistance interne selon la revendication 5, . , caracterse en ce que les commutateurs S1, S2 ainsi que les commutateurs S3, S4 ont la même résistance de passage ou une résistance de passage analogue. 7 ) Procédé de mesure de la résistance interne selon la revendication 1, caractérisé par la valeur de la résistance R2 choisie pour correspondre globalement à la résistance interne R1 à régler. 8 ) Circuit de mesure de la résistance interne R1 (10) d'une cellule électro chimique (12) pour déterminer la température d'un capteur de gaz d'échappement, notamment d'un véhicule automobile, ., caracterse par des moyens pour la mise en _uvre du procédé selon l'une des revendica tions 1 à 8. 9 ) Circuit de mesure de la résistance interne selon la revendication 8, caractérisé par une unité de commutation (18) ayant une résistance de rétérence R2 et plusieurs commutateurs S 1 -S4, qui commutent de temps en temps ou régulièrement la saisie de la valeur de mesure sur la résistance de réfé- rence R2. ) Circuit de mesure de la résistance interne selon la revendication 8 ou 9, caractérisé par une unité générant un courant de mesure (14) et une unité d'exploitation du signal de mesure (10), de manière à effectuer la commutation du cou- rant de mesure I-mes (20) sur les résistances de mesure R1, R2 et le cou- plage d'une tension de mesure saisie dans l'unité d'exploitation du signal de mesure (16), à l'aide des lignes d'application de courant/détection de