Brevet FR2890169A1 — publié le 20070302

Domaine de l'invention La présente invention concerne un capteur pour saisir des paramètres d'un fluide comprenant deux électrodes soumises à une tension, un électrolyte solide entre les électrodes dans lequel peut s'établir un courant ionique, notamment un courant ionique d'oxygène lorsqu'une tension est appliquée aux électrodes, ainsi qu'une barrière de diffusion en amont des électrodes. L'invention concerne également un procédé de mesure de la pression d'un fluide. Etat de la technique Pour saisir les paramètres d'un fluide tel que la pression du fluide, la concentration d'un composant du fluide et le débit volumique et/ou massique on connaît différentes possibilités de saisie. La me-sure de pression peut se faire par exemple directement par la déformation d'une membrane ou encore à l'aide d'un capteur dynamométrique. Des exemples de réalisation sont les capteurs de pression à couche épaisse avec des membranes de mesure munies de résistances réalisées chaque fois en technique de couche épaisse, les capteurs de pression semi-conducteurs avec des résistances dépendant de la pres- Sion sur des membranes en silicium fabriquées selon les procédés de la technique des micro-systèmes, ainsi que des capteurs piézo-électriques dans lesquels une pression appliquée à une céramique piézo-électrique génère une tension électrique proportionnelle à la pression. Ces formes de réalisation conviennent pour des températures d'utilisation dans une plage inférieure à 150 C. Pour les températures d'environnement plus élevées par exemple dans les moteurs à combustion, la mesure de la pression ne se fait pas directement à l'emplacement mais on transfère l'ensemble pression/force à un emplacement plus froid au niveau duquel on peut me- surer la pression par l'une des techniques exposées ci-dessus. C'est ainsi que par exemple on peut déterminer la pression dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion par une membrane de pression fermant la chambre du cylindre, sous la forme d'une force trans-mise par un poussoir de transmission et produite dans une zone relativement plus froide correspondant à une plage de températures in- férieure à environ 150 C vers une pile d'éléments de piézo-céramiques en général cylindriques qui fournit alors une tension proportionnelle à la pression. Mais l'inconvénient de ce procédé réside dans son encombrement important et dans ses possibilités d'application limitées. Il est en outre connu d'utiliser des capteurs céramiques de gaz d'échappement pour mesurer et réguler la composition des gaz d'échappement chauds dans une plage de températures allant jusqu'à 1200 C. Ces capteurs planaires par exemple une sonde lambda ou des capteurs d'oxyde d'azote NOx sont chauffés à l'aide d'un dispositif de chauffage interne pour se mettre à une température de fonctionnement de l'ordre de 600 C jusqu'à 900 C. On utilise de préférence du dioxyde de zirconium stabilisé avec de l'yttrium (YSZ) et des films d'oxyde d'aluminium Al2O3 comme céramique de fonctionnement et de structure. La mesure du débit massique d'air se fait de façon générale sous la forme d'une mesure de pression différentielle. Selon la for-mule de Bernouilli, la différence de pression en amont et en aval d'un tube est proportionnelle au débit. Des modes de réalisation connus de débitmètre massique d'air sont les chemins turbulents de Karman selon lesquels on exploite des turbulences régulières en aval d'un obstacle placé dans l'écoulement ou encore la différence de temps de parcours mesuré par ultrasons, les mesures de pression dynamique telles que par exemple au niveau d'un volet de retenue mobile ou encore la convection utilisant un fil en platine chauffé (fil de Pt) ou une couche d'une épaisseur de platine, chauffée que l'on refroidit avec la masse d'air de façon que le maintien de la température du fil ou de la couche épaisse constitue une mesure du débit massique. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un capteur permettant de saisir les paramètres d'un fluide ainsi qu'un procédé de mise en oeuvre applicable au capteur et en particulier pour d'autres domaines. Exposé et avantages de l'invention A cet effet l'invention concerne un capteur du type défini ci-dessus caractérisé en ce que la barrière de diffusion est conçue pour une mesure de pression de façon que lorsque qu'une tension est appliquée, un courant limite ionique traverse l'électrolyte solide, courant qui est proportionnel à la pression d'un milieu en amont de la barrière de diffusion. L'invention concerne également un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que dans un dispositif composé de deux électrodes et d'une barrière de diffusion en amont d'une électrode ainsi que d'un électrolyte solide entre les électrodes, par l'application d'une tension entre les électrodes on génére un courant limite ionique à partir des ions du fluide diffusés par la barrière de diffusion, la barrière de diffusion étant prévue pour que l'intensité du courant limite ionique soit proportionnelle à la pression d'un fluide en amont de la barrière de diffusion et qu'une variation du courant limite ionique soit exploitée comme variation de pression du fluide en amont de la barrière de diffusion. Ainsi la présente invention concerne un capteur pour saisir des paramètres d'un fluide à l'aide de deux électrodes auxquelles on applique une tension; un électrolyte solide est installé entre les électrodes et dans cet électrolyte solide il s'établit un courant ionique lorsqu'on applique une tension aux électrodes. Une barrière de diffusion est pré- vue en amont de l'une des électrodes. Ce capteur lorsqu'on applique une tension fournit un courant limite ionique IG qui traverse l'électrolyte solide. Ce courant est proportionnel à la pression d'un milieu en amont de la barrière de diffu- sion. Cela permet de déterminer un premier paramètre du fluide dépendant de la pression. Le fluide diffuse à travers la barrière de diffusion vers l'électrode qui l'ionise. Le courant ionique qui en résulte passe comme indicateur de pression à travers l'électrolyte solide vers la seconde électrode. Un tel procédé de mesure peut être par exemple fondé sur le principe de la conductivité de l'oxygène dans un électrolyte solide (principe de Nernst). En appliquant une tension par un électrolyte solide en contact avec deux électrodes poreuses par exemple des électrodes en platine, l'électrolyte solide étant par exemple un électrolyte YSZ, on peut induire un courant d'oxygène. Ce courant d'oxygène est proportionnel à la tension électrique appliquée. Grâce à la barrière de diffusion en amont de l'une des électrodes on peut limiter le courant ionique selon le principe du courant limite. La plage de saturation du courant ionique de l'oxygène peut être fixée par la constante de diffusion de la barrière gazeuse. De façon caractéristique on arrive à une telle saturation du courant ionique de l'oxygène c'est-à-dire un courant limite dès que l'on applique une tension de l'ordre de 0,1 V - 0,2 V. Pour une tension électrique constante supérieure à cette plage de saturation qui est par exemple à 0,4 V, le niveau du courant ionique limite dépend directe-ment de la pression totale P du fluide appliqué à la barrière de diffusion. Cela permet d'exploiter le courant ionique limite IGI selon l'invention comme grandeur de mesure dépendant de la pression. Pour déterminer une différence de pression AP dans un fluide on peut déterminer à l'aide d'un second capteur construit de la même manière, un second paramètre du fluide dépendant de la pression sous la forme d'un courant ionique IGII lié au courant ionique IGI pour donner le rapport IGI - IGII = C*(Pi - Pli). Le paramètre C est la va-leur de la concentration d'une composante du fluide qui dans l'exemple ci-dessus serait la concentration d'oxygène; cette concentration peut également se déterminer par un circuit connu réalisé de manière appropriée utilisant le courant ionique. En application d'un rapport de proportionnalité entre la pression P dans le fluide appliqué à la barrière de diffusion et le courant ionique produit, en exploitant les 2 courants ioniques limites on peut déterminer la différence de pression entre les 2 points de mesure. En outre cela permet un procédé de mesure du débit du fluide. Pour cela on suppose que l'on détermine également une valeur de concentration c d'un composant autour du fluide de façon à déterminer la différence de pression AP entre deux points de mesure I et II pour déterminer la densité Rho du fluide dans la plage de mesure de la conduite traversée par le fluide de section A de préférence constante et que l'on suppose régulier; on suppose en outre que la vitesse d'écoulement V dans la plage de mesure est pratiquement homogène et le débit volumique est égal à QV = V*A (m3/h) et le débit massique est QM = Roh *V *A(kg/h) ; on peut obtenir ainsi le débit volumique QV ou le débit massique QM en appliquant la relation: différence de pression AP = constante* VQV *QM comme résultat de la mesure. Une autre possibilité pour saisir un paramètre du fluide selon la procédure présentée ci-dessus consiste à utiliser une autre paire d'électrodes entre lesquelles est placé un électrolyte solide et une autre barrière de diffusion de façon que lorsqu'une tension est appliquée à ce dispositif, on obtienne un courant limite ionique IGIII qui est pratiquement indépendant de la pression dans le milieu en amont de la barrière de diffusion. En mettant en rapport le courant ionique IG du premier mode de réalisation en relation avec le courant ionique IGIII de ce mode de réalisation on peut déterminer la pression absolue P régnant dans le fluide. Il faut certes veiller à ce que les deux courants ioniques IG dé- pendent en outre de la concentration c d'une composante O du fluide. En mesurant simultanément les deux courants ioniques limites IG on peut toute fois grâce à une disposition appropriée des deux paires d'électrodes dans le fluide, saisir les paramètres et en différenciant les deux courants limites IG, on obtient le signal de mesure souhaité indépendamment de la concentration c de la composante O du fluide concerné. Pour déterminer une valeur on propose pour cela un pro-cédé de mesure d'une pression absolue dans un fluide qui consiste par exemple à mettre en relation un premier courant ionique limite IGI dans un premier élément de capteur de pression I avec un second courant ionique limite IGIII d'un second élément de capteur de pression III en tenant compte d'une concentration c d'une composante O du fluide et en mettant en relation; le premier courant limite ionique IGI dépend de la pression P régnant dans le fluide ainsi que de la concentration cl de la composante I du fluide à l'emplacement de mesure du premier élément de capteur de pression I et le second courant limite ionique I ionique IGIII dépend également de la concentration cIII du même composant O du fluide à l'emplacement de la mesure du second élément de capteur de pression III en étant toutefois pratiquement indépendant de la pression P du fluide; comme les valeurs de concentration cl et cIII sont égales ou pratiquement égales pour le composant 0 du fluide aux emplacements des deux éléments de capteur de pression I, III, en substituant la relation entre le courant ionique limite IGI en fonction de la concentration cm du composant O concerné du fluide par la relation entre le second courant limite ionique IGIII par rapport à la concentration cl, on en dé- duit la pression absolue P du fluide par la relation P = IGI / IGIII. Les points de mesure de pression sont disposés pour qu'ils se trouvent pratiquement sur une même couche de pression isobare. Pour pouvoir mesurer précisément les courants limites ioniques, le capteur peut en outre être équipé d'un élément de chauffage de façon qu'il puisse fonctionner de préférence à une température de fonctionnement réglable, constante pour l'électrolyte solide. Pour avoir un capteur particulièrement sensible on peut réaliser ses contours pour produire ou amplifier une différence de pression entre l'arrête amont et l'arrête aval du capteur installé dans la veine de fluide. Des formes de surface portantes conviennent tout particulièrement à cet effet. À titre d'exemple, on envisage des sections rectangulaires, ovales ou semi-ovales, en losange, triangulaire, en forme de coin ou des sections analogues à plusieurs contours de section. La dis-position des barrières de diffusion dans les zones frontales de ces sec- tions est particulièrement efficace car alors en général on aura la plus grande différence de pression entre ces deux points de mesure successifs dans la direction de l'écoulement pour une attaque latérale du capteur. On obtient une extension supplémentaire de la plage d'application de ce capteur si l'on utilise des matières pour fabriquer le capteur qui sont très réfractaires et permettent leur application par exemple à une plage de température supérieure à environ 150 C. Cela permet de les utiliser également dans des domaines dans lesquels on ne pouvait plus utiliser les capteurs de pression actuels utilisant la résis- tance ou l'effet piézoélectrique à cause de leur caractère réfractaire limité. Il est particulièrement avantageux d'utiliser des matières réfractaires dans une plage allant jusqu'au-delà de 1200 C et de préférence même au-delà de 2000 C. De tels capteurs peuvent s'appliquer notamment à des opérations de combustion telles que celles de moteurs à combustion et dans ce cas ils sont installés directement à la sortie de la chambre de combustion ou le cas échéant à un emplacement approprié dans la chambre de combustion pour une saisie aussi proche que possible des paramètres du fluide. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une section schématique d'un capteur selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique éclatée de la structure d'un capteur constitué de couches superposées, - la figure 3 montre 6 modes de réalisation possibles de sections de capteur. Description de modes de réalisation La figure 1 montre schématiquement une section d'un élément de capteur 1, 2 électrodes 21, 17 entre lesquelles est placé un électrolyte solide 12 et une barrière de diffusion 18 en amont de l'électrode 21. Une flèche 5 placée devant la barrière de diffusion 18 re-présente symboliquement la direction de diffusion du fluide arrivant sur la barrière de diffusion 18. Dans la mesure où un fluide à la pression P est appliqué à la barrière de diffusion 18, il diffuse dans la direction 5 à travers le fluide vers l'électrode 21; au niveau de cette électrode il y a ionisation d'un composant du fluide lorsqu'une tension est appliquée aux électro- des 17, 21; il en résulte un courant ionique 2 qui passe dans l'électrolyte solide vers l'électrode 17. L'intensité de ce courant ionique est détecté comme cela est représenté symboliquement dans le dessin par l'appareil de mesure 4. Entre autres, la valeur du courant ionique 2 est mise en corrélation très forte avec la porosité de la barrière de diffusion 18. Par un choix approprié de la porosité on peut ainsi établir 2 cas limites suivant l'application souhaitée. Le premier cas limite correspond à des pores petits et le courant ionique dépend proportionnellement du fluide et de la pression P appliquée à la barrière de diffusion 18. Dans le cas d'un tel capteur de pression on saisit le courant ionique 2 comme paramètre dépendant de la pression. Pour le second cas limite, la barrière de diffusion 18 a des pores de grande dimension si bien que toute chose étant par ailleurs identique, comme décrit ci-dessus, le courant ionique est indépendant de la pression P régnant dans le fluide et appliqué à la barrière de diffusion. Suivant le paramètre que l'on veut déterminer dans le fluide on peut réunir différentes combinaisons de tels capteurs. Pour une mesure de différence de pression entre deux points de mesures on choisit avantageusement deux capteurs ayant une barrière de diffusion formée de pores petits. La concentration de la composante de fluide qui influence également le courant ionique et qui est dans le présent exemple de l'oxygène, peut se déterminer par la même disposition à l'aide d'un circuit connu et peut ainsi être pris en compte pour deux courants ioniques limites à comparer. Pour une mesure de pression absolue on peut utiliser deux capteurs ayant des éléments de diffusion différents, à petits pores ou à pores de grande dimension. En remplaçant la relation de concen- tration du courant ionique de l'un des capteurs par une relation de con-centration de l'autre, dans l'hypothèse que la même concentration se trouve aux deux points de mesure on obtient ainsi indépendamment de cette concentration, directement la pression absolue P du fluide à partir du rapport d'un courant ionique par rapport à l'autre. Ainsi P = IGI IGIII. La figure 2 est une vue éclatée d'un capteur de pression en céramique avec des couches superposées pour les différents éléments de capteur. Pour simplifier la représentation, tous les composants possibles nécessaires du capteur ne sont pas représentés de sorte que la figure 2 ne représente pas l'intégralité du capteur. En commençant par le bas, on a ainsi représenté un film chauffant 10 audessus duquel il y a deux couches isolantes 15 entre lesquelles est placé un élément chauffant 14 pour réguler la température de fonctionnement du capteur. De plus il est prévu un film de référence 11 muni d'un canal d'air de référence 16. Ce canal d'air de référence peut être prévu sans toutefois qu'il ne soit indispensable pour le bon fonctionnement du capteur. L'électrode de référence 17 placée au-dessus correspond à l'électrode droite 17 de la figure 1. Elle forme la première électrode 17 de la paire d'électrodes 17, 21 entre lesquelles est placée l'électrolyte solide 12. Au cas où le canal d'air de référence n'existe pas, l'électrode 17 est prévue sur le côté extérieur de l'élément de capteur. L'électrode 21 reçoit sur le dessus une couche intermédiaire 22; au niveau de l'électrode 21 on a un dégagement découpe 23. Cette découpe 23 reçoit de nouveau par le dessus la barrière de diffusion 18 de préférence par sérigraphie de sorte que derrière celle-ci, à l'intérieur de l'élément de capteur il subsiste un espace libre si bien que le fluide diffusant à travers la barrière de diffusion 18 peut arriver sans perte de charge à la surface de l'électrode 21. Pour la fermeture on peut prévoir un film de recouvrement 13 sur cet élément de capteur. A côté de ce premier mode de réalisation du capteur correspondant à la structure représenté à la figure 1, la figure 2 montre une seconde structure de capteur avec les électrodes 17, 18, la découpe 24 et la seconde barrière de diffusion 19 qui laisse derrière elle un es-pace libre du côté de la surface supérieure de l'électrode. Rapporté à la direction de vue de la figure 2, ce dispositif est indiqué vers la face avant c'est-à-dire dans la direction opposée comme la première structure de capteur avec l'électrode 21. En biais au-dessus et symbolique-ment derrière cette structure de capteurs est en outre prévu dans la direction du flux 5, un fluide qui s'écoule, avec une pression P de sorte que l'attaque du fluide sur le capteur 1 se fait par le côté arrière. En principe cette structure correspond à la partie a de la figure 3 montrant 6 sections différentes comme exemple de contours extérieurs de capteurs. Les contours extérieurs sont conçus pour améliorer la sensibilité du capteur notamment du point de vue de la mesure de différence de pression. Pour simplifier la représentation, seules les figures a et b montrent à titre d'exemple deux barrières de diffusion 18, 19 en des points opposés dans la section du capteur de façon à être l'une derrière l'autre dans la direction d'écoulement 5 du fluide. Pour la présentation graphique d'un capteur de pression absolue, dans les 2 représentations a et b de la figure 3 on a chaque fois montré une se- l0 conde barrière de diffusion 18; ces barrières coopèrent évidemment avec des électrolytes correspondants 17, 21 et d'un électrolyte solide 12 placé dans l'intervalle. Avec un capteur réalisé ainsi on peut saisir à la fois une différence de pression et une pression absolue dans un fluide à exploiter. En tenant compte des conditions géométriques d'un volume recevant le fluide par exemple d'un tube de gaz d'échappement ou d'un brûleur ainsi que de l'écoulement de fluide principalement homo-gène qui règne et de la densité brute du fluide on peut également effec- tuer une mesure de masse de fluide. Les différents capteurs peuvent être logés à cet effet dans un boîtier commun dans une disposition relativement approchée. Mais également suivant l'application il peut être avantageux de les loger dans des boîtiers distincts à intervalles plus grands pour saisir les paramètres du fluide. REVENDICATIONS 11 Capteur pour saisir des paramètres d'un fluide comprenant deux électrodes (17, 21) soumises à une tension, un électrolyte solide (12) entre les électrodes dans lequel peut s'établir un courant ionique, notamment un courant ionique d'oxygène lorsqu'une tension est appliquée aux électrodes ainsi qu'une barrière de diffusion (18) en amont des électrodes, caractérisé en ce que la barrière de diffusion (18) est conçue pour une mesure de pression de façon que lorsque qu'une tension est appliquée, un courant limite ionique (IG) traverse l'électrolyte solide (12), courant qui est proportionnel à la pression d'un milieu en amont de la barrière de diffusion. 2 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé par une disposition supplémentaire (II) comportant une paire d'électrodes (17, 22) ainsi qu'un électrolyte solide (12) entre les électrodes et une barrière de diffusion (19) en amont de l'une des électrodes, la barrière de diffusion (19) étant conçue pour que lorsqu'une tension est appliquée, un courant limite ionique (IGII), dépendant de la pression du milieu en amont de la barrière de diffusion passe lorsqu'une tension est appliquée. 3 ) Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par un dispositif supplémentaire (III) comportant une paire d'électrodes (17, 21) et un électrolyte solide (12) dans l'intervalle ainsi qu'une barrière de diffusion (19) prévue devant l'une des électrodes, la barrière de diffusion (19) étant conçue de façon que lorsqu'une tension est appliquée, un courant limite ionique (IGIII) passe, ce courant étant au moins sensible-ment indépendant de la pression du fluide en amont de la barrière de diffusion. 4 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte un élément chauffant (10). 5 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé par deux barrières de diffusion (18, 19) l'une derrière l'autre selon la direction de passage du fluide. 6 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contour du capteur est tel qu'il produit ou amplifie une différence de pression entre l'arrête d'attaque et l'arrête de fuite placée dans le veine du fluide. 7 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il est réalisé en des matériaux réfractaires pour des températures supérieures à environ 150 C. 8 ) Procédé de mesure de la pression d'un fluide, caractérisé en ce que dans un dispositif composé de deux électrodes et d'une barrière de diffusion en amont d'une électrode ainsi que d'un électrolyte solide entre les électrodes, par application d'une tension entre les électrodes on crée un courant limite ionique à partir des ions du fluide diffusés par la bar-rière de diffusion, la barrière de diffusion étant prévue pour que l'intensité du courant limite ionique soit proportionnelle à la pression d'un fluide en amont de la barrière de diffusion et qu'une variation du courant limite ionique soit exploitée comme variation de pression du fluide en amont de la bar- rière de diffusion. 9 ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que dans un autre dispositif composé de deux électrodes dont l'une est pré- cédée d'une barrière de diffusion, avec un électrolyte solide prévu entre les électrodes, par application d'une tension entre les électrodes on génère un courant limite ionique (IGII) par des ions du fluide diffusés dans la barrière de diffusion, la barrière de diffusion étant telle que l'intensité du courant limite ionique soit proportionnelle à la pression d'un fluide en amont de la barrière de diffusion, la barrière de diffusion du premier et du second dispositif étant prévue à des endroits différents dans un fluide, et à partir des deux courants ioniques limites, on définit une différence de pression entre les deux endroits. 10 ) Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que dans un autre dispositif composé de deux électrodes, l'une des électrodes étant précédée d'une barrière de diffusion avec un électrolyte solide prévu entre les électrodes, par application d'une tension entre les électrodes on génére un courant limite ionique avec les ions du fluide diffusés à travers la barrière de diffusion, la barrière de diffusion étant prévue pour que l'intensité du courant ionique limite (IGIII) soit pratiquement indépendante de la pression du 20 fluide en amont de la barrière de diffusion, et selon lequel ce courant ionique limite (IGIII) est en rapport avec le courant ionique limite dépendant de la pression et permet d'en déduire la pression absolue dans le fluide.