Brevet FR3017951A1 — publié le 20150828

L'invention concerne un spectromètre embarqué dans un véhicule automobile et un procédé de mesure par ledit spectromètre embarqué. En application principale, mais non exclusive, l'invention concerne la surveillance de la composition et de la qualité du carburant d'un véhicule équipé d'un moteur à combustion interne au moyen d'un spectromètre infrarouge embarqué dans ledit véhicule. Cette surveillance est notamment devenue essentielle avec l'utilisation de carburants tels que le biodiesel, d'origines et de compositions variées. Ladite surveillance est réalisée en temps réel par l'analyse spectrale par spectrométrie infrarouge du carburant circulant dans une canalisation alimentant le moteur à combustion interne. L'analyse spectrale du carburant est envoyée à un calculateur électronique embarqué dans le véhicule qui en déduit la composition du carburant (taux d'éthanol, d'eau...) et ajuste différents paramètres de fonctionnement du moteur en fonction de cette composition, par exemple la quantité de carburant injectée dans les cylindres, ceci afin de maintenir les performances du moteur ou de réduire les émissions polluantes. Le spectromètre est généralement placé dans le réservoir du véhicule ou dans la ligne d'alimentation en carburant du moteur du véhicule. Tel qu'illustré aux figures 1 et 2 un tel spectromètre D est connu de l'art antérieur et comprend en général : - une source lumineuse 60, par exemple une lampe à incandescence L, (ou une diode électroluminescente, ou un corps noir) qui génère un rayon lumineux R qui traverse un carburant 70 à analyser, circulant dans une canalisation 71, - un élément sensible 40 (thermopile ou photodiode) qui fournit en sortie une tension Vs représentative d'une intensité lumineuse (appelée aussi absorbance) du rayon lumineux R qu'il reçoit, - un microcontrôleur 10, relié électriquement à la sortie de l'élément sensible 40, destiné à analyser la tension Vs provenant de l'élément sensible 40, - des moyens de génération 20 d'une tension de commande Vc reliés électriquement d'un côté au filtre 30, et de l'autre au microcontrôleur 10, - un dispositif d'allumage A de la source lumineuse 60 (ou lampe à incandescence L), permettant d'alimenter en tension continue Vcc la source lumineuse 60 et comprenant un interrupteur, ici sous la forme d'un transistor T, connecté d'un côté à la source lumineuse 60 et de l'autre côté à la masse électrique, ainsi que des moyens de contrôle 11 dudit transistor T (cf. figure 3). Le spectromètre D peut également comprendre un filtre 30 accordable situé 5 entre la source lumineuse 60 et l'élément sensible 40 et qui permet de sélectionner une longueur d'onde À déterminée du rayon lumineux R. Afin de déterminer l'analyse spectrale du carburant 70, La source lumineuse 60 est mise sous tension, et génère un rayon lumineux R qui traverse un carburant 70 à analyser, dans cet exemple un carburant. 10 Le rayon lumineux R traverse ensuite un filtre 30, appelé aussi filtre accordable du type interféromètre de Fabry-Pérot. Ce filtre accordable n'est pas obligatoire, mais permet de sélectionner séquentiellement les longueurs d'onde À du rayon lumineux R et donc de procéder aux mesures de façon séquentielle. 15 Le rayon lumineux R filtré à la longueur d'onde À sélectionnée est alors reçu par un élément sensible 40, tel qu'une photodiode ou une thermopile, qui fournit à sa sortie une tension Vs représentative de l'intensité lumineuse (absorbance) du rayon lumineux R à la dite longueur d'onde À (cf. figure 1). La tension Vs est ensuite envoyée au microcontrôleur 10 qui en déduit la 20 valeur de l'absorbance à ladite longueur d'onde À. Ce procédé de mesure est répété pour chaque longueur d'onde À appartenant à une plage donnée, par exemple de 1500 nm à 2500 nm. Afin de sélectionner la longueur d'onde À, une tension de commande Vc est envoyée par les moyens de génération 20 au filtre 30 à partir d'une demande du 25 microcontrôleur 10. Ladite tension de commande Vc permet de régler le filtre 30 à la longueur d'onde À souhaitée. La plage de longueurs d'onde À est choisie en fonction du type de carburant 70 que l'on souhaite analyser. L'ensemble des valeurs d'absorbance ainsi mesurées constitue le spectre en absorption du carburant 70 analysé et permet de 30 déterminer sa composition. Lorsque le spectre en absorption du carburant 70 a été déterminé, la source lumineuse 60 est alors éteinte jusqu'à la prochaine série de mesures des valeurs d'absorbance. Les longueurs d'onde dans l'infrarouge proche ou dans le domaine de 35 l'infrarouge étant les plus appropriées pour l'analyse spectrale d'un carburant, le choix de la source lumineuse se porte fréquemment sur une lampe à incandescence L, car le rayonnement d'une lampe à incandescence L se situe principalement dans le domaine infrarouge (1500 nm-2500 nm) et seule une petite partie de ce rayonnement se situe dans le domaine du visible (500 nm-600 nm). Les diodes électroluminescentes, par exemple, n'émettent pas dans le domaine de l'infrarouge et ne sont donc pas appropriées pour l'analyse spectrale d'un carburant. Le dispositif d'allumage A de la lampe à incandescence L est illustré à la figure 3. Il est, par exemple compris dans le microcontrôleur 10. (cf. figure 1). Un signal de commande Sc (cf. figure 2), sous la forme d'une tension supérieure à une valeur seuil est envoyé à un transistor T, qui se situe entre la lampe à incandescence L et la masse électrique. Le transistor T fonctionnant comme un interrupteur devient conducteur à la réception du signal de commande Sc, et la lampe à incandescence L s'allume pendant un cycle de mesure qui dure approximativement 30 s. Puis, lorsque le cycle de mesure est terminé, la tension de commande Sc passe en dessous de la valeur seuil et le transistor T est bloqué. La lampe à incandescence L (cf. figure 3) est alors éteinte jusqu'à la prochaine série de mesures. Cependant, les lampes à incandescence L comprenant des filaments 300 en Tungstène ont une durée de vie limitée. Le filament 300 est alimenté par un courant d'alimentation I d'un côté par un fil conducteur 400, connecté au plot central 110. Puis, le courant I, une fois le filament 300 traversé, se propage à travers un deuxième fil conducteur 500 situé à l'autre extrémité du filament 300, et relié électriquement au culot 800 de la lampe à incandescence L. Lorsque le filament 300 est traversé par un courant d'alimentation I, il est porté à une température de 2 800 Kelvins, et rayonne, ce qui engendre l'émission de la lumière. Bien que cette température soit inférieure à la température de fusion du Tungstène (5 220 Kelvins), des particules de Tungstène s'échappent du filament 300 et se vaporisent, amincissant par endroit l'épaisseur du filament 300 et le rendant plus fragile et plus cassant, réduisant de façon notable sa durée de vie. Ce phénomène est connu et est appelé le « notching effect » en anglais. Lorsque le filament 300 est parcouru par un courant I continu, comme c'est les cas dans l'application pour un spectromètre D embarqué, les particules de Tungstène s'évaporent préférentiellement à un endroit précis qui correspond à l'endroit où le filament 300 de Tungstène présente le plus fort gradient de température. Ce point est le point de jonction J entre le fil conducteur 400 (alimenté en courant continu) et le filament 300 en Tungstène (cf figure 3). Ce point de jonction J est donc plus enclin à se casser rapidement à cause du 35 « notching effect ». Les particules (ions) du Tungstène s'évaporent préférentiellement à partir de ce point de jonction J et se redéposent plus loin sur le filament 300. Le « notching effect » est la principale cause de défaillance des lampes à incandescence pilotées en continu (c'est-à-dire traversées par un courant de tension continue), et limite directement leur durée de vie. Ce phénomène de « notching » est plus prononcé lorsque la lampe à incandescence est alimentée par un courant de tension continue que lorsqu'elle est alimentée par un courant de tension alternative. Or, dans l'application au spectromètre D embarqué dans un véhicule automobile, la lampe à incandescence L est alimentée par la batterie du véhicule donc par du courant de tension continue. Dans le cas d'un spectromètre D embarqué dans un véhicule, l'emplacement du spectromètre D près du réservoir, ou immergé dans le réservoir en carburant, rend l'accès à la lampe à incandescence L difficile. Le remplacement de la lampe à incandescence L n'est pas souhaitable. On comprendra qu'il est essentiel que la durée de vie de la lampe à incandescence L soit optimale, équivalente si possible à la durée de vie du véhicule, ce qui n'est pas atteignable pour l'instant à cause au « notching effect » décrit ci-dessus. Une des solutions possibles serait d'alimenter la lampe à incandescence L en courant de tension alternative. Cependant cette solution n'est pas envisageable car : - elle nécessiterait un circuit électrique (convertisseur courant continu/courant alternatif) additionnel et donc un coût non négligeable, - la mesure d'absorbance nécessite que le rayon lumineux R soit d'une intensité constante et donc que la tension d'alimentation de la lampe à incandescence L soit continue, afin d'éviter toute imprécision sur la valeur de l'intensité lumineuse reçue par l'élément sensible 40 à la longueur d'onde À sélectionnée. L'invention a pour but de remédier à ce problème en proposant un spectromètre embarqué dans un véhicule automobile, comprenant une lampe à incandescence dont la durée de vie est optimisée par rapport à celle de l'art antérieur. L'invention concerne un spectromètre embarqué dans un véhicule automobile, pour analyser la composition d'un carburant, comprenant : - une lampe à incandescence, générant un rayon lumineux qui traverse le carburant à analyser, reliée d'un premier coté à une première tension d'alimentation, et du deuxième coté à une masse électrique, et traversée par un courant de tension continue dans un sens de circulation déterminé, - un élément sensible fournissant une tension représentative d'une intensité lumineuse du rayon lumineux qu'il reçoit, - un microcontrôleur, relié électriquement à la sortie de l'élément sensible, destiné à analyser la tension issue de l'élément sensible, - un dispositif d'allumage de la lampe à incandescence. Selon l'invention, le dispositif d'allumage comprend en outre des moyens 5 d'inversion du sens de circulation du courant de tension continue traversant la lampe à incandescence. En alternant le sens de circulation du courant de tension continue, le phénomène de « notching effect » se produit alternativement aux deux points de jonction situés aux extrémités du filament. L'amincissement du filament en Tungstène est donc 10 également réparti à ces deux points et est par conséquent deux fois moins prononcé au point de jonction par rapport au dispositif d'allumage de l'art antérieur. Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, les moyens d'inversion comprennent : - une structure de commutation, de type pont en H, 15 - des moyens de commande de ladite structure, adaptés pour piloter le sens du courant électrique de tension continue circulant à travers la lampe à incandescence. Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, les moyens d'inversion comprennent une deuxième tension d'alimentation de valeur absolue identique à la 20 première tension d'alimentation et de polarité opposée à la première tension d'alimentation, les deux tensions d'alimentation étant chacune respectivement reliées électriquement à la lampe à incandescence par l'intermédiaire d'interrupteurs. L'invention concerne également un procédé de mesure par un spectromètre embarqué dans un véhicule automobile, pour analyser la composition d'un carburant, 25 utilisant le spectromètre selon l'une quelconque des caractéristiques énumérées ci-dessus, ledit procédé selon l'invention, comprend les étapes suivantes : - Etape 1 : allumage de la lampe à incandescence, - Etape 2 : mesure des valeurs d'absorbances du carburant à analyser, - Etape 3 : extinction de la lampe à incandescence, 30 - Etape 4 : inversion du sens de circulation du courant de tension continue traversant la lampe à incandescence, - Etape 5 : répétition des étapes 2 à 4. Enfin, l'invention s'applique à tout véhicule comprenant un spectromètre selon l'une quelconque des caractéristiques énumérées ci-dessus. 35 D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre à titre d'exemple non limitatif et à l'examen des dessins annexés dans lesquels : La figure 1 expliquée précédemment, est une vue schématique représentant un spectromètre D, selon l'art antérieur, La figure 2 expliquée précédemment, représente schématiquement le dispositif d'allumage A de la lampe à incandescence L selon l'art antérieur, La figure 3, expliquée précédemment, est une vue schématique d'une lampe à incandescence L, montrant les points de jonction J et J', La figure 4 est une vue schématique du dispositif d'allumage A' de la lampe à incandescence L selon l'invention, La figure 5 représente un deuxième mode de réalisation du dispositif d'allumage A" de la lampe à incandescence selon l'invention, L'invention propose un spectromètre D' embarqué dans un véhicule automobile tel que représenté à la figure 1 dans sa structure générale. Contrairement à l'art antérieur, où le dispositif d'allumage A ne comprenait qu'un interrupteur T et des moyens de commande 11 du dit interrupteur T (cf. figure 2), le dispositif d'allumage A' du spectromètre D' selon l'invention, comprend des moyens d'inversion du sens de circulation du courant I de tension continue (cf. figure 4) traversant la lampe à incandescence L. Les moyens d'inversion comprennent par exemple une structure de commutation T1, T2, T3, T4 ainsi que des moyens de commande 11' de ladite structure adaptés pour piloter le sens du courant électrique I de tension continue circulant à travers la lampe à incandescence L dans un premier sens de circulation du courant 11, puis dans un deuxième sens de circulation du courant 12, opposé au premier sens de circulation 11. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, la structure de commutation est un pont en H comprenant quatre interrupteurs T1, T2, T3, T4 (cf. figure 4). Deux interrupteurs « hauts » T1 et T3 sont situés du côté de l'alimentation, c'est-à-dire reliés électriquement à la tension d'alimentation Vcc, et deux interrupteurs « bas » T2 et T4 sont situés du côté de la masse électrique Gnd. Chaque interrupteur est constitué par un transistor MOS (« Metal Oxyde Semiconductor » en anglais) de puissance. Le premier transistor haut T1 est connecté entre la tension d'alimentation Vcc et un premier noeud OUT1. Un premier transistor bas T2 est connecté entre ledit premier noeud OUT1 et la masse électrique Gnd. Un deuxième transistor haut T3 est connecté entre la tension d'alimentation Vcc et un deuxième noeud OUT2. Enfin un deuxième transistor bas T4 est connecté entre ledit deuxième noeud OUT2 et la masse électrique Gnd. Le premier noeud OUT1 entre le premier transistor haut T1 et le premier transistor bas T2 correspond à une première sortie du pont en H. De même le deuxième noeud OUT2 entre le deuxième transistor haut T3 et le deuxième transistor bas T4 correspond à une deuxième sortie du pont en H. La lampe à incandescence L est connectée entre le premier noeud OUT1 et le deuxième noeud OUT2 du pont en H. Chaque transistor T1, T2, T3, T4 est piloté par un signal de commande respectif SC1, SC2, SC3, SC4 provenant des moyens de commande 11'. La stratégie de pilotage des transistors T1, T2, T3, T4 est déterminée pour obtenir deux configurations précises. Dans un premier état, la paire formée par le premier transistor haut T1 et le deuxième transistor bas T4 permet, lorsque ces transistors sont passants (interrupteurs fermés) de faire circuler le courant à travers la lampe à incandescence L dans un premier sens de circulation du courant 11, de la tension d'alimentation continue Vcc vers la masse électrique Gnd, comme indiqué par la flèche 11 à la figure 5. Les transistors T3 et T2 sont alors bloqués (interrupteurs ouverts). Inversement, dans un deuxième état, la paire formée par le deuxième transistor haut T3 et le premier transistor bas T2 permet, lorsque ces transistors sont passants (interrupteurs fermés) de faire circuler le courant de tension continue à travers la lampe à incandescence L dans un deuxième sens de circulation du courant 12, toujours de la tension d'alimentation continue Vcc vers la masse électrique Gnd, comme indiqué par la flèche 12 à la figure 5, mais de sens opposé au premier sens de circulation du courant 11. Les transistors T1 et T4 sont alors bloqués (interrupteurs ouverts). Le dispositif d'allumage A' de la lampe à incandescence L peut, comme dans l'art antérieur, être compris dans le microcontrôleur 10. L'invention n'est pas limitée au premier mode de réalisation décrit ci-dessus. Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, illustré à la figure 5, les moyens d'inversion du sens de circulation du courant de tension continue à travers la lampe à incandescence L comprennent une structure de commutation limitée à deux interrupteurs S+ et S-, ainsi que deux sources d'alimentation en tension continue de valeur absolue identique mais de polarité opposée, une source de tension positive continue Vcc et une source de tension négative continue Vcc-. La lampe à incandescence L est reliée électriquement d'un côté aux deux sources d'alimentation en tension continue Vcc, Vcc- par l'intermédiaire de leur interrupteur respectif S+, S- et de l'autre côté à la masse électrique Gnd. Lorsque l'interrupteur S+ est fermé et l'interrupteur S- est ouvert, la lampe à 35 incandescence L est alimentée par la source de tension positive continue Vcc, et le sens de circulation du courant 11 (illustré par une flèche à la figure 5) circule de la source de tension positive continue Vcc vers la masse électrique Gnd. Inversement, lorsque l'interrupteur S- est fermé et l'interrupteur S+ est ouvert, la lampe à incandescence L est alimentée par le source de tension négative continue Vcc-, et le sens de circulation du courant 12 (illustré par une flèche à la figure 5) circule de la masse électrique Gnd vers la source de tension négative continue Vcc-. Ainsi, selon l'invention, le sens de circulation du courant 11, 12 traversant la lampe à incandescence L peut être inversé. Lorsque la lampe à incandescence L est traversée par le courant de tension continue dans le premier sens de circulation 11 selon le premier mode ou deuxième mode de réalisation de l'invention, comme dans l'art antérieur, le filament 300 en Tungstène s'amincit au point de jonction J, correspondant au plus fort gradient de température subi par ledit filament 300 (cf. figure 3), à cause du « notching effect ». Inversement, lorsque la lampe à incandescence L est traversée par le courant de tension continue dans le deuxième sens de circulation 12 (opposé au premier sens de circulation du courant 11), selon le premier mode ou deuxième mode de réalisation de l'invention, le plus fort gradient de température subit par le filament 300 en Tungstène se trouve localisé à un deuxième point de jonction J' (cf. figure 3) se situant à la jonction entre le filament 300 en Tungstène et le fil conducteur 500 reliant le filament 300 au culot 800 de la lampe à incandescence L. Ce deuxième point de jonction J' se trouve à l'opposé du point de jonction J par rapport au filament 300 en Tungstène. Dans ce cas, le filament 300 en Tungstène s'amincit à ce deuxième point de jonction J', par le « notching effect » tant que la lampe à incandescence L est traversée par le courant de tension continue dans le deuxième sens de circulation 12. Les particules (ions) de Tungstène se vaporisent à partir de ce deuxième point de jonction J' et se redéposent plus loin sur le filament 300 en Tungstène. En alternant le sens de circulation du courant 11, 12 de tension continue à chaque mesure du spectre du carburant, le phénomène de « notching effect » se produit alternativement aux deux points de jonction J, J'. L'amincissement du filament 300 en Tungstène est donc également réparti à ces deux points J, J', et est par conséquent deux fois moins prononcé au point de jonction J par rapport au dispositif d'allumage D de l'art antérieur. De plus, lorsque le filament 300 en Tungstène est traversé par le courant de tension continue dans le sens du circulation du courant 11, les particules de Tungstène vaporisées, issues du point de jonction J, se redéposent plus loin sur tout le filament 300, en l'occurrence également sur le deuxième point de jonction J' et épaississent le filament 300 en Tungstène à cet endroit. Inversement, lorsque le filament 300 en Tungstène est traversé par le courant de tension continue dans le sens du circulation du courant 12, les particules de Tungstène vaporisées, issues du deuxième point de jonction J', se redéposent plus loin sur tout filament 300, en l'occurrence également sur le point de jonction J et épaississent le filament 300 en Tungstène à cet endroit. Ainsi l'amincissement du filament 300 en Tungstène est compensé à chaque 5 point de jonction J, J' par le dépôt de particules de Tungstène provenant du point de jonction J, J' situé de l'autre côté dudit filament 300, lorsque le sens de circulation du courant de tension continue est inversé. La durée de vie du filament 300 en Tungstène est donc plus que doublée par rapport celle de l'art antérieur étant donné ces phénomènes de vaporisation et de dépôt 10 de Tungstène alternés à chaque point de jonction J, J'. L'invention concerne également un procédé de mesure par un spectromètre D' embarqué dans un véhicule automobile, pour analyser la composition d'un carburant 70, utilisant le spectromètre D' décrit ci-dessus, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : 15 - Etape 1 : allumage de la lampe à incandescence L, - Etape 2 : mesure des valeurs d'absorbances du carburant 70 à analyser, - Etape 3 : extinction de la lampe à incandescence L, - Etape 4 : inversion du sens de circulation du courant de tension continue traversant la lampe à incandescence L, 20 - Etape 5 : répétition des étapes 2 à 4. La fréquence de commutation du premier sens de circulation du courant 11 de tension continue au deuxième sens de circulation du courant 12 de tension continue est par exemple égale à la fréquence de mesure du spectre du carburant, soit approximativement 30 s. Bien sûr d'autres fréquences sont possibles. Il est tout de même 25 préférable de réaliser la mesure du spectre en entier avec un sens de circulation du courant de tension continue donné et de ne pas inverser ce dernier pendant la mesure du spectre, c'est-à-dire entre deux mesures à deux longueurs d'ondes différentes. L'invention permet donc, par l'ajout de moyens d'inversion du sens de circulation du courant traversant la lampe à incandescence d'un spectromètre embarqué 30 dans un véhicule automobile, d'augmenter de manière considérable la durée de vie de ladite lampe. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux moyens d'inversion du sens de circulation du courant de tension continue décrits et illustrés ci-dessus et s'étend à tous autres moyens permettant d'inverser le sens de circulation du courant de tension continue traversant la lampe à incandescence et s'étend à tout spectromètre analysant le spectre de liquides autres que le carburant, par exemple à l'eau, l'huile, etc. REVENDICATIONS1. Spectromètre (D') embarqué dans un véhicule automobile, pour analyser la composition d'un carburant (70), comprenant : - une lampe à incandescence (L), générant un rayon lumineux (R) qui traverse le carburant (70) à analyser, reliée d'un premier coté à une première tension d'alimentation continue (Vcc), et du deuxième coté à une masse électrique (Gnd), et traversée par un courant en tension continue dans un sens de circulation déterminé, - un élément sensible (40) fournissant une tension (Vs) représentative d'une intensité lumineuse du rayon lumineux (R) qu'il reçoit, - un microcontrôleur (10), relié électriquement à la sortie de l'élément sensible (40) destiné à analyser la tension (Vs) provenant de l'élement sensible (40), - un dispositif d'allumage (A', A") de la lampe à incandescence (L), le spectromètre (D') étant caractérisé en ce que le dispositif d'allumage (A',A") comprend 15 en outre des moyens d'inversion (T1, T2, T3, T4, 11',S+,S-) du sens de circulation du courant de tension continue (11, 12) traversant la lampe à incandescence (L). 2. Spectromètre (D') selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'inversion comprennent : - une structure de commutation (T1, T2, T3, T4) de type pont en H, 20 - des moyens de commande (11') de ladite structure, adaptés pour piloter le sens du courant de tension continue circulant à travers la lampe à incandescence (L). 3. Spectromètre (D') selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'inversion comprennent une deuxième tension d'alimentation continue (Vcc-) de valeur 25 absolue identique à la première tension d'alimentation continue (Vcc) et de polarité opposée à la première tension d'alimentation continue (Vcc), les deux tensions d'alimentation continues (Vcc, Vcc-) étant chacune respectivement reliées électriquement à la lampe à incandescence (L) par l'intermédiaire d'interrupteurs (S+, S-). 4. Procédé de mesure par un spectromètre (D') embarqué dans un véhicule 30 automobile, pour analyser la composition d'un carburant (70), utilisant le spectromètre (D') selon l'une quelconque des revendications précédentes, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :- Etape 1 : allumage de la lampe à incandescence (L), - Etape 2 : mesure des valeurs d'absorbances du carburant (70) à analyser, - Etape 3 : extinction de la lampe à incandescence (L), - Etape 4 : inversion du sens de circulation du courant de tension continue traversant la lampe à incandescence (L), - Etape 5 : répétition des étapes 2 à 4. 5. Véhicule comprenant un spectromètre (D') selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.