Dispositif détecteur d'oxygène
La présente Invention concerne, de manière générale, un dispositif pour détecter la teneur en oxygène d'un gaz de composition inconnue et, de manière plus spécifique, un détecteur de pression partielle d'oxygène.
Il existe un besoin sans cesse croissant de dispositifs de surveillance de la teneur en oxygène d'un gaz. Au surplus, l'intensité de l'intérêt que l'on porte à ce genre d'applications croit rapidement également. A titre d'exemples des applications possibles, on peut citer la réduction de la pollution des gaz d'échappement des véhicules automobiles en déterminant la teneur en oxygène des gaz d'échappement et en régulant et en maintenant un rapport aircarburant à une valeur optimale, le sondage et le réglage de l'efficience de la combustion de brûleurs de tous types et le sondage et le réglage de la pureté de divers gaz, tels que l'hélium, en s'assurant que la proportion d'oxygène ne dépasse pas une limite tolérable.
Un dispositif que l'on a trouvé très approprié à la détection de la teneur en oxygène est constitué par une cellule galvanique destinée à mesurer les pressions partielles d'oxygène . La cellule comprend, de manière typique,
un électrolyte céramique solide sous la forme d'une paroi possédant des électrodes sur ses côtés opposés. Au moins l'une des électrodes est formée d'une matière perméable aux ions oxygène et possédant des propriétés catalytiques.
Lorsqu'un côté de la cellule est exposé à un gaz de référence et que l'autre coté est exposé à un gaz dont la teneur en oxygène n'est pas connue, il se produit entre les électrodes une tension qui est proportionnelle au loga-rithme de la pression partielle d'oxygène dans le gaz de composition inconnue. La structure et les principes de fonctionnement de ces dispositifs se trouvent décrits avec d'amples détails dans divers ouvrages, y compris Weissbart et
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L'électrolyte est formé, de manière typique, d'une solution solide d'oxydes d'éléments choisis dans le groupe formé par le zirconium, le thorium et l'hafnium, lesquels oxydes conduisent des ions d'oxygène. De telles matières sont typiquement stabilisées par une substance comme l'oxyde de calcium. On a également constaté que l'oxyde d'yttrium assurait une stabilisation satisfaisante. Les électrodes doivent être constituées d'une matière perméable aux ions oxygène , de façon à permettre à ces ions d'atteindre l'électrolyte. On utilise typiquement une forme poreuse de platine à titre de matière pour électrode, étant donné que ce produit constitue un catalyseur approprié et ne s'oxyde pas lorsqu'il est exposé à l'action de températures élevées et d'environnements oxydants dans lesquels les détecteurs de
ce type doivent opérer.
Il est courant de donner à l'électrolyte solide la forme d'un tube à travers lequel ou autour duquel passe le gaz de composition inconnue. Des dispositifs de ce type sont décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique No.
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surface interne entière du tube et s'étend par-dessus une extrémité de celui-ci, de sorte qu'une partie de l'électrode est disposée sur la surface externe du tube. La fixation de fils conducteurs est réalisée 'en enroulant les fils autour de la surface externe du tube dans les zones couvertes par les électrodes. Un autre agencement de réalisation de connexions électriques avec une configuration d'électrode interne similaire est décrite dans le brevet des Etats-Unis
<EMI ID=3.1> l'élément céramique s'adapte dans une pince ou griffe qui fait contact avec l'électrode interne prolongée.
Plusieurs désavantages sont inhérents à ces procédés connus comme à d'autres procédés encore de réalisation de connexions électriques avec les électrodes. Ces désavantages sont, en partie, dus aux faits que les détecteurs d'oxygène de ce type doivent opérer et opèrent à des températures élevées et dans des environnements par ailleurs inhospitaliers. Bien que ce ne soit seulement que la partie constituant la cellule galvanique du détecteur qui doit être exposée aux températures élevées, il n'est pas invraisemblable que l'endroit où se situent les connexions avec les fils conducteurs au détecteur soit également soumis à des températures variables et quelque peu élevées.
Par conséquent, il est normalement souhaitable ou nécessaire que les fils conducteurs soient constitués de la même matière que les électrodes pour éviter l'apparition d'effets de thermocouple qui pourraient engendrer des tensions étrangères. Inversement, si les connexions électriques sont réalisées avec une matière qui diffère de la matière constituant l'électrode, la jonction doit être maintenue à l'abri de toutes températures élevées et/ou variables.
Si l'on utilise des fils conducteurs en platine dans l'agencement de connexion décrit dans le brevet des Etats-
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sont nécessaires pour les connexions à un tube même de petit diamètre. Pour les connexions de ce type, on a constaté que le diamètre de fil acceptable minimal était de l'ordre de 0,425 mm. Au prix actuel, le fil conducteur de platine pour réaliser les connexions augmente considérablement le coût du détecteur. L'emploi d'un fil conducteur de plus faible diamètre apporte sa contribution à une rupture aisée et ne permet pas de réaliser un dispositif suffisamment durable.
En outre, une quantité importante de platine non exigée pour la fonction de l'électrode est nécessaire pour amener l'électrode interne par-dessus l'extrémité de la paroi du tube et à l'extérieur du tube. Comme dans le cas du fil conducteur, la pâte ou peinture au platine que l'on utilise typiquement pour former l'électrode est très coûteuse et augmente considérablement le coût du détecteur.
Le but de la demanderesse est d'offrir un détecteur d'oxygène qui pallie ou minimise les problèmes de durabilité et qui minimise la quantité de métaux précieux nécessaires pour la confection des électrodes, des fils conducteurs et des connexions des fils conducteurs.
La présente invention a donc plus particulièrement pour objet un détecteur de pression partielle d'oxygène caractérisé en ce qu'il comprend une paroi d'électrolyte solide , une première et une seconde électrodes appliquées sur les surfaces opposées de ladite paroi, une première et une seconde bandelettes conductrices de l'électricité, qui s'étendent depuis lesdites électrodes respectivement le long desdites surfaces, et un premier et un second fils conducteurs passant à travers la paroi et électriquement connectés aux bandelettes respectives.
On décrira à présent une forme de réalisation de l'invention à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins ci-annexés dans lesquels:
- la figure 1 représente une vue en élévation latérale d'un détecteur de pression partielle d'oxygène, suivant la présente invention ;
- la figure 2 représente une vue en coupe du détecteur de la figure 1 , prise le long de la ligne 2-2 ; et en
- la figure 3 est une vue partielle agrandie du détecteur représenté sur les figures 1 et 2, montrant des détails de l'agencement pour réaliser les connexions électrode-fil conducteur.
En se référant à présent plus particulièrement aux figures 1 et 2, on voit que le détecteur de pression partielle d'oxygène 10 comprend un élément d'électrolyte céramique ou solide, tubulaire, 11, qui peut être constitué d'oxyde de zirconium stabilisé..On a constaté que l'on obtenait une stabilisation très satisfaisante en dopant l'oxyde de zirconium d'oxyde d'yttrium.
Ainsi que la figure 2 le représente, l'élément tubu-
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re et une seconde extrémités 12 et 13. L'élément tubulaire
11 se présente sous la forme d'une paroi circulaire 14 comportant des surfaces interne et externe 15 et 16 respectivement. L'extrémité 12 est représentée fermée, les parois et la fermeture formant une structure unitaire. Comme décrit dans diverses des références précédemment indiquées, la paroi 14 a la propriété de conduire les ions oxygène. Lorsqu'on l'utilise pour la détection des pressions partielles d'oxygène, une surface de la paroi 14 est exposée à un gaz de référence. L'autre surface est exposée à un gaz dont on doit mesurer la teneur en oxygène.
On applique les électrodes 17 et 18 sur l'élément tubulaire 11, sur ses surfaces interne et externe respectivement, sur des zones proches de l'extrémité 12 de l'élément tubulaire. Les électrodes sont en forme de bandelettes couvrant des zones coextensives sur les surfaces interne et externe. Bien que les zones pourvues d'électrodes ne doivent pas être totalement coextensives, la seule surface avantageusement active de l'électrolyte est celle prise en sandwich entre les électrodes. Au moins l'électrode qui se trouve sur la surface exposée au gaz de composition inconnue est perméable aux ions oxygène et sert également de catalyseur. Le platine constitue une matière appropriée à cette fin. On a constaté que le palladium était également une matière convenant à l'emploi comme électrode.
On présume que la surface externe de l'élément tubulaire 11 est exposée au gaz de composition inconnue et que les électrodes 17 et 18 sont formées en appliquant une pâte ou peinture au platine sur les zones souhaitées des surfaces interne et externe 15 et 16. L'ensemble est ensuite soumis
à un traitement thermique pour chasser le véhicule de la pâte ou de la peinture , de manière à laisser subsister un dépôt de platine poreux. En raison du coût de platine ou des autres matières qui sont appropriées, telles que le palladium, il est souhaitable que la surface sur laquelle on applique la matière constituant l'électrode soit maintenue aussi faible que possible, tout en demeurant compatible avec un rendement adéquat du détecteur.
Une bandelette électriquement conductrice 19 s'étend depuis l'électrode interne 17 le long de la surface interne
15 vers la seconde extrémité 13 de l'élément tubulaire 11. De manière similaire, une bandelette conductrice de l'électricité 20 s'étend depuis l'électrode externe 18 le long
de la surface externe 16 vers la seconde extrémité de l'élément tubulaire. Ces bandelettes sont formées de la même matière que les électrodes, de manière à éliminer tout effet de thermocouple qui pourrait gêner le signal indicateur de la teneur en oxygène. Ainsi que les figures 2 et 3 le représentent et comme on le décrira dans la suite du présent mémoire, il n'est pas nécessaire que les bandelettes 19 et
20 s'étendent totalement jusqu'à l'extrémité 13 de l'élément tubulaire 11, minimisant ainsi la quantité de matière utilisée dans les bandelettes.
Aux fins d'obtention d'un signal qui peut être interprété de manière précise, il est souhaitable de confiner l'action galvanique à une surface limitée dans laquelle on peut maintenir des conditions uniformes. Par conséquent, les bandelettes 19 et 20 sont situées sur des bords opposés d'un plan contenant l'axe 13, de façon qu'il n'y ait pas d'électrolyte pris en sandwich entre elles et qu'elles ne contribuent pas à l'action galvanique. A titre de précaution supplémentaire contre un effet galvanique falsifié ou erroné, on peut recouvrir la bandelette 20 d'un revêtement isolant (non représenté) , comme un verre fortement diélectrique.Un tel revêtement empêche des gaz contenant de l'oxygène d'atteindre la bandelette et élimine par conséquent la possibilité d'une détection accidentelle autre que par l'électrode.
Le revêtement empêche également le courtcircuitage de la bandelette par des pièces ou organes métalliques proches.
Il a été constaté qu'un élément faible des détecteurs d'oxygène antérieurs était la fixation de fils conducteurs aux autres parties du détecteur. Le présent agencement de fixation à décrire dans la suite du présent mémoire assure une fixation des fils conducteurs exceptionnellement résistante et ceci pour un plus faible diamètre de fil et une plus courte longueur de fil , ce qui minimise les dépenses attribuables aux métaux précieux. L'agencement de fixation est le mieux représenté sur la figure 3 qui représente une partie de la paroi 14 et de l'électrode interne 19. Sur l'extrémité d'un fil conducteur 21 à connecter électriquement à la bandelette 19, on a formé une perle 21a . Le fil
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diamètre légèrement supérieur à celui du trou 24 de façon à empêcher de le tirer à travers le trou. Ainsi que la figure
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filée vers l'intérieur à travers le trou 24 et vers l'exté-
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formée après la mise en place du fil conducteur 21 dans les
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ducteur 21 peut faire partie du fil conducteur lors de sa fabrication, ou bien elle peut être glissée en place après la fixation du fil conducteur.
Une dépression est formée dans la paroi 14 à l'extrémité externe du trou 24 pour loger la perle 21a. Un manchon
26 constitué d'un tube électriquement isolant , thermiquement contractile, est placé autour de l'élément tubulaire 11 et des fils conducteurs 21 et 22 et est contracté en place pour davantage assurer les fils conducteurs vis-à-vis des autres organes ou pièces du détecteur. On peut appliquer les bandelettes 19 et 20 avant ou après l'installation des fils conducteurs.Si les bandelettes sont appliquées avant l'installation des fils conducteurs, une seconde application de platine ou de toute autre matière pour électrode est réalisée au-dessus des fils conducteurs aux points de connexion avec les bandelettes
Etant donné que la surface de fixation entre les fils conducteurs et les autres organes ou pièces du détecteur peut être soumise à des températures variables et élevées, il est généralement nécessaire qu'un fil conducteur soit formé de la même matière que l'électrode et la bandelette interconnectées. Les métaux précieux appropriés à la confection d'électrodes et de conducteurs apportent une contribution sensible au coût du détecteur. Par conséquent,
il est souhaitable de minimiser la quantité nécessaire de ces métaux. Avec l'agencement représenté sur les dessins, la demanderesse a constaté que des fils conducteurs d'un diamètre de 0,25 mm formaient un ensemble d'une résistance adéquate, tandis que des fils conducteurs de 4,25 mm de diamètre étaient nécessaires avec des agencements de la technique antérieure. Au surplus, l'agencement de la demanderesse utilise une longueur de fil sensiblement plus courte pour réaliser la fixation. Par conséquent, un agencement qui réduit la longueur et le diamètre de fil nécessaires, réduit sensiblement le coût du détecteur.
REVENDICATIONS
1.- Détecteur de pression partielle d'oxygène, caractérisé en ce qu'il comprend une paroi d'électrolyte solide, une première et une seconde électrodes appliquées sur les surfaces opposées de ladite paroi, une première et une seconde bandelettes conductrices de l'électricité, qui s'étendent depuis lesdites électrodes respectivement le long desdites surfaces, et un premier et un second fils conducteurs passant à travers la paroi et électriquement connectés aux bandelettes respectives.