FR2764698A1 - GAS MEASURING HEAD COMPRISING AN ELECTROCHEMICAL GAS DETECTOR - Google Patents
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Abstract
Tête de mesure présentant 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.En outre, 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).A measuring head having an electrode device, electrical circuits for processing the electrical analog signals emitted by the electrode device and converting them into digital signals, and having a microprocessor adapted to receive and further process the digital signals. Furthermore, the electrical processing and converting circuits which are located between the electrode device and the microprocessor (20) are formed as integrated circuits in a chip (10), so that only digital signals are transmitted from the chip (10). ) to the microprocessor (20).
Description
L'invention concerne, de façon générale, une tête de mesure de gazThe invention relates generally to a gas measuring head
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 comprising an electrochemical gas detector which has an electrode device, electrical circuits for processing the analog electrical signals transmitted by the electrode device and converting them into digital signals, and comprising a microprocessor adapted to receive and
traiter de façon supplémentaire les signaux numériques. further process digital signals.
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 Gas measuring heads of the type mentioned are known in many forms and are used in various fields, in chemical factories, in laboratories and in production units where gases are used as operating means, for monitoring, regulating or
également pour déclencher une alarme. also to trigger an alarm.
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 A typical example is represented by gas measuring heads which can communicate with a central unit and which can function as a system of distributed gas measuring heads. Each gas measuring head comprises at least one electrochemical gas detector with electrodes emitting an analog electrical signal representative of the concentration of the gas to which the gas detector is sensitive. The electrical signals are managed in the gas measuring head via electrical circuits, for example first of all by means of an amplifier, filtered if necessary, and are then converted into digital signals
par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique- via an analog converter
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 digital. The digital signals are then routed to a microprocessor, located in the gas measurement head, which calibrates, corrects, and otherwise analyzes the signals, and routes them, if necessary, or outputs them locally as measurement results. In addition, the microprocessor can also perform control and verification functions of the gas detector and
circuits électriques montés en aval. downstream electrical circuits.
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 Known gas measuring heads have the disadvantage that the electrochemical gas detectors used to measure gases in the air produce only very weak signals, with measurement currents of the order of 1 nA. Since in many areas the prescribed limits for the concentration of gas in air - to which the gas measuring head must react with high reliability - which are prescribed are low, the disadvantage of having very low10 electrical signals from the gas detector will get worse in the future, as the permissible gas concentration limit values will tend to
baisser à l'avenir, dans de nombreux domaines. decrease in the future in many areas.
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 The analysis of electrical signals from the gas detector with measurement currents calculated in nanoamps requires very sensitive electrical circuits for management and processing, circuits which, because of their high sensitivity, are necessarily susceptible to being influenced by electromagnetic disturbances. This sensitivity to parasites is further reinforced by the large dimensions of the electrical circuits, which are inevitable because the amplifier, the analog-digital converter, etc. have discrete electrical components. The large dimensions of the device in space and, consequently, the sensitivity to induced disturbances, are further considerably increased when additional electrical circuits are provided for other functions, such as for example electrical circuits intended for polarization of the detector digitally. adjustable, to a limitation of the detector current, to an amplification of the digitally adjustable detector signal, to a digital adjustment of an analog filter, to the circuits used to determine the temperature of the detector or to verification functions for the
détecteur de gaz.gas detector.
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 The present invention aims to provide a gas measuring head with which it is possible to perform, even with weak electrical signals from the gas detector, a measurement of the concentration of the gas concerned which is precise and insensitive to electromagnetic disturbances. According to the invention, all the electrical circuits used to process and convert the analog electric signals of the gas detector which are located upstream of the microprocessor are formed into integrated circuits mounted on a chip, so that only digital signals are routed from the chip to the microprocessor. According to an advantageous embodiment, the chip carrying the electrical circuits is integrated into the gas detector, so that the integrated electrical circuits can be very close to the electrode device, which minimizes the sensitivity to electromagnetic disturbances occurring between the electrode device and electrical analysis and conversion circuits. The interface between the gas detector and the microprocessor, which is present on the gas measuring head, is a purely digital interface, which is absolutely not sensitive to electromagnetic disturbances. This is particularly advantageous since gas detectors are often in the form of interchangeable units which can be connected, as desired, to the gas measuring head. In this embodiment, the processing and conversion of analog (sensitive) electrical signals is carried out in the gas detector itself; they therefore no longer have to be routed through the measurement head through cables, fittings and the like, but can be routed through the gas measurement head as
signaux numériques.digital signals.
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 The integration of electrical circuits into a chip considerably reduces their dimensions in space, which clearly reduces their general sensitivity to electromagnetic disturbances. It is also possible to reduce the sensitivity to electromagnetic interference by mounting the circuits
sous forme de micro-îlots.in the form of micro-islands.
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 The invention will now be described with the aid of an exemplary embodiment, with reference to the drawing, in which: FIG. 1 is a block diagram representing the gas detector, the chip and the microprocessor and FIG. 2 is a block diagram showing the gas detector, the chip and the microprocessor, additional electrical measurement circuits being
prévus sur la puce, dans cet exemple. provided on the chip, in this example.
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 FIG. 1 is a schematic representation of an embodiment comprising relatively simple electrical circuits for processing and conversion placed on a chip 10. A gas detector 2 is connected to the chip 10 by several lines 4. On the chip a potentiostatic circuit 11 and an amplifier circuit 12 are provided which are intended for the electrical signals received by the gas detector 2. The measurement current is amplified in the amplifier circuit 12 and the amplified signal is then routed to an analog-digital converter 13 After the digitization, the signals are routed from the chip 10 to the microprocessor 20 of the gas measurement head. In the microprocessor 20, they are then managed, corrected and
sont soumis, si on le souhaite, à d'autres traitements. are subjected, if desired, to other treatments.
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 Figure 1 is a purely schematic representation and is not to scale. The chip 10 is really much smaller than the gas detector 2. Advantageously, the chip 10 is inserted into the gas detector 2, so that the lines 4 between the electrode device of the gas detector 2 and the circuits 11, 12, 13 of the chip 10 can be very short and have little negative influence on the electrical circuits located downstream. In addition, when the chip 10 is mounted inside the gas detector 2 proper, the analog electrical signals, which are sensitive, are processed and converted inside the gas detector 2 proper, and only signals digital signals are routed from the gas detector 2 located in the gas measurement head to its microprocessor. This makes it possible to have a simple electrical connection between the gas detector 2 and the microprocessor 20 located in the gas measurement head, in the form of a purely digital interface. This is particularly advantageous in the case where the gas detectors are formed in interchangeable units and capable of being removed from the head
de mesure de gaz.gas measurement.
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 Figure 2 is a block diagram comparable to that of Figure 1, additional electrical circuits being provided on the chip 10 to support and improve the measurement. Thus, in addition to the potentiostatic circuit 11, the amplifier circuit 12 and the analog-digital converter 13, a circuit 16 is provided for regulating the amplification of the amplifier circuit 12. In addition, a circuit 14 limiting the detector current is provided. , a control circuit 15 for monitoring the functions of the gas detector, a temperature measurement circuit 17 for measuring the temperature of the gas detector, and a bias circuit 18 for the gas detector 2, circuits which can all be addressed and controlled by the microprocessor 20. The connection between the chip 10 and the microprocessor 20, in this case, is therefore
conformée en voie de communication bidirectionnelle. conformed in two-way communication.
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). A gas measuring head according to the invention can also be equipped with another detector which does not operate according to an electrochemical principle and which has a comparable sensitivity to electromagnetic disturbances. We can consider the installation of semiconductor detectors, infrared optical detectors, as well as detectors analyzing the catalytic combustion of the gas to be measured (called pellistors).
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