FR2781572A1 - Method for supplying heat to high temperature resistive gas probes: comprises bridge producing positive and negative electrical pulses adjusted to deliver balanced charges to probe heating element - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne des mesures au moyen desquelles il est possible auThe invention relates to measures by which it is possible to
moins de rendre minimaux des effets de dérive et des altérations de valeur de mesure qui ont été observés en fonctionnement sur des sondes à gaz à température élevée de type résistif. On a établi que des causes de ce comportement de dérive sont constituées par des courants électriques unipolaires se présentant dans les éléments d'une sonde à gaz à température élevée à base d'oxyde métallique, de type résistif, ou à travers les parties constitutives de cette sonde. De telles sondes sont utilisées pour l'analyse et la surveillance de gaz d'échappement, notamment dans des véhicules automobiles, par exemple sous forme de ce qu'il est less to minimize the effects of drift and changes in measurement value which have been observed in operation on gas probes at high temperature of the resistive type. It has been established that causes of this drift behavior are constituted by unipolar electric currents occurring in the elements of a high temperature gas probe based on metal oxide, of resistive type, or through the constituent parts of this probe. Such probes are used for the analysis and monitoring of exhaust gases, in particular in motor vehicles, for example in the form of what it is
convenu d'appeler une sonde lambda de type résistif. agreed to call a resistive type lambda probe.
Des sondes à gaz typiques sont constituées d'un substrat HTCC (High Temperatur Cofired Ceramic = céramique à cuisson simultanée à température élevée) qui est par exemple un oxyde d'aluminium. Ce substrat est utilisé sous forme d'une plaquette ou d'une feuille. Il est prévu, déposés sur ce substrat, outre la couche d'oxyde métallique sensible au gaz, un élément chauffant isolé électriquement de cette couche, de préférence en platine, et éventuellement un capteur de température. Une telle structure est connue d'une manière générale et est fabriquée conformément à des opérations de procédé connues. L'élément chauffant indiqué sert à maintenir la sonde à la température nécessaire de fonctionnement, un maintien constant de la température étant souhaité pour éviter des perturbations dues à une sensibilité de déséquilibre de température (exponentielle) de la couche formant sonde. Des températures typiques de fonctionnement d'une telle sonde sont comprises entre 700 et 950 C, valeurs auxquelles des matières d'isolation disponibles pour le substrat ont déjà une résistance électrique spécifique relativement faible, à savoir en comparaison des résistances spécifiques des matières à Typical gas probes consist of an HTCC (High Temperatur Cofired Ceramic) substrate which is for example an aluminum oxide. This substrate is used in the form of a wafer or a sheet. There is provided, deposited on this substrate, in addition to the layer of metal oxide sensitive to gas, a heating element electrically insulated from this layer, preferably made of platinum, and optionally a temperature sensor. Such a structure is generally known and is manufactured in accordance with known process operations. The indicated heating element is used to maintain the probe at the necessary operating temperature, a constant temperature maintenance being desired to avoid disturbances due to a temperature imbalance sensitivity (exponential) of the probe layer. Typical operating temperatures of such a probe are between 700 and 950 C, values at which insulation materials available for the substrate already have a relatively low specific electrical resistance, namely in comparison with the specific resistances of the materials to be
base d'oxyde métallique de la couche formant sonde à gaz. metal oxide base of the gas probe layer.
Ces dernières sont comprises entre 20 kilo-ohms et 2 méga-ohms. Afin d'éviter, pendant la mesure sensible au gaz, des perturbations éventuellement dues au chauffage, la détection du gaz a toujours lieu avec un élément chauffant qui n'est pas traversé par un courant au moment These range from 20 kilo-ohms to 2 mega-ohms. In order to avoid, during the gas-sensitive measurement, disturbances possibly due to heating, the detection of the gas always takes place with a heating element which is not crossed by a current at the time
de cette mesure.of this measurement.
Toutefois, il a également été établi que les valeurs de mesure qui doivent être obtenues avec une sonde typique sont variables sur l'étendue de la durée de service, ce qui repose sur des variations se présentant However, it has also been established that the measurement values to be obtained with a typical probe are variable over the span of the service life, which is based on variations occurring
dans l'élément formant sonde.in the probe element.
La présente invention a pour but de fournir des mesures au moyen desquelles on peut obtenir, avec une telle sonde à gaz, des valeurs de mesure qui sont The object of the present invention is to provide measurements by means of which it is possible to obtain, with such a gas probe, measurement values which are
sujettes à une dérive minimale.subject to minimal drift.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour le fonctionnement d'une sonde à gaz, comportant un élément chauffant et un élément de sonde, à laquelle un courant électrique est appliqué pour la détermination de la valeur de mesure sensible au gaz, caractérisé en ce qu'est produite, pour l'alimentation de l'élément chauffant, une tension alternative modulée en largeur d'impulsions qui est déduite d'une tension continue et pour laquelle des premières et des secondes impulsions de tension se succédant ont des polarités opposées l'une à l'autre par rapport à un potentiel de base, en ce qu'avec les premières impulsions de tension ayant une première polarité de la tension alternative, un courant électrique est appliqué à travers l'élément chauffant dans un premier sens de celui-ci et en ce qu'avec les secondes impulsions de tension ayant la polarité opposée de la tension alternative, un courant électrique est appliqué à To this end, the subject of the invention is a method for operating a gas probe, comprising a heating element and a probe element, to which an electric current is applied for the determination of the measurement value sensitive to gas. , characterized in that there is produced, for the supply of the heating element, an alternating voltage modulated in pulse width which is deduced from a direct voltage and for which first and second successive voltage pulses have polarities opposite to each other with respect to a base potential, in that with the first voltage pulses having a first polarity of the alternating voltage, an electric current is applied through the heating element in a first sense of it and in that with the second voltage pulses having the opposite polarity of the alternating voltage, an electric current is applied to
travers l'élément chauffant dans le sens opposé de celui- through the heating element in the opposite direction of it
ci, en ce que, pendant la durée d'impulsion des premières impulsions de tension, une première valeur de courant est mesurée au moyen du courant électrique passant dans l'élément de sonde et la première quantité de charge qui est passée pendant cette durée d'impulsion est déterminée, en ce que, pendant la durée d'impulsion des secondes impulsions de tension, une seconde valeur de courant est mesurée au moyen du courant électrique passant dans l'élément de sonde et la seconde quantité de charge qui est passée pendant cette durée d'impulsion est déterminée, les deux valeurs de courant étant mesurées pour la même tension appliquée à l'élément de sonde, en ce qu'à partir des valeurs de la première quantité de charge et de la seconde quantité de charge, la valeur de la différence des quantités de charge qui sont passées est déterminée et en ce que le rapport de la première durée d'impulsion à la seconde durée d'impulsion est réglé, pour une somme constante des durées d'impulsion préfixée par la puissance de chauffage nécessaire, de façon que la valeur de différence soit amenée à un ci, in that, during the pulse duration of the first voltage pulses, a first current value is measured by means of the electric current passing through the probe element and the first amount of charge which is passed during this duration d pulse is determined in that, during the pulse duration of the second voltage pulses, a second current value is measured by means of the electric current passing through the probe element and the second amount of charge which is passed for this pulse duration is determined, the two current values being measured for the same voltage applied to the probe element, in that from the values of the first amount of charge and the second amount of charge, the value of the difference in the quantities of charge which have passed is determined and in that the ratio of the first pulse duration to the second pulse duration is adjusted, for a sum pulse duration constant prefixed by the required heating power, so that the difference value is brought to a
minimum pouvant être atteint.minimum that can be reached.
Le procédé conforme à l'invention peut aussi présenter l'une des particularités suivantes ou les deux: - le réglage du rapport de la première durée d'impulsion ayant la première polarité à la seconde durée d'impulsion ayant la seconde polarité fait l'objet, pendant la durée de fonctionnement de la sonde, d'une régulation continue qui est telle que la valeur de différence est maintenue à un minimum pouvant dans chaque The method according to the invention may also have one or both of the following particularities: the adjustment of the ratio of the first pulse duration having the first polarity to the second pulse duration having the second polarity makes the subject, during the operating time of the probe, to continuous regulation which is such that the difference value is kept to a minimum which can in each
cas être atteint.case be reached.
- la fréquence alternative d'impulsions de la succession des premières et secondes impulsions de tension est grande en comparaison de la fréquence - the alternating pulse frequency of the succession of the first and second voltage pulses is high in comparison with the frequency
alternative du courant de sonde.alternating probe current.
L'invention a également pour objet un dispositif de mise en oeuvre d'un procédé tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il est prévu un dispositif servant à produire une tension alternative modulée en largeur d'impulsions dont les durées d'impulsion des impulsions de tension et des intervalles entre ces impulsions peuvent être commandées dans ce dispositif, un dispositif de mesure servant à mesurer les valeurs de courant de sonde, lors d'une impulsion de tension présentant une première polarité et d'une impulsion de tension présentant la polarité opposée, et les quantités de charge qui sont respectivement passées pendant les durées d'impulsion, un circuit servant à déterminer la valeur de différence des deux quantités de charge, un régulateur de potentiel et un circuit servant à régler un rapport des durées d'impulsion pour une valeur de différence rendue minimale. Le dispositif conforme à l'invention, servant à produire la tension alternative modulée en largeur d'impulsions, peut aussi présenter la particularité selon laquelle ce dispositif est un circuit en pont, dans lequel il est prévu quatre branches de pont comportant chacune un interrupteur et dans lequel la connexion de la tension continue est prévue entre les sommets d'une première diagonale et la connexion de l'élément chauffant entre les sommets de l'autre diagonale, et ces interrupteurs sont, en ce qui concerne leur fonction d'interrupteur, connectés par paires en pouvant être commandés pour une ouverture et une fermeture dans le The invention also relates to a device for implementing a method as defined above, characterized in that there is provided a device used to produce an alternating voltage modulated in pulse width whose durations d the pulse of the voltage pulses and the intervals between these pulses can be controlled in this device, a measuring device serving to measure the probe current values, during a voltage pulse having a first polarity and a pulse of voltage having the opposite polarity, and the quantities of charge which are passed respectively during the pulse durations, a circuit for determining the difference value of the two quantities of charge, a potential regulator and a circuit for adjusting a ratio of the pulse durations for a minimized difference value. The device according to the invention, used to produce the alternating voltage modulated in pulse width, can also have the characteristic that this device is a bridge circuit, in which four bridge branches are provided, each comprising a switch and in which the connection of the DC voltage is provided between the vertices of a first diagonal and the connection of the heating element between the vertices of the other diagonal, and these switches are, as regards their switch function, connected in pairs, being able to be ordered for opening and closing in the
temps s'effectuant d'une manière symétrique. time taking place in a symmetrical manner.
Ainsi, comme mesures prises importantes, l'invention comporte, entre autres, celle consistant à utiliser pour le chauffage un courant alternatif choisi Thus, as important measures taken, the invention comprises, inter alia, that of using for heating a selected alternating current
d'une manière déterminée (encore à exposer en détail ci- in a specific way (still to be explained in detail below)
après). Notamment, la forme de ce courant alternatif est choisie en étant réglée automatiquement, d'une part en étant adaptée individuellement à l'exemplaire de sonde particulier, et d'autre part en étant égalisée face à des variations se présentant dans la sonde au cours de la after). In particular, the shape of this alternating current is chosen by being adjusted automatically, on the one hand by being individually adapted to the specimen of particular probe, and on the other hand by being equalized in the face of variations occurring in the probe during of the
durée de fonctionnement.operating time.
Il a été établi que, dans les couches résistives sensibles au gaz d'éléments de sonde à gaz typiques, il se présente, avec la durée de fonctionnement de ceux-ci, des défauts de polarisation qui conduisent à une dérive de valeur de mesure. La raison doit en être vue dans l'action de courants unipolaires, plus précisément de composantes à courant continu d'un courant alternatif qui passe, ces courants unipolaires ou composantes à courant continu passant à travers la matière de la couche sensible. Les causes de tels courants unipolaires sont des courants de fuite qui passent par exemple, dans un sens unipolaire et sur la période, de l'élément de sonde vers l'élément chauffant de la sonde qui est également alimenté en courant. Grâce aux mesures prises conformément à la définition générale du procédé conforme à l'invention exposées ci-dessus et grâce en outre à celles des particularités supplémentaires également exposées ci-dessus, l'invention permet d'obtenir qu'un courant électrique, objet d'une sommation sur l'étendue de segments de temps de la durée de fonctionnement, qui ne présente qu'un sens unipolaire soit évité ou au moins It has been established that, in the gas-sensitive resistive layers of typical gas probe elements, there are, with the duration of their operation, polarization faults which lead to a drift in measurement value. The reason must be seen in the action of unipolar currents, more precisely of direct current components of an alternating current which passes, these unipolar currents or components of direct current passing through the material of the sensitive layer. The causes of such unipolar currents are leakage currents which pass, for example, in a unipolar direction and over the period, from the probe element to the heating element of the probe which is also supplied with current. Thanks to the measures taken in accordance with the general definition of the process according to the invention set out above and also thanks to those of the additional features also set out above, the invention makes it possible to obtain an electric current, object of '' a summation over the span of time segments of the operating time, which only has a unipolar meaning is avoided or at least
fortement rendu minimal dans la matière sensible au gaz. strongly minimized in gas sensitive material.
Ceci signifie qu'est au moins rendu minimale la quantité de charge électrique qui, dans des segments de temps du fonctionnement, a pu passer d'une manière unipolaire à travers la matière sensible au gaz, de sorte que des défauts de polarisation dans cette matière, dus au courant unipolaire de telles charges électriques sont au This means that at least the amount of electrical charge which, in time segments of operation, has been able to pass unipolarly through the gas-sensitive material is minimized, so that polarization defects in this material due to the unipolar current such electric charges are at
moins évités dans une large mesure. less avoided to a large extent.
Dans le cas de l'invention, non seulement on utilise un courant alternatif pour le courant électrique de mesure Im passant dans la couche sensible au gaz de l'élément de sonde, mais il est également prévu qu'un courant alternatif, plus précisément d'un type particulier choisi conformément à l'invention, soit utilisé pour l'alimentation du chauffage de la sonde à In the case of the invention, not only is an alternating current used for the electrical measuring current Im passing through the gas-sensitive layer of the probe element, but it is also provided for an alternating current, more precisely d '' a particular type chosen in accordance with the invention, either used for supplying the heating of the probe to
gaz.gas.
Ainsi qu'il est connu, la structure d'une sonde à gaz résistive chauffée est conçue de façon que, sur une plaquette de substrat électriquement isolante, on trouve l'élément de sonde, s'étendant à deux dimensions dans un plan, et l'élément chauffant s'étendant également à deux As is known, the structure of a heated resistive gas probe is designed so that, on an electrically insulating substrate board, there is the probe element, extending in two dimensions in a plane, and the heating element also extending to two
dimensions dans un plan parallèle voisin au premier plan. dimensions in a plane parallel to the foreground.
Le courant (de mesure ou de chauffage) qui passe à travers chaque élément et, dans celui-ci, passe entre des électrodes prévues sur l'élément considéré, crée, dans le plan de chacun des éléments de sonde et chauffant, un champ de potentiel électrique respectif. En fonction des tensions électriques appliquées d'une part sur l'élément de sonde et d'autre part sur l'élément chauffant, il se présente, approximativement au centre du plan de chacun des éléments, une valeur moyenne, appelée ici potentiel moyen, de la différence de potentiel de la tension The current (of measurement or heating) which passes through each element and, in this one, passes between electrodes provided on the element considered, creates, in the plane of each element of probe and heating, a field of respective electrical potential. Depending on the electrical voltages applied on the one hand to the probe element and on the other hand to the heating element, there is, approximately in the center of the plane of each of the elements, an average value, here called average potential, of the voltage potential difference
électrique appliquée sur l'élément respectif. applied to the respective element.
Les mesures prises conformément à l'invention ont pour effet qu'une différence de potentiel unipolaire, c'est-à-dire une tension électrique entre ce potentiel moyen de la couche de l'élément de sonde et celui de la couche de l'élément chauffant est, en étant intégrée sur l'étendue de la durée de fonctionnement, rendue minimale ou rendue nulle dans le cas idéal. Ceci signifie que, sur l'étendue de la période, c'est dans une mesure la plus faible possible qu'il passe à cet endroit une composante unipolaire de charge électrique au cours de la durée de fonctionnement, à savoir une composante sous l'effet de laquelle des défauts de polarisation auraient pu être produits. La mesure ainsi prise donne l'assurance que, d'une manière intégrée par rapport au temps, une quantité de charge unipolaire passant même en dehors du centre The measures taken in accordance with the invention have the effect that a difference in unipolar potential, that is to say an electric voltage between this average potential of the layer of the probe element and that of the layer of the heating element is, by being integrated over the duration of the operating time, made minimum or made zero in the ideal case. This means that, over the entire period, it is to the lowest possible extent that it passes a single-pole component of electric charge during this period of operation, namely a component under the effect from which polarization faults could have been produced. The measurement thus taken gives the assurance that, in an integrated manner with respect to time, a quantity of unipolar charge passing even outside the center
indiqué des plans est rendue minimale dans le temps. indicated plans is made minimal over time.
L'utilisation, pour le chauffage d'une sonde typique, d'un courant alternatif se présentant sous forme de signaux modulés en largeur d'impulsions (PWM) est notamment connue pour les cas dans lesquels l'alimentation du chauffage à partir d'une source de courant continu (comme par exemple dans un véhicule) doit être assurée au moyen d'une tension V, par rapport à la masse. Le réglage en largeur d'impulsions permet que la puissance électrique fournie pour l'alimentation soit commandée simplement et avec des pertes réduites, à savoir en faisant s'appliquer la tension Vcc totale sur le chauffage par impulsions et en ne faisant s'appliquer aucune tension sur l'élément chauffant dans les intervalles entre impulsions (dans lesquels, comme déjà indiqué, la mesure sensible au gaz a lieu). En revanche, contrairement à cette pratique, il est prévu, conformément à l'invention, que les impulsions de tension qui se succèdent d'une manière périodique et sont appliquées à l'élément chauffant aient des polarités opposées alternant dans le temps. Par ailleurs, conformément à l'invention, il est prévu que la largeur ou durée tl de l'impulsion de tension dans un premier sens et la durée correspondante de l'impulsion de sens opposé soient variables l'une par rapport à l'autre et qu'à cet effet, les intervalles situés entre celles-ci The use, for the heating of a typical probe, of an alternating current appearing in the form of signals modulated in pulse width (PWM) is in particular known for the cases in which the supply of the heating starting from a source of direct current (as for example in a vehicle) must be ensured by means of a tension V, compared to the mass. The pulse width adjustment allows the electrical power supplied for the power supply to be controlled simply and with reduced losses, namely by applying the total voltage Vcc to the pulse heating and by not applying any voltage on the heating element in the intervals between pulses (in which, as already indicated, the gas-sensitive measurement takes place). On the other hand, contrary to this practice, it is provided, in accordance with the invention, that the voltage pulses which follow one another in a periodic manner and are applied to the heating element have opposite polarities alternating in time. Furthermore, in accordance with the invention, it is provided that the width or duration tl of the voltage pulse in a first direction and the corresponding duration of the pulse of opposite direction are variable with respect to each other and that for this purpose, the intervals between them
puissent être réglés.can be set.
D'autres précisions concernant l'invention, qui contiennent un supplément de divulgation, sont fournies Further details of the invention, which contain additional disclosure, are provided
en regard des dessins annexés.next to the accompanying drawings.
La figure 1 représente le graphe d'un exemple d'une tension alternative utilisée conformément à l'invention FIG. 1 represents the graph of an example of an alternating voltage used in accordance with the invention
pour l'alimentation de l'élément chauffant. to supply the heating element.
La figure 2 représente un agencement de circuit servant à produire la tension alternative de la figure 1, cet agencement de circuit faisant également partie de la Figure 2 shows a circuit arrangement for producing the alternating voltage of Figure 1, this circuit arrangement also forming part of the
régulation.regulation.
La figure 3 représente un graphe permettant de préciser la corrélation dans le temps, conforme à l'invention, existant entre les intervalles/points de mesure et les phases du courant alternatif de la figure 1. La figure 4 représente le schéma du processus de régulation prévu conformément à l'invention qui sert à rendre minimal un courant de fuite (excès de courant) unipolaire se présentant d'une manière intégrée dans le temps. La figure 1 présente le principe de base d'un schéma d'impulsions de la tension de chauffage PWM, utilisée conformément à l'invention, au moyen de laquelle, conformément à l'invention, le potentiel central, mentionné ci-dessus, de l'élément chauffant de la sonde à gaz peut faire l'objet d'une variation en étant soumis à une commande/régulation, plus précisément avec le résultat de rendre minimal un courant de fuite unipolaire, tel qu'il s'en présenterait obligatoirement, suivant l'état de la technique, entre l'élément de sonde FIG. 3 represents a graph making it possible to specify the correlation over time, in accordance with the invention, existing between the intervals / measurement points and the phases of the alternating current of FIG. 1. FIG. 4 represents the diagram of the regulation process provided in accordance with the invention which serves to minimize a unipolar leakage current (excess current) occurring in an integrated manner over time. FIG. 1 shows the basic principle of a pulse diagram of the heating voltage PWM, used according to the invention, by means of which, according to the invention, the central potential, mentioned above, of the heating element of the gas probe can be subject to variation by being subjected to a command / regulation, more precisely with the result of minimizing a unipolar leakage current, such as it would necessarily appear , according to the state of the art, between the probe element
et l'élément chauffant de la sonde à gaz décrite ci- and the heating element of the gas probe described above
dessus, ici pertinente, en raison des résistances d'isolation de la plaquette de substrat dont la grandeur n'est que limitée aux températures élevées de fonctionnement. tl désigne à chaque fois l'impulsion de la tension alternative de chauffage qui présente une première polarité de tension/un premier sens de courant, ainsi que sa durée (réglée conformément à l'invention). t2 désigne l'impulsion correspondante de tension de sens opposé (du sens opposé correspondant de courant de chauffage). tO et t'0 désignent les intervalles entre impulsions associés par rapport à la durée totale de période désignée par T. Les abscisses représentent l'axe du temps et la tension de fonctionnement positive et la tension de fonctionnement négative Vcc sont portées en ordonnées. La somme des durées tl + t2 doit être choisie en fonction de la puissance de chauffage nécessaire pendant la période T. Toutefois, conformément à l'invention, les durées tl et t2 sont déterminées dans le rapport de l'une à l'autre above, here relevant, due to the insulation resistances of the substrate wafer, the size of which is only limited to the high operating temperatures. tl designates each time the pulse of the AC heating voltage which has a first voltage polarity / a first current direction, as well as its duration (adjusted in accordance with the invention). t2 denotes the corresponding voltage pulse of opposite direction (of the corresponding opposite direction of heating current). t0 and t'0 designate the intervals between associated pulses with respect to the total duration of the period designated by T. The abscissa represents the time axis and the positive operating voltage and the negative operating voltage Vcc are plotted on the ordinate. The sum of the times tl + t2 must be chosen as a function of the heating power required during the period T. However, in accordance with the invention, the times tl and t2 are determined in the ratio of one to the other
d'une manière particulière devant encore être décrite ci- in a particular way still to be described below
après en détail.after in detail.
Le principe de base du schéma d'impulsions de la figure 11 peut également être modifié, en restant dans le cadre de l'invention, par le fait par exemple qu'à la place de la succession à chaque fois d'une impulsion tl et d'une impulsion t2, ce sont à chaque fois plusieurs impulsions tl qui sont suivies de plusieurs impulsions t2 correspondantes et la somme Ztl des largeurs dans le temps de ces premières impulsions est réglée, conformément à l'invention, dans son rapport à la somme The basic principle of the pulse diagram of FIG. 11 can also be modified, while remaining within the framework of the invention, by the fact for example that in place of the succession each time of a pulse tl and a pulse t2, each time several pulses tl are followed by several corresponding pulses t2 and the sum Ztl of the widths in time of these first pulses is adjusted, in accordance with the invention, in its ratio to the sum
Et2 correspondante.Et2 corresponding.
Une tension alternative appliquée sur l'élément chauffant 12, telle que représentée à la figure 1, peut être produite au moyen d'un pont d'interrupteurs 51 tel que le montre la figure 2, plus précisément pour la première impulsion tl et la seconde impulsion t2 dans la période T. Les interrupteurs S représentés à la figure 2 sont tous ouverts pendant les intervalles entre impulsions tO, t'0. Conformément à l'invention, lors de l'alimentation par impulsions du chauffage, telle que représentée à la figure 1, il passe dans l'élément chauffant (12 à la figure 2) un courant électrique bipolaire qui comporte toutefois, en fonction du sens du courant (et pour une intensité de courant uniforme), des An alternating voltage applied to the heating element 12, as shown in FIG. 1, can be produced by means of a switch bridge 51 as shown in FIG. 2, more precisely for the first pulse tl and the second pulse t2 in period T. The switches S shown in Figure 2 are all open during the intervals between pulses t0, t'0. According to the invention, during the pulse supply of the heating, as shown in Figure 1, it passes through the heating element (12 in Figure 2) a bipolar electric current which however, depending on the direction current (and for a uniform current intensity),
quantités de charge différentes en fonction du sens. different charge quantities depending on the direction.
L'agencement de circuit de la figure 2 sert, en étant commandé, de régulateur de potentiel pour le potentiel central, mentionné ci-dessus, de l'élément chauffant 12. Une fermeture des interrupteurs S1 et Si' d'une part et une fermeture des interrupteurs S2 et S2' d'autre part qui ont des durées de longueurs différant d'une manière appropriée (à savoir tl et t2) permettent de régler le potentiel central de l'élément chauffant en le déplaçant dans un sens ou dans l'autre en fonction du niveau. Il est ainsi possible, conformément à l'invention, de rendre minimal un excès formant courant de fuite unipolaire dans la matière sensible au gaz de l'élément de sonde, qui se présente dans le cas d'une sonde à gaz typique et qui est intégré sur l'étendue de la période en tant que quantité de charge. Ainsi, la possibilité d'une apparition de défauts de polarisation est de la même manière rendue minimale et le problème The circuit arrangement of FIG. 2 serves, when controlled, as a potential regulator for the central potential, mentioned above, of the heating element 12. A closing of the switches S1 and Si 'on the one hand and a closing of the switches S2 and S2 ′ on the other hand which have durations of lengths which differ in an appropriate manner (namely tl and t2) make it possible to adjust the central potential of the heating element by moving it in one direction or in the 'other depending on the level. It is thus possible, in accordance with the invention, to minimize an excess forming a unipolar leakage current in the gas-sensitive material of the probe element, which occurs in the case of a typical gas probe and which is integrated over the span of the period as a charge amount. Thus, the possibility of occurrence of polarization faults is likewise minimized and the problem
posé résolu.posed resolved.
En effet, dans des sondes à gaz d'une nature typique, des composantes de courant de fuite unipolaire se présentent, en tant que dispersion entre exemplaires et individuellement, avec des valeurs d'intensité différente, plus précisément notamment pour des raisons de structure de ces sondes, du fait de positionnements défectueux des agencements des éléments et/ou du fait de défauts d'homogénéité de matière. Il n'est pas non plus à exclure que de telles causes de l'apparition de courants unipolaires se présentent, en tant que vieillissement, uniquement lorsque s'écoule le temps d'utilisation d'une telle sonde. Ainsi, conformément à l'invention, il est prévu une commande ou régulation qui, pour la sonde à gaz prise individuellement, règle d'abord à sa valeur minimale la quantité de charge unipolaire passant et/ou respecte la valeur minimale de cette quantité de charge, obtenue pour chaque sonde considérée, en étant également réglée au cours du temps, alors que des variations sont apparues dans la sonde lorsque s'écoule le temps d'utilisation. Pour un réglage, par régulation, d'une telle adaptation optimisée des potentiels présents sur l'élément chauffant au moyen d'une mesure du rapport des durées tl et t2 l'une par rapport à l'autre qui fait l'objet d'une régulation (par exemple à chauffage maintenu constant), l'invention prévoit de prendre les mesures qui suivent: Concernant la manière de mesurer la valeur de résistance sensible au gaz de la couche sensible au gaz qui est chargée de gaz à mesurer/détecter (cette mesure a lieu dans les intervalles entre impulsions de la tension électrique appliquée à l'élément chauffant), c'est toutefois, conformément à l'invention, alors qu'une tension électrique est appliquée à l'élément chauffant, c'est-à-dire pendant une durée respectivement tl, t2 du chauffage, qu'un courant électrique Im est introduit dans la couche sensible au gaz de l'élément de sonde. A chaque fois, l'intensité de ce courant passant dans l'élément de sonde est mesurée, plus précisément d'une part l'intensité Iml de ce courant pendant tl du passage de courant dans l'élément chauffant suivant un premier sens et d'autre part l'intensité Im2 pendant t2 du passage de courant dans l'élément chauffant dans l'autre sens opposé au premier. Avantageusement, on part de durées tl = t2. A l'instant chaque fois considéré de la mesure, la tension de chauffage Vcc est toujours constante, indépendamment du sens du courant de chauffage. Les deux valeurs mesurées des quantités de charge Q1 = (Iml x tl) et Q2 = (Im2 x t2) qui passent peuvent permettre d'en déduire, pour chaque sens, la quantité de courant de fuite du sens considéré qui passe respectivement dans un premier sens approprié et dans le sens opposé pendant la première mesure et pendant la seconde mesure. Tant que et à condition que les deux valeurs de mesure Q1 et Q2 soient mesurées comme ayant la même grandeur, la structure de la sonde est idéale, étant donné que les quantités de courant de fuite qui passent dans un premier sens et dans l'autre sens ont la même grandeur et il ne se présente sur l'étendue de la période aucune quantité de charge formant courant de fuite unipolaire qui formerait un excès pouvant produire des défauts de polarisation au Indeed, in gas probes of a typical nature, unipolar leakage current components appear, as a dispersion between copies and individually, with values of different intensity, more precisely in particular for reasons of structure of these probes, due to defective positioning of the arrangements of the elements and / or due to defects in material homogeneity. Nor can it be excluded that such causes of the appearance of unipolar currents arise, as aging, only when the time of use of such a probe elapses. Thus, in accordance with the invention, there is provided a command or regulation which, for the gas probe taken individually, first adjusts to its minimum value the amount of unipolar charge passing and / or respects the minimum value of this amount of load, obtained for each probe considered, also being adjusted over time, while variations have appeared in the probe when the time of use has elapsed. For an adjustment, by regulation, of such an optimized adaptation of the potentials present on the heating element by means of a measurement of the ratio of the durations tl and t2 relative to the other which is the subject of a regulation (for example with constant heating), the invention provides for taking the following measures: With regard to the way of measuring the gas-sensitive resistance value of the gas-sensitive layer which is charged with gas to be measured / detected ( this measurement takes place in the intervals between pulses of the electric voltage applied to the heating element), it is however, in accordance with the invention, while an electric voltage is applied to the heating element, that is that is to say for a duration respectively tl, t2 of the heating, that an electric current Im is introduced into the gas-sensitive layer of the probe element. Each time, the intensity of this current passing through the probe element is measured, more precisely on the one hand the intensity Iml of this current during tl of the current flow in the heating element in a first direction and d on the other hand the intensity Im2 during t2 of the current flow in the heating element in the other direction opposite to the first. Advantageously, we start with durations tl = t2. At the time each time considered of the measurement, the heating voltage Vcc is always constant, regardless of the direction of the heating current. The two measured values of the charge quantities Q1 = (Iml x tl) and Q2 = (Im2 x t2) which pass can make it possible to deduce therefrom, for each direction, the amount of leakage current of the direction considered which passes respectively through a first appropriate direction and in the opposite direction during the first measurement and during the second measurement. As long as and provided that the two measurement values Q1 and Q2 are measured as having the same quantity, the structure of the probe is ideal, given that the quantities of leakage current which pass in one direction and in the other sense have the same magnitude and there does not appear over the entire period any amount of charge forming a unipolar leakage current which would form an excess which could produce polarization defects at
cours de la durée de fonctionnement. during the operating time.
Toutefois, en liaison avec le travail effectué sur l'invention, il a été établi que, pour une sonde fabriquée, ce n'est que rarement que ces deux valeurs de mesure Q1 et Q2 ont la même grandeur (et restent également de la même grandeur). Il existe alors, entre la couche sensible et l'élément chauffant, une différence de potentiel entre les potentiels centraux définis qui conduit à une quantité de charge formant courant de fuite unipolaire. Sur le plan structurel, cela peut par exemple être dû à des épaisseurs réparties d'une manière non uniforme, par exemple d'une couche adhésive et analogue, sur l'étendue de la surface de l'élément de sonde/élément chauffant. Conformément à l'invention, il est prévu d'abaisser au moyen d'une régulation, au moins jusqu'à un minimum, la grandeur de mesure de la différence AQ = IQ1 - Q21 entre les valeurs de mesure Q1 et Q2 et donc la quantité de charge formant courant de fuite unipolaire qui se présente ainsi. A cet effet, cette valeur de différence mesurée est envoyée à un régulateur qui toutefois ne contient d'abord aucune information sur le sens dans lequel il doit commander la régulation. Conformément à l'invention, le régulateur est conçu, sous forme d'un système susceptible d'apprentissage, pour rendre minimale la valeur de différence entre les valeurs de mesure Q1 et Q2 et il peut reconnaître, au moyen de méthodes connues appropriées (par exemple de logique floue), le sens However, in connection with the work carried out on the invention, it has been established that, for a manufactured probe, it is only rarely that these two measurement values Q1 and Q2 have the same magnitude (and also remain the same greatness). There is then, between the sensitive layer and the heating element, a potential difference between the defined central potentials which leads to an amount of charge forming a unipolar leakage current. Structurally, this may for example be due to thicknesses distributed in a non-uniform manner, for example of an adhesive layer and the like, over the extent of the surface of the probe element / heating element. According to the invention, provision is made to lower, by means of regulation, at least to a minimum, the measurement quantity of the difference AQ = IQ1 - Q21 between the measurement values Q1 and Q2 and therefore the amount of charge forming a unipolar leakage current which is thus presented. For this purpose, this measured difference value is sent to a regulator which, however, does not initially contain any information on the direction in which it must control the regulation. In accordance with the invention, the regulator is designed, in the form of a system capable of learning, to minimize the value of difference between the measurement values Q1 and Q2 and it can recognize, by means of suitable known methods (by example of fuzzy logic), the meaning
convenable de sa régulation.proper regulation.
Le procédé conforme à l'invention comporte donc les opérations suivantes: 1) application de la tension habituelle sur l'élément de sonde et de la tension alternative de chauffage prévue conformément à l'invention, 2) pendant une impulsion de chauffage tl (positive), il se produit une mesure de la résistance de sonde et donc de la valeur de mesure Q1, 3) pendant une impulsion de chauffage t2 négative, il se produit là encore une mesure de la résistance de sonde (valeur de mesure Q2), 4) commande au moyen du régulateur de façon que la différence entre tl et t2 se rapproche de zéro, et ceci plus précisément, conformément à l'invention, grâce au fait que le rapport des durées d'impulsion tl et t2 l'une vis-à-vis de l'autre est modifié, et ceci avec une somme tl + t2 conservant la même grandeur (c'est-à-dire avec The method according to the invention therefore comprises the following operations: 1) application of the usual voltage on the probe element and of the alternating heating voltage provided in accordance with the invention, 2) during a heating pulse tl (positive ), there is a measurement of the probe resistance and therefore of the measured value Q1, 3) during a negative heating pulse t2, there is again a measurement of the probe resistance (measured value Q2), 4) control by means of the regulator so that the difference between tl and t2 approaches zero, and this more precisely, in accordance with the invention, thanks to the fact that the ratio of the pulse durations tl and t2 one screw with respect to the other is modified, and this with a sum tl + t2 retaining the same magnitude (i.e. with
une puissance de chauffage préfixée restant inchangée). a preset heating power remaining unchanged).
Grâce à ces mesures prises conformément à l'invention, le niveau du potentiel central, défini plus haut, de l'élément chauffant peut être modifié d'une valeur AU telle que la quantité de charge formant courant de fuite unipolaire qui se présente est rendue minimale. La figure 3 présente à cet effet les graphes dans le temps a) des tensions de chauffage + Vcc et - Vcc appliquées et en outre, au- dessus, b) en même temps la tension Us (figure 4) ou V0 (figure 3) 1V appliquée sur l'élément de sonde, prévue pour le courant de mesure (courant alternatif) Im, et le signal de sonde S qui se présente. Celui- ci contient les valeurs de mesure Q1, Q2 (mesurées pendant les durées d'impulsion tl, t2) et la valeur de mesure sensible au gaz S proprement dite, déterminée pendant la durée tO des intervalles entre By virtue of these measures taken in accordance with the invention, the level of the central potential, defined above, of the heating element can be modified by an AU value such that the amount of charge forming a unipolar leakage current which occurs is made minimal. FIG. 3 presents for this purpose the graphs over time a) of the heating voltages + Vcc and - Vcc applied and in addition, above, b) at the same time the voltage Us (figure 4) or V0 (figure 3) 1V applied to the probe element, provided for the measurement current (alternating current) Im, and the probe signal S which occurs. This contains the measurement values Q1, Q2 (measured during the pulse durations tl, t2) and the measurement value sensitive to the gas S proper, determined during the duration tO of the intervals between
impulsions du courant de chauffage.heating current pulses.
A titre de développement de l'invention, il peut en outre être prévu une électrode collectrice pour des courants de fuite se présentant encore. Un courant de fuite restant peut être capté par cette électrode collectrice et dévié vers la borne de masse. A cet effet, il peut être prévu une électrode supplémentaire qui est appliquée, avec une relativement faible impédance, à un potentiel de base. Pour remplir cette fonction, il est possible d'utiliser l'une des deux électrodes de sonde existant obligatoirement. Pour remplir cette fonction, la résistance d'entrée des électrodes de sonde concernées doit être mesurée inférieure à la résistance la plus petite possible de la couche sensible au gaz. Le courant de fuite restant, non encore éliminé par la régulation conformément à l'invention, est alors évacué à la masse par le trajet de la plus petite résistance, sans que cette composante de courant de fuite unipolaire encore restante puisse laisser derrière elle des défauts de polarisation. Cette électrode collectrice est utilisée en outre pour maintenir constant par rapport à la masse du système le potentiel central de la couche sensible au gaz. Cette électrode collectrice sert donc de masse artificielle pour l'élément de sonde à gaz, ce qui présente un avantage pour la mesure de résistances élevées. La figure 4 représente un schéma-bloc pour le procédé conforme à l'invention servant à rendre minimaux des phénomènes de dérive d'une sonde à gaz 1, les informations contenues dans le schéma- bloc faisant partie As a development of the invention, there may also be provided a collector electrode for leakage currents still occurring. A remaining leakage current can be picked up by this collecting electrode and diverted to the ground terminal. For this purpose, an additional electrode can be provided which is applied, with a relatively low impedance, to a base potential. To fulfill this function, it is possible to use one of the two existing probe electrodes. To perform this function, the input resistance of the relevant probe electrodes must be measured lower than the lowest possible resistance of the gas-sensitive layer. The remaining leakage current, not yet eliminated by the regulation in accordance with the invention, is then evacuated to ground by the path of the smallest resistance, without this component of the remaining unipolar leakage current being able to leave defects behind it. of polarization. This collecting electrode is also used to keep the central potential of the gas-sensitive layer constant with respect to the mass of the system. This collecting electrode therefore serves as an artificial mass for the gas probe element, which has an advantage for the measurement of high resistances. FIG. 4 represents a block diagram for the method according to the invention used to minimize the drift phenomena of a gas probe 1, the information contained in the block diagram being part
de la présente description de l'invention. Sur cette of this description of the invention. On this
figure 4, 50 désigne une source de courant continu qui délivre le courant d'alimentation pour l'élément chauffant 12. A l'étage 51 (pont d'interrupteurs PWM), ce courant d'alimentation est transformé, conformément à la modulation en largeur d'impulsions PWM décrite plus haut, en impulsions tl et t2 présentant respectivement des sens de courant opposés. Un courant électrique de mesure Im ou Jm à sens de courant de préférence alternatif est envoyé à l'élément de sonde 11. Au pas de procédé 52 (mesure de Jml/détermination de Q1 dans tl), lors de la présence d'une impulsion de chauffage tl présentant un sens de courant supposé positif, l'intensité du courant de sonde Iml ou Jml qui passe alors dans l'élément de sonde 11 et la quantité de charge Q2 sont mesurées. Pendant le pas de procédé 53 (mesure de Jm2/détermination de Q2 dans t2), lors de l'impulsion de chauffage t2 présentant un sens de courant supposé négatif par rapport au premier, le courant de sonde Im2 ou Jm2 est mesuré. 54 (détermination de AQ) indique la formation de différence entre les deux quantités de charge Q1 = Iml x tl et Q2 = Im2 x t2. Ce signal de différence AQ passe au régulateur de potentiel (régulation de potentiel). Celui-ci reçoit, en tant que valeur de référence, le signal 56 correspondant à la valeur de consigne zéro. 57 (détermination de tl par rapport à t2) indique l'adaptation, obtenue par régulation, du potentiel central de l'élément chauffant, à savoir le réglage du rapport tl à t2 des longueurs des impulsions de chauffage de la modulation en largeur d'impulsions qui ont des sens opposés l'une par rapport à l'autre. Cette détermination de rapport passe à l'étage 58 (détermination de tl; t2) qui reçoit par ailleurs de l'étage 59(régulation de température/régulateur PDJ tl + t2) l'indication de la somme des longueurs d'impulsion tl + t2. Cette somme des longueurs d'impulsion s'obtient à partir de la puissance effectivement nécessaire pour l'élément chauffant de sonde 12. Cette grandeur physique est surveillée au moyen du capteur de température de l'élément chauffant 12 et est calculée et déterminée dans l'étage 59. La liaison de l'étage 58 à étage 51 fournit ainsi à cet étage 51 les informations concernant le niveau de la puissance de chauffage (tl + t2) et le rapport des longueurs d'impulsion tl et t2 de l'une à l'autre en vue du réglage conforme à l'invention du potentiel central de l'élément chauffant 12, et ceci plus précisément à partir du signal de l'étage 54. Cela fournit la valeur minimale du courant de fuite qui a été relevé dans cet étage en tant que différence des signaux FIG. 4, 50 designates a source of direct current which delivers the supply current for the heating element 12. On stage 51 (bridge of PWM switches), this supply current is transformed, in accordance with the modulation in pulse width PWM described above, in pulses tl and t2 having respectively opposite directions of current. An electrical current of measurement Im or Jm in the direction of preferably alternating current is sent to the probe element 11. In process step 52 (measurement of Jml / determination of Q1 in tl), when a pulse is present heating tl having a direction of current assumed to be positive, the intensity of the probe current Iml or Jml which then passes through the probe element 11 and the quantity of charge Q2 are measured. During process step 53 (measurement of Jm2 / determination of Q2 in t2), during the heating pulse t2 having a current direction assumed to be negative with respect to the first, the probe current Im2 or Jm2 is measured. 54 (determination of AQ) indicates the formation of difference between the two charge quantities Q1 = Iml x tl and Q2 = Im2 x t2. This AQ difference signal goes to the potential regulator (potential regulation). This receives, as a reference value, the signal 56 corresponding to the zero reference value. 57 (determination of tl with respect to t2) indicates the adaptation, obtained by regulation, of the central potential of the heating element, namely the adjustment of the ratio tl to t2 of the lengths of the heating pulses of the width modulation of impulses that have opposite directions to each other. This ratio determination goes to stage 58 (determination of tl; t2) which also receives from stage 59 (temperature regulation / PDJ regulator tl + t2) the indication of the sum of the pulse lengths tl + t2. This sum of the pulse lengths is obtained from the power actually necessary for the probe heating element 12. This physical quantity is monitored by means of the temperature sensor of the heating element 12 and is calculated and determined in l stage 59. The connection of stage 58 to stage 51 thus provides this stage 51 with information concerning the level of the heating power (tl + t2) and the ratio of the pulse lengths tl and t2 of one to the other for the purpose of adjusting according to the invention the central potential of the heating element 12, and this more precisely from the signal of stage 54. This provides the minimum value of the leakage current which has been detected in this stage as a difference of the signals
Q1 et Q2.Q1 and Q2.
C'est pendant les intervalles entre impulsions tO, tO' de l'opération de chauffage qu'a lieu, au pas ou dans l'étage 60 (valeur de mesure de sonde à gaz S avec dérive minimale dans tO; tO'), la mesure de la résistance de la couche sensible au gaz à partir de la grandeur alors mesurée du courant de mesure Im (signal de sonde Jm) traversant la couche d'oxyde métallique de l'élément de sonde 11, à savoir ainsi que cela était le cas dans le It is during the intervals between pulses tO, tO 'of the heating operation that takes place, at step or in stage 60 (measurement value of gas probe S with minimum drift in tO; tO'), the measurement of the resistance of the gas-sensitive layer from the quantity then measured of the measurement current Im (probe signal Jm) passing through the metal oxide layer of the probe element 11, namely as it was the case in the
dernier état de la technique.latest state of the art.
D'une manière avantageuse, il est procédé (par exemple comme dans l'état de la technique) à la mesure des valeurs de mesure sensibles au gaz S lorsqu'une tension alternative Us est appliquée, et ceci pour les deux polarités (+/-; figure 3). Il est également possible de former une valeur moyenne à partir des valeurs de mesure S+ et S-. On peut alors obtenir une Advantageously, the measurement values sensitive to gas S are applied (for example as in the state of the art) when an AC voltage Us is applied, and this for the two polarities (+ / -; Figure 3). It is also possible to form an average value from the measured values S + and S-. We can then obtain a
succession plus rapide de valeurs de mesure. faster succession of measured values.
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