FR2952435A1

FR2952435A1 - Detecteur de particules

Info

Publication number: FR2952435A1
Application number: FR1059083A
Authority: FR
Inventors: Andreas Krauss; Tino Fuchs
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2011-05-13
Anticipated expiration: 2030-11-04
Also published as: US8800350B2; CN102072850A; US20110107817A1; FR2952435B1; DE102009046457A1

Abstract

Détecteur de particules pour détecter les particules d'une veine de gaz comprenant : une membrane (1), un moyen de chauffage de membrane (2) et deux électrodes de mesures (3, 4) installées sur la membrane (1) pour effectuer une mesure de conductivité électrique. La membrane (1) a une épaisseur (d) ≤ 50 µm.

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention concerne un détecteur de particules ainsi qu'un procédé de mise en oeuvre d'un tel détecteur. Etat de la technique A coté des procédés optiques de mesure des particules on connaît des détecteurs de particules mesurant la teneur en particules d'un gaz d'échappement en faisant une mesure de conductivité de particules déposées sur une surface entre deux électrodes de mesure. Pour minimiser par exemple l'influence de la condensation sur la conductivité, on effectue ces mesures de conductivité à une température constante, élevée. Ensuite on régénère périodiquement les détecteurs de particules par des procédés thermiques et/ou électriques consistant à éliminer les particules déposées en les brûlant. En général, la précision d'une telle mesure est limitée surtout après la régénération et à la détection de faibles quantités de particules car pour mesurer la conductivité il faut tout d'abord que s'établissent des ponts de particules entre les électrodes de mesure. Le document DE 101 33 384 Al décrit un détecteur de particules comportant une couche de support intégrant l'élément chauffant ainsi qu'une seconde couche avec des électrodes de mesure, imprimées sur cette seconde couche. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un détecteur de particules servant à détecter les particules dans une veine de gaz notamment à détecter les particules de noir de fumée par exemple dans une veine de gaz d'échappement. Le détecteur comprend une membrane, un moyen de chauffage de membrane et au moins deux électrodes de mesure installées sur la membrane pour mesurer la conductivité électrique et la membrane a une épaisseur inférieure ou égale à 50 µm. L'expression "membrane" selon la présente invention désigne notamment un élément de support en forme de couche mince, mécaniquement stable. La faible épaisseur de la membrane diminue avantageusement sa participation à la masse globale chauffée ce qui

2 augmente réciproquement la teneur en particules dans la masse totale chauffée et permet une détermination calorimétrique de la quantité de particules. Cela améliore la précision du détecteur de particules et la sensibilité transversale du détecteur de particules vis-à-vis des influences de l'environnement telles que l'humidité. La membrane est de préférence en une matière ou matériau ayant une résistance élevée à la température et une conductivité électrique faible. La membrane a une épaisseur 40 µm par exemple 20 µm et notamment 10 µm. La membrane peut avoir par exemple une épaisseur ? 1 µm jusqu'à 20 µm et notamment une épaisseur dans la plage ? 5 µm jusqu'à 10 µm. De telles épaisseurs se sont avérées comme avantageuses pour avoir la solidité mécanique appropriée de la membrane et d'autre part une capacité calorifique aussi faible que possible. Pour abaisser d'autant la capacité calorifique on peut de plus microstructurer la membrane. La membrane peut recevoir des découpes pour réduire sa capacité calorifique et/ou des zones renforcées pour augmenter sa solidité mécanique.

La membrane peut se composer de plusieurs couches. En d'autres termes la membrane peut être constituée par un système de couches. Par exemple la membrane peut avoir une ou plusieurs couches ou de supports et/ou une ou plusieurs couches d'isolation et/ou une plusieurs couches fonctionnelles telles que par exemple des couches intégrant ou comportant un élément chauffant et/ou un élément de capteur tel qu'un capteur de températures ou un capteur de conductivité thermique. L'épaisseur de la membrane correspond alors notamment à l'épaisseur de l'ensemble du système de couches. Dans le cadre d'un mode de réalisation du détecteur de particules, la membrane comporte du carbure de silicium (SiC). Le carbure de silicium s'est avéré comme le matériau avantageux pour réaliser des membranes ayant une tenue aux températures élevées. Par exemple la membrane peut être réalisée complètement en carbure de silicium. Mais il est également possible de réaliser la membrane à partir

3 de plusieurs couches et au moins une couche contient du carbure de silicium ou est constituée par cette matière. Le chauffage de la membrane peut être intégré dans la membrane ou à être réalisé en surface.

Dans le cadre d'une autre mode de réalisation, le chauffage de la membrane est intégré dans la membrane. La membrane peut être par exemple composée de plusieurs couches dont l'une notamment une couche intermédiaire comprend le chauffage de membrane. Cela permet d'installer sur les deux surfaces principales de la membrane, les systèmes d'électrodes de mesure composés chaque fois d'au moins deux électrodes de mesure pour mesurer la conductivité électrique. En particulier sur les deux surfaces principales de la membrane on peut installer des systèmes d'électrodes de mesure de formes différentes par exemple des systèmes d'électrodes de mesure ayant un écart différent entre les électrodes. En plus ou en variante, on peut installer sur les deux surfaces principales de la membrane, d'autres éléments de capteurs tels que les capteurs de température et/ou les capteurs de flux massiques et/ou des capteurs de conductivité thermique.

Dans le cadre d'un autre mode de réalisation, le chauffage de la membrane est réalisé à la surface de la membrane. En particulier la surface principale de la membrane peut recevoir le moyen de chauffage et la surface principale opposée de la membrane recevra les électrodes de mesure.

Les électrodes de mesures sont réalisées notamment pour effectuer une mesure de conductivité électrique, par exemple une mesure d'impédance en fonction de la fréquence de particules accumulées entre les électrodes de mesure notamment sur la membrane. Les électrodes de mesure peuvent par exemple avoir la forme d'électrodes en peigne, qui s'interpénètrent et constituer ainsi un système d'électrodes de mesures inter-digitées. Pour des plages de mesures différentes, de quantités de particules de noir de fumée on adapte l'écart des électrodes et leur longueur. De façon préférentielle l'écart entre les électrodes est compris dans une plage telle que ? 1 µm et ≤100 µm.

4 La membrane peut être tenue en flottement par un substrat. Cela permet de réduire l'évacuation de la chaleur vers d'autres zones du détecteur pendant le chauffage. Par exemple la membrane peut être tenue flottante en au moins deux points notamment deux points opposés par le substrat. Le substrat peut également être réalisé en un matériau offrant une stabilité aux températures élevées. Le substrat peut par exemple comporter du carbure de silicium (SiC) ou être réalisé en carbure de silicium. Le circuit d'exploitation et le circuit électronique du détecteur peuvent être intégrés dans le substrat. Cette solution a l'avantage de diminuer le nombre de branchements électriques vers l'extérieur et de simplifier ainsi la technique de réalisation et de branchement. Suivant l'autre forme de réalisation du détecteur de particules, la surface de la membrane catalyse la décomposition et/ou la combustion de particules notamment de particules de noir de fumée. Cela ne peut se faire que par un choix approprié de la matière de la membrane et/ ou par un revêtement de la membrane en une matière à activité catalytique. De façon préférentielle la matière de la matière de la membrane à activité catalytique ou le revêtement à activité catalytique de la membrane sont en outre isolés électriquement. Selon un autre mode de réalisation, le détecteur de particules comporte deux ou plus et notamment trois ou plus d'unités ayant respectivement au moins deux électrodes de mesure installées sur une membrane pour effectuer des mesures de conductivité électrique ainsi qu'un moyen de chauffage de la membrane notamment pour chauffer les électrodes de mesure de l'unité. Les moyens de chauffage de la membrane peuvent être intégrés dans la membrane ou se trouver en surface comme cela a déjà été indiqué. En principe les électrodes de mesures et les moyens de chauffage de la membrane des différentes unités peuvent être écartés ou être réalisés sur une même membrane. Pour éviter les erreurs de mesure liées à des flux thermiques, chaque unité a de préférence une propre membrane notamment d'une épaisseur à 50 µm. De telles unités peuvent fonctionner avantageusement à différentes températures ce qui est intéressant pour la sensibilité du détecteur de particules. Notamment plusieurs unités permettent une meilleure résolution de la mesure dans le temps. C'est ainsi que par exemple plusieurs unités peuvent fonctionner en mode de dépôt de particules alors qu'une autre unité fonctionne en mode de mesure de 5 particules et détermine par une mesure calorimétrique et/ou une mesure de conductivité, la quantité de particules ainsi accumulée et en option on peut dégager partiellement ou totalement les particules accumulées. Selon un autre mode de réalisation du détecteur de particules, les surfaces des membranes des différentes unités ont chacune une activité catalytique différente. Par exemple les surfaces de la membrane peuvent catalyser d'une manière fortement différente la décomposition et/ou la combustion de particules notamment de particules de noir de fumée. Cela ne peut se faire par exemple qu'à des températures de décomposition et/ou de combustion différentes des particules ce qui se répercute avantageusement sur la détermination de la composition de la veine de gaz. Comme déjà indiqué, d'autres fonctions de détecteur peuvent être intégrées dans le détecteur de particules. C'est ainsi que par exemple le moyen de chauffage de la membrane peut avoir un profil de résistance dépendant spécifiquement de la température pour régler une température déterminée. Comme autre exemple, le détecteur comporte un ou plusieurs détecteurs de température pour déterminer la température de la membrane et/ou la température ambiante et/ou un ou plusieurs détecteurs de flux massique servent à déterminer le flux massique de la veine de gaz et/ou un ou plusieurs détecteurs de conductivité thermique servent à déterminer la conductivité thermique de la veine de gaz. Cela permet d'obtenir d'autres informations relatives à la composition de la veine de gaz par exemple la teneur en dioxyde de carbone et/ou la teneur en humidité de la veine de gaz à partir des résultats des mesures de conductivité thermique lorsqu'on parcourt un profil de température. L'invention concerne également un procédé de gestion d'un détecteur de particules tel que défini ci-dessus selon l'invention dans lequel on accumule les particules en mode d'accumulation et dans

6 lequel on détermine la quantité de particules accumulée par une mesure de conductivité électrique et/ou une mesure calorimétrique lorsqu'on travaille en mode de mesure de particules. La mesure calorimétrique peut notamment déterminer la chaleur de combustion et/ou la chaleur de décomposition des particules accumulées notamment des particules de noir de fumée. La mesure calorimétrique peut être fondée sur une mesure simultanée de la puissance de chauffage et de la température de la membrane. La température de la membrane se détermine soit par le chauffage de la membrane soit à l'aide d'un capteur de température. En particulier dans le cas d'une mesure calorimétrique, on parcourt un profil de chauffage. De façon avantageuse dans le cadre du profil de chauffage on atteint des températures auxquelles les particules accumulées notamment les particules de noir de fumée brûlent et/ou se décomposent. Dans ces conditions la structure de membrane a l'avantage de permettre une modulation très rapide de la température. Une telle mesure calorimétrique n'est pas possible dans le cas des détecteurs classiques de particules à cause de la très faible teneur en particules dans toute la masse à chauffer. L'utilisation selon l'invention d'une membrane diminue la part de la structure du détecteur dans la masse totale chauffée si bien que la teneur en particules augmente proportionnellement à l'ensemble de la masse chauffée. Pour augmenter la précision de la détermination des particules, en mode de mesure de particules on peut déterminer la quantité de particules déposées par une combinaison de mesures calorimétriques, thermiques et électriques. Suivant le mode de réalisation du procédé, on effectue une mesure de conductivité électrique et/ou de conductivité thermique dépendant du profil des températures. Dans le cadre d'un profil de températures, par exemple aux températures basses, on peut également mesurer la conductivité électrique et/ou la conductivité thermique d'autres matières déposées par exemple l'humidité et/ou les liquides provenant de gouttelettes de fumée pour déterminer les particules. A partir des données obtenues qui fournissent par exemple des informations concernant le degré d'humidité dans la couche de

7 particules on pourra déterminer le cas échéant de manière indirecte la quantité de particules. Suivant un autre mode de réalisation du procédé, on détermine la quantité de particules accumulée, indirectement à partir des résultats des mesures de conductivité électrique et/ou des mesures de conductivité thermique d'autres matières accumulées que les particules que l'on veut déterminer. A des températures élevées les autres matières accumulées telles que l'humidité et/ou les liquides provenant des gouttelettes de fumée seront évacués si bien que la conductivité se déterminera comme avec les détecteurs classiques de particules à l'aide de la quantité de particules accumulées. De manière avantageuse la mesure de certaines plages de température permet de déterminer au moins une partie de la composition restante de la veine de gaz par exemple l'humidité de la veine de gaz. C'est ainsi qu'au moins une partie de la composition restante de la veine de gaz par exemple la teneur en dioxyde de carbone et/ ou la teneur en humidité de la veine de gaz pourront se déterminer par la mesure de la conductivité électrique dépendant du profil de la température et/ou la mesure de la conductivité thermique. On pourra régénérer le détecteur de particules c'est-à-dire éliminer les particules accumulées sur le détecteur de particules en brûlant, à la fois dans le cadre du mode de mesure de particules et aussi dans le cadre d'un mode de régénération suivant.

Comme il est possible de commander rapidement la température de la membrane, les particules accumulées pourront être éliminées notamment en chauffant ou tout en faisant une mesure de la conductivité électrique, d'une manière non complète mais en éliminant jusqu'à un résidu défini. En d'autres termes on pourra éliminer partiellement les particules accumulées de façon à laisser une mesure minimale de ponts de particules entre les électrodes de mesure. On pourra de cette manière maintenir une mesure minimale au niveau du pont de particules entre les électrodes de mesure et la conductivité électrique de base, déterminée et certaines résistances électriques de base. Cette solution a l'avantage de permettre de mesurer le nouveau

8 dépôt de particules, immédiatement en effectuant une mesure de variation de conductivité électrique ou une variation de résistance électrique sans qu'il soit nécessaire que s'établisse d'abord des ponts de conduction entre les électrodes de mesures ce qui est notamment long pour des concentrations réduites de particules. Selon un autre développement du procédé, le détecteur de particules comporte deux ou plusieurs unités comme celles décrites et une unité sera mise en mode de mesure de particules alors qu'une ou plusieurs des autres unités seront en mode d'accumulation de particules. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans le dessin annexé dans lequel : - la figure est une section schématique d'un mode de réalisation d'un détecteur de particules selon l'invention. Description du mode de réalisation de l'invention La figure montre le détecteur de particules comprenant une membrane 1 avec un moyen de chauffage de membrane 2 ainsi que deux électrodes de mesures 3, 4 installées sur la membrane 1 pour effectuer une mesure de la conductivité électrique. Le moyen de chauffage de la membrane 2 et les électrodes de mesures 3, 4 du mode de réalisation présenté sont situées sur le côté opposé de la membrane 1. La figure montre en outre que la membrane 1 est maintenue flottante aux deux points opposés à l'aide d'un substrat 5.30

Claims

REVENDICATIONS1 °) Détecteur de particules pour détecter les particules d'une veine de gaz comprenant : - une membrane (1), - un moyen de chauffage de membrane (2), et - au moins deux électrodes de mesures (3, 4) installées sur la membrane (1) pour effectuer une mesure de conductivité électrique, - la membrane (1) ayant une épaisseur (d) <_ 50 µm. 2°) Détecteur de particules selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane (1) est en carbure de silicium. 3°) Détecteur de particules selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de chauffage (2) de la membrane est : intégré dans la membrane (1), ou - réalisé sur la surface de la membrane. 4°) Détecteur de particules selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de la membrane catalyse la décomposition et/ ou la combustion des particules notamment des particules de noir de fumée. 5°) Détecteur de particules selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur comporte deux ou plusieurs unités et qui ont respectivement deux électrodes de mesure (3, 4) installées sur la membrane (1) pour effectuer une mesure de conductivité électrique et un moyen de chauffage de membrane (2). 6°) Détecteur de particules selon la revendication 5, caractérisé en ce que les surfaces de la membrane des différentes unités ont des activités catalytiques différentes.7°) Procédé de gestion d'un détecteur de particules selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu' - dans le mode d'accumulation de particules on dépose des particules, et - dans le mode de mesure de base on définit la quantité de particules accumulée par une mesure de conductivité électrique et/ ou une mesure calorimétrique. 8°) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu' on effectue une mesure de conductivité électrique dépendant de la température et/ou une mesure de conductivité thermique. 9°) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu' on détermine la quantité de particules accumulées indirectement à partir des résultats des mesures de conductivité électrique et/ou des mesures de conductivité thermique d'autres matières que celles des particules définies. 10°) Procédé selon la revendication 7, comportant un capteur de particules selon les revendications 5 à 6, caractérisé en ce qu' on fait fonctionner une unité en mode de mesure de particules pendant qu'une ou plusieurs autres unités fonctionnent en mode d'accumulation.30