WO1992007256A1 - Sensor for measuring the concentration of oxygen in a gas - Google Patents

Sensor for measuring the concentration of oxygen in a gas Download PDF

Info

Publication number
WO1992007256A1
WO1992007256A1 PCT/FR1991/000815 FR9100815W WO9207256A1 WO 1992007256 A1 WO1992007256 A1 WO 1992007256A1 FR 9100815 W FR9100815 W FR 9100815W WO 9207256 A1 WO9207256 A1 WO 9207256A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor according
oxygen
measurement
pressure
piezoelectric cell
Prior art date
Application number
PCT/FR1991/000815
Other languages
French (fr)
Inventor
Michel Billon
Eric Martin
Michel Corazza
Original Assignee
Universite De Rennes 1
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universite De Rennes 1 filed Critical Universite De Rennes 1
Publication of WO1992007256A1 publication Critical patent/WO1992007256A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/74Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables of fluids

Definitions

  • the field of the invention is that of sensors for measuring the concentration of oxygen in a gas.
  • the present invention relates to an oxygen concentration measuring transducer exploiting the paramagnetic properties of oxygen.
  • oxygen concentration measurements in gases are carried out in hospitals for the dosing and regulation of anesthetic mixtures, for the breathing of infants, or in industry for the control of industrial processes.
  • the sensors for measuring the gaseous oxygen content are grouped into two main families, depending on whether their operation is based on physical or chemical principles.
  • Oxygen is the most magnetic of all known gases. A soap bubble filled with oxygen is attracted by a magnet, while filled with a non-magnetic gas like nitrogen, or less magnetic than oxygen, the soap bubble is on the contrary repelled by oxygen of the environment that surrounds it.
  • the paramagnetic properties of oxygen are for example exploited in a sensor developed by the company KLOGOR (protected name) described in an unpublished French patent application.
  • This request relates to a device for physically measuring the concentration of oxygen in a gas mixture.
  • the device is composed of a movable assembly consisting of a swing ended by two hollow balls filled with a non-paramagnetic gas, the swing being mounted free in rotation between two pole pieces of soft iron, forming the air gap of a magnetic field generator.
  • an induction field is generated between the pole pieces.
  • the paramagnetic character oxygen produces a concentration of dO 2 molecules in the air gap, driving out the balls from the moving assembly.
  • the swing is rotated under the effect of the torque resulting from the repulsive action exerted on the balls, caused by the increase in local pressure.
  • the measurement is carried out using the principle of galvanometers with a moving frame, that is to say by placing a mirror on the connecting rod of the moving element and by measuring the angle deviation of an incident beam. directed at the mirror.
  • the moving part has a certain inertia, so that it is necessary to wait a certain time before obtaining a measurement of the oxygen concentration. Not having an indication of this concentration quickly can have serious consequences, especially if the device is used to analyze a gas mixture breathed by a person under anesthesia or by an infant.
  • this type of device is to be used to control an alarm signal, indicating for example a rapid drop in oxygen concentration in a mixture breathed by a patient.
  • the device has a low sensitivity, because the volume of the balls is limited.
  • Electrochemical sensors in particular with lead electrodes, have the disadvantage of degrading rapidly in the presence of a high oxygen content, and their response time is very long (of the order of 10 to 30 seconds for a time d establishment of the measurement at 90%).
  • Catalytic combustion sensors at high temperature 450 ° C have the disadvantage of not being linear in the case of high oxygen contents.
  • certain constituents of the mixture to be analyzed can decompose at operating temperature and pollute the sensor.
  • the present invention aims in particular to overcome these various drawbacks.
  • one of the objectives of the present invention is to provide a new type of physical sensor for the concentration of oxygen in a gas mixture which is at the same time rapid, precise and stable.
  • Another objective of the present invention is to provide such a sensor which has a cost price much lower than existing physical sensors.
  • An additional objective is to provide such a sensor whose sensitivity is high and independent of the oxygen concentration.
  • an oxygen concentration sensor in a gas of the type exploiting the paramagnetic properties of oxygen by measuring a pressure caused by the attraction.
  • oxygen in a measurement volume subjected to a constant magnetic field said sensor comprising a pressure measuring element comprising a piezoelectric cell.
  • said measuring element consists of a pressure piece returned to the air gap of a magnetic field generator and cooperating with said piezoelectric cell.
  • said pressure piece covers in section a large part of the air gap of said magnetic field generator.
  • the sensitivity of the device is increased, by generating on the pressure piece a force all the greater as the surface on which is exerted. local pressure is important.
  • said piezoelectric cell consists of a bar resting on two support points, said pressure piece transmitting the pressure stresses on said bar between said two support points.
  • This type of mounting allows the sensor to operate for a wide range of pressures.
  • said bar is constituted by a bimetallic strip formed by two piezoelectric layers bonded in opposition.
  • said constant magnetic field is generated by two poles of soft iron or other suitable material, forming an air gap.
  • said magnetic poles are asymmetrical with respect to the direction of the magnetic field lines generated by said poles.
  • an anti-magnetic screen is arranged between said piezoelectric cell and said poles.
  • the measurement of said concentration of oxygen in said gas is carried out by measuring the difference in frequencies with respect to the resonance frequency of said piezoelectric cell, or by direct measurement of the charge induced at the terminals of said piezoelectric cell.
  • the oxygen pressure around the pressure piece is constant or very slightly variable, the voltage across the terminals of the piezoelectric cell decreases and tends towards 0 by an electrical depolarization phenomenon.
  • the piezoelectric cell consists of a bar resting on a single fulcrum and carries at its end the non-magnetic pressure piece. By vibrating the piezoelectric cell around its resonant frequency, the pressure piece sees its position vary with respect to the induction curve, in rhythm with the vibration frequency.
  • Bo the average magnetic induction
  • ⁇ B the variation of magnetic induction between the two extreme positions of the pressure piece
  • c the oxygen concentration
  • this demodulation is carried out digitally.
  • Other characteristics and advantages of the present invention will appear on reading the following description of a preferred embodiment of the present invention, given by way of explanation and without limitation, and of the appended drawings, in which:
  • FIG. 3 shows a bimetallic strip on which is exerted a pressure force
  • - Figure 4 shows a section of a preferred embodiment an oxygen concentration sensor according to the present invention
  • FIG. 5 shows a section of a second embodiment of an oxygen concentration sensor according to the present invention.
  • Figure 1 shows the principle of oxygen paramagnetism used in the present invention.
  • a magnetic field is created by two poles of magnets N and S located along an axis Z.
  • the poles N and S are distinct and separated by a gas mixture containing oxygen.
  • is maximum on the Oz axis, between the poles.
  • - ⁇ 0 is the magnetic permeability of the vacuum
  • a pressure PI on the left and a pressure P2 on the right are therefore applied to the volume element 1.
  • FIG. 2 represents the principle of direct piezoelectricity used in the present invention.
  • the direct piezoelectric effect is the phenomenon by which electric charges appear on the faces of certain crystals when they are subjected to pressures or mechanical tensions, as shown in FIG. 2.
  • the pressure can be measured directly across the piezoelectric element, but it is of course also possible to detect a pressure by working at a frequency close to the resonant frequency of this element.
  • FIG. 3 represents a bimetallic strip on which a pressure force is exerted.
  • the piezoelectric element 21 consists of two plates glued so that the polarizations are reversed.
  • the element 21 is held fixed by one of its ends in a frame 20.
  • An excitation force F applied to the free end of the bimetallic strip induces a charge Q on the electrodes, proportional to the force F.
  • the value of the load is given by the relation:
  • the potential difference is equal to 620 ⁇ V.
  • FIG. 4 represents a section of a preferred embodiment of an oxygen concentration sensor according to the present invention.
  • This sensor uses the paramagnetism of oxygen and the piezoelectricity phenomenon previously described.
  • the sensor shown has a volume 30 for measuring the concentration of oxygen in a gas mixture.
  • Two magnet poles 31 and 32 fixed on a magnetic circuit 33 generate a constant magnetic field in the measurement volume 30.
  • a piezoelectric element 34 fixed between two anti-vibration supports 35 and 36 is placed parallel to the field lines of the measurement volume 30.
  • a two-part anti-magnetic screen 37, 38 separates the magnetic circuit 33 and the magnets 31 and 32 from the piezoelectric element 34.
  • a non-paramagnetic interface part 39 is fixed to one of the faces of the piezoelectric element 34 and centered on the axis of symmetry 40 of the magnets 31 and 32.
  • the sensor shown is mounted on a support or frame 41,42.
  • This displacement generates a pressure force on the piezoelectric element 34 and electric charges appear on this element.
  • the element 34 is characterized by a certain capacity, it follows that a potential difference corresponding to the pressure exerted is measurable across the terminals of the piezoelectric element 34.
  • the piezoelectric element 34 is preferably constituted by a bimetallic strip fixed at its two ends, that is to say having two support points.
  • the oxygen concentration sensor according to the invention has a structure similar to the embodiment shown in Figure 4 except as regards the mounting of the piezoelectric cell and the pressure element.
  • the sensor has a piezoelectric cell 43 fixed on a single anti-vibration support 44.
  • a non-paramagnetic interface piece 39 is fixed to the end of the piezoelectric cell 43 between the magnets 31 and 32.
  • This embodiment is more particularly suitable for detecting small variations in pressure and therefore in oxygen concentration by vibrating the pressure piece 39 at a carrier frequency equal to the resonance frequency of the piezoelectric cell 43.
  • the signal collected at the terminals of the piezoelectric cell consists of the sum of two signals:
  • the measurement of the oxygen concentration is then carried out by amplitude demodulation of the signal collected.
  • This demodulation step is preferably carried out digitally.
  • the magnet poles 31 and 32 are preferably made of soft iron.
  • the interface piece 39 is preferably non-paramagnetic and can for example be diamagnetic. This part preferably covers a large part of the surface of the piezoelectric element, in order to allow a very precise measurement of the concentration of oxygen in the gas analyzed.
  • the anti-magnetic screen has the function of avoiding a disturbance of the pressure measurement of the interface piece 39 on the piezoelectric element 34. It is advantageously made of Permalloy, but other materials ensuring such shielding are suitable also.
  • Figures 4 and 5 show poles of magnets 31 and 32 asymmetrical with respect to the direction of the magnetic field lines generated by the poles
  • the senor according to the present invention is particularly intended for measuring the oxygen content of a gas mixture circulating in a pipe. This is why the measurement volume comprises means of connection (not shown) to such a pipe.
  • the voltage across the terminals of the piezoelectric element is proportional to the concentration of oxygen in the gas analyzed.
  • the rapidity of the response to a change in concentration dO 2 is only limited by the duration of the flow of the gas in the measurement volume and the response time of the piezoelectric element.
  • the device according to the invention has a response time of the order of a few tens of milliseconds for an establishment time of 90% (for a nominal flow rate of 90 ml / min). It also has a sensitivity of
  • the response time of the bimetallic strip can be estimated by knowing its resonant frequency.
  • the passage of gas through the measurement volume results in a reduction in the flow rate due to the pressure drop. There is then a variation in local pressure and thereby disturbance of the oxygen concentration measurement. To overcome this drawback, it is therefore necessary to work at a constant flow rate.
  • the assembly according to FIG. 4 does not have a moving part, the pressure drop can be considered constant within a certain range, and it is easy to implement a correction of the measured voltage value.
  • the present invention has the particular advantage of not requiring any moving part, such as for example the movable frame in the prior art described. This characteristic makes it very fragile and therefore very easily movable.
  • the sensor has a long service life and its construction is simplified. The very low consumption of the sensor, of the order of a few mA, and its compactness recommend it particularly for applications with limited space.

Abstract

The invention relates to sensors for measuring the concentration of oxygen in a gas. More precisely, it concerns a transducer for measuring the concentration of oxygen by using the latter's paramagnetic properties. According to the invention, the sensor is of the type which uses the paramagnetic properties of oxygen to measure the pressure caused by the attraction of oxygen in a measurement volume (30) subjected to a constant magnetic field, the sensor comprising a pressure-measuring element (39) incorporating a piezoelectric cell (34).

Description

Capteur de mesure de la concentration d'oxygène dans un gaz. Sensor for measuring the concentration of oxygen in a gas.
Le domaine de l'invention est celui des capteurs de mesure de la concentration d'oxygène dans un gaz.The field of the invention is that of sensors for measuring the concentration of oxygen in a gas.
Plus précisément, la présente invention concerne un transducteur de mesure de concentration d'oxygène exploitant les propriétés paramagnétiques de l'oxygène.More specifically, the present invention relates to an oxygen concentration measuring transducer exploiting the paramagnetic properties of oxygen.
On réalise notamment des mesures de concentration d'oxygène dans des gaz dans les milieux hospitaliers pour le dosage et la régulation de mélanges anesthésiants, pour la respiration des nourrissons, ou dans l'industrie pour le contrôle de processus industriels.In particular, oxygen concentration measurements in gases are carried out in hospitals for the dosing and regulation of anesthetic mixtures, for the breathing of infants, or in industry for the control of industrial processes.
Les capteurs de mesure de la teneur d'oxygène gazeux sont regroupés en deux grandes familles, selon que leur fonctionnement repose sur des principes physiques ou chimiques.The sensors for measuring the gaseous oxygen content are grouped into two main families, depending on whether their operation is based on physical or chemical principles.
Dans la famille des capteurs de mesure physique de concentration d'oxygène dans un gaz, il existe de façon connue des capteurs faisant appel au paramagnétisme de l'oxygène.In the family of sensors for the physical measurement of the concentration of oxygen in a gas, there are known sensors using oxygen paramagnetism.
L'oxygène est le plus magnétique de tous les gaz connus. Une bulle de savon emplie d'oxygène est attirée par un aimant, alors qu'emplie d'un gaz non magnétique comme l'azote, ou alors moins magnétique que l'oxygène, la bulle de savon est au contraire repoussée par l'oxygène du milieu qui l'entoure.Oxygen is the most magnetic of all known gases. A soap bubble filled with oxygen is attracted by a magnet, while filled with a non-magnetic gas like nitrogen, or less magnetic than oxygen, the soap bubble is on the contrary repelled by oxygen of the environment that surrounds it.
Les propriétés paramagnétiques de l'oxygène sont par exemple exploitées dans un capteur mis au point par la société KLOGOR (nom protégé) décrit dans une demande de brevet français non publiée. Cette demande concerne un dispositif de mesure physique de concentration d'oxygène dans un mélange gazeux. Le dis- positif est composé d'un équipage mobile constitué d'une balancelle terminée par deux billes creuses remplies d'un gaz non paramagnétique, la balancelle étant montée libre en rotation entre deux pièces polaires en fer doux, formant l'entrefer d'un générateur de champ magnétique. Lorsque la zone de l'entrefer est placée dans le mélange gazeux dont on veut connaître la concentration en oxygène, on génère un champ d'induction entre les pièces polaires. Le caractère paramagnétique de l'oxygène produit une concentration des molécules dO2 dans l'entrefer, en chassant les billes de l'équipage mobile. Plus précisément, la balancelle est entraînée en rotation sous l'effet du couple résultant de l'action de répulsion exercée sur les billes, provoquée par l'augmentation de la pression locale. Dans ce capteur, la mesure est effectuée en utilisant le principe des galvanomètres à cadre mobile, c'est à dire en plaçant un miroir sur la tige de liaison de l'équipage mobile et en mesurant la déviation d'angle d'un faisceau incident dirigé sur le miroir.The paramagnetic properties of oxygen are for example exploited in a sensor developed by the company KLOGOR (protected name) described in an unpublished French patent application. This request relates to a device for physically measuring the concentration of oxygen in a gas mixture. The device is composed of a movable assembly consisting of a swing ended by two hollow balls filled with a non-paramagnetic gas, the swing being mounted free in rotation between two pole pieces of soft iron, forming the air gap of a magnetic field generator. When the area of the air gap is placed in the gas mixture whose oxygen concentration is to be known, an induction field is generated between the pole pieces. The paramagnetic character oxygen produces a concentration of dO 2 molecules in the air gap, driving out the balls from the moving assembly. More specifically, the swing is rotated under the effect of the torque resulting from the repulsive action exerted on the balls, caused by the increase in local pressure. In this sensor, the measurement is carried out using the principle of galvanometers with a moving frame, that is to say by placing a mirror on the connecting rod of the moving element and by measuring the angle deviation of an incident beam. directed at the mirror.
Ce dispositif connu fonctionne de façon satisfaisante, mais pose néanmoins un certain nombre de problèmes fonctionnels:This known device works satisfactorily, but nevertheless poses a certain number of functional problems:
- l'équipage mobile présente une certaine inertie, si bien qu'il est nécessaire d'attendre un certain temps avant d'obtenir une mesure de la concentra¬ tion d'oxygène. Le fait de ne pas disposer rapidement d'une indication de cette concentration peut entraîner des conséquences graves, surtout si le dispositif sert à analyser un mélange gazeux respiré par une personne sous anesthésie ou par un nourrisson.- The moving part has a certain inertia, so that it is necessary to wait a certain time before obtaining a measurement of the oxygen concentration. Not having an indication of this concentration quickly can have serious consequences, especially if the device is used to analyze a gas mixture breathed by a person under anesthesia or by an infant.
Il en va de même si ce type de dispositif doit servir à la commande d'un signal d'alarme, indiquant par exemple une chute rapide de concentration d'oxygène dans un mélange respiré par un malade. - le dispositif présente une faible sensibilité, du fait que le volume des billes est limité.The same applies if this type of device is to be used to control an alarm signal, indicating for example a rapid drop in oxygen concentration in a mixture breathed by a patient. - The device has a low sensitivity, because the volume of the balls is limited.
- il doit être fréquemment étalonné et taré et présente une certaine fragilité. Cette fragilité ne permet par exemple pas de l'embarquer à bord d'ambulances, où les risques de chocs sont nombreux. De plus, leur montage est délicat et relève de la technologie horlogère. Cette technologie entraîne fragilité, coût de fabrication élevé et réglages peu stables.- it must be frequently calibrated and tared and has a certain fragility. This fragility does not, for example, make it possible to embark on board ambulances, where the risks of shock are numerous. In addition, their assembly is delicate and involves watchmaking technology. This technology leads to fragility, high manufacturing cost and unstable settings.
- il est mal adapté aux cas où les différences de pression sont très importantes.- it is ill-suited to cases where the pressure differences are very large.
Il existe par ailleurs des capteurs de type chimique (à réaction, électrochi- miques ou à combustion catalytique) de mesure de concentration d'oxygène. Les capteurs électrochimiques, notamment à électrodes de plomb, présentent l'inconvénient de se dégrader rapidement en présence d'une forte teneur en oxygène, et leur temps de réponse est très long (de l'ordre de 10 à 30 secondes pour un temps d'établissement de la mesure à 90%). Les capteurs à combustion catalytique à haute température (450°C) présentent l'inconvénient de ne pas être linéaires dans le cas de fortes teneurs en oxygène. De plus, certains constituants du mélange à analyser peuvent se décomposer à la température de fonctionnement et polluer le capteur.There are also chemical type sensors (reaction, electrochemical or catalytic combustion) for measuring oxygen concentration. Electrochemical sensors, in particular with lead electrodes, have the disadvantage of degrading rapidly in the presence of a high oxygen content, and their response time is very long (of the order of 10 to 30 seconds for a time d establishment of the measurement at 90%). Catalytic combustion sensors at high temperature (450 ° C) have the disadvantage of not being linear in the case of high oxygen contents. In addition, certain constituents of the mixture to be analyzed can decompose at operating temperature and pollute the sensor.
La présente invention a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients.The present invention aims in particular to overcome these various drawbacks.
Plus précisément, un des objectifs de la présente invention est de fournir un nouveau type de capteur physique de concentration d'oxygène dans un mélange gazeux qui soit à la fois rapide, précis et stable.More specifically, one of the objectives of the present invention is to provide a new type of physical sensor for the concentration of oxygen in a gas mixture which is at the same time rapid, precise and stable.
Un autre objectif de la présente invention est de fournir un tel capteur qui soit d'un prix de revient très inférieur aux capteurs physiques existants.Another objective of the present invention is to provide such a sensor which has a cost price much lower than existing physical sensors.
Un objectif supplémentaire est de fournir un tel capteur dont la sensibilité est importante et indépendante de la concentration en oxygène.An additional objective is to provide such a sensor whose sensitivity is high and independent of the oxygen concentration.
Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à un capteur de concentration d'oxygène dans un gaz, du type exploitant les propriétés paramagnétiques de l'oxygène par mesure d'une pression provoquée par l'attraction d'oxygène dans un volume de mesure soumis à un champ magnétique constant, ledit capteur comprenant un élément de mesure de pression comportant une cellule piézoélectrique.These objectives, as well as others which will appear subsequently, are achieved by means of an oxygen concentration sensor in a gas, of the type exploiting the paramagnetic properties of oxygen by measuring a pressure caused by the attraction. oxygen in a measurement volume subjected to a constant magnetic field, said sensor comprising a pressure measuring element comprising a piezoelectric cell.
Avantageusement, ledit élément de mesure est constitué d'une pièce de pression rappelée dans l'entrefer d'un générateur de champ magnétique et coopérant avec ladite cellule piézoélectrique.Advantageously, said measuring element consists of a pressure piece returned to the air gap of a magnetic field generator and cooperating with said piezoelectric cell.
De préférence, ladite pièce de pression recouvre en section une partie importante de l'entrefer dudit générateur de champ magnétique.Preferably, said pressure piece covers in section a large part of the air gap of said magnetic field generator.
De cette façon, on accroît la sensibilité de l'appareil, en générant sur la pièce de pression une force d'autant plus grande que la surface sur laquelle s'exerce la pression locale est importante.In this way, the sensitivity of the device is increased, by generating on the pressure piece a force all the greater as the surface on which is exerted. local pressure is important.
Préférentiellement ladite cellule piézoélectrique est constituée par un barreau reposant sur deux points d'appui, ladite pièce de pression transmettant les contraintes de pression sur ledit barreau entre lesdits deux points d'appui. Ce type de montage permet un fonctionnement du capteur pour une large gamme de pression.Preferably, said piezoelectric cell consists of a bar resting on two support points, said pressure piece transmitting the pressure stresses on said bar between said two support points. This type of mounting allows the sensor to operate for a wide range of pressures.
Avantageusement, ledit barreau est constitué par un bilame formé de deux couches piézoélectriques collées en opposition.Advantageously, said bar is constituted by a bimetallic strip formed by two piezoelectric layers bonded in opposition.
Avantageusement, ledit champ magnétique constant est généré par deux pôles en fer doux ou autre matériau adéquat, formant entrefer.Advantageously, said constant magnetic field is generated by two poles of soft iron or other suitable material, forming an air gap.
Selon un mode de réalisation avantageux de la présente invention, lesdits pôles magnétiques sont dissymétriques par rapport à la direction des lignes de champ magnétique générées par lesdits pôles.According to an advantageous embodiment of the present invention, said magnetic poles are asymmetrical with respect to the direction of the magnetic field lines generated by said poles.
De préférence, un écran anti-magnétique est disposé entre ladite cellule piézoélectrique et lesdits pôles.Preferably, an anti-magnetic screen is arranged between said piezoelectric cell and said poles.
Préférentiellement, la mesure de ladite concentration d'oxygène dans ledit gaz est effectuée par mesure de différence de fréquences par rapport à la fréquence de résonance de ladite cellule piézoélectrique, ou par mesure directe de la charge induite aux bornes de ladite cellule piézoélectrique. Cependant, si la pression en oxygène autour de la pièce de pression est constante ou très faiblement variable, la tension aux bornes de la cellule piézo¬ électrique décroît et tend vers 0 par un phénomène de dépolarisation électrique.Preferably, the measurement of said concentration of oxygen in said gas is carried out by measuring the difference in frequencies with respect to the resonance frequency of said piezoelectric cell, or by direct measurement of the charge induced at the terminals of said piezoelectric cell. However, if the oxygen pressure around the pressure piece is constant or very slightly variable, the voltage across the terminals of the piezoelectric cell decreases and tends towards 0 by an electrical depolarization phenomenon.
C'est pourquoi, selon un autre mode de réalisation, la cellule piézo¬ électrique est constituée par un barreau reposant sur un seul point d'appui et porte en son extrémité la pièce de pression non magnétique. En faisant vibrer la cellule piézo-électrique autour de sa fréquence de résonance, la pièce de pression voit sa position varier par rapport à la courbe d'induction, au rythme de la fréquence de vibration.This is why, according to another embodiment, the piezoelectric cell consists of a bar resting on a single fulcrum and carries at its end the non-magnetic pressure piece. By vibrating the piezoelectric cell around its resonant frequency, the pressure piece sees its position vary with respect to the induction curve, in rhythm with the vibration frequency.
En plaçant la pièce de pression au centre de l'entrefer et en l'excitant à l'aide d'un signal de fréquence "porteuse", égale à la fréquence de résonance de la cellule piézo-électrique, on obtient une pression différentielle quasi-instantanée p sur les deux faces de la pièce de pression, de la forme : p = k. Bo. Δ B. c où Bo est l'induction magnétique moyenne, ΔB est la variation d'induction magnétique entre les deux positions extrêmes de la pièce de pression, et c est la concentration d'oxygène.By placing the pressure piece in the center of the air gap and exciting it using a "carrier" frequency signal, equal to the resonance frequency of the piezoelectric cell, a quasi-instantaneous differential pressure p is obtained on the two faces of the pressure piece, of the form: p = k. Bo. Δ B. c where Bo is the average magnetic induction, ΔB is the variation of magnetic induction between the two extreme positions of the pressure piece, and c is the oxygen concentration.
Si l'on considère que x = X.sin ώr.t est la loi de déplacement de la pièce de pression autour de sa position d'équilibre où X est l'amplitude du déplacement, ώr est la pulsation de résonance, alors ΔB = f(x) et p devient p = k'j_.c + termes de non linéarité Le signal aux bornes de la cellule piézo-électrique est donc la somme de deux signaux : - le signal dû à la fréquence porteuse le signal utile La mesure de la concentration d'oxygène s'effectue alors par démodulation d'amplitude du signal recueilli.If we consider that x = X.sin ώr.t is the law of displacement of the pressure piece around its equilibrium position where X is the amplitude of the displacement, ώr is the resonance pulsation, then ΔB = f (x) and p becomes p = k'j_.c + non-linearity terms The signal at the terminals of the piezoelectric cell is therefore the sum of two signals: - the signal due to the carrier frequency the useful signal The measurement oxygen concentration is then effected by amplitude demodulation of the signal collected.
Préférentiellement cette démodulation est effectuée numériquement D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de la présente invention, donné à titre explicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels:Preferably, this demodulation is carried out digitally. Other characteristics and advantages of the present invention will appear on reading the following description of a preferred embodiment of the present invention, given by way of explanation and without limitation, and of the appended drawings, in which:
- la figure 1 représente le principe du paramagnétisme de l'oxygène exploité dans la présente invention ;- Figure 1 shows the principle of paramagnetism of oxygen used in the present invention;
- la figure 2 représente le principe de la piézoélectricité directe utilisé dans la présente invention ;- Figure 2 shows the principle of direct piezoelectricity used in the present invention;
- la figure 3 représente un bilame sur lequel est exercée une force de pression ; - la figure 4 représente une coupe d'un mode de réalisation préférentiel d'un capteur de concentration d'oxygène selon la présente invention ;- Figure 3 shows a bimetallic strip on which is exerted a pressure force; - Figure 4 shows a section of a preferred embodiment an oxygen concentration sensor according to the present invention;
- la figure 5 représente une coupe d'un second mode de réalisation d'un capteur de concentration d'oxygène selon la présente invention.- Figure 5 shows a section of a second embodiment of an oxygen concentration sensor according to the present invention.
La figure 1 représente le principe du paramagnétisme de l'oxygène exploité dans la présente invention.Figure 1 shows the principle of oxygen paramagnetism used in the present invention.
Un champ magnétique est crée par deux pôles d'aimants N et S situés le long d'un axe Z. Les pôles N et S sont distincts et séparés par un mélange gazeux contenant de l'oxygène. L'intensité de l'induction magnétique | B | est maximale sur l'axe Oz, entre les pôles.A magnetic field is created by two poles of magnets N and S located along an axis Z. The poles N and S are distinct and separated by a gas mixture containing oxygen. The intensity of magnetic induction | B | is maximum on the Oz axis, between the poles.
Comme l'oxygène est paramagnétique, B et le vecteur champ magnétique H sont colinéaires, et vérifient la relation: B = μ.H = μ0 (1 + X).H où: - μ0 est la perméabilité magnétique du videAs oxygen is paramagnetic, B and the magnetic field vector H are collinear, and verify the relation: B = μ.H = μ 0 (1 + X) .H where: - μ 0 is the magnetic permeability of the vacuum
- μ est la perméabilité magnétique du milieu- μ is the magnetic permeability of the medium
- X est la susceptibilité magnétique (positive pour les corps paramagnétiques).- X is the magnetic susceptibility (positive for paramagnetic bodies).
Perpendiculairement à Oz, suivant une direction Ox, on isole un volume 1 de longueur dl et de surface ds représentant un élément de volume V = ds.dl. Si M est le moment magnétique de l'élément de volume 1, la force projetée suivant Ox et s'appliquant au volume 1 est égale à: F = M | δB/δx | = X.H.V. | SB/δx \ = X.5(B2).V/2.μ0.δxPerpendicular to Oz, in a direction Ox, we isolate a volume 1 of length dl and surface ds representing an element of volume V = ds.dl. If M is the magnetic moment of the element of volume 1, the force projected according to Ox and applying to volume 1 is equal to: F = M | δB / δx | = XHV | SB / δx \ = X.5 (B 2 ) .V / 2.μ 0 .δx
Une pression PI à gauche et une pression P2 à droite sont donc appliquées à l'élément de volume 1. On a donc:A pressure PI on the left and a pressure P2 on the right are therefore applied to the volume element 1. We therefore have:
| F | = (Pl - P2).ds| F | = (Pl - P2) .ds
-*• →- * • →
Le travail élémentaire de la force F dans le déplacement dl est donné par: dw = F.dl = (PI - P2).ds.dl pour dx = dlThe elementary work of the force F in displacement dl is given by: dw = F.dl = (PI - P2) .ds.dl for dx = dl
(PI - P2).ds.dl = X.5(B2).V.dx/2.μ0.δx Soit sous certaines conditions: (PI - P2) = X.d(B2)/2.μ0 Si l'élément de volume 1 se déplace de 0 à l'infini, on a: PI = P et P2 = 0, d'où(PI - P2) .ds.dl = X.5 (B 2 ) .V.dx / 2.μ 0 .δx Or under certain conditions: (PI - P2) = Xd (B 2 ) /2.μ 0 If the volume element 1 moves from 0 to infinity, we have: PI = P and P2 = 0, hence
P = X.B2/2.μo, avec X = 2.10"5 , μ0 = Î^.IO"6 et P = 8.B2 P = XB 2 /2.μo, with X = 2.10 " 5 , μ 0 = Î ^ .IO " 6 and P = 8.B 2
Si on prend par exemple B ≈ 6500 Gauss = 0,65 Wb/m2, on obtient P = 3,4 Pa. Ainsi, si on prend une induction magnétique de 0,65 Wb/m2, la cellule étant remplie d'oxygène pur, on obtient une différence de pression locale de 3,4 Pa. Pour que les molécules d'oxygène soient attirées vers la hgne des pôles, il faut que l'induction magnétique ne soit pas uniforme.If we take for example B ≈ 6500 Gauss = 0.65 Wb / m 2 , we obtain P = 3.4 Pa. Thus, if we take a magnetic induction of 0.65 Wb / m 2 , the cell being filled with pure oxygen, a local pressure difference of 3.4 Pa is obtained. In order for the oxygen molecules to be attracted to the pole region, the magnetic induction must not be uniform.
La figure 2 représente le principe de la piézoélectricité directe utilisé dans la présente invention.FIG. 2 represents the principle of direct piezoelectricity used in the present invention.
L'effet piézoélectrique direct est le phénomène par lequel des charges électriques apparaissent sur les faces de certains cristaux lorsqu'ils sont soumis à des pressions ou à des tensions mécaniques, comme représenté sur la figure 2.The direct piezoelectric effect is the phenomenon by which electric charges appear on the faces of certain crystals when they are subjected to pressures or mechanical tensions, as shown in FIG. 2.
Deux paramètres caractérisent le matériau 10 dans la direction d'application d'une force F:Two parameters characterize the material 10 in the direction of application of a force F:
- la compliance s, inverse du module dΥoung y,- compliance s, inverse of the dΥoung y module,
- la constante de charge d représentant la déformation obtenue à champ électrique donné. Les indices précisant la direction des excitations et des réponses ne sont pas rapportés, sachant qu'il s'agit de réponses projetées dans la direction des excitations.- the charge constant d representing the deformation obtained at a given electric field. Clues specifying the direction of the excitations and responses are not reported, knowing that they are responses projected in the direction of the excitations.
En négligeant les effets transverses, on peut écrire que la compression relative e due à la force F est égale à: e = σ/y avec σ = F/π.a2 où: - a est le rayon du disque 10 - 1 est l'épaisseur du disque 10 - σ est la contrainte longitudinale due à FBy neglecting the transverse effects, one can write that the relative compression e due to the force F is equal to: e = σ / y with σ = F / π.a 2 where: - a is the radius of the disc 10 - 1 is the thickness of the disc 10 - σ is the longitudinal stress due to F
- U est la différence de potentiel entre les deux faces équipotciiiicl- les du disque. Or, d'après la formule de l pman, on a: e = d.U/1 On obtient donc: σ.s ≈ F.s/jr.a2 = d.U/1 c'est à dire: U = (F.l/jr.a2).s/d- U is the potential difference between the two equipotciiiic sides of the disc. Now, according to the formula of l pman, we have: e = dU / 1 We thus obtain: σ.s ≈ Fs / jr.a 2 = dU / 1 i.e.: U = (Fl / jr.a 2 ) .s / d
Pour calculer la charge induite, il faut connaître la capacité statique Cg de l'échantillon 10. Si e0 est la peπnittivité du vide (= 8,85.10"12 F/m) et er la peπnittivité relative du matériau, on a:
Figure imgf000010_0001
To calculate the induced charge, it is necessary to know the static capacity Cg of the sample 10. If e 0 is the peπnittivity of the vacuum (= 8.85.10 "12 F / m) and e r the relative peπnittivity of the material, we have:
Figure imgf000010_0001
La charge Q = CQ.U est égale à:The charge Q = C Q .U is equal to:
Q = F.e0.er.s/d (1) Sous certaines conditions aux limites, la constante de tension piézo¬ électrique g dépend de d et de e suivant la relation: g = à/ o/e.Q = Fe 0 .e r .s / d (1) Under certain boundary conditions, the piezoelectric voltage constant g depends on d and e according to the relation: g = à / o / e.
En reportant g dans la relation (1), on obtient donc:By reporting g in relation (1), we therefore obtain:
Q = F.s/g D'après cette relation, la charge Q observée ne dépend pas de la forme de l'échantillon 10, mais uniquement des paramètres s et g du matériau et de la force excitatrice F.Q = F.s / g According to this relation, the charge Q observed does not depend on the shape of the sample 10, but only on the parameters s and g of the material and the excitation force F.
Le tableau suivant comprend quelques caractéristiques de certains matériaux pouvant être utilisés comme éléments piézoélectriques:The following table includes some characteristics of certain materials that can be used as piezoelectric elements:
Figure imgf000010_0002
Figure imgf000010_0002
Les valeurs numériques ci-dessus situent la limite de ce montage, la valeur induite étant très faible puisque Q = F.s/g. Les calculs ont été réalisés pour des fréquences faibles éloignées de la fréquence de résonance de la céramique.The numerical values above locate the limit of this assembly, the induced value being very weak since Q = Fs / g. The calculations were made for low frequencies far from the resonant frequency of the ceramic.
La pression peut être mesurée directement aux bornes de l'élément piézoélectrique, mais il est bien entendu également possible de détecter une pression en travaillant à une fréquence proche de la fréquence de résonance de cet élément.The pressure can be measured directly across the piezoelectric element, but it is of course also possible to detect a pressure by working at a frequency close to the resonant frequency of this element.
On peut également envisager d'utiliser un empilage de deux lames collées, comme représenté en figure 3.It is also possible to envisage using a stack of two glued strips, as shown in FIG. 3.
La figure 3 représente un bilame sur lequel est exercée une force de pression. L'élément piézoélectrique 21 est constitué de deux lames collées de telle sorte que les polarisations sont inversées. L'élément 21 est maintenu fixe par une de ses extrémités dans un bâti 20. Une force F d'excitation appliquée à l'extrémité libre du bilame induit une charge Q sur des électrodes, proportionnelle à la force F. Pour un matériau du type P x E - 5, par exemple, la valeur de la charge est donnée par la relation:FIG. 3 represents a bimetallic strip on which a pressure force is exerted. The piezoelectric element 21 consists of two plates glued so that the polarizations are reversed. The element 21 is held fixed by one of its ends in a frame 20. An excitation force F applied to the free end of the bimetallic strip induces a charge Q on the electrodes, proportional to the force F. For a material of the type P x E - 5, for example, the value of the load is given by the relation:
Q = 4.10-10.l2.h2 C/N et celle de la tension de sortie par: U -= 2.10-2.l2 h.lt w V N où: - 1 est la longueur libreQ = 4.10- 10 .l 2 .h 2 C / N and that of the output voltage by: U - = 2.10- 2 .l 2 hl t w VN where: - 1 is the free length
- h est l'épaisseur totale du bilame- h is the total thickness of the bimetallic strip
- lt est la longueur totale du bilame- l t is the total length of the bimetallic strip
- w est la largeur du bilame La valeur de la capacité est déduite par la relation Q -= C.U.- w is the width of the bimetal strip The value of the capacity is deduced by the relation Q - = C.U.
L'exemple numérique suivant permettra de mieux comprendre le fonctionnement du montage décrit.The following numerical example will make it possible to better understand the operation of the assembly described.
Les caractéristiques du bilame sont les suivantes: - 1 = 30 mm - h = 0,6 mmThe characteristics of the bimetallic strip are as follows: - 1 = 30 mm - h = 0.6 mm
- w -= 1,6 mm- w - = 1.6 mm
- lt = 35 mm Pour une force appliquée F = 0,58.10 N, on obtient:- l t = 35 mm For an applied force F = 0.58.10 N, we obtain:
- Q = 0,58 pC- Q = 0.58 pC
- U = 310 μV- U = 310 μV
Si deux éléments sont utilisés en série, la différence de potentiel est égale à 620 μV.If two elements are used in series, the potential difference is equal to 620 μV.
La figure 4 représente une coupe d'un mode de réalisation préférentiel d'un capteur de concentration d'oxygène selon la présente invention.FIG. 4 represents a section of a preferred embodiment of an oxygen concentration sensor according to the present invention.
Ce capteur fait appel au paramagnétisme de l'oxygène et au phénomène de la piézoélectricité précédemment décrit. Le capteur représenté présente un volume 30 de mesure de la concen¬ tration d'oxygène dans un mélange gazeux. Deux pôles d'aimants 31 et 32 fixés sur un circuit magnétique 33 génèrent un champ magnétique constant dans le volume 30 de mesure. Un élément piézoélectrique 34 fixé entre deux supports anti¬ vibratoires 35 et 36 est placé parallèlement aux lignes de champ du volume 30 de mesure. Un écran anti-magnétique en deux parties 37,38 sépare le circuit magnétique 33 et les aimants 31 et 32 de l'élément piézoélectrique 34. Une pièce d'interface 39 non paramagnétique est fixée sur l'une des faces de l'élément piézoélectrique 34 et centrée sur l'axe de symétrie 40 des aimants 31 et 32. Le capteur représenté est monté sur un support ou bâti 41,42. La présence d'un flux de gaz contenant de l'oxygène dans le volume de mesure 30 où règne un champ magnétique élevé, provoque, du fait du parama¬ gnétisme de l'oxygène, un déplacement de la pièce d'interface 39 non pa¬ ramagnétique dans la direction de l'élément piézoélectrique 34. Ce déplacement génère une force de pression sur l'élément piézoélectrique 34 et des charges électriques apparaissent sur cet élément. Comme l'élément 34 est caractérisé par une certaine capacité, il s'ensuit qu'une différence de potentiel correspondant à la pression exercée est mesurable aux bornes de l'élément piézoélectrique 34.This sensor uses the paramagnetism of oxygen and the piezoelectricity phenomenon previously described. The sensor shown has a volume 30 for measuring the concentration of oxygen in a gas mixture. Two magnet poles 31 and 32 fixed on a magnetic circuit 33 generate a constant magnetic field in the measurement volume 30. A piezoelectric element 34 fixed between two anti-vibration supports 35 and 36 is placed parallel to the field lines of the measurement volume 30. A two-part anti-magnetic screen 37, 38 separates the magnetic circuit 33 and the magnets 31 and 32 from the piezoelectric element 34. A non-paramagnetic interface part 39 is fixed to one of the faces of the piezoelectric element 34 and centered on the axis of symmetry 40 of the magnets 31 and 32. The sensor shown is mounted on a support or frame 41,42. The presence of a flow of gas containing oxygen in the measurement volume 30 where a high magnetic field prevails, causes, due to the parama¬ gnétisme of oxygen, a displacement of the interface part 39 not pa ¬ ramagnetic in the direction of the piezoelectric element 34. This displacement generates a pressure force on the piezoelectric element 34 and electric charges appear on this element. As the element 34 is characterized by a certain capacity, it follows that a potential difference corresponding to the pressure exerted is measurable across the terminals of the piezoelectric element 34.
En reprenant l'exemple numérique précédent, si pour 100% d'oxygène la différence de potentiel est de 1 volt pleine échelle, le coefficient de transfert du bilame est de: 1/(2 x 0,58) = 0,86 V/pC.Using the previous numerical example, if for 100% oxygen the potential difference is 1 volt full scale, the transfer coefficient of the bimetal strip is: 1 / (2 x 0.58) = 0.86 V / pC.
Il est donc tout à fait possible d'utiliser un bilame tel que décrit, puisqu'il existe des amplificateurs dont la sensibilité est supérieure à 10 V/pC.It is therefore quite possible to use a bimetallic strip as described, since there are amplifiers whose sensitivity is greater than 10 V / pC.
L'élément piézoélectrique 34 est préférentiellement constitué par un bilame fixé à ses deux extrémités, c'est à dire possédant deux points d'appui.The piezoelectric element 34 is preferably constituted by a bimetallic strip fixed at its two ends, that is to say having two support points.
Bien entendu, il est également possible d'utiliser un type d'élément piézoélectrique utilisant une autre configuration de déformation de structure, par exemple au moyen d'un barreau encastré à une seule de ses extrémités.Of course, it is also possible to use a type of piezoelectric element using another configuration of structural deformation, for example by means of a bar embedded at only one of its ends.
Ainsi, selon la figure 5, le capteur de concentration d'oxygène selon l'invention présente une structure analogue au mode de réalisation représenté à la figure 4 sauf en ce qui concerne le montage de la cellule piézoélectrique et de l'élément de pression. Selon la figure 5, le capteur présente une cellule piézoélectri¬ que 43 fixée sur un support unique anti-vibratoire 44. Une pièce d'interface 39 non paramagnétique est fixée à l'extrémité de la cellule piézoélectrique 43 entre les aimants 31 et 32.Thus, according to Figure 5, the oxygen concentration sensor according to the invention has a structure similar to the embodiment shown in Figure 4 except as regards the mounting of the piezoelectric cell and the pressure element. According to FIG. 5, the sensor has a piezoelectric cell 43 fixed on a single anti-vibration support 44. A non-paramagnetic interface piece 39 is fixed to the end of the piezoelectric cell 43 between the magnets 31 and 32.
Ce mode de réalisation est plus particulièrement adapté pour détecter les faibles variations de pression et donc de concentration d'oxygène en faisant vibrer la pièce de pression 39 à une fréquence porteuse égale à la fréquence de résonance de la cellule piézoélectrique 43. Le signal recueilli aux bornes de la cellule piézoélectrique est constitué par la somme de deux signaux :This embodiment is more particularly suitable for detecting small variations in pressure and therefore in oxygen concentration by vibrating the pressure piece 39 at a carrier frequency equal to the resonance frequency of the piezoelectric cell 43. The signal collected at the terminals of the piezoelectric cell consists of the sum of two signals:
- le signal dû à la fréquence porteuse ;- the signal due to the carrier frequency;
- le signal dû à la fréquence utile.- the signal due to the useful frequency.
La mesure de la concentration d'oxygène s'effectue alors par démodulation d'amplitude du signal recueilli. Cette étape de démodulation est préférentiellement effectuée numériquement.The measurement of the oxygen concentration is then carried out by amplitude demodulation of the signal collected. This demodulation step is preferably carried out digitally.
Les pôles d'aimants 31 et 32 sont préférentiellements en fer doux. On peut également envisager de générer le champ magnétique dans le volume de mesure à l'aide d'électro-aimants, ou d'un quelconque dispositif électronique approprié. Selon un mode de réalisation préférentiel de la présente invention, le champ magnétique généré sera le plus élevé possible. La pièce d'interface 39 est de préférence non paramagnétique et peut par exemple être diamagnétique. Cette pièce recouvre de préférence une partie importante de la surface de l'élément piézoélectrique, afin de permettre une mesure très précise de la concentration d'oxygène dans le gaz analysé. L'écran anti-magnétique a pour fonction d'éviter une perturbation de la mesure de pression de la pièce d'interface 39 sur l'élément piézoélectrique 34. Il est avantageusement constitué en Permalloy, mais d'autres matériaux assurant un tel blindage conviennent également.The magnet poles 31 and 32 are preferably made of soft iron. One can also consider generating the magnetic field in the measurement volume using electromagnets, or any suitable electronic device. According to a preferred embodiment of the present invention, the magnetic field generated will be as high as possible. The interface piece 39 is preferably non-paramagnetic and can for example be diamagnetic. This part preferably covers a large part of the surface of the piezoelectric element, in order to allow a very precise measurement of the concentration of oxygen in the gas analyzed. The anti-magnetic screen has the function of avoiding a disturbance of the pressure measurement of the interface piece 39 on the piezoelectric element 34. It is advantageously made of Permalloy, but other materials ensuring such shielding are suitable also.
Les figures 4 et 5 représentent des pôles d'aimants 31 et 32 dissymétriques par rapport à la direction des lignes de champ magnétique générées par les pôlesFigures 4 and 5 show poles of magnets 31 and 32 asymmetrical with respect to the direction of the magnetic field lines generated by the poles
31 et 32, du fait de la dissymétrie du montage représenté. Il est bien entendu possible de réaliser la présente invention à l'aide de deux pôles symétriques, par exemple en forme de cônes, et de deux éléments piézoélectriques situés chacun de part et d'autre des pôles. Le capteur selon la présente invention est particulièrement destiné à mesurer la teneur en oxygène d'un mélange gazeux circulant dans une conduite. C'est pourquoi le volume de mesure comporte des moyens de raccordement (non représentés) à une telle conduite.31 and 32, due to the asymmetry of the assembly shown. It is of course possible to carry out the present invention using two symmetrical poles, for example in the form of cones, and two piezoelectric elements each located on either side of the poles. The sensor according to the present invention is particularly intended for measuring the oxygen content of a gas mixture circulating in a pipe. This is why the measurement volume comprises means of connection (not shown) to such a pipe.
Comme déjà précisé, la tension aux bornes de l'élément piézoélectrique est proportionnelle à la concentration d'oxygène dans le gaz analysé. La rapidité de la réponse à un changement de concentration dO2 n'est limitée que par la durée de l'écoulement du gaz dans le volume de mesure et le temps de réponse de l'élément piézoélectrique. Le dispositif selon l'invention présente un temps de réponse de l'ordre de quelques dizaines de millisecondes pour un temps d'établissement à 90% (pour un débit nominal de 90 ml/mn). Il présente également une sensibilité deAs already specified, the voltage across the terminals of the piezoelectric element is proportional to the concentration of oxygen in the gas analyzed. The rapidity of the response to a change in concentration dO 2 is only limited by the duration of the flow of the gas in the measurement volume and the response time of the piezoelectric element. The device according to the invention has a response time of the order of a few tens of milliseconds for an establishment time of 90% (for a nominal flow rate of 90 ml / min). It also has a sensitivity of
0,1% dans toute la plage de variation possible de concentration d'oxygène (0 à 100%).0.1% in the whole range of possible variation of oxygen concentration (0 to 100%).
Le temps de réponse du bilame peut être estimé en connaissant sa fréquence de résonance. Dans le cas du bilame décrit en référence à la figure 3, sa fréquence de résonance est donnée par: t. = 400.h/l2 = 400.0,6.103/900 = 266 Hz.The response time of the bimetallic strip can be estimated by knowing its resonant frequency. In the case of the bimetallic strip described with reference to FIG. 3, its resonant frequency is given by: t. = 400.h / l 2 = 400.0,6.10 3/900 = 266 Hz.
On arrive ainsi à un temps de réponse de l'ordre de 50 ms.We thus arrive at a response time of the order of 50 ms.
Il est à noter que le passage du gaz dans le volume de mesure entraîne une diminution du débit due à la perte de charge. Il y a alors variation de pression locale et de ce fait perturbation de la mesure de concentration d'oxygène. Pour pallier cet inconvénient, il faut donc travailler à débit constant. Cependant, comme le montage selon la figure 4 ne présente pas de pièce en mouvement, la perte de charge peut être considérée comme constante dans une certaine plage, et il est aisé de mettre en oeuvre une correction de la valeur de tension mesurée. La présente invention présente notamment l'avantage de ne pas nécessiter de pièce en mouvement, comme par exemple le cadre mobile dans l'état de la technique décrit. Cette caractéristique le rend très peu fragile et donc déplaçable très facilement. De plus, le capteur bénéficie d'une durée de vie importante et sa réalisation s'en trouve simplifiée. La très faible consommation du capteur, de l'ordre de quelques mA, et sa compacité le recommandent tout particulièrement pour des applications présentant un espace restreint. It should be noted that the passage of gas through the measurement volume results in a reduction in the flow rate due to the pressure drop. There is then a variation in local pressure and thereby disturbance of the oxygen concentration measurement. To overcome this drawback, it is therefore necessary to work at a constant flow rate. However, since the assembly according to FIG. 4 does not have a moving part, the pressure drop can be considered constant within a certain range, and it is easy to implement a correction of the measured voltage value. The present invention has the particular advantage of not requiring any moving part, such as for example the movable frame in the prior art described. This characteristic makes it very fragile and therefore very easily movable. In addition, the sensor has a long service life and its construction is simplified. The very low consumption of the sensor, of the order of a few mA, and its compactness recommend it particularly for applications with limited space.

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur de concentration d'oxygène dans un gaz, du type exploitant les propriétés paramagnétiques de l'oxygène par mesure d'une pression provoquée par l'attraction d'oxygène dans un volume (30) de mesure soumis à un champ magnéti- que constant, caractérisé en ce qu'il comprend un élément de mesure de pression (39) comportant une cellule piézoélectrique (34).1. Oxygen concentration sensor in a gas, of the type exploiting the paramagnetic properties of oxygen by measuring a pressure caused by the attraction of oxygen in a measurement volume (30) subjected to a magnetic field. that constant, characterized in that it comprises a pressure measuring element (39) comprising a piezoelectric cell (34).
2. Capteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit élément de mesure est constitué d'une pièce de pression (39) rappelée dans l'entrefer (31,32) d'un générateur de champ magnétique et coopérant avec ladite cellule piézoélec¬ trique (34).2. Sensor according to claim 1 characterized in that said measuring element consists of a pressure piece (39) recalled in the air gap (31,32) of a magnetic field generator and cooperating with said piezoelectric cell stick (34).
3. Capteur selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite pièce de pression (39) recouvre en section une partie importante de l'entrefer (31,32) dudit générateur de champ magnétique. 3. Sensor according to claim 2 characterized in that said pressure piece (39) covers in section a large part of the air gap (31,32) of said magnetic field generator.
4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ladite cellule piézoélectrique est constituée par un barreau (34) reposant sur deux points d'appui (35,36), ladite pièce de pression (39) transmettant les contraintes de pression sur ledit barreau (34) entre lesdits deux points d'appui4. Sensor according to any one of claims 1 to 3 characterized in that said piezoelectric cell consists of a bar (34) resting on two support points (35,36), said pressure piece (39) transmitting the pressure stresses on said bar (34) between said two support points
(35,36). (35.36).
5. Capteur selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit barreau (34) est constitué par un bilame formé de deux couches piézoélectriques collées en opposition.5. Sensor according to claim 4 characterized in that said bar (34) is constituted by a bimetallic strip formed by two piezoelectric layers bonded in opposition.
6. Capteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit champ magnétique constant est généré par deux pôles (31,32) formant entrefer. 6. Sensor according to claim 1 characterized in that said constant magnetic field is generated by two poles (31,32) forming an air gap.
7. Capteur selon la revendication 6 caractérisé en ce que lesdits pôles7. Sensor according to claim 6 characterized in that said poles
(31,32) sont dissymétriques par rapport à la direction des lignes de champ magnétique générées par lesdits pôles (31,32).(31,32) are asymmetrical with respect to the direction of the magnetic field lines generated by said poles (31,32).
8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 6 et 7 caractérisé en ce qu'un écran (37,38) anti-magnétique est disposé entre ladite cellule piézo- électrique (34) et lesdits pôles (31,32). 8. Sensor according to any one of claims 6 and 7 characterized in that an anti-magnetic screen (37,38) is arranged between said piezoelectric cell (34) and said poles (31,32).
9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que la mesure de ladite concentration d'oxygène dans ledit gaz est effectuée par mesure directe de la charge induite aux bornes de ladite cellule piézoélectrique (34). 9. Sensor according to any one of claims 1 to 8 characterized in that the measurement of said oxygen concentration in said gas is carried out by direct measurement of the charge induced at the terminals of said piezoelectric cell (34).
10. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que la mesure de ladite concentration d'oxygène dans ledit gaz est effectuée par mesure de différence de fréquences par rapport à la fréquence de résonance de ladite cellule piézoélectrique (34).10. Sensor according to any one of claims 1 to 8 characterized in that the measurement of said oxygen concentration in said gas is carried out by measurement of frequency difference with respect to the resonant frequency of said piezoelectric cell (34) .
11. Capteur selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ladite cellule piézo-électrique est constituée par un barreau reposant sur un point d'appui unique et porte à l'une de ses extrémités ladite pièce de pression (39).11. Sensor according to one of claims 1 to 3 characterized in that said piezoelectric cell is constituted by a bar resting on a single bearing point and carries at one of its ends said pressure piece (39) .
12. Capteur selon la revendication 11 caractérisé en ce que la mesure de ladite concentration d'oxygène est effectuéee en faisant vibrer ladite pièce de pression (39) à une fréquence porteuse égale à la fréquence de résonance de la cellule piézo-électrique et en traitant le signal obtenu par démodulation d'amplitu¬ de.12. Sensor according to claim 11 characterized in that the measurement of said oxygen concentration is carried out by vibrating said pressure piece (39) at a carrier frequency equal to the resonance frequency of the piezoelectric cell and by treating the signal obtained by demodulation of amplitu¬.
13. Capteur selon la revendication 12 caractérisé en ce que la démodula - tion d'amplitude est effectuée numériquement. 13. Sensor according to claim 12 characterized in that the demodulation - amplitude is carried out digitally.
PCT/FR1991/000815 1990-10-18 1991-10-17 Sensor for measuring the concentration of oxygen in a gas WO1992007256A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR90/13150 1990-10-18
FR9013150A FR2668264B1 (en) 1990-10-18 1990-10-18 SENSOR FOR MEASURING THE CONCENTRATION OF OXYGEN IN A GAS.

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1992007256A1 true WO1992007256A1 (en) 1992-04-30

Family

ID=9401508

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR1991/000815 WO1992007256A1 (en) 1990-10-18 1991-10-17 Sensor for measuring the concentration of oxygen in a gas

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR2668264B1 (en)
WO (1) WO1992007256A1 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2690992A1 (en) * 1992-05-09 1993-11-12 Draegerwerk Ag Paramagnetic gas detector with rotary tank.
DE102006056046A1 (en) * 2006-11-28 2008-05-29 Abb Ag Paramagnetic oxygen sensor, has piezo-resistive unit to detect elastic deformation in area of suspension, where elastic deformation is caused by measuring effect, and oxygen concentration in gas is determined by signal processing technique
DE102007049867A1 (en) * 2007-10-18 2009-04-30 Abb Ag Paramagnetic gas sensor and method of operation thereof
DE102014101971A1 (en) 2014-02-17 2015-08-20 Aixtron Se Magnetic method for determining a vapor concentration and apparatus for carrying out the method
WO2016162287A1 (en) 2015-04-09 2016-10-13 Aixtron Se Device and method for determining the concentration or partial pressure of a vapor having magnetic properties

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7081745B2 (en) 2002-03-22 2006-07-25 Ge Healthcare Finland Oy Paramagnetic oxygen sensing apparatus and method

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3349259A (en) * 1965-05-27 1967-10-24 Kistler Instr Corp Piezoelectric pressure transducer
US3881152A (en) * 1973-09-19 1975-04-29 Akira Tasaki Method and device for measuring oxygen partial pressure
GB2013893A (en) * 1978-02-06 1979-08-15 Westinghouse Electric Corp Partial pressure of oxygen sensor
SU741077A1 (en) * 1974-12-18 1980-06-15 Ереванский политехнический институт им. К.Маркса Pressure sensor
EP0172461A2 (en) * 1984-08-21 1986-02-26 Hewlett-Packard Company Apparatus and method for measuring the concentration of a paramagnetic gas

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3349259A (en) * 1965-05-27 1967-10-24 Kistler Instr Corp Piezoelectric pressure transducer
US3881152A (en) * 1973-09-19 1975-04-29 Akira Tasaki Method and device for measuring oxygen partial pressure
SU741077A1 (en) * 1974-12-18 1980-06-15 Ереванский политехнический институт им. К.Маркса Pressure sensor
GB2013893A (en) * 1978-02-06 1979-08-15 Westinghouse Electric Corp Partial pressure of oxygen sensor
EP0172461A2 (en) * 1984-08-21 1986-02-26 Hewlett-Packard Company Apparatus and method for measuring the concentration of a paramagnetic gas

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SOVIET INVENTIONS ILLUSTRATED, semaine DO8, 1 avril 1981, abrégé no. B5932D/08, SO2, Derwent Publications Ltd., London, GB, & SU - A - 741077 (EREV POLY) 20.06.1980 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2690992A1 (en) * 1992-05-09 1993-11-12 Draegerwerk Ag Paramagnetic gas detector with rotary tank.
DE102006056046A1 (en) * 2006-11-28 2008-05-29 Abb Ag Paramagnetic oxygen sensor, has piezo-resistive unit to detect elastic deformation in area of suspension, where elastic deformation is caused by measuring effect, and oxygen concentration in gas is determined by signal processing technique
DE102006056046B4 (en) * 2006-11-28 2009-04-02 Abb Ag Paramagnetic oxygen sensor
DE102007049867A1 (en) * 2007-10-18 2009-04-30 Abb Ag Paramagnetic gas sensor and method of operation thereof
DE102014101971A1 (en) 2014-02-17 2015-08-20 Aixtron Se Magnetic method for determining a vapor concentration and apparatus for carrying out the method
WO2016162287A1 (en) 2015-04-09 2016-10-13 Aixtron Se Device and method for determining the concentration or partial pressure of a vapor having magnetic properties
DE102015105404A1 (en) 2015-04-09 2016-10-27 Aixtron Se Apparatus and method for determining the concentration or partial pressure of a vapor having magnetic properties

Also Published As

Publication number Publication date
FR2668264B1 (en) 1994-02-04
FR2668264A1 (en) 1992-04-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2711696B1 (en) Thermal flow sensor with vibrating element and gas sensor with at least one such thermal flow sensor
US7667369B2 (en) High sensitivity microsensors based on flexure induced frequency effects
EP0292349B1 (en) Geophone with a sensitive element of a piezoelectric polymer
US6820469B1 (en) Microfabricated teeter-totter resonator
US7168298B1 (en) Mass-sensitive chemical preconcentrator
CA1180914A (en) Micromechanical chemical sensor
US8215170B2 (en) Chemical and biological sensing using tuning forks
EP2898318B1 (en) Thermal flow sensor and gas sensor comprising at least one such sensor
US7785001B2 (en) Apparatus and method for sensing change in environmental conditions
EP1947469B1 (en) Magnetic amplifier device comprising a magnetic sensor with longitudinal sensitivity
EP2815210B1 (en) Compact dection device for at least one acceleration and one rotational speed
WO2007137995A2 (en) A thermal detector
EP3087386B1 (en) Gravimetric gas sensor having a lowered detection limit
EP0098796B1 (en) Sensitive element for a stress transducer, and transducer employing it
EP0101669A2 (en) Measuring device using a temperature-compensated piezoelectric resonator
FR2995692A1 (en) THERMAL FLOW SENSOR WITH INCREASED RESOLUTION
JP2011203007A (en) Detection sensor, and material detection system
EP2901122B1 (en) Pressure sensor made from nanogauges coupled to a resonator
WO1992007256A1 (en) Sensor for measuring the concentration of oxygen in a gas
EP2908122B1 (en) Gas concentration sensor with suspended structure
WO2019158878A1 (en) Gas chromatography detector
EP0426550A1 (en) Apparatus for determining the coefficient of expansion due to water absorption of the parts of a composite structure
US10018686B1 (en) Ultra-low noise sensor for magnetic fields
Rinaldi et al. Ss-DNA functionalized array of ALN contour-mode NEMS resonant sensors with single CMOS multiplexed oscillator for sub-ppb detection of volatile organic chemicals
US6823720B1 (en) Method for chemical sensing using a microfabricated teeter-totter resonator

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FR GB GR IT LU NL SE

122 Ep: pct application non-entry in european phase