Principe de fonctionnement et construction des capteurs d`oxygène

Principe de fonctionnement et construction des capteurs d’oxygène
à base de dioxyde de zirconium de la série XYA
1. RAPPEL DE PHYSIQUE
1.1 Pression partielle
Définition:
La pression partielle est la pression qui, dans un
mélange de plusieurs gaz comme p. ex. l’air, peut
être attribuée à un gaz particulier. La pression
partielle correspond à la pression totale que ce gaz
spécifique exercerait s’il remplissait tout le volume.
Dans les domaines biologiques et médicaux, ce sont
surtout les pressions partielles d’oxygène ainsi que
de dioxyde de carbone qui sont à considérer. Dans
ces domaines, le terme "pression partielle" est
également utilisé pour exprimer la concentration de
ces gaz dans une solution comme p. ex. le sang ou
l’eau. De ce fait, la pression partielle d’un gaz
dissous dans un liquide est égale à la pression
partielle de ce gaz qui serait produite lors d’une
phase gazeuse en équilibre avec l’état liquide, à la
même température. La pression partielle est toujours
utilisée au lieu de la concentration massique lorsqu’
on considère des gaz dissous.
Loi de Dalton:
La pression totale ptot du mélange de gaz (considérés
comme idéaux) est égale à la somme des pressions
partielles pi de chaque gaz présent dans ce mélange:
k
p tot = ∑ pi
i=1
(1)
Il en résulte que le rapport du nombre de particules
(quantité de substance) ni d’une composante i sur le
nombre total de particules ntot du mélange est égal au
rapport de la pression partielle pi de cette
composante i sur la pression totale ptot du mélange.
ni
p
= i
n tot p tot
ni
ntot
pi
ptot
:
:
:
:
nombre de particules du gaz i
nombre total de particules
pression partielle du gaz i
pression totale
F / 11154 / B
(2)
Exemple 1:
Au niveau de la mer, sous les conditions standard, la
pression atmosphérique est de 1013,25 hPa. A cet
endroit, les principaux composants de l’air sec sont les
suivants: l’azote (78,09 % vol.), l’oxygène (20,95 % vol.),
l’argon (0,927 % vol.) et le dioxyde de carbone
(0,033 % vol.). Le nombre de particules de chaque
gaz est dans le rapport du pourcentage du volume,
car on peut considérer chacun de ces gaz comme
parfait. Les autres gaz peuvent être considérés
comme négligeables.
Lorsqu’on résout l’équation (2) pour définir la pression
partielle d’un gaz, il en résulte:
pi =
ni
⋅ p tot
n tot
(3)
Ce qui donne pour la pression partielle d’oxygène:
pi =
20,95 %
⋅ 1013,25 hPa = 212,275 hPa
100 %
Cependant, cette valeur n’est uniquement valable que
pour l’air sec (humidité de l’air à 0 %). Lorsque l’air
est humide, une partie de la pression totale est due à
la pression de la vapeur d’eau. C’est pourquoi, le
calcul de la pression partielle d’oxygène est plus
détaillé lorsqu’on ne considère pas seulement la
pression d’air mais également l’humidité relative
de l’air et sa température.
Dans un premier temps, la pression de la vapeur
d’eau est calculée:
p ve = ϕ ⋅ p s
(4)
pve : pression de la vapeur d’eau [mbar]
ϕ : humidité relative de l’air [%]
ps : pression de vapeur saturante [mbar]
Le tableau 1 montre la pression de vapeur saturante
de l’eau (ps) à une certaine température. La pression
de vapeur saturante est également appelée point de
condensation.
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La pression partielle d’oxygène dans l’air humide est
donc calculée comme suit:
 20,95 
p O 2 = (p − p ve ) ⋅ 

 100 
(5)
pO2 : pression partielle d’oxygène [mbar]
p : pression atmosphérique [mbar]
pve : pression de vapeur d’eau [mbar]
Exemple 2:
A l’aide des données météorologiques suivantes on
démontre l’influence de l’humidité de l’air sur la
pression partielle d’oxygène et ainsi sur la partie
volumique respective.
Température
:
Humidité relative de l’air :
Pression atmosphérique :
22 °C
32 %
986 mbar
Le tableau 1 montre à une température de 22°C
une pression de vapeur saturante pour l’eau
de 26,43 mbar. L’équation (4) donne ensuite:
 32 
p ve = 
 ⋅ 26,43 = 8,458 mbar
 100 
La pression partielle d’oxygène se calcule comme suit:
 20,95 
p O 2 = (986 − 8,458 ) ⋅ 
 = 204,795 mbar
 100 
T (°C)
pS (mbar)
T (°C)
pS (mbar)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
6,10
6,57
7,06
7,58
8,13
8,72
9,35
10,01
10,72
11,47
12,27
13,12
14,02
14,97
15,98
17,04
18,17
19,37
20,63
21,96
23,37
24,86
26,43
28,11
29,82
31,66
33,60
35,64
37,78
40,04
42,42
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
42.5
45
47.5
50
52.5
55
57.5
60
62.5
65
67.5
70
75
80
85
90
95
100
110
120
130
44,92
47,54
50,30
53,19
56,23
59,42
62,76
66,27
69,93
73,77
84,19
95,85
108,86
123,38
139,50
157,42
177,25
199,17
223,36
250,01
279,31
311,48
385,21
473,30
577,69
700,73
844,98
1013,17
1433,61
1988,84
2709,58
Tableau 1: Pression de vapeur saturante de l’eau (pS)
Ensuite, le volume relatif de l’oxygène de
l’atmosphère globale peut être calculé comme suit:
O 2 % Vol. =
F / 11154 / B
204,8
⋅ 100 = 20,77 %
986
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2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
1.2 Tension de Nernst
2.1 Construction du capteur
Deux concentrations différentes d’ions de chaque
côté d’une électrolyte génèrent un potentiel électrique
connu sous le nom de Tension de Nernst. Cette
tension est proportionnelle au logarithme népérien du
rapport entre les deux concentrations.
Les capteurs d’oxygène de la série XYA de First
Sensor sont constitués de deux disques de dioxyde
de zirconium (ZrO2) recouverts de fines couches
poreuses de platine qui servent d’électrodes (voir
figure 2.1). Les deux disques sont attachés à un
anneau de platine, formant ainsi une chambre scellée
hermétique. A chaque face extérieure des disques de
ZrO2 se trouve respectivement un anneau de platine
supplémentaire pour assurer les contacts électriques.
Le premier disque est connecté à une source de
courant réversible, et sur le second disque une
tension (de Nernst) peut être mesurée.
∆U = −
kB
T
e0
ci
:
:
:
:
c 
kBT
⋅ ln  1 
e0
 c2 
(6)
-23
constante de Boltzmann (kB=1,38•10 J/K)
température en °K
-19
charge élémentaire (e0=1,602•10 C)
concentration ionique en moles/kg
1.3 Dioxyde de zirconium (ZrO2)
A une température supérieure à 650 °C, le dioxyde de
zirconium présente les deux comportements
suivants:
1. Le ZrO2 se dissocie partiellement pour produire des
ions d’oxygène qui peuvent être véhiculés à l’intérieur
du matériau lorsqu’une tension est appliquée.
2. Le ZrO2 se comporte comme un électrolyte. Lorsque
deux pressions d’oxygène différentes existent de
chaque côté d’un élément ZrO2, une tension (de
Nernst) peut être mesurée aux bornes de cet
élément (voir 1.2 tension de Nernst).
F / 11154 / B
Deux éléments extérieurs en oxyde d’aluminium
(Al2O3) empêchent tout passage à l’intérieur du
capteur de particules présentes dans l’air ambiant.
De cette manière, ces filtres empêchent la pollution
de la cellule et évitent ainsi des mesures instables.
Cet assemblage est entouré par une bobine
chauffante, produisant la température nécessaire au
fonctionnement du ZrO2 (non montré sur figure 2.1).
De plus, la série de capteurs XYA de First Sensor est
encapsulée dans un capot en acier inoxydable pour
protéger le capteur contre la pollution et les chocs
mécaniques.
Les informations relatives à la sensibilité croisée des
capteurs XYA avec d’autres gaz se trouvent au
chapitre 4.
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2.3 Disque de mesure
chambre
scellée, p2
électrode
de platine
anneau
de platine
disque en oxyde
d'aluminium
disque de
pompage en
dioxyde de
zirconium
disque de
mesure en
dioxyde de
zirconium
p1
p1
Une différence de pression d’oxygène aux bornes du
second disque de ZrO2 (disque de mesure) génère
une tension de Nernst (voir paragraphe 1.2 – tension
de Nernst) qui est proportionnelle au logarithme de la
différence de concentration en oxygène.
Cette tension est mesurée et comparée à deux
références de tension V1 et V5 (voir figure 2.3).
Lorsque la tension atteint une de ces valeurs de
référence, la polarité du flux de pompage est inversée
pour atteindre l’autre tension de référence. V1 est la
tension pour la pression d’oxygène la plus élevée, V5
celle pour la plus faible (pression atteinte dans la
chambre par le procédé de pompage).
i
+i
VN
courant de
tension
pompage
de Nernst
flux de
pompage
Figure 2.1: Construction du capteur
2.2 Disque de pompage
Le premier disque ZrO2 (disque de pompage) travaille
comme une pompe à oxygène, évacuant ou bien
pressurisant la chambre scellée. En fonction du sens
du courant (source réversible), les ions d’oxygène
migrent d’un électrode à l’autre et modifient ainsi la
concentration et également la pression p2 dans la
chambre. Celle-ci est alternativement évacuée ou bien
remplie jusqu’à ce que la tension de mesure VN
(tension de Nernst) atteigne une certaine valeur de
référence pré-réglée.
-i
p2 élevée
e
ag
ss
i
l
p
rem
év
ac
ua
tio
n
pression
d'oxygène
p2
p2 faible
V5
V4
tension
de Nernst
(VN)
V3
V2
V1
t1
t2
t4
t5
tp
temps
Période proportionnelle
à la pression partielle de
l'oxygène dans l'air ambiant (p1)
Figure 2.3: Tension de Nernst en fonction de la
pression d’oxygène p2 dans la chambre
F / 11154 / B
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3. MESURE
La durée du cycle de pompage est fonction de la
pression partielle de l’oxygène du mélange de gaz à
mesurer. Plus la pression d’oxygène ambiante est
élevée, plus long sera le temps mis par la pompe
ionique pour évacuer et remplir la chambre de mesure
(voir figure 3). Il en découle que le cycle de pompage
est proportionnel à la pression partielle d’oxygène en
contact avec le capteur. La durée du cycle correspond
donc à la période de la tension de Nernst tp (voir figure
2.3).
cycle de pompage
pour p1 = 200 mbar
pression
d'oxygène
p2 (mbar)
0
temps
cycle de pompage
pour p1 = 50 mbar
Figure 3:
Cycle de pompage en fonction de la
pression partielle d’oxygène de l’air
ambiant p2
3.1 Réalisation pratique
En théorie, comme tensions de référence V1 et V5 on
peut choisir des valeurs quelconques. Cependant, en
pratique, les considérations suivantes doivent être
prises en compte:
Double couche électrique
Une partie du flux de pompage n’est pas affectée au
remplissage ou à l’évacuation de la chambre. Par
contre, ces charges sont absorbées par les doubles
couches électriques entre l’électrode (platine) et
l’électrolyte (ZrO2). Cet effet se manifeste surtout aux
points d’inversion de la source de pompage et
F / 11154 / B
lorsqu’on est en présence de différences de pression
assez importantes entre l’ambiance et la chambre.
C’est pourquoi, les tensions de Nernst à mesurer se
trouvent à des valeurs très différentes des tensions
d’inversion V1 et V5 (voir V2, V3 et V4 dans la figure
2.3). De plus, la pression dans la chambre ne doit
pas être éloignée de plus de 10% de la pression
ambiante.
Temps de réponse
Etant donné que la durée du cycle de pompage est
d’autant plus grande que la pression partielle de
l’oxygène dans l’ambiance (p1) est importante, à une
pression élevée, les tensions de référence V1 et V5
vont se trouver proche l’une de l’autre pour permettre
un temps de réponse rapide du capteur.
Compensation en température
La tension de Nernst est dépendante de la
température (voir formule (6)). Cependant, dans des
certaines conditions de fonctionnement, les effets de
la température dans l’équation de Nernst et dans
l’équation générale des gaz se compensent en partie.
Les effets de la témpérature sont maximaux aux
points d’inversion de la pompe. Et c’est pour cette
raison que, par la mesure de la tension de Nernst
aux points V2, V3 et V4, le coefficient de température
TC peut presque s’annuler.
Lors d’un fonctionnement dans ce mode TC=0, on
mesure les temps mis pour que la tension de Nernst
atteigne les valeurs V2, V3 et V4 (voir t1, t2, t4 et t5 dans
la figure 2.3). La nouvelle durée de cycle td et ensuite
calculée comme suit:
t d = (t1 − t 2 ) + (t 5 − t 4 )
(7)
La durée de cycle td est linéaire en fonction de la
pression d’oxygène ambiante et, contrairement à tp,
elle commence au point zéro du diagramme «durée
de cycle/pression». Ainsi, la calibration (dynamique)
du capteur peut être effectuée en un seul point à
n’importe quel endroit sur la ligne droite. Si l’on
mesure la période tp, une calibration en deux points
pour le réglage de la dynamique de sortie et pour la
correction du décalage du zéro est nécessaire.
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Sensibilité
La sensibilité est définie comme la durée de la
période (td ou tp en millisecondes) divisée par la
pression partielle d’oxygène connue de l’atmosphère
pendant la calibration (pO2 en mbar).
Pour calculer td (calibration sur un point), la sensibilité
est définie comme suit:
sensibilité =
td
p O2
(8)
Pour calculer tp (calibration sur deux points), la
sensibilité est définie comme suit:
sensibilit é =
t p − Offset
p O2
(9)
La sensibilité est typiquement td=1.05 ms/mbar. En
raison de plusieurs facteurs ayant une influence sur la
sensibilité comme p. ex. le grandeur de la chambre et
l’épaisseur des disques ZrO2, il en résulte une tolérance
de ±15% lors de la production. C’est pour cette raison
qu’une calibration des capteurs est impérative.
3.2 Valeurs électriques recommandées
Lorsque le capteur est utilisé pour la mesure de la
pression partielle d’oxygène de 1...1000 mbar
(0,1...100% à la pression d’air typique), les valeurs
électriques suivantes sont recommandées:
td (TC = mode 0)
Source de courant constant:
i=40 µA
Tensions d’inversion de la pompe: V1=40 mV, V5=90 mV
Tensions de mesure: V2=45 mV, V3=64 mV, V4=85 mV
tp (cycle de pompage simple)
Source de courant constant:
i=40 µA
Tensions d’inversion de la pompe: V1=25 mV, V5=115 mV
Lorsque le capteur doit mesurer des pressions O2
plus importantes, sur demande, d’autres valeurs
électriques peuvent être recommandées.
En raison des avantages du TC = mode 0 décrits
si-dessus, celui-ci est le mode de fonctionnement
recommandé. Le cycle de pompage tp ne doit être
utilisé que pour des applications simples ne
nécessitant pas une précision élevée.
F / 11154 / B
3.3 Calibration
Le capteur d’oxygène XYA de First Sensor ne mesure
pas directement la concentration d’oxygène
(pourcentage volumétrique) mais la pression partielle
de l’oxygène. Selon la loi de Dalton (voir formule (2))
le pourcentage volumétrique de l’oxygène peut être
calculé lorsque la pression totale est connue.
Pour mesurer une concentration d’oxygène relative,
les capteurs de la série XYA doivent être calibrés aux
conditions ambiantes réelles et en présence d’une
concentration d’oxygène connue. En prenant l’air sec
ambiant d’une humidité typique comme référence, on
peut admettre que la concentration d’oxygène est de
20,7 % du volume. Lorsqu’on n’utilise pas un autre
capteur de pression pour la surveillance des variations
de la pression d’air barométrique, une calibration
quotidienne est recommandée.
Les cartes de traitement électronique ZBXYA de First
Sensors offrent deux gammes de mesure d’oxygène:
0...25 % du vol. et 0...100 % du vol. dans une
pression atmosphérique typique. La calibration peut
être effectuée soit automatiquement dans l’air
ambiant soit de manière manuelle à une
concentration d’oxygène connue.
3.4 Exemple d’un procédé de mesure
1. Le capteur XYA est chauffé pour atteindre la
température de fonctionnement (env. 100 secondes).
2. Hypothèse: la pression dans la chambre de
mesure est élevée. La tension de Nernst V1
(tension de référence basse) est lue aux bornes du
disque de mesure (voir figure 2.3).
3. Le courant de pompage est alors inversé.
4. La chambre est vidée.
5. La tension de Nernst augmente pour atteindre la
tension de référence haute V5.
6. Le courant de pompage est à nouveau inversé.
7. La chambre est remplie jusqu’à atteindre V1.
8. Le cycle de pompage commence à nouveau depuis
le début.
9. A l’aide de la carte de traitement électronique
ZBXYA la durée du cycle de la tension de Nernst
est déterminée, ce qui permettra de connaître la
concentration d’oxygène.
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4. SENSIBILITÉ CROISEE
5. INDICATIONS COMPLEMENTAIRES
Les capteurs XYA mesurent la pression partielle
d’oxygène, comme décrit ci-dessus. Avec certains
autres gaz et substances, une sensibilité croisée
peut se produire, ce qui a une incidence sur la
mesure ainsi que sur la durée de vie des capteurs.
Les capteurs sont surtout développés pour surveiller
des brûleurs. Leur durée de vie a ainsi été testée en
conditions de laboratoire sur des gaz déchappement
de brûleurs à gaz et de brûleurs pour l’huile légère.
5.1 Sécurité en matière de dysfonctionnement
4.1 Gaz combustibles
De petites quantités de gaz combustibles sont
brûlées sur les surfaces chaudes des électrodes en
platine ou des disques extérieurs en oxyde
d’aluminium du capteur. Ce brûlage se comporte de
manière stœchiométrique tant qu’il y a suffisamment
d’oxygène. Les capteurs XYA mesurent l’oxygène
restant. Les gaz combustibles suivants ont été
analysés (brûlage stœchiométrique) :
• hydrogène (H2) jusqu’à 2 %
• monoxyde de carbone (CO) jusqu’à 2 %
• méthane (CH4) jusqu’à 2,5 %
• ammoniaque (NH3) jusqu’à 1500 ppm
Un avantage essentiel du principe de mesure
dynamique des capteurs d’oxygène XYA est la
possibilité de reconnaître un dysfonctionnement
rapidement et avec certitude. Le cycle de pompage
continu et la modification de la tension de Nernst qui
s’ensuit correspondent en quelque sorte aux
pulsations cardiaques du capteur et peuvent, par
exemple, être facilement surveillés à l’aide d’un
microprocesseur externe.
5.2 Asymétrie du capteur
Si la tension de Nernst produite par le capteur
représente une symétrie comme dans la figure 2.2,
ceci est un signe clair d’un fonctionnement correct.
Par contre une asymétrie de la tension de mesure
peut avoir les causes suivantes :
1. La tension pour le filament de chauffage est trop faible.
2. Le capteur est souillé et ne pompe plus correctement.
3. La chambre scellée présente une fuite, c’est-à-dire
qu’il est plus difficile de l’évacuer et de la remplir.
4. L’élément du capteur s’est chargé de manière
fortement capacitive.
4.2 Métaux lourds
La vapeur des métaux comme le zinc (Zn), le
cadmium (Cd), le plomb (Pb) et le bismuth (Bi) a une
influence sur les propriétés catalytiques des
électrodes de platine. Le contact du capteur avec ces
vapeurs doit dès lors être évité.
4.3 Composés halogénés et sulfurés
De petites quantités (< 100 ppm) de composés
halogénés et sulfurés n’ont pas d’influence sur le
fonctionnement du capteur. En cas de grandes
quantités, des erreurs de mesure et de la corrosion
surviennent toutefois avec le temps (surtout en cas de
condensation sur le capteur). Les gaz suivants ont
été analysés :
• halogènes, fluor gazeux (F2), chlore gazeux (Cl2)
• chlorure d’hydrogène (HCL), fluorure d’hydrogène (HF)
• dioxyde de soufre (SO2)
• sulfure d’hydrogène (H2S)
• CFC, HCFC (Freon)
• disulfure de carbone (CS2)
F / 11154 / B
L’asymétrie peut être calculée comme suit , en même
temps que la mesure de td ou tp:
asymétrie =
(t1 + t 2 )
(t 5 + t 4 )
(10)
Le résultat devrait être idéalement 1, lorsque le
capteur fonctionne de manière optimale. En
production, l’asymétrie du capteur a une tolérance de
± 2,5 % (de 0,975 à 1,025).
5.3 Utilisation à un degré hygrométrique élevé
Si le capteur d’oxygène XYA est utilisé dans des
environnements chauds et humides, il est important
que le capteur ait une température plus élevée que le
gaz à mesurer, en particulier lorsque celui-ci contient
des substances corrosives. En utilisation, cela ne
pose aucun problème, étant donné que le filament de
chauffage autour de l’élément du capteur atteint une
température de typ. 700 °C. À la fin de l’utilisation, il
faut cependant veiller à ce que le chauffage du
capteur soit coupé en dernier, sinon la condensation
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6. CONSTRUCTION D’UN TRAITEMENT
ELECTRONIQUE
apparaîtrait sur l’élément chauffant et sur la cellule de
mesure. Lorsque l’on rebranche le capteur, le liquide
de condensation s’évaporerait alors et laisserait du
sel corrosif et nocif.
Ce paragraphe décrit les composants essentiels pour
la construction d’un traitement électronique propre au
client dans le cas où les cartes de traitement
électronique ZBXYA de First Sensor ne sont pas
utilisées.
5.4 Protection contre les gouttes d’eau
6.1 Elément de chauffage
Pour des utilisations lors desquelles il est possible
que des gouttes d’eau tombent sur le boîtier très
chaud du capteur, le capteur devrait par exemple, être
protégé par un cache ou par un boîtier supplémentaire,
afin d’éviter tout choc thermique important au niveau
du filament de chauffage ou de la cellule de mesure
du capteur. Si ce n’est pas possible, le capteur XYA
devrait au moins être monté en le pointant vers le
bas, afin que les gouttes d’eau soient déviées et que
le capteur ne puisse se remplir d’eau.
5.5 Silicone (caoutchouc, plastique)
Les capteurs XYA sont, comme tous les capteurs à
base de dioxyde de zirconium, endommagés par le
silicone présent dans les gaz à mesurer. Les
principaux responsables sont les gaz dégagés par les
éléments en caoutchouc ou en plastique à base de
caoutchouc silicone, qui sont utilisés dans de
nombreuses applications. Si la vapeur de silicone
atteint le capteur, les éléments organiques brûlent au
niveau de l’élément chaud du capteur et laissent une
fine couche de dioxyde de silicium, qui bouche le
capteur. Si des composants en caoutchouc silicone
sont utilisés, nous recommandons de n’utiliser que
des matières durcies et de qualité supérieure.
5.6 Atmosphères pauvres en oxygène
Il faut être bien attentif au fait que pour un
fonctionnement correct, le capteur nécessite un
minimum d’oxygène ambiant. S’il n’y a pas assez
d’oxygène, le capteur va tenter de déplacer les ions
d’oxygène contenus dans le disque en dioxyde de
zirconium. Cela endommagerait le disque de ZrO2.
C’est pour cette raison, qu’en aucun cas le capteur
ne devra se trouver, d’une manière prolongée, dans un
environnement avec une pression d’oxygène inférieure
à 1 mbar.
F / 11154 / B
Pour l’alimentation de l’élément de chauffage, le
capteur nécessite une tension de 4.35 VDC pour
atteindre la température de fonctionnement
nécessaire du dioxyde de zirconium. Il faut s’assurer
que la mesure de la tension de chauffe s’effectue au
plus près possible du capteur, car vu le courant
important, les résistances parasites dans les lignes
de mesure génèrent des chutes de potentiels non
négligeables. L’alimentation en tension réglable devra
être faiblement bruitée et fournir un courant de 2 A
minimum.
6.2 Réglage en tension du traitement électronique
Le réglage de la tension sert à alimenter correctement
les cartes de traitement électronique.
6.3 Retard nécessaire au démarrage
L’élément de dioxyde de zirconium n’est opérationnel
qu’à partir d’une température > 650°C. En dessous de
cette température, la résistance est très élevée. Si on
démarre à ce moment-là la phase de pompage, la
source de courant en atteignant sa valeur nominale
genererait une tension prohibitive qui risquerait
d’endommager le capteur. Le résultat serait identique
à celui décrit sous paragraphe 3.1, dans le cas d’un
fonctionnement du capteur dans une ambiance sans
oxygène. Pour cette raison, il est recommandé de
commander l’élément de chauffage au moins 60
secondes avant de lancer les cycles de mesure sur le
capteur.
6.4 Source de courant constant
L’alimentation de l’élément de pompage nécessite
une source de courant constant de 40 µA en typique.
La source de courant est à brancher entre les pattes
PUMP et COMMON du capteur.
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Principe de fonctionnement et construction des capteurs d’oxygène
à base de dioxyde de zirconium de la série XYA
6.5 Inversion de la source de courant constant
6.9 Signal de sortie
Le sens du courant doit être inversé dès que la
tension de référence haute ou basse est atteinte.
Pour cela on peut utiliser des commandes
analogiques.
La durée de cycle calculée par le micro-contrôleur
doit ensuite être transformée en signal de sortie
souhaité (p. ex. un signal de tension, de courant ou
une sortie digitale). Pour cela un DAC ou un
programme de sortie peut être nécessaire. De plus, le
filtrage et la résolution du signal doivent être pris en
considération.
6.6 Amplification du signal et filtrage
Etant donné que la tension de Nernst représente des
mV, il est conseillé de l’amplifier. La résistance
d’entrée de l’amplificateur doit être le plus grand
possible afin d’éviter de charger le capteur. Le bruit du
signal amplifié peut être éliminé par un filtre passebas avec une fréquence de coupure de 750 Hz. Il est
important de ne pas filtrer directement la tension de
Nernst en mV car cela pourrait également charger le
capteur.
6.7 Tension de référence et comparaison de tension
Le signal de mesure amplifié doit être comparé avec
les tensions de référence qui doivent elles-mêmes
être amplifiées avec le même facteur que la tension
de Nernst. Lorsqu’une des deux tensions de
référence est atteinte, la source de courant constant
inverse le sens du courant. L’élément de pompage
doit être géré de manière telle que la chambre soit
toujours évacuée en premier. Pour cela, le
raccordement PUMP du capteur doit initialement être
positif par rapport au raccordement COMMON.
cellule de mesure
inversion de la
source de
courant constant
source de
courant constant
amplification du
signal et filtrage
traitement
du signal
tension de
référence
et comparaison
signal de sortie
retard au
démarrage
réglage en tension
du traitement
électronique
élément de
chauffage
alimentation
en tension
réglage en tension
de l'élément de
chauffage
Figure 6: Schéma fonctionnel d’un traitement
électronique
6.8 Traitement du signal
Un micro-contrôleur est nécessaire pour surveiller la
tension de Nernst amplifiée (SENSE) et pour calculer
continuellement td ou tp. La formation d’une valeur
moyenne réduit le bruit naturel du capteur alors
qu’une valeur moyenne pondérée mobile convient le
mieux pour ne pas réduire le temps de réponse du
capteur. Le micro-contrôleur peut également surveiller
le retard au démarrage et l’inversion de la source de
courant constant.
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