WO2008101822A1 - Capteur de gaz thermique - Google Patents

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WO2008101822A1
WO2008101822A1 PCT/EP2008/051571 EP2008051571W WO2008101822A1 WO 2008101822 A1 WO2008101822 A1 WO 2008101822A1 EP 2008051571 W EP2008051571 W EP 2008051571W WO 2008101822 A1 WO2008101822 A1 WO 2008101822A1
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WO
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gas
signal
concentration
conc
sensor
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PCT/EP2008/051571
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Inventor
Yves De Coulon
Olivier Chetelat
Marc Brodard
Emmanuel Onillon
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CSEM Centre Suisse dElectronique et de Microtechnique SA Recherche et Développement
Neroxis SA
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CSEM Centre Suisse dElectronique et de Microtechnique SA Recherche et Développement
Neroxis SA
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Priority to US12/527,523 priority patent/US8161795B2/en
Priority to CA2677961A priority patent/CA2677961C/fr
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/14—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
    • G01N27/18—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature caused by changes in the thermal conductivity of a surrounding material to be tested

Definitions

  • the present invention relates to a gas sensor and, more particularly, a physical gas sensor integrated thermal type and able to accurately measure the concentration of a gas mixture even in the presence of moisture and without the latter disturbs measurement.
  • a physical thermal conductivity gas sensor marketed under the MGSM 2201 code by the Swiss firm Silsens SA, is based on the measurement of the thermal conductivity, between a hot spot and a cold spot, of a gas or gas. a gaseous mixture. Indeed, the thermal conductivity of a gas or a mixture of gases varies significantly with its chemical nature.
  • a sensor of this type makes it possible to detect gases, such as CO2, Hb and CH 4 , in the presence in the air and offers the advantage of having a low consumption combined with a great stability in the long term.
  • This thermal conductivity gas sensor is made in a silicon substrate and uses thin film deposition techniques as well as micro-structuring techniques.
  • the sensor comprises, in a conventional manner, an integrated heating element disposed on a membrane, which is electrically and thermally insulating.
  • Two thin-film resistors serve, for one, miniature heating element of low thermal inertia and, for the other, a sensor for measuring the temperature at the membrane around which circulates the gases which one seeks to determine the concentration.
  • a direct current (about 5mA) provides the heating function.
  • two similar reference resistors, structured in the same thin metal film are also integrated near the membrane to compensate for changes in ambient temperature.
  • the sensor is arranged on the silicon substrate so that a gas flow can take place around the membrane.
  • the temperature of the measuring resistor depends on the gas surrounding it, so that a change in the composition of the gas causes variations in the temperature behavior of the same resistor.
  • an object of the present invention to provide an improved sensor, for the detection by conductivity and thermal diffusivity of a gas mixture, capable of overcoming the disadvantages mentioned above. More particularly, an object of the invention is to provide an improved method of using and implementing an integrated thermal conductivity sensor which results in a gas concentration measurement less sensitive to the presence of H2O molecules.
  • Such a solution which combines an AC and DC current control of the heating resistor, an analysis of the frequency response and a knowledge of the reaction time of the sensor with the gases, is intended to measure several parameters of the gases, such as their thermal conductivity and their thermal diffusivity, which makes it possible, by adding new equations to the measuring system, to overcome the influence of humidity without requiring the use of a humidity sensor.
  • the invention relates to a sensor, for determining the concentration of at least one gas (G) in a wet gas mixture, comprising a measuring cell with thermal conductivity to which the gas mixture is subjected, said cell comprising: - a low thermal inertia membrane on which are disposed a heating resistor and a measurement resistor and delivering a signal supplied by said measuring resistor (Vm), and - a circuit for determining said concentration .
  • the heating resistor is powered by a current comprising an AC component
  • the determination circuit comprises a first low frequency processing line of the supplied signal (Vm) and at least one second processing line ( 30, 50) of the signal (Vm), at a higher frequency than that of the first channel.
  • the output signals (X1, X2) of the first and second chains are combined to extract the concentration of the gas (G) and that of the moisture.
  • the first processing chain may comprise a first bandpass filter and a first calculation circuit for demodulating the output signal of the bandpass filter.
  • the second processing chain may also comprise a second bandpass filter and a second calculation circuit for demodulating the output signal of the second bandpass filter.
  • the first and second calculation circuits calculate the sum of the squares of the samples of the output signals of the first and second bandpass filters.
  • the combination of the output signals of the first and second chains is a linear combination, which can be expressed as follows:
  • the gas mixture that can be sent into the measuring cell is first filtered so that its water content varies only slowly over time.
  • the sensor may further comprise an averaging circuit for the determination of the water vapor concentration.
  • the invention also relates to a method for determining the concentration of at least one gas (G) in a wet gas mixture, implementing a measuring cell as described above, to which the gas mixture is submitted.
  • the method according to the invention comprises the following steps: - obtaining a first output signal (X1) provided by a first low frequency processing line of said supplied signal (Vm), - obtaining a second output signal ( X2) supplied by a second processing chain of said signal (Vm), at a higher frequency than that of the first chain, - combination of the first and second output signals (X1, X2) to extract the concentration of said at least one gas ( G) and that of humidity.
  • FIG. 1 is a sectional view of a measuring cell of a gas sensor that can be used in the context of the present invention
  • FIG. 2 shows an electrical block diagram of the cell of FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a first variant of a sensor according to the present invention
  • FIG. 4 shows examples of excitation signals that can be applied to the sensor of the invention
  • FIG. 5 shows an improved variant of the sensor of FIG.
  • FIG. 1 shows a measurement cell comprising a membrane 2 made, for example, on a silicon substrate 1 using conventional photolithography techniques.
  • the membrane 2 comprises a layer 21 of silicon nitride which constitutes the lower part of the membrane 2.
  • On the layer 21 have been deposited thin layers defining two resistors 3 and 4. These are arranged near one of the other and may be platinum, nickel or an alloy of these two materials.
  • a protective layer 22 of silicon oxide may be deposited on layer 21.
  • the membrane has a surface area of 1 mm 2 and layers 21 and 22 have each, a thickness of 300nm.
  • the resistor 3 serves as a heating resistor while the resistor 4 is used as a resistor for measuring the temperature of the membrane.
  • the flow of the gases whose concentration is to be measured is directed on the membrane, above and below it.
  • the diagram of Figure 2 explains the operating principle of the cell of Figure 1.
  • the heating resistor 3, for example a value of 200 ⁇ is fed for example by a pulsed signal to a frequency of 1 Hz and having an amplitude of the order of 0.5 volts.
  • the measurement resistor 4 receives a current Iref of a few ⁇ A, and develops at its terminals a voltage
  • Vm Iref. RM, RM being the value of the resistance 4. This value is influenced, on the one hand, by the temperature of the nearby heating resistor and, on the other hand, by the chemical composition of the gaseous mixture circulating around the measuring resistance.
  • the voltage Vm constitutes the input variable of the circuit associated with the measurement cell for determining the concentration of the gases according to the present invention.
  • FIG. 3 A first sensor variant according to the invention is shown in FIG. 3. This sensor comprises a measurement cell 10, for example of the type described in relation to FIG. 1, a bandpass-type filtering circuit 20.
  • the gas mixture comprises, in addition to air, a gas G and moisture (H2O).
  • a signal pulsed at a frequency of 1 Hz is applied to the cell 10 in order to supply the heating resistor of the latter.
  • the voltage signal Vm generated by the cell is representative, as mentioned above, of the thermal and mass properties of the composition of the gas mixture, such as thermal diffusivity, thermal conductivity, specific heat and gas density.
  • This signal is then filtered, on the one hand, by the first bandpass filter 20 and, on the other hand, by the second bandpass filter 30.
  • the first bandpass filter 20 is a filter, for example of the first order, whose bandwidth is between 0 and a maximum frequency which depends on the bandwidth of the measuring cell, for example 15Hz.
  • the output signal of the filter 20 is applied to the calculation circuit 40 which calculates the power of this signal.
  • the output signal of the filter 20 is, for example, sampled and the circuit 40 makes the sum of the squares of these samples over a given period, for example, a second.
  • the filter 30 typically has a bandwidth of between 15 Hz (maximum frequency of the bandpass filter 20) and 60 Hz.
  • the circuit 50 performs the same operation on the output signal of the filter 30 as the circuit 40 on the output signal of the filter 20.
  • the circuits 40 and 50 perform a power calculation, which is equivalent to an envelope calculation or, more generally, to a demodulation of the input signal.
  • the filter 20 and the circuit 40 constitute a first processing line, said low frequency, while the filter 30 and the circuit 50 constitute a second higher frequency processing line.
  • the output signals X1 and X2 of the circuits 40 and 50 are then applied to the calculation circuit 60, which solves the following equations:
  • Conc. (G) an. X1 + ai 2 . X2
  • Conc. (H 2 O) a 2 i. X1 + a 2 2. X2, where Conc. (G) and Conc. (H 2 O) respectively denote the concentrations of the gas to be measured G and the water vapor in the gas mixture.
  • the coefficients an, ai 2 , a 2 i and a 22 are determined during the calibration of the sensor with gas mixtures of known composition and concentration.
  • the equations given above correspond, for the gas concentrations, to linear functions of the input variables X1 and X2; it goes without saying that one can not limit oneself to such functions and that other more complex functions of these same variables could also be used.
  • FIG. 4 shows examples of excitation signals that can be applied to the heating resistor of the measuring cell.
  • FIG. 5 shows an improved variant of the sensor of FIG. 3, the equivalent elements in the two figures bearing the same references. Indeed, with the variant of Figure 3, the accuracy of the concentration measurements may, in some applications, be insufficient, especially when the humidity varies during the measurement. It follows that the measurement of the desired concentration of the gas has a percentage of noise that is too high.
  • a humidity filter for example, based on silica gel or activated carbon at the inlet of the measuring cell 10 and, on the other hand, to filter the noise on the output signal by performing, for example, an averaging of the latter.
  • the moisture filter 70 has the function of preventing the humidity level in the measuring cell from changing too rapidly, so it functions as a known low-pass filter. By way of example, it will be chosen so that the relative variation of the humidity level in the cell remains less than 5% over a period of half an hour.
  • the output signal of the calculation circuit 60 which represents the estimated value of the water concentration, is applied to a low-pass filter 100.
  • This filter must, for a better efficiency, have frequency characteristics similar to those of the filter 70.
  • the output of the filter 100 is applied to a second calculation circuit 100 which receives on a second input the output signal X1 of the circuit 40.
  • the circuit 100 delivers the value of the concentration of the gas G by solving the following equation:
  • a particularly interesting application of the invention is the measurement of carbon dioxide (CO2) in moist air, such a measure can be made to give an alarm in case of too high concentration value.
  • Other applications are aimed at the measurement of hydrogen and methane, particularly in relation to fuel cells ("fuel cells”), biogas, the main advantage being, as indicated above, to be able to accurately determine the concentration of at least one gas in a humid atmosphere without requiring a humidity sensor.
  • This method can be extended a polynomial and nonlinear combination of characteristics that can be extracted from the measured signal such as rise time, amplitude, average value ... It can also be applied to any gas mixture tertiary or quasi-tertiary or the third gas measured would replace moisture.

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Abstract

La présente invention concerne un capteur de gaz physique de type thermique et, plus particulièrement, un capteur capable de déterminer les concentrations d'un mélange de gaz même en présence d'humidité par mesure de la diffusivité et conductivité thermique. Ce capteur comporte une cellule à conductivité thermique (10) dont la réponse en fréquence aux gaz est connue,en particulier pour l humidité, délivrant un signal Vm représentatif de la concentration du gaz (G). Cette cellule est excitée par un signal pulsé de sorte qu'un traitement peut être effectué àdes fréquences d analyse différentes: àbasse fréquence (20, 40) et à plus haute fréquence (30, 50). Les signaux de sortie (X1 et X2) des deux chaînes de traitement sont combinés dans le circuit (60) pour fournir les niveaux de concentration du gaz (G) et celle de la vapeur d'eau.Les signaux obtenus peuvent également être re-combinés entre eux avec des composantes du signal Vm de différentes bandes passantes. Un tel capteur peut être utilisé pour la détermination de H<SUB>2</SUB>, CO<SUB>2</SUB>ou CH<SUB>4 </SUB>dans l'air en présence d'humidité.

Description

CAPTEUR DE GAZ THERMIQUE
Description
Domaine technique
[0001] La présente invention concerne un capteur de gaz et, plus particulièrement, un capteur physique de gaz intégré de type thermique et capable de mesurer précisément la concentration d'un mélange de gaz même en présence d'humidité et sans que cette dernière perturbe la mesure.
Etat de la technique
[0002] Un capteur physique à conductivité thermique de gaz, commercialisé sous le code MGSM 2201 par la firme suisse Silsens SA, est basé sur la mesure de la conductivité thermique, entre un point chaud et un point froid, d'un gaz ou d'un mélange gazeux. En effet, la conductivité thermique d'un gaz ou d'un mélange de gaz varie notablement avec sa nature chimique. Un capteur de ce type permet de détecter des gaz, tels que CO2, Hb et CH4, en présence dans l'air et offre l'avantage d'avoir une faible consommation alliée à une grande stabilité à long terme. Ce capteur de gaz à conductivité thermique est réalisé dans un substrat de silicium et fait appel aux techniques de déposition de films minces ainsi qu'aux techniques de micro-structuration. Le capteur comprend, de manière conventionnelle, un élément chauffant intégré disposé sur une membrane, laquelle est électriquement et thermiquement isolante. Deux résistances en films minces servent, pour l'une, d'élément chauffant miniature de faible inertie thermique et, pour l'autre, de capteur de mesure de la température au niveau de la membrane autour de laquelle circulent les gaz dont on cherche à déterminer la concentration. Un courant continu (environ 5mA) assure la fonction de chauffage. Par ailleurs, deux résistances de référence similaires, structurée dans le même film métallique mince, sont également intégrées à proximité de la membrane pour permettre de compenser les variations de la température ambiante. Le capteur est arrangé sur le substrat en silicium de telle sorte qu'un flux de gaz puisse avoir lieu autour de la membrane. La température de la résistance de mesure dépend du gaz qui l'entoure, de sorte qu'un changement dans la composition du gaz entraîne des variations dans le comportement en température de cette même résistance. Toutefois, pour pouvoir tenir compte des variations possibles d'humidité des gaz à mesurer, il était jusque là nécessaire d'adjoindre un capteur d'humidité, tel que celui commercialisé sous le code HS1101 par la société française Humirel, au capteur de gaz précédemment décrit. On conçoit aisément que la nécessité d'incorporer un tel capteur d'humidité ait un effet pénalisant sur le coût, l'encombrement et la complexité du système global.
[0003] D'autres solutions pour la mesure de la concentration des gaz ont déjà été proposées comme, par exemple, la solution décrite dans le brevet US 6,838,287 ou encore l'utilisation d'un filtre à gaz faisant appel au gel de silice (ou Silicagel) ou au charbon actif. La solution du brevet US ne résout pas le problème de l'humidité et le filtre à gaz ne se prête pas à la miniaturisation.
Divulgation de l'invention
[0004] C'est un objet de la présente invention de fournir un capteur amélioré, pour la détection par conductivité et diffusivité thermique d'un mélange de gaz, capable de pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus. Plus particulièrement, un objet de l'invention est de fournir une méthode améliorée d'utilisation et d'implémentation d'un capteur de conductivité thermique intégré qui résulte en une mesure de concentration de gaz moins sensible à la présence de molécules de H2O.
[0005] Pour déterminer et, par la suite, compenser la présence d'humidité dans le mélange de gaz, il a été proposé de faire des mesures dans plusieurs gammes de fréquence tirant parti du fait que la réponse en fréquence du capteur dans le système varie d'une manière connue en fonction de la concentration, de la nature du (ou des) gaz et de l'humidité présente. Ainsi, pour une mesure d'un mélange binaire de gaz et de l'humidité par exemple, on fera travailler le capteur à une fréquence basse et à une plus haute fréquence et l'on examinera la réponse en fréquence du capteur pour les différents gaz. Une telle solution, qui combine une commande en courant AC et DC de la résistance de chauffage, une analyse de la réponse en fréquence et une connaissance du temps de réaction du capteur aux gaz, a pour but de mesurer plusieurs paramètres des gaz, tels que leur conductivité thermique et leur diffusivité thermique, ce qui permet, en ajoutant de nouvelles équations au système de mesure, de s'affranchir de l'influence de l'humidité sans nécessiter de recourir à un capteur d'humidité.
[0006] Ainsi, plus particulièrement, l'invention concerne un capteur, pour la détermination de la concentration d'au moins un gaz (G) dans un mélange gazeux humide, comportant une cellule de mesure à conductivité thermique à laquelle le mélange de gaz est soumis, ladite cellule comprenant : - une membrane de faible inertie thermique sur laquelle sont disposées une résistance de chauffage et une résistance de mesure et délivrant un signal fourni par ladite résistance de mesure (Vm), et - un circuit de détermination de ladite concentration.
[0007] Selon l'invention, la résistance de chauffage est alimentée par un courant comportant une composante alternative, le circuit de détermination comprend une première chaîne de traitement à basse fréquence du signal fourni (Vm) et au moins une deuxième chaîne de traitement (30, 50) du signal (Vm), à plus haute fréquence que celle de la première chaîne. En outre, les signaux de sortie (X1 , X2) des première et deuxième chaînes sont combinés pour extraire la concentration du gaz (G) et celle de l'humidité.
[0008] La première chaîne de traitement peut comprendre un premier filtre passe- bande et un premier circuit de calcul pour démoduler le signal de sortie du filtre passe-bande.
[0009] La deuxième chaîne de traitement peut également comprendre un deuxième filtre passe-bande et un deuxième circuit de calcul pour démoduler le signal de sortie du deuxième filtre passe-bande. [0010] De manière avantageuse, les premier et deuxième circuits de calcul calculent la somme des carrés des échantillons des signaux de sortie des premier et deuxième filtres passe-bande.
[0011] La combinaison des signaux de sortie des première et deuxième chaînes est une combinaison linéaire, qui peut s'exprimer comme suit:
Conc. (G) = an . X1 + ai2 . X2, et Conc. (H2O) = a2i . X1 + a22 . X2, où Conc. (G) et Conc. (H2O) désignent les concentrations du gaz à mesurer G et de la vapeur d'eau, respectivement. [0012] Le mélange de gaz pouvant être envoyé dans la cellule de mesure est d'abord filtré pour que sa teneur en eau ne varie que lentement dans le temps. [0013] Le capteur peut, en outre, comporter un circuit de moyennage pour la détermination de la concentration en vapeur d'eau. [0014] L'invention concerne également un procédé de détermination de la concentration d'au moins un gaz (G) dans un mélange gazeux humide, mettant en œuvre une cellule de mesure telle que décrite ci-dessus à laquelle le mélange de gaz est soumis. Le procédé selon l'invention comporte les étapes suivantes: - obtention d'un premier signal (X1) de sortie fourni par une première chaîne de traitement à basse fréquence dudit signal fourni (Vm), - obtention d'un deuxième signal de sortie (X2) fourni par une deuxième chaîne de traitement dudit signal (Vm), à plus haute fréquence que celle de la première chaîne, - ombinaison des premier et deuxième signaux de sortie (X1 , X2) pour extraire la concentration dudit au moins un gaz (G) et celle de l'humidité.
Brève description des dessins
[0015] D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation particuliers ; ladite description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels:
- la figure 1 est une vue en coupe d'une cellule de mesure d'un capteur de gaz pouvant être utilisée dans le cadre de la présente invention ; - la figure 2 montre un schéma électrique de principe de la cellule de la figure 1 ;
- la figure 3 montre une première variante d'un capteur selon la présente invention;
- la figure 4 montre des exemples de signaux d'excitation pouvant être appliqués au capteur de l'invention; et la figure 5 montre une variante améliorée du capteur de la figure 3.
Mode(s) de réalisation de l'invention
[0016] La figure 1 montre une cellule de mesure qui comporte une membrane 2 réalisée, par exemple, sur un substrat 1 de silicium en utilisant des techniques classiques de photolithographie. La membrane 2 comporte une couche 21 en nitrure de silicium qui constitue la partie inférieure de la membrane 2. Sur la couche 21 ont été déposées des couches minces définissant deux résistances 3 et 4. Ces dernières sont disposées à proximité l'une de l'autre et peuvent être en platine, nickel ou un alliage de ces deux matériaux. Après le dépôt des résistances 3 et 4, une couche de protection 22 en oxyde de silicium peut être déposée sur la couche 21. A titre d'exemple non limitatif, la membrane présente une surface de 1 mm2 et les couches 21 et 22 ont, chacune, une épaisseur de 300nm. Comme indiqué ci- après, la résistance 3 sert de résistance de chauffage tandis que la résistance 4 est utilisée comme résistance de mesure de la température de la membrane. Le flux des gaz dont on veut mesurer la concentration est dirigé sur la membrane, au-dessus et en dessous de celle-ci. [0017] Le schéma de la figure 2 permet d'expliquer le principe de fonctionnement de la cellule de la figure 1. La résistance de chauffage 3, par exemple d'une valeur de 200Ω, est alimentée par exemple par un signal puisé à une fréquence de 1 Hz et ayant une amplitude de l'ordre de 0,5 volt. La résistance de mesure 4 reçoit un courant Iref de quelques μA, et développe à ses bornes une tension
Vm = Iref . RM, RM étant la valeur de la résistance 4. Cette valeur est influencée, d'une part, par la température de la résistance de chauffage située à proximité et, d'autre part, par la composition chimique du mélange gazeux circulant autour de la résistance de mesure. Ainsi, la tension Vm constitue la variable d'entrée du circuit associé à la cellule de mesure pour la détermination de la concentration des gaz selon la présente invention. [0018] Une première variante de capteur selon l'invention est représentée à la figure 3. Ce capteur comprend une cellule de mesure 10, par exemple du type décrit en relation avec la figure 1 , un circuit 20 de filtrage de type passe- bande recevant le signal Vm fourni par la cellule de mesure, un premier circuit 40 de calcul de la puissance du signal fourni par le circuit 20 et délivrant un signal X1 , un circuit 30 de filtrage de type passe-bande recevant également le signal Vm, un deuxième circuit 50 de calcul de la puissance du signal fourni par le circuit 30 et délivrant un signal X2 et un circuit de calcul 60 qui, à partir des signaux X1 et X2, fournit les valeurs de concentration des gaz se trouvant dans la cellule de mesure. [0019] Dans l'exemple considéré, le mélange gazeux comprend, en plus de l'air, un gaz G et de l'humidité (H2O). Un signal puisé à une fréquence de 1 Hz est appliqué à la cellule 10 en vue d'alimenter la résistance de chauffage de cette dernière. Le signal de tension Vm engendré par la cellule est représentatif, comme mentionné précédemment, des propriétés thermiques et massiques de la composition du mélange gazeux, tels la diffusivité thermique, la conductivité thermique, la chaleur spécifique et la densité des gaz. Ce signal est ensuite filtré, d'une part, par le premier filtre passe-bande 20 et, d'autre part, par le second filtre passe-bande 30. Le premier filtre passe-bande 20 est un filtre, par exemple du premier ordre, dont la bande passante est comprise entre 0 et une fréquence maximale qui dépend de la bande passante de la cellule de mesure, par exemple 15Hz. Le signal de sortie du filtre 20 est appliqué au circuit de calcul 40 qui calcule la puissance de ce signal. Pour ce faire, le signal de sortie du filtre 20 est, par exemple, échantillonné et le circuit 40 effectue la somme des carrés de ces échantillons sur une période donnée, par exemple, une seconde. Le filtre 30 a typiquement une bande passante comprise entre 15Hz (fréquence maximale du filtre passe-bande 20) et 60Hz. Le circuit 50 effectue la même opération sur le signal de sortie du filtre 30 que le circuit 40 sur le signal de sortie du filtre 20. Les circuits 40 et 50 opèrent un calcul de puissance, ce qui équivaut à un calcul d'enveloppe ou, plus généralement, à une démodulation du signal d'entrée. Le filtre 20 et le circuit 40 constituent une première chaîne de traitement, dite à basse fréquence, alors que le filtre 30 et le circuit 50 constituent une deuxième chaîne de traitement à plus haute fréquence. Les signaux X1 et X2 de sortie des circuits 40 et 50 sont ensuite appliqués au circuit de calcul 60, lequel résout les équations suivantes:
Conc. (G) = an . X1 + ai2 . X2 Conc. (H2O) = a2i . X1 + a22 . X2, où Conc. (G) et Conc. (H2O) désignent respectivement les concentrations du gaz à mesurer G et de la vapeur d'eau dans le mélange de gaz.
Les coefficients an, ai2, a2i et a22 sont déterminés lors de la calibration du capteur avec des mélanges de gaz de composition et concentration connues. Les équations données ci-dessus correspondent, pour les concentrations des gaz, à des fonctions linéaires des variables d'entrée X1 et X2; il va de soi que l'on ne saurait se limiter à de telles fonctions et que d'autres fonctions plus complexes de ces mêmes variables pourraient également être utilisées.
[0020] La figure 4 montre des exemples de signaux d'excitation pouvant être appliqués à la résistance de chauffage de la cellule de mesure. A la figure
4. a, on a représenté un simple signal puisé dont la fréquence est de 1 Hz. A la figure 4.b est représenté le même signal sur lequel a été superposé un signal à une fréquence haute de 15Hz. La superposition d'un signal haute fréquence (de 15 à 20Hz) sur le signal de base illustré sur la figure 4. a, a pour but de favoriser le signal à haute fréquence et d'améliorer le rapport signal sur bruit de ce dernier. [0021] La figure 5 montre une variante améliorée du capteur de la figure 3, les éléments équivalents dans les deux figures portant les mêmes références. En effet, avec la variante de la figure 3, la précision des mesures de concentration peut, dans certaines applications, s'avérer insuffisante, notamment lorsque le taux d'humidité varie au cours de la mesure. Il s'ensuit que la mesure de la concentration recherchée du gaz présente un pourcentage de bruit trop élevé. Afin de s'affranchir de ce problème, il est proposé, d'une part, d'utiliser un filtre d'humidité, par exemple, à base de Silicagel ou de charbon actif à l'entrée de la cellule de mesure 10 et, d'autre part, de filtrer le bruit sur le signal de sortie en effectuant, par exemple, un moyennage de ce dernier.
[0022] Le filtre d'humidité 70 a pour fonction d'empêcher que le taux d'humidité dans la cellule de mesure ne varie trop rapidement, il fonctionne donc comme un filtre passe-bas connu. A titre d'exemple, il sera choisi de telle sorte que la variation relative du taux d'humidité dans la cellule reste inférieure à 5% sur une période d'une demi-heure.
[0023] Le signal de sortie du circuit de calcul 60, qui représente la valeur estimée de la concentration d'eau, est appliqué à un filtre passe-bas 100. Ce filtre doit, pour une meilleure efficacité, présenter des caractéristiques fréquentielles semblables à celles du filtre 70. La sortie du filtre 100 est appliquée à un deuxième circuit de calcul 100 qui reçoit sur une deuxième entrée le signal X1 de sortie du circuit 40. Le circuit 100 délivre la valeur de la concentration du gaz G en résolvant l'équation suivante:
Conc. (G) = (an - (ai2 . a2i) / a22) . X1 + (ai2 / a22) . f (H2O), où la fonction f ( ) représente la fonction de transfert du filtre 80 et H2O est la valeur de la concentration estimée de l'humidité fournie par le circuit 60.
[0024] Dans la description ci-dessus, on a considéré le mélange d'un gaz G dans de l'air avec de l'humidité. Il est bien sûr possible d'appliquer les principes de l'invention pour la mesure de la concentration de plusieurs gaz mélangés à de l'air et à de la vapeur d'eau. Dans ce cas, on augmentera d'autant le nombre de gammes de fréquence dans le circuit de mesure afin d'avoir autant d'équations qu'il y a d'inconnues à déterminer.
[0025] II va de soi que toutes les opérations décrites ci-dessus à l'aide d'une terminologie conventionnelle peuvent être effectuées, dans le domaine numérique, à l'aide d'un processeur avantageusement placé sur la cellule de mesure.
[0026] Une application particulièrement intéressante de l'invention est la mesure du dioxyde de carbone (CO2) dans l'air humide, une telle mesure pouvant être faite pour donner une alarme en cas de valeur de concentration trop élevée. D'autres applications visent la mesure de l'hydrogène, leméthane, notamment en relation avec des piles à combustible ("fuel cells"), le biogaz, l'avantage principal étant, comme indiqué précédemment, de pouvoir déterminer avec précision la concentration d'un gaz au moins dans une atmosphère humide sans pour autant nécessiter de capteur d'humidité. [0027] Cette méthode peut-être étendue une combinaison polynomiale et non linéaire de caractéristiques pouvant être extraites du signal mesuré tels que le temps de montée, l'amplitude, la valeur moyenne... Elle peut également être appliquée à tout mélange de gaz tertiaire ou quasi-tertiaire ou le troisième gaz a mesuré remplacerait l'humidité.

Claims

Revendications
1. Capteur, pour la détermination de la concentration d'au moins un gaz (G) dans un mélange gazeux humide, comportant une cellule de mesure à conductivité thermique (10) à laquelle le mélange de gaz est soumis, ladite cellule comprenant une membrane (2) de faible inertie thermique sur laquelle sont disposées une résistance de chauffage (3) et une résistance de mesure (4) et délivrant un signal fourni par ladite résistance de mesure (Vm), et - un circuit de détermination de ladite concentration, caractérisé en ce que ladite résistance de chauffage est alimentée par un courant comportant une composante alternative, ledit circuit de détermination comprend une première chaîne de traitement (20, 40) à basse fréquence dudit signal fourni (Vm) et au moins une deuxième chaîne de traitement (30, 50) dudit signal (Vm), à plus haute fréquence que celle de la première chaîne, et en ce que les signaux de sortie (X1 , X2) desdites première et deuxième chaînes sont combinés pour extraire la concentration dudit au moins un gaz (G) et celle de l'humidité.
2. Capteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ladite première chaîne de traitement comprend un premier filtre passe-bande (20) et un premier circuit de calcul (40) pour démoduler le signal de sortie dudit filtre passe-bande.
3. Capteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ladite deuxième chaîne de traitement comprend un second filtre passe-bande (30) et un deuxième circuit de calcul (50) pour démoduler le signal de sortie dudit filtre passe-bande.
4. Capteur selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les premier (40) et deuxième (50) circuits de calcul calculent la somme des carrés des échantillons des signaux de sortie des filtres passe-bande (20) et passe-bande (30), respectivement.
5. Capteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la combinaison desdits signaux de sortie desdites première et deuxième chaînes est une combinaison linéaire.
6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite combinaison linéaire s'exprime comme suit:
Conc. (G) = an . X1 + ai2 - X2, et Conc. (H2O) = a2i . X1 + a22 . X2, où Conc. (G) et Conc. (H2O) désignent les concentrations du gaz à mesurer G et de la vapeur d'eau, respectivement.
7. Capteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la combinaison desdits signaux de sortie desdites première et deuxième chaînes est une combinaison polynomiale.
8. Capteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le mélange de gaz envoyé dans ladite cellule de mesure est d'abord filtré pour que sa teneur en eau ne varie que lentement dans le temps.
9. Capteur selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit de moyennage pour la détermination de la concentration en vapeur d'eau.
10. Procédé de détermination de la concentration d'au moins un gaz (G) dans un mélange gazeux humide, mettant en œuvre une cellule de mesure à conductivité thermique (10) à laquelle le mélange de gaz est soumis, ladite cellule comprenant: - une membrane (2) sur laquelle sont disposées une résistance de chauffage (3) et une résistance de mesure (4) et délivrant un signal fourni par ladite résistance de mesure (Vm), ladite résistance de chauffage étant alimentée par un courant comportant une composante alternative, et - un circuit de détermination de ladite au moins une concentration, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes suivantes:
- obtention d'un premier signal (X1) de sortie fourni par une première chaîne de traitement (20, 40) à basse fréquence dudit signal fourni (Vm), - obtention d'un deuxième signal de sortie (X2) fourni par une deuxième chaîne de traitement (30, 50) dudit signal (Vm), à plus haute fréquence que celle de la première chaîne,
- combinaison des premier et deuxième signaux de sortie (X1 , X2) pour extraire la concentration dudit au moins un gaz (G) et celle de l'humidité.
11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la combinaison desdits signaux de sortie desdites première et deuxième chaînes est une combinaison linéaire.
12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite combinaison linéaire s'exprime comme suit:
Conc. (G) = an . X1 + ai2 . X2, et
Conc. (H2O) = a2i . X1 + a22 . X2, où Conc. (G) et Conc. (H2O) désignent les concentrations du gaz à mesurer G et de la vapeur d'eau, respectivement.
13. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la combinaison desdits signaux de sortie desdites première et deuxième chaînes est une combinaison polynomiale.
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