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Principe de fonctionnement et construction des capteurs d’oxygèneà base de dioxyde de zirconium de la série XYA2.3 Disque de mesurechambrescellée, p2disque depompage endioxyde dezirconiump1électrodede platineanneaude platinedisque en oxyded'aluminiumdisque demesure endioxyde dezirconiump1Une différence de pression d’oxygène aux bornes dusecond disque de ZrO 2(disque de mesure) génèreune tension de Nernst (voir paragraphe 1.2 – tensionde Nernst) qui est proportionnelle au logarithme de ladifférence de concentration en oxygène.Cette tension est mesurée et comparée à deuxréférences de tension V 1et V 5(voir figure 2.3).Lorsque la tension atteint une de ces valeurs deréférence, la polarité du flux de pompage est inverséepour atteindre l’autre tension de référence. V 1est latension pour la pression d’oxygène la plus élevée, V 5celle pour la plus faible (pression atteinte dans lachambre par le procédé de pompage).icourant depompageVNtensionde Nernstflux depompage+iFigure 2.1: Construction du capteur-i2.2 Disque de pompageLe premier disque ZrO 2(disque de pompage) travaillecomme une pompe à oxygène, évacuant ou bienpressurisant la chambre scellée. En fonction du sensdu courant (source réversible), les ions d’oxygènemigrent d’un électrode à l’autre et modifient ainsi laconcentration et également la pression p 2dans lachambre. Celle-ci est alternativement évacuée ou bienremplie jusqu’à ce que la tension de mesure V N(tension de Nernst) atteigne une certaine valeur deréférence pré-réglée.pressiond'oxygènep2tensionde Nernst(VN)p2 élevéep2 faibleV5V4V3V2V1évacuationt1t2tpremplissagePériode proportionnelleà la pression partielle del'oxygène dans l'air ambiant (p1)t4t5tempsFigure 2.3: Tension de Nernst en fonction de lapression d’oxygène p 2dans la chambreF / 11154 / B4/9www.first-sensor.comwww.sensortechnics.com
Principe de fonctionnement et construction des capteurs d’oxygèneà base de dioxyde de zirconium de la série XYA3. MESURELa durée du cycle de pompage est fonction de lapression partielle de l’oxygène du mélange de gaz àmesurer. Plus la pression d’oxygène ambiante estélevée, plus long sera le temps mis par la pompeionique pour évacuer et remplir la chambre de mesure(voir figure 3). Il en découle que le cycle de pompageest proportionnel à la pression partielle d’oxygène encontact avec le capteur. La durée du cycle corresponddonc à la période de la tension de Nernst t p(voir figure2.3).cycle de pompagepour p1 = 200 mbarlorsqu’on est en présence de différences de pressionassez importantes entre l’ambiance et la chambre.C’est pourquoi, les tensions de Nernst à mesurer setrouvent à des valeurs très différentes des tensionsd’inversion V 1et V 5(voir V 2, V 3et V 4dans la figure2.3). De plus, la pression dans la chambre ne doitpas être éloignée de plus de 10% de la pressionambiante.Temps de réponseEtant donné que la durée du cycle de pompage estd’autant plus grande que la pression partielle del’oxygène dans l’ambiance (p 1) est importante, à unepression élevée, les tensions de référence V 1et V 5vont se trouver proche l’une de l’autre pour permettreun temps de réponse rapide du capteur.pressiond'oxygènep2 (mbar)0cycle de pompagepour p1 = 50 mbartempsCompensation en températureLa tension de Nernst est dépendante de latempérature (voir formule (6)). Cependant, dans descertaines conditions de fonctionnement, les effets dela température dans l’équation de Nernst et dansl’équation générale des gaz se compensent en partie.Les effets de la témpérature sont maximaux auxpoints d’inversion de la pompe. Et c’est pour cetteraison que, par la mesure de la tension de Nernstaux points V 2, V 3et V 4, le coefficient de températureT Cpeut presque s’annuler.Figure 3:Cycle de pompage en fonction de lapression partielle d’oxygène de l’airambiant p 23.1 Réalisation pratiqueEn théorie, comme tensions de référence V 1et V 5onpeut choisir des valeurs quelconques. Cependant, enpratique, les considérations suivantes doivent êtreprises en compte:Double couche électriqueUne partie du flux de pompage n’est pas affectée auremplissage ou à l’évacuation de la chambre. Parcontre, ces charges sont absorbées par les doublescouches électriques entre l’électrode (platine) etl’électrolyte (ZrO 2). Cet effet se manifeste surtout auxpoints d’inversion de la source de pompage etLors d’un fonctionnement dans ce mode T C=0, onmesure les temps mis pour que la tension de Nernstatteigne les valeurs V 2, V 3et V 4(voir t 1, t 2, t 4et t 5dansla figure 2.3). La nouvelle durée de cycle t det ensuitecalculée comme suit:td( t − t ) + ( t − t )= (7)12La durée de cycle t dest linéaire en fonction de lapression d’oxygène ambiante et, contrairement à t p,elle commence au point zéro du diagramme «duréede cycle/pression». Ainsi, la calibration (dynamique)du capteur peut être effectuée en un seul point àn’importe quel endroit sur la ligne droite. Si l’onmesure la période t p, une calibration en deux pointspour le réglage de la dynamique de sortie et pour lacorrection du décalage du zéro est nécessaire.54F / 11154 / B5/9www.first-sensor.comwww.sensortechnics.com
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