MÉLANGES GAZEU
II. E laboration du protocole de fonctionnement
II.3. Profil dynamique de températures
L’utilisation d’un profil dynamique de températures pour alimenter la résistance chauffante d’un capteur de gaz MOX permet d’accroître sa sélectivité, notamment par l’intermédiaire de l’utilisation d’analyses multivariées. Nous avons eu l’occasion de trouver de nombreuses références bibliographiques sur des travaux de ce type (cf. chapitre 1 §II.1.2.) et une étude a déjà été menée au sein de notre laboratoire [137].
Partant de tous ces éléments, nous avons effectué des choix sur deux paramètres du profil : le rapport cyclique et la durée des paliers. Les deux éléments que nous avons pris en compte pour évaluer la qualité du profil sont la vitesse de stabilisation des capteurs (plus elle est rapide, meilleur est le profil) et l’amplitude des réponses aux gaz (plus elle est grande, meilleur est le profil). Nous avons testé la série des capteurs SnO2 LCC. Nous avons fait
varier chaque paramètre et relevé la vitesse de stabilisation sous air, ainsi que l’amplitude des réponses à 100 ppm de CO.
Les structures utilisées dans cette étude ne sont pas les structures finales. Il convient donc de ne pas tenir compte des valeurs brutes obtenues (temps de stabilisation et réponses aux gaz).
II.3.1. Rapport cyclique
Afin d’évaluer l’influence du rapport cyclique sur la stabilisation et la réponse aux gaz des capteurs, nous avons testé 3 profils différents (α=1/3, 2/3 et 1/2), présentés ci-dessous.
Figure 84. Différents profils utilisés pour tester l’influence du rapport cyclique : (a) α=1/3 ; (b) α=2/3 ; (c) α=1/2
Pour tous les profils, la température du palier haut est de 500°C et celle du palier bas de 200°C. Au cours des tests, les profils de températures sont répétés continuellement et les ambiances gazeuses suivent le même protocole que pour les mesures précédentes. Ainsi, nous
avons stabilisé chaque capteur pendant deux heures sous air synthétique, puis nous avons injecté 100 ppm de CO pendant 15 minutes à plusieurs reprises, avec des séquences d’air entre chaque injection. Pour comparer les différents tests, nous avons tracé les courbes brutes des deux heures de stabilisation et les courbes normalisées des réponses moyennes au CO. Cela permet de voir quel profil permet la stabilisation la plus rapide et la réponse la plus élevée au gaz.
Figure 85. Vitesse de stabilisation (a) et réponse normalisée à 100 ppm de CO (b) pour les différents rapports
cycliques
On constate que les capteurs se stabilisent plus rapidement avec un rapport cyclique de 1/2, et que la réponse au CO est également maximale pour ce même rapport. Il semble donc s’agir du meilleur choix pour notre étude. Avec un rapport cyclique de 1/2, les capteurs arrivent à 90% de la valeur stabilisée au bout de 45 minutes environ. Il faut plus de 75 minutes pour atteindre cette valeur avec des rapports de 1/3 ou 2/3. La réponse à 100 ppm de CO est augmentée de quasiment 10% avec le meilleur rapport cyclique. Nous pouvons maintenant regarder la durée des paliers.
II.3.2. Durée des paliers
Tout comme pour l’étude du rapport cyclique, nous avons comparé plusieurs durées de paliers et regardé la vitesse de stabilisation des capteurs et leurs réponses à 100 ppm de CO. Nous avons choisi des durées de paliers de 1, 2 et 5 secondes. La durée où le temps de stabilisation est le plus court et la réponse au CO maximale est de 2 secondes, comme l’illustre la figure ci-après. Ce résultat est cohérent avec les études précédentes [41].
Figure 86. Vitesse de stabilisation (a) et réponse normalisée à 100 ppm de CO (b) pour les différentes durées de
paliers
II.3.3. Choix du profil optimal à appliquer à la résistance
chauffante
Suite aux tests visant à déterminer le meilleur rapport cyclique (1/2) et la durée optimale des paliers (2 secondes), quelques mesures complémentaires ont été effectuées afin d’évaluer la quantité et les températures des paliers intermédiaires.
Nous avons ainsi fait varier les températures entre 100°C et 550°C. La première observation que nous avons faite est que les performances sont fortement dégradées (temps de stabilisation et réponses aux gaz) si l’on travaille en dessous de 200°C. La seconde est que monter le capteur à 550°C n’apporte pas d’amélioration en comparaison avec 500°C. Le profil recherché doit donc posséder des paliers de températures compris entre 200 et 500°C.
Deux profils entre ces deux températures ont été évalués : le premier alterne en permanence ces températures, et le second passe de 500 à 400°C, puis de 500 à 300°C et enfin de 500 à 200°C. Voici les résultats obtenus.
Figure 87. Vitesse de stabilisation (a) et réponse normalisée à 100 ppm de CO (b) pour les deux profils de
Le second profil présente de meilleures performances que le premier : le temps de stabilisation est plus court et sa réponse au CO est plus importante.
Le profil optimal complet est donc constitué de 6 paliers de 2 secondes avec 3 paliers à 500°C auxquels on intercale un palier à 400, 300 et 200°C, comme le présente la figure suivante.
Figure 88. Profil de températures optimal
On peut dire que ce profil est optimal étant donné qu’il permet la stabilisation la plus rapide des capteurs, que les réponses aux gaz sont maximales, et que les résultats obtenus sont reproductibles. Ces résultats confirment ceux de la thèse de C. Tropis [137].
De plus, une étude complémentaire a été réalisée à l’aide d’analyses en composantes principales afin de valider la pertinence de l’utilisation de ce profil de températures. Celui-ci a été associé aux différents matériaux sensibles sélectionnés (ZnO, CuO, SnO2). Nous avons
effectué la classification de ces variables pour les différents gaz ciblés. Cette étude est détaillée en Annexe 2 de ce document. Les résultats obtenus confirment l’utilité des différentes couches sensibles et des différents paliers de température pour la classification des gaz.