FR3069058A1 - Systeme de caracterisation de nanoparticules conductrices - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un système de caractérisation de nanoparticules conductrices dans un gaz comportant une cellule de mesure comprenant au moins deux électrodes (2, 3) et un capteur (4) entre lesquelles circule ledit gaz chargé de nanoparticules, lesdites électrodes étant alimentées par une tension continue de polarisation, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit pour la mesure comportant un convertisseur analogique-numérique échantillonnant du signal de sortie de ladite cellule de mesure avec une fréquence d'échantillonnage supérieure à 500 Hz.
Description
SYSTEME DE CARACTERISATION DE NANOPARTICULES CONDUCTRICES Domaine de 1'invention
La présente invention concerne le domaine de la mesure de la présence de nanoparticules conductrices présentes dans un fluide gazeux, telles que les particules de suie présentes au niveau de l'échappement d'un moteur à combustion interne équipant un véhicule ou les nanoparticules produites par les frottements entre les plaquettes et le disque de freinage, ou encore les nanoparticules de suie ou de composants conducteurs polluants présentes dans l'air ambiant.
Compte tenu des contraintes environnementales, il apparaît le besoin de pouvoir quantifier les émissions de particules ou de suie des moteurs thermiques ou d'autres sources de pollution avec une fiabilité et une précision élevées.
Afin de limiter les rejets polluants dans l'atmosphère, des normes pour les automobiles ont été mises en place. Leur durcissement a poussé les constructeurs automobiles à optimiser la combustion mais aussi à introduire des systèmes de post-traitement des gaz et des particules le long de la ligne d'échappement. Ces améliorations ont notamment été atteintes à l'aide de capteurs et d'une stratégie de contrôle des différents organes du moteur. Aussi, il est nécessaire de connaître l'état de santé des moyens de dépollution et leur efficacité (On-Board Diagnostic : OBD).
Dans le cas des émissions de particules de suie, leur élimination est réalisée à l'aide d'un filtre à particules (FAP). La quantité de particules de suie accumulées, et donc filtrées, est estimée par différence de pression entre l'entrée et la sortie du FAP. Cependant, en cas de fuite dans le FAP, des suies passent alors à travers de celui-ci sans être filtrées. Le développement d'un capteur de particules pouvant fonctionner dans les conditions extrêmes (débit et température des gaz élevés) d'une ligne d'échappement moteur est donc nécessaire. De plus, les normes automobiles imposent des limites en nombre de particules émises par kilomètre.
Etat de la technique
On connaît dans l'état de la technique des capteurs de type résistif basé sur les propriétés conductrices des suies essentiellement composées de carbone et plus généralement de particules conductrices.
Le capteur de suies de type résistif est composé de deux électrodes de platine inter-digitées déposées sur une plaquette de céramique. En l'absence de suie, la conductance mesurée entre les électrodes correspond à celle de la céramique (conductance proche de zéro). Dans un flux de particules, au fur et à mesure que des suies se déposent entre les électrodes, la conductance augmente jusqu'à atteindre un palier de saturation.
Périodiquement, à l'instar d'un filtre à particules, le capteur peut être régénéré par chauffage (650°C) afin de brûler les suies. La vitesse d'augmentation de la conductance dépend de la concentration en suies, de leur taille, et de leur composition.
Par exemple, la demande de brevet FR 2 805 347 décrit un dispositif de mesure comportant une sonde interposée localement dans le flux gazeux de manière à capter les particules en circulation. Cette sonde comporte un support diélectrique allongé pourvu d'électrodes espacées l'une de l'autre. Les électrodes sont reliées à un système électronique permettant de mesurer la variation de la résistance électrique résultant du dépôt de suie sur le support diélectrique allongé. Ce système électronique comporte des moyens de traitement aptes à évaluer, à partir de la mesure de cette résistance électrique, le débit des particules transportées par le flux gazeux ou le degré d'encrassement d'un élément filtrant traversé par le flux gazeux transportant les particules.
La détermination du degré d'encrassement de l'élément filtrant permet de déterminer les moments les mieux appropriés pour déclencher un processus de nettoyage de l'élément filtrant. En effet, afin d'éviter un colmatage de l'élément filtrant, il est prévu périodiquement d'assurer sa régénération par combustion du dépôt de suie.
Afin de fournir une mesure précise, l'état de la technique a proposé diverses variantes de réalisation des électrodes de mesure. Il est connu de réaliser les électrodes de détection sous la forme de plots selon une surface rectangulaire.
La demande de brevet WO 2008/006640 décrit une solution similaire avec des électrodes de mesure sous la forme de peignes entrelacés l'un dans l'autre tout en étant distants l'un de l'autre.
Quelque soit la forme retenue pour la réalisation des électrodes, il doit être noté que ces électrodes doivent être réalisées en un matériau conducteur d'électricité pouvant résister à des températures relativement élevées de l'ordre de
9OO.deg.C tout en étant soumis à une agression par les différentes émissions polluantes provenant des gaz d'échappement.
En pratique, l'état de fonctionnement il apparaît le des électrodes déterminer si 1 'absence de variation de besoin de déterminer de détection afin de la résistance mesurée provient d ' une absence de suies dans 1 'échappement ou d'une dégradation des électrodes de détection.
Dans le domaine de l'invention, on connaît déjà comme par exemple par la demande de brevet
EP 2 228 522, en particulier dans le domaine automobile, des capteurs destinés à mesurer, particulièrement en aval du filtre à particules dans le circuit d'échappement du véhicule, la concentration de suies au sein du flux d'échappement afin de diagnostiquer l'état du filtre à particules. Ces capteurs sont notamment des capteurs de type résistifs comprenant deux électrodes conductrices séparées l'une de l'autre et entre lesquelles est mesurée la variation de résistance électrique avec l'encrassement progressif du capteur, consécutif au dépôt des suies entre lesdites électrodes. La mesure de résistance s'effectue de façon automatique selon un cycle déterminé commandé par l'unité de commande électronique du véhicule ou du capteur, connectée aux bornes des électrodes du capteur. Cette unité de commande électronique effectue ensuite un calcul de concentration des suies à partir de la résistance mesurée pour qualifier l'état du filtre à particules et déclencher le cas échéant une alerte de remplacement de celuici.
La résistance mesurée aux bornes des électrodes du capteur varie de façon décroissante jusqu'à saturer avec l'augmentation progressive de la quantité de suies déposée sur le capteur. Cette variation décroissante résulte de l'établissement de ponts de liaison carbonés entre les électrodes du capteur du fait du dépôt des suies sur celui-ci lorsque le capteur est placé dans le flux d'échappement du véhicule lorsque le filtre à particules est défectueux.
Lorsque la courbe de résistance mesurée aux bornes du capteur atteint une asymptote horizontale, le capteur est dit saturé. Il est alors nécessaire de le régénérer pour la réalisation de nouveaux cycles de mesures. Cette opération est effectuée par l'intermédiaire d'une résistance chauffante destinée à brûler les suies déposées entre les électrodes par échauffement de la surface du capteur et des suies, permettant ainsi de régénérer le capteur pour de nouveaux cycles de mesures.
La demande de brevet WO2013014368 décrit un procédé de collecte de suies dans un flux gazeux, notamment dans un flux d'échappement d'un moteur à combustion interne, par l'intermédiaire d'une sonde planaire, de préférence de type résistif ou capacitif, positionnée dans le flux gazeux et comportant au moins une face munie d'électrodes et une résistance électrique reliées à un dispositif électronique de mesure de la concentration des suies dans le flux gazeux. Selon le procédé de l'invention, on dévie le flux gazeux en amont de la sonde planaire par l'intermédiaire d'un bouclier de protection recouvrant intégralement la sonde planaire et comportant une fenêtre ouverte de collecte de suies ménagée dans une surface du bouclier de protection située en aval de la sonde planaire dans le flux gazeux, de manière à :
- protéger la sonde du flux gazeux frontal direct de suies et d'éventuels débris contenus dans le flux gazeux,
- générer un écoulement turbulent et réduire la vitesse du flux gazeux en aval de la sonde planaire pour sélectionner les particules selon leur taille, ce dont il résulte une protection mécanique de la sonde planaire et un dépôt homogène des suies sur ladite sonde planaire.
De plus, l'invention a également pour objet dans un second objet, un capteur de suies pour mesurer la concentration de suies dans un flux gazeux, en particulier un flux gazeux d'échappement d'un moteur à combustion interne. Ce capteur comporte de façon connue au moins une sonde planaire de type résistif ou capacitif composé d'un substrat plan de matière isolante comportant :
- sur une première face au moins deux électrodes conductrices séparées l'une de l'autre d'une distance déterminée et reliée à une piste de connexion électrique, et au moins une résistance de régénération des électrodes et de mesure de température du flux gazeux, ladite résistance étant reliée à ses bornes à deux pistes de connexion électrique.
Le brevet américain US 8035404 décrit un procédé de contrôle du dépôt de particules sur un élément de détection du type décrit ci-avant, avec deux électrodes auxquelles sont appliquées une première tension U! ainsi qu'une deuxième tension U2. L'élément de détection reçoit une première tension U! pendant un premier intervalle de temps t! et la deuxième tension U2 après qu'un courant résultant de l'élément de détection a dépassé un seuil de déclenchement AP. La deuxième tension U2 est différente de zéro et est plus petite que la première tension U! de telle sorte qu'au cours du premier intervalle de temps tlf une couche de particules s'établisse plus rapidement sur l'élément de détection pour obtenir rapidement un signal évaluable et que l'évolution du signal du courant résultant soit détectée au cours du deuxième intervalle de temps t2 utilisé comme durée de mesure. Une régénération de l'élément de détection est exécutée après que le deuxième intervalle de temps t2 s'est écoulé.
Inconvénients des solutions de l'art antérieur
Les solutions de l'art antérieur présentent divers inconvénients. La détection des particules 'effectue par la mesure de
1'accumulation de suie sur les électrodes, généralement pendant plusieurs cycles de dépôts puis de destruction du pont conducteur formé localement entre les électrodes
L'information relative à la concentration de particules nécessite de longs cycles de chargement régénération. Elles ne permettent alors pas de fournir une information en temps réel.
Par ailleurs, les capteurs selon l'état de la technique ne donne qu'une information sur la masse de suies moyenne présente dans les échappements.
Un autre inconvénient résulte de la mauvaise connaissance de l'effet de la tension de polarisation qui conduit à un manque de reproductibilité des capteurs.
Par ailleurs, les capteurs de l'état de la technique ne fournissent pas d'information sur la nature des particules. Or, la dangerosité des particules provient essentiellement de leur morphologie. Plus les particules sont fines, plus elles ont la possibilité de pénétrer profondément dans l'organisme et de séjourner longuement. En addition à leur morphologie, des espèces chimiques dangereuses, adsorbées à la surface des particules (hydrocarbures aromatiques polycycliques appelés HAP, SO2, ...) peuvent alors être relarguées directement dans l'organisme.
Solution apportée par l'invention
Afin de remédier à ces inconvénients, l'invention concerne selon son acception la plus générale un système de caractérisation de nanoparticules conductrices dans un gaz comportant une cellule de mesure comprenant au moins deux électrodes et un capteur entre lesquelles circule ledit gaz chargé de nanoparticules, lesdites électrodes étant alimentées par une tension continue de polarisation, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit pour la mesure comportant un convertisseur analogique-numérique échantillonnant du signal de sortie de ladite cellule de mesure avec une fréquence d'échantillonnage supérieure à 500 Hz.
Avantageusement, ledit circuit de mesure comporte des moyens pour mesurer :
a) Les variations temporelles dudit signal pendant un intervalle de temps prédéterminé
b) L'amplitude moyenne A dudit signal pendant ledit intervalle de temps déterminé.
Selon une variante, ledit circuit de mesure comporte des moyens de comptage des variations temporelles par
| le comptage du nombre | N de fronts sur un intervalle de temps | ||||
| prédéterminé. | |||||
| Selon une | autre | variante, | ledit circuit | de mesure | |
| comporte des | moyens | pour | déterminer | un premier | indicateur |
| représentatif | de | la | classe d' | appartenance | desdites |
| nanoparticules, | en fonction | du rapport | N/A. |
Selon une autre variante, ledit circuit de mesure comporte des moyens pour déterminer un second indicateur représentatif de la concentration de particules en fonction de l'amplitude A.
Selon une autre variante, ledit circuit de mesure comporte des moyens de filtrage préalable pour éliminer les variations temporelles dont les écarts d'amplitude entre deux valeurs consécutives sont inférieurs à une valeur seuil.
De préférence ledit moyen de filtrage est un filtre par ondelettes.
Selon une variante, ledit circuit de mesure comporte des moyens de préfiltrage pour éliminer le bruit de mesure.
Avantageusement, ledit circuit de mesure utilise une mémoire pour l'enregistrement des données échantillonnées et un calculateur pour exécuter un programme d'apprentissage automatique.
Selon un mode de réalisation particulier, ledit système de caractérisation de nanoparticules conductrices comporte en outre un photodétecteur pour la détection des impulsions lumineuses produites entre les électrodes.
Description détaillée d'un exemple non limitatif de
1'invention
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où :
la figure 1 représente une vue éclatée schématique d'un exemple de sonde de mesure
- la figure 2 représente une vue schématique d'un exemple de circuit électronique de mesure la figure 3 représente le tableau des échantillons
- la figure 4 représente la vue schématique des types de sauts pouvant être rencontrés lors des mesures à haute fréquence d'échantillonnage
- la figure 5a) représente les nombres de saut cumulé pour différents échantillons et la figure 5b) représente les hauteurs moyennes des sauts pour les différents échantillons PF.
Description de la sonde de mesure
La figure 1 représente une vue éclatée d'un exemple de sonde de mesure mise en œuvre par l'invention. Il est précisé que cette architecture de sonde n'est pas limitative.
Le capteur est réalisé par dépôt d'une encre de plaquette isolante (1) d'alumine ou de technique de sérigraphie ou par gravure platine. Ce dépôt conducteur forme un de platine sur une céramique, par la laser d'un dépôt réseau d'électrodes de digités (4) reliées
L'élément sensible platine en forme de des est « serpentins » qui zone permettant de particules circulant dans
Sur la face (4) se suivent mesurer la conductance organisé en et définissent peignes interélectrodes de
| mesure | (2, | 3). |
| forme | de deux | |
| entre | elles | la |
| i gaz | chargé | de |
trouve une résistance le capteur.
opposée du substrat de chauffage isolant ( 1) se (5) permettant la thermorégulation du capteur.
Les dimensions du capteur sont
0,5 cm pour une épaisseur présente une géométrie l'élément sensible est une largeur de chauffant (5) la surface de cm de long avec de 0,1 en de une de 5 forme «
3.5*3.5 cm. L'élément d'oméga » mm2 avec et une distance entre les sur
7) est appliquée l'élément sensible largeur d'électrodes de 4 0 μτα et électrodes de 2 0 jum.
Une couche diélectrique (6, chaque face du capteur, à l'exception de (4). Les couches de diélectrique permettent de protéger les connectiques (2, 3) des capteurs. Une fenêtre (8) coté mesure du capteur ne laisse apparaitre que la partie des électrodes en forme de peignes inter-digités (4).
De façon plus générale, mais non exclusive, le capteur peut présenter plusieurs zones d'interaction avec le gaz porteur de particules, par exemple un première zone formée par une paire d'électrodes inter-digités présentant une première configuration, et une seconde zone formée par une paire d'électrodes inter-digités de configuration différentes. La largeur des électrodes de la première paire peut être comprise entre 100 nm et 1 cm, de préférence entre 10 jum et 1 mm, typiquement de 30 jum à 250 jum, et la largeur des électrodes de la deuxième paire peut être comprise entre 500 nm et 5 cm, de préférence entre 50 jum et 5 mm, typiquement de 250 jum à 1 mm.
Le rapport entre la largeur des électrodes de la première paire et la largeur des électrodes de la deuxième paire peut être compris entre 1 : 1000 et 10 :1, de préférence entre 1 : 100 et 1 : 1, typiquement de 1 : 10 à 1 : 2.
L'espacement des électrodes de la première paire peut être compris entre 100 nm et 1 cm, de préférence entre 10 jum et 1 mm, typiquement de 30 jum à 250 jum, et l'espacement des électrodes de la deuxième paire peut être compris entre 500 nm et 5 cm, de préférence entre 50 jum et 5 mm, typiquement de 250 jum à 1 mm.
Le rapport entre le premier et le deuxième
| espacement | peut | être compris entre 1 : 1000 | et 1 | : 1, de |
| préférence Q | entre | 1 : 100 et 1 : 2, typiquement | de 1 : | 10 à 1 : |
| O · | Les | électrodes de la deuxième | paire | peuvent |
| présenter | une | longueur différente de la | longueur des | |
| électrodes | de la | première paire. | ||
| Les | électrodes de la deuxième paire peuvent être | |||
| alimentées | par | une tension différente de la | tension |
d'alimentation des électrodes de la première paire.
Le capteur peut comprendre une étape de nettoyage du capteur au moyen de la résistance chauffante (5) disposée sur le support de manière à assurer une combustion totale du dépôt de matière résistive.
La tension de polarisation appliquée aux électrodes (2, 3) est de préférence supérieure à 40 Volts, avantageusement entre 50 et 160 V voire entre 50 V et 200 V. La valeur optimale est déterminée en fonction des caractéristiques des particules surveillées et de la géométrie des électrodes.
Electronique de mesure
Le circuit électronique a pour fonction de mesurer la résistance électrique entre les électrodes (2, 3) et d'imposer une tension de polarisation entre celles-ci. Il a également pour fonction de contrôler l'élément chauffant (5) pour la régénération du capteur.
La résistance est mesurée par le principe du pont diviseur de tension. Comme illustré par la figure 2, le pont diviseur de tension consiste à associer une résistance connue (20) en série avec les électrodes de mesure de la cellule (4) et de mesurer la tension aux bornes de cette résistance.
U2 r2
Rx+R2
OU
U2
Gi
G2 + G1
Avec Rl=Résistance capteur (4) et R2=résistance connue (20) où G1 est la conductance mesurée aux bornes du capteur (4) et
G2 est une conductance connue (20).
Le circuit électronique comprend un étage de préamplification (21) suivi par un circuit d'échantillonnage à une fréquence d'au moins 500 Hz, et de préférence de plus de lKhz, typiquement comprise entre 1 et 10 Khz.
Cet étage de préamplification (21) est suivi par un étage de digitalisation (22) et de sérialisation (23).
Contrairement aux solutions de l'art antérieur, on ne cherche pas à filtrer les micro-perturbations observées sur le signal de mesure, mais au contraire à exploiter ces informations qui relèvent en partie de bruit de mesure, et en partie d'informations représentatives des caractéristiques des charges nanoparticulaires véhiculées par le gaz porteur circulant dans le capteur.
L'enregistrement de la conductance à des hautes fréquences d'échantillonnage (5 kHz) permet d'analyser la densité de sauts du signal délivré par le capteur, pour une mesure indépendante de la concentration des nanoparticules, mais sensible au type de particules. Cette mesure, issue d'un algorithme relativement complexe, correspond schématiquement à un rapport « bruit sur signal ». Nous disposons alors de deux mesures : la conductance « moyenne », dépendant du niveau de chargement du capteur, et la « densité de sauts », sensible au type de suies et donc dans une certaine mesure à la taille ; ce qui pourrait fournir les informations nécessaires afin d'évaluer la quantité de particules pour différentes tailles.
Aussi, cette mesure peut se faire quasiment en temps réel, alors que l'exploitation des capteurs selon l'état de la technique se faisait à partir de longs cycles de chargementrégénération.
Le signal échantillonné est ensuite analysé par des méthodes telles que la décomposition en ondelettes, ou l'estimation de densité de probabilité pour caractériser la régularité et la décroissance à l'infini des ondelettes complexes progressives issues d'ondelettes réelles.
D'autres solutions sont basées sur un calcul numérique de la transformée en ondelettes dans les cas unidimensionnels et bidimensionnels
Les aspects de
1'implémentation, ' aide de la transformée de
Fourrer rapide (fft ou fast Fourrer transform » en anglais) de 1'algorithme général de la transformée en ondelettes sont également adaptés.
Une approche d'analyse spectrale locale par ondelettes fondée sur l'utilisation de la transformée en ondelettes continue est particulièrement appropriée, notamment une méthode de filtrage numérique par ondelettes orthogonales qui permet d'extraire une structure spécifique dans un signal.
Le calculateur (24) du circuit électronique délivre deux informations :
- une première information obtenue par le calcul d'une moyenne glissante, sur une fenêtre de quelques dixièmes de secondes à quelques secondes, représentative de la concentration de particules
- une deuxième information obtenue par le comptage du nombre de sauts positifs ou négatifs, et de la densité temporelle du nombre de sauts, représentative de la nature des particules.
Le calibrage peut se faire par apprentissage, avec par exemple un réseau bayésien, ou par enregistrement d'une table de conversion entre les deux informations et des indicateurs de concentrations et de caractérisation des particules.
Résultats expérimentaux
Le calibrage peut être réalisé par l'utilisation d'une source de particules de concentration et de natures connues.
Pour produire les particules de caractéristiques connues, on peut utiliser un générateur de suie décrit dans le brevet européen EP 2928968. Il comprend une chambre de combustion dans laquelle un combustible peut être brûlé avec un oxydant dans une flamme produisant des particules de suie. Une conduite d'alimentation en combustible pour l'alimentation d'un combustible à la chambre de combustion et une conduite de dégagement de suie sont reliées à la chambre de combustion à laquelle un gaz d'extinction peut être alimenté et par laquelle des particules de suie peuvent être dégagées. Un dispositif de réchauffement pour réchauffer la conduite d'alimentation en combustible permet de fixer différents points de réchauffement.
En ajustant les débits de propane et d'air dans la flamme, une grande variété de particules de suie (concentration, taille) peut être produite. Pour chaque point de fonctionnement la concentration massique des particules de suies a été mesurée par un analyseur PEGASOR (nom commercial) ainsi que la conductance entre les électrodes de mesure du capteur (4) en appliquant une tension de polarisation de 60 V. La réponse du capteur (conductance) exposé aux suies produites aux différents points de fonctionnement a été à chaque fois enregistrée à la suite d'une régénération du capteur à 650°C pendant une minute.
Le Tableau II.1 (figure 3) montre que les points de fonctionnement PF1 à PF5 sont pauvres en propane (sous stoechiométrique, richesse inférieure à 1). Le PF6 correspond au mélange proche de la stœchiométrie, et les réglages PF7 à PF8 sont des mélanges riches en propane (richesse supérieure à 1). Lorsque le rapport propane/air dans la flamme augmente (PF5>PF4>PF1), la concentration massique des particules diminue. Cela peut être expliqué par la variation de la hauteur de la flamme avec le rapport propane/air et donc une trempe de la flamme par le débit d'azote qui se produit à différents degrés d'avancement de la combustion.
Afin de tester les capteurs, trois PF (PF1, PF4 et PF5 ) du brûleur CAST ont été sélectionnés. Les concentrations massiques de ces flux de particules diminuent avec l'augmentation du rapport propane/air dans la flamme (vers des numéros de PF plus élevés) tandis que la distribution en taille est déplacée vers des valeurs plus faibles (PF1=9O nm, PF4=7 0 nm, et PF5=50 nm) avec une augmentation de la concentration en nombre. Un quatrième point de fonctionnement a été utilisé : PF1B. Celui-ci possède la même distribution en taille que PF1 mais avec une concentration massique et en nombre moins élevée.
Les particules présentent des réactivités différentes, celles-ci augmentant avec le numéro du PF. Nous avons vu que cela est causé par une fraction d'organiques plus importante adsorbée sur les particules dans le cas des suies PF5. Les particules présentent aussi des conductivités différentes et décroissantes en fonction du numéro de PF (PF1=2O9 S/m, PF4=8 S/m, et PF5=0,3 S/m).
Un des paramètres important dans l'étude du capteur est la tension appliquée entre les électrodes de mesure (tension de polarisation). Nous avons mis en évidence que la sensibilité du capteur passe par un maximum pour une tension de polarisation optimale différente pour chaque PF ((PF1=3O V, PF4=60 V, et PF5>150 V).
Les essais ont été réalisés en ajustant la tension de polarisation afin de déterminer l'influence de ce paramètre pour différentes tailles, nature, et concentration de suies. Le signal maximal du capteur est obtenu pour une tension de polarisation optimale dépendant des points de fonctionnement (PF1 et PF1B 30V, PF4 60 V, PF5 >150 V).
Les mesures à l'échelle de la milliseconde ont permis de mettre en évidence et de comptabiliser les sauts de conductance. Une mesure indépendante de la concentration, la densité de sauts (#sauts. s’1.juS’1 ) a été établie. La densité de sauts correspond au nombre de sauts par seconde divisé par la hauteur du saut. Cette mesure permet de distinguer deux échantillons PF différents.
En implémentant cet algorithme de mesure de densité de saut et de mesure de la conductance, on supervise l'évolution de la densité de sauts en fonction du temps et on suit l'évolution de la formation des ponts à différents moments du chargement.
Pour une tension de polarisation suffisamment élevée (favorisant la destruction des ponts qui ont alors une durée de vie limitée), le capteur n'est alors plus en mode « intégrateur de flux » comme les versions précédentes, mais en mode « mesure de flux », il est possible de suivre en continu non seulement le comptage des sauts mais aussi la valeur moyenne de conductance (qui diminue si le flux diminue), et la régénération est peu ou pas nécessaire.
Le fonctionnement du capteur en continu, et non pas par cycles d'accumulation de particules suivi de destruction des ponts conducteurs qui se sont formés, pour le suivi d'état stationnaire en utilisant la mesure de la densité de saut de conductivité permet de réduire le nombre de régénérations de celui-ci et ainsi de réduire les temps où celui-ci est « aveugle », c'est-à-dire pendant le temps de percolation.
La mesure de la densité de sauts permet de connaître le point de fonctionnement, la valeur de la conductance permettant alors d'avoir la concentration.
L'enregistrement du signal de conductance aux bornes du capteur (4) à de plus hautes fréquences d'échantillonnage (5 kHz) permet d'extraire une mesure indépendante de la concentration et sensible au type de particules : « la densité de sauts ». Cette mesure correspond schématiquement à un rapport « bruit sur signal ».
Le circuit électronique fourni alors deux mesures : a) la conductance « moyenne », dépendant du niveau de chargement du capteur, et
| suies et | b) donc | la « densité de sauts », sensible au type de | |||
| dans | une certaine mesure à la | taille des | |||
| particules | • | ||||
| On | peut | ainsi déterminer | les | informations |
nécessaires afin d'évaluer la quantité de particules pour différentes tailles. Cette mesure peut se faire quasiment en temps réel, alors que l'exploitation des capteurs de l'art antérieur se fait à partir de longs cycles de chargementrégénération.
L'étude du signal échantillonné à haute fréquence par une analyse multi-variable avec différentes zones de mesure à des tensions de polarisation différentes, en multipliant les informations disponibles, permet d'améliorer l'évaluation des concentrations en nombre des suies présentes dans les échappements.
Le filtrage par ondelettes est réalisé avec des paramètres en entrée ajustés afin de ne pas trop modifier le signal lors de l'application du filtre. Les paramètres famille d'ondes, niveau de décomposition et seuillage sont fixés par exemple avec l'outil Matlab « wavelet denoising «(noms commerciaux). Le niveau de décomposition, correspondant à la finesse du filtre a été choisi à 5. Le seuillage des coefficients permettant de décomposer le signal a été réglé sur doux. Cela permet de pondérer la valeur obtenue lorsque le seuil est dépassé et non simplement de la ramener égale au seuil.
Le filtrage par ondelettes enlève la majorité du bruit et restitue un « signal carré », alors que le filtrage fréquentiel retire une grande partie du bruit mais a tendance à rajouter des oscillations au niveau des variations rapides et à arrondir les sauts. Le filtrage par ondelettes constitue une solution préférentielle pour filtrer le signal avant d'évaluer le nombre de sauts de conductance.
Caractérisation du saut de conductance
Les variations de conductance peuvent être de deux types différents :
variations brusques, correspondant à une variation en marche d'escalier, durant au plus une période d'échantillonnage, variations plus lentes caractérisées par une augmentation progressive de la conductance sur plusieurs points.
Un autre type de saut intermédiaire est défini, celui-ci correspond à un saut progressif réalisé par la combinaison de deux sauts brusques très proches (inférieure à 10 points).
Ce type de saut n'est alors comptabilisé que pour un saut et non deux.
De plus, une variation très lente de la conductance ne sera pas prise en compte. Ces variations peuvent être positives et négatives.
L'algorithme de détection des sauts repose sur la comparaison de la dérivée du signal à un seuil fixé arbitrairement. La plus petite variation observable par nos moyens de mesure est d'environ 0,02 juS constituant le seuil de détection. Ainsi, si une variation est inférieure à cette valeur, elle ne sera pas comptabilisée dans les sauts.
La figure 5a) représente les nombres de saut cumulé pendant 200s par intervalles de temps de ls toutes les 3s pour différents échantillons et la figure 5b) représente les hauteurs moyennes des sauts pour les différents échantillons PF.
Variante de réalisation
Selon une variante de réalisation, on place un photodétecteur en regard du capteur (4). Ce photodétecteur détecte les impulsions lumineuses se produisant au moment de la destruction d'un pont de suie formé entre deux zones du capteur (4). Cette information est traitée pour fournir une information additionnelle sur la concentration de particules dans le gaz porteur.
Claims (10)
- Revendications1 — Système de caractérisation de nanoparticules conductrices dans un gaz comportant une cellule de mesure comprenant au moins deux électrodes (2, 3) et un capteur (4) entre lesquelles circule ledit gaz chargé de nanoparticules, lesdites électrodes étant alimentées par une tension continue de polarisation, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit pour la mesure comportant un convertisseur analogiquenumérique échantillonnant du signal de sortie de ladite cellule de mesure avec une fréquence d'échantillonnage supérieure à 500 Hz.
- 2 - Système de caractérisation de nanoparticules conductrices selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit circuit de mesure comporte des moyens pour mesurer :a) Les variations temporelles dudit signal pendant un intervalle de temps prédéterminéb) L'amplitude moyenne A dudit signal pendant ledit intervalle de temps déterminé.
- 3 - Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit circuit de mesure comporte des moyens de comptage des variations temporelles par le comptage du nombre N de fronts sur un intervalle de temps prédéterminé.
- 4 - Système de caractérisation de nanoparticules conductrices selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit circuit de mesure comporte des moyens pour déterminer un premier indicateur représentatif de la classe d'appartenance desdites nanoparticules, en fonction du rapport N/A.
- 5 - Système de caractérisation de nanoparticules conductrices selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit circuit de mesure comporte des moyens pour déterminer un second indicateur représentatif de la concentration de particules en fonction de l'amplitude A.
- 6 - Système de caractérisation de nanoparticules conductrices selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit circuit de mesure comporte des moyens de filtrage préalable pour éliminer les variations temporelles dont les écarts d'amplitude entre deux valeurs consécutives sont inférieurs à une valeur seuil.
- 7 - Système de caractérisation de nanoparticules conductrices selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit moyen de filtrage est un filtre par ondelettes.
- 8 - Système de caractérisation de nanoparticules conductrices selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit circuit de mesure comporte des moyens de préfiltrage pour éliminer le bruit de mesure.
- 9 - Système de caractérisation de nanoparticules conductrices selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit circuit de mesure comporte une mémoire pour l'enregistrement des données échantillonnées et un calculateur pour exécuter un programme d'apprentissage automatique.
- 10 - Système de caractérisation de nanoparticules conductrices selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte en outre un photodétecteur pour la détection des impulsions lumineuses produites entre les électrodes.
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|---|---|---|---|
| FR1756750A FR3069058A1 (fr) | 2017-07-17 | 2017-07-17 | Systeme de caracterisation de nanoparticules conductrices |
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| FR1756750 | 2017-07-17 | ||
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