Introduction :

Des études indiquent que dans 10 ans, plus de 25% du marché mondial des capteurs sera absorbé par l’automobile.

La fonction principale de ces capteurs installés dans l’automobile est encore liée aux aspects de sécurité. On utilise de plus en plus souvent des capteurs dans des buts environnementaux et d’économie d’énergie. En effet, les capteurs doivent participer à la réduction durable de la consommation de carburant et des émissions polluantes d’autant plus que le nombre de véhicule augmente.

Pour cela, il faut une gestion efficace du moteur et des gaz d’échappement. Ainsi il s’avère nécessaire d’obtenir des mesures fiables et précises des divers paramètres de fonctionnement.

Devant le nombre de capteurs utilisés dans une voiture, nous nous sommes tournés vers les capteurs au sein de l’échappement qui permettent une régulation des gaz éjectés. En particulier les capteurs de température qui assurent le fonctionnement du pot catalytique, mais aussi la sonde Lambda et les capteurs de concentration en NO_X.

Il nous semble utile d’étudier cette famille de capteur qui assurent une diminution de la pollution qui est à l’heure actuelle un facteur de poids dans la conception d’un véhicule.

La mesure de la température des gaz résiduels est particulièrement importante pour optimiser les conditions de fonctionnement du catalyseur.

Tous les tests de mesure d'émissions ont en effet montré que le rejet le plus important à lieu pendant la phase de démarrage à froid. Le catalyseur doit donc être porté le plus rapidement possible à une température de fonctionnement minimale, située entre 250°C et 400°C, de manière à faire baisser très vite ce taux d'émissions.

Outre le réglage des meilleurs paramètres de fonctionnement, les capteurs de température assurent la protection anti-surchauffe des catalyseurs et mesurent - pour peu qu'ils soient intégrés dans un système de diagnostic embarqué - leur température de déclenchement.
L'épuration des gaz d'échappement est encore plus efficace si on adjoint aux sondes thermométriques, pour la surveillance des catalyseurs, des sondes lambda.

Nous avons donc abordé, en plus de la sonde lambda et de capteurs de concentration, trois différents capteurs de température utilisable pour cette application : les thermocouples, les thermistances et les capteurs de platine à couche mince.

 I)Description des différents capteurs:

1) Les capteurs de température

I.1.1) Les Thermistances

Ø  Présentation :

Une thermistance est un agglomérat d'oxydes métalliques frittés, c'est-à-dire rendus compacts par haute pression exercée à température élevée, de l'ordre de 150 bars et 1000 °C. La composition d'une thermistance peut-être, par exemple :

·          Fe₂O₃ (oxyde ferrique),

·          MgAl₂O₄ (aluminate de magnésium),

·          Zn₂TiO₄ (titane de zinc).

La propriété primordiale de ce type de résistance est une sensibilité thermique très supérieure, de l’ordre de 10 fois, à celle des résistances métalliques. Il existe deux types de thermistance, les CTN à coefficient de température négatif, et les CTP à coefficient de température positif. Pour une thermistance CTN, la résistance R diminue lorsque la température augmente.
Pour une thermistance CTP, la résistance R augmente lorsque la température augmente.

(On rencontre, cependant, plus généralement les CTN).

Ø  Principe de fonctionnement :

La résistance d’une CTN dépend de la température : elle diminue si sa température augmente et inversement. Si l’on connaît la fonction R = f(T) qui exprime la résistance de la CTN en fonction de sa température, on pourra par la suite connaître une température quelconque de la CTN par la mesure de sa résistance.

Si l'auto échauffement par effet Joule est négligeable, sa résistance varie avec la température selon la loi :
R(T) = R(T₀).exp [B (1/T - 1/T₀)]
(Les températures sont exprimées en degrés Kelvin, B et T₀ sont des constantes caractéristiques du composant).

I.1.2) Les Thermocouples

Description technique

Un thermocouple est constitué de deux conducteurs A et B formant entre eux deux jonctions aux températures Tc (température du thermocouple) et Tréf température de référence (choisie soit de 0°C, soit constante et différente de 0°C, soit variable comme la température ambiante notamment).
Il délivre alors une f.é.m. qui dépend d’une part de la nature des conducteurs A et B, et d’autre part de Tc et Tréf.
C’est la valeur de cette f.é.m. qui va permettre d’en déduire Tc. Or, la température Tc mesurée est fonction de la température des gaz à l’échappement que l’on cherche à déterminer  et des échanges thermiques possibles avec les parois et les différents milieux. On peut ainsi, connaissant les caractéristiques des milieux concernés, en déduire la valeur de la température des gaz.

Schéma de montage de mesure

I.1.3) Les sondes Pt à couche mince

Les sondes platine à  couche mince sont utilisable dans un véhicule pour mesurer la température de l’eau, de l’huile ou bien des gaz d’échappement, du fait de leur large plage de mesure allant d’environ –200°C à +1000°C lorsque leur enveloppe le permet.

Le platine peut être obtenu avec une très grande pureté : de l’ordre de 99.999%. Ceci permet de fixer avec une bonne précision ses propriétés électriques.

Une conséquence de la précision avec laquelle peuvent être fixées les caractéristiques et la stabilité des sondes à résistance de platine est l’interchangeabilité.

Principe de fonctionnement

D’une façon générale, la variation thermique de résistance DR = Ra_RDT produit une tension de mesure v_m = DR.i  avec i courant de mesure limité à quelques mA.

Afin d’obtenir une bonne sensibilité, on est donc conduit à utiliser des résistances de valeurs relativement importantes, il faut donc :

- une réduction de la section du fil, qui est limitée par la fragilité qu’elle entraîne.

- une augmentation de la longueur du fil qui est limitée par l’encombrement qui en résulte.

Un compromis satisfaisant est généralement obtenu en fixant à 100 W la résistance à 0°C, ainsi dans le cas du platine, il en résulte un diamètre de fil de l’ordre de quelques dizaines de microns et une longueur de fil d’environ une dizaine de centimètres.

Dans le cas de l’échappement, on utilise des sondes à immersion qui sont plongées dans le milieu et sont constituées d’un bobinage hélicoïdal afin de limiter l’encombrement.

Les facteurs à prendre en compte pour la réalisation sont les suivants :

1. le domaine d’emploi en température
2. la protection contre l’altération chimique
3. la protection vis à vis des chocs et vibrations
4. la reproductibilité des mesures
5. la vitesse de réponse

Pour les usages industriels, la nécessité d’assurer une protection efficace contre les chocs et les vibrations a imposé l’emploi de sondes bobinées enrobées dans le verre ou la céramique et placés dans une gaine d’acier étanche. La faible résistance thermique de l’enrobage permet d’assurer des temps de réponse satisfaisants.

Une réduction appréciable du temps de réponse, divisé par 3, a été obtenue par l’utilisation des techniques de fabrication des circuits intégrés qui ont permis la réalisation de résistances de platine sous forme de film déposé sur un substrat d’alumine et protégé par une mince couche de céramique.

Relation résistance-température : formule de Calendar-Van Dusen

R(T) / R(0) = 1 + a [ T - d ( (T-100) / 100) * T/100 - b ( (T-100) / 100) * (T/100)³ ]

où T est en °C et b=0 pour T>0°C et R(0) la résistance mesurée à 0°C

2) Les capteurs de concentration

I.2.1) La sonde Lambda

Présentation 

La sonde lambda  est fabriquée en série depuis la fin des années 1970 et utilisée sur les systèmes de dépollution des gaz d’échappement. Elle a déjà fait la preuve de ses capacités sur plus de vingt-cinq millions de véhicules.

La sonde à oxygène, ou sonde lambda, est un capteur spécifique aux dispositifs d’injection.

Principe de fonctionnement

L’oxygène résiduel, qui constitue un indice précis de la combustion complète du mélange , est le meilleur point de départ pour la régulation air/carburant. Constituée de céramique et d’électrodes de platine, la sonde lambda fonctionne comme une pile à concentration ,  et  est un détecteur de gaz d’échappement qui génère un saut de tension pour un mélange parfaitement stoechiométrique et émet alors un signal indiquant si le mélange est trop pauvre ou trop riche (le mélange idéal ou stoechiométrique est air/carburant = 14,7,supérieur il est pauvre et inférieur il est riche).

La sonde émet un faible voltage quand elle compare le niveau libre dans les gaz d’échappement avec le niveau ambiant d’oxygène à l’extérieur du système d’échappement . Le voltage n’existe que lorsque la température monte entre 360 et 900°C et il varie entre 0,1 et 0,9 volt .

I.2.2 Capteur ampérométrique d’oxygène

Ce capteur mesure la concentration d’oxygène dans les gaz d’échappement, il est basé sur l’emploi d’une céramique poreuse à base de ZrO₂. L’oxygène est réduit par ZrO₂ : le courant donné est directement fonction du nombre de molécules d’oxygène (ie de la pression partielle d’O₂).

Principe d’un capteur ampérométrique d’oxygène

I.2.3 Capteur multiélectrodes :

C’est le même principe que l’ampérométrique, mais les concentrations mesurées sont celles de différents gaz. Dans la première partie, c’est l’O₂ qui est réduit et qui donne le courant I1. Dans la seconde, tout l’O₂ ayant été déjà réduit, c’est le NO qui est réduit et qui donne le courant I2

Principe du capteur multiélectrode

II) Avantages et Inconvénients