- Capteurs de gaz combustibles
- Capteur catalytique
- Sortie de capteur
- Vitesse de réponse
- Étalonnage
- Capteur à semi-conducteurs
- Conductivité thermique
- Détecteur de gaz infrarouge
- Détecteur de gaz inflammables infrarouge à barrière
- Capteur électrochimique
- Chemcassette®
- Comparaison des techniques de détection de gaz
Capteurs de gaz combustibles
Bon nombre de personnes ont déjà vu une lampe de sûreté à flamme et connaissent son utilisation comme détecteur de grisou autrefois employé dans les mines de charbon souterraines et les égouts. Initialement conçue comme source lumineuse, cette lampe permettait également d’estimer le niveau de gaz combustible avec une précision de 25 à 50 %, selon l’expérience de son opérateur, sa formation, son âge, sa perception des couleurs, etc. Les détecteurs de gaz combustibles modernes offrent davantage de précision, de fiabilité et de constance que leurs ancêtres. À de nombreuses reprises, la subjectivité de mesure des lampes de sûreté a tenté d’être corrigée (par exemple, en employant un détecteur de température de flamme), mais elle est désormais presque complètement supplantée par les appareils électroniques plus récents.
Néanmoins, le dispositif le plus fréquemment employé aujourd’hui, le détecteur catalytique, n’est, en quelque sorte, qu’un développement moderne de la lampe de sûreté à flamme, puisque son fonctionnement repose sur la combustion d’un gaz et sa conversion en dioxyde de carbone et en eau.
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Capteur catalytique
Pratiquement tous les capteurs de gaz combustibles modernes à bas prix sont de type électrocatalytique. Il sont constitués d’un minuscule élément de mesure parfois appelé « filament », « Pellistor » ou « Siegistor », ces deux derniers noms faisant référence à des marques déposées de produits commercialisés. Ils se composent d’une bobine de platine chauffée électriquement, recouverte d’une base en céramique, comme de l’alumine, puis d’un revêtement extérieur catalytique en palladium ou rhodium dispersé dans un substrat de thorine.
Ce type de capteur fonctionne selon le principe suivant: lorsqu’un mélange de gaz/d’air passe sur la surface catalytique chauffée, une combustion se produit et la chaleur produite augmente la température du « filament ». La résistance de la bobine de platine change alors et peut se mesurer en employant la bobine comme thermomètre dans un circuit à pont électrique standard. Le changement de résistance est ensuite directement associé à la concentration de gaz dans l’atmosphère ambiante et peut être indiqué sur un dispositif de mesure ou tout autre moyen d’affichage.
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Sortie de capteur
Afin de garantir la stabilité de la température sous diverses conditions ambiantes, les meilleurs capteurs catalytiques recourent à des filaments associés thermiquement. Ils sont situés sur les branches opposées d’un circuit électrique à pont de Wheatstone, où un capteur « sensible » (généralement appelé capteur « s ») réagit à tous les gaz combustibles présents tandis qu’en contrepartie un capteur « inactif » ou « non sensible » ne réagit pas. Cette inactivité s’obtient en recouvrant le filament d’un film de verre ou en désactivant le catalyseur de façon à ce qu’il agisse uniquement comme un compensateur face aux changements de température ou d’humidité externes.
Pour un fonctionnement plus stable encore, il est possible d’utiliser des capteurs résistants au poison. Ils s’altèrent moins au contact de certaines substances, comme les composés à base de silicone, de souffre et de plomb qui désactivent (ou « empoisonnent ») rapidement d’autres types de capteurs.
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Vitesse de réponse
Pour répondre aux exigences de sécurité, les capteurs catalytiques doivent être installés dans des protections en métal renforcé derrière un pare-flammes. Le mélange de gaz/air circule ainsi dans la protection et sur l’élément de détection chauffé, et la propagation de flamme dans l’atmosphère extérieure est empêchée. Le pare-flammes réduit légèrement la vitesse de réponse du capteur. Toutefois, la sortie électrique donne généralement la mesure de gaz en quelques secondes lorsqu’un gaz est décelé. La courbe de réponse étant considérablement aplatie à l’approche de la mesure finale, le temps de réponse est souvent spécifié en temps pour atteindre 90 % de la mesure finale ou valeur T90. Les valeurs T90 des capteurs catalytiques varient généralement entre 20 et 30 secondes.
(Remarque: aux États-Unis et dans quelques autres pays, cette valeur désigne souvent la mesure T60 et il faut donc être particulièrement vigilant lors de la comparaison des performances des différents capteurs).
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Étalonnage
Les défaillances des capteurs catalytiques sont souvent liées à une dégradation des performances suite à leur exposition à certains poisons. Il est donc essentiel que tous les systèmes de surveillance de gaz soient étalonnés lors de l’installation, puis régulièrement contrôlés et réétalonnés si nécessaire. Les contrôles doivent être réalisés à l’aide d’un mélange de gaz standard étalonné de sorte que le zéro et le point de consigne puissent être correctement configurés sur le module de commande.
Des codes de bonnes pratiques comme la norme EN50073:1999 donnent quelques indications sur la fréquence des contrôle d’étalonnage et le réglage des niveaux d’alarme. D’une manière générale, les contrôles doivent être effectués toutes les semaines, mais il est possible d’allonger cette période une fois le fonctionnement rôdé. Lorsque deux niveaux d’alarme doivent être configurés, le niveau le plus bas est généralement réglé entre 20 et 25 % LIE et le niveau le plus haut entre 50 et 55 % LIE.
Le contrôle et l’étalonnage des anciens systèmes (et des systèmes bas de gamme) requièrent deux personnes, une pour exposer le capteur au flux de gaz et l’autre pour vérifier la mesure affichée sur l’échelle de son appareil de contrôle. Les potentiomètres de zéro et d’échelle sont ensuite réglés sur le module de commande jusqu’à ce que les mesures correspondent exactement à celles de la concentration du mélange de gaz.
Lorsque les réglages doivent être effectués dans une protection ignifuge, l’alimentation doit au préalable être coupée et une autorisation obtenue pour ouvrir la protection.
Aujourd’hui, de nombreux systèmes d’étalonnage à un opérateur sont disponibles. Ils permettent de procéder à l’étalonnage sur le capteur lui-même. Ils réduisent considérablement le temps et les coûts de maintenance, notamment quand les capteurs sont difficiles d’accès, comme sur les plates-formes de gaz ou pétrolières en mer. Désormais, certains capteurs répondent également aux normes de sécurité intrinsèque offrant la possibilité d’un étalonnage hors site (par exemple, dans un dépôt pour maintenance). Grâce à cette sécurité intrinsèque, ces capteurs peuvent en outre être remplacés sur site sans avoir couper le système.
Les opérations de maintenance peuvent donc être réalisées sur un système « chaud » et gagnent ainsi en rapidité et en économie par rapport aux systèmes conventionnels.
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Capteur à semi-conducteurs
Les capteurs constitués de matériaux semi-conducteurs ont connu un remarquable gain de popularité à la fin des années 80 et sont apparus dans le même temps comme une solution potentielle de détecteur de gaz universel à bas prix. À l’instar des capteurs catalytiques, ils fonctionnent par absorption de gaz en surface d’un oxyde chauffé. Il s’agit en fait d’un léger film d’oxyde métallique (généralement des oxydes de métaux de transition ou de métaux lourds, comme l’étain) déposé sur une plaque de silicium selon un procédé semblable à celui employé dans la fabrication des puces électroniques. L’absorption du prélèvement de gaz sur la surface d’oxyde, suivie de l’oxydation catalytique, entraîne un changement de la résistance électrique du matériau d’oxyde et peut être associée à la concentration de gaz prélevée. La surface du capteur est chauffée à une température constante d’environ 200 à 250 °C afin d’accélérer la réaction et de réduire les effets des variations de température ambiante.
Les capteurs à semi-conducteurs sont simples, plutôt robustes et peuvent être extrêmement sensibles. Utiles en détection de sulfure d’hydrogène gazeux, ils sont couramment employés pour la fabrication de détecteurs de gaz domestiques à bas prix. Cependant, ils se sont révélés relativement peu fiables dans les applications industrielles, en raison de leur trop grande diversification en termes de gaz détectés et de leur sensibilité aux changements de température atmosphérique et aux variations hygrométriques. Ils doivent également être vérifiés plus fréquemment que les autres types de capteurs. En effet, à moins d’être régulièrement contrôlés à l’aide d’un mélange gazeux, ils perdent progressivement en sensibilité (« s’endorment ») et leur réponse, ainsi que leur récupération, sont ralenties dès qu’un excès de gaz survient.
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Conductivité thermique
Cette technique de détection de gaz convient aux mesures de concentrations élevées (% V/V) de mélanges binaires de gaz. Elle sert principalement à déceler les gaz possédant une conductivité thermique bien supérieure à celle de l’air, comme le méthane et l’hydrogène. Les gaz dont la conductivité thermique est proche de celle de l’air ne peuvent en revanche pas être détectés, par exemple l’ammoniac et le monoxyde de carbone. Les gaz de conductivité thermique inférieure à celle de l’air, tels que le dioxyde de carbone et le butane, sont plus difficiles à déceler étant donné que la vapeur d’eau peut interférer. En l’absence d’air, cette technique permet par ailleurs de mesurer les mélanges de deux gaz.
l’élément de mesure chauffé est exposé au prélèvement et l’élément de référence est placé dans un compartiment fermé. Si la conductivité thermique du gaz prélevé est supérieure à celle de référence, la température de l’élément de mesure diminue. Si la conductivité thermique du gaz prélevé est inférieure à celle de référence, la température de l’élément de mesure augmente. Ces variations de températures sont proportionnelles à la concentration de gaz présente dans le prélèvement.
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Détecteur de gaz infrarouge
De nombreux gaz combustibles possèdent des bandes d’absorption dans la zone infrarouge du spectre lumineux électromagnétique. Ce principe de l’absorption infrarouge a été utilisé comme outil d’analyse en laboratoire pendant plusieurs années. Cependant, depuis les années 80, les progrès réalisés dans les domaines de l’électronique et de l’optique ont permis de concevoir des équipements d’énergie et de taille suffisamment réduites pour les intégrer à des produits de détection de gaz industriels.
Ces capteurs présentent plusieurs avantages majeurs par rapport aux capteurs catalytiques. Ils offrent une réponse extrêmement rapide (généralement inférieure à 10 secondes), une maintenance minime et des contrôles ultra simplifiés grâce à la fonction d’auto-contrôle gérée par un microprocesseur moderne. Ils peuvent également être résistants aux poisons connus, disposent d’une sécurité intrinsèque et fonctionnent parfaitement en atmosphères inertes ainsi que sous des plages de températures, de pressions et d’humidité très étendues.
La technique repose sur le principe de l’absorption des infrarouges à double longueur d’onde: la lumière passe dans le mélange prélevé en deux longueurs d’onde, une définie sur l’absorption maximale du gaz à détecter, l’autre non. Les deux sources lumineuses sont émises alternativement et guidées le long d’un chemin optique commun vers une « fenêtre » ignifuge, puis vers le gaz prélevé. Les faisceaux sont ensuite réfléchis par un rétroréflecteur qui les renvoie dans le prélèvement, puis sans l’unité. Un détecteur compare alors l’intensité des signaux de prélèvement et de référence, et, par soustraction, en déduit une mesure de la concentration de gaz.
Ce type de détecteur peut uniquement déceler les molécules de gaz diatomiques et ne convient donc pas à la détection d’hydrogène.
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Détecteur de gaz inflammables infrarouge à barrière
Anciennement par détection par point, c’est-à-dire que plusieurs détecteurs étaient utilisés pour couvrir une zone ou un périmètre. De nouveaux instruments ont plus récemment fait leur apparition: ils utilisent la technologie laser et infrarouge sous la forme d’un large faisceau (ou barrière) pouvant couvrir une distance de plusieurs centaines de mètres. Les premiers appareils à barrière venaient en complément d’une détection à point, mais les instruments de 3e génération sont désormais employés comme solution de détection principale. Ces détecteurs ont connu un fort succès dans certaines applications, telles que le stockage et déchargement de production, les quais et les terminaux de chargements/déchargement, les conduites de transport, la surveillance de périmètre, les plates-formes en mer et les zones de stockage de GPL (Gaz de Pétrole Liquéfié).
Les instruments première génération étaient conçus à double longueur d’onde, la première correspondant à l’absorption maximale du gaz cible et la seconde servant de référence dans une zone sans absorption. Ils comparaient continuellement les deux signaux transmis dans l’atmosphère, en utilisant le rayonnement rétrodiffusé par le rétroréflecteur ou, plus fréquemment dans les derniers modèles, un émetteur et un récepteur séparés. Tout changement de rapport entre les deux signaux était mesuré comme du gaz. Ces premiers appareils étaient toutefois sensibles aux brumes. Or, selon leur type, celles-ci interféraient positivement ou négativement sur le rapport des signaux pouvant entraîner des mesures de gaz erronées: des mesures anormalement élevées (alarme) ou anormalement basses (erreur). La dernière génération d’instruments emploie un filtre double passe-bande à deux longueurs d’onde de référence (une de chaque côté du prélèvement) qui compense les interférences de tous les types de brumes et d’intempéries. D’autres problèmes, apparus avec les modèles plus anciens, ont été résolus grâce à l’utilisation d’une optique coaxiale qui élimine les fausses alarmes occasionnées par une atténuation partielle du faisceau, mais aussi l’emploi de lampes flashs au xénon et de détecteurs à semi-conducteurs qui insensibilisent les instruments aux rayons du soleil et autres sources de rayonnement, telles que les torchères, le soudage à l’arc ou l’éclairage.
Les détecteurs à barrière mesurent en fait le nombre total de molécules de gaz (c’est-à-dire, la quantité de gaz) présentes dans le faisceau. Cette valeur, qui diffère de la concentration de gaz habituelle donnée en un point, est exprimée en mesure de LIE.m.
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Capteur électrochimique
Les capteurs de gaz électrochimiques sélectifs permettent de déceler la plupart des gaz toxiques classiques, tels que le CO, le H2S, le Cl2, le SO2, dans de nombreuses
applications. Les capteurs électrochimiques sont compacts, requièrent peu d’énergie et procurent une excellente linéarité et constance. Ils bénéficient en outre d’une longue durée de vie (généralement 3 ans). Les temps de réponse, notés T90 (c’est-à-dire le temps pour atteindre 90 % de la réponse finale), sont habituellement de 30 à 60 secondes. Ces capteurs offrent par ailleurs des plages de détection de 0,02 à 50 ppm selon le type de gaz cible.
