Classification des capteurs de gaz
La norme nationale GB7665-87 définit les capteurs comme suit : un capteur est un dispositif capable de détecter une mesure prescrite et de la convertir en un signal de sortie exploitable selon une règle définie. Un capteur de gaz est utilisé pour détecter la composition et la concentration d'un gaz. On considère généralement que la définition d'un capteur de gaz repose sur la classification de l'élément à détecter ; autrement dit, tout capteur utilisé pour détecter la composition et la concentration d'un gaz est appelé capteur de gaz, que ce soit par des méthodes physiques ou chimiques. Par exemple, un capteur de débit de gaz n'est pas considéré comme un capteur de gaz, contrairement à un analyseur de gaz par conductivité thermique.
Bien qu'ils utilisent parfois des principes de détection généralement cohérents, les capteurs de gaz constituent depuis les années 1970 un secteur important de l'électronique, appartenant à la branche des capteurs chimiques. Voici quelques types de capteurs de gaz couramment utilisés sur le marché :
Capteur de gaz à semi-conducteur
Ce dispositif est fabriqué à partir d'un matériau semi-conducteur à base d'oxyde métallique. Sa conductivité varie en fonction de la composition du gaz ambiant à une température donnée. Par exemple, un capteur d'alcool repose sur le principe suivant : lorsque le dioxyde d'étain entre en contact avec de l'alcool gazeux à haute température, sa résistance diminue brusquement.
Le capteur de gaz à semi-conducteurs est efficace pour la détection de gaz tels que le méthane, l'éthane, le propane, le butane, l'alcool, le formaldéhyde, le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, l'éthylène, l'acétylène, le chlorure de vinyle, le styrène, l'acide acrylique et d'autres gaz. Ce capteur, particulièrement économique, répond parfaitement aux besoins de la détection de gaz à usage civil.
Les types de capteurs de gaz à semi-conducteurs suivants sont performants : méthane (gaz naturel), alcool, monoxyde de carbone (gaz urbain), sulfure d’hydrogène, ammoniac (y compris les amines et l’hydrazine). Les capteurs de haute qualité répondent aux exigences de la détection industrielle.
Inconvénients : La stabilité est faible et dépendante de l’environnement. En particulier, la sélectivité de chaque capteur n’est pas unique et les paramètres de sortie ne peuvent être déterminés. Par conséquent, ce type de capteur n’est pas adapté aux applications exigeant une grande précision de mesure. Actuellement, le principal fournisseur de ce type de capteur est le Japon (inventeur), suivi par la Chine. La Corée du Sud a récemment rejoint ce marché. D’autres pays, comme les États-Unis, ont également mené des recherches approfondies dans ce domaine, mais sans parvenir à une adoption généralisée. La Chine a investi autant de ressources humaines et de temps que le Japon dans ce secteur, mais en raison de politiques nationales restrictives, du blocage de l’information et d’autres facteurs, les performances des capteurs de gaz à semi-conducteurs populaires en Chine restent bien inférieures à celles des produits japonais. Je suis convaincu qu’avec le développement du marché et l’augmentation des investissements privés, les capteurs de gaz à semi-conducteurs chinois atteindront, voire surpasseront, le niveau japonais.
capteur de gaz de type combustion catalytique
Le capteur consiste à déposer une couche catalytique résistante aux hautes températures à la surface d'une résistance en platine. À une certaine température, le gaz combustible catalyse la combustion à la surface de cette résistance. Cette combustion entraîne une élévation de température et une variation de résistance, proportionnelle à la concentration du gaz combustible. Les capteurs de gaz à combustion catalytique détectent sélectivement les gaz combustibles : tout gaz inflammable peut être détecté. Le capteur ne réagit pas aux gaz ininflammables. Bien sûr, il existe des exceptions à cette règle, mais globalement, la sélectivité est correcte. Le capteur de gaz à combustion catalytique présente l'avantage d'une mesure précise, d'une réponse rapide et d'une longue durée de vie. Son signal de sortie est directement lié au risque d'explosion dans l'environnement, et il s'agit d'un capteur de référence dans le domaine de la détection de sécurité.
Inconvénient : en présence de gaz combustibles, le capteur n’est pas sélectif. Le feu est actif et présente un risque d’incendie. La plupart des vapeurs organiques élémentaires sont toxiques pour le capteur.
Les principaux fournisseurs de ces capteurs se trouvent en Chine, au Japon et au Royaume-Uni (pays de l'inventeur) ! La Chine est le plus grand utilisateur (mines de charbon) de ce capteur et possède également la meilleure technologie de production. Malgré les efforts de divers acteurs pour influencer la perception du public concernant ce capteur, les principaux fabricants de capteurs de gaz de combustion catalytique restent en Chine.
capteur de gaz à cellule conductrice de chaleur
Chaque gaz possède une conductivité thermique spécifique. Lorsque les conductivités thermiques de deux gaz ou plus sont très différentes, la concentration de l'un des composants peut être déterminée grâce à l'élément de conductivité thermique. Ce capteur a été utilisé pour la détection d'hydrogène, de dioxyde de carbone et de méthane à haute concentration.
Le capteur de gaz a une plage d'application étroite et de nombreux facteurs limitants.
C'est un produit traditionnel, fabriqué partout dans le monde. La qualité des produits est similaire d'un pays à l'autre.
Capteur de gaz électrochimique
Une part considérable des gaz combustibles, toxiques et nocifs possède une activité électrochimique et peut être oxydée ou réduite électrochimiquement.
Ces réactions permettent de déterminer la composition des gaz et d'en mesurer la concentration. Les capteurs de gaz électrochimiques comprennent de nombreuses sous-classes :
1. Les capteurs de gaz à piles primaires (également appelés capteurs d'oxygène) fonctionnent avec les mêmes piles sèches que les piles classiques, à la différence que les électrodes en carbone et en manganèse sont remplacées par des électrodes à gaz. Dans le cas d'un capteur d'oxygène, l'oxygène est réduit à la cathode ; les électrons circulent alors à travers le galvanomètre jusqu'à l'anode, où le plomb est oxydé. L'intensité du courant est directement proportionnelle à la concentration d'oxygène. Ce type de capteur peut détecter efficacement l'oxygène, le dioxyde de soufre, le chlore, etc.
2. Le capteur de gaz à cellule électrolytique à potentiel constant, très efficace pour la détection des gaz réducteurs, fonctionne selon un principe différent de celui des capteurs à cellule classiques. La réaction électrochimique se produit sous l'effet du courant électrique, ce qui en fait un véritable capteur à analyse coulombienne. Ce capteur a été utilisé avec succès pour la détection du monoxyde de carbone, du sulfure d'hydrogène, de l'hydrogène, de l'ammoniac, de l'hydrazine et d'autres gaz. Il constitue le capteur de référence pour la détection des gaz toxiques et nocifs.
3. Le capteur de gaz de type cellule de concentration, le gaz ayant une activité électrochimique des deux côtés de la cellule électrochimique, formera spontanément une force électromotrice de concentration, l'amplitude de la force électromotrice étant liée à la concentration du gaz. Des exemples réussis de ce capteur sont le capteur d'oxygène pour automobile et le capteur de dioxyde de carbone de type électrolyte solide.
4. L'invention concerne un capteur de gaz à courant limite, qui est un capteur pour mesurer la concentration d'oxygène, et utilise le principe selon lequel le courant limite dans la cellule électrochimique est lié à la concentration de porteurs pour préparer le capteur de concentration d'oxygène (gaz), qui est utilisé pour la détection d'oxygène d'un véhicule et la détection de la concentration d'oxygène de l'eau de l'acier.
Les principaux fournisseurs de ce capteur sont désormais répartis dans le monde entier, principalement en Allemagne, au Japon et aux États-Unis. Récemment, plusieurs nouveaux fournisseurs européens les ont rejoints : Grande-Bretagne, Suisse, etc. La Chine s'est lancée très tôt dans ce domaine, mais le processus d'industrialisation a été inefficace.
Capteur de gaz infrarouge
La plupart des gaz présentent des pics d'absorption caractéristiques dans la région infrarouge moyen, et la concentration d'un gaz peut être déterminée en détectant l'absorption à la position de ces pics d'absorption caractéristiques.
Ce capteur était autrefois un instrument d'analyse volumineux, mais ces dernières années, grâce au développement de l'industrie des capteurs basée sur la technologie MEMS, son volume a été réduit de 10 litres (l'équivalent de 45 kg d'un Big Mac) à environ 2 ml (la taille d'un pouce). L'utilisation d'un détecteur infrarouge sans source de lumière modulée rend l'instrument totalement dépourvu de pièces mécaniques mobiles et ne nécessite aucun entretien.
Le capteur de gaz infrarouge permet de distinguer efficacement les types de gaz et de mesurer avec précision leur concentration.
Ce capteur a été utilisé avec succès pour la détection du dioxyde de carbone et du méthane.
Le fournisseur actuel de ce « capteur » est en Europe ! La Chine est désormais quasiment absente de ce secteur !
Capteur magnétique à oxygène
Il s'agit du cœur de l' analyseur d'oxygène magnétique, mais il a également réalisé le processus de « capteur ».
Il est préparé selon le principe que l'oxygène de l'air peut être attiré par un champ magnétique puissant.
Ce capteur est exclusivement dédié à la détection de l'oxygène et présente une excellente sélectivité. Seuls les NOx présents dans l'atmosphère peuvent avoir un faible impact, mais comme leur concentration est souvent infime, la sélectivité de la technologie d'analyse magnétique de l'oxygène est quasi inégalée !
Des produits industriels bien établis, fabriqués dans le monde entier. (Je parle, bien sûr, d'un analyseur d'oxygène sous forme d'un simple appareil de mesure, qui peut être considéré comme un capteur dans une certaine plage de fonctionnement.) Et ce produit, fabriqué sous forme de capteurs purs, est une nouveauté.
Autres
Ces dernières années, avec l'émergence continue de nouvelles technologies, la technologie des capteurs de gaz connaît elle aussi une révolution. La variété des capteurs de gaz s'accroît également. Cependant, la pertinence de classer certains capteurs sous l'appellation « capteur de gaz » fait débat. Par exemple, le détecteur PID, bien qu'utilisé pour la détection de gaz, est très compact. Toutefois, son absence de maintenance le rend incompatible avec une utilisation sans électricité. De ce fait, ce type d'équipement, quelle que soit sa taille, devrait être classé comme « instrument de détection ». Par ailleurs, les capteurs optiques à fibres optiques se développent rapidement et, bien qu'ils ne constituent pas une menace absolue pour les capteurs électroniques, leurs avantages uniques pourraient s'avérer déterminants. Enfin, à des fins commerciales, certains vendeurs de capteurs de gaz exagèrent parfois les performances de certains capteurs et brouillent les classifications, ce qui nuit à leur utilisation optimale par les utilisateurs. En réalité, l'application des capteurs est un sujet aussi important que leur fabrication.
