Principe de fonctionnement d'un analyseur de teneur en oxygène, capteur
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 débitmètre de gaz n'est pas considéré comme un capteur de gaz, contrairement à un analyseur de gaz par conductivité thermique, qui est un capteur de gaz important, même si ces deux appareils utilisent parfois des principes de détection globalement similaires.
Dès les années 1970, les capteurs de gaz sont devenus un département important dans le domaine des capteurs, appartenant à la branche des capteurs chimiques.
Il existe certains types de capteurs de gaz qui sont populaires sur le marché :
1. Capteur de gaz à semi-conducteur
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 : au contact de l'oxyde d'étain et de l'alcool à haute température, la résistance diminue fortement. Ce capteur de gaz semi-conducteur est efficace pour la détection de divers 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 et l'acide acrylique. Particulièrement économique, il convient parfaitement aux applications civiles de détection de gaz. Parmi les capteurs de gaz semi-conducteurs performants, on trouve ceux pour le méthane (gaz naturel), l'alcool, le monoxyde de carbone (gaz de ville), le sulfure d'hydrogène et l'ammoniac (y compris les amines et l'hydrazine). Des capteurs de haute qualité peuvent répondre aux exigences des applications industrielles.
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.
2. Capteur de gaz à combustion catalytique
Le capteur consiste à préparer une couche de catalyseur résistante aux hautes températures sur la surface de la résistance en platine, et à une certaine température, le gaz combustible catalyse la combustion à la surface de la résistance en platine, la combustion est l'élévation de température de la résistance en platine, le changement de résistance, la valeur du changement est fonction de la concentration du gaz combustible.
Les capteurs de gaz de combustion catalytique détectent sélectivement les gaz combustibles : tout gaz inflammable est détecté. Le capteur ne réagit pas aux gaz ininflammables. Bien sûr, il existe de nombreuses exceptions à cette règle, mais globalement, la sélectivité est correcte. Le capteur de gaz de 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 : Ce capteur n'est pas sélectif face aux gaz combustibles. En cas de combustion, le risque d'incendie est présent. 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 de ce capteur (notamment dans le secteur minier du charbon) et possède également la meilleure technologie de production. Malgré les efforts de divers acteurs pour influencer la perception du public, les principaux fabricants de capteurs de gaz de combustion catalytique restent en Chine.
3. Capteur de gaz de type piscine à conduction thermique
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 un domaine d'application restreint et de nombreuses limitations. C'est un produit ancien, fabriqué partout dans le monde. La qualité des produits est similaire à l'échelle internationale.
4. Capteur de gaz électrochimique
Une part importante des gaz combustibles, toxiques et nocifs présente une activité électrochimique et peut être oxydée ou réduite électrochimiquement. Ces réactions permettent de déterminer la composition du gaz et d'en mesurer la concentration. Il existe de nombreuses sous-classes de capteurs de gaz électrochimiques :
(1) Les capteurs de gaz à pile primaire (également appelés capteurs d'oxygène) fonctionnent avec les mêmes piles que les piles sèches, 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 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, et 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 est liée à la concentration du gaz, l'exemple réussi de ce capteur est le capteur d'oxygène pour automobile, le capteur de dioxyde de carbone de type électrolyte solide.
(4) L'invention concerne un capteur de gaz à courant limite, destiné à mesurer la concentration d'oxygène. Ce capteur exploite le principe selon lequel le courant limite dans la cellule électrochimique est lié à la concentration de porteurs pour réaliser la mesure de la concentration d'oxygène (gaz). Il est utilisé pour la détection d'oxygène dans les véhicules et dans l'eau de refroidissement. Les principaux fournisseurs de ce capteur sont aujourd'hui répartis dans le monde entier, principalement en Allemagne, au Japon et aux États-Unis. Plus récemment, plusieurs nouveaux fournisseurs européens, notamment au Royaume-Uni et en Suisse, ont rejoint le marché. La Chine s'est lancée très tôt dans ce domaine, mais son industrialisation reste limitée.
5. Capteur de gaz infrarouge
La plupart des gaz présentent des pics d'absorption caractéristiques dans l'infrarouge moyen, et leur concentration peut être déterminée en détectant l'absorption à la position de ces pics. Ce capteur, autrefois volumineux, a vu son volume réduit ces dernières années, grâce au développement de l'industrie des capteurs basée sur la technologie MEMS, 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 lumineuse modulable rend l'instrument totalement dépourvu de pièces mécaniques mobiles et ne nécessite aucun entretien. Ce capteur de gaz infrarouge permet de distinguer efficacement les différents types de gaz et de mesurer leur concentration avec précision.
Ce capteur a été utilisé avec succès pour la détection du dioxyde de carbone et du méthane. Le fournisseur actuel de ce capteur est européen. La Chine est actuellement quasiment absente de ce secteur.
6. Capteur magnétique d'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 ne peut être utilisé que pour 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 très faible, la sélectivité de la technologie d'analyse magnétique de l'oxygène est quasi unique ! Il existe des produits industriels bien établis, fabriqués dans le monde entier. (Je parle bien sûr d'un analyseur d'oxygène classique, qui peut être considéré comme un capteur dans une certaine plage de mesure.) Ce produit, fabriqué sous forme de capteurs purs, est une nouveauté.
7. Autres
Ces dernières années, avec l'émergence constante 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 question de savoir si certains capteurs doivent être classés comme capteurs de gaz fait débat. Par exemple, le détecteur PID, bien qu'utilisé pour la détection de gaz, est très petit, mais comme il ne peut être véritablement sans entretien, ce type d'équipement, quelle que soit sa taille, devrait être classé comme « instrument de détection ».
De plus, les capteurs optiques à fibres optiques connaissent un développement rapide 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 d'un capteur spécifique et brouillent les classifications, ce qui nuit à leur utilisation optimale. En effet, l'application des capteurs est un sujet aussi important que leur fabrication.
