Les nez électroniques : des capteurs destinés à surveiller la qualité et la sécurité de l'air

Les polluants atmosphériques, notamment les particules ou les gaz nocifs, sont connus pour être dangereux pour la santé. D'autre part, dans le domaine de l'industrie, des concentrations élevées de gaz comme le méthane ou le propane, ou encore le monoxyde de carbone émis par de mauvais processus de combustion, peuvent présenter un risque immédiat pour la sécurité. Pour surmonter ces problèmes, un large éventail de groupes tels que les propriétaires, les exploitants de bâtiments commerciaux ou de sites industriels, les municipalités ou les agences pour l'environnement doivent accéder à du matériel conçu pour surveiller la qualité de l'air et détecter la présence de divers gaz.

Études sur la pollution atmosphérique

La pollution atmosphérique, notamment la pollution par les particules, est étroitement liée aux taux de maladie et de mortalité, si l'on en croit l'Organisation mondiale de la Santé (OMS). Les particules fines, pouvant aller jusqu'à 10 ou 25 micromètres (également appelés PM10 et PM25), sont les plus dangereuses pour la santé humaine. Les particules de ces tailles sont émises par des véhicules routiers et d'autres activités domestiques et industrielles. Elles proviennent également de sources naturelles comme le sol ou le sable. Les populations des pays développés ou en voie de développement sont susceptibles d'être exposées à des niveaux élevés de pollution aux particules. Un rapport réalisé en 2012 par l'Agence européenne pour l'environnement a révélé que plus de 80 % de la population urbaine de l'UE était exposée à des niveaux de particules dépassant les normes de qualité de l'air de l'OMS en 2005.

Les autorités des grandes villes sont contraintes d'améliorer la qualité de l'air. Différents plans liés au transport ont été mis en œuvre pour réduire les effets des émissions des véhicules dans les centres des villes. De nombreuses villes ont mis en place des péages urbains pour réduire la circulation automobile. D'autres études et projets pilotes sont réalisés, notamment l'expérimentation de véhicules fonctionnant avec des piles à hydrogène, comme dans les municipalités de Birmingham et de Coventry, au Royaume-Uni. À Londres, des essais de recharge de véhicules électriques sans fil sont menés dans le but d'établir une infrastructure réaliste pour une utilisation générale des véhicules électriques. La possession de données précises sur la qualité de l'air permet d'acquérir des informations vitales permettant aux autorités d'évaluer les résultats de ces efforts.

Surveillance de la qualité de l'air

En ce qui concerne la qualité de l'air à l'intérieur (QAI), des purificateurs d'air sont disponibles depuis un certain temps pour être utilisés dans les maisons et les bureaux. Plus récemment, des systèmes sophistiqués comprenant des capteurs intelligents destinés à surveiller la qualité de l'air sont arrivés sur le marché. Les informations sont présentées à l'utilisateur sur un écran. De plus, elles peuvent servir à régler le purificateur dans le but d'éliminer de manière optimale différents gaz et particules, comme des cheveux fins, de la poussière ou la fumée de tabac. 

Un capteur de poussière, le modèle GP2Y1010 de Sharp, mesure la présence de particules dans le milieu ambiant à l'aide d'une DEL infrarouge et d'un phototransistor. Un échantillon de l'air à contrôler entre par une série d'orifices dans le boîtier du capteur, situé au-dessus de la DEL et du détecteur infrarouges, comme illustré dans la Figure 1.


Au fur et à mesure que des particules passent à travers le capteur, la réponse du phototransistor donne une indication de la concentration de particules dans l'échantillon. Un avantage clé de ce capteur repose sur sa capacité à générer une sortie proportionnelle à la concentration en particules exprimée en µg/m³. Cette caractéristique permet de simplifier la conception de systèmes de surveillance de la qualité de l'air. En effet, cette expression de la concentration en particules est largement utilisée dans les applications de surveillance de la qualité de l'air.

Le niveau de dioxyde de carbone (CO₂) émis par les occupants d'un bâtiment a aussi une influence considérable sur la qualité de l'air, particulièrement dans les grands locaux commerciaux comme les immeubles de bureaux. Une détection précise en temps réel du CO₂ permet de contrôler de manière efficace le système de ventilation ou de climatisation afin d'optimiser la qualité de l'air et de minimiser la consommation totale d'énergie du bâtiment. Les capteurs de CO2 Telaire d'Amphenol Advanced Sensors, par exemple les modèles T6613 et T6615, permettent aux systèmes CVC de fournir une ventilation à la demande (DCV). Dans un système DCV, les capteurs détectent des niveaux croissants de CO₂ lorsqu'un grand nombre d'occupants sont présents. Le système de ventilation s'active uniquement lorsque le niveau atteint un seuil préétabli et se désactive quand le niveau redevient acceptable. Le système s'active moins fréquemment lorsque le nombre d'occupants présents dans le bâtiment est moindre, ce qui permet d'éviter une ventilation excessive du bâtiment. Cela permet de réduire la consommation d'énergie par le système de ventilation ainsi que les coûts de chauffage.

Les capteurs Telaire détectent la concentration de CO₂ à l'aide de la technologie non dispersive à absorption dans l'infrarouge (NDIR), qui exploite le fait que les molécules de CO₂ absorbent une longueur d'onde spécifique de lumière à infrarouges. Chaque capteur intègre une source d'infrarouges, un guide d'onde breveté, des filtres à infrarouges personnalisés et un détecteur thermophile micro-usiné pour mesurer l'absorption de la lumière et permettre ainsi le calcul de la concentration de CO₂. Les capteurs T6613 utilisent l'algorithme d'auto-étalonnage ABC Logic™ breveté de GE, qui maintient le capteur étalonné au fil du temps avec référence aux faibles niveaux de présence. Les capteurs T6615 sont des dispositifs à double canal ayant des canaux de référence et de mesure séparés, qui leur permettent de maintenir automatiquement un étalonnage sur de longues périodes sans utiliser d'algorithme ABC Logic.

Détection de gaz dans l'industrie

Dans des situations industrielles, notamment le traitement chimique, l'exploitation minière ou la fabrication, des fuites de gaz inflammables ou explosifs comme le propane ou le méthane, ou la présence d'autres gaz potentiellement dangereux comme le monoxyde de carbone peuvent présenter un risque pour la sécurité et doivent être détectées immédiatement.

Les normes européennes ATEX obligent les employeurs non seulement à mettre en œuvre des mesures de prévention des explosions dans des zones de travail pouvant être exposées à un environnement explosif, mais également à fournir une protection adéquate aux travailleurs. En particulier, la directive 1999/92/EC (concernant les prescriptions minimales visant à améliorer la protection en matière de sécurité et de santé des travailleurs susceptibles d'être exposés au risque d'atmosphères explosives) indique que les travailleurs doivent recevoir des avertissements acoustiques et/ou optiques, et être évacués de la zone avant que les conditions d'explosion ne soient atteintes.

Un équipement approprié de détection des gaz, conforme à la norme BS EN 60079-29-1:2007 relative aux exigences de performances des détecteurs de gaz inflammables et à la norme CEI/EN60079-1 relative aux exigences essentielles de sécurité, peut être certifié conformément aux normes ATEX. Les normes de niveau d'intégrité de sûreté (SIL) EN50402 et EN61508 sont également applicables.

Parallax propose divers capteurs à utiliser dans des dispositifs et des systèmes conçus pour détecter les gaz nocifs, utilisables dans des applications industrielles ou domestiques. Parmi ces dispositifs figure le capteur de gaz 605-00008 de Parallax, idéal pour détecter les gaz de pétrole liquéfiés (GPL), l'isobutane, le propane, le méthane, l'alcool, l'hydrogène ou encore la fumée. Le capteur comprend un tube en alumine (Al2O₃) miniature, une couche de détection d'oxyde tannique (SnO₃), une électrode de mesure et un élément chauffant. L'élément chauffant maintient les composants de détection à leur température de fonctionnement appropriée. Lorsque le capteur est branché à un circuit tel que celui indiqué dans la Figure 2, sa résistance varie avec la concentration de gaz détecté.

Lorsqu'il est correctement étalonné, le capteur 605-00008 peut servir à déclencher une alarme si la concentration dépasse un niveau préétabli. Parallax recommande d'étalonner le détecteur à 1000 ppm de GPL dans l'air, ou 1000 ppm d'isobutane, avec une résistance de charge (R_L) entre 5 kΩ et 47 kΩ. Pour obtenir un réglage précis, il est indispensable de prendre en compte les effets de la température et de l'humidité. Les caractéristiques de sensibilité aux gaz et la dépendance à la température et à l'humidité sont détaillées dans la fiche technique du capteur.


D'autres applications, par exemple les contrôleurs de combustion de chaudières ou les générateurs d'oxygène utilisés dans les avions, nécessitent une détection précise du flux d'oxygène pour garantir un fonctionnement correct de l'équipement. Un capteur d'oxygène comme le modèle KGZ10 de Honeywell fournit une longue durée de service dans ces types d'applications.

Le capteur contient deux disques de dioxyde de zirconium (ZrO₂) avec un petit compartiment étanche entre les deux. L'un des disques fonctionne comme une pompe à oxygène réversible, servant à remplir et à vider successivement le compartiment. Le deuxième disque mesure le taux de la différence de pression partielle et génère une tension de détection correspondante. Un élément chauffant sur le capteur produit la température de 700°C requise pour permettre au ZrO₂ d'atteindre sa température de fonctionnement. Contrairement aux capteurs électromécaniques alternatifs, ces capteurs au zirconium ne requièrent pas de gaz de référence et fournissent par conséquent d'excellentes caractéristiques de précision et de durabilité.

Le capteur KGZ-10 est activé par un circuit de mesure électronique qui contrôle le fonctionnement du capteur et le traitement des signaux. Les concepteurs peuvent intégrer ce circuit dans leur propre matériel, ou utiliser une carte d'interface Oxymac, Elecdit ou DE800 de Honeywell. Ces cartes d'interface intègrent toutes les fonctions requises pour faire fonctionner et lire le capteur, notamment un circuit de contrôle de l'élément chauffant, et prennent également en charge les tests de fonctionnement et l'étalonnage. La section de traitement des signaux de la carte génère une sortie linéaire du contenu d'oxygène mesuré au format tension ou courant. La carte DE800 intègre une alimentation pour l'élément chauffant, tandis que les cartes Oxymac50 et Elecdit nécessitent une alimentation externe pour ce dernier.

Conclusion

Les capteurs de gaz et de particules remplissent des rôles importants dans la mesure de la qualité de l'air pour des utilisations publiques ou privées dans le domaine de la santé. Par ailleurs, ils sont indispensables dans des systèmes de sécurité industriels tels que des contrôleurs de processus et des avertisseurs de danger. Les capteurs robustes pour la mesure de la qualité de l'air représentent également un bon moyen de réduire les coûts de fonctionnement et l'empreinte écologique des bureaux ou d'autres bâtiments utilisés par un grand nombre de personnes.