5 critères pour bien choisir un analyseur d’oxygène

Nous y avons en effet passé en revue les technologies de mesure de l’oxygène suivantes :

• Analyseur d’oxygène paramagnétique
• Analyseur d’oxygène électrochimique
• Analyseur d’oxygène zircone
• Analyseur d’oxygène Laser

Selon la méthode de mesure employée, chaque analyseur d’oxygène présente des avantages et des inconvénients. Nous avons également décrit dans l’article précédent quels étaient les atouts et désavantages de chaque technologie.

Ce sont autant d’applications qui nécessitent des règles et méthodes d’implantations diverses des instruments de mesure.
Une fois informé des différentes technologies d’analyse de l’oxygène disponibles sur le marché, l’étape suivante consiste à bien choisir l’analyseur d’oxygène adapté à son application. L’objet de cet article est de lister et décrire les critères à évaluer pour réaliser ce choix.

Le choix d’un analyseur d’oxygène sera fait selon 5 critères :

Critère N°1 : Le niveau de concentration en oxygène et les performances
Critère N°2 : La composition globale du mélange gazeux à analyser
Critère N°3 : Les conditions ambiantes et contraintes d’implantation
Critère N°4 : Les utilités disponibles sur site
Critère N°5 : Les budgets alloués

Pour des niveaux d’oxygène très bas (en deçà de 1%, ou au niveau ppm, pour « partie par million »), une analyse par chromatographie en phase gazeuse sera souvent requise, mais certains analyseurs d’oxygène électrochimiques, des analyseurs d’oxygène zircone, et certains analyseurs d’oxygène Laser en sont aussi capables.

Chaque technologie présente ses spécificités aussi en termes de performances métrologiques.

Et bien que les précisions de mesure soient relativement proches, il est notable que l’analyseur d’oxygène Laser se démarque par sa très fine résolution et une dynamique d’échelle plus large que pour les technologies concurrentes. Nous verrons également plus loin dans cet article la plus grande stabilité de calibrage de cette technologie, et les bénéfices que cela procure à l’utilisateur.

Toutefois, les analyseurs d’oxygène les plus couramment utilisés pour les mesures d’oxygène dans les fumées à des fins règlementaires en contrôle des émissions atmosphériques par exemple restent ceux employant les technologies zircone et paramagnétique. Pour cette raison, la grande majorité des analyseurs d’oxygène certifiés QAL1 auprès du TÜV pour ces applications sont basés sur ces technologies.

Les analyseurs de gaz paramagnétiques et les analyseurs de gaz Laser sont réputés pour être les plus « indépendants de la matrice gazeuse ». En d’autres termes, les technologies Laser et paramagnétiques sont les moins sensibles aux interférences croisées. Dans une très grande majorité des applications, les mesures d’un analyseur de gaz paramagnétique et d’un analyseur de gaz Laser ne seront pas affectées par la présence de tel ou tel autre composé gazeux dans le mélange.

Enfin, outre la corrosivité du mélange gazeux à analyser, celui-ci peut aussi s’avérer fortement chargé en particules solides. Les analyseurs de gaz les plus traditionnels tels que les analyseurs d’oxygène paramagnétiques ou électrochimiques seront aussi à éviter car ils sont généralement prévus pour recevoir des gaz réputés propres. A l’inverse, là aussi, les spécificités de l’analyseur de gaz Laser dit traversant, permettront la mesure dans une matrice gazeuse très poussiéreuse.

Il s’agira déjà de statuer sur l’intérêt de mettre en place un analyseur d’oxygène extractif, ou un analyseur d’oxygène in situ. Nous avons précédemment rédigé sous forme de carrousel un outil présentant les éléments à considérer afin de choisir entre un analyseur de gaz in situ et un analyseur de gaz extractif : Voir le carrousel.

La plupart des technologies d’analyse de l’oxygène se déclinent en versions in situ et extractive.

Toutefois certaines de ces technologies sont plus adaptées à l’une ou l’autre de ces configurations.

L’analyseur paramagnétique à détection optique de type haltères est plus adapté à une configuration extractive, notamment du fait de ses haltères qui nécessitent un soin particulier en termes d’environnement de mesure. On évitera par exemple les vibrations du procédé industriel en déportant l’analyseur du point de mesure, extractive de fait.

Enfin l’analyseur d’oxygène électrochimique est quasiment exclusivement utilisé dans des environnements protégés en mode extractif.

Il est donc important au moment du choix de la technologie d’analyse de bien vérifier les besoins de l’analyseur de gaz d’une part, et les utilités qui pourront être mises à disposition d’autre part.

Sauf dans le cas d’un instrument portable équipé d’une batterie, un analyseur d’oxygène requiert systématiquement une alimentation électrique.

Tous les analyseurs d’oxygène auront besoin de gaz étalon afin de calibrer leur zéro et leur échelle, à des fréquences plus ou moins rapprochées selon la technologie.

Les analyseurs de gaz paramagnétiques et électrochimiques auront besoin d’être recalibrés de manière quotidienne, hebdomadaire, voire mensuelle, selon la dérive de mesure que l’on souhaite autoriser, et donc la justesse de mesure que l’on souhaite conserver. Des bouteilles de gaz étalon devront alors être installées « à demeure », que l’on travaille en étalonnage manuel ou automatique avec un système dédié d’injection des gaz par électrovannes.

Pour ces deux technologies, le gaz de calibrage zéro devra être un gaz exempt d’oxygène : la plupart du temps de l’azote pur. Toutefois un mélange contenant une base azote et quelques ppm d’un autre composant utilisé pour l’étalonnage d’un second analyseur sera aussi possible.

Pour des raisons à la fois économiques et de facilité d’exploitation, on utilisera aussi souvent l’air ambiant en tant que gaz de calibrage d’échelle. En effet, à altitude basse, l’air que l’on respire contient une quantité stable d’environ 21% d’oxygène. Mais il convient de prêter attention aux variations d’altitude d’une part, et d’humidité de l’air d’autre part, afin de ne pas risquer de fausser les mesures via des opérations de calibrage erronées en cas de taux d’oxygène variable pour ces raisons.

A noter par ailleurs que dans le cas de l’analyseur d’oxygène zircone, et uniquement dans ce cas, le gaz de calibrage zéro ne doit pas être exempt d’oxygène, mais en contenir une petite quantité. Si l’analyseur d’oxygène zircone mesure sur une échelle de 0 à 21%, le gaz de calibrage zéro devra contenir par exemple 1 à 2% d’oxygène.

L’analyseur d’oxygène zircone et l’analyseur d’oxygène Laser bénéficient par ailleurs souvent d’une plus grande stabilité du calibrage. Les périodes d’étalonnage peuvent s’étaler jusqu’à 6 mois, voire un an dans le cas de la technologie Laser. Dans ce cas, il n’est pas forcément nécessaire de maintenir des bouteilles étalon de grande capacité en permanence à proximité de l’analyseur. Une bouteille de plus petit format, voire portable, pourra être utilisée, ponctuellement.

Outre les gaz étalon, qui comme leur nom l’indique servent au calibrage des analyseurs, certains analyseurs d’oxygène nécessitent également l’application d’un gaz de référence. C’est notamment le cas de l’analyseur paramagnétique à micro-débitmètre massique. En effet, ce dernier a besoin pour fonctionner d’une injection permanente d’un petit débit d’azote ou d’air, selon les échelles de mesure sélectionnées.

Quant à l’analyseur d’oxygène Laser, comme nous l’avons vu plus haut, il aura besoin d’un gaz de purge permanent pour garantir une métrologie parfaite et la propreté des optiques de l’émetteur et du récepteur, s’il est en version in situ traversante (« cross-stack »). Selon les températures du gaz process, ce gaz de purge pourra être de l’air ou de l’azote.

Il est très important de bien anticiper ces besoins en utilités, d’une part car elles sont indispensables au fonctionnement des analyseurs d’oxygène concernés. Si les utilisés ne sont pas mises en place en amont de la mise en service de l’instrument, ce dernier ne pourra pas être exploité. D’autre part, la mise en place de ces utilités représente souvent un coût non négligeable en phase primaire du projet, mais également un coût d’exploitation à prendre en compte lors du choix du type d’analyseur d’oxygène.

Les coûts à prendre en compte sont les coûts d’achat et les coûts d’exploitation.

Les coûts d’achat sont eux-mêmes composés des coûts liés à l’acquisition de l’analyseur d’oxygène, et des coûts liés aux travaux d’installation, à la mise en service, et à la prise en main des nouveaux équipements.

Toutefois, la planification à moyen terme ou à long terme d’un projet montrera souvent un rééquilibrage des budgets lorsqu’on tient compte non seulement des coûts d’achat, mais également des coûts d’exploitation de l’analyseur d’oxygène.

Par exemple, un analyseur d’oxygène électrochimique financièrement plus attractif au moment de l’achat, présentera un budget d’exploitation important car il nécessitera le remplacement régulier de sa cellule de mesure. Une maintenance plus régulière et potentiellement importante sera également requise pour assurer un maintien en conditions opérationnelles irréprochable d’un point de vue métrologique. S’agissant d’un analyseur d’oxygène de type extractif, des éléments d’échantillonnage comme des filtres, des pompes ou encore des sécheurs devront être entretenus voire remplacés de manière périodique. On parle de maintenance préventive, mais également corrective.

Un même niveau de maintenance des analyseurs sera nécessaire pour les analyseurs d’oxygène paramagnétique à détection optique (type haltères). Même si la cellule est réputée permanente, cette dernière est relativement fragile et devra un jour ou l’autre être remplacée, avec un coût relativement élevé.
L’analyseur d’oxygène paramagnétique à micro-débitmètre massique, plus robuste, ne nécessite pas de remplacement de cellule, mais l’application d’un gaz de référence, dont le coût à l’exploitation doit être pris en compte dans le calcul global. Toujours utilisé dans un système d’analyse extractif, les éléments d’échantillonnage devront être entretenus de la même manière.

L’analyseur d’oxygène Laser, s’il est de type extractif, présentera les mêmes contraintes, et donc les mêmes coûts de maintenance que tout analyseur de gaz extractif. Mais la stabilité de son calibrage étant plus importante, il nécessitera moins d’opérations d’étalonnage et logiquement une consommation moindre de gaz étalon.

Si l’analyseur d’oxygène Laser est monté in situ de part et d’autre d’une conduite, d’un four ou d’une cheminée, les opérations de maintenance seront rares et rapides et le coût de l’alimentation électrique négligeable, par rapport à une installation d’analyse extractive, souvent très consommatrice en électricité. En revanche, le budget d’exploitation devra intégrer le coût de la consommation permanente du gaz de purge, qu’il s’agisse d’azote ou d’air comprimé asséché et déshuilé.

Dans cet article, nous avons passé en revue et détaillé les 5 critères principaux à prendre en compte dans le choix d’un analyseur d’oxygène : la concentration en oxygène recherchée et les performances métrologiques requises, la matrice gazeuse à analyser, l’environnement de la mesure, les utilités nécessaires et les coûts relatifs.

Même si cette liste n’est pas exhaustive, il s’agit là d’une base d’étude multicritère permettant d’orienter les équipes projets ou responsables d’exploitation vers une solution adaptée à leur problématique.