L’industrie automobile, chimique, pétrochimique ou métallurgique, la recherche scientifique ou médicale, les métiers liés à la production d’énergie, ou encore à la protection de l’environnement… Voici quelques-uns des grands domaines faisant appel à un très large panel de technologies, notamment en termes d’instrumentation et d’analyse de gaz.
Parmi ces domaines, on retrouve les industries traditionnelles, de l’agro-alimentaire à la cimenterie, en passant par le raffinage. Nous sommes de plus en plus concernés par les secteurs des nouvelles énergies, comme la méthanisation ou la pile à combustible, entre autres exemples.
Les activités récentes nécessitent souvent des technologies de mesure novatrices, plus performantes. Mais nos industries traditionnelles, en parallèle, évoluent rapidement pour suivre le rythme. À la croisée de ces chemins, les technologies d’instrumentation et d’analyse de gaz disponibles sur le marché sont tout aussi variées.
Technologies de mesure de l’oxygène gazeux
L’analyse de gaz est un des outils du large domaine de l’instrumentation industrielle. Les analyseurs de gaz sont aujourd’hui présents dans tous les domaines. Ils concourent activement à rehausser les niveaux de qualité de fabrication, et à optimiser l’efficacité des procédés industriels. Les enjeux sont généralement ainsi à la fois économiques et écologiques.
Les analyseurs d’oxygène sont, de loin, les analyseurs de gaz les plus implantés dans l’industrie et la recherche. Mais les technologies employées et méthodes d’implantation varient largement d’une application à l’autre.
Ces technologies ont beaucoup progressé lors des deux dernières décennies. Nous établissons ici une revue des principes de mesure de l’oxygène les plus utilisés dans l’industrie et la recherche à l’heure actuelle. Nous pointerons les atouts et inconvénients de chaque technologie d’analyse de l’oxygène.
Les technologies de mesure de l’oxygène les plus utilisées sont les suivantes :
Il existe en réalité deux principes de détection distincts, et donc deux types d’analyseurs d’oxygène paramagnétiques tout aussi différents.
Mais chacun exploite, comme le nom l’indique, la propriété « paramagnétique », ou encore la « susceptibilité magnétique », de la molécule d’oxygène.
Analyseur d’oxygène paramagnétique à détection optique
Les analyseurs d’oxygène paramagnétiques de type « haltère » utilisent une détection optique. Les petites boules de l’haltère sont remplies d’azote (N2). Lorsque de l’oxygène pénètre dans la cellule traversée par un champ magnétique, l’haltère a tendance à tourner et le miroir situé au milieu de l’axe à renvoyer un signal lumineux différent de celui au repos. Cette différence de signal, une fois traitée, est proportionnelle à la pression partielle de l’oxygène dans la cellule, et donc, une fois l’analyseur calibré, à la concentration d’oxygène en % volumique.
Les avantages de l’analyseur d’oxygène paramagnétique à détection optique :
Cette méthode bénéficie d’une très bonne réputation.
L’analyseur d’oxygène paramagnétique à détection optique est souvent requis par les réglementations locales ou les métiers.
La cellule est compacte.
C’est un outil métrologique performant, et très peu soumis aux interférences d’autres composés gazeux.
Les inconvénients de l’analyseur d’oxygène paramagnétique à détection optique:
Il est cependant relativement fragile du fait de la méticulosité du montage en haltères.
Cher à l’achat et au remplacement en cas de dégradation accidentelle.
Analyseur d’oxygène paramagnétique à micro-débitmètre massique
Lorsque l’échantillon gazeux est placé dans un champ magnétique, les molécules d’oxygène sont attirées. Il en résulte une pression qui est détectée par un microdébitmètre massique.
Les avantages de l’analyseur d’oxygène paramagnétique à micro-débitmètre massique :
L’analyseur d’oxygène paramagnétique à microdébitmètre massique est réputé pour sa robustesse, car il n’y a, d’une part, pas de contact entre l’élément de détection et le gaz à mesurer, et d’autre part aucune pièce en mouvement.
Il est aussi rapide.
Il souffre peu des interférences croisées.
Il bénéficie d’une large dynamique d’échelle.
Les inconvénients de l’analyseur d’oxygène paramagnétique à micro-débitmètre massique :
L’analyseur d’oxygène paramagnétique à micro-débitmètre massique nécessite en revanche l’utilisation permanente d’un gaz de référence (souvent de l’azote).
La cellule électrochimique d’O2 est une sorte de pile à combustible. L’oxygène de l’échantillon à analyser est diffusé au travers du diaphragme. Un courant circule entre les 2 électrodes au travers d’un électrolyte. Il traverse également résistance et thermistance aux bornes desquelles une tension est mesurée. Cette tension est proportionnelle à la concentration d’oxygène.
Les avantages de l’analyseur d’oxygène électrochimique :
Robuste.
Compacte.
Peu onéreuse.
Peu soumise aux interférents grâce à l’électrolyte acide utilisé.
Les inconvénients de l’analyseur d’oxygène électrochimique :
La cellule électrochimique d’oxygène présente l’inconvénient de se dégrader au fur et à mesure de son utilisation. Il convient donc de la remplacer périodiquement.
Découvrez les analyseurs d’oxygène électrochimique
L’analyseur d’oxygène zircone utilise la particularité de l’oxyde de zirconium (ZrO2) qui, porté à haute température, se comporte comme un électrolyte solide vis-à-vis des ions oxygène. Si les électrodes en platine, fixées sur chaque face de l’électrolyte solide, sont en présence d’une pression partielle d’oxygène différente sur chaque face, il se produit une réaction électrochimique et une force électromotrice est recueillie sur les électrodes.
D’un point de vue microscopique, cette réaction électrochimique se produit à la triple interface entre l’électrolyte solide, l’électrode et l’oxygène.
La force électromotrice générée (E) répond à l’équation de Nernst.
Les avantages de l’analyseur d’oxygène zircone :
Sa robustesse est éprouvée depuis des décennies.
L’analyseur d’oxygène zircone est précis et stable ; ses intervalles de calibrages sont très espacés (jusqu’à 6 mois, voire un an).
L’élément sensible n’est pas un consommable et présente une durée de vie jusqu’à 5, voire 10 ans.
Le coût de la solution est relativement faible.
L’élément sensible est régulé à haute température (800 °C), il est donc possible de l’utiliser pour l’analyse de gaz froids comme pour celle de gaz chauds et humides.
Les inconvénients de l’analyseur d’oxygène zircone :
Le revers de la médaille d’une technologie chauffée : l’analyseur doit pouvoir évacuer ses calories. En version extractive, il se montera moins facilement dans un analyseur multigaz et fera souvent l’objet d’un petit boîtier externe, à monter séparément au sein du système.
Du fait de la technologie elle-même, reposant sur une ionisation à haute température, il n’est pas possible d’utiliser un analyseur d’oxygène zircone pour la mesure de la concentration en oxygène dans un gaz combustible.
L’analyseur Laser est plus précisément dénommé analyseur à diode Laser accordable (TDL pour Tunable Diode Laser). Il s’agit d’un instrument optique qui utilise un faisceau laser infrarouge partant d’un émetteur et dirigé vers un récepteur. La technique de mesure s’appuie sur l’absorption de la lumière par les molécules de gaz présentes entre l’émetteur et le récepteur.
La plupart des gaz absorbent la lumière à certaines longueurs d’onde spécifiques, et l’absorption est une fonction directe de la concentration du gaz.
La longueur d’onde du laser est analysée sur une raie d’absorption donnée, propre à la molécule recherchée, évitant ainsi quasiment toute interférence des autres molécules présentes. La concentration de gaz mesurée est donc proportionnelle à l’amplitude de la raie d’absorption
Les avantages de l’analyseur d’oxygène laser :
L’analyseur d’oxygène Laser présente des performances inégalées, notamment en termes de stabilité du calibrage, de dynamique d’échelle et d’interférences croisées.
En version in situ, il présente l’avantage de n’avoir aucun élément en contact avec le gaz à mesurer. Il est donc possible d’analyser des gaz, par exemple humides et/ou très poussiéreux.
Il présente enfin une robustesse certaine du fait de l’absence de pièces en mouvement.
Les inconvénients de l’analyseur laser :
Le principal inconvénient de l’analyseur d’oxygène Laser reste son prix. Même si au cours des 25 dernières années, cette technologie s’est largement démocratisée, elle reste une alternative onéreuse aux techniques plus traditionnelles.
En version in situ, il doit également être purgé en permanence à l’aide d’un gaz exempt d’oxygène. Il s’agira le plus souvent d’azote. Sauf à haute température, car dans ce cas, la raie d’absorption analysée est spécifique au-delà d’une certaine température.
Étudions ensemble votre besoin et choisissons l’analyseur d’oxygène idéal.
Nous avons étudié les quatre technologies de mesure de l’oxygène gazeux et présenté les avantages et inconvénients de chacune. Bien entendu, selon l’utilisation souhaitée, les budgets alloués ou encore les compétences des équipes, l’une ou l’autre sera plus appropriée. Le choix de l’analyseur d’oxygène idéal fera donc systématiquement l’objet d’une étude multicritère.
