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Explosimètres. Détecteurs de gaz

par Antoinette ACCORSIIngénieur de l’École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de ParisExpert Capteurs Gaz auprès des Organismes de Normalisation (UTE, CENELEC, CEI)Ingénieur à l’INERIS (Institut National de l’Environnement Industriel et des Risques)

1. Définitions.................................................................................................. R 2 380 - 2

2. Principes de détection............................................................................ — 32.1 Méthodes colorimétriques.......................................................................... — 32.2 Catharométrie et interférométrie ............................................................... — 4

2.2.1 Catharométrie ..................................................................................... — 42.2.2 Interférométrie .................................................................................... — 4

2.3 Combustion catalytique .............................................................................. — 42.3.1 Perle catalytique ................................................................................. — 42.3.2 Fil catalytique ...................................................................................... — 4

2.4 Principe utilisé dans la gamme ppm : l’électrochimie.............................. — 52.5 Cas particulier de l’oxygène ....................................................................... — 5

2.5.1 Détection à l’aide d’électrolyte liquide.............................................. — 52.5.2 Détection à l’aide d’électrolyte solide ............................................... — 5

2.6 Principes utilisés sur l’ensemble des gammes de mesure ...................... — 62.6.1 Oxydes semi-conducteurs ................................................................. — 62.6.2 Ionisation de flamme. Photo-ionisation............................................ — 62.6.3 Absorption optique............................................................................. — 6

2.7 Développements futurs............................................................................... — 6

3. Constitution des différents appareils ................................................ — 73.1 Alimentation................................................................................................. — 73.2 Tête de détection ......................................................................................... — 73.3 Conditionnement des signaux.................................................................... — 73.4 Traitement ultérieur..................................................................................... — 73.5 Interface utilisateur...................................................................................... — 8

4. Caractéristiques et grandeurs d’influence ....................................... — 84.1 Quelques éléments théoriques................................................................... — 84.2 Influence des paramètres atmosphériques ............................................... — 9

4.2.1 Influence de la température............................................................... — 94.2.2 Influence de la pression ..................................................................... — 94.2.3 Influence de l’humidité. Condensation ............................................. — 94.2.4 Influence de la vitesse de l’air ........................................................... — 94.2.5 Poussières, boues............................................................................... — 9

4.3 Gaz et vapeurs interférents, poisons, inhibiteurs ..................................... — 94.4 Parasitage électromagnétique. Vibrations mécaniques........................... — 104.5 Caractéristiques métrologiques ................................................................. — 10

4.5.1 Lever de doute .................................................................................... — 104.5.2 Temps de réponse .............................................................................. — 10

5. Installation des détecteurs fixes ......................................................... — 11

6. Normalisation. Certification et marque NF ...................................... — 116.1 Certification électrique ................................................................................ — 116.2 Métrologie .................................................................................................... — 11

7. Critères de choix. Maintenance ........................................................... — 127.1 Critères de choix .......................................................................................... — 127.2 Maintenance................................................................................................. — 12

Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. R 2 380

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EXPLOSIMÈTRES. DÉTECTEURS DE GAZ ____________________________________________________________________________________________________

e présent article traite de l’utilisation des détecteurs de gaz pour l’explo-simétrie et la toxicométrie. Dans ces domaines, le détecteur de gaz est

un appareil fait pour donner une alarme lorsque l’atmosphère devient explosible(présence d’un gaz combustible) ou toxique (présence d’un gaz dangereux pourla santé, ou absence d’oxygène). Le détecteur de gaz combustible, combustiblegas detector en anglais, est aussi appelé « explosimètre » en français.

Pour définir un seuil de danger avec précision, l’appareil doit réaliser unemesure : il mesure la concentration du gaz présent, ou la plupart du temps sapression partielle. Ce type d’appareil est donc utilisé en surveillance del’atmosphère, et non en contrôle de processus, ce qui le différencie des ana-lyseurs qui sont plus précis et donc plus coûteux. Son usage est le plus souventde nature industrielle ; des tentatives existent cependant pour le faire entrer dansles usages domestiques (détecteur de fuites de méthane).

L’utilisation des microprocesseurs permet d’élargir son domaine à l’hygièneindustrielle et même au contrôle de pollution ; il devient possible demémoriser les mesures, de calculer des moyennes dans le temps... Cependantces mesures, bien souvent réglementaires, exigent des précisions ou des règlesspécifiques de mesurage qui ne peuvent pas toujours être obtenues ou utiliséesavec ce type d’appareil. Méthodes et spécifications sont en cours d’élaborationau niveau des Communautés européenne et internationale (travaux du CEN– Comité européen de normalisation – et de l’ISO – Organisation internationalede normalisation).

Il convient donc d’être prudent dans le choix de tels appareils pour des mesuresautres que de simples indications de présence ou d’absence de gaz.

L

1. Définitions

Nous allons définir les seuils de danger mesurés par les explo-simètres, et ceux mesurés par les toximètres.

� La LIE, limite inférieure d’explosivité, est la concentration volu-mique de gaz au-dessous de laquelle il n’y a pas assez de gazcombustible pour assurer la propagation de la combustion dans lemélange en phase gazeuse.

� La LSE, limite supérieure d’explosivité, est la concentration volu-mique de gaz au-dessus de laquelle il n’y a pas assez d’oxygènepour assurer la propagation de la combustion du mélange en phasegazeuse.

� Une atmosphère est dite explosive lorsque le mélange gazeuxcontient des proportions de substances inflammables telles qu’unetempérature excessive, des arcs ou des étincelles produisent sonexplosion (le danger existe réellement).

� Une atmosphère explosible est une atmosphère susceptible dedevenir explosive (le danger existe à l’état possible) par augmenta-tion de la quantité de combustible ou de comburant.

� La VLE, valeur limite d’exposition, est la valeur maximalerespirable pendant 15 minutes par un individu, supportable sansprovoquer de troubles intolérables, sans changement chronique ouirréversible des tissus, sans narcose, augmentation du dangerd’accident, ni réduction des capacités de travail...

� La VME, valeur maximale d’exposition, est la valeur limiteadmise pour la moyenne dans le temps (8 h/jour, 40 h/semaine) desconcentrations auxquelles le travailleur peut être effectivementexposé sans avoir de trouble, passager ou non.

LIE et LSE sont des valeurs expérimentales, sur lesquelles leconsensus international n’est pas encore réalisé. Néanmoins, lesnormes européennes sur les détecteurs de gaz combustibles ontétabli une liste de référence en attendant l’aboutissement destravaux internationaux.

VLE et VME sont des valeurs indicatives, souvent réglementaires(en France, fixées par les ministères). Elles peuvent donc être dif-férentes d’un pays à l’autre ; elles ont tendance à diminuer au furet à mesure de la connaissance des effets des gaz et vapeurs et del’augmentation du degré de protection des travailleurs.

Exemples : la LIE du monoxyde de carbone est 15 % v/v, saLSE 75 % v/v ; la VME admise pour les travaux souterrains en Franceest 50 ppm v/v. La LIE du méthane généralement admise est 5 % v/v.Les industries chimiques allemandes lui préfèrent la valeur 4 % v/v.

Les quatre limites précédentes sont définies dans les condi-tions normales de température et de pression. LIE et LSE sonthabituellement définies en pour-cent volume (% v/v) rapportentre le volume de gaz combustible et le volume global de gaz.

VME et VLE sont définies en ppm volume (indépendant desconditions de température et de pression) ou en mg/m3 (rapportéà 20 oC et 105 Pa), mais également en ppb (parties par milliardou µg/m3).

Un explosimètre sera gradué en « % LIE », l’indication100 % LIE correspondant à une concentration de gaz égale à laLIE. Un détecteur de gaz toxique aura une échelle graduée enppm (parties par million ; 1 ppm = 10–6).

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� Remarque : bien souvent un gaz, toxique à faible teneur, estexplosible à plus forte teneur. Ainsi, un détecteur de monoxyde decarbone sera appelé « toximètre » s’il est capable de mesurer desconcentrations proches des valeurs l imites toxiques, ou« explosimètre » s’il mesure des concentrations proches de la LIE.

Il convient donc de bien choisir l’appareil en fonction du dangerprévisible, et non simplement en fonction du gaz à mesurer.

2. Principes de détectionPour mesurer la concentration d’un gaz, on s’intéresse à ses

propriétés, physiques ou chimiques, et l’on choisit l’une d’elles parti-culièrement sensible à la présence et à la variation de concentrationde ce gaz, ou spécifique de ce gaz. Citons comme exemple le para-magnétisme pour l’oxygène, ou la couleur orange du dioxyded’azote.

Les principales propriétés utilisées dans les appareils commer-cialisés sont :

— des propriétés physiques :• conductivité thermique,• absorption du rayonnement lumineux,• variation de l’indice de réfraction optique,• adsorption sur un matériau ;

— des réactions chimiques conduisant à la variation d’unegrandeur physique :

• réaction d’oxydo-réduction en phase liquide induisant unpassage de courant électrique,

• réaction chimique induisant un changement de couleur,• réaction d’oxydation catalytique engendrant une variation de

température.

Dans certains cas, une combinaison de propriétés est utilisée :adsorption et combustion pour les matériaux semi-conducteurs.

Toutes ces variations sont ensuite traduites en grandeur électriquepour actionner une alarme, lumineuse ou auditive, ou un afficheur.Dans quelques cas particuliers, s’il s’agit seulement de changementde couleur, l’utilisateur interprétera lui-même les indications del’appareil.

Nous présentons les différents principes en fonction des gammesde mesure auxquelles ils sont actuellement adaptés, en commençantpar les principes n’engendrant pas de grandeur électrique, et enterminant par les principes en voie de développement. Nousabordons ainsi :

— les méthodes colorimétriques, utilisant l’œil humain commeinterpréteur d’alarme (§ 2.1) ;

— les principes utilisés pour la gamme 0-100 % v/v ; catharo-métrie et interférométrie (§ 2.2) ;

— les principes utilisés pour la gamme 0-100 % LIE : combustioncatalytique (§ 2.3) ;

— le principe utilisé pour la gamme ppm : électrochimie (§ 2.4) ;— le cas particulier des détecteurs d’oxygène (§ 2.5) ;— les principes utilisés sur l’ensemble des gammes de mesure :

réaction des gaz sur les matériaux semi-conducteurs, ionisation deflamme et photo-ionisation, absorption optique (§ 2.6) ;

— les développements semi-industriels et de laboratoire (§ 2.7).

Les paragraphes suivants décrivent les méthodes, précisions demesure, conditions d’emploi. L’influence des interférents (atmo-sphériques, mécaniques, électromagnétiques, chimiques...) estétudiée au paragraphe 4 Grandeurs d’influence.

2.1 Méthodes colorimétriques

Ce sont les méthodes utilisées dans les premiers détecteurs degaz.

� Citons tout d’abord la lampe à flamme du mineur, utilisée pourdétecter le grisou et le manque d’oxygène : du pétrole brûle dansune ambiance dont la teneur en méthane varie. La couleur et lahauteur de la flamme dépendent de la concentration ; le spécialistepeut apprécier une variation de 0,3 % v/v CH4 , soit 6 % LIE. Lorsquel’oxygène vient à manquer, la lampe s’éteint.

� Dans le domaine des ppm de gaz toxiques ; la mise au point detubes réactifs a rendu et rend encore de grands services. Bien que lepremier tube détecteur de CO soit apparu vers 1920, le vrai dévelop-pement date des années 50. Un tube détecteur contient une quantitébien précise d’un ou de plusieurs réactifs absorbés sur un supportinerte, gel de silice à grains fins, alumine activée... Ce tube en verreest scellé aux deux extrémités (figure 1a ). Pour l’utiliser, on casse lesdeux extrémités, on introduit le tube dans une pompe et l’on faitpasser à travers le tube la quantité requise de gaz. Le réactif chimiqueréagit immédiatement avec le gaz et une couleur se développe àpartir de l’entrée du tube. La concentration de gaz se lit à l’interfaceentre la zone colorée et la zone non colorée (figure 1b ). À l’entrée dutube, on trouve en général un desséchant et un filtre à poussières.

� Remarque : la quantité de réactif est très faible (par exemple173 µg de Pb++ pour le tube Dräger H2S 1/C) et représente moinsde 1 % du poids du support (0,02 % dans cet exemple). Il faut doncque le support inerte soit extrêmement pur, pour ne pas contenir deproduits réagissant avec ce réactif.

Cette méthode a une précision de l’ordre de 30 % de la teneurmesurée. Les constructeurs principaux, Dräger (Allemagne) etGastech (Japon), ont mis sur le marché plus de 200 tubes permet-tant de mesurer des concentrations autour des limites toxiques, oude rechercher des fuites.

Les tubes ont une durée de vie limitée, deux ans si le stockageest correct.

Le prix d’un tube est de l’ordre de 40 F (1992) si bien que l’uti-lisation en est assez répandue. Ils permettent en particulier de fairedes mesures semi-quantitatives, avec des temps de réponse trèscourts, évitant des analyses coûteuses en délais.

Exemple : pour mesurer CO, on utilise le pentoxyde d’iode enmilieu acide, qui est réduit par CO en I2 :

Figure 1 – Tube réactif

5 CO I2O5+ I2 5 CO2+→H2SO4( )

Vert noirâtre.

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EXPLOSIMÈTRES. DÉTECTEURS DE GAZ ____________________________________________________________________________________________________

2.2 Catharométrie et interférométrie

2.2.1 Catharométrie

La catharométrie utilise la variation de conductivité thermique dumilieu dans lequel est plongé le capteur. Un matériau chauffé pareffet Joule se stabilise à une température qui dépend de la puissanceélectrique fournie et des échanges thermiques avec le milieu gazeux.Lorsque la composition de l’atmosphère change, la température ducapteur change, ou bien on rétablit la température du capteur enchangeant la puissance électrique. On utilise un matériau inertechimiquement, enrobant un fil métallique conducteur dont onmesure (grâce à un pont de Wheatstone) la variation de résistanceélectrique R, qui dépend de la température suivant la formule :

R = R0 (1 + α T )

T étant de l’ordre de 100 oC (figure 2).

Cette méthode est d’autant plus sensible que les gaz à mesureront des propriétés physiques différentes de celle de l’air (conductivitéthermique, viscosité,..., cas de H2 ou CO2). La précision est de l’ordrede quelques % v/v de gaz, pour les appareils commercialisés.

Avec une compensation et une régulation de température pluspoussée, cette méthode peut servir à mesurer des dizaines de ppm(utilisation dans les chromatographes en phase vapeur).

Cette méthode n’est pas sélective ; elle s’adapte bien à un mélangeà un seul composé variable (mélange air/CO2 par exemple).

2.2.2 Interférométrie

On utilise ici la différence entre l’indice de réfraction lumineux del’air et celui du gaz à détecter. Le rayonnement d’une source delumière est divisé en deux faisceaux ; après avoir traversé deux cuvesdifférentes, l’une de référence, l’autre contenant le mélange àdéterminer, ils se recombinent et créent un système de frangesd’interférences, qui se déplacent en fonction de la concentration dugaz à mesurer : on mesure sur un réticule dans l’oculaire de viséeun déplacement, étalonné en fonction du gaz à mesurer (figure 3).

La précision est identique à celle de la méthode précédente. Lesappareils ont été développés il y a une cinquantaine d’années ; ilssont actuellement peu employés, car ils demandent une certainehabitude d’utilisation pour choisir la bonne frange noire.

2.3 Combustion catalytique

Le danger d’explosion est lié à l’énergie dégagée par la combus-tion. Si donc on mesure l’élévation de température d’un élément surlequel brûle le gaz à mesurer, cette mesure sera une image fidèledu danger d’explosion, donc de la LIE. Il est indispensable de mesurertoute l’énergie de combustion, c’est pourquoi la catalyse hétérogèneest choisie, car l’énergie dégagée restera concentrée au voisinagede la surface réactive. Deux principes de base sont utilisés : le filcatalytique, la perle catalytique.

Dans les deux cas, un matériau catalyseur de combustion estchauffé à une température telle que le gaz peut s’oxyder à soncontact avec l’oxygène de l’air, mais aussi telle que la combustionne se propage pas dans l’atmosphère environnante. Le chauffageet le principe de mesure sont également les mêmes : un fil métal-lique sert d’élément chauffant et de mesure, comme pour la catha-rométrie; la résolution est ici bien meilleure, car la variation detempérature est liée à la chaleur de combustion. Pour compenserles variations dues aux échanges thermiques avec le gaz environ-nant, on travaille avec deux éléments dans un pont de Wheatstone,l’un ayant les propriétés catalytiques requises et l’autre non.

Le schéma est identique à celui de la figure 2, où cette fois Areprésente la perle ou le fil de référence, B la perle ou le fil cataly-tique, A et B recevant le gaz à mesurer ; pour le fil catalytique, ilsuffit de ne conserver sur le schéma du capteur que l’élémentchauffant symbolisé par la résistance.

2.3.1 Perle catalytique

Pour obtenir une température de fonctionnement assez basse, onutilise des «perles » catalytiques, boules d’environ 1 mm de dia-mètre, en oxyde métallique dopé par un métal de transition(Pd, Pt, Rh...). Le métal recouvre la surface ou bien est dispersé dansla matrice. La réponse est moins rapide que celle du fil catalytique(en raison de la masse, qui est plus grande) et la miniaturisation plusdélicate (multicouches). La température de fonctionnement est de450 à 550 oC pour le méthane.

La durée de vie des perles est de plusieurs années, mais lasensibilité décroît au cours du temps ; la pureté de l’oxyde est trèsimportante.

Mise au point comme le fil catalytique autour des années 50-60,la perle catalytique est de loin la plus utilisée dans ce domaine demesure, car la température de fonctionnement plus faible permetjusqu’à présent une consommation électrique plus faible, et lecapteur ne souffre pas d’usure. Des améliorations permanentes ontété faites pendant une vingtaine d’années sur les perles catalytiquesporeuses (métal dispersé) pour les rendre plus résistantes auxpoisons de catalyseur (§ 4.3).

2.3.2 Fil catalytique

Ici l’élément chauffant et le catalyseur sont un seul et même élé-ment, fil de quelques dizaines de micromètres, le plus souvent enplatine, mais aussi en alliage Pt-Rh. C’est le détecteur le plus employédans les mines françaises. Il est utilisé avec des techniques demesure impulsionelles, pour allonger sa durée de vie effective car,à la température d’utilisation pour le méthane (1 000 oC), le platines’oxyde et l’oxyde s’évapore. La température d’utilisation peut êtrebeaucoup plus basse pour les autres gaz combustibles.

Figure 2 – Catharomètre

Figure 3 – Interféromètre

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____________________________________________________________________________________________________ EXPLOSIMÈTRES. DÉTECTEURS DE GAZ

2.4 Principe utilisé dans la gamme ppm : l’électrochimie

On s’intéresse également aux réactions d’oxydo-réduction, maisil n’est pas utile d’avoir une température élevée. L’interface surlaquelle réagit le gaz est une interface solide-liquide : le gaz s’adsorbeà la surface d’un catalyseur et réagit avec les ions d’une solution.

Pour éviter des dérives dans la mesure, dues à la création debarrières de charges d’espace (défaut de mobilité des ions enparticulier), on ajoute une électrode de référence (couple oxydo-réducteur O2/H2O) et on utilise un montage électronique appelé« potentiostat » qui oblige l’électrode de travail à garder un potentielconstant par rapport à cette électrode de référence (figure 4).

Les capteurs actuels fournissent un courant de 0,1 à 1 µA parppm de gaz à mesurer. La résolution est de l’ordre du ppm car,au-dessous de cette valeur, les impuretés de la solution donnentdes courants parasites du même ordre de grandeur.

Comme précédemment, ces capteurs consomment un peu dugaz à mesurer. Il faut en tenir compte lorsqu’on se sert de cescapteurs dans des enceintes fermées de petites dimensions.

Pour éviter de longs démarrages lors de la mise en route d’unappareil électrochimique, il faut que les électrodes de travail et deréférence aient toujours entre elles le même potentiel ; l’électroniquedoit en tenir compte (interrupteur + relais, effet de champs...).

On trouve de tels capteurs pour les principaux gaz nonorganiques : CO, NO, NO2 , SO2 , H2S, HCN, HCI... Plus les moléculessont grosses, plus le temps de réponse est élevé : 20 secondes pourCO, jusqu’à 100 secondes pour H2S.

2.5 Cas particulier de l’oxygène

2.5.1 Détection à l’aide d’électrolyte liquide

Dans les méthodes précédentes, le gaz à mesurer s’oxyde grâceà l’oxygène de l’air. Elles ne peuvent donc pas s’appliquer à la détec-tion de celui-ci. Pour détecter l’oxygène, on va utiliser une celluleélectrochimique particulière, dans laquelle l’électrode elle-mêmes’oxyde :

O2 + 2 H2O + 4 e– → 4 OH– cathode

M + 2 OH– → MO + H2O + 2e– anode

M est le métal de l’électrode ; le plus utilisé est le plomb, lacathode étant en or ou en argent.

2.5.2 Détection à l’aide d’électrolyte solide

L’oxyde de zirconium ZrO2 se comporte à chaud (600 oC) commeun électrolyte liquide, c’est-à-dire que l’oxygène est ionisé à soncontact, et peut traverser sous forme ionique le volume du capteur.Un catalyseur facilite la transformation en ions de l’oxygène.

Lorsqu’on réalise une mesure à impédance très élevée, la diffé-rence de tension entre les deux faces de l’électrolyte est propor-tionnelle au logarithme du rapport entre les pressions partiellesd’oxygène des deux faces (figure 5).

Cette méthode permet une plus grande dynamique de mesureque la méthode présentée dans le paragraphe 2.5.1 ; l’erreur rela-tive de mesure est d’autant plus grande que la pression est élevée.C’est donc une excellente mesure pour les basses pressions d’oxy-gène (ppm). Dans les appareils courants, on arrive à une précisionde 0,1 % v/v pour 21 % v/v O2 .

Ce principe, couramment employé dans les analyseurs, est encorepeu utilisé dans les détecteurs de gaz : en appareil portatif, il souffred’une consommation électrique plus élevée que les cellulesélectrochimiques, mais la miniaturisation des sondes zircone vapermettre de développer leur utilisation dans ce domaine.

Exemple : le monoxyde de carbone traverse une membranesemi-perméable en Téflon, il réagit au contact de l’électrode de travailrecouverte de catalyseur (par exemple, noir de carbone) avec unesolution liquide conductrice, ou un papier imprégné de solution. L’élec-trode auxiliaire (appelée aussi contre-électrode) réduit l’oxygène de l’air.Les réactions s’écrivent :

CO + H2O → CO2 + 2 H+ + 2 e– (électrode de travail)

1/2 O2 + 2 H+ + 2 e– → H2O (électrode auxiliaire)

Si donc on relie extérieurement les deux électrodes à un galvano-mètre, on observe un passage de courant ; celui-ci est proportionnel àla concentration en CO, l’oxygène étant largement en excès.

Exemple : un capteur fournissant 1 µA par ppm consomme chaqueseconde le gaz à mesurer contenu dans 0,25 cm3. Compte tenu du dia-mètre des cellules, cela veut dire que le gaz présent à une distance del’ordre de 1 cm de la paroi de diffusion du capteur doit pouvoir arriver àson contact en une seconde. C’est à peu près l’ordre de grandeur quel’on obtient par diffusion naturelle.

Aussi un minimum de convection sera souvent nécessaire pour fairefonctionner dans de bonnes conditions un capteur fournissant 1 µApar ppm.

Figure 4 – Cellule électrochimique

Figure 5 – Capteur à oxyde de zirconium

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2.6 Principes utilisés sur l’ensembledes gammes de mesure

2.6.1 Oxydes semi-conducteurs

Le matériau support de la réaction d’oxydo-réduction n’est plusun métal, mais un oxyde métallique semi-conducteur (SnO2 , ZnO,...)de type n ou p, et dont la conduction est due à des lacunes d’oxygène(oxyde non exactement stœchiométrique). Les réactions d’oxydo-réduction, ou simplement d’adsorption à la surface, vont changerla résistivité du matériau.

Le matériau est chauffé, comme dans le cas des perlescatalytiques ; mais la mesure est différente : on mesure la variationde la résistance du matériau lui-même, et non celle de l’élémentchauffant (figure 6).

La résistance varie selon la concentration des gaz, suivant unerelation approximativement de la forme :

avec pression partielle d’oxygène,

Pg pression partielle du gaz à mesurer,

α peut varier entre 1 et 6 selon la nature de l’oxyde, le degréde dissociation de l’oxygène et le degré d’ionisation deslacunes,

β est compris entre 1 et 2.

Ce type de capteur a été développé au Japon, entre 1960 et 1970,après qu’une grave explosion ait entraîné 8 morts.

Les performances de ces oxydes vis-à-vis de l’action des gaz sontsouvent liées aux conditions de préparation. Ces capteurs sontsouvent moins sensibles que les perles catalytiques à l’empoison-nement ; comme elles, ce sont des capteurs non sélectifs.

Ils peuvent mesurer du % v/v au ppm, et même au-dessous,moyennant une électronique plus complexe que celle utiliséecouramment, qui est un chauffage non régulé.

2.6.2 Ionisation de flamme. Photo-ionisation

Ces types de capteurs sont utilisés en analyse dans les chroma-tographes. Sans colonne, on obtient un détecteur non sélectif, maispermettant de mesurer des valeurs de l’ordre du ppm ou mieux.

� Dans un détecteur à ionisation de flamme, le gaz à détecter estionisé au contact d’une flamme d’hydrogène ; on recueille unnombre d’ions proportionnel à la concentration en gaz, sur uneélectrode située à proximité de la flamme. Les hydrocarbures sontfacilement détectés par cette méthode.

� Dans un détecteur à photo-ionisation, la flamme est remplacéepar une lampe UV. Tous les gaz ayant un potentiel d’ionisationinférieur à celui de la lampe donneront une indication.

2.6.3 Absorption optique

Les applications des méthodes optiques sont restées très long-temps dans le domaine de l’analyse, à cause de leur coût et du poidsdes instruments mis en œuvre. Les progrès en optique et en élec-tronique ont permis de diminuer coût et poids, si bien que quelquesdétecteurs optiques apparaissent.

Rappelons que l’on fait appel à l’interaction entre le rayonne-ment électromagnétique (infrarouge essentiellement ici) et le gaz.Celui-ci absorbe de l’énergie à une longueur d’onde déterminée,qui dépend de l’énergie de vibration de ses molécules.

Ce principe est utilisé dans les explosimètres optiques, et éga-lement dans les détecteurs de CO2 : deux faisceaux à deux longueursd’onde différentes traversent une cuve (ou un milieu ouvert) danslaquelle se trouve le gaz ; l’un des rayonnements est absorbé, l’autrenon (il sert de référence). Ces deux faisceaux sont reçus alternati-vement par une photodiode.

Ce type d’explosimètre coûte pour l’instant 3 à 4 fois plus qu’unexplosimètre à principe catalytique, mais il est utilisé dans le casde présence manifeste de poisons des catalyseurs.

2.7 Développements futurs

� Les principes de détection utilisés sont très variés. Beaucoup denouveaux capteurs sont testés en laboratoire ; ils utilisent l’inter-action entre le gaz et la matière : semi-conducteurs organiques(phtalocyanines de Cu, Zn, Co, Ni...), films de Langmuir, systèmesde mesure plus élaborés (GAZFET, ISFET, MOSFET, quartz piézo-électrique, ondes acoustiques de surface...).

� Des développements sont également réalisés dans le domaine dutraitement du signal. Citons comme exemple la discrimination desgaz interférents, qui peut être réalisée à partir d’un capteur classique,comme le fil catalytique, grâce à des techniques d’émulationnouvelles, les microprocesseurs facilitant énormément le traitement.

� Citons également l’utilisation des techniques de dépôts decouches minces, ce qui amène une diminution de la puissanceconsommée et des coûts, ainsi qu’une excellente reproductibilité(figure 7).

� Les méthodes d’interaction entre rayonnement et matière serontbientôt utilisées en détection de gaz, ainsi la frontière entre ana-lyseurs et détecteurs deviendra floue : les deux types d’appareilsutiliseront des capteurs identiques : la sélectivité, propre aux analy-seurs, apparaît dans les détecteurs car le traitement du signal estrendu possible in situ par la miniaturisation du capteur et les micro-processeurs (gain en espace et en temps).

Figure 6 – Capteur à oxyde semi-conducteur

R R0 P O2

α P gβ–

=

PO2

Exemple : so i t l es potent ie l s d ’ ion isa t ion su ivants :hexane : 10,18 eV ; propane : 11,07 eV ; oxyde d’éthylène : 10,6 eV ;benzène : 9,2 eV. Une lampe de 11,7 eV détecte ces quatre produits.Une lampe de 10,2 eV détecte seulement le benzène et l’hexane. Unelampe de 9,5 eV ne détecte que le benzène. C’est ainsi qu’on obtientune certaine sélectivité.

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3. Constitution des différents appareils

Les détecteurs de gaz peuvent être classés en trois grands types :appareils fixes, transportables, portatifs. Ils peuvent également êtremonofonction (explosimètre par exemple), multifonctions (explosi-mètre-toximètre-oxygénomètre). Ils peuvent comporter une pompe,qui amène l’échantillon à l’intérieur de l’appareil, ou travailler parsimple diffusion. La tête de détection peut être déportée de l’élec-tronique, cette dernière pouvant aussi comprendre une partie dansla tête déportée, une partie dans une baie de mesure.

L’ensemble peut être intégré dans un système de surveillanceautomatisé gérant à la fois les fonctions de détection d’intrusion,d’incendie, de fuite de gaz. Ce système, en général distinct de lagestion du process, peut être relié à ce dernier car les alarmes desdétecteurs peuvent, par l’intermédiaire de relais d’alarme, avoirdes actions directes de mise en sécurité du process.

Les parties communes à tous les détecteurs sont : l’alimentation,le capteur, la tête de détection, le conditionnement des signaux, lescorrections éventuelles d’interférents atmosphériques, les fonctionsd’information (afficheur, alarmes lumineuses et sonores), lesorganes permettant des commandes (relais).

Dans ce qui suit, nous ne cherchons pas à faire un coursd’instrumentation, mais nous insistons sur les points qui permettrontde choisir en toute connaissance de cause le détecteur adapté auproblème à résoudre.

3.1 Alimentation

Les appareils alimentés par le secteur (fixes ou transportables)sont souvent conçus pour pouvoir basculer sur un système desecours en cas de coupure du secteur (24 V, ou batterie). Les appa-reils portatifs sont à piles, ou bien souvent à batterie rechargeable.

Le compartiment batterie peut être amovible, ce qui permet d’uti-liser l’appareil pendant la recharge, grâce à un nouveau comparti-ment batterie. L’autonomie des batteries dépend de leur capacité etde la consommation des appareils : de 5 à 40 h selon le type decapteur. Les batteries à charge lente se chargent avec un courantégal au dixième de leur capacité.

3.2 Tête de détection

La tête de détection (figure 8) comprend l’élément sensible au gaz,appelé souvent « capteur », un ou plusieurs éléments compensantles grandeurs d’influence (température, pression...), des matériauxde protection (fritté, filtre antipoussière), un compartiment délimitantphysiquement le volume du détecteur. L’ensemble de ces élémentsdéfinit le temps de réponse de l’appareil. La tête déportée comportede plus un bornier de raccordement, et peut contenir l’électroniquede traitement, ce qui permet, dans certains cas, de diminuer lenombre de fils du câble de raccordement.

3.3 Conditionnement des signaux

Pour un capteur « actif », c’est-à-dire fournissant un signal créépar le produit à détecter, il s’agit d’amplifier ce signal (exemple :courant issu d’un capteur électrochimique).

Pour un capteur « passif » (ainsi nommé lorsque le gaz à détectermodifie un de ses paramètres électriques), il faut envoyer un signalqui permettra de quantifier cette modification (exemple : mesure dela variation de résistance d’un capteur semi-conducteur).

Dans les appareils actuels, le conditionnement est suivi d’un CAN(convertisseur analogique-numérique) ; la suite des traitements estréalisée numériquement.

On trouve aussi dans le conditionnement les éléments derégulation : régulation de la tension de l’électrode de travail parrapport à la tension de l’électrode de référence, régulation de la tem-pérature....

3.4 Traitement ultérieur

Le signal amplifié, et éventuellement numérisé, est modifié pourtenir compte des interférents. La correction la plus courante est cellede l’effet de la température, réalisée directement par un élémentcompensateur, ou par un circuit électronique délivrant un signalfonction de sa température. La pression est parfois compensée parun capteur de pression, l’humidité plus rarement par un capteurd’humidité, encore très cher.

Figure 7 – Capteur de gaz en couche mince (document LETI-Laboratoire d’électronique, de technologie et d’instrumentation du Commissariat à l’Énergie Atomique – Cliché ARTECHNIQUE)

Exemple : une batterie de capacité 1 Ah sera chargée à l’aidede 0,1 A pendant 10 heures. Les batteries à charge rapide se rechargenten quelques minutes, mais leur rendement est moins bon.

Exemple : une tête classique électrochimique est raccordée à l’aidede 3 fils. Une tête avec électronique intégrée pourra être alimentéepar 2 fils en 4-20 mA. Cela peut diminuer le coût de l’installation.

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EXPLOSIMÈTRES. DÉTECTEURS DE GAZ ____________________________________________________________________________________________________

Ces corrections se font par voie analogique ou, de plus en plussouvent, numériquement. Intervient alors l’étude de sûreté defonctionnement pour le logiciel, en particulier si l’appareil réagitdirectement sur le process industriel : ainsi la commande des relaisd’alarme via le logiciel pourra être doublée, dans certains cas, d’unecommande issue directement du capteur, par voie analogique.

Le traitement consiste ensuite à préparer les actions sur les inter-faces avec l’utilisateur.

3.5 Interface utilisateur

Dans un détecteur classique, l’utilisateur a, à sa disposition, toutou partie des éléments suivants : bouton arrêt-marche, potentio-mètres de réglage de zéro et de sensibilité, voyants lumineux pré-cisant le bon fonctionnement de l’appareil, voyant(s) de défaut,d’alarme, afficheur analogique ou numérique, alarme sonore, sortieenregistrement, sortie(s) relais. Le relais est, en règle générale, desécurité positive : toute panne, en particulier l’arrêt de l’appareil, leplace en position d’alarme. Sur les installations fixes, il est doncnécessaire de prévoir une inhibition du relais dans certains cas,comme lors de l’étalonnage.

Dans un détecteur à microprocesseur, les potentiomètres deréglage peuvent ne plus exister : on indique à l’appareil la teneuren gaz étalon, et un logiciel interne calibre l’appareil pour cettevaleur. On trouve également des interfaces de liaisons numériques,pour décharger les mesures en fin de travail, ou pour programmerl’appareil à distance.

4. Caractéristiqueset grandeurs d’influence

4.1 Quelques éléments théoriques

Nous avons vu que la plupart des méthodes utilisées couram-ment en détection de gaz reposent sur l’interaction entre un milieugazeux et un solide (ou un liquide dans le cas de l’électrochimie).Il faut donc que le gaz à détecter arrive au contact du solide ; pourcela, il doit traverser un certain nombre de milieux protecteurs del’élément sensible. Il faut donc considérer l’ensemble de la tête dedétection, qui, comme nous l’avons vu précédemment, comporteun filtre, un fritté, un espace libre, et enfin le capteur sur lequel legaz va réagir, après s’être adsorbé (figure 8). Les espèces forméespar la réaction vont ensuite désorber, et diffuser jusqu’à l’air libreen retraversant les barrières précédentes.

Les équations générales de diffusion-réaction s’écrivent :

�

avec D i coefficient de diffusion dans le milieu i,

c concentration du gaz,

dérivée partielle par rapport au temps,

dérivée partielle, du second ordre, d’espace normale-ment à la surface ;

dans l’espace compris entre le fritté et la surface réactive ;

� c = C0 ou c = f (t ) à l’interface fritté/air, si l’on suppose respective-ment une concentration constante, ou en train d’évoluer ;

�

avec δ épaisseur de la couche limite,

D coefficient de diffusion à proximité de la surface active,

k coefficient cinétique de la réaction, supposée du premierordre ; le signal du capteur est proportionnel à kc ;

à proximité de la surface active.

Si l’on suppose une variation linéaire de la concentration dans lacouche limite, on obtient :

c (δ) étant la concentration au niveau de la couche limite.

Deux cas limites se présentent :(1) la diffusion est très rapide, , le signal est alors pro-

portionnel à k c (δ ) ;(2) la diffusion est très lente, , le signal est alors propor-

tionnel à (remarquons que c (δ ) dépend lui-même des

valeurs des coefficients de diffusion D i ).

Dans le cas (2), le nombre de sites actifs n’est pas important ; lescoefficients de diffusion variant linéairement avec la température,la compensation du signal en température sera assez simple, maisle signal est plus faible que si la réaction n’était pas limitée.

Dans le cas (1), le capteur sera plus sensible aux évolutions dela surface réactive et aux variations de température.

Lorsque la concentration C0 augmente, les sites actifs peuventse trouver saturés, et le signal se sature : la courbe de réponse dudétecteur n’est plus linéaire.

Le temps de réponse, défini à ± 10 % de la valeur finale, est égalà 2,3 τ soit 2,3 δ / (k + D /δ ). Dans le cas (1), il vaut donc 2,3 δ2/D ;dans le cas (2), il vaut 2,3 δ /k. La mesure du temps de réponsepermet de remonter à la valeur de la couche limite.

� Dans le cas des capteurs fonctionnant à une température dif-férente de la température ambiante, il faut ajouter aux équations deconservation de la matière les équations de conservation de lachaleur.

Pour les capteurs calorimétriques en particulier (catharomètres,perles et filaments catalytiques), il faut ajouter une équation de laforme :

QJ + QR = Pair + PM

avec QJ énergie fournie par le chauffage électrique,

QR énergie fournie par la réaction,

Pair pertes thermiques dans l’air,

PM pertes thermiques par conduction dans le matériau.

Figure 8 – Tête de détection

∂c∂t

---------- D i=∂ 2c∂n2-----------

∂c∂t

----------

∂ 2c∂n2-----------

∂c∂t

----------1δ---- D ∂c

∂n----------

1δ----- kc–=

c c δ( ) D/δD/δ( ) k+

--------------------------- 1 e t / τ – – ( ) en posant τ δ k D

/

δ

( )

+

---------------------------= =

D/δ � k

D/δ � kDδ

------ c δ( )

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Cet équilibre thermique autour du capteur va changer les valeursdes coefficients de diffusion, donc la réaction peut changer, ce quimodifie l’équilibre thermique. De plus, pour certains capteurs (filcatalytique), le fonctionnement à température élevée est discontinudans le temps, le champ thermique n’est pas à l’équilibre lorsquecommence la réaction, et il induit des mouvements de convection.

On peut aussi trouver des modèles simplifiés dans le cas de cescapteurs, mais aucune solution complète n’a été donnée jusqu’àprésent.

On peut faire remarquer également que, dans le cas de capteursans réaction,

Q

R

va être remplacé par une chaleur d’adsorption. Ilfaut également, suivant les cas, faire intervenir les chaleurs dedésorption.

Pour terminer, il faudrait rajouter les théories concernant lefonctionnement des capteurs électrochimiques, les réactions cata-lytiques, etc. Mais ce qui importe pour comprendre l’influence desfacteurs interférents est surtout la théorie de la diffusion-réaction.

4.2 Influence des paramètres atmosphériques

4.2.1 Influence de la température

Ce facteur est la plupart du temps à compenser. La températureinflue sur le zéro de l’appareil (surtout dans le cas des capteurschauffés, car l’équilibre thermique, donc la puissance électrique,dépend de la température ambiante) et sur sa sensibilité, d’une façonexponentielle si la réaction domine, d’une façon linéaire si la diffu-sion domine.

La compensation est faite par un élément physique (exemple :compensateur insensible au gaz, ou membrane diminuant par sadilatation la surface de diffusion et compensant ainsi l’augmentationdu coefficient de diffusion avec la température) ou par l’électronique,à partir d’un capteur de température.

Dans les appareils à absorption optique, la température élargit lepic d’absorption, et diminue sa hauteur ; il faut donc compensercet effet. De plus, les composants optiques eux-mêmes (d’émissionet de réception) sont sensibles à la température.

4.2.2 Influence de la pression

Tous les appareils sont en réalité sensibles à la

pression partielle

du gaz, et non à sa concentration ; les mesures sont donc propor-tionnelles à la pression totale. Cependant, les variations de lapression atmosphérique ne dépassent pas 10 %, ce qui donne unevariation du signal de 10 %. Cette précision est suffisante pourassurer la sécurité, d’autant que les variations de pression atmo-sphérique étant lentes dans le temps, les variations de signal enrésultant ne peuvent être confondues avec des fuites de gaz.

Nota :

en effet, la concentration du gaz peut être définie comme le rapport :

la mesure, proportionnelle à la pression partielle, est donc proportionnelle au produitconcentration

×

pression totale.

Pour un appareil portatif, il peut devenir nécessaire de penseraux variations d’altitude.

4.2.3 Influence de l’humidité. Condensation

L’humidité a diverses influences. Sur un appareil à pompage, ellepeut se condenser à l’intérieur de l’appareil, d’où l’existence d’unfiltre, dont il faudra surveiller la saturation au cours du temps. Surun appareil calorimétrique, elle peut changer l’équilibre thermique,d’où la nécessité d’un compensateur physique ou d’une mesureannexe d’humidité.

Enfin, l’humidité peut modifier la réaction : elle peut la favoriser,comme dans le cas de la réaction de CO avec les oxydes semi-conducteurs, ou au contraire la masquer, comme dans le cas del’absorption optique dans les « fenêtres » d’absorption de l’eau ; ellepeut l’empêcher en recouvrant une surface active d’oxyde, oudétruire le capteur ou une partie de l’appareil (corrosion si l’atmo-sphère est acide).

En conclusion, il faut connaître l’influence de l’eau pour choisirle capteur en fonction de l’atmosphère où il sera installé.

4.2.4 Influence de la vitesse de l’air

Sur les appareils à diffusion, une vitesse d’air trop élevée peutchanger les coefficients de diffusion. Le constructeur peut fournirdes paravents supplémentaires (utilisation de capteurs à l’extérieurdes bâtiments).

Sur les appareils à pompage, une trop grande vitesse d’air peutempêcher la pompe de fonctionner.

4.2.5 Poussières, boues

Les poussières peuvent colmater les filtres des instruments àpompage.

Sur les appareils à diffusion, il est difficile de reconnaître l’encras-sement du filtre ou du fritté de protection. Il est donc indispensablede contrôler régulièrement le bon fonctionnement du capteur parune injection de gaz étalon.

4.3 Gaz et vapeurs interférents,poisons, inhibiteurs

Des gaz et des vapeurs peuvent modifier le fonctionnement dudétecteur. Lorsque la réaction est empêchée, le gaz est appelé

inhibiteur

; lorsque la réaction est supprimée définitivement, c’estun

poison

. Lorsqu’un gaz réagit comme le gaz à détecter, c’est un

interférent

.

La plupart des méthodes précédentes sont non sélectives ; denombreux gaz et vapeurs vont donc interférer. Dans certains cas,cela conforte la sécurité ; dans d’autres cas, cela la diminue.

Les capteurs à combustion catalytique, très utilisés en explosi-métrie, ont l’inconvénient de connaître beaucoup de poisons, quisuppriment la réaction à des concentrations de l’ordre du ppm : pro-duits soufrés, siliconés, esters de phosphates, potassium, plomb...C’est pourquoi ont été mis au point des filtres anti-poisons, ou descapteurs de résistance aux poisons améliorée (perles poreuses).Certains gaz ou vapeurs à détecter sont eux-mêmes inhibiteurs dela réaction (hydrocarbures chlorés, produits de décomposition dunéoprène, du PVC).

Un gaz qui constitue un poison pour une réaction peut très bienlaisser une autre réaction intacte : le silicone peut supprimer laréaction au méthane, mais permettre encore à celle de l’hydrogènede se produire.

concentration nombre de molécules de gaznombre de molécules total

----------------------------------------------------------------------------------- pression partiellepression totale

---------------------------------------------------= =

Exemples :

un détecteur de méthane, à combustion catalytique, ouoptique, va aussi réagir en présence de propane : c’est utile. Leconstructeur donne les courbes de réponse aux différents gazcombustibles (figure

9

).Un détecteur électrochimique de CO donne un signal négatif en pré-

sence de NO

2

: c’est dangereux si les deux signaux sont équivalents.

Avant de choisir un principe de mesure, il faut donc connaîtrel’ensemble des gaz susceptibles d’être présents, et interrroger leconstructeur du matériel pour choisir en connaissance de cause.

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EXPLOSIMÈTRES. DÉTECTEURS DE GAZ ____________________________________________________________________________________________________

Un gaz peut également rendre « aveugle » le détecteur pendantun certain temps, si sa concentration est très élevée (cas des détec-teurs électrochimiques qui, faits pour mesurer des ppm, « voient »une fuite massive de l’ordre du % v/v) ou si sa réaction est facileet change les caractéristiques du capteur (cas de l’hydrogène qui,sur les cellules électrochimiques, change le potentiel de l’électrodede référence H2O/H2).

4.4 Parasitage électromagnétique. Vibrations mécaniques

L’influence des vibrations mécaniques et des ondes électro-magnétiques est commune à tous les appareils électriques ; nousne détaillons donc pas ces phénomènes. Mais nous allons noter cequi est particulier aux capteurs utilisés.

Les capteurs calorimétriques sont sensibles aux variationsmécaniques (usure plus rapide du fil chauffant, cassure). Pourcertains, une suspension mécanique est nécessaire pour l’élémentsensible ou pour le détecteur lui-même, notamment pour les appa-reils montés sur machine.

Les capteurs électrochimiques ont des impédances électriquesélevées ; il faut donc penser à l’antiparasitage de la tête de mesure.Un certain nombre de composants sont en matière plastique, cequi peut induire des charges électrostatiques, et ainsi des capacitésparasites.

4.5 Caractéristiques métrologiques

Lors du choix d’un détecteur, il est utile de connaître la dyna-mique de mesure, la résolution, la linéarité, la précision, commedans tout appareil de mesure, mais ces propriétés sont surtoututiles autour de la valeur d’alarme.

Deux caractéristiques importantes sont la biunivocité (lever dedoute) et le temps de réponse.

4.5.1 Lever de doute

Dans la plupart des principes décrits, la réaction fait intervenirl’oxygène de l’air : réactions catalytiques, électrochimie, ionisationde flamme. Celui-ci peut être en quantité insuffisante, ou absent(atmosphère d’azote) ; alors, les capteurs fonctionnent mal, ou nefonctionnent plus.

Le cas le plus important pour lequel il faut en tenir compte estla mesure explosimétrique par catalyse : à forte teneur en gaz, laconcentration en oxygène devient insuffisante, et le signal se metà décroître (figure 10). Il y a alors doute sur la concentration en gaz ;le signal n’est plus biunivoque.

Pour un signal donné, on peut donc se trouver en-deça ou au-delàde la teneur stœchiométrique, ce qui change le danger et la marcheà suivre pour assurer la sécurité : aérer, ou injecter de l’azote.

Les explosimètres sont donc souvent équipés d’une alarme àverrouillage : celle-ci demande une action délibérée de l’utilisateurpour être déverrouillée. On s’assurera au préalable que la concentra-tion en gaz est bien redescendue au-dessous de la valeur dange-reuse. Un explosimètre ne devra pas être mis en route dans uneatmosphère confinée, il sera mis en marche en air reconnu commeexempt de gaz combustible.

Certains appareils, notamment ceux équipés de fils catalytiques,sont équipés d’un « lever de doute » complet, et peuvent être misen route en atmosphère confinée : un compensateur permetd’obtenir un signal négatif en cas de fortes teneurs ; des méthodesélectroniques (basées sur le traitement du signal) existent égalementactuellement pour réaliser ce lever de doute.

Enfin, les appareils bifonctions détecteurs d’oxygène-explosi-mètres permettent de connaître la concentration en oxygène, doncévitent les erreurs d’interprétation.

4.5.2 Temps de réponse

Ce terme est souvent utilisé sans précision supplémentaire.S’agit-il du temps de réponse à ± 10 %, ± 50 % de la valeur finale ?Du temps mis par l’alarme pour se déclencher ? Lorsqu’on lui injectequelle teneur en gaz, quel type de gaz ? À quel niveau est alors régléel’alarme ? Ces indications sont indispensables pour comprendre etcomparer les valeurs indiquées par le constructeur. Lorsque le signalne présente pas d’oscillations, on parle de « durée de réponse » à90 % de la valeur finale.

Nous avons vu (§ 3.2 et 4.1) que le temps de réponse dépend dela construction géométrique de la tête de mesure, mais égalementde la vitesse de la réaction, du type de gaz (pour certains capteurs)et du temps d’intégration du signal, qui sert à diminuer le bruit etaugmenter ainsi la résolution de l’appareil et sa répétabilité. C’estle cas, notamment, des explosimètres optiques.

Le temps de réponse peut dépendre de l’électronique mise enœuvre, pour les capteurs chauffés en particulier : lorsque le gazatteint une perle catalytique, la réaction commence, le capteurs’échauffe, et met plusieurs secondes à atteindre un nouvel équilibrethermique. Si l’électronique maintient le capteur à températureconstante, on s’affranchit de cette durée de réponse ; il ne reste quele temps mis par le gaz à diffuser.

Les durées de réponse à 90 % sont de l’ordre de 15 à 30 s pourles détecteurs explosimétriques, 30 à 90 s pour les détecteurs élec-trochimiques, suivant qu’il s’agit d’une petite molécule (CO) ou d’unegrosse (H2S). Les détecteurs électrochimiques d’oxygène ont unedurée de réponse de l’ordre de 10 s. Si l’appareil est à pompage,on diminue le temps de réponse lorsque le volume mort autour del’élément sensible diminue ; on l’augmente si l’on a ajouté unsystème de prélèvement à l’appareil : on doit alors ajouter un tempségal au volume du tuyau complémentaire, divisé par le débit de lapompe.

L’explosimètre optique a une durée de réponse courte, mais lesprotections contre l’humidité et la poussière, indispensables enmilieu extérieur, lui redonnent une durée de réponse aussi longueque celle des détecteurs catalytiques.

Figure 9 – Calibrage et gaz interférents

Figure 10 – Courbe de réponse d’un explosimètre

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5. Installationdes détecteurs fixes

Les détecteurs de gaz sont « ponctuels » ; ils ne détectent que laprésence du gaz qui arrive à leur contact. Leur emplacement estdonc très important vis-à-vis de la sécurité.

Pour assurer une détection efficace, il faut connaître le comporte-ment des gaz lors d’une fuite. Il faut tenir compte des paramètressuivants : site extérieur ou intérieur, sources potentielles de fuite degaz ou de vapeurs, nature du gaz ou des vapeurs, nature et concentra-tions des rejets (exemples : jet haute pression, fuite lente, liquiderépandu), topographie du site, mouvements d’air (en intérieur :ventilation naturelle et ventilation mécanique ; en extérieur : vitesseet direction du vent), effet de température, environnement local del’usine, population de l’usine et des localités à proximité, situationdes sources potentielles d’explosion...

Trois méthodes peuvent aider à réaliser une installation :— les « règles de l’art » : cela consiste à prendre en compte les

influences et à les pondérer en utilisant la connaissance et lesavoir-faire qu’un spécialiste a développé en la matière ;

— l’expérimentation sur le site : elle consiste à utiliser des testsavec tubes fumigènes, des mesures anémométriques ou des tech-niques plus sophistiquées comme les gaz traceurs, pour simuler etdécrire précisément le comportement des gaz ;

— la simulation numérique : elle permet de prédire le comporte-ment des gaz lors d’une fuite ; elle n’est pas encore suffisammentau point pour permettre la connaissance de l’évolution desconcentrations près des sources de fuite.

Il sera dans tous les cas nécessaire d’utiliser les compétences duspécialiste du comportement des gaz, du spécialiste du procesusde l’usine à surveiller, et de l’ingénieur chargé de la sécurité ou del’hygiène du travail.

Nota

CENELEC : Comité européen de normalisation électrotechnique.

CEI : Commission électrotechnique internationale.

UTE : Union technique de l’électricité.

6. Normalisation. Certification et marque NF

6.1 Certification électrique

Lorsqu’un détecteur de gaz (combustible ou toxique) est à utiliseren atmosphère explosible, il est soumis aux règles générales deconstruction des appareils électriques fonctionnant en installationsclassées. Ces règles sont définies dans les normes EN 50014 à 50020(Normalisation en [Doc. R 2 380]). Le LCIE (Laboratoire Central desIndustries Électriques) et l’INERIS (Institut National de l’Environne-ment Industriel et des Risques) sont, en France, les deux seuls labo-ratoires agréés pour délivrer les certificats de conformité à cesnormes.

Les modes de protection utilisés dans les détecteurs de gaz sontla sécurité intrinsèque « i » (norme EN 50020 - NF C 23-520), quisuppr ime la source d ’ inflammat ion, e t l ’enveloppeantidéflagrante « d » (norme EN 50018 - NF C 23-518).

La faible consommation électrique et le fonctionnement à tem-pérature ambiante permettent aux détecteurs électrochimiquesd’être de sécurité intrinsèque. Par contre, les explosimètres ont unetête de mesure antidéflagrante, la température du capteur étantélevée, ainsi que l’énergie qu’il consomme.

� Remarque : un degré de protection IP xx concerne l’étanchéité àl’eau et non au gaz ; il est donc insuffisant pour assurer la sécuritéen atmosphère explosible.

6.2 Métrologie

Autant la certification électrique est obligatoire, autant laconformité aux normes métrologiques n’est pour l’instant pasexigée, du moins en France. Un appareil dit « agréé » n’a pasnécessairement des performances métrologiques suffisantes pourassurer la sécurité, le terme « agréé » faisant référence à la certifi-cation électrique en règle générale.

� Pour les détecteurs de gaz combustibles, les normes NF EN 50054à NF EN 50058 traitent des méthodes d’essais et des performancesdes explosimètres (0-100 % LIE) et des détecteurs de 0 à 100 % v/ vde gaz combustible.

Les constructeurs peuvent s’autoconformer, c’est-à-dire déclarerleur appareil conforme à ces normes. Cela engage leur responsabilitémais ne préjuge en aucun cas de la vérification par un laboratoireindépendant.

Pour avoir une meilleure assurance d’une qualité continue duproduit, l’Union technique de l’électricité (UTE), mandatée parl’AFNOR, met en place une marque « NF explosimètre » qui exige,d’une part, la vérification d’un appareil par rapport aux normesmétrologiques, d’autre part, une assurance qualité de fabrication.Grâce à l’accord CCA (accord de certification du CENELEC) signé parun grand nombre de pays européens, les marques nationales serontéquivalentes, et la demande d’équivalence sera facilitée (s’adresserà l’UTE).

� Pour les détecteurs d’oxygène jusqu’à 25 % v/v, une norme euro-péenne est en préparation (Pr EN 50104). À l’enquête publiquefin 1992, elle devrait voir le jour dans le courant de 1994.

� Des travaux ont également démarré pour les détecteurs de gaztoxiques, au niveau européen. Notons également les travaux de laCEI sur les détecteurs de gaz combustibles, qui reprennent en grandepartie les travaux européens. Enfin, des travaux sont également encours au niveau européen sur les détecteurs de gaz domestiques, àusage non industriel et non commercial.

� Remarque : lorsqu’une installation n’est pas classée, il n’est pasobligatoire d’y utiliser des détecteurs certifiés électriquement. Lesnormes métrologiques sur les explosimètres exigeant la certificationélectrique, on peut donc utiliser des détecteurs de gaz combustiblesnon conformes aux normes métrologiques dans des installationsindustrielles et commerciales. Il serait bon dans l’avenir d’exiger auminimum la conformité aux normes domestiques.

On trouvera plus de détails dans le projet CENELEC « Guidepour la sélection, l’installation, l’utilisation et la maintenance desappareils du groupe II de détection et de mesure des gaz combus-tibles dans les atmosphères potentiellement explosives ». Ceguide est à l’étude au niveau international (CEI) ; il est possiblede se procurer le projet à l’UTE. Il concerne l’installation desexplosimètres, mais de nombreux principes sont adaptés auxdétecteurs de gaz toxiques.

Exemple : un marquage EExIICT6 signifie que l’appareil est desécurité intrinsèque (EEx), groupe II (lieux autres que les mines grisou-teuses), utilisable pour les gaz de classe C (à base d’hydrogène) et quela température maximale de surface des composants est de 85 oC.

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7. Critères de choix. Maintenance

7.1 Critères de choix

Nous répertorions ci-après, pour l’utilisateur qui cherche às’équiper de détecteurs de gaz, les questions à poser au constructeuret qui, souvent, n’ont pas de réponse sur les notices.

Le point clé de l’appareil est le capteur, principalement sa duréede vie. Il est nécessaire de se renseigner sur son origine, son prixen tant que pièce de rechange : un élément détecteur explosi-métrique coûte 400 à 600 F (1992), la tête de mesure, qu’il faut parfoischanger en entier, peut coûter jusqu’à 2 000 F si elle inclut une partiede l’électronique. Un capteur électrochimique d’oxygène coûteenviron 600 F, pour les autres gaz il peut coûter jusqu’à 2 000 F.

La consommation électrique n’est pas un critère très importantpour les appareils fixes ; elle le devient pour les appareils portatifs,pour lesquels il faut se faire préciser l’autonomie des batteries sansalarme et avec alarme.

Outre le domaine de température de fonctionnement, il sera utilede demander le coefficient de température.

Un appareil fonctionnant en zone classée devra avoir les réfé-rences de son certificat électrique.

Enfin, il est indispensable de demander conseil pour le calibragedu capteur, et sa périodicité : dans tous les cas, une absence de signalpeut correspondre à un capteur insensible au gaz. Les appareils dedétection de manque d’oxygène possèdent souvent un auto-contrôlede leur vieillissement, en prenant l’air ambiant comme référence :si ce type d’appareil est mis en route dans une atmosphère appauvrieen oxygène, il va confondre un vieillissement du capteur et unmanque d’oxygène.

Tous les autres capteurs ne peuvent être vérifiés qu’en injectantdu gaz.

Si le capteur est intégré dans un système complet de détection,il peut être utile de faire expertiser l’ensemble du système par unlaboratoire reconnu en sécurité des systèmes électroniques, unedéfaillance du système ne devant pas entraîner un mauvais fonc-tionnement du détecteur de gaz, en particulier la perte d’alarme. Lesnormes métrologiques ne tenant pas compte des défauts que lelogiciel peut avoir, il est bon qu’une étude de sécurité du logicielsoit faite.

L’utilisateur potentiel d’un détecteur devra donc étudier sonimplantation, connaître ses caractéristiques techniques et métro-logiques ; il remplira en plus le questionnaire dressé dansl’encadré 1, en posant les questions au constructeur.

7.2 Maintenance

Comme tout système électrique, le détecteur de gaz doit fairel’objet d’une maintenance. Le constructeur propose souvent descontrats de maintenance, incluant le calibrage. Ce dernier peut êtreindispensable entre deux visites de maintenance ; nous allons doncle détailler, car il exige une attention particulière : c’est sur lui querepose en premier lieu la sécurité.

Pour calibrer un capteur, il faut une bouteille de gaz, un régulateurde pression, un débitmètre, un dispositif d’injection, un tournevisou instrument spécial (ou le code permettant d’accéder au logicielpour en modifier certains paramètres).

On veillera également à la température de l’appareil, qui peutfausser le calibrage (lorsque l’appareil n’est pas compensé entempérature).

Le constructeur fournit très souvent un kit de calibrage : si l’appa-reil est conforme aux normes (EN 50054 à 50058), celui-ci a étévérifié. Sinon, l’utilisateur devra vérifier son bon fonctionnement :en diminuant le débit indiqué par le constructeur, l’indication del’appareil ne doit pas changer.

Pour régler le zéro de l’appareil, il faut être en air propre : il estsouvent utile d’utiliser une bouteille d’air, en particulier pour lessurveillances des détecteurs de CO, l’atmosphère ambiante pouvanten contenir quelques ppm. Il faut tenir compte de la vitesse du ventou du courant d’air, qui peut fausser l’injection du gaz sur le capteur,il faut connaître la pression et la température du moment. Si, parexemple, la pression a baissé de 60 mbar entre deux vérificationsde calibrage, il est normal qu’un détecteur de CO indique 47 ppmau lieu de 50 ppm ; inutile de le recalibrer. Attention aux appareilsrecevant le soleil en direct : le capteur peut être à 20 ou 30 oCau-dessus de la température ambiante, et son indication diffère dela normale (tenir compte du coefficient de température).

Sur les appareils fixes, il faut s’assurer que la position normaledes relais est retrouvée en fin de calibrage (suppression desinhibiteurs d’alarme). Parfois, il est nécessaire que deux personnesfassent le calibrage, la tête étant déportée de l’affichage et desréglages : il faut alors s’assurer que les téléphones portatifs utilisésn’interfèrent pas avec les détecteurs.

Encadré 1 – Questionnaireconcernant les caractéristiques

d’un détecteur de gaz

Performances (sensibilité, sélectivité, stabilité)Origine du capteurDurée de vie garantiePrix du capteur de rechangeMaintenance. Coût de maintenanceCertification électriqueDurée de décharge et de charge des batteriesDurée de vie des batteries, prixTempérature : domaine de fonctionnement

coefficient de températureInterférents. PoisonsPériodicité du calibrage

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Do

c. R

2 3

80

1 -

1994

POUR

EN

S

Explosimètres. Détecteurs de gaz

par Antoinette ACCORSIIngénieur de l’École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de ParisExpert Capteurs Gaz auprès des Organismes de Normalisation (UTE, CENELEC, CEI)Ingénieur à l’INERIS (Institut National de l’Environnement Industriel et des Risques)

AVOI

BibliographieBOUTONNAT (M.). – La détection des atmo-

sphères explosibles. Protection Civile etSécurité Industrielle, nov. 1973.

ACCORSI (A.). – Les capteurs de gaz, domainesd’application, axes de recherche. Spectra 2000,vol. 15, no 121, p. 34-42, mai 1987.

ACCORSI (A.). – L’explosimètre depuis 15 ans. Faceau Risque, no 234, p. 31-34, juin-juil. 1987.

ROSE (G.) et ACCORSI (A.). – Improving catalyticsensors performances by electronic tech-niques. EUROSENSORS 5, San Sebastian1992. Sensors and Actuators B, vol. 15-16(1993).

JANATA (J.). – Principles of Chemical Sensors.Plenum Press, Plenum Publishing Corpo-ration, New York.

GOPEL (W.), HESSE (J.) et ZEMEL (J.N.). – Sensors,A Comprehensive Survey, volume 1 : Funda-mentals and General Aspect, volumes 2 et 3 :Chemical and Biochemical Sensors (VCHSuisse).

NOLTINGK (B.E.). – Instrumentation ReferenceBook. Part 2, chap. 5, p. 144-174 ; Part 4p. 1-199 (Butterworths GB).

R

PLUS

NormalisationNormes françaises (NF) et européennes (EN)NF EN 50054 (C 23-554) 7-92 Appareils électriques de détection et de

mesure des gaz combustibles. Règles géné-rales et méthodes d’essais.

NF EN 50055 (C 23-555) 7-92 Appareils électriques de détection et demesure des gaz combustibles. Règles de per-formances des matériels du groupe I pouvantindiquer jusqu’à 5 % (v/v) de méthane dansl’air.

NF EN 50056 (C 23-556) 7-92 Appareils électriques de détection et demesure des gaz combustibles. Règles de per-formances des appareils du groupe I pouvantindiquer jusqu’à 100 % (v/v) de méthane dansl’air.

NF EN 50057 (C 23-557) 7-92 Appareils électriques de détection et demesure des gaz combustibles. Règles de per-formances des appareils du groupe II pouvantindiquer jusqu’à 100 % de la limite inférieured’explosivité.

NF EN 50058 (C 23-558) 7-92 Appareils électriques de détection et demesure des gaz combustibles. Règles de per-formances des appareils du groupe II pouvantindiquer jusqu’à 100 % (v/v) de gaz.

EN 50014 (NF C 23-514) 4-93 Matériel électrique pour atmosphères explo-sibles. Règles générales.

EN 50015 (NF C 23-515) 5-82 Matériel électrique pour atmosphères explo-sibles. Immersion dans l’huile « o ».

EN 50016 (NF C 23-516) 5-82 Matériel électrique pour atmosphères explo-sibles. Surpression interne « p ».

EN 50017 (NF C 23-517) 5-82 Matériel électrique pour atmosphères explo-sibles. Remplissage pulvérulent « q ».

EN 50018 (NF C 23-518) 7-86 Matériel électrique pour atmosphères explo-sibles. Enveloppe antidéflagrante « d ».

EN 50019 (NF C 23-519) 7-86 Matériel électrique pour atmosphères explo-sibles. Sécurité augmentée « e ».

EN 50020 (NF C 23-520) 7-86 Matériel électrique pour atmosphères explo-sibles. Sécurité intrinsèque « i ».

EN 50028 (NF C 23-528) 12-87 Matériel électrique pour atmosphères explo-sibles. Encapsulage « m ».

EN 50039 (NF C 23-539) 10-81 Matériel électrique pour atmosphères explo-sibles. Systèmes électriques de sécuritéintrinsèque « i ».

Projet de norme

pr HD xxx Guide for the selection, installation, use andmaintenance of group II apparatus for thedetection and measurement of combustiblegases in potentially explosive atmospheres.[CLC/SC 31/9 (Sec) 102 April 1992 duCENELEC].

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EXPLOSIMÈTRES. DÉTECTEURS DE GAZ ____________________________________________________________________________________________________POUR

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Arelco ARS Monicon(Irlande)

Metrosonics(États-Unis)

Monicon(Irlande)

Photovac International(ionique)

GMD (États-Unis)

Autochim General Monitors(Irlande)

General Monitors(Irlande)

HNU Systems(États-Unis)

(ionique)

Cerberus-Guinard �

Comasec �

Coreci � �

Draeger � � (Tubes)

Eurojauge �

Fluidysteme � � Bionic (Japon)

Gazomat �

Gruter et Marchand Telegan (GB)

Icare � �

MSA France � �

Oldham France � �

OSI � �

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Befic (Pekly) � �

Solomat/Neotronics � �

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