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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Coté haute pression partielle : O2 + 4e– >> 2O2– (ionisation)
Coté basse pression partielle : 2O2– >> O2 + 4e– (molécularisation)
La force électromotrice générée (E) répond à l’équation de Nernst.
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
