Dans un article précédent intitulé « Comment fonctionne un analyseur d’oxygène », nous avons détaillé et expliqué les principes des technologies les plus employées en analyse de gaz afin de déterminer la concentration en oxygène d’un mélange gazeux.
Nous y avons en effet passé en revue les technologies de mesure de l’oxygène suivantes :
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.
L’analyseur d’oxygène est l’analyseur de gaz le plus utilisé dans l’industrie et dans la recherche. Le panel d’applications est par conséquent extrêmement diversifié. En effet, un analyseur d’oxygène est utilisé chaque fois que la mesure de la concentration d’oxygène est importante pour garantir la qualité, la sécurité ou l’efficacité d’un produit ou d’un processus.
Les analyseurs d’oxygène sont par exemple utilisés pour contrôler l’air respirable dans le cockpit d’un avion, pour réguler la combustion d’un incinérateur de déchets, pour mesurer la quantité d’oxygène dans les emballages alimentaires sous vide, ou encore afin de prévenir les risques d’explosion en mesurant la teneur en oxygène dans les réservoirs de stockage de pétrole.
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.
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
Le choix de l’analyseur d’oxygène en termes de technologie embarquée dépendra notamment du niveau de concentration d’oxygène au sein du mélange gazeux à analyser, et des performances de mesure requises.
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.
Pour des niveaux plus élevés d’oxygène (de 1 à 21%, voire au-delà), l’analyseur d’oxygène le plus utilisé est l’analyseur d’oxygène paramagnétique. L’analyseur d’oxygène zircone et l’analyseur d’oxygène électrochimique sont également très répandus pour mesurer les taux d’oxygène entre 0% et 25%.
Il est important de choisir la bonne technologie pour assurer des mesures précises et fiables en fonction du niveau de concentration d’oxygène concerné.
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.
Lors du choix d’un analyseur d’oxygène, en plus du niveau de concentration de l’oxygène lui-même, il est important de tenir compte de la composition globale du mélange gazeux analysé.
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.
A l’inverse, l’utilisation d’un analyseur d’oxygène zircone est à éviter lorsque le mélange analysé contient de fortes quantités de composés soufrés, mais également s’il est inflammable. En effet, dans le premier cas, le capteur zircone serait prématurément dégradé, et dans le second, la mesure serait totalement inhibée.
Il sera également intéressant de choisir un analyseur d’oxygène Laser en cas de mélange gazeux corrosif, et ce à condition que l’analyseur de gaz Laser soit de type in situ traversant. Dans ce cas de figure, il n’y a aucun contact entre le mélange gazeux corrosif à analyser et les composants de l’analyseur, car une purge à l’air ou à l’azote permet de protéger ces derniers.
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.
Lors du choix d’un analyseur d’oxygène pour une application donnée, le critère le plus délicat à appréhender est certainement celui de l’environnement et des contraintes d’installation.
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.
Carrousel5 critères essentiels pour choisir entre analyse de gaz in situ ou extractive
Téléchargez le carrousel et choisissez l’analyseur de gaz adapté à votre application industrielle !
L’une ou l’autre de ces configurations sera favorisée selon des critères d’encombrement et d’accessibilité, de conditions ambiantes, de performances requises, de maintenabilité, de budgets et de cycle de vie de la solution.
D’une manière générale, un analyseur d’oxygène in situ sera préféré lorsque peu d’espace est disponible à proximité du point de mesure. Mais il faudra alors prêter attention aux conditions ambiantes au niveau du point de piquage. On parle ici de contraintes en termes de vibrations, de températures, de zones explosibles, ou encore de présence d’un champ magnétique puissant.
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.
L’analyseur d’oxygène zircone et l’analyseur d’oxygène Laser sont tous deux très classiquement utilisés dans les deux configurations.
Les bénéfices de l’analyseur d’oxygène Laser sont pour autant bien mieux exploités lorsqu’il est monté in situ et traversant. En effet, comme nous l’avons vu plus haut, la purge permanente des optiques permet une analyse directe, sans maintenance, et avec un temps de réponse très court. Il faudra toutefois prêter attention aussi à l’éventuelle présence de vibrations à basses fréquences, susceptibles de perturber l’alignement des optiques.
Enfin l’analyseur d’oxygène électrochimique est quasiment exclusivement utilisé dans des environnements protégés en mode extractif.
Selon la technologie employée, un analyseur d’oxygène peut nécessiter des utilités telles qu’une alimentation électrique ou un gaz de référence.
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.
Il pourra la plupart du temps se brancher directement sur le réseau alternatif local (115-230 VCA), mais nécessitera un convertisseur dans le cas d’un appareil alimenté en tension continue (24VCC en général).
Il est donc, dans la majorité des projets, et ce quelle que soit la technologie employée, nécessaire d’acheminer une alimentation électrique adaptée jusqu’au point d’installation de l’analyseur d’oxygène.
En revanche, d’une technologie à l’autre, les gaz d’utilités nécessaires sont différents.
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.
Par exemple, si l’installation est équipée d’un analyseur infrarouge mesurant le CO (monoxyde de carbone) entre 0 et 1000 ppm, et d’un analyseur d’oxygène paramagnétique mesurant entre 0 et 21%, une même bouteille contenant 900 ppm de CO dans de l’azote pourra être utilisée pour l’étalonnage zéro de l’oxygène comme pour l’étalonnage d’échelle du CO.
Quelle que soit la technologie employée pour l’analyseur d’oxygène, le gaz de calibrage d’échelle devra être une teneur en oxygène proche de la pleine échelle de l’analyseur. Si l’échelle de mesure est 0-21%, une bouteille contenant 20% d’oxygène dans de l’azote, par exemple, pourra être utilisée.
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.
Pour tout projet, la phase de budgétisation est déterminante. Les exigences techniques guident les équipes projet et les services achats. Mais l’inverse est également valable, tant le budget alloué au projet ou au module concerné aura aussi un impact sur la latitude dont l’ingénieur disposera pour concevoir la solution recherchée.
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.
Les utilités nécessaires au fonctionnement de l’analyseur d’oxygène représentent, elles aussi, un coût à l’achat. Leur mise en place nécessitera non seulement des approvisionnements de matériel, mais également des prestations de mise en place. Celles-ci vont de la simple logistique jusqu’aux travaux potentiellement lourds de génie civil, de chaudronnerie avec souvent des travaux en hauteur nécessitant d’ériger des échafaudages.
Le coût d’achat d’un analyseur d’oxygène est variable selon la technologie choisie. Les analyseurs d’oxygène électrochimique et zircone sont en général les moins onéreux. Viennent ensuite les analyseurs d’oxygène paramagnétique, dont la technologie est légèrement plus coûteuse. Enfin, les analyseurs d’oxygène Laser nécessitent, à l’achat, des budgets plus élevés.
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.
Les analyseurs d’oxygène zircone montés in situ (analyseur installé directement sur le procédé industriel, la conduite, la cheminée, le four …) requièrent très peu de maintenance. En outre, et à condition d’être judicieusement choisis et installés, ils sont souvent robustes et leur durée de vie est normalement importante.
Lorsque la technologie d’analyse d’oxygène zircone est utilisée dans un analyseur extractif, cette même robustesse reste un atout en termes de réduction des opérations de maintenance, mais il subsiste un entretien nécessaire du système d’échantillonnage.
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.
Une fois le besoin technique défini, il est donc important d’évaluer non seulement les coûts d’achat et de mis en place de l’analyseur d’oxygène, mais également les charges d’exploitation. Celles-ci seront liées au bon fonctionnement de l’équipement tout au long du projet, voire en fin de cycle de vie du produit. Ces dernières composantes seront d’ailleurs de plus en plus élevées dans les années futures en raison des évolutions des coûts de la main d’œuvre, de l’énergie et des matières premières.
