Grâce à leur fiabilité et à la précision des valeurs affichées, les appareils de mesure des émissions de Testo bénéficient d’une très bonne réputation chez les clients dans le monde entier. Le réglage et la surveillance d’installations de chauffage ainsi que les mesures sur les systèmes de cogénération, les moteurs ou les turbines sont des applications typiques. La matrice des gaz est assez bien connue pour ces tâches, en fonction du combustible et du réglage de l’installation.
Par ailleurs, les appareils de mesure des émissions de Testo sont aussi employés pour la surveillance des processus les plus divers dans lesquels la composition des gaz peut fortement varier. Ce Whitepaper traite la question des interférences éventuelles des gaz qui est soulevée dans ce contexte, ainsi que les méthodes pour les gérer.
Le terme de « sensibilité croisée » décrit le fait qu’un capteur ne réagit pas seulement à la grandeur cible mais aussi à d’autres grandeurs d’influence. En d’autres termes : un capteur présentant une sensibilité croisée n’a pas de sélectivité parfaite. Pour les capteurs de gaz, ce défi est particulièrement élevé car la mesure d’une concentration de gaz spécifique devrait idéalement être possible dans n’importe quelle matrice de gaz complexe – avec des centaines de gaz et de vapeurs qui perturbent éventuellement la sélectivité. Ainsi, ce n’est pas étonnant que quasiment tous les principes de mesure utilisés dans les capteurs de gaz présentent une sensibilité croisée à un gaz associé. Les appareils de mesure paramagnétiques pour l’oxygène réagissent par exemple aussi au dioxyde d’azote et dans les procédés de chimiluminescence pour la détermination d’oxydes d’azote, l’ammoniac et le dioxyde de carbone sont des grandeurs interférantes. Les capteurs de gaz électrochimiques utilisés de préférence dans les appareils de mesure de Testo ne font pas non plus exception à la sensibilité croisée.
Figure 1 : Capteurs de gaz électrochimiques dans l’appareil de mesure testo 340
Le principe de fonctionnement d’un capteur de gaz électrochimique est d’abord expliqué à l’aide du schéma de la fig. 2. Le gaz à mesurer, par exemple le monoxyde de carbone (CO), doit passer par une barrière de diffusion (sous forme de capillaire ou de membrane) et, dans certains types de capteur, par un filtre chimique et arrive ensuite à l’électrode dite de travail. Cette dernière « baigne » dans un électrolyte, donc une solution aqueuse de nature acide ou alcaline. La molécule de gaz provoque une réaction chimique au niveau de l’électrode de travail, des ions se forment, par exemple des protons (H+) qui migrent vers la contre-électrode où ils réagissent avec l’oxygène présent sous forme dissoute dans l’électrolyte. Cela provoque en même temps un courant électrique qui est dérivé vers un circuit électrique extérieur et sert de mesure pour la concentration de gaz présente. La troisième électrode (électrode de référence) sert à stabiliser le signal du capteur.
Les électrodes doivent comporter un métal précieux (p.ex. du platine) comme catalyseur pour permettre ces réactions chimiques. Le choix de matériaux catalyseurs appropriés pour les électrodes est limité et les matériaux adéquats montrent leur effet catalytique pour différents gaz. Un mélange de différents catalyseurs permet d’augmenter la sélectivité vis-à-vis d’un gaz spécifique. Pourtant, il est inévitable que les capteurs de gaz électrochimiques présentent des sensibilités croisées. Une électrode en platine par exemple présente une forte activité catalytique et dans un capteur de gaz pour le CO, rempli d’acide sulfurique dilué en solution aqueuse, elle convertira aussi les gaz interférants suivants : NO, NO2, SO2 et H2.
Figure 2 : Capteur électrochimique pour CO et autres gaz (représentation schématique)
Comment peut-on donc minimiser ces sensibilités croisées indésirables dans les capteurs de gaz ou analyseurs de gaz afin d’obtenir une indication fiable et précise de la concentration, même dans les mélanges de gaz inconnus et complexes ? Différentes stratégies sont utilisées à cette fin :
Comme déjà mentionné, la méthode la plus importante consiste à choisir de manière ciblée les matériaux des catalyseurs ou les mélanges de catalyseurs pour l’électrode et l’électrolyte associé. Dans l’ensemble, l’état de la technique est au point pour les capteurs électrochimiques commercialisés sur le marché. Mais il est possible de réaliser encore des progrès dans le détail. A titre d’exemple, un nouveau capteur de SO2, insensible au CO, est décrit à la page 5.
Le choix d’une tension adéquate, appliquée à l’électrode de travail, permet également d’améliorer la sélectivité. Cette méthode est par exemple employée pour les capteurs de NO. L’électrode de travail utilise le graphite comme matériau catalyseur et une tension préalable supplémentaire de 300 mV par rapport à l’électrode de référence, également intégrée au capteur. De l’acide sulfurique aqueux est également utilisé comme électrolyte dans ce cas. Le potentiel électrochimique de ce système permet certes convertir le NO mais pas ou peu le NO2 et le CO, gaz fréquemment associés, ce qui confère aux capteurs électrochimiques une sélectivité relativement élevée.
De nombreux capteurs de gaz électrochimiques utilisent des filtres chimiques contre les interférences. Le matériau filtrant doit retenir les gaz interférants associés mais laisser passer sans obstacle le gaz cible afin de remplir la fonction de filtration.
Ce qui précède est un petit extrait. Voulez-vous en apprendre plus ?
Capteur de CO avec compensation H2
Compensation de sensibilités croisées
Particularités des analyseurs et capteurs de gaz de Testo
Limites de compensation des sensibilités croisées
Succès lors du perfectionnement du capteur de SO2
Conclusion