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RÉSUMÉ
La méthode de la spectrométrie photoacoustiques (SPA) est l’objet principal de cet article. Cette méthode permet de détecter et d’analyser les gaz toxiques et polluants avec fiabilité. Pour commencer, le principe d’ensemble de cette méthode est abordé, avec l'historique de la technique et la spectrométrie photoacoustique moderne. L'analyse du processus de détection de gaz s'avère indispensable au travers des bruits en détection, du rapport signal sur bruit et des améliorations du signal. Le cas de l’application à la détection du gaz méthane est également abordé dans cet article.
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Photoacoustic spectrometry (PAS) is the main subject of this article. This method allows for the reliable detection and analysis of toxic gases and pollutants. To begin with, the overall principle of this method is presented together with the history of the technique and modern photoacoustic spectrometry. The analysis of the gas detection process via noise detection, signal-to-noise ratio and signal improvement appears to be essential. The application to methane gas detection is also dealt with in this article.
Auteur(s)
-
Virginie ZENINARI : Docteur en physique de l’université de Reims Champagne Ardenne (URCA) - Maître de conférences, habilitée à diriger des recherches à la faculté des sciences exactes et naturelles de Reims (URCA)
INTRODUCTION
Le principe de la spectrométrie photoacoustique (SPA) consiste à exciter un échantillon avec une lumière modulée de longueur d’onde définie. Les molécules absorbent une partie de l’énergie lumineuse qu’elles convertissent, après désexcitation, en un signal acoustique capté par un microphone. La SPA est une méthode, à la fois très stable et facile d’emploi, permettant de détecter de très faibles concentrations de gaz, et très efficace, notamment à la pression atmosphérique ; la dynamique de mesure s’étend sur, au moins, 5 ordres de grandeur.
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Détecteurs photoacoustiques multigaz dans l’air4. Application à la détection du gaz méthane
4.1 À propos du méthane
La détection du méthane est un sujet qui a toujours été intéressant. Autrefois, sa détection était nécessaire, dans les mines, pour éviter les coups de grisou. La détection du CH4 a fait l’objet de nombreux dépôts de brevets. Actuellement, presque tous les détecteurs commerciaux de méthane sont basés sur l’ionisation de flammes. Cette technique est relativement simple : durant une combustion normale, une proportion stable des molécules de CH4 (environ 0,0002 %) s’ionise temporairement en ion carbone C+ et en électrons e–. La flamme produit l’énergie pour cette ionisation. Ce phénomène a une très courte durée de vie et les composants chargés se recombinent rapidement en produit de combustion quand ils perdent de l’énergie :
Cependant, si cette réaction se produit dans un champ électrostatique, les charges positives sont attirées par l’électrode à haute tension négative et les électrons par l’électrode chargée positivement. Le courant résultant est amplifié et un étalonnage permet de retrouver la concentration, en volume, de molécules d’hydrocarbures de l’échantillon. Cette technique est très sensible mais non sélective, car elle décompose l’échantillon de gaz dans une flamme, qu’il s’agisse du méthane CH4, du propane C3H8 ou du butane C4H10, ce qui peut introduire de fausses alarmes. De plus, l’échantillon de gaz est détruit pendant le processus et donc aucune analyse ultérieure n’est possible.
Un nouveau type d’instruments, à partir de technologies IR, est à l’étude car il a l’avantage d’être spécifique. Ce point est crucial car les compagnies gazières qui doivent surveiller leur réseau, pour rechercher les fuites, veulent être sûres qu’il s’agit, véritablement, de méthane, avant d’envoyer sur place, pour vérifier, des équipes logistiques qui coûtent très cher.
La concentration de méthane dans l’air ambiant est, de nos jours, d’environ 1,7 ppm. Il faut un système extrêmement performant pour réaliser...
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Application à la détection du gaz méthane
ANNEXES
1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs
1.1 Systèmes Omnisens (Suisse) http://www.omnisens.ch/
Les analyseurs de traces de gaz de Omnisens combinent la spectrométrie photoacoustique avec une technique de détection innovante et très sensible. Cela permet d’obtenir un temps de réponse rapide, une limite de détection basse et un fonctionnement sans recalibration périodique. L’appareil TGA320-X permet de détecter l’ammoniac (NH3) pour des applications dans les salles d’élaboration des semi-conducteurs. En effet, dans les industries de fabrication des semi-conducteurs, la contamination par l’ammoniac est un problème croissant, car des concentrations de gaz, de plus en plus faibles, peuvent ruiner des productions entières. Ainsi, la détection de traces de gaz ammoniac est une clé pour l’amélioration de la productivité. L’appareil TGA310 est dédié à la détection de l’ammoniac pour les applications environnementales : pollution de l’air, technologies propres dans l’industrie, production d’énergie, risques sur la santé. L’appareil...
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