Critères d'explosivité
Soumis
à une source d'inflammation,
un
mélange d'air et de
gaz combustible
peut produire une explosion dans une plage de
concentration
comprise entre sa Limite Inférieure d'Explosivité (LIE) et sa Limite
Supérieure d'Explosivité (LSE). A l'extérieur de cette plage, le
mélange gaz/air est soit trop pauvre soit trop
riche
pour s'enflammer.
Les sources
d'inflammation peuvent être une
flamme,
une étincelle ou la chaleur.
En général, plus le nombre d'atomes
d'oxygène nécessaire à la combustion du gaz est élevé, plus la LIE est
faible. Des tables de valeur de la LIE et de la LSE sont attachées aux
documents normatifs tels que l'EN 50054 ou des Recommended
Practice tels que l'ISA-RP12.13. Ces tables ne constituent
pas
elles-même des normes mais
seulement
des données généralement
acceptées.
Les seuils de détections sont exprimés en « % LIE » du gaz ou du
mélange de gaz et non « % volume
gaz/volume air » ce qui signifie que 50 % de la LIE du méthane ne
représentent pas la même concentration de gaz que 50 % de la LIE du
butane.
Equivalence des termes français et anglais :
• LIE = LEL : Lower Explosive Limit ou LFL : Lower Flamable
Limit
• LSE = UEL : Upper Explosive Limit ou UFL : Upper Flamable
Limit
Principe de la détection catalytique
La
détection catalytique est basée
sur
l'oxydation des gaz ou
vapeurs
combustibles au contact d'un catalyseur
(palladium ou
rhodium).
Deux filaments bobinés de platine chauffés électriquement sont
recouverts de « perles » en céramique.
L'une
d'elle, qui sert pour
la mesure,
est imprégnée d'un catalyseur.
Les
deux perles (mesure et référence), sont
montées dans
une branche d'un pont de Wheastone.
Lorsqu'un mélange
air/gaz diffuse dans le détecteur, une oxydation catalytique se produit
dans la perle de mesure. La quantité d'énergie produite par l'oxydation
catalytique élève la température et modifie la résistance du filament
de platine, déséquilibrant la tension sur le pont. Le signal ainsi
obtenu est ensuite amplifié, linéarisé et converti en informations
numériques ou analogiques.Il est une fonction linéaire de la
quantité
de chaleur dégagée par l'oxydation c'est-à-dire de la concentration du
gaz combustible oxydé. Jusqu'à une concentration correspondant
approximativement à la LIE, la réponse du capteur est proportionelle à
la concentration du gaz.
Pour
assurer l'oxydation des combustibles à détecter, les filaments sont
portés à des températures élevées de l'ordre de 300 à 400°C. Pour
éviter qu'ils ne deviennent une source d'ignition d'un nuage de gaz,
ils sont protégés par un élément poreux qui fait barrière à la
propagation d'une flamme. Cette protection peut malheureusement
d'encrasser et devenir une cause de dysfonctionnement du capteur.
Réponse à des gaz différents
Tous les gaz combustibles au
contact de la perle catalytique sont à l'origine d'un signal mais,
chaque gaz ayant une vitesse de
diffusion
et une chaleur d'oxydation
propre
au contact du catalyseur,
la même
quantité oxydée ne produira pas le même signal.
Les détecteurs catalytiques sont donc
caractérisés par une réponse variable
aux
différents gaz.
Cependant ce n'est pas un handicap majeur dans
la mesure où il permet de détecter la présence de nombreux
gaz combustibles avec un
détecteur
calibré pour un seul
gaz.
Correction de la mesure
La réponse des capteurs est généralement exprimée en % de la LIE. Les
capteurs sont souvent
étalonnés pour du méthane. En présence d'un gaz différent l'indication
sera erronée. A l'inverse des détecteurs à faisceau infrarouge, le %LIE
est d'autant plus sous estimé que le nombre de carbone de la molécule
est élevé. Les constructeurs
fournissent des facteurs de correction de la mesure.
Par exemple avec un détecteur calibré avec du méthane, on pourra lire
une indication à 25%
de la LIE pour:
• 30 % LIE éthane/éthanol/éthylène
• 40 % LIE butane/propane
• 50 % LIE pentane/hexane/heptane
• 60 % LIE octane/styrène/xylène
Réponse à un mélange de gaz
A
moins de disposer d'un mélange étalon, il est difficile de régler un
détecteur pour un mélange de gaz en utilisant seulement les facteurs de
corrections fournis par le constructeur. Il est donc recommandé de
régler le détecteur en fonction du gaz pour lequel le détecteur est le
moins sensible; on sera ainsi assuré que le mélange sera détecté pour
des concentrations encore inférieures.
Température opératoire
La température
nécessaire pour l'oxydation du gaz combustible à mesurer est différente
selon la nature du gaz. Elle est plus élevée pour le méthane que pour
d'autres hydrocarbures ayant un nombre supérieur d'atome de carbone
dans leur molécule. On est donc assuré qu'un détecteur réglé pour
détecter le méthane, détectera également d'autres hydrocarbures. Par
contre l'inverse n'est pas toujours vrai. Un détecteur dédié à la
détection du butane par exemple pourra avoir été réglé avec une
température d'oxydation plus basse et se révéler incapable de détecter
du méthane.
Réponse à des mélanges air/gaz au delà de la LIE
En
présence de fortes concentrations de gaz, quand celle-ci dépasse la
concentration correspondant à la stoechiométrie de la réaction (Cst),
l'oxydation catalytique n'est
plus complète en raison d'un manque d'oxygène dans le mélange air/gaz.
Ainsi, une présence importante de gaz peut se traduire dans
un
premier temps par une
détection
puis par un retour du
signal
vers de faibles valeurs faisant croire à
un retour
vers des faibles concentrations.
Cette
situation, présente de réels dangers. Pour
parer partiellement cet inconvénient, la plupart des
constructeurs intègrent dans
leur système
un auto maintien du dépassement
de la
pleine échelle pour conserver
l'alarme
indépendamment de la mesure. Cependant la mesure instantanée peut toujours faire croire à une éloignement du danger.
Temps de réponse
Les temps de réponse des
détecteurs de gaz combustibles, qu'ils soient catalytiques ou IR, sont
fixées par la norme EN 50057. Elles concernent les performances minimum
que doivent atteindre les appareils pour être certifiés. Pour cette
norme, le T50 est de 10 s et le T90 de 30 s.
Les détecteurs nus
répondent largement à ces spécifications mais l'obtention de l'agrément
antidéflagrant impose la présence d'une barrière pare-flamme constituée
d'un fritté inox. Ce fritté allonge la durée de réponse qui reste
normalement à l'intérieur des spécifications pour un fritté neuf. Mais
un fritté colmaté (eau, poussières, sel, etc.) peut occasionner la
limitation de la diffusion du gaz dans le fritté.
T50 = le détecteur
étant initialement dans l'air propre, c'est l'intervalle de temps
séparant le moment où il est soumis à une atmosphère gazeuse et celui
où l'indication atteint 50 % de l'indication finale
T90 = idem pour 90 % de l'indication finale.
A
l'inverse des détecteurs infra-rouge, un détecteur catalytique génère
un signal nul permanent en l'absence de combustible à mesurer. Une
défaillance du capteur pourra ainsi passer longtemps inaperçue. Il est
donc important de tester régulièrement le bon fonctionnement du capteur
au moyen du gaz d'étalonnage.
Empoisonnement du catalyseur
Certains composés présents ans les
gaz à analyser peuvent contrarier l'action du catalyseur et donc
affecter la sensibilité du capteur.
- de fortes concentrations en hydrocarbures peuvent provoquer des dépôts de carbone
-
des composés halogénés utilisés comme agent d'extinction de feu ou
fluide frigorigène, peuvent inhiber temporairement l'action du
catalyseur.
- le silicium contenu dans certaines huiles
silicone, le soufre contenu dans certains gaz, le chlore, certains
métaux lourds, peuvent empoisonner définitivement le catalyseur et
rendre le capteur inopérant.