Détecteurs catalytiques de gaz combustible

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.