Les détecteurs de gaz sont le plus souvent destinés à prévenir tout accident ou
exposition accidentelle des travailleurs consécutif à une perte de
confinement d'un gaz. Les gaz qui doivent pouvoir être détecté peuvent
être:
- toxiques
- inflammables
Selon l'usage qui doit en être fait, ils peuvent être:
-
portable en permanence par un opérateur dans le but de l'alerter s'il pénètre dans une zone contaminée
-
transportable
pour être installé temporairement de manière fixe dans une zone de
chantier par exemple, afin d'alerter les ouvriers présents de
l'approche d'un nuage contaminé (balise)
-
fixe
et connecté au poste de conduite pour assurer une surveillance
permanente autour d'un équipement à risque (compresseur, four, ...) ou
dans un local (chaufferie, ...).
Les technologies des détecteurs de gaz
Capteur catalytiques
Deux filaments de platine bobinés et chauffés électriquement sont
recouverts de « perles » en céramique. L'une
d'elle, utilisée pour
la mesure,
est imprégnée d'un catalyseur (palladium ou
rhodium), tandis que l'autre, utilisée comme référence, ne l'est pas.
Lorsqu'un mélange
air/gaz diffuse dans le détecteur, une oxydation catalytique se produit
dans la perle de mesure provoquant sont échauffement. La variation de
température du filament fait varier sa résistance qui est mesurée et comparée à celle de la référence.
Ce
type de capteur, est largement utilisé pour la détection de gaz
combustible. Il n'est pas spécifique d'un gaz en particulier, mais
répoud à tout gaz combustible.
Capteur infra-rouge
La
détection infrarouge utilise le principe de l'absorption de certaines
longueurs d'onde du rayonnement infrarouge par
les
gaz combustibles. Il n'y
a donc
aucune réaction physico-chimique.
En
général, la longueur d'onde d'absorption est caractéristique
de
la liaison C-H des hydrocarbures (bande spectrale de 3.3 à 3.4 µm).
En
pratique, le principe de
mesure
utilise une méthode
d'absorption
différentielle qui compare le rayonnement
absorbé à
un rayonnement de référence dans la bande des 3.0 µm.
Ce
type de capteur est largement utilisé pour la détection de gaz
combustible. Il n'est pas spécifique d'un gaz en particulier, mais
répond à tout gaz hydrocarbure qui est en principe combustible. Il peut
au choix être utilisé comme détecteur ponctuel, ou permettre la
surveillance d'une zone étendue sur plusieurs dizaines de mètres.
Capteur à photo ionisation (PID)
La détection par photo ionisation est basée sur l’ionisation des
molécules par un rayonnement UV de haute énergie. Cette source
d’énergie permet d’extraire un électron aux molécules de substances organiques à charge
neutre. Les
ions formés sont collectés par des électrodes entre lesquelles est
établie une différence de potentiel. Les ions se déplacent dans le
champ électrique et génèrent un courant proportionnel à la
concentration en molécules ionisées.Il se produit ainsi un courant
électrique d’intensité proportionnelle à la concentration du
contaminant.
Capteurs électrochimiques
Des
capteurs électrochimiques spécifiques sont disponibles pour détecter la
majorité des gaz toxiques (CO, Cl2, H2S, SO2, ...).Ils sont constitués
d'un bain d'acide ou de sel dans lequel sont plongées des électrodes.
Le gaz à détecter est, selon sa nature, oxydé ou réduit à la surface de
l'électrode de mesure. Un courant est généré, proportionel à la
quantité de gaz qui a réagit.
Une teneur minimum en oxygène dans le
gaz à analyser est souvent nécessaire pour assurer la réaction.
L'électrolyte étant un milieu humide, il sera sensible à la température
et l'humidité du gaz à mesurer.
La spécificité au gaz à détecter est
assurée par le choix de l'électrolyte, du catalyseur et de filtres qui
absorbent ou réagissent avec les gaz pouvant interférer dans la mesure.
Détecteur à papier réactif
Le
gaz à mesurer percole à travers un papier imprégné d'un réactif
changeant de couleur au contact du polluant à détecter. L'intensité de
la couleur prise par le papier est proportionelle à la quantité de
polluant. Elle est mesurée par une cellule photoélectrique.
Le papier sensible forme une bande continue qui est déroulée dans le détecteur, et avance d'un pas à chaque mesure.
Détecteur à semi-conducteur
Une
couche d'oxyde de métal semi-conducteur est déposé sur un substrat non
conducteur entre deux électrodes. L'ensemble est chauffé à une
température telle que les atomes d'oxygène sont ionisés. Le capteur
devient donc conducteur de l'électricité.
En présence d'un gaz
étranger, celui-ci remplace une partie des atomes d'oxygène, ce qui
fait varier la conductibilité électrique du capteur. Ce changement est
proportionel à la concentration du gaz.
Ce détecteur est très
sensible et permet de détecter de très faibles concentrations (ppm),
mais n'est pas sélectif d'un gaz particulier. De plus il est sensible à
l'empoisonnement et aux variations d'humidité
Détecteurs à catharomètre
Il mesure la capacité du gaz à transmettre la chaleur et à s'échauffer au contact d'une surface chaude.
Il
est constitué de deux filaments parcourus par un courant électrique.
L'un est dans le courant du gaz à mesurer tandis que l'autre, servant
de référence, est placé dans un courant d'air propre. Une variation de
composition du gaz à mesurer, modifiera sa température d'équilibre et
donc sa résistance.
Ce type de capteur offre une très grande plage de mesure allant de quelques ppm à 100%.
Il
n'est pas spécifique à un gaz particulier, et ne permet pas de détecter
des gaz dont la conductibilité thermique est proche de celle de l'air
tels que ammoniac, monoxyde de carbone, monoxyde d'azote, ...
Détection 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 (annexe) 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.
Certains pays (Allemagne, Europe du Nord) recommandent des
valeurs plus basses pour la LIE et plus élevées pour la LSE.
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
Les détecteurs de gaz combustibles
Les
différents principes de
détection
utilisés pour la détection
des gaz
combustibles à des fins de
prévention des
risques d'explosion sont :
• la détection catalytique,
• la détection par conductivité thermique (catharomètrique),
• la détection par semi-conducteur,
• la détection ponctuelle infrarouge,
• la détection par barrière infrarouge.
Les
principes les plus courants
sont la détection catalytique
et la
détection infrarouge.
| Techniques de détection
|
Gaz ou vapeurs combustibles indétectables
|
Gaz ou vapeurs combustibles couramment détectés
|
| Catalytique |
Composés
organochlorés
ATTENTION: phénomène d'inhibition
très probable
|
Hydrocarbures,
alcools, cétones,
éthers,
esters, ammoniac, amines
|
| Catharométrique |
Butane,
propane, acétylène,
éthylène
|
Hydrogène,
méthane,
organochlorés
|
| Semi-conducteur |
|
Tous |
| Infrarouge |
Hydrogène |
Hydrocarbures,
alcools, cétones,
éthers,
esters, ammoniac, amines
|
| Electrochimique |
Alcanes légers |
Hydrogène, éthylène |
La détection des mélanges de gaz combustibles
Les
détecteurs sont généralement calibrés en usine pour le méthane, le
butane ou un gaz spécifique à la demande du
client.
Leur utilisation pour un
mélange de
gaz différent du gaz
de calibration
peut conduire à des écarts
générateurs
de fausses alarmes ou
de situations
dangereuses non détectées.
Il n'y a
pas de règle générale
pour évaluer
la réponse d'un détecteur
à un
mélange de gaz. Chaque modèle
de
détecteurs, qu'il soit
catalytique ou
IR, a une réponse
spécifique aux
différents gaz. Les constructeurs sont sensés
fournir des
tables de réponse selon les gaz dans la documentation du
matériel. Ces tables sont
indicatives
et donnent des valeurs
moyennes de
correction sur des lots de
capteurs.
Dans les cas où
les mélanges de gaz
combustibles
comportent un gaz majoritaire,
l'incertitude sur la correction reste limitée. Dans
les
autres cas, il convient d'utiliser avec précaution les tables de
correction et de vérifier la réponse des capteurs avec un gaz de
référence.
Rappels : Les détecteurs catalytiques sont peu sélectifs
mais donnent une réponse globalement linéaire quel que soit le gaz
détecté et quel que soit le gaz de
calibration.
Les détecteurs infrarouge sont
plus sélectifs
mais ne donnent une réponse linéaire que pour le gaz de calibration.
Les détecteurs IR ne détectent pas l'hydrogène.
Choix d'un détecteurs de gaz combustible
Le
principe de détection et le type de détecteur à installer dépendent de
la zone ou de l'équipement à surveiller, de l'environnement industriel
ou climatique de la détection et de considérations économiques.
Aucune technologie ne peut répondre seule
à
tous les cas de
figure. Le
choix doit donc se
faire en
étudiant les contraintes de la
détection afin
d'assurer la sécurité souhaitée au meilleur coût.
•
Les détecteurs catalytiques
représentent
une technologie éprouvée et
largement
utilisée. Ils sont moins onéreux à l'achat que les détecteurs
infrarouge mais plus sensibles aux aléas climatiques et industriels.
•
Les détecteurs infrarouge
représentent
une technologie plus récente
et
moins utilisée. Ils
sont plus onéreux que
les
détecteurs catalytiques mais
leurs prix,
en diminution constante, tendent
vers
ceux des détecteurs
catalytiques
équivalents. Ils sont réputés
plus
fiables et offrent une meilleure
disponibilité que
les détecteurs catalytiques.
D'une
manière générale, on implantera
préférentiellement les détecteurs
infrarouge
partout où la maintenance doit être réduite ou une
réponse
rapide exigée.
Détection de gaz toxique
Limites usuelles d'exposition aux gaz toxiques
Valeur limite d'exposition (VLE)
Maintenant
nommée Valeur Limite d'Exposition Professionelle Court Terme (VLEP CT)
dans la règlementation française. C'est une concentration du produit
considéré en ppm.
C'est la concentration à ne pas dépasser pour un temps d'exposition de
15 mn.
Elle vise à prévenir un risque d'intoxication aiguë dûe à un pic d'exposition.
Valeur moyenne d'exposition (VME)
Maintenant nommée Valeur Limite d'Exposition Professionelle sur 8 heurs (VLEP 8h) dans la règlementation française.
C'est la concentration moyenne maximum auquel
une personne peut être exposée pendant un poste de travail quotidien (8
heures).
Elle
vise à prévenir les effets différés d'une exposition prolongée à un
polluant. Elle peut être momentanément dépassée, sans excéder la VLE.
Sources de données
En
europe les valeurs limites d'exposition sont fixées par un comité
d'experts (Scientific Committee on Occupational Exposure Limits
ou SCOEL) et publiées sous forme de directives.
Aux Etats Unis c'est l'OSHA (Occupational Safety and Health Administration) qui fixe et publie des valeurs règlementaires.
Que
ce soit en Europe ou aux Etats Unis, les valeurs limites sont fixées
sur la base de travaux scientifiques internationaux. C'est pourquoi on
retrouve souvent les mêmes valeurs dans les différentes
règlementations. Si une substance particulière n'a pas fait l'objet
d'une publication dans la règlementation française ou européenne, il
est admis d'adopter les valeurs publiées dans la règlementation
américaine si elles existent.
Exemples de valeurs limites
| Substance | VME
ppm | VLE
ppm |
|---|
| Ammoniac | 10 | 20 |
| Acide cyanhydrique | 2 | 10 |
| Benzène | 1 | |
| Hydrogène sulfuré | 5 | 10 |
| Formaldéhyde | 0,5 | 1 |
Technologies de détecteurs de gaz toxique
| Technologies de détecteurs de gaz toxiques | Domaine d'utilisation | Limitations |
|---|
| Capteurs électrochimiques | spécifique à un gaz | |
| Semi conducteur | | non spécifique à un gaz
sensible à l'empoisonnement et à l'humidité |
| Catharomètre | ppm à 100% | non spécifique à un gaz
ne permet pas la détection de gaz dont la conductivité thermique est proche de celle de l'air |
| Papier réactif | spécifique à un gaz ou une famille de gaz | équipement mécanique à maintenir |
Contrôle de la teneur en oxygène
Les incendies (de liquides ou de solides) ou les explosions (de gaz ou de
poussières) ne peuvent généralement pas se développer si l'atmosphère contient
moins de 8% d'oxygène. Le remplacement total ou partiel de l'air
atmosphèrique par un gaz inerte (généralement de l'azote) ou de l'air appauvri
en oxygène est une méthode courante pour éviter ces risques.
Par contre l'azote ou l'air appauvri n'entretenant pas
la vie, l'inertage de capacités fait courir au personnel un risque asphyxie:
- Si
la teneur en oxygène en oxygène est inférieure à 17% volume, le port
d'un appareil respiratoire est nécessaire, et un contrôle doit être
organisé pour en interdire l'accès aux femmes enceintes et au personnel
non informé et non équipé.
- En dessous de 13% volume, le manque d'oxygène peut provoquer des effets irréversibles pour la santé, voire le décès.
Les
contrôleurs de teneur en oxygène sont généralement des capteurs
électrochimiques. Le milieu électrolyte est une solution de potasse.
Normes applicables
Afin de définir des exigences techniques, il est possible de se
reporter aux normes ou codes
suivants qui définissent des prescriptions techniques :
− Normes Européennes EN 50054 à EN 50058 - "Appareils électriques de
détection
et de mesure des gaz combustibles" – Règles générales et méthodes
d’essais ; règles
de performances.
− Norme Européenne EN 50073 - "Guide de choix, d’installation et de
maintenance
des détecteurs industriels de gaz combustibles".
