Lorsqu’il s’agit de protéger les environnements industriels contre les fuites de réfrigérants, le choix de la technologie de détection joue un rôle essentiel. Un large éventail de technologies de détection de gaz est prêt à être déployé. Chaque technologie présente des avantages et des inconvénients qui lui sont propres, ce qui rend le processus de sélection délicat. Le voyage commence par l’identification du réfrigérant spécifique à détecter et la détermination du niveau de concentration auquel les alarmes de gaz réfrigérant doivent être activées, jetant ainsi les bases d’une prise de décision éclairée. Cependant, en approfondissant la question, on s’aperçoit que même au sein de catégories spécifiques de technologies de capteurs de réfrigérant, il existe des variations significatives, ce qui nécessite une compréhension approfondie des options et un équilibre entre les avantages pour l’application et le coût de la mise en œuvre. Le paysage dynamique des technologies de capteurs de gaz doit être démêlé pour comprendre les complexités de la détection moderne des réfrigérants.

Capteurs à semi-conducteurs

Les capteurs à semi-conducteurs, également connus sous le nom de capteurs à oxyde métallique, sont des outils polyvalents pour la détection des gaz réfrigérants. Ces capteurs sont capables de détecter une large gamme de gaz à des concentrations mesurées en parties par million (ppm) ainsi que dans des plages de combustibles pour les gaz inflammables. Généralement composée d’oxydes métalliques déposés sur une plaquette de silicium, la surface du capteur est chauffée à des températures allant de 300 à 800 ºF (149 à 426 ºC), en fonction des gaz ciblés. La composition des oxydes mélangés et la température de fonctionnement déterminent la réponse du capteur à divers gaz toxiques, vapeurs et réfrigérants.

En fonctionnement normal, les molécules d’oxygène de l’atmosphère adhèrent à la surface du capteur, créant ainsi une barrière de résistance. Toutefois, lorsqu’un gaz réducteur entre en contact avec le capteur, comme dans le cas d’une fuite de réfrigérant, ces molécules d’oxygène subissent une réaction d’oxydoréduction, ce qui modifie la résistance et augmente la conductivité électrique. Ce changement de conductivité est ensuite mesuré et corrélé pour déterminer la concentration du gaz présent.

Malgré leur polyvalence, les capteurs à semi-conducteurs présentent certains inconvénients. Ils manquent de sélectivité et peuvent réagir à n’importe quel gaz réducteur, ce qui peut donner lieu à de fausses alertes. En outre, ils peuvent être affectés par des facteurs tels que la vapeur d’eau, l’humidité élevée, les fluctuations de température et les faibles niveaux d’oxygène, ce qui augmente encore le risque de fausses lectures.

Concrètement, les fausses alarmes peuvent provenir de l’exposition à divers matériaux, notamment des solvants, des produits de nettoyage, des émissions de gaz d’échappement des véhicules et de l’hydrogène provenant des stations de recharge électrique (par exemple, des chariots élévateurs à fourche). Pour atténuer ce problème, l’utilisation d’une fonction de retardement de l’alarme peut s’avérer efficace. Cette fonction garantit que le détecteur de fuites ne déclenche pas immédiatement une alarme, mais qu’il s’active après une période déterminée, ce qui permet aux gaz transitoires de se dissiper et réduit la probabilité de fausses alarmes.

Bien que les capteurs à semi-conducteurs aient leurs limites, ils sont très rentables et restent des outils précieux dans les applications de détection des gaz réfrigérants, y compris la détection des fuites de réfrigérants HFC et HFO. Il est essentiel de comprendre ces limites et d’employer des stratégies d’atténuation appropriées pour garantir une détection précise et fiable des gaz dans les environnements industriels commerciaux.

Capteurs infrarouges

La technologie des capteurs infrarouges (IR) repose sur un principe fondamental : l’absorption du rayonnement infrarouge par le gaz cible à mesurer. Ce principe s’applique à différents gaz, notamment les HFC, les HFO et le_CO2, dont les liaisons chimiques absorbent l’énergie infrarouge à des longueurs d’onde spécifiques du spectre infrarouge. Notamment, la plupart des réfrigérants, y compris les HFC et les HFO, absorbent la lumière autour de la longueur d’onde de 9 μm, en raison des liaisons hydrogène-fluor.

Dans la pratique, la mesure a lieu lorsque l’air provenant de l’emplacement de l’échantillon pénètre dans un banc optique, soit par diffusion, soit par aspiration de l’échantillon. Dans cette configuration, la lumière émise par une source infrarouge traverse le gaz dans le banc et est dirigée vers un élément de détection. Les parois du capteur, souvent micro-polies et plaquées de métaux précieux, améliorent la réflectivité pour assurer un passage maximal de la lumière et de l’énergie, optimisant ainsi la réponse du détecteur infrarouge et la résolution de la mesure. La réduction de l’intensité de la source de lumière infrarouge, attribuée à la présence du gaz cible, est en corrélation directe avec la concentration du gaz. L’électronique interne et le logiciel traitent ces données pour produire un signal de sortie linéarisé, facilitant ainsi une mesure précise.

Pour les HFC et les HFO, la taille du banc optique, ou plutôt la longueur du trajet par lequel la lumière infrarouge passe à travers le gaz, apparaît comme un facteur critique influençant la résolution et la précision. Des longueurs de trajet plus importantes sont essentielles pour obtenir une résolution et une précision élevées. Ces longueurs de trajet plus importantes sont généralement limitées aux systèmes aspirés dans les applications de détection des réfrigérants, en raison de leur taille et de leur coût relativement élevé. Ce niveau de technologie des capteurs infrarouges, bien que supérieur en termes de résolution et de précision, peut présenter des difficultés pour le déploiement de plusieurs capteurs dans une installation en raison de la taille plus importante des capteurs. Les considérations économiques orientent encore davantage la conception des systèmes vers des configurations centralisées.

Les capteurs infrarouges de réfrigérant de petit format sont plus couramment utilisés dans les détecteurs de gaz à diffusion, car ils sont plus économiques et donc plus faciles à déployer dans un système de détection distribué. Bien qu’ils n’offrent pas le même niveau de précision ou la même limite inférieure de détection pour les HFC et les HFO, ils présentent les mêmes avantages que ceux généralement attribués à la technologie des capteurs de gaz à infrarouge.

Les capteurs de réfrigérant_CO2 sont généralement disponibles dans un format plus petit, car l’absorption se fait par strings, ce qui signifie qu’une plus grande longueur de trajet est moins nécessaire. Un facteur clé dans la détection des fuites de_CO2 est de s’assurer qu’un capteur et un détecteur de gaz réfrigérant avec un temps de réponse suffisamment rapide sont sélectionnés, à la fois pour répondre aux exigences des normes de sécurité des réfrigérants et pour assurer la sécurité du personnel exposé à une fuite d’un système de_CO2.

Les capteurs infrarouges bénéficient d’une immunité aux effets des gaz croisés ou aux interférences dans les applications de réfrigération, associée à de bons niveaux de résolution et de précision. Les variations de température sont compensées efficacement par le logiciel du capteur, et la spécificité de la mesure ne vise que le réfrigérant. Il n’est donc pas affecté par le type d’interférence transitoire des gaz croisés qui peut affecter les capteurs à semi-conducteurs.

Un capteur infrarouge bien conçu est très stable, ne peut pas être empoisonné et n’a pas tendance à dériver dans le temps. Cela réduit encore le risque de fausses alarmes et garantit une longue durée de vie du capteur, généralement d’environ 10 ans. Cette longue durée de vie et cette stabilité peuvent rendre les capteurs infrarouges particulièrement adaptés aux applications où les capteurs sont intégrés directement dans des appareils tels que les pompes à chaleur ou les vitrines réfrigérées.

Les caractéristiques des capteurs infrarouges pour réfrigérants en font un excellent choix pour les applications de détection de fuites de HFC et de HFO où la précision des mesures est primordiale ou lorsque les conditions ambiantes et les gaz interférents posent des problèmes potentiels. Bien que son prix soit plus élevé, la technologie de détection infrarouge est plus performante que les capteurs à semi-conducteurs lorsqu’elle est appliquée aux HFC et aux HFO, ce qui renforce son attrait dans les scénarios de détection de gaz où il est avantageux de détecter un niveau inférieur. Pour le_CO2, un détecteur de gaz réfrigérant avec un capteur infrarouge est la seule option réaliste, d’où l’importance du choix du détecteur en fonction de son adéquation à l’application et à l’environnement dans lequel il sera installé.

Technologies de détection émergentes

De nouvelles technologies de capteurs pour la détection des fluides frigorigènes ont commencé à émerger ces dernières années. Pour la plupart, elles se limitent à des applications de détection dans la gamme d’inflammabilité, donnant des résultats en pourcentage de la limite inférieure d’inflammabilité (%LFL) plutôt qu’en niveaux inférieurs de ppm.

La technologie de mesure acoustique fonctionne de la même manière que les capteurs infrarouges, sauf que dans ce cas, il n’y a pas d’absorption d’une source lumineuse, mais plutôt la réduction de la vitesse d’une onde sonore lorsqu’elle traverse la chambre de mesure. La vitesse à laquelle l’onde sonore traverse la distance entre l’émetteur et le détecteur est assimilée à la concentration de gaz. Tout en affirmant une réduction de l’effet des facteurs environnementaux par rapport aux technologies plus traditionnelles de détection des réfrigérants, la gamme des gaz détectables semble être plus restreinte, la mesure des parties par million n’est pas actuellement disponible pour les réfrigérants, et les données semblent limitées pour effectuer une comparaison significative avec la sélectivité de la détection infrarouge. Néanmoins, il s’agit d’un développement intéressant dans les options de détection des gaz réfrigérants.

Les capteurs de gaz Molecular Property Spectrometer™ ont fait leur apparition dans les applications de détection des gaz réfrigérants, encore une fois ciblées et limitées à la mesure du %LFL des réfrigérants inflammables (et d’autres gaz inflammables). Le fabricant unique vante les mérites d’une très longue durée de vie du capteur, d’une immunité à l’empoisonnement et de l’absence de fausses alarmes. Pour la détection des gaz réfrigérants, les avantages ne semblent pas très différents de ceux des capteurs de réfrigérants à infrarouge, même si la gamme d’applications est plus limitée. Peu de données semblent être disponibles sur le principe de mesure, ce qui rend difficile une comparaison technologique par rapport aux besoins des applications de détection des fuites de réfrigérant.

Capteurs électrochimiques pour la détection des fuites de _NH3

Les capteurs à semi-conducteurs et les capteurs à billes catalytiques, ou le type couramment utilisé pour la détection des gaz inflammables, peuvent être utilisés pour détecter des concentrations élevées d’ammoniac proches de sa LII de 15 %/vol.

Une détection à un niveau inférieur est également nécessaire en raison des effets toxiques de l’ammoniac à de faibles concentrations.

Les normes et réglementations varient d’un pays à l’autre, mais les niveaux habituels sont les suivants.

Concentration de NH3 dans l’air	Effets
25ppm	Limite d’exposition à long terme – 8 heures TWA
35-50 ppm	Limite d’exposition à court terme – 15 minutes, quelques désagréments physiques
70-300ppm	Irritation sévère du nez, de la gorge et des voies respiratoires, risque d’accumulation de liquide dans les poumons
300 ppm	Limite IDLH (danger immédiat pour la vie et la santé)
5 000 ppm	Arrêt respiratoire rapide
15-28%	Inflammable, explosif

La détection à un niveau inférieur est réalisée à l’aide de capteurs électrochimiques, qui peuvent être spécifiquement adaptés à différentes plages de mesure.

Dans le principe de fonctionnement d’une cellule électrochimique pour le _NH3, le gaz se diffuse à travers une membrane perméable au gaz jusqu’à une électrode où il est soit réduit, soit oxydé. En termes simples, le capteur se compose d’une électrode de détection/travail, d’une contre-électrode, d’une électrode de référence et d’un électrolyte.

Une réaction d’oxydoréduction au niveau de l’électrode de détection et de la contre-électrode produit un signal électrique proportionnel à la concentration de gaz ammoniac.

2 _NH3 → _N2 + 6 ^H+ + 6 ^e-

_O2 + 4 ^H+ + 4 e- ^→ 2_H2O

Pour améliorer la stabilité, une électrode de référence maintient une tension constante sur l’électrode de détection afin de compenser la dégradation de l’électrolyte due à la réaction à la surface de l’électrode, ce qui prolonge la durée de vie du capteur. Néanmoins, la durée de vie typique de la plupart des capteurs électrochimiques de _NH3 est d’environ deux ans. Il existe toutefois sur le marché des détecteurs de gaz réfrigérants dotés de capteurs _NH3 éprouvés sur le terrain et dont la durée de vie dépasse cinq ans.

D’une manière générale, l’utilisation de capteurs d’ammoniac présente certains inconvénients qu’il convient de prendre en compte pour s’assurer que les routines d’entretien et les pratiques d’installation adéquates permettent d’obtenir un système de détection des fluides frigorigènes efficace. Il est essentiel de noter la durée de vie limitée des capteurs électrochimiques, dont le coût est relativement élevé. Idéalement, c’est le capteur, et non l’ensemble du détecteur de gaz, qui devrait pouvoir être remplacé sur le terrain. Les capteurs peuvent également être empoisonnés par des contaminants ou même par une surexposition à des niveaux très élevés d’ammoniac, et ils peuvent être affectés par des niveaux d’humidité très élevés ou très bas.

Cet inconvénient est compensé par les avantages de la détection du _NH3 à l’aide de capteurs électrochimiques. Le degré de sélectivité est élevé et les fausses alarmes sont peu probables. La précision est très bonne et des niveaux d’ammoniac suffisamment faibles peuvent être détectés de manière fiable et efficace.

Choisir le bon capteur

Le choix d’un détecteur de gaz réfrigérant et de la technologie de capteur de réfrigérant utilisée est par nature une décision subjective, qui dépend à la fois des exigences de l’application et des préférences de l’utilisateur. Ce qui est certain, c’est qu’il existe des choix possibles.

Les fournisseurs spécialisés dans la détection des gaz réfrigérants sont susceptibles de proposer une gamme de types de capteurs pour répondre aux besoins variés de leurs clients. La plupart du temps, il n’existe pas d’approche unique en matière de détection de gaz. Il est donc conseillé de discuter avec un expert afin de prendre la bonne décision pour chaque utilisateur ou chaque projet.

A propos de l’auteur

Tom Burniston est directeur du marketing chez SAMON et responsable de la gestion des produits pour le groupe Safe Monitoring. Il a 20 ans d’expérience dans le domaine de la détection des gaz, où il a travaillé dans des disciplines telles que le marketing, les ventes techniques internationales, la gestion des canaux et des produits et la planification stratégique. Avec des expériences dans des secteurs tels que la réfrigération, le pétrole et le gaz, les décharges et le biogaz, Tom a de l’expérience dans le développement de nouveaux produits et marchés, le positionnement des produits et l’alignement des produits sur les normes et les meilleures pratiques de l’industrie. Ses derniers voyages l’ont conduit aux États-Unis, en Espagne, en Italie et en Allemagne, où il a présenté des informations sur la réfrigération lors de grandes conférences et de salons professionnels. Tom est diplômé de l’université de Leicester et réside au Royaume-Uni.