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MESURES 809 - NOVEMBRE 2008 - www.mesures.com 50 Solutions CONTRÔLE DES PROCÉDÉ

MESURES 809 - NOVEMBRE 2008 - www.mesures.com 50 Solutions CONTRÔLE DES PROCÉDÉS Quatre technologies se disputent désormais la mesure d’oxygène  Pendant longtemps, trois grands principes se sont partagé le domaine de la mesure d’oxygène. De 0,01 ppm à 100 %, sondes paramagnétiques, sondes zirconium et cellules électrochimiques couvraient, à elles seules, l’ensemble des applications. Récemment, la méthode optique TDL s’est invitée dans la ronde. Même si elle ne prétend pas couvrir les mesures de traces, même si elle reste encore chère et encombrante, elle offre tous les avantages des principes optiques. En particulier, elle apporte une maintenance réduite. I l constitue 21 % de l’air que l’on res- pire. L’oxygène est un gaz courant auquel on prête de plus en plus d’at- tention. Les fournisseurs d’analyseurs en oxygène ne s’en plaignent pas. La de- mande est toujours soutenue. « Un marché en progression qui suit celui de l’instrumentation, soit 3 à 5 % pour l’Europe », disent les uns. « Un marché supérieur de 8 à 10 %, disent les autres, parce que lorsqu’il s’agit de sécurité et d’environne- ment, plus personne ne fait l’impasse. » La mesure d’oxygène intervient pour le suivi des pro- cédés pétrochimiques (transformation des matières premières, chimie des plasti- ques…). Dans les pro- cédés de combustion, la mesure d’oxygène sert à déterminer le rendement optimal. « Aujourd’hui, l’argument “économie d’énergie” compte de plus en plus », souligne Christell Beaussac, directeur commercial de Setnag. En manque d’oxygène, tout ne brûle pas (il y a production d’imbrûlés gazeux). Lorsque l’excès d’air augmente au-delà d’une cer- taine valeur, la teneur en gaz carbonique des fumées diminue par dilution, ce qui réduit également le rendement de combustion. D’ailleurs, une directive (83/189/CEE), qui s’applique aux chaudières de puissance comprise entre 400 kW et 50 MW , impose des rendements minimaux et une régulation combustible/comburant. Autre domaine porteur : le contrôle régle- mentaire des polluants à l’émission. Bien sûr, l’oxygène n’est pas à proprement parler un polluant. Mais les réglementations imposent des déclarations de taux de rejets de pol- luants (SO2, HCl…) ramenés au taux d’oxy- gène émis. Ainsi, les taux sont homogènes pour tous. Ceci permet aussi de corriger les taux de polluants à l’émission, pour les in- dustriels qui, d’une manière plus ou moins volontaire, dilueraient leur émission et par conséquent leur pollution. Il y a plein d’autres bonnes raisons de mesurer l’oxy- gène. Tous les producteurs de gaz, entre autres, s’assurent de la pureté de leur pro- duction. Dans les gaz ultrapurs (azote, hé- lium…), ils recherchent des traces, bien en dessous du ppm, à la limite du ppb. Pour la protection des personnes, dans des locaux ou des enceintes fermés, une surveillance continue autorise la détection d’une raréfac- tion d’oxygène dans l’air ou, au contraire, une suroxygénation. Ici, on parle en pour- cent. On le voit, la mesure d’oxygène, selon les applications, s’étale sur une large plage : de 100 % pour l’oxygène pur au ppb pour les recherches de traces. Les conditions, elles aussi, varient grandement. Considérées comme “normales” pour des mesures à l’air ambiant, elles peuvent devenir extrêmes dans les équipements de combustion : tem- pératures dépassant les mille degrés, fortes pressions, des environnements chargés en poussières et polluants. C’est donc dans ce vaste champ d’application, que depuis quatre à cinq décennies déjà, le marché des analy- seurs d’oxygène s’est constitué avec, pendant longtemps, trois principales technologies : sondes paramagnétiques, sondes zirconium et cellules électrochimiques. Depuis deux ou trois ans, la méthode optique Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) apparaît comme une quatrième voie prometteuse. La remarquable réponse linéaire du paramagnétique Pour l’instant, sondes paramagnétiques et zirconium se partagent l’essentiel du marché. Les deux technologies reposent sur des lois physiques fondamentales. Les principes sont donc éprouvés. Tout vient ensuite de la qua- lité de la fabrication. « Ainsi, chez Servomex  Sonde paramagnétique : solution extractive qui offre une grande linéarité et précision.  Sonde zirconium en mode in situ ou extractif : très utilisée en contrôle de combustion et pour les mesures de traces.  Cellules électrochimiques : marché de niches sur des mesures de traces et les applications difficiles.  Diode laser en mode in situ ou extractif : nouvelle sur le marché, elle présente les atouts des méthodes optiques. L’essentiel Servomex propose un analyseur d’oxygène de procédés par principe paramagnétique pour une installation en zone classée. Il ne nécessite pas de pressurisation ni de gaz de balayage. Servomex MESURES 809 - NOVEMBRE 2008 - www.mesures.com 51 Solutions qui produit entre 12 000 à 15 000 cellules parama- gnétiques par an, on en est à la sixième génération, souligne Pascal Laizet, directeur commercial de la société pour la région EMEA. Le cœur du capteur est toujours le même, mais à chaque fois, on améliore la fiabilité et la sensibilité. Il y a vingt ans, on fixait les éléments avec de la colle. Aujourd’hui on les soude au laser. » L’un des avantages du principe paramagné- tique vient du fait que la loi physique à laquelle il répond est totalement linéaire. Et donc, la précision est la même sur toute la plage de mesure. Par ailleurs, sa réponse n’est pas influencée par le milieu. Que ce dernier soit simple ou complexe, la réponse est tou- jours la même. Autre avantage, la durée de vie d’une cellule est quasi illimitée (tout au moins supérieure à 10 ans). La technologie paramagnétique couvre une gamme de mesure de 0 à 100 % avec un seuil de dé- tection voisin de 0,5 % (selon les fournis- seurs). On la retrouve souvent en contrôle d’air ambiant, aux alentours de 21 %. Pour des plages entre 0 et 10 %, elle est utilisée en mesure de traces notamment pour les appli- cations médicales ou industrielles (procédés de raffinage, cimenteries…). « Le petit plus d’un capteur paramagnétique : il peut aussi s’intégrer dans des équipements portables », précise Marylaine Thomar, ingénieur commercial chez Sistec (distributeur français proposant les quatre principes d’analyses d’oxygène). La sonde paramagnétique n’est cependant pas la mé- thode la moins chère ni la plus facile à mettre en œuvre. L’effet paramagnétique étant in- versement proportionnel à la température, les cellules doivent être thermostatées. Elles nécessitent donc forcément l’extraction de l’échantillon. La sonde zirconium, jusqu’à 0,1 ppm A contrario, une sonde zirconium peut être installée in situ. Elle est très largement répan- due en process même si la durée de vie est alors sans doute moins longue qu’en mode extractif. Montée in situ sur des applica-➜ Les analyseurs optiques à diode laser s’imposent de plus en plus dans le secteur de l’analyse de gaz et de l’oxygène en particulier. NeoMonitors – Sistec FUJI MESURES 809 - NOVEMBRE 2008 - www.mesures.com 52 Solutions tions “difficiles” (en sortie de chaudière, par exemple), la tenue peut être limitée à moins d’un an. Elle peut s’étendre à 5, voire 8 ans pour des systèmes extractifs et sur des applications propres. La sonde zirconium n’aime pas trop les milieux complexes. En présence d’hydrogène ou d’hydrocarbure, il peut se produire des réactions parasites « au mieux on ne lira rien, au pire il se produira une ex- plosion », souligne Pascal Laizet (Servomex). En revanche, elle supporte des fortes tempé- ratures. « Placées directement dans le flux gazeux, elles sont capables de résister à des températures jus- qu’à 1 700 °C », indique Marylaine Thomar (Sistec). De ce fait, on les retrouve très fré- quemment sur les procédés de combustion. En théorie, une sonde zirconium mesure l’oxygène jusqu’à 21, voire 25 %. En com- bustion, elle est le plus souvent utilisée dans une gamme de 0,2 à 5 %. De plus en plus, compte tenu de l’augmen- tation du prix des matières premières (fuel, pétrole, gaz), il devient intéressant d’asso- cier à la mesure d’oxygène une mesure des imbrûlés gazeux (COe). La régulation prend en compte à la fois la mesure d’oxy- gène et de COe pour une optimisation du rendement de combustion en consommant le moins possible d’oxygène et en produi- sant le moins possible d’imbrûlés. Plusieurs fournisseurs aujourd’hui intègrent dans le même analyseur la mesure de ces deux paramètres. Dans un tout autre domaine d’application, les mesures de traces, la sonde zirconium travaille sur une plage beaucoup plus faible : de 0 à 10 ppm. La limite de détection est le plus souvent donnée à 0,1 ppm. Elle est ainsi bien plus basse que celle d’une sonde paramagnétique. 1 - Analyse d’oxygène paramagnétique Contrairement à la plupart des gaz, l’oxygène est fortement attiré par un champ magnétique puissant. Le principe d’une sonde paramagné- tique s’appuie sur deux sphères de verre remplies d’azote qui sont assemblées sous la forme d’un haltère mobile suspendu à l’intérieur d’un champ magnétique. Un faisceau lumineux est projeté sur le miroir installé au centre de l’haltère. La lumière réfléchie est envoyée vers une paire de cellules photo- électriques. L’oxygène attiré vers le champ magnétique déplace les sphères d’azote et fait ainsi tourner l’haltère. Les cellules photoélectriques détectent le mouvement et produisent un signal qui passe par une boucle uploads/Management/ darwish2009-pdf 1 .pdf