Qu’est-ce qu’un moniteur d’oxygène ?
Un moniteur d’oxygène est un instrument de mesure utilisé pour mesurer la concentration d’oxygène dans l’air.
Il est parfois également appelé capteur d’oxygène ou compteur d’oxygène. Les moniteurs d’oxygène sont nécessaires car l’oxygène est une substance essentielle à la vie humaine.
La surveillance des niveaux d’oxygène est particulièrement cruciale dans les postes de travail confinés, qui sont susceptibles de manquer d’oxygène. De nombreux secteurs scientifiques et industriels ont également besoin d’un contrôle précis de la concentration d’oxygène en termes de contrôle des processus et de maintenance des équipements. En fonction des exigences du secteur scientifique et industriel, des systèmes de mesure sont disponibles pour une large gamme de conditions de mesure.
Parmi les exemples typiques, on peut citer les capteurs à zircone, qui sont utilisés pour le contrôle des produits dans la fabrication des semi-conducteurs, les économies d’énergie dans les automobiles, etc. et la purification des gaz d’échappement. Pour plus d’informations sur les moniteurs d’oxygène, voir le schéma ci-dessous.
Utilisations des moniteurs d’oxygène
Les moniteurs d’oxygène sont utilisés à deux fins principales : pour prévenir le manque d’oxygène et pour contrôler la concentration d’oxygène.
1. Surveiller les niveaux d’oxygène afin de prévenir la privation d’acide
Le contrôle de l’oxygène joue un rôle extrêmement important dans le maintien des activités vitales dans les espaces clos. En effet, on dit que si la concentration en oxygène tombe en dessous de 15 %, les gens ont des difficultés à respirer ; en dessous de 7 %, les fonctions cérébrales sont altérées ; et en dessous de 4 %, c’est la mort qui survient. L’équipement peut être portable ou fixé au mur.
2. Contrôle de la concentration d’oxygène dans les processus industriels
Dans certains procédés industriels de traitement thermique, comme dans l’industrie chimique, les céramiques et les métaux, les niveaux d’oxygène doivent être maintenus à un faible niveau. Les processus de combustion dans les fours industriels nécessitent également une surveillance et un contrôle des concentrations d’oxygène afin d’optimiser l’efficacité de la combustion et le processus d’oxydoréduction.
Les moniteurs d’oxygène destinés à ces applications industrielles peuvent être exposés à des réactions chimiques intenses dans des environnements à haute température. Ils doivent donc être résistants aux environnements difficiles.
Principes des moniteurs d’oxygène
Les deux principaux principes de fonctionnement des moniteurs d’oxygène sont le “type de cellule galvanique” et le “type d’électrolyte solide en zircone”. D’autres types comprennent le “type magnétique” et le “type de spectroscopie laser à semi-conducteur à longueur d’onde réglable”.
1. Type à pile galvanique
Une pile galvanique se compose d’une membrane en résine qui laisse passer l’oxygène du monde extérieur, d’électrodes en or (Au) et en plomb (Pb) et d’un électrolyte (solution aqueuse d’hydroxyde de potassium). Les réactions suivantes ont lieu au niveau de chaque électrode
- Anode : Pb + 2OH- → Pb2+ +H2O + 2e-
- Cathode : O2 + 2H2O + 4e- → 4H2O
Les électrons émis à l’anode atteignent la cathode, où l’oxygène de l’air absorbe les électrons émis à l’anode. Ce flux d’électrons (courant) est proportionnel à la concentration en oxygène, de sorte que la concentration en oxygène peut être mesurée en mesurant le courant. Cette réaction se produit spontanément et ne nécessite pas d’alimentation électrique pour piloter le capteur.
2. Système à électrolyte solide en zircone
Cette méthode utilise une cellule en zircone, exploitant le fait que la zircone présente les propriétés d’un électrolyte solide à des températures supérieures à 500 °C. La zircone peut conduire les ions négatifs de l’oxygène. La zircone peut conduire les ions négatifs de l’oxygène (O2-) à l’état solide et les ions sont conduits d’un gaz à forte concentration d’oxygène (dans l’air) vers une atmosphère à faible concentration d’oxygène (par exemple dans un four industriel).
Cette conduction ionique génère une différence de potentiel, et des électrodes sont installées respectivement du côté de la concentration élevée en O2 et du côté de la concentration faible en O2, générant ainsi une force électromotrice. La relation est identique aux électrodes positives et négatives d’une batterie.
- Côté haute concentration en O2 : O2 + 4e- → 2O2-
- Côté faible concentration en O2 : 2O2- → O2 + 4e-
La force électromotrice générée entre les électrodes obéit à l’équation de Nernst (voir ci-dessous), ce qui permet de déterminer la pression partielle d’oxygène à chaque électrode.
- E= (RT/4F) – ln (PA/PB)
- (R : constante des gaz, T : température, F : constante de Faraday, PA : pression partielle d’oxygène à haute concentration (dans l’air), PB : pression partielle d’oxygène à basse concentration).
La température est mesurée par des thermocouples montés sur la zircone. Dans les atmosphères inférieures à 400 °C, le gaz cible est introduit dans l’appareil via un tube d’échantillonnage et la cellule de zircone est chauffée à la température requise à l’aide d’un chauffage au platine ou d’un appareil similaire (méthode d’échantillonnage). En effet, la zircone a besoin d’une température de 500 °C ou plus pour fonctionner comme un électrolyte solide.
Types de moniteurs d’oxygène
Il convient d’utiliser des produits différents pour les moniteurs d’oxygène destinés à prévenir le manque d’oxygène et ceux destinés à maintenir de faibles concentrations d’oxygène dans les processus industriels.
1. Moniteurs d’oxygène destinés à prévenir la carence en oxygène
Les systèmes d’oxygène portables et fixes conçus pour prévenir les carences en oxygène utilisent un système de batterie galvanique. Ce type de système ne nécessite pas d’alimentation électrique pour piloter le capteur.
La durée de vie du capteur est d’environ 2 à 3 ans. Cependant, l’environnement utilisable est limité aux atmosphères proches de l’environnement général, avec une précision de ±0,5% O2. Les appareils sont disponibles en version portable ou murale, et certains sont antidéflagrants.
2. Moniteurs d’oxygène pour utilisations industrielles
Les produits de type zircone conviennent pour mesurer les concentrations d’oxygène dans les processus industriels à haute température tels que les fours industriels, etc. Dans les atmosphères supérieures à 700 °C, on utilise le type à insertion directe, où la partie du capteur est insérée directement dans l’atmosphère.
En revanche, à des températures inférieures à 400 °C, la méthode d’échantillonnage est appropriée : le gaz atmosphérique du four est aspiré par un tube d’échantillonnage ou similaire et la cellule en zircone est chauffée séparément. Le choix doit être fait en fonction de l’application.