Qu’est-ce qu’une sonde lambda ?
Les sondes lambda sont des capteurs permettant de mesurer la concentration d’oxygène dans l’atmosphère d’un espace de mesure.
Dans un espace isolé et fermé, il est extrêmement important de mesurer la concentration d’oxygène. En effet, cela permet de maintenir les activités vitales. Les sondes lambda jouent donc un rôle majeur dans cette mesure de la concentration d’oxygène.
Lorsque les niveaux d’oxygène tombent en dessous de 15 %, les gens ont des difficultés à respirer. En dessous de 7 %, les fonctions cérébrales sont altérées, puis en dessous de 4 %, on dit que la mort survient. Les sondes à oxygène sont nécessaires dans divers domaines scientifiques et industriels. Une large gamme de conditions et de systèmes de mesure de la concentration de celui-ci a été développée pour répondre aux exigences de ces domaines.
Un des capteurs typiques est le capteur à zircone. Ceux-ci sont également utilisés pour le contrôle des produits dans la fabrication des semi-conducteurs, les économies d’énergie dans les automobiles, etc.
Utilisations des sondes lambda
La concentration d’oxygène est mesurée pour deux raisons principales : premièrement, pour la détection et la surveillance afin de prévenir les carences en oxygène, ce qui peut sauver des vies humaines. Deuxièmement, pour contrôler la concentration d’oxygène, par exemple dans le processus de production de produits industriels.
1. Prévention des carences en acide
Parmi les exemples d’utilisations dans la prévention du manque d’oxygène, on peut citer la gestion de la sécurité sur les sites de génie civil, comme les tunnels et la construction souterraine, et dans le domaine médical, comme la gestion de l’inhalation d’oxygène et la réanimation hyperbare. Les produits destinés à ces situations peuvent être portables ou fixés au mur.
2. Contrôle de la concentration d’oxygène
Le contrôle des processus de fabrication des produits industriels est utilisé dans l’industrie chimique, la céramique et les métaux. L’une des caractéristiques de leur fabrication est qu’ils sont souvent utilisés dans des environnements à haute température pendant les processus de traitement thermique.
Un exemple familier dans notre vie quotidienne est son utilisation dans les moteurs de voitures et de motos. En détectant la concentration d’oxygène dans les gaz d’échappement, ils jouent un rôle dans la régulation de la concentration de carburant.
Principe des sondes lambda
Les principes de mesure des sondes lambda comprennent le type à cellule galvanique, le type d’électrolyte individuel en zircone, le type magnétique et le type de spectroscopie laser à semi-conducteur à longueur d’onde réglable.
1. Type à cellule galvanique
La cellule galvanique a une structure simple et est utilisée dans les appareils de mesure de l’oxygène portables. Elle se compose d’électrodes en or et en plomb, d’une membrane en résine et d’un électrolyte. Elle utilise un mécanisme par lequel un courant électrique est généré en fonction de la concentration en oxygène lorsque l’oxygène traverse la membrane et se dissout dans l’électrolyte.
2. Type d’électrolyte individuel en zircone
La méthode de l’électrolyte individuel en zircone utilise la zircone comme électrolyte solide. Celle-ci peut conduire les ions négatifs de l’oxygène (O2-) à l’état solide. De ce fait, les ions sont conduits d’un gaz à forte concentration d’oxygène (côté haute pression d’O2) vers une atmosphère à faible concentration d’oxygène (côté basse pression d’O2).
Dans une sonde à oxygène à électrolyte de zircone, des électrodes sont installées respectivement du côté de la haute pression d’O2 et du côté de la basse pression d’O2, puis sont reliées électriquement. Lorsque l’O2 tente de pénétrer la zircone sous forme d’ions négatifs, des électrons sont capturés à l’électrode du côté de la haute pression d’O2 et deviennent des ions négatifs. Toutefois, du côté de la basse pression d’O2, des électrons sont quant à eux capturés et deviennent des ions négatifs. La sonde reçoit ainsi des électrons de l’O2- transmis.
La relation est identique à celle qui existe entre les électrodes positive et négative d’une batterie : les électrons libérés du côté de la basse pression d’O2 (électrode négative) reviennent du côté de la haute pression d’O2 (électrode positive). La force électromotrice générée entre les électrodes peut être utilisée pour déterminer la pression partielle d’oxygène à chaque électrode. Pour ce faire, on se sert d’une relation connue sous le nom d'”équation de Nernst”, comme suit :
E= (RT/4F) – 1n (PA/PB)
Dans cette équation, R est la constante des gaz, T est la température, F est la constante de Faraday et PA et PB sont les pressions partielles d’oxygène respectivement du côté de la haute et de la basse pression d’O2. La température est ainsi mesurée par un thermocouple installé dans la zircone et PA est basée sur la pression partielle d’oxygène dans l’atmosphère normale.
Autres informations sur les sondes lambda
Détérioration des sondes lambda
Les sondes lambda en zircone utilisées dans les processus de fabrication industrielle doivent être soumises à une détérioration. Elles sont utilisées dans des environnements à haute température et divers gaz peuvent également dégrader ou affecter la cellule en zircone. Les gaz réducteurs tels que les halogènes sont un autre facteur de dégradation.
Dans les secteurs automobiles, une sonde lambda dégradée ou défaillante peut entraîner une augmentation des substances toxiques dans les gaz d’échappement. La consommation de carburant peut également diminuer si le carburant est plus concentré que nécessaire. Lorsque la sonde O2 se détériore, la pièce doit être remplacée par un concessionnaire ou un atelier d’entretien.