Qu’est-ce qu’un oxygénomètre ?
Les oxygénomètres sont des instruments utilisés pour mesurer la concentration d’oxygène dans l’air.
Il sont aussi appelés “capteurs d’oxygène” ou “moniteurs d’oxygène”. Il est extrêmement important de surveiller la concentration d’oxygène dans l’environnement car il est essentiel à la vie humaine.
Dans de nombreux cas, un contrôle précis de cette concentration est également nécessaire dans divers domaines scientifiques et industriels. Par conséquent, des instruments sont fabriqués pour répondre à différentes situations.
Utilisations des oxygénomètres
Les oxygénomètres sont utilisés dans les deux grandes catégories suivantes :
- Contrôle (détection et contrôle) des concentrations d’oxygène dans le but de prévenir le manque d’oxygène.
- Contrôle de la concentration d’oxygène, par exemple dans les processus industriels.
Dans le cadre de la prévention du manque d’oxygène, la concentration d’oxygène est surveillée afin de maintenir la vie dans les espaces clos tels que les tunnels. En effet, l’on dit que si la concentration d’oxygène tombe en dessous de 15 %, une personne aura des difficultés à respirer. Si elle tombe en dessous de 7 %, les fonctions cérébrales seront altérées et si elle tombe en dessous de 4 %, la mort s’ensuivra. L’équipement peut être portable ou fixé au mur.
Dans certains procédés industriels de traitement thermique, comme dans l’industrie chimique, les céramiques et les métaux, la concentration d’oxygène doit être maintenue 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 ainsi que le processus d’oxydoréduction. Les appareils de mesure de l’oxygène destinés à ces usages doivent donc être capables de résister à des environnements difficiles, tels que les champs de réaction chimique à haute température.
Principe des oxygénomètres
Les deux principaux principes de fonctionnement des oxygénomètres sont le “type à cellule galvanique” et le “type à électrolyte solide en zircone”. D’autres types sont le “type magnétique” et le “type spectromètre laser à semi-conducteur à longueur d’onde réglable”.
1. Type à cellule galvanique
L’oxygénomètre à cellule galvanique se compose d’une membrane en résine à travers laquelle passe l’oxygène extérieur, d’électrodes en or (Au) et en plomb (Pb) et d’une solution électrolytique (solution 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. Ainsi, 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. Type à électrolyte solide en zircone
Cette méthode utilise une cellule en zircone, qui présente les propriétés d’un électrolyte solide à des températures supérieures à 500°C.
La zircone peut conduire les ions négatifs de l’oxygène (O2-) à l’état solide. Ces 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. Des électrodes sont ensuite installées respectivement du côté de la concentration élevée en O2 et du côté de la concentration faible en O2 pour générer une force électromotrice. La relation est identique à celle des 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, 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 installés dans la zircone.
Dans les atmosphères inférieures à 400 °C, le gaz cible est introduit dans l’appareil via un tube d’échantillonnage. La cellule de zircone est par la suite chauffée à une température prédéterminée à l’aide d’un réchauffeur 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.
Comment choisir un oxygénomètre
Différents produits doivent être utilisés pour les oxygénomètres destinés à prévenir le manque d’oxygène et à maintenir de faibles concentrations d’oxygène dans les processus industriels.
Les oxygénomètres portables et fixes conçus pour prévenir le manque d’oxygène sont alimentés par des cellules galvaniques, qui ne nécessitent pas d’alimentation électrique pour alimenter le capteur. La durée de vie du capteur est estimée à environ 2 à 3 ans. Cependant, l’environnement utilisable est limité aux atmosphères proches de l’environnement général et la précision est de ±0,5% O2. Certains produits sont antidéflagrants.
D’autre part, les produits à base de zircone sont utilisés pour mesurer les concentrations d’oxygène dans les processus industriels à haute température tels que les fours industriels, etc. Dans des atmosphères de 700 °C ou plus, on se sert du type à insertion directe. La partie du capteur étant insérée directement dans l’atmosphère, tandis qu’en dessous de 400 °C, la partie du capteur l’est dans l’atmosphère à l’aide d’un tube d’échantillonnage, etc. En dessous de 400 °C, il convient d’utiliser une méthode d’échantillonnage dans laquelle le gaz atmosphérique du four est aspiré au moyen d’un tube d’échantillonnage, etc. De ce fait, la cellule en zircone est chauffée séparément.