Comment mesurer le dioxyde de carbone (CO₂)

Le dioxyde de carbone et d'autres gaz composés d'au moins deux atomes différents absorbent le rayonnement infrarouge (RI) de manière spécifique et unique. Ces gaz sont détectables à l'aide de techniques par RI. La vapeur d'eau, le méthane, le dioxyde de carbone et le monoxyde de carbone sont des exemples de gaz mesurables au moyen d'un capteur à RI. Leurs bandes d'absorption typiques sont présentées dans la figure 1.

la plus utilisée pour la détection du CO₂. Comparés aux capteurs chimiques, les capteurs à RI présentent plusieurs avantages. Ils sont stables et hautement sélectifs par rapport au gaz mesuré. Ils ont une durée de vie supérieure et, puisque le gaz mesuré n'interagit pas directement avec le capteur, les capteurs à RI peuvent supporter des niveaux élevés d'humidité, de poussière, d'encrassement et d'autres conditions exigeantes.

Les principaux composants d'un détecteur à RI de CO₂ sont la source lumineuse, la chambre de mesure, le filtre interférentiel et le détecteur de RI. Le rayonnement IR part de la source lumineuse, traverse le gaz mesuré pour atteindre le détecteur. Un filtre placé à l'avant du détecteur empêche les ondes différentes de celles spécifiées pour le gaz mesuré, d'accéder au détecteur. L'intensité lumineuse est détectée et convertie en une valeur de concentration du gaz.

Le capteur de dioxyde de carbone CARBOCAP® de Vaisala utilise une technologie de détection par RI pour mesurer la concentration volumique du CO₂. Il comprend un interféromètre Fabry-Perot (IFP) électrique accordable pour la mesure des longueurs d'onde. Cela signifie qu'en plus de mesurer l'absorption du CO₂, le capteur CARBOCAP® effectue également une mesure de référence qui compense tous les changements de l'intensité de la source lumineuse, ainsi que l'accumulation de saleté et la contamination. Cela rend le capteur extrêmement sensible et stable. Consultez la gamme complète des produits de Vaisala pour la mesure du CO₂ sur le site www.vaisala.com/CO2

Figure 1. Absorption par RI du CO₂ et d'autres gaz.

La loi des gaz parfaits permet d'évaluer l'effet des changements de température et de pression sur la mesure du CO₂. Elle peut être utilisée pour compenser les lectures de CO₂.

Les gaz parfaits sont des gaz fictifs composés de particules identiques qui se déplacent de manière aléatoire, sont de taille négligeable et possèdent des forces intermoléculaires également négligeables. Les molécules des gaz parfaits sont supposées subir des collisions élastiques aussi bien les unes avec les autres qu'avec les parois du conteneur.

En réalité, les gaz ne se comportent pas exactement comme les gaz parfaits, mais cette approximation est le plus souvent utilisée pour décrire le comportement des gaz réels. La loi des gaz parfaits permet d'évaluer la relation entre l'état d'une certaine quantité de gaz et sa pression, son volume et sa température, en fonction de l'équation :

pV = nRT 
où :
p = pression [Pa] 
V = volume du gaz [m3] 
n = quantité de gaz [mol] 
R = constante universelle du gaz (= 8.3145 J/mol K) 
T = température [K]

Figure 2. La structure du capteur de CO₂ CARBOCAP® Vaisala.

La majorité des capteurs de gaz émettent un signal proportionnel à la densité moléculaire (molécules/ volume du gaz), même si la lecture est exprimée en parties par million (volume/volume). Selon la loi des gaz parfaits, la pression et/ou la température change au fur et à mesure que la densité moléculaire du gaz évolue. L'effet est perçu dans la lecture ppm du capteur.

Les illustrations suivantes montrent comment une augmentation de la pression ou de la température modifie l'état du gaz et comment elle influence la mesure du CO₂.

calculer la densité moléculaire d'un gaz à une température et une pression données, lorsque la densité du gaz à une température et une pression ambiantes standard (CNTP) est connue. En remplaçant la quantité de gaz (n) par ρV/M, et en supposant que la masse molaire du gaz (M) est constante dans les deux différentes conditions, l'équation peut être écrite comme suit dans l'équation 1.

où :
ρ = concentration du volume de gaz [ppm ou %]
p = pression ambiante [hPa]
t = température ambiante [°C]

Équation 1. Calcul de la concentration de gaz à une température et une pression donnée.

La formule de la densité peut servir à estimer comment la lecture du capteur de gaz change proportionnellement à la variation de température et/ou de pression.

La formule de la densité peut servir à compenser les variations de température et de pression au moment de mesurer le CO₂. La plupart des instruments de mesure du CO₂ ne mesurent pas la pression et, par conséquent, ne peuvent pas automatiquement compenser les variations de pression. Lors de l'étalonnage en usine, les instruments sont typiquement réglés pour les conditions de pression au niveau de la mer (1 013 hPa). En effectuant des mesures à des altitudes autres que celles du niveau de la mer, il est recommandé de compenser l'effet de la pression. Pour ce faire, il faut soit entrer les paramètres de pression exacts pour la compensation interne (conditions de pression constante), soit programmer la compensation dans un système d'automatisation ou un PC (modification des conditions de pression).

Les mêmes règles de compensation s'appliquent à l'effet de la température. Toutefois, il existe de plus en plus de capteurs de CO₂ disponibles, qui exécutent à la fois les fonctions de mesure et de compensation des variations de température. Par conséquent, ils ne nécessitent aucune compensation externe.

Le tableau 1 présente un exemple des changements de lecture du capteur de CO₂ (le gaz contient 1 000 ppm de CO₂ au CNTP) au fur et à mesure que la température et la pression varient, selon la loi des gaz parfaits.

La loi des gaz parfaits permet également de comprendre ce qui se produit lorsque la composition d'un mélange gazeux varie à pression, température et volume constants. Ceci peut servir, par exemple, à estimer l'effet de la variation de l'humidité sur la lecture du CO₂.

Les molécules d'un mélange gazeux sont présentes dans le même volume du système (V est le même pour tous les gaz) à la même température. La loi des gaz parfaits peut être modifiée en :

où :

n_gas1 =quantité de gaz 1 [mol]
n_gas2 = quantité de gaz 2 [mol], etc.

et

où :

p = pression totale du mélange gazeux
p_gas1 = pression partielle du gaz 1
p_gas2 = pression partielle du gaz 2, etc.

La deuxième équation est appelée Loi des pressions partielles de Dalton. Elle stipule que dans tout mélange de gaz, la pression totale des gaz est égale à la somme des pressions partielles des gaz constitutifs du mélange.

Cette information est utile pour prendre en compte l'influence de la vapeur d'eau sur l'indication d'un capteur de CO₂. Lorsque la vapeur d'eau est ajoutée à un gaz sec à pression, température et volume constants, l'eau remplace certaines molécules de gaz dans le mélange. De même, lorsqu'un échantillon de gaz est tiré d'un environnement à forte humidité, et est séché avant d'être introduit dans la chambre de mesure d'un capteur de CO₂, la perte de molécules d'eau change la composition du gaz et a un effet sur la mesure du CO₂.

Cet effet, communément appelé effet de dilution peut être estimé à l'aide du tableau 2. La concentration de CO₂ dans un environnement à forte humidité peut être calculée lorsque la concentration de CO₂ du gaz sec est connue. Pour ce faire, le point de rosée (T_d à 1 013 hPa) ou la concentration de l'eau (ppm) dans les conditions sèches et humides doivent être connu(e). La condition de l'humidité de l'environnement à forte humidité est choisie à partir de l'axe horizontal et la condition du gaz sec à partir de l'axe vertical.

Exemple : Un échantillon de gaz est déplacé d'un environnement dont le point de rosée est de 40 °C (73 000 ppm d'eau) à un environnement de 20 °C T_d (23 200 ppm d'eau). La concentration de CO₂, égale à 5,263 %, mesurée à 20 °C T_d passe à 5,00 % dans un environnement à 40 °C T_d (5,263 % × 0,950 = 5,00 %). La lecture inférieure résulte de la dilution provoquée par la quantité d'eau plus élevée à 40 °C T_d