Capteurs infrarouges non dispersifs (NDIR), une technologie novatrice

Une réflexion novatrice : l'atout majeur de Vaisala. Depuis notre création, nous n'avons de cesser de l'appliquer pour développer un savoir-faire technologique et de nouveaux produits dans le but d'optimiser les performances des ressources et des activités de nos clients. Cette perspective est évidente dans l'approche par étapes pour laquelle l'équipe produit a opté afin de développer et d'affiner la technologie de capteurs infrarouges non dispersifs (NDIR), avant de l'introduire dans de nouvelles applications.

La genèse des capteurs infrarouges non dispersifs (NDIR) de Vaisala remonte à 1992, alors que nous étudiions de manière intensive les capteurs micromécaniques de surface. C'est ce qui fut à l'origine de l'idée révolutionnaire de créer un filtre interféromètrique Fabry-Perot (IFP) accordable miniature, une technologie permettant de filtrer la lumière à différentes longueurs d'ondes, et de l'appliquer à la mesure des concentrations de CO₂.

Au fil des années, Vaisala a fait évoluer sa technologie NDIR désormais utilisée dans diverses disciplines, c'est le cas de la mesure des niveaux de gaz dans les serres commerciales et les incubateurs utilisés pour la culture des cellules. L'équipe de développement de Vaisala fut la première à découvrir comment cette technologie IFP accordable peut surveiller efficacement les gaz dans l'huile isolante du transformateur de puissance.

La réingénierie à des fins de polyvalence et de fiabilité

Avec le temps, l'engagement de l'équipe envers une excellence d'ingénierie et de fabrication a généré un produit à la technologie mature en mesure de répondre aux exigences d'un grand nombre d'environnements. L'humidité et la chaleur sont généralement l'ennemi des capteurs de gaz. Les opérateurs, cependant, ont besoin que leurs capteurs soient précis, faciles à utiliser, fiables et généralement compacts. Le développement de la technologie de capteurs infrarouges non dispersifs (NDIR) de Vaisala a permis de répondre à ces attentes. En simplifiant la technologie, nous avons réduit le nombre de composants nécessaires et rendu l'équipement plus robuste. Par exemple, l'émetteur à infrarouge à faible consommation d'énergie durable de Vaisala, le Microglow, est arrivé sur le marché en 2013. Il a remplacé les sources traditionnelles à infrarouge, qui ont une durée de vie relativement courte et qui nécessitent une consommation d'énergie élevée.

Lorsque Vaisala a choisi de développer la technologie IFP, elle n'avait pas de produit sur le marché des solutions de mesure du CO2. Mais le filtre IFP accordable repensé devint le composant clé de CARBOCAP®, un capteur de gaz optique de qualité élevée, et plus tard, la base de notre analyseur Optimus^TM OPT100 DGA, utilisé dans l'industrie de l'énergie pour évaluer avec précision et fiabilité l'état de santé des transformateurs de puissance.

Faire appel à la technologie NDIR pour mesurer la présence de gaz dans l'huile du transformateur par exemple, s'appuie sur la physique fondamentale d'absorption selon laquelle différents gaz absorbent la lumière à différentes longueurs d'ondes. Autrement dit, les gaz se caractérisent par des « empreintes » uniques des longueurs d'onde qu'ils absorbent. La technologie NDIR traditionnelle utilise un filtre bande passante distinct pour chaque gaz que l'opérateur souhaite mesurer. Chaque filtre est défini pour ne transmettre qu'une longueur d'ondes spécifique de lumière à un détecteur qui identifie la quantité de lumière absorbée, et par conséquent la quantité de gaz présent. Pour que cela fonctionne, les filtres fixes doivent être très stables et précis, mais d'autres facteurs, tels que la sensibilité croisée à d'autres gaz, la contamination des optiques et la dérive du détecteur peuvent également avoir un impact sur la précision (Fig. 1).

Réglage de la stabilité et de la précision

La version de Vaisala du filtre IFP est réglable, autrement dit, il peut être ajusté pour permettre à différentes longueurs d'ondes de passer. La distance entre deux miroirs, séparés par une lame d'air, peut être ajustée en faisant circuler une tension par la lame d'air. Cela ajuste la longueur d'ondes optimisée transmise par le filtre et, par conséquent, permet de détecter avec précision tout un éventail de gaz.

Avec un détecteur infrarouge, le filtre IFP réglable peut indiquer la quantité de lumière absorbée à une longueur d'ondes donnée, et par conséquent, détecter le type de gaz et sa concentration. Ainsi, dites adieu aux détecteurs multiples. Parce qu'un filtre IFP peut produire des mesures pour plusieurs longueurs d'onde optimisées, la sensibilité croisée à d'autres gaz est réduite.

L'avantage le plus significatif du capteur ajustable n'est autre que sa capacité à prendre des mesures de référence à partir de points du spectre où aucune absorption ne survient. Les mesures de référence permettent l'étalonnage automatique du signal du détecteur afin de compenser par exemple les modifications de l'intensité de l'émetteur à infrarouge au fil du temps.

Les mesures de référence attestent de la stabilité à long terme de la technologie NDIR de Vaisala et ce, même dans les environnements difficiles. Le fait de tester les capteurs Vaisala dans différentes conditions a produit des lectures cohérentes des niveaux de CO₂ à la fois à des concentrations faibles et élevées. Par exemple, sur une période de cinq ans, 22 unités mesurant la concentration de CO₂ de 1000 ppm à température ambiante ont affiché une excellente stabilité (Fig. 2.). En outre, la tolérance des capteurs Vaisala aux fortes températures s'est révélée supérieure (Fig. 3.)

Forte de plus d'un quart de siècle d'expérience, Vaisala n'a de cesse d'améliorer la production de ces puces relativement complexes. Aujourd'hui, Vaisala fabrique tous ses composants en interne, lui conférant ainsi un contrôle total sur la qualité de l'intégralité du processus.

Des économies de coûts pour toute une vie

Utiliser un unique filtre accordable et un seul détecteur présente également des avantages en termes de coûts. Les technologies concurrentes exigent plusieurs filtres et détecteurs, aussi le dysfonctionnement de l'un d'entre eux entraîne des coûts de maintenance ainsi qu'une perte des données de surveillance. Avec un seul filtre, Vaisala peut réduire le coût total de fabrication et promet une plus grande fiabilité pour les clients, produisant des composants de surveillance fiables avec des durées de vie pouvant atteindre 50 ans.

En éliminant le problème de sensibilité croisée et en garantissant la robustesse de la technologie pour travailler dans les conditions les plus chaudes et humides, les clients peuvent compter sur la précision et la fiabilité des capteurs. Pour les propriétaires de transformateurs d'énergie, des données de surveillance fiables et précises entraînent des coûts de maintenance et de fonctionnement réduits pendant toute la durée de vie de leurs transformateurs.

Notre approche inventive vis-à-vis du développement et de la fabrication des produits a permis de créer un capteur qui a rencontré un franc succès au niveau mondial. Désormais les clients peuvent utiliser la technologie NDIR dans différents environnements au sein de nombreuses industries.