Capteur de dioxyde de carbone

Un capteur de dioxyde de carbone ou capteur de CO₂ est un instrument de mesure du gaz carbonique. Les principes les plus courants pour les capteurs de CO₂ sont les capteurs de gaz infrarouges (capteur infrarouge non dispersif) et les capteurs de gaz chimiques. La mesure du CO₂ est importante pour surveiller la qualité de l'air intérieur de locaux recevant du public et pour la surveillance du personnel traitant de nombreux processus industriels^[1].

Cet élément fait partie des dispositifs qui contrôlent que l'air est « respirable », sans risque d'asphyxie^[2].

Capteurs de CO₂ infrarouges non dispersifs

Les capteurs infrarouge non dispersifs sont des capteurs spectroscopiques permettant de détecter le CO₂ dans un environnement gazeux par sa caractéristique d'absorption. Les composants clés sont une source infrarouge, un tube lumineux, un filtre d'interférence (longueur d'onde) et un détecteur infrarouge. Le gaz est pompé ou diffuse dans le tube lumineux, et l'électronique mesure l'absorption de la longueur d'onde caractéristique de la lumière. Ces capteurs sont le plus souvent utilisés pour mesurer le dioxyde de carbone^[3]. Les meilleurs d'entre eux ont des sensibilités de 20 à 50 ppm^[3].

Les capteurs de CO₂ sont également utilisés pour le CO₂ dissous pour des applications telles que la carbonatation des boissons, la fermentation pharmaceutique et les applications de séquestration du dioxyde de carbone. Dans ce cas, ils sont couplés à une optique ATR (réflexion totale atténuée) et mesurent le gaz in situ. Les nouveaux développements incluent l'utilisation de sources infrarouges ou fluorescentes de systèmes microélectromécaniques pour réduire les coûts de ce capteur et pour créer des dispositifs plus petits (par exemple pour une utilisation dans des applications de climatisation)^[4].

Capteurs photoacoustiques

Le CO₂ peut être mesuré par spectroscopie photoacoustique. La concentration en CO₂ peut être déterminée en soumettant un échantillon à des impulsions d'énergie électromagnétique (comme celle d'un laser à rétroaction répartie) qui est spécifiquement accordée à la longueur d'onde d'absorption du CO₂. Chaque impulsion d'énergie est absorbée par les molécules de CO₂ de l'échantillon qui génèrent des ondes de pression par effet photoacoustique. Ces ondes de pression sont ensuite détectées avec un détecteur acoustique et converties en un signal utilisable par un ordinateur ou un microprocesseur^[5].

Capteurs chimiques

Les capteurs chimiques de CO₂ à couches sensibles à base de polymère ou d'hétéro polysiloxane présentent l'avantage principal de nécessiter une très faible consommation d'énergie, et d'être de taille suffisamment réduite pour s'intégrer dans des systèmes de microélectronique. En revanche, les effets de dérive à court et à long terme, ainsi qu'une durée de vie globale plutôt faible, sont des obstacles majeurs par rapport au principe de mesure NDIR^[6]. La plupart des capteurs de CO₂ sont entièrement calibrés avant l'expédition par l'usine. Au fil du temps, le point zéro du capteur doit être recalibré pour utiliser à long terme ce capteur^[7].

Capteur de CO₂ estimé

Des capteurs pour ces substances peuvent être fabriqués à l'aide de la technologie MEMS semi-conducteur à oxyde métallique (CMOS) bon marché (environ vingt dollars). La mesure du CO₂ qu'ils fournissent est appelée « CO₂ estimé (eCO₂) »^[8], ou « équivalent CO₂ (CO₂ eq) »^[9]. Bien que les mesures obtenues par ces capteurs soient assez satisfaisantes sur le long terme, l'introduction de sources de COV ou de CO₂ ne provenant pas de la respiration, telles que l'épluchage de fruits ou l'utilisation de parfum, les rendent non fiables en court terme.

Applications

Exemples :
- Qualité de l'air intérieur
- Détection de passager clandestin
- Navires marins
- Serres
- Gaz d'enfouissement
- Espaces confinés
- Aérospatial
- Soins de santé
- Horticulture
- Transport
- Cryogénie
- Gestion de l'aération
- Exploitation minière
- Recycleurs (SCUBA)
- Décaféination
Pour le comptage de l'occupation humaine en intérieur^[10]^,^[11].
Pour les applications HVAC, les capteurs de CO₂ peuvent être utilisés pour surveiller la qualité de l'air et le besoin personnalisé d'air frais. La mesure des niveaux de CO₂ détermine indirectement le nombre de personnes présentes dans une pièce et la ventilation peut être ajustée en conséquence.
En cas de traitement médical, le fonctionnement des poumons est vu sous la forme d'un dispositif capnographe.

Voir aussi

Détecteur de gaz (en)
Analyseur de gaz d'échappement
Détecteur-avertisseur autonome de monoxyde de carbone
Sonde lambda
Capnographie colorimétrique
Détecteur à photoionisation (chimie analytique de l'air respirable)

Références

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Carbon dioxide sensor » (voir la liste des auteurs).

↑ Anses, « Valeurs Guides de qualité d’Air Intérieur (VGAI) », 1^er avril 2021 (consulté le 2 février 2022).
↑ Carsat, « Adduction d'air - Comment produire de l’air de qualité respirable ? », Lyon, juin 2001 (consulté le 2 février 2022) (asphyxie précédée généralement de maux de tête, sensations de fatigue et vomissements) Dioxyde de carbone (CO₂) : teneur maxi 500 ml/m³ (500 ppm).
↑ ^{a et b} Th. Lang, H.-D. Wiemhöfer et W. Göpel, « Carbonate Based CO₂ Sensors with High Performance », Conf. Proc. Eurosensors IX, Stockholm (S) (1995) ; Sensors and Actuators B, 34, 1996, 383–387.
↑ (en) T.A. Vincent et J.W. Gardner, « A low cost MEMS based NDIR system for the monitoring of carbon dioxide in breath analysis at ppm levels », Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 236,‎ novembre 2016, p. 954–964 (DOI 10.1016/j.snb.2016.04.016, lire en ligne).
↑ (en) Infineon Technologies AG, « CO₂ Sensors », sur infineon.com (consulté le 10 novembre 2020).
↑ R. Zhou, S. Vaihinger, K.E. Geckeler et W. Göpel, « Reliable CO₂ Sensors Based with Silicon-based Polymers on Quartz Microbalance Transducers », Conf. Proc. Eurosensors VII, Budapest (H) (1993) ; Sensors and Actuators B, 18–19, 1994, 415–420.
↑ (en) « CO₂ Auto-Calibration Guide » [archive du 19 août 2014] (consulté le 19 août 2014).
↑ (en) D. Rüffer, F. Hoehne et J. Bühler, « New Digital Metal-Oxide (MOx) Sensor Platform », Sensors, Bâle (Suisse), vol. 18, n^o 4,‎ 31 mars 2018, p. 1052 (PMID 29614746, PMCID 5948493, DOI 10.3390/s18041052, Bibcode 2018Senso..18.1052.).
↑ (en) « MOS gas sensor technology for demand controlled ventilation », Proceedings of the 4th International Symposium on Building and Ductwork Air Tightness and 30th AIVC Conference on Trends in High Performance Buildings and the Role of Ventilation, Berlin,‎ 2009 (lire en ligne).
↑ I.B. Arief-Ang, M. Hamilton et F. Salim, « RUP: Large Room Utilisation Prediction with carbon dioxide sensor », Pervasive and Mobile Computing, vol. 46,‎ 1^er juin 2018, p. 49–72 (ISSN 1873-1589, DOI 10.1016/j.pmcj.2018.03.001).
↑ I.B. Arief-Ang, F.D. Salim et M. Hamilton, Data Mining, Springer, Singapour, 14 avril 2018, 125–143 p. (ISBN 978-981-13-0291-6, DOI 10.1007/978-981-13-0292-3_8).

[1] Anses, « Valeurs Guides de qualité d’Air Intérieur (VGAI) », 1^er avril 2021 (consulté le 2 février 2022).

[2] Carsat, « Adduction d'air - Comment produire de l’air de qualité respirable ? », Lyon, juin 2001 (consulté le 2 février 2022) (asphyxie précédée généralement de maux de tête, sensations de fatigue et vomissements) Dioxyde de carbone (CO₂) : teneur maxi 500 ml/m³ (500 ppm).

[Lang-3] {a et b} Th. Lang, H.-D. Wiemhöfer et W. Göpel, « Carbonate Based CO₂ Sensors with High Performance », Conf. Proc. Eurosensors IX, Stockholm (S) (1995) ; Sensors and Actuators B, 34, 1996, 383–387.

[4] (en) T.A. Vincent et J.W. Gardner, « A low cost MEMS based NDIR system for the monitoring of carbon dioxide in breath analysis at ppm levels », Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 236,‎ novembre 2016, p. 954–964 (DOI 10.1016/j.snb.2016.04.016, lire en ligne).

[5] (en) Infineon Technologies AG, « CO₂ Sensors », sur infineon.com (consulté le 10 novembre 2020).

[6] R. Zhou, S. Vaihinger, K.E. Geckeler et W. Göpel, « Reliable CO₂ Sensors Based with Silicon-based Polymers on Quartz Microbalance Transducers », Conf. Proc. Eurosensors VII, Budapest (H) (1993) ; Sensors and Actuators B, 18–19, 1994, 415–420.

[7] (en) « CO₂ Auto-Calibration Guide » [archive du 19 août 2014] (consulté le 19 août 2014).

[8] (en) D. Rüffer, F. Hoehne et J. Bühler, « New Digital Metal-Oxide (MOx) Sensor Platform », Sensors, Bâle (Suisse), vol. 18, n^o 4,‎ 31 mars 2018, p. 1052 (PMID 29614746, PMCID 5948493, DOI 10.3390/s18041052, Bibcode 2018Senso..18.1052.).

[9] (en) « MOS gas sensor technology for demand controlled ventilation », Proceedings of the 4th International Symposium on Building and Ductwork Air Tightness and 30th AIVC Conference on Trends in High Performance Buildings and the Role of Ventilation, Berlin,‎ 2009 (lire en ligne).

[10] I.B. Arief-Ang, M. Hamilton et F. Salim, « RUP: Large Room Utilisation Prediction with carbon dioxide sensor », Pervasive and Mobile Computing, vol. 46,‎ 1^er juin 2018, p. 49–72 (ISSN 1873-1589, DOI 10.1016/j.pmcj.2018.03.001).

[11] I.B. Arief-Ang, F.D. Salim et M. Hamilton, Data Mining, Springer, Singapour, 14 avril 2018, 125–143 p. (ISBN 978-981-13-0291-6, DOI 10.1007/978-981-13-0292-3_8).

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