Vaisala Neoprene Manuel utilisateur

/ FICHE D’APPLICATION
JUIN 2010
INCUBATEURS
La mesure du CO2 dans les incubateurs Questions et réponses
Foire aux questions
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Ce document a pour but de répondre aux questions les plus
fréquemment posées sur les mesures et les produits liés au CO2.
1. Comment fonctionne le capteur CARBOCAP® monofaisceau à double longueur d’onde NDIR (absorption
non dispersive dans l’infrarouge) ?
Le capteur Vaisala CARBOCAP® comporte trois composants principaux : une
source lumineuse, un interféromètre et un détecteur à infrarouge. La source
lumineuse est positionnée pour briller sur le détecteur à infrarouge, de manière
à ce que la lumière effectue un trajet de longueur fixe vers le détecteur, où son
intensité est mesurée.
Volume occupé par le gaz
Source
lumineuse
Interféromètre de
Fabry-Perot
Détecteur à
infrarouge
À la longueur d’onde d’absorption du CO2, la lumière est absorbée par le dioxyde de carbone
présent dans le gaz. Le FPI élimine toutes les autres longueurs d’onde, de sorte que l’intensité de la
lumière atteignant le détecteur à infrarouge varie en fonction de la quantité de CO2 dans le capteur.
1.
Comment fonctionne le
capteur CARBOCAP® monofaisceau à double longueur
d’onde NDIR (absorption non
dispersive dans l’infrarouge) ?
2.
Comment la température et
la pression affectent-elles les
mesures du CO2
3.
Comment est-il possible
de corriger les erreurs de
température et de pression
en utilisant les instruments de
Vaisala pour le CO2 ?
4.
Comment est-il possible
d’éviter la condensation lors
d’un échantillonnage depuis
des incubateurs ?
5.
Pourquoi la valeur de
concentration de CO2 estelle plus élevée qu’escompté
lorsqu’on utilise la méthode
d’échantillonnage par
aspiration avec tuyau de
séchage ?
Un interféromètre de Fabry-Pérot
(FPI) est positionné juste en face du
détecteur à infrarouge. Le FPI est un
filtre à accord variable qui ne laisse
passer que certaines longueurs
d’onde de la lumière jusqu’au
détecteur. Le dioxyde de carbone
absorbe uniquement certaines
longueurs d’onde de la lumière : le FPI
est donc conçu pour laisser passer
la lumière à une longueur d’onde
d’absorption du CO2 (4,26 μm) et
une longueur d’onde voisine nonabsorbante. Voir l’illustration sur la
gauche.
Lorsque le capteur fonctionne, le FPI est régulièrement
accordé sur l’une et l’autre des deux longueurs d’onde.
À la longueur d’onde d’absorption du CO2, l’intensité de
la lumière détectée est réduite proportionnellement à la
concentration de CO2 dans le chemin optique. L’intensité
lumineuse mesurée à la longueur d’onde non-absorbante
sert de référence pour la comparaison.
Les gaz étant compressibles, leurs densités molaires
changent avec la pression atmosphérique et la
température ambiantes, ce qui signifie que les valeurs
sorties dépendent de la température et de la pression,
voir les illustrations ci-dessous.
Source
lumineuse
Volume occupé par le gaz
Interféromètre
de Fabry-Perot
Détecteur à
infrarouge
Le FPI est accordé sur une longueur d’onde de référence nonabsorbante proche, à laquelle le détecteur à infrarouge mesure la
pleine intensité de la lumière, créant ainsi un niveau de référence
pour la comparaison.Tout changement dans le fonctionnement de la
source lumineuse, du FPI ou du détecteur à infrarouge affectera les
deux mesures de manière égale, en préservant la différence entre les
deux mesures et donc l’étalonnage du capteur. Ceci est décisif pour la
stabilité de la sonde sur le long terme.
Lorsque la concentration de CO2 varie, la différence
dans l’intensité lumineuse variera également. La relation
exacte entre l’intensité lumineuse infrarouge et la
concentration volumique du CO2 est déterminée lorsque
l’instrument est étalonné à l’aide d’azote pur (0 ppm de
CO2) et d’une concentration connue de CO2.
La conception des capteurs CARBOCAP® est simple
et robuste, en ne faisant appel qu’à une seule source
lumineuse et à un détecteur à infrarouge. Ceci élimine
les erreurs causées par de légères différences dans les
multiples composants des modèles de capteurs bifaisceaux. Le FPI utilisé dans le capteur CARBOCAP®
est micro-usiné à partir de silicium et n’a pas de pièces
mobiles, fournissant une fiabilité bien plus élevée que les
conceptions mécaniques à « roues à pales ».
2. Comment la température et la
pression affectent-elles les mesures
du CO2 ?
Tous les instruments à absorption non dispersive dans
l’infrarouge mesurent fondamentalement la densité
molaire (le nombre de molécules dans le trajet du
faisceau). La plupart des utilisateurs préfèrent sortir
les valeurs en pourcentage de volume, de sorte que les
instruments de CO2 sont ajustés pour les afficher en
corrélant le nombre de molécules à une concentration
volumique connue de CO2.
Les points bleus représentent les molécules de CO2 dans l’air au niveau
de la mer.
Lorsque l’altitude augmente et la pression diminue, moins de molécules
de CO2 occuperont le même espace, même si le pourcentage de CO2
par rapport aux autres gaz reste le même. Comme les capteurs NDIR «
comptent les molécules » dans le chemin optique, il faudra pour afficher
correctement le % de CO2 que la mesure soit ajustée en fonction de la
différence de pression, faute de quoi l’instrument affichera une lecture
erronée trop basse.
La mesure du CO2 devra être compensée si les conditions
de mesure diffèrent de manière significative des
conditions d’étalonnage, qui sont 1013 hPa et 25 °C.
Voir les tableaux 1 et 2 pour l’ampleur de l’effet des
modifications non compensées de la pression et de la
température, conformément à la loi des gaz parfaits.
Pour une compréhension détaillée du besoin de
compensation, il est utile de connaître tout d’abord
quelques faits sur le comportement des gaz. Dans tout
mélange de gaz, la pression totale des gaz est égale à la
somme des pressions partielles des gaz constitutifs du
mélange. Il s’agit de la loi de Dalton, exprimée comme suit.
P totale = P1 + P2 + P3...
La quantité de tout gaz dans un mélange peut être
exprimée sous forme de pression. Avec l’air comme
exemple, les principaux constituants sont l’azote,
l’oxygène, le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau, de
sorte que la pression atmosphérique totale est composée
des pressions partielles desdits gaz.
La pression partielle de chaque gaz est le produit de
sa concentration volumique et de la pression totale du
système.
L’air que nous respirons est constitué d’environ 78 %
d’azote, 21 % d’oxygène, 0,9 % d’argon et environ 0,04 %
de dioxyde de carbone. Ces pourcentages restent à peu
près constants partout dans l’atmosphère, quelle que soit
l’altitude..
La pression moyenne de l’atmosphère au niveau de
la mer est d’environ 1013 hPa, donc la pression partielle
du dioxyde de carbone représente 0,04% de 1013 hPa
(0,0004 * 1013), soit 0,405 hPa. Par exemple, à Denver,
Colorado (États-Unis), où l’altitude est d’environ
5280 pieds et la pression atmosphérique d’environ
834,3 hPa, ces mêmes 0,04% de dioxyde de carbone
nous donnent une pression partielle de 0,334 hPa,
à comparer aux 0,405 hPa susmentionnés.
Même si le CO2 continue de représenter 0,04 % de
l’atmosphère à cette altitude plus élevée, la pression
est moindre, et lorsque la pression diminue, la densité
molaire diminuera également. Les capteurs NDIR
mesurant fondamentalement la densité molaire, une
compensation doit s’effectuer lorsque l’on veut
avoir une valeur en pourcentage de volume ou ppmv.
La compensation de température est également
importante parce que la densité molaire augmente
lorsque la température diminue.
Tableau 1 Effet des variations de pression non compensées
en % des valeurs de CO2 dans un capteur NDIR, conformément à la loi des gaz parfaits.
Instruments étalonnés à 25 °C et 1013 hPa
Altitude au-dessus
du niveau de la mer
pieds
Pression
(hPa)
mètres
Concentration
de la valeur
mesurée (en
% de CO2)
Concentration
corrigée (en
% de CO2)
Différence (en
% de CO2)
0
0
1013
5.00
5.00
0.00
500
153
992.8
4.90
5.00
0.10
1000
305
979.1
4.83
5.00
0.17
1500
458
958.4
4.73
5.00
0.27
2000
610
937.7
4.63
5.00
0.37
2500
763
923.9
4.56
5.00
0.44
3000
915
903.2
4.46
5.00
0.54
3500
1068
889.4
4.39
5.00
0.61
4000
1220
868.7
4.29
5.00
0.71
4500
1373
854.9
4.22
5.00
0.78
5000
1526
834.3
4.12
5.00
0.88
5500
1679
820.5
4.05
5.00
0.95
6000
1831
806.7
3.98
5.00
1.02
Tablea 2 Effet des variations de température noncompensées
en % des valeurs de CO2 dans un capteur NDIR, conformément à la loi des gaz parfaits
Instruments étalonnés à 25 °C et 1013 hPa
Température
(en °C)
Concentration
mesurée
(en % de CO2)
Concentration
corrigée
(en % de CO2)
Différence
(en % de CO2)
25
5.00
5.00
0.00
26
4.98
5.00
0.02
27
4.97
5.00
0.03
28
4.95
5.00
0.05
29
4.93
5.00
0.07
30
4.92
5.00
0.08
31
4.90
5.00
0.10
32
4.89
5.00
0.11
33
4.87
5.00
0.13
34
4.85
5.00
0.15
35
4.84
5.00
0.16
36
4.82
5.00
0.18
37
4.81
5.00
0.19
3. Comment est-il possible de corriger
les erreurs de température et de
pression en utilisant les instruments de
Vaisala pour le CO2
Il est possible que les mesures de dioxyde de carbone
effectuées à des températures et des pressions
différentes de celles des conditions d’étalonnage doivent
être corrigées. La forme la plus simple de correction pour
une valeur exprimée en pourcentage du volume repose
sur une formule faisant appel à la loi des gaz parfaits :
ccorrigée(%/ppm) = cmesurée(%/ppm)*(1013*(t(°C)+273))
(298K*p(hPa))
Dans l’instrument de mesure portable de dioxyde de
carbone Vaisala CARBOCAP® GM70, la température et la
pression de l’environnement du point de mesure peuvent
être aisément définies dans le menu utilisateur. Les
compensations se font de façon interne et l’instrument
affiche la mesure corrigée. La correction interne prend
également en compte les dépendances causées par la loi
des gaz réels ainsi que les composants électroniques et
optiques de l’instrument. La correction interne est plus
précise pour le GM70 que la correction de la loi des gaz
parfaits. Un autre moyen de compenser la température
est de relier une sonde d’humidité et de température
Vaisala HUMICAP® HMP77B à l’indicateur MI70,
aux côtés de la sonde de CO2. La température
mesurée avec la sonde peut compenser de manière
automatique la valeur de CO2 lue.
Dans le transmetteur de dioxyde de carbone Vaisala
CARBOCAP® de la série GMT220 et le module
dioxyde de carbone Vaisala CARBOCAP® de la série
GMM220, les compensations peuvent également être
appliquées de façon interne. Ces paramètres peuvent
être modifiés via une connexion PC. Le GMT220 et le
GMM220 sont reliés au PC via un câble série équipé
d’un adaptateur COM (référence : 19040GM).
Le module dioxyde de carbone Vaisala CARBOCAP®
GMM111 effectue des mesures jusqu’à 20% de CO2.
Toutefois, il n’y a pas de compensations internes.
4. Comment est-il possible d’éviter la
condensation lors d’un échantillonnage
depuis des incubateurs ?
Le GM70 offre deux méthodes de mesure possibles : par
diffusion et par aspiration. L’option avec aspiration par
pompe est conçue pour prélever un échantillon dans les
endroits où des mesures directes par diffusion ne sont
pas possibles.
Des précautions doivent être prises lors du prélèvement
d’un échantillon de gaz dans des environnements
humides, car les surfaces optiques du capteur NDIR à
l’intérieur de la sonde et la chambre de pompage doivent
être protégées contre la condensation.
Il est difficile d’effectuer des mesures dans les
incubateurs et les chambres environnementales,
l’échantillon de gaz prélevé passant généralement d’un
environnement à haute température et humidité élevée
à un environnement à température ambiante, ce qui
provoque de la condensation.
Le Vaisala GM70 s’utilise pour vérifier le niveau de CO2
dans des incubateurs.
Le Vaisala GM70 avec la sonde d’humidité et de dioxyde
de carbone.
La condensation à l’intérieur du système d’échantillonnage
peut être évitée en utilisant un tube en Nafion® (disponible
comme accessoire, référence Vaisala 212807GM).
Tuyau en Nafion®,
référence Vaisala
212807GM.
Lorsque l’on utilise la pompe GM70 pour prélever un
échantillon dans un incubateur, utiliser un tuyau en Nafion®
pour éliminer la possibilité de condensation de l’humidité
dans le système d’échantillonnage. Les lignes directrices
suivantes sont recommandées :
La technologie de base du tube est le Nafion®1, un
matériau très sélectif dans l’évacuation de l’eau.
L’eau se déplace à travers la paroi membranaire et
s’évapore dans l’air environnant dans un processus
appelé « perévaporation ». Le Nafion® élimine l’eau par
absorption, qui se produit comme réaction cinétique
de premier ordre. Dans les applications de séchage,
l’échangeur d’humidité transfère la vapeur d’eau d’un
flux de gaz humide vers l’atmosphère environnante.
Le séchage est terminé lorsque le niveau d’humidité
de l’échantillon est égal à celui ambiant. Le séchage se
produisant comme réaction cinétique de premier ordre,
ce niveau peut être atteint extrêmement rapidement,
généralement en l’espace de 100 à 200 millisecondes.
Ce comportement rend le tuyau idéal pour les
applications impliquant l’introduction d’un échantillon
très humide à la température ambiante. Une courte
longueur de tuyau est suffisante pour abaisser
l’humidité de l’échantillon de gaz. Pour de plus amples
informations sur les tuyaux, veuillez visiter le site
www.permapure.com.
- Il est souhaitable que le tuyau en Nafion® pour
l’échantillon se trouve au point de transition entre
l’incubateur et l’environnement ambiant. Une longueur
de 20 cm de Nafion® dans l’environnement ambiant
est suffisante pour faire passer la vapeur d’eau de
l’échantillon extrait à l’environnement ambiant. La
partie restante du tuyau pour l’échantillon peut être
en Néoprène ou un autre matériau. Raccorder le
tuyau en utilisant des raccords cannelés ou une autre
méthode pour prévenir les fuites d’air ambiant dans
l’échantillon. Garder la longueur totale du tuyau de
l’échantillon la plus courte possible.
- Si l’échantillonnage s’effectue par la porte de
l’incubateur, insérer le tuyau en Nafion® dans
l’incubateur et refermer doucement la porte de
l’incubateur, en veillant à ce que le joint de la porte
n’endommage pas le tuyau et qu’il assure l’étanchéité
de manière adéquate autour de lui.
1 Le Nafion® est un copolymère de
tétrafluoroéthylène (Téflon) et d’acide
perfluoro-3 ,6-dioxa-4-méthyl-7-octène-sulfonique.
- Lorsque l’on prélève un échantillon de gaz dans
une chambre, il convient de positionner quelques
centimètres de la ligne d’échantillonnage à l’intérieur
de la chambre. S’il existe un risque de condensation
à l’intérieur de la chambre dans laquelle l’échantillon
est prélevé, veiller tout particulièrement à ce que le
condensat ne s’écoule pas dans le tube.
- Pour vérifier que de la condensation n’a pas atteint
la sonde, vous pouvez retirer la sonde de CO2 de la
pompe GM70. Lors de la réinsertion de la sonde, ne
pas pousser la sonde jusqu’au bout. Au lieu de cela,
raccorder les deux joints toriques avec la surface lisse
de la sonde pour assurer une connexion étanche.
Système d’échantillonnage avec tuyau à membrane
en Nafion®.
Sortie de gaz
Tuyau en
Néoprène
Courte section de tuyau en Néoprène
(dépassant de 5 cm max. du port
d’échantillonnage)
Arrivée de gaz
Tuyau à membrane
en Nafion
Chambre 37 °C,
HR >95 %
Indicateur
MI70
Pompe GM70
Port
d’échantillonnage
de la chambre
Sonde de la série
GMP220
Laisser pendre le tuyau en Nafion
librement pour éviter toute
introduction d’eau condensée dans
le système d’échantillonnage.
5. Pourquoi la valeur de concentration
de CO2 est-elle plus élevée qu’escompté
lorsqu’on utilise la méthode
d’échantillonnage par aspiration avec
tuyau de séchage ?
- Si l’échantillonnage s’effectue par un orifice
ou tout autre port dans l’incubateur, insérer le
tuyau en Nafion® dans l’incubateur et assurer
l’étanchéité autour de lui.
- Si l’échantillonnage s’effectue par un raccord
cannelé, utiliser un tuyau en Néoprène très court
pour connecter le raccord du tuyau en Nafion à
celui de l’incubateur. Utiliser le Néoprène comme
« connecteur » pour maintenir le tuyau en Nafion®
le plus près possible du raccord cannelé. Il n’est
pas souhaitable que le gaz échantillon traverse le
Néoprène, en raison d’une formation probable de
condensation dans le tuyau en Néoprène.
Lorsqu’on utilise un tuyau en Nafion® pour sécher
l’échantillon, la concentration de CO2 de l’échantillon sec
sera légèrement plus élevée que celle de l’échantillon
humide. Cela est dû au phénomène de dilution. La densité
de CO2 est « diluée » dans l’incubateur par le volume
occupé par la vapeur d’eau. Si l’on retire de la vapeur
d’eau de l’échantillon, les fractions occupées par les
autres gaz, dont le CO2, augmenteront en conséquence.
- À titre de précaution, garder la pompe GM70 au
dessus du niveau du port d’échantillonnage de la
chambre. S’il se produit de la condensation dans
la ligne d’échantillonnage, cela empêchera que de
l’eau liquide endommage le capteur de CO2.
Le tableau 3 contient les coefficients de dilution pour la
concentration de gaz lors du séchage d’un échantillon
de gaz. Sélectionner le point de rosée (à 1013 hPa)
de l’échantillon de gaz dans l’incubateur sur l’axe
horizontal et le point de rosée de l’échantillon de gaz
au point de mesure sur l’axe vertical. Le point de rosée
de l’échantillon de gaz au point de mesure peut être
déterminé avec une sonde d’humidité (HMP75B, HMP76B
ou HMP77B).
Tableau 3 Coefficients de dilution
Td (°C)
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
-60
0.9999 0.9996
0.999
0.997
0.994
0.988
0.977
0.958
0.927
0.878
0.803
-50
0.9999 0.9997
0.999
0.997
0.994
0.988
0.977
0.958
0.927
0.878
0.803
-40
1.0000 0.9998
0.999
0.998
0.994
0.988
0.977
0.958
0.927
0.878
0.803
-30
1.0000
0.999
0.998
0.994
0.988
0.977
0.958
0.928
0.879
0.804
1.000
0.998
0.995
0.989
0.978
0.959
0.928
0.879
0.804
1.000
0.997
0.990
0.979
0.961
0.930
0.881
0.806
1.000
0.994
0.983
0.964
0.933
0.884
0.809
1.000
0.989
0.970
0.939
0.890
0.815
1.000
0.981
0.950
0.901
0.826
1.000
0.969
0.920
0.845
1.000
0.951
0.876
1.000
0.925
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
1.000
À titre d’exemple : Un échantillon de gaz est prélevé dans un environnement à 40 °C (Td) et est introduit dans un
environnement à 10 °C (Td), dans lequel la concentration de gaz mesurée est de 5,32 %. Dans l’environnement à 40 °C (Td)m,
ceci correspond à 5 % de CO2 (5,32 % X 0,939 = 5,00 %), puisque la teneur en eau plus élevée a dilué l’échantillon.
Pour plus d’informations, rendez-vous
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