Vaisala Capteur à une longueur d'onde Manuel utilisateur

/ NOTE D’APPLICATION
Les technologies de capteurs infrarouges et leur
impact sur la précision de la mesure du CO2 dans les
applications CVC
Les systèmes de ventilation modernes utilisent une recirculation de l'air intérieur afin
de minimiser la quantité d'énergie requise pour traiter l'air extérieur. L'utilisation de
capteurs de dioxyde de carbone (CO2 ) comme indicateurs de la qualité de l'air intérieur
permet de garantir aux occupants du bâtiment une alimentation en air extérieur frais tout
en optimisant la consommation énergétique.
Les réglementations relatives à
l'efficacité énergétique étant devenues
plus strictes, il en va de même pour
les exigences concernant les capteurs
de CO2. L'un des précurseurs de
l'amélioration de la qualité de l'air
intérieur est l'État de Californie. Les
normes pour le bâtiment définissent
les critères de performance pour
les capteurs de CO2 : « Les capteurs
de CO2 doivent être certifiés par
le fabricant et avoir une précision
de plus ou moins 75 ppm aux
concentrations de 600 et 1000 ppm
lors de mesures effectuées au niveau
de la mer et à 25°C, et doivent être
étalonnés en usine ou au démarrage
et certifiés par le fabricant qui précise
que l’étalonnage n'est pas nécessaire
plus d'une fois tous les 5 ans. » Cela
montre qu'il est important d'examiner
attentivement les spécifications
lorsque vous choisissez un capteur
– tous les capteurs ne répondent pas
aux attentes.
A
Principe de
fonctionnement des
capteurs infrarouge de CO2
Les capteurs infrarouges – aussi
appelés capteurs infrarouge non
dispersifs (NDIR) – dominent le
marché du capteur de CO2 pour le
CVC pour des raisons évidentes. Ils
sont hautement sensibles, sélectifs
et stables. Ils ont une longue durée
de vie et ils sont insensibles aux
modifications de l'environnement.
En outre, les défis traditionnels
liés à cette technologie, ayant des
coûts relativement élevés et une
difficulté de miniaturisation, ont été
surmontés.
Le dioxyde de carbone présente une
bande d'absorbance caractéristique
dans l'infrarouge à la longueur
d'onde de 4,26 µm. Lorsque le
rayonnement infrarouge traverse
un gaz contenant du CO2, les
molécules de CO2 absorbent une
partie du rayonnement. La quantité
B
▪
précision : la proximité de la
lecture du capteur par rapport
à la vraie valeur
▪
plage de mesure : la valeur
limite que l'instrument est
capable de mesurer
▪
Sensibilité : concentration
minimale de CO2 détectable
ainsi que la modification de
la concentration minimale
détectable
▪
Sélectivité : capacité
du capteur à identifier
spécifiquement le CO2 dans un
mélange gazeux
▪
Temps de réponse : durée que
cela prend au capteur pour
répondre à une modification de
la concentration en CO2
▪
Stabilité : durée pour obtenir
des valeurs stables et
reproductibles de CO2
▪
Consommation d'énergie :
important pour l'utilisation de
l'énergie, mais également pour
la précision de la mesure en
raison de l'auto-échauffement
de l'instrument
▪
Facilité de maintenance :
vérifier les intervalles
d'étalonnage recommandés
et les options d'étalonnage
disponibles, ainsi que leur
facilité d'utilisation
C
Figure 1.
L'absorbtion infrarouge des molécules de CO2 peut être détectée grâce à un
détecteur infrarouge.
A: Source infrarouge. B: Chemin optique.
Critères de performance pour
comparer lors du choix du
capteur de CO2 :
C: Détecteur.
de rayonnement traversant le gaz
dépend de la concentration en CO2.
Un capteur infrarouge comportant
une source infrarouge, un détecteur,
et un chemin optique quantifie le
phénomène (voir schéma 1).
Différences dans les
capteurs infrarouge de
CO2 et leur performance
Après installation, les capteurs
de CO2 pour le CVC peuvent
typiquement fonctionner avec peu
ou pas de maintenance pendant des
années, et même pendant toute leur
durée de vie. Il est donc important,
à long terme, de sélectionner un
capteur capable de mesures fiables et
précises. Bien que tous les capteurs
de CO2 infrarouge partagent un même
principe de mesure, les solutions
techniques et la performance de
mesure diffèrent grandement.
Un professionnel du CVC aura
connaissance des différences entre
tous les types de capteurs et leur
performance.
Capteurs mono-faisceau à une
longueur d'onde
Les capteurs mono-faisceau à une
longueur d'ondes ont une structure
simple (Figure 2), comprenant une
source infrarouge, une chambre de
mesure et un détecteur.
de CO2, entraînant des mesures qui
ne sont pas fiables sur le long terme.
Pour compenser cette instabilité
inhérente, certains fabricants
emploient la méthode d'étalonnage
automatique en fond. Le capteur
enregistre la valeur la plus faible
de CO2 sur une période de temps
(généralement plusieurs jours) et
les valeurs sont alors recalées,
l'enregistrement le plus bas
correspondant à l'air extérieur (400
ppm de CO2). Malheureusement ce
n'est pas toujours le cas, puisque
le taux d'occupation des bâtiments
influence les niveaux intérieurs
de CO2. Des installations telles
que des hôpitaux, des maisons de
retraite, des immeubles résidentiels
et des bureaux peuvent avoir une
occupation 24h/24 avec des niveaux
de CO2 les plus bas, autour de
600-800 ppm. La répétition de cet
étalonnagee erroné entraîne des
valeurs lues de CO2 fausses, qui à
leur tour entraînent une ventilation
inappropriée et une diminution de
la qualité de l'air intérieur. De plus,
dans les nouveaux bâtiments la
carbonation du béton peut réduire
la concentration de CO2 en dessous
de 400 ppm, ainsi la correction
automatique ne fonctionnera pas
dans ce cas non plus.
et la source infrarouge secondaire
ajoute une source de panne
potentielle. De plus, la poussière
et la saleté s'accumulent rarement
de manière homogène autour du
capteur. En réalité, cette structure de
capteur est très peu fiable.
Capteurs mono-faisceau à
double longueur d'ondes
Les capteurs mono-faisceau à
double longueur d'ondes ne sont
pas touchés par les problèmes de
dérive qui affectent la performance
des capteurs mono-faisceau à une
longueur d'ondes et des capteurs
double faisceaux à une longueur
d'ondes. Cette technologie, qui est
communément utilisée dans des
analyseurs à filtre tournant, mesure
non seulement la longueur d'ondes
d'absorbtion mais aussi la longueur
d'ondes de référence où l'absorbtion
ne se produit pas.
Vaisala a conditionné le capteur
mono-faisceau à double longueur
d'ondes dans une structure
compacte qui peut être utilisée dans
des transmetteurs industriels. La
référence est mesurée en plaçant un
filtre Interféromètrique Fabry-Perot
(IFP) accordable devant le détecteur
(Figure 4).
Capteurs double faisceaux à
une longueur d'onde
Figure 2. Capteur mono-faisceau à une
longueur d'onde.
Le problème avec ce type de capteur
est leur dérive substantielle sur le
long terme. L'intensité de l'ampoule
incandescente miniature, source
typique des capteurs infrarouge de
CO2, change avec le temps. De plus,
la poussière et la saleté peuvent se
déposer sur les surfaces du capteur.
Le capteur interprète de manière
incorrecte ces changements, comme
une modification de la concentration
Les capteurs double faisceaux à une
longueur d'ondes (Figure 3) ont
une source infrarouge secondaire
pour compenser la dérive de la
source infrarouge. Curieusement, les
fabricants prétendent que comme
cette source de lumière secondaire
est rarement activée, elle ne souffre
pas de vieillissement. La structure
du capteur est inutilement complexe
Figure 3. Structure de capteur double
faisceaux à une longueur d'onde.
Figure 4. Un capteur mono-faisceau à
double longueur d'ondes avec un filtre
IFP devant le détecteur.
Le filtre IFP micromécanique est
piloté électriquement pour basculer
entre la longueur d'onde de mesure
du CO2 et la longueur d'onde de
référence. La mesure de référence
compense toutes les modifications
potentielles de l'intensité de la source
infrarouge, ainsi que l'accumulation
de saleté sur le chemin optique,
éliminant le besoin d'algorithmes de
compensation compliqués.
Valeur lue par le capteur (ppmCO2)
Capteurs avec
une mesure de
référence
Capteurs sans
mesure de
référence
Figure 6. Ampoule incandescente
miniature
Figure 5: Stabilité à long terme des capteurs mono-faisceau à double longueur
d'ondes (capteurs avec mesure de référence) versus capteurs mono-faisceau à une
longueur d'ondes (capteurs sans mesure de référence)
Simple et économique, le capteur
mono-faisceau à double longueur
d'ondes est très stable dans le
temps, et nécessite une maintenance
minimale.
La figure 5 montre la différence
de stabilité à long terme entre les
capteurs utilisant la mesure de
référence (mono-faisceau à double
longueur d'ondes) et des capteurs
ne l'utilisant pas (mono-faisceau
à une longueur d'onde). La dérive
dans des capteurs mono-faisceau
à une longueur d'ondes est due à la
diminution de l'intensité de la source
infrarouge, ce qui induit des valeurs
de CO2 trop élevées. Cependant, la
dérive du capteur peut aussi entraîner
des valeurs lues trop faibles.
Source infrarouge :
performance de la
technologie de nouvelle
génération
Ampoule incandescente
miniature
La plupart des capteurs de CO2
infrarouges utilisent une petite
ampoule incandescente comme source
infrarouge (Figure 6), qui n'est pas
la source idéale pour les capteurs.
Premièrement, l'intensité initiale de la
lumière varie énormément entre les
lampes, rendant ainsi la fabrication
difficile. Ensuite, ils souffrent d'une
instabilité inhérente : le tungstène
s'évapore du filament et adhère
aux surfaces en verre, noircissant
les parois de l'ampoule. Comme le
filament devient plus fin, l'intensité de
sortie se dégrade graduellement. La
stabilité des capteurs sur le long terme
sans mesure de référence (monofaisceau à une longueur d'ondes
et double faisceau à une longueur
d'ondes) en pâtit beaucoup (Figure
5). Parmi d'autres inconvénients, une
consommation d'énergie relativement
élevée et une durée de vie limitée.
Figure 7: Le Microglow est un
émetteur MEMS à rayonnement
infrarouge breveté par Vaisala.
Microglow
Le remplacement de l'ampoule
incandescente avec la technologie
Microglow augmente la durée de vie
du capteur de 50 %, tandis que la
consommation d'énergie représente
seulement 25 % de celle des sources
traditionnelles à infrarouge.
Le Microglow est la nouvelle
génération de technologie infrarouge
qui résout de nombreux problèmes
affectant les sources traditionnelles
de rayonnement infrarouge. Les
avantages principaux du Microglow
(Figure 7) sont une durée de vie de
la source infrarouge augmentée, une
consommation d'énergie réduite, une
qualité uniforme et une facilité de
fabrication supérieure en quantité
importante.
La grande quantité de chaleur
générée par les ampoules
incandescentes limite leur
applicabilité dans des transmetteurs
multiparamètres mesurant non
seulement le CO2, mais aussi
l'humidité et la température. En
tant que paramètre dépendant de
la température, l'humidité ne peut
pas être mesurée à proximité d'une
source de chaleur. La consommation
énergétique exceptionnellement
L'intensité du Microglow reste très
stable tout au long de sa durée de vie
(Figure 8). Parmi d'autres avantages,
un temps de réponse court et une
qualité de fabrication améliorée, du
fait que la puce peut être assemblée
directement sur le circuit imprimé.
Pour plus d'informations à propos
de la technologie Microglow,
veuillez consulter
www.vaisala.com/microglow.
Intensité IR (% de la valeur initiale)
faible du microglow permet des
mesures d'humidité de haute-qualité
dans le même boîtier transmetteur
que la mesure de CO2 et réduit le
temps de préchauffage du capteur.
Figure 8. Stabilité supérieure à long terme du Microglow.
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