Fondamentaux des capteurs de gaz

John Blyler | 15 mars 2021

Détecter la présence de gaz nocifs était une nécessité pour les premiers mineurs ainsi que pour les fabricants et les consommateurs au début de la révolution industrielle. L'un des premiers détecteurs de gaz était une lampe de sécurité à flamme (ou lampe Davy) inventée par l'inventeur anglais Sir Humphry Davy en 1815. La lampe Davy était utilisée pour détecter la présence de méthane (grisou) dans les mines de charbon souterraines.

Les techniques de détection de gaz d'hier ne peuvent pas rivaliser avec les méthodes d'aujourd'hui. L'ère de l'Internet des objets (IoT) grand public et industriel a permis aux outils de détection de gaz riches en capteurs de traiter une variété de types de gaz nocifs, radioactifs et explosifs. Les technologies de gaz les plus courantes comprennent le spectromètre de propriétés moléculaires (MPS), le Pellister (cat-bead), l'infrarouge non dispersif (NDIR), l'électrochimique (echem) et le détecteur de photoionisation (PID).

En relation: L'augmentation humaine fait la liste des technologies stratégiques 2020

Chacun d'eux est conçu pour un type de gaz spécifique. Par exemple, le MPS, le Pellister et le NDIR sont utilisés pour détecter divers hydrocarbures (gaz inflammables/combustibles). À l'inverse, les capteurs echem et PID détectent mieux divers gaz toxiques et composés organiques volatils (COV).

Comment les ingénieurs doivent-ils aborder la tâche de sélection et de mise en œuvre des technologies de capteurs de gaz dans leurs conceptions IoT/IIoT ? Pour répondre à ces questions, Design News a rencontré des experts de NevadaNano. Ce qui suit est une partie de cette discussion.

En relation: Top 10 des points forts de la technologie électronique du CES 2020

Design News : comment les concepteurs et les fabricants doivent-ils choisir le bon capteur de gaz ?

NevadaNano : La sélection du bon capteur dépend du type de gaz que vous devez mesurer et de l'environnement dans lequel le capteur fonctionnera. Pour les gaz tels que le monoxyde de carbone et le sulfure d'hydrogène, il est préférable d'utiliser des systèmes de capteurs à technologie électrochimique (ou echem) de gaz toxique. La technologie PID est un bon choix pour les gaz qui ne peuvent pas être détectés par les capteurs echem, tels que le gaz benzène toxique. Pour la détection des gaz d'hydrocarbures (combustibles/inflammables), les options incluraient les technologies MPS, NDIR et Pellister. Voici un bon ensemble d'exigences de conception avec lesquelles commencer :

1) Quel(s) gaz sont à détecter ?

2) Quelle est la portée de détection nécessaire ?

3) Quelles conditions ou contraintes environnementales pourraient affecter la conception ?

Chacun de ces systèmes de détection de gaz mentionnés précédemment a ses propres avantages et inconvénients. Il est important de comprendre ces différences avant de sélectionner la technologie à utiliser pour une application donnée.

Design News : Comment les capteurs de gaz sont-ils utilisés dans l'industrie ?

NevadaNano : Comme vous pouvez l'imaginer, de nombreuses variables, telles que les scénarios opérationnels, doivent être prises en compte lors de la sélection de la technologie de détecteur de gaz la plus appropriée. De nombreux détecteurs de gaz industriels permettent une détection fixe ou portable. La sélection du bon détecteur de gaz industriel nécessite une compréhension des limites et des points forts de chaque type de capteur.

Les appareils portables et portables peuvent être utilisés pour la détection d'un seul gaz ou de plusieurs gaz. Ce dernier peut intégrer plusieurs technologies dans un seul appareil. Ces types de détecteurs sont généralement utilisés pour la protection de la personne portant l'appareil.

Les détecteurs fixes sont normalement des dispositifs de détection de gaz unique qui sont souvent câblés pour une surveillance 24/7/365 dans une vaste gamme d'applications industrielles ou commerciales.

Design News : Comment s'intègrent-ils dans les plateformes IoT et IIOT ?

NevadaNano : Les données sont devenues un outil clé pour l'analyse dans un large éventail d'applications. Plus la quantité de données analysées et exploitables est importante, plus il est probable que les utilisateurs seront en mesure de prendre des décisions éclairées. Historiquement, les capteurs de gaz fournissaient les niveaux de gaz au niveau local. Il en était de même avec les instruments portables, où seul l'utilisateur immédiat aurait accès aux données. Enfin, pour les instruments fixes, les niveaux de gaz seraient isolés de l'installation.

En incorporant des capteurs dans les plates-formes IoT et IIOT, les données relatives aux gaz (par exemple, les niveaux de gaz nocifs) peuvent être transmises à travers le monde, fournissant des données en temps réel pour les moniteurs portables et fixes. Par exemple, un simple détecteur de gaz compatible Bluetooth et l'application correspondante fourniront à l'utilisateur local des lectures mises à jour qui peuvent ensuite être automatiquement partagées sans fil avec leur superviseur situé dans un autre à proximité ou à une grande distance.

Design News : Quel avenir pour les capteurs de gaz ?

NevadaNano : La technologie de détection vieille de plusieurs décennies est toujours utilisée aujourd'hui et dans un avenir prévisible. Cependant, les progrès des capteurs conduisent à de nouvelles technologies de marché, telles que le capteur de gaz inflammables du spectromètre de propriétés moléculaires (MPS).

Des améliorations supplémentaires sont apportées pour réduire la fréquence des étalonnages. Plus de données seront fournies pour inclure les taux de fuite, la durée d'une fuite de gaz, la source de la fuite de gaz, et bien plus encore. Avec les MEMS à semi-conducteurs et les améliorations nanométriques, la taille et le coût des capteurs continueront de diminuer. Cette réduction permettra le déploiement d'un plus grand nombre de capteurs fournissant de plus en plus de données.

De nouvelles applications sont créées à l'échelle mondiale. L'orientation législative visant à réduire le réchauffement climatique est un moteur important. Par exemple, il existe désormais des restrictions plus strictes contre les fuites de gaz sur une longueur apparemment infinie de gazoducs à travers le monde. L'utilisation de capteurs pour identifier les fuites potentielles de gaz méthane de ces conduites améliore non seulement l'impact sur l'environnement, mais aide également à réduire les pertes de produits, améliorant ainsi les bénéfices de l'industrie.

La réduction du coût des capteurs, les améliorations de l'analyse des données des capteurs couplées à une plate-forme IoT ou IIOT sont des facteurs clés pour le déploiement de plus de capteurs pour plus d'applications.

John Blyler est rédacteur en chef de Design News, couvrant les domaines de l'électronique et de la fabrication de pointe. Titulaire d'une licence en génie physique et d'une maîtrise en génie électrique, il possède des années d'expérience dans les systèmes matériels-logiciels-réseaux en tant qu'éditeur et ingénieur dans les secteurs de la fabrication de pointe, de l'IoT et des semi-conducteurs. John est co-auteur de livres liés à l'ingénierie système et à l'électronique pour IEEE, Wiley et Elsevier.

Plus d'informations sur les formats de texte