Détection de gaz

Détection de gaz

On trouve des détecteurs de gaz dans tous les domaines d'activité, des usines agroalimentaires aux parkings couverts, en passant par les avions et les casinos. Tout lieu susceptible de présenter un manque d'oxygène ou la présence de gaz toxiques doit être équipé d'un détecteur de gaz afin de garantir la sécurité des personnes. Parmi les utilisations courantes lors de projets sur le terrain, on peut citer : l'accès à des espaces confinés, le forage de puits, l'analyse des sols, la surveillance de zones, la sécurité des travailleurs, la qualité de l'air intérieur et la détection de fuites.

Bien sûr, cela fait très longtemps qu’on y a recours, à commencer par le canari, qui n’était malheureusement qu’un expédient ponctuel : exposé au méthane, il avait tendance à mourir assez rapidement, sans autre moyen d’alerte audiovisuel qu’un léger gazouillis et une immobilité totale. Heureusement, la technologie a considérablement progressé et nous disposons aujourd’hui d’équipements électroniques très sophistiqués.

Commençons par quelques notions de base :

• Un ppm correspond à une partie pour 1 000 000 de parties. En général, le ppm (parties par million) est l'unité de mesure la plus petite : 10 000 ppm = 1% en volume
• La LEL (limite inférieure d'explosivité) est l'unité de mesure suivante ; elle correspond à un pourcentage du niveau d'explosivité % (en volume) d'un composé.
• La LIE 100% correspond à la concentration minimale à laquelle une substance inflammable peut provoquer un incendie ou une explosion lorsqu’elle est enflammée.
• La LEE (limite supérieure d'explosivité) correspond à la concentration maximale de gaz dans l'air à partir de laquelle une combustion peut se produire.
• Chaque composé (gaz) présente une LIE différente, c'est-à-dire le seuil à partir duquel il peut s'enflammer ou devenir explosif.
• La plupart des composés inflammables deviennent explosifs à une concentration inférieure à 5% en volume
• Chaque gaz présente une LIE et une UIE différentes
• Le pourcentage de gaz est l'unité de mesure la plus élevée ; il correspond à la quantité de gaz pur.

Comment fonctionnent les capteurs de détection de gaz ?

Il ne fait aucun doute que les progrès de la technologie rendront l'explication ci-dessous obsolète à mesure qu'elle évoluera ; c'est pourquoi nous en présentons brièvement les principes fondamentaux ci-dessous.

Le capteur d'oxygène est un capteur électromécanique. Tout gaz pouvant être oxydé ou réduit par voie électromécanique peut être détecté à l'aide d'un capteur électrochimique fonctionnant avec un combustible. La consommation d'oxygène génère un courant linéairement proportionnel à la concentration du gaz dans l'air.

Comme la sonde à oxygène est constamment exposée à l'oxygène, sa durée de vie normale est comprise entre un et deux ans.

Le capteur combustible est constitué de deux bobines de fil fin de platine, chacune intégrée dans une perle d'alumine, reliées électriquement selon un montage en pont. L'une des perles est imprégnée d'un catalyseur spécial favorisant l'oxydation, tandis que l'autre est traitée pour inhiber cette oxydation. Un courant est envoyé dans les bobines afin qu’elles atteignent une température à laquelle l’oxydation d’un gaz se produit facilement au niveau de la perle catalysée (environ 500 °C).

Cela entraîne une nouvelle augmentation de la température, ce qui accroît la résistance de la spirale en platine contenue dans la perle catalysée, provoquant ainsi un déséquilibre du pont. Cette variation de sortie est linéaire, pour la plupart des gaz, jusqu’à 100% LEL et au-delà, et le temps de réponse n’est que de quelques secondes pour détecter les niveaux d’alarme (généralement 20% LEL).

Les capteurs de gaz toxiques sont également de type électromécanique et fonctionnent selon les mêmes principes de base que le capteur d'oxygène. Les capteurs électromécaniques consomment des quantités infimes de gaz, l'absorption du gaz et le signal électrique étant contrôlés par une “ barrière de diffusion ”.

Espaces confinés et détection de gaz

Un espace confiné désigne tout espace suffisamment vaste pour qu'une personne puisse y pénétrer et y effectuer le travail qui lui est confié, dont les moyens d'entrée ou de sortie sont limités et qui n'est pas conçu pour accueillir des travailleurs de manière continue. Cela concerne pratiquement tous les secteurs d'activité, notamment les services publics, le bâtiment, l'exploration et le traitement des hydrocarbures, la pétrochimie, le secteur maritime, l'agriculture, l'agroalimentaire et la brasserie, ainsi que les services d'urgence.

Les employeurs doivent évaluer les risques que ces lieux de travail présentent pour leurs salariés et s'efforcer de les prévenir. Dans la plupart des cas, tant l'évaluation que la mise en place d'un système de travail sûr nécessiteront une analyse de l'atmosphère à l'aide d'équipements de détection de gaz.

Les risques liés aux gaz dans les espaces confinés peuvent être classés en trois grandes catégories : les gaz inflammables, les gaz toxiques et la pénurie ou l'enrichissement en oxygène.

Risques liés aux gaz inflammables

Pour qu'une combustion se produise, l'air doit contenir une concentration minimale de gaz ou de vapeur inflammable. Cette quantité est appelée « LIE ». Les LIE varient selon les composés ; il est donc essentiel que les détecteurs soient capables de détecter ces gaz aux niveaux appropriés.

En règle générale, les réservoirs de stockage ayant contenu des carburants hydrocarbures et des huiles présentent un danger. D’autres dangers proviennent des fuites de carburant : rupture de réservoirs de carburant, canalisations sur site et hors site, bouteilles de gaz et équipements motorisés. Pour les travailleurs évoluant dans des fosses, des égouts et autres lieux souterrains, le méthane issu de la décomposition de matières organiques constitue un danger quasi omniprésent.

Gaz et vapeurs toxiques

Les travailleurs évoluant dans des espaces confinés peuvent être exposés à de nombreux composés toxiques, selon la nature de leur travail. Il convient de réaliser une évaluation des risques afin de déterminer à quelles substances toxiques un travailleur est susceptible d'être exposé dans une situation de travail donnée.

En ce qui concerne les gaz toxiques liés à des applications spécifiques, le secteur de l'eau, par exemple, utilise de nombreux composés toxiques pour le nettoyage et le traitement des eaux usées et des eaux claires. Des substances dangereuses telles que le chlore, l'ozone, le dioxyde de soufre et le dioxyde de chlore présentent alors des risques supplémentaires, tant dans les zones de stockage que dans celles de traitement.

L'oxygène : trop élevé ou trop bas ?

La concentration normale d'oxygène dans l'air libre est de 20,91 TP3T. L'atmosphère est considérée comme dangereuse si cette concentration descend en dessous de 19,51 TP3T ou dépasse 23,51 TP3T.

Sans ventilation adéquate, le simple fait de respirer entraîne une baisse étonnamment rapide du taux d'oxygène. La combustion consomme également de l’oxygène ; les équipements entraînés par un moteur et les flammes nues, telles que celles des chalumeaux de soudage, constituent donc des dangers potentiels. L’oxygène peut également être déplacé. L’azote, par exemple, lorsqu’il est utilisé pour purger des réservoirs de stockage d’hydrocarbures avant leur réutilisation, chasse l’oxygène hors du conteneur et rend celui-ci extrêmement dangereux jusqu’à ce qu’il soit entièrement ventilé.

Des concentrations élevées en oxygène sont également dangereuses. Tout comme un manque d’oxygène, un excès d’oxygène altère la capacité de la victime à réfléchir clairement et à agir de manière raisonnable. De plus, les atmosphères enrichies en oxygène présentent un risque d’incendie important.

Types de détecteurs de gaz

Les détecteurs de gaz portables et fixes peuvent tous deux être utilisés pour la surveillance des espaces confinés. Les systèmes fixes se composent généralement d’une ou plusieurs “ têtes ” de détection reliées à un panneau de commande distinct. Si un détecteur détecte un niveau de gaz dangereux, le panneau déclenche l'alarme en activant des sirènes et des gyrophares externes. Ce type d'installation est adapté aux grands espaces tels que les locaux techniques, qui disposent d'un espace suffisant pour accueillir le matériel, ou aux postes de surveillance à distance qui sont généralement sans personnel.

Cependant, une grande partie des interventions en espaces confinés s’effectue dans des zones encore plus restreintes, ce qui rend les appareils portables compacts plus adaptés. Leur facilité d’utilisation, grâce à un fonctionnement à un seul bouton, nécessite une formation minimale tout en garantissant une sécurité accrue. Combinant un ou plusieurs capteurs avec de puissants signaux sonores et visuels pour alerter lorsque les niveaux de gaz prédéfinis sont atteints, les détecteurs portables peuvent être transportés ou portés partout où ils sont nécessaires. De plus, un appareil compact se transporte facilement dans un espace confiné, garantissant ainsi qu’aucune poche de forte concentration de gaz ne soit négligée.

Tout détecteur de gaz portable doit présenter certaines caractéristiques. Il va sans dire que ces outils, qui permettent de sauver des vies dans des environnements difficiles, doivent être aussi robustes que possible, avec des composants électroniques fiables logés dans des boîtiers résistants aux chocs. Bien que la nécessité de laisser les capteurs de gaz exposés à l’atmosphère implique qu’aucun instrument ne puisse être entièrement hermétique, un haut niveau de protection contre la pénétration de poussière et d’eau est essentiel. Malgré sa robustesse, un détecteur bien conçu sera également suffisamment léger et compact pour être porté pendant toute une journée de travail.

Enfin, compte tenu des difficultés liées au travail dans un espace exigu, parfois mal éclairé, les instruments doivent être faciles à utiliser. Quelle que soit la sophistication de l’architecture interne d’un détecteur ou de ses options de gestion des données, le personnel sur le terrain ne doit être confronté à rien de plus intimidant qu’un écran clair, un fonctionnement simple à l’aide d’un seul bouton et des alarmes sonores et lumineuses.

Capteurs de gaz inflammables

Comme indiqué ci-dessous, les capteurs de gaz combustibles peuvent être de type catalytique, à semi-conducteur à oxyde métallique ou infrarouge.

Capteurs catalytiques de gaz combustibles

Détectant la présence d'atmosphères explosives, les capteurs catalytiques de gaz combustibles détectent ces derniers en provoquant leur combustion à l'intérieur de la chambre du capteur.

Non seulement les capteurs catalytiques offrent une bonne linéarité, mais ils sont également capables de détecter la plupart des gaz inflammables. Cependant, comme la variation de résistance à 1 TP3 TLEL est relativement faible, ils fonctionnent mieux à des concentrations comprises entre 1 000 et 50 000 ppm.

Quant à leurs inconvénients :

• Ils ne permettent pas de mesurer les traces de gaz (inférieures à 200 ppm) et ne doivent donc pas être utilisés pour déterminer les niveaux toxiques.
• Pour fonctionner correctement, ils ont besoin d'une teneur minimale en oxygène de 14% dans l'air.
• Son utilisation n'est pas recommandée dans des atmosphères d'acétylène
• Le capteur peut être endommagé par le plomb, le silicone ou d'autres substances catalytiquement nocives.
• Les mesures peuvent être faussées par la condensation de la vapeur d'eau et l'humidité
• Faible réactivité vis-à-vis des hydrocarbures à faible énergie, par exemple les vapeurs d'huile, le kérosène, le gazole et les carburants d'aviation commerciaux
• Souvent, ils perdent leur linéarité au bout d'environ un an

Capteur de gaz combustible à semi-conducteur à oxyde métallique (MOS)

Également appelés « capteurs à semi-conducteurs », les capteurs de gaz combustibles à semi-conducteurs à oxyde métallique (MOS) existent depuis des années. Avec une longue durée de vie de trois à cinq ans, il s'agit d'un capteur très résistant qui se remet facilement d'expositions à des concentrations élevées de gaz susceptibles d'endommager d'autres types de capteurs.

Tout comme pour les capteurs catalytiques, les mesures des capteurs MOS peuvent également être affectées par l'humidité et la condensation de la vapeur d'eau. De plus, bien qu'ils ne nécessitent pas autant d'oxygène que leurs homologues catalytiques, ils ont eux aussi besoin d'oxygène pour fonctionner avec précision.

Outre les inconvénients mentionnés ci-dessus, les capteurs MOS présentent d'autres inconvénients qui leur sont propres, notamment :

• Les éléments chauffants de certains capteurs MOS consomment beaucoup d'énergie, ce qui nécessite l'utilisation de batteries plus puissantes.
• Bien qu'ils réagissent à de nombreux COV, HFC et solvants, les capteurs MOS ne sont spécifiques à aucun composé en particulier.

Capteurs infrarouges de détection de combustibles

Depuis peu, ces capteurs font leur apparition dans certains instruments. Ils fonctionnent bien dans des environnements à faible teneur en oxygène ou dans des atmosphères d’acétylène ; ils sont toutefois assez coûteux. Ces capteurs fonctionnent en réfléchissant la lumière à l’aide d’un miroir et en mesurant la quantité de lumière absorbée lors de la réfraction. Les capteurs infrarouges nécessitent généralement un débit constant au niveau du dispositif de détection et peuvent mettre du temps à se désactiver après le déclenchement d’une alarme. Ils ne sont pas capables de détecter l’hydrogène. Un capteur infrarouge étalonné pour un hydrocarbure simple tel que le méthane ou l’éthane ne sera pas précis pour les vapeurs d’hydrocarbures, de solvants ou de carburants de poids moléculaire plus élevé.

Capteurs de substances toxiques

Capteurs électrochimiques (à chimie humide) de détection des substances toxiques

Ces capteurs réagissent à un produit chimique (une substance) spécifique. Il existe des capteurs à spécificité chimique pour jusqu’à 30 gaz différents, notamment le chlore, l’ammoniac, le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, le dioxyde d’azote, l’oxyde nitrique, le cyanure d’hydrogène, le sulfure d’hydrogène et le dioxyde de soufre. Les informations techniques fournies par le fabricant indiquent quels capteurs sont disponibles pour son appareil.

Ces capteurs présentent une bonne linéarité, ce qui les rend très précis pour la substance à laquelle ils réagissent. Ils peuvent mesurer aussi bien de grandes que de petites quantités et ont une durée de vie typique d'environ un an pour de nombreux gaz toxiques, et pouvant aller jusqu'à deux ans pour le sulfure d'hydrogène et le monoxyde de carbone.

Comme tous les capteurs, les capteurs chimiques humides présentent certaines limites. Le fluide électrolytique peut geler s'il est exposé à des températures inférieures à 0 °C. Certains capteurs chimiques peuvent être affectés par l'altitude, car ils sont sensibles à la pression.

Capteurs de gaz toxiques à large spectre à semi-conducteur à oxyde métallique (MOS)

Il existe sur le marché plusieurs types de capteurs MOS, dont l'un a été développé pour détecter les gaz toxiques. Sa conception et son fonctionnement sont similaires à ceux des capteurs utilisés pour la détection des gaz inflammables. Cependant, le capteur MOS à large plage de détection des gaz toxiques est capable de réagir à de faibles concentrations (en PPM) d’une vaste gamme de gaz toxiques, notamment le monoxyde de carbone, le sulfure d’hydrogène, l’ammoniac, le styrène, le toluène, l’essence et de nombreux autres hydrocarbures et solvants. Les capteurs MOS ne peuvent pas détecter le dioxyde de carbone ni le dioxyde de soufre. Le capteur n’est pas en mesure de vous indiquer de quel gaz il s’agit ni sa concentration, mais seulement que l’atmosphère peut présenter un danger pour votre santé.

Détecteurs à photo-ionisation (PID)

Depuis les années 1960, les professionnels de la santé et de la sécurité, ainsi que d’autres acteurs, utilisent la technologie des capteurs à photo-ionisation pour évaluer les risques atmosphériques sur le lieu de travail. La durée de vie de ces capteurs est comprise entre un et trois ans. Leur coût est généralement trop élevé pour qu’ils puissent être intégrés dans un appareil équipé de plusieurs capteurs.

Conclusion

Pour ceux d'entre vous qui travaillent dans des environnements pouvant présenter un risque pour la santé, le choix d'un détecteur de gaz adapté pourrait bien être la décision la plus importante que vous ayez jamais prise. Votre vie pourrait en dépendre ; il est donc essentiel que l'utilisateur ou l'acheteur prenne conscience des dangers potentiels et des capteurs appropriés pour se protéger. Les données recueillies à la fin des années 1970 et au début des années 1980 indiquaient que 65% des personnes décédées dans des espaces confinés ignoraient que l'espace dans lequel elles pénétraient présentait un danger potentiel. Plus de 50% des décès survenus dans des espaces confinés concernent les sauveteurs, et plus d’un tiers des décès se sont produits après que l’espace eut été testé, déclaré sûr et que le détecteur de gaz eut été retiré.

Le choix d'un détecteur de gaz doit être fonction du risque encouru. Malheureusement, beaucoup trop d’acheteurs réalisent l’un de leurs investissements les plus importants et les plus cruciaux en matière d’équipement sans vraiment comprendre ce qu’ils achètent. Les capteurs et leurs capacités constituent le facteur le plus important lors du choix d’un détecteur de gaz, mais le plus souvent, les décisions sont fondées sur la taille, le prix et des caractéristiques qui n’ont rien à voir avec les capacités de détection de l’appareil.

Les détecteurs de gaz se déclinent en une grande variété de tailles, de formes, de couleurs et de configurations de capteurs. Pour les travaux en espaces confinés, il est nécessaire de surveiller les risques liés au manque ou à l'excès d'oxygène, aux gaz inflammables et aux gaz toxiques. Il est donc indispensable de disposer d'un appareil capable de détecter ces trois types de risques.