Après mon article sur les détecteurs de monoxyde de carbone — de formule chimique CO — voici un article sur le fonctionnement des détecteurs de dioxyde de carbone — de formule CO₂.
Les capteurs de CO₂ ont surtout été popularisés durant l’épidémie de Covid-19. Le taux de CO₂ dans l’air d’une pièce fermée grimpe assez rapidement s’il y a des gens dedans, à cause de l’air expiré. Ces détecteurs mettent alors en évidence la nécessité d’aérer la pièce. Cela fera sortir le CO₂, ainsi que les pathogènes du Covid-19 sous forme d’aérosol dans l’air. On considère en effet que les deux sont liés, et mesurer le CO₂ revient à mesurer le risque de présence du SARS-CoV-2. C’est une méthode approximative et indirecte, mais fondée.
Le dioxyde de carbone peut devenir dangereux si les taux dépassent ~5 % dans l’air, avec des effets sensibles (fatigue, maux de tête…) dès 2 %. C’est donc nettement moins dangereux que le monoxyde de carbone, mortel dès 0,04 %.
Il faut toutefois pouvoir le détecter dans un environnement ou du dioxyde de carbone a la possibilité de s’accumuler de façon importante (certains milieux industriels ou encore les serres enrichies en CO₂, par exemple). Un détecteur nous avertit alors du danger.
Tout comme pour les détecteurs de monoxyde de carbone, il existe plusieurs méthodes pour détecter le dioxyde de carbone. Le choix de l’une plutôt qu’une autre est une question de coût, de sensibilité requise, de praticité de mise en œuvre…
De façon intéressante, le CO₂ ne se détecte pas de la même façon que le CO. Et heureusement : sinon ces détecteurs feraient constamment des détections croisées, et donc des faux positifs ou négatifs.
Méthode par spectrométrie infrarouge
Dans le cas du CO₂, les appareils les plus sensibles (et les plus chers), utilisés dans du matériel professionnel et industriels utilisent la spectrométrie infrarouge non dispersive ; on parle des capteurs NDIR.
Le CO₂, rappelons-le, est un gaz à effet de serre, car il absorbe le rayonnement infrarouge, à défaut d’absorber dans le visible. On va se servir de cela.
Une source de lumière infrarouge constitue donc le premier élément de la chaîne de détection. Cette source émet une large gamme de longueurs d’onde infrarouge. Ces longueurs d’onde ne sont pas séparées par dispersion (d’où la dénomination « non dispersif » de ces détecteurs), mais filtrées optiquement.
Toutes ces longueurs d’ondes vont traverser une cavité optique (un tube) exposé à l’air ambiant. S’il y a du CO₂ dans l’air, il se retrouvera également dans ce tube.
L’air absorbe certaines des longueurs d’ondes : le CO₂ notamment va fortement absorber une bande située à 4 260 nm.
Pour cibler cette bande en particulier, on le fait passer par un filtre optique : c’est un verre traité spécifiquement pour laisser passer une fine bande autour de 4 260 nm, et bloquer tout le reste. C’est le même principe qu’un filtre coloré rouge, par exemple, qui laisse passer le rouge tout en bloquant le reste. Sauf qu’ici, c’est une « couleur » située dans les infrarouges qui est filtrée.
La partie qui passe le filtre optique, la bande de 4 260 nm, atteint alors un capteur. Ce dernier est habituellement une thermopile, qui est un ensemble de thermocouples, similaire à un module Peltier.
Les infrarouges étant des longueurs d’ondes provoquant des échauffements, ils chauffent la thermopile, qui produit alors une tension électrique.
Si désormais du CO₂ arrive dans le tube, ce dernier absorbe les infrarouges avant qu’ils n’arrivent sur la thermopile. La thermopile cesse d’être chauffée et la tension disparaît. Le système se met alors en alarme. Bien-sûr, la thermopile détecte le CO₂ de façon continue et il faut un seuil à partir de laquelle il faut lancer l’alarme.
Dans certains modules, la thermopile est remplacée par un capteur à effet pyroélectrique : un type de matériau qui produit une impulsion électrique lorsqu’il est échauffé. C’est un phénomène analogue à la piézoélectricité, mais avec la chaleur plutôt que la pression mécanique.
La bande à 4 260 nm est spécifique au CO₂, mais d’autres molécules peuvent également absorber des infrarouges :
C’est le cas essentiellement de toutes les molécules tri-atomiques courantes, ce qui englobe l’eau (H₂O) et les dioxydes de soufre (SO₂) et d’azote (NO₂), qui peuvent fausser légèrement les mesures. Ces incertitudes ont lieu à de très basses concentrations, et ne gênent donc pas l’implémentation de cette méthode qui cherche surtout à détecter un niveau anormalement élevé de CO₂ dans l’air. Les niveaux très faibles (< 0,5 %) étant considérés comme normaux pour le dioxyde de carbone, tout en étant déjà largement plus haut que les oxydes d’azote ou de soufre, et même de l’eau.
Dans le fonctionnement, ces appareils-ci sont ni plus ni moins des spectromètres. Ils se contentent toutefois d’analyser une seule longueur d’onde, là où un spectromètre complet balaie tout le spectre et peut donc également tout détecter (et sont généralement dispersifs… et beaucoup, beaucoup plus chers).
Méthode par détecteur solide
Le principe est ici similaire à la méthode par semi-conducteur pour le CO, mais modifié pour fonctionner avec le CO₂. Le CO₂ ne réagit pas avec l’oxygène : un détecteur au dioxyde d’étain ne peut donc pas fonctionner, mais le CO₂ peut toujours réagir avec d’autres composés, comme des polymères ou d’autres oxydes métalliques que l’étain, et en altérer là aussi les propriétés électriques (résistance, capacité…). De même donc, ces altérations sont mesurées et un calculateur lève l’alerte.
Un détecteur à CO₂ peut aussi utiliser des électrolytes solides, comme du NaSICon (sodium super-ionic-conductor) : des composés solides au sein desquels des ions – sodium ici — restent mobiles.
Le sodium ionique est comme un électron libre dans un métal, se baladant entre les interstices de la structure cristalline et procurant une conduction électrique.
Ils font l’objet d’une grande recherche actuellement, car ils peuvent servir de batteries Na-Ion, en remplacement des Li-Ion. Mais ils ont aussi la capacité de voir leur conductivité varier en fonction des gaz qu’ils adsorbent… dont le CO₂.
Ici aussi, donc, la variation de conductivité est dépendante de la quantité de CO₂ à laquelle le détecteur est exposé, et permet donc de mesurer ce gaz dans l’air.
Méthode chimique
Les capteurs chimiques sont souvent utilisés dans les applications grand public et portables car bien moins chers et complexes. Leur fonctionnement reste intéressant : ils reposent sur une réaction électrochimique au sein d’une pile à combustible utilisant le CO₂ de l’air comme un des réactifs pour produire l’apparition d’un courant.
Une membrane perméable au CO₂ (mais imperméable aux autres gaz) entoure une cellule électrochimique comportant un électrolyte, souvent une solution aqueuse (liquide ou gel) contenant du carbonate de lithium. Le CO₂ peut donc passer cette membrane et réagir avec le sel de lithium :
$$\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{Li}_2\text{CO}_3 \rightarrow 2 \text{LiHCO}_3$$
Il s’agit d’une réaction d’oxydoréduction : un transfert d’électron est produit entre les deux électrodes, et c’est ce qui est mesuré. Plus la concentration en CO₂ est élevée, plus le courant produit est intense, et inversement.
Il s’agit donc bien d’une pile à combustible de type appelée « Li-CO2 ».
Bien sûr, le capteur doit être étalonné régulièrement, car l’électrolyte s’épuise avec le temps : la pile à combustible finit par se vider, après une durée de fonctionnement de 2 à 5 ans.
La réaction ici utilisée est spécifique au CO₂, mais d’autres gaz comme le dioxyde de soufre (SO₂), peuvent fausser les mesures. Ces interférences sont minimes par rapport au CO₂ que l’on mesure, mais peuvent poser problème dans des environnements industriels fortement pollués.
La cinétique chimique étant bien souvent sensible à la température, ces détecteurs peuvent aussi être altérés par la température, voire par l’hygrométrie.
Méthode photoacoustique
Le détecteur NDIR capte directement la variation d’infrarouge avec un capteur optique. La méthode photoacoustique, la mesure est indirecte.
Un faisceau lumineux pulsé (typiquement une impulsion laser infrarouge), est dirigé vers un échantillon d’air contenant du CO₂. L’infrarouge est calé sur une longueur d’onde de 4 260 nm
Lorsque les molécules de CO₂ absorbent cette lumière, cette énergie est convertie en vibrations au sein de la molécule, et donc en chaleur. Le CO₂ qui s’échauffe provoque une dilatation locale du gaz. Cette dilatation génère une onde de pression, ou onde acoustique — autrement dit un son — dans une cellule acoustique. Le laser étant pulsé et répétitif, il se produit une onde de pression de façon régulière.
Un microphone ultra-sensible capte cette onde acoustique. L’amplitude du signal sonore est à nouveau fonction de la concentration en CO₂ : plus le gaz est concentré, plus d’infrarouge est absorbée et convertie en chaleur, plus le gaz se dilate, plus la surpression mesurée est importante. Un système électronique transpose ensuite l’intensité de l’onde acoustique en une valeur de concentration de CO₂.
Cette méthode permet de détecter des concentrations très faibles de CO₂, parfois jusqu’à quelques ppm (parties par million). Elle est utilisée dans les domaines exigeants, comme la recherche environnementale, la médecine (capnographie), ou les mesures de pollutions industrielles.
Contrairement aux capteurs électrochimiques, il n’y a pas de consommation de réactifs, ce qui assure une longue durée de vie et une stabilité accrue. Les capteurs photoacoustiques sont également moins coûteuses que les capteurs NDIR, car elles requièrent des composants moins compliqués à fabriquer.
La principale limite de cette méthode est la même que la méthode optique : la bande d’absorption à 4 260 nm est assez spécifique au CO₂ pour le caractériser, mais d’autres gaz comme la vapeur d’eau ou le méthane peuvent également en absorber une partie, produisant un signal parasite. Toutefois, dans le cas où une mesure de CO₂ se doit être ultra-précise, des systèmes de correction supplémentaires peuvent être appliquées pour éliminer l’absorption due à l’eau et aux autres gaz.
Conclusion
Détecter le CO₂ se fait avec des méthodes différentes que la détection de CO. À des niveaux de concentration différentes aussi : le CO₂ est loin d’être aussi toxique que le CO, et on tolère et recherche donc des concentrations bien plus élevées.
Les méthodes de détection sont toujours très complexes : elles se font avec un enchaînement de mécanismes qui, l’un après l’autre, transforment la centration effective de gaz dans l’air en une valeur numérique qu’il est possible d’afficher sur un écran, ou permettant d’activer une alarme.
Ressources
- A brief introduction to MOS sensors and their applications
- Electrochemical gas sensor - Wikipedia
- Semiconductor Gas Sensors: Materials, Technology, Design, and Application - PMC
- Understanding carbon dioxide detectors – Eoleaf
- Carbon dioxide sensor - Wikipedia
- Pyroélectricité — Wikipédia
- Photoacoustic effect — Wikipedia
- Non-dispersed infrared (NDIR) Carbon Dioxide (CO2) Sensor Working Principle
- NDIR Gas Sensor for Spatial Monitoring of Carbon Dioxide Concentrations in Naturally Ventilated Livestock Buildings | MDPI
- Semiconductor (MOS) CO Sensors: Working Principles, Design, and Applications
- CO2 detection with lithium solid electrolyte sensors
- Capteur de CO2 infrarouge ou électrochimique ? - Blog Deliled
