En 2014 et 2015, Flint, dans le Michigan, a été confrontée à une crise de santé publique lorsque des niveaux élevés de plomb et d’autres contaminants ont été détectés dans l’eau potable municipale. En conséquence, une épidémie de légionellose a provoqué la mort de 12 personnes et de nombreux malades graves. Même si ce sont les conduites en plomb qui ont entraîné des niveaux de plomb dangereux dans l’eau potable, une détection adéquate des émissions aurait pu empêcher l’épidémie.
Les capteurs d’émission jouent un rôle essentiel dans la surveillance et le contrôle des environnements industriels, médicaux, de recherche et de la vie quotidienne. De nombreux types d’émissions peuvent avoir des impacts négatifs, tels que des niveaux élevés de plomb ou de rayonnement dans l’eau, et la surveillance de ces émissions peut protéger la santé humaine, préserver l’environnement, conserver les performances des processus, garantir le respect des réglementations et assurer un contrôle qualité. Cet article examine les différents types de capteurs et les émissions qu’ils sont censés surveiller.
Émissions de particules
Les émissions de particules comprennent des composés comme la poussière, la fumée, les polluants, les composés organiques volatils (COV), les bactéries, les produits chimiques et bien plus encore. Compte tenu de la nature étendue des émissions de particules, diverses technologies de capteurs sont utilisées pour détecter les émissions de particules dans l’eau et l’air. Le terme le plus courant pour désigner cette famille de capteurs est « capteurs de qualité de l’eau ou de l’air », mais la technologie qui les alimente peut être complètement différente, selon l’application.
Capteurs de particules atmosphériques et de COV
Les lasers font partie intégrante de la détection des particules microscopiques dans l’air. Par exemple, le capteur de particules de la série Honeywell HPM utilise une source de lumière laser pour éclairer les particules passant à travers sa chambre de détection. Pendant que la lumière réfléchit et disperse les particules, un détecteur à photodiode analyse le signal laser reçu pour détecter les particules ultrafines. Cette série de capteurs détecte les particules (PM) allant des particules PM1.0, PM2.5, PM4.0 et PM10, ce qui permet de les utiliser dans des dispositifs de surveillance de qualité de l’air pour les salles blanches, les systèmes CVC et les appareils de purification de l’air. Les particules PM1.0 – PM10 ont une largeur comprise entre moins de 1 et 10 microns et comprennent des particules telles que la poussière, le pollen, les traces, les bactéries, les virus et la fumée.
Les COV peuvent causer des problèmes de santé majeurs et varient en taille et en composition. Les capteurs de COV comme le SGP40-D-R4 de SensirionAG intègrent un système de capteurs CMOSens basé sur la technologie des capteurs à oxyde métallique. En présence de COV, un film d’oxyde métallique spécialement conçu modifie la résistance d’un matériau semi-conducteur, qui envoie ensuite un signal électrique pour indiquer la détection de COV sur le film. Les capteurs d’oxyde métallique peuvent également être réglés pour détecter d’autres matériaux, notamment des gaz spécifiques, en manipulant les caractéristiques du semi-conducteur et en modifiant la température du capteur.
Capteurs de détection de la qualité de l’eau
Deux technologies de capteurs courantes sont utilisées pour détecter les particules dans l’eau. Les capteurs électrochimiques détectent les minéraux, les métaux et les niveaux de pH, tandis que les capteurs optiques détectent les solides dispersés, la couleur et la clarté.
Par exemple, le capteur CN0428 d’Analog Devices utilise la détection d’une réaction électrochimique de réduction-oxydation (redox) en mesurant le transfert d’électrons d’un réactif à un autre via des sondes de détection. Cette méthode est utilisée pour détecter les métaux lourds comme le plomb, ainsi que d’autres produits chimiques, bactéries et particules biologiques indésirables dans l’eau.
L’autre type courant de capteur de qualité de l’eau utilise des systèmes émetteurs/récepteurs optiques pour détecter la turbidité de l’eau, communément appelée clarté de l’eau. La turbidité peut être affectée par des particules en suspension telles que l’argile, le limon, les microplastiques, les algues, les sédiments ou toute autre matière organique. Le capteur CN0409 d’Analog Devices utilise des émetteurs infrarouges et des photodiodes pour mesurer la turbidité de l’eau allant de 0 à 1 000 FTU, avec une tolérance de +/- 0,5 FTU. À titre de référence, la limite de l’EPA pour la turbidité de l’eau potable est de 1 FTU.
Capteurs d’émission de gaz
Les émissions de gaz sont principalement associées aux gaz à effet de serre et aux émissions automobiles telles que le CO2, l’oxyde d’azote et le monoxyde de carbone. Cependant, les émissions de gaz peuvent provenir d’installations industrielles, de services publics d’électricité, de peintures, de solvants, de vapeurs chimiques et même de sources naturelles comme les volcans.
Le dioxyde de carbone, le plus célèbre des émissions de gaz à effet de serre, est l’un des gaz les plus surveillés dans diverses applications. Par exemple, les capteurs de CO2 tels que le SCD4X peut être utilisé pour les indicateurs de feux de circulation, la ventilation à la demande, les serres agricoles et la surveillance de la qualité de l’air intérieur. Ce capteur utilise un principe de mesure de masse thermique, intégrant un capteur calorimétrique MEMS et un élément micro-chauffant pour générer un profil de température lors de l’écoulement du gaz. À mesure que différents gaz traversent la membrane, le profil thermique change. Ce changement est utilisé pour indiquer la concentration de divers gaz présents sur la membrane.
L’ozone est un polluant nocif qui peut provoquer des maladies cardiaques et pulmonaires. Lorsque les oxydes d’azote (le sous-produit de la combustion de combustibles fossiles) sont en présence de COV, de chaleur et de lumière du soleil, des réactions chimiques gazeuses peuvent créer de fortes concentrations d’ozone. À des concentrations élevées, l’ozone peut endommager les tissus mous, nuisant ainsi à la santé humaine, animale et végétale. Pour cette raison, les capteurs d’ozone sont très courants en milieu urbain et sont utilisés pour alerter les autorités en cas de présence de niveaux élevés d’ozone. Des capteurs d’ozone comme le SEN0321 utilisent les mêmes principes électrochimiques que les capteurs à oxyde métallique susmentionnés et peuvent détecter des concentrations d’ozone allant de 0 à 10 ppm.
Enfin, les émissions de gaz peuvent être mesurées avec une précision incroyablement élevée à l’aide de détecteurs de gaz infrarouges. Ces ensembles de capteurs hautement spécialisés mesurent la composition du gaz en émettant des fréquences spécifiées de lumière infrarouge à travers un échantillon de gaz. Si un gaz cible est présent dans l’échantillon, des longueurs d’onde spécifiques de la lumière infrarouge sont absorbées. En fonction du taux d’absorption, la concentration du gaz spécifique peut être détectée par le détecteur infrarouge. Les détecteurs de gaz infrarouges vont des petits appareils comme ceux de la série USEQGSEx de KEMET, aux très grands ensembles de capteurs spécialisés qui détectent simultanément une large gamme de gaz.
L’importance des capteurs d’émission et de la détection
La détection des émissions est un outil essentiel pour surveiller et contrôler les environnements dans les secteurs industriel, médical, municipal et de recherche. La crise de l’eau à Flint, dans le Michigan, a mis en évidence la nécessité de systèmes de surveillance et de détection proactifs pour protéger la santé publique.
Les différents capteurs et technologies mentionnés dans cet article peuvent détecter un large éventail d’émissions. Presque toutes les applications de détection d’émissions disposent d’une solution. Les gouvernements, les entreprises et les chercheurs devraient tirer parti des capteurs d’émission pour créer un environnement plus sûr, plus sain et plus durable pour tous.
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