these - Université d`Oran

République Algérienne Démocratique et Populaire
Université D'Oran
Faculté des sciences
Département de physique
THESE
Pour obtenir le diplôme de
MAGISTER EN PHYSIQUE
(Spécialité : Sciences de l’Environnement et Climatologie)
Capteurs de gaz électrochimiques pour le contrôle de la pollution de l’air
Application : Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone [CO]
Présentée et soutenue publiquement
Par
BENMESSAOUD Nour-eddine
Avril 2007, devant la commission d’examen
Jury MM.
Président
SEBBANI Mohamed
Professeur (Université D’Oran)
Examinateur SAIDANE Abdelkader
Professeur (ENSET)
Examinateur ZANOUN Yahia
Maître de conférences (Université D’Oran)
Rapporteur
Professeur (Université D’Oran)
HAMOU Ahmed
j
e dédie ce travail,
A mon père et ma mère, qui ont été et sont toujours pour moi un exemple de
bonté, de travail et d’honnêteté, et qu’ils trouvent ici l’expression de toute mon
affection et ma gratitude, pour leur sollicitude jamais démentie et de ce qu’ils
ont manifesté à mon égard et les énormes sacrifices qu’ils ont consentis pour
moi.
A mes frères et mes sœurs, qu’ils m’ont aidé tout au long de mes études par leurs
encouragements.
A toute ma famille, que tous trouvent ici la consécration de leur espoir.
A tous les enseignants, qui ont contribué à ma formation, et qu’ils trouvent à
travers cet ouvrage toute ma reconnaissance et ma gratitude.
Au Directeur et tous les responsables de la Direction du Cadastre, qui m’ont
autorisé de faire continuer mes études de magister, et tous mes collègues de
travail.
A tous les membres du jury.
Benmessaoud. Nour-eddine
j
e tiens à remercier vivement mon encadreur A. Hamou,
pour m’avoir soutenu et appuyé tout au long de ma thèse. Ses
idées pertinentes, son inépuisable enthousiasme et sa bonne
humeur m’ont aidé à trouver mon chemin dans les moments
difficiles. Je lui suis surtout reconnaissant pour son souci constant
de l’avancement de ma thèse et son suivi continu de mon travail.
Je remercie également les membres du jury, le Président
du jury et les Examinateurs, qui m’ont fait l’honneur d’accepter de
juger ce travail.
Mes remerciements iront également à nos enseignants qui
ont fait notre formation et de leurs apports inestimables en la
matière.
Je tiens à exprimer ma reconnaissance à A.Hamza pour
les discussions que nous avons eues sur le travail et pour m’avoir
aidé à prendre des orientations décisives.
Mes remerciements iront également à l’adresse de mes
collègues du magister qui m’ont encouragé à terminer ce travail, et
particulièrement Melle H.Chafika..
Je suis reconnaissant également à Melle M. Souad,
malgré ses occupations, a accepté d’avoir lu le manuscrit avec
beaucoup d’attention et pour son aide.
Un grand merci à tous les membres des bibliothèques
que j’ai consultées.
Je remercie Hadj Mohammed, qui m’a aidé à réaliser ce
travail avec ses orientations électroniques.
Au-delà des aspects scientifiques, je voudrais remercier
la Direction du cadastre, lieu où je travaille, de m’avoir autoriser
de continuer mes études.
Je ne dois pas manquer de remercier mon ordinateur à
qui j’ai fait subir le fardeau de ce travail! et sans lequel ce
document n’aurais jamais vu le jour.
Encore un grand merci à toute personne, que peut être
par un oubli, je n’ai pas citée ici, ayant contribué de prés ou de loin
à l’accomplissement de ce modeste travail,
Benmessaoud. Noureddine
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INTRODUCTION GENERALE………………………………………...1
1
CHAPITRE I : Généralités
I.
De l’atome au matériau ……………………………………….…........….3
3
I.1
I.2
II.
Atome ……………..………………...……...........................................3
3
I.1.1
Structure de l’atome……………………......................................3
3
I.1.2
Cortège électronique des atomes…………………….....................3
3
I.1.3
Ions…………………................................................................4
4
I.1.4
Rayonnement…………...............................................................5
5
I.1.5
Liaison chimique…………..........................................................5
5
I.1.6
Liaison de Van der Waals……………..........................................5
5
I.1.7
Stœchiométrie…………..............................................................5
5
Matériau…………………………...……..............................................6
6
I.2.1
Caractéristiques des matériaux………………………....................6
6
I.2.2
Semi-conducteur……………………..………………...............11
11
Gaz………………………………………………………………………...15
15
II.1 Définitions…………………………………………………………….15
15
II.2 Transition de phase d’un gaz ..................................................................15
15
II.3 Combustion et les gaz ……………………………………….…….…..15
15
II.4
Adsorption…………………………………….…………………….16
16
II.4.1 Définition……..……………………….…………...………....16
16
II.4.2 Types d’adsorption………………………………….…..……...17
17
II.4.3 Désorption……………..…………………….…….…..……...18
18
II.4.4 Isotherme d’adsorption …………………………….….….....…18
18
II.4.5 Microporosité et Superficie spécifique ……………….….…....…19
19
19
III. Oxydoréduction……………………………………………………....…..19
III.1 Dans une solution aqueuse………………………………..…….......…19
19
III.2 Par la voie sèche…………………………………….…………......….20
20
IV. Chaleur de la réaction chimique (Enthalpie)………………..………….…2
20
CHAPITRE II : Gaz polluants
I.
Introduction ………………………………………………..………….….22
22
II.
Pollution atmosphérique…………………………………………………..22
22
II.1 Définition ……………………………………………………..……...22
22
II.2 Typologie des pollutions atmosphériques……………………..……….22
22
II.2.1 Pollution photochimique (ou smog photochimique)…........................22
22
II.2.2 Acidification……………………………………….....................2
25
II.2.3 Destruction de la couche d’ozone…………………………………..2
27
II.2.4 Contribution anthropique à l’effet de serre atmosphérique……………29
29
II.2.5 Pollution radioactive………………………..................................31
31
II.2.6 Pollution de l’air à l’intérieur des locaux………...............................31
31
II.3 Echelles de la pollution……..................................................................33
33
II.4 Polluants cibles et leurs toxicités…………………………………..…..35
35
II.4.1 Monoxyde de carbone (CO)………………………………………35
35
II.4.2 Dioxyde de carbone ou gaz carbonique (CO2)………………………36
36
II.4.3 Hydrocarbures (HC) et composés organiques volatils (COV)…..…….36
36
II.4.4 Cas particulier du benzène…………………………………….….37
37
II.4.5 Oxydes d’azote NOx (NO, NO2)……….………………………….37
37
II.4.6 Anhydride sulfureux ou le dioxyde sulfureux (SO2)……..…………..38
38
II.4.7 Ozone (O3)………………………………..……………………38
38
II.4.8 Particules en suspension PM10…………………………..……….39
39
II.5 Exposition aux polluants ……………………………………..………39
39
II.5.1 Relation doses-effets…………………………………………….40
40
II.5.2 Valeurs limites………………………………………………….41
41
III. Polluants atmosphériques en Algérie…………………………………….42
42
III.1 Sources d’émission des polluants en Algérie…………………………..42
42
III.2 Valeurs limites en Algérie…………………………………………….44
44
III.3 Etat des lieux………………………………………………..………..45
45
IV. Conclusion………………………………………………………………..46
46
CHAPITRE III : Concepts généraux sur les capteurs de gaz
I.
48
Généralités sur les capteurs………………………………………………48
I.1
I.2
I.3
Mesure – Grandeurs physiques à mesurer ………………………….…..48
48
Capteurs …………………………….…………………………..…....48
48
Principes physiques mis en œuvres………………………………..…...49
49
I.3.1
I.3.2
I.3.3
I.3.4
II.
Capteurs passifs………………………………….………….…..49
49
Capteurs actifs…………………………………………………..50
50
Caractéristiques métrologiques…………….………………....……51
51
Signal du capteur………………………………………….……..51
51
Capteur de gaz…………………………………………………………….52
52
II.1 Principe du capteur de gaz……………….………………………….…52
52
II.2 Principe de fonctionnement……………………………..…………..…52
52
III. Matériaux utilisés dans les capteurs des gaz…………………………...…54
54
III.1 Introduction…………………………………………………………...54
54
III.2 Oxyde d’étain SnO2……………………………………………………55
55
III.2.1 Propriétés cristallographiques de SnO2……………………………..55
55
III.2.2 Dopage de SnO2………………………………………………....56
56
III.2.3 Applications de l’oxyde d’étain SnO2 dans les capteurs des gaz……....56
56
III.3 Oxyde de tungstène WO3……………………………………………...57
57
III.3.1 Propriétés physico-chimiques des films minces de WO3………….….58
58
III.3.2 Dopage et sélectivité des capteurs en WO3………………..……..…58
58
III.3.3 Propriétés de conduction dans WO3…………………………….....58
58
III.3.4 Applications de l’oxyde de tungstène WO3 dans les capteurs de gaz.. 58
III.4 Bromure de cuivre CuBr……………………………………….… 59
III.4.1 Principe de détection …………………………………….....
59
III.4.2 Interaction de CuBr-ammoniac et la conductivité CuBr……..….
59
IV. Quelques types des capteurs de gaz……………………….………… 60
IV.1 GasFets………………………………………………………….. 60
IV.2 Micro capteurs catalytiques…………………………………….… 61
IV.3 Capteurs à conductivité thermique………………………….….....
62
IV.4 Résistances à oxydes métalliques sur support céramique……….....
62
V. Conclusion…………………………………………………………..... 63
CHAPITRE IV : Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de
carbone CO
I. Introduction…………………………………………………………..... 65
II. Capteur de gaz monoxyde de carbone HS134…………………………. 66
II.1 Structure du capteur HS134…………….………………………..... 66
II.2 Fonctionnement du capteur HS134 …………………………………68
II.2.1 Principe général ……………………………………….……..
68
II.2.2 Captage du polluant CO par le capteur HS134 ……………..……
69
III. Acquisition du signal électrique et réalisation électronique …………… 74
III.1 Acquisition du signal de sortie de HS134………………………...... 74
III.1.1 Schéma électrique équivalent du HS134………………………..
III.1.2 Caractéristiques métrologiques du capteur HS134……..….….......
III.1.3 Conditions de fonctionnement optimales du HS134………….….
74
77
81
III.2 Réalisation électronique du détecteur de gaz CO………………...…. 82
III.2.1 Rappels…………………………………………………..…
III.2.2 Nomenclature des composants électroniques utilisés…………..…
82
87
III.2.3 Schéma de principe du détecteur…………………………….… 88
III.2.4 Maquette du circuit de détecteur………………………….……
94
III.2.4.1 Tracé de circuit imprimé……………………………………….
94
III.2.4.2 Implantation des composants électroniques ……………….…
III.2.4.3 Adaptation du signal électrique à l’interface d’utilisateur…....
94
95
.96
III.2.4.4 Allumage de l’appareil………………………………..………….
III.2.4.5 Implantation de la maquette de circuit dans un boîtier ………..97
97
III.2.5 Etalonnage de détecteur ……………………………….….…..98
98
III.2.6 Lecture des valeurs détectées………………………..…………99
99
III.3 Caractéristique du détecteur de gaz CO……….……….……...…...100
100
IV. Tests et contrôle de détecteur…………………….………………….101
101
IV.1 Tests…………………………………..….………………………101
101
IV.2 Résumé des résultats des tests…………………………….……….104
104
V. Détecteur et les valeurs limites du gaz CO……….…………………....105
105
VI.
Conclusion ……………………………………………………..….. 105
CONCLUSION GENERALE……………………………………....107
107
page 1
Introduction Générale
Introduction
Aujourd’hui, la détection des gaz représente un enjeu majeur dans de nombreux
domaines : l’environnement, le contrôle de procédés, les industries chimique,
l’automobile etc. Dans le domaine de l’environnement, se sont les gaz polluants que
l’on cherche à détecter tels que l’ozone O3, l’ammoniac NH3, les oxydes d’azote NOx
et de carbone CO2 et CO, le sulfure d’hydrogène H2S, etc., lesquels font la pollution
de l’air.
Le trafic routier est l’une des sources principales de cette pollution. Il contribue
d’une façon importante à la dégradation de la qualité l’air par l’émission des gaz
toxiques tels que le monoxyde de carbone CO, les oxydes d’azote NOx, les
hydrocarbures imbrûlés (HC) auxquels s’ajoutent des composés soufrés (H2S et SO2).
La protection de la santé publique et l’environnement justifient la nécessité de réduire
ces émissions à un niveau le plus bas possible et de faire suivre leur évolution.
Il a été établi que 58 % de CO présent dans l’air urbain provient des émissions
du trafic automobile [SAM97]. Comme il est responsable, le monoxyde de carbone,
d’un taux de carboxyhémoglobine de 0.3 à 0.7 % de l’hémoglobine totale [BAU97].
Afin de réduire ce polluant, des efforts ont été portés initialement sur l’amélioration de
la qualité du carburant et l’optimisation des procédés de combustion, car,
généralement, ce polluant est dû à la combustion incomplète de tout combustible
carboné (bois, charbon, essence, etc.).
Pour trouver des réponses satisfaisantes à ces problèmes, il apparaît un fort
besoin à des dispositifs miniaturisés, simples et peu coûteux, permettant de multiplier
les points de mesure pour corréler des études épidémiologiques aux mesures
d’exposition individuelle et à celles des teneurs aux divers polluants dans
l’atmosphère, dans les habitats, et lieux de travail. Pour offrir aussi, la possibilité de
préserver autant l’environnement que la sécurité des personnes, car avec les systèmes
d’analyse classiques, encombrants et coûteux, il est impossible d’avoir ceci.
Pour ce faire, un autre procédé a été envisagé, le capteur de gaz. En l’inspirant
du système olfactif humain, ce type de capteur est qualifié abusivement du « nez
électronique ». Il s’agit d’une technologie nouvelle, qui a encore besoin d’être validée,
mais très prometteuse en raison de son faible coût et de sa miniaturisation.
Nous avons donc voulu d’aborder ce type de sujet qui porte sur la réalisation
d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO. Ce détecteur lequel est capable de
déceler ce polluant et donner son taux de concentration dans un milieu donné. La
réalisation d’un tel dispositif est articulée autour du capteur de gaz le HS134, un
capteur qui contient dans sa structure une couche de semi-conducteur SnO2, sensible à
ce type de gaz.
Le travail est réparti sur quatre chapitres :
• Le chapitre I regroupe des généralités fondamentales sur des notions physicochimiques, de l’atome au matériau, les semi-conducteurs, les gaz et les réactions
Introduction Générale
page 2
chimiques. Ce sont des notions que nous aurons besoin dans les autres chapitres qui
suivent.
• Le chapitre II est consacré à une vue d’ensemble sur la pollution
atmosphérique : les différents types de cette pollution, ses polluants cibles et leurs
méfaits nuisibles sur l’homme et son environnement. Nous avons présenté aussi un
état des lieux sur cette pollution en Algérie, en abordant les sources d’émission des
polluant atmosphériques, leurs conséquences et les différents dispositifs pris par l’état
algérien pour les contrer.
• Dans le chapitre III, nous étalons quelques concepts généraux sur les capteurs
des grandeurs physiques en général et, particulièrement, les capteurs de gaz. Nous
mettons aussi l’accent sur les différents matériaux métalliques utilisés dans les
capteurs de gaz tels que l’oxyde de l’étain SnO2, l’oxyde de tungstène WO3, etc. Enfin,
on termine le chapitre par quelques capteurs des gaz, que l’on peut trouver dans le
domaine des capteurs, tout en donnant leurs structures et leurs principes de
fonctionnement.
• Le chapitre IV est subdivisé en deux parties :
Dans la première partie, on fait une étude détaillée sur le capteur HS134 ; sa
structure, son principe de fonctionnement pour le captage du gaz et le signal électrique
donné par ce capteur. L’autre partie est consacrée à la réalisation du détecteur du gaz,
l’acquisition du signal électrique et son amplification, lequel signal transformé en
signal sonore peut indiquer l’existence du gaz dans un milieu donné. Comme on
présente aussi la maquette du circuit, les différents composants électroniques utilisés
et la réalisation électronique du détecteur.
Finalement, nous avons fait des tests sur ce détecteur de gaz réalisé, en
l’appliquant sur les différentes machines, automobiles et des lieux où on peut trouver
le gaz monoxyde de carbone, afin de vérifier son bon fonctionnement et son degré
d’efficacité.
CHAPITRE I Généralités
page 3
I. De l’atome au matériau
I.1 Atome
La matière est formée de particules appelées atomes. Les atomes d’un élément
sont tous identiques mais ils sont différents d’un élément à un autre. Par exemple, l’or
est un élément qui ne contient que des atomes d’or et l’hydrogène est un élément qui
ne contient que des atomes d’hydrogène. Deux ou plusieurs atomes peuvent se lier
chimiquement pour former un composé. La taille de l’atome est de l’ordre de 0.1 nm
(0.0000000001 mètre).
I.1.1 Structure de l’atome
Fig. I.1 : Représentation de la structure de l’atome
Un atome est constitué d’un noyau chargé positivement et d’électrons en
mouvement autour du noyau (fig.I.1). Les trajectoires des électrons autour du noyau
sont variables. Dire que les électrons décrivent des cercles autour du noyau n’est
qu’une approximation. Les électrons ont des trajectoires variables dans ce
nuage. Tous les électrons sont identiques, chacun d’eux porte une charge électrique
négative e-. La charge électrique d’un atome est nulle. L’atome est électriquement
neutre. Par exemple: L’atome d’hydrogène possède 1 électron et 1 charge positive
(proton) dans le noyau. (Charge d’un électron = -1,6 . 10-19 Coulomb et charge
positive = 1,6 . 10-19 Coulomb)
I.1.2 Cortège électronique des atomes
Les électrons du cortège électronique se répartissent en couches appelées
niveaux d’énergie (fig.I.2). Chaque niveau est désigné par une lettre: K, L, M, N etc.
La couche K contient au maximum 2 électrons, la couche L en contient 8, la couche
M 8 et la couche N 8, etc. Les électrons occupent successivement les niveaux.
CHAPITRE I Généralités
page 4
Prenons l’atome de carbone qui a 6 électrons. Il possède 2 électrons sur la couche K
et 4 électrons sur la couche L. Ce sont les électrons de la dernière couche non saturée
qui interviennent lors de réactions chimiques. Ce sont également ces électrons qui
sont mis en jeux lors de la formation de liaisons chimiques avec d’autres éléments
pour former des composés. Par exemple l’atome de carbone possède 4 électrons sur
sa couche externe il peut donc former 4 liaisons avec 4 différents atomes (ce sont des
liaisons covalentes). Le méthane CH4 est une molécule formée d’un atome de
carbone (C) lié à 4 atomes d’hydrogène (H). Un atome peut perdre 1 ou plusieurs
électrons de sa couche externe et devenir un ion positif. Il peut aussi gagner 1 ou
plusieurs électrons qui viennent compléter sa couche externe, et il devient un ion
négatif.
Fig. I.2 : Différentes couches de l’atome
Les atomes qui ont leur dernière couche saturée ne peuvent ni perdre ni gagner
d’électrons. Ce sont des éléments très stables appelés gaz rares ou gaz nobles car ils
n’interviennent pas dans les réactions chimiques. Ils sont non réactifs. Ce sont
l’hélium, le néon, l’argon, le krypton, le xénon et le radon.
I.1.3 Ions
Une molécule de potasse, d’acide sulfurique ou de chlorure de sodium se
dissocie en ions lorsqu’elle est dissoute dans de l’eau. Par exemple, la molécule NaCl
devient Na+ et Cl-. L’ion Na+ est appelé cation car il sera attiré par la cathode négative
lors d’une électrolyse et l’ion Cl- est un anion. Le symbole Na+ signifie que l’atome
de sodium a perdu un électron et possède une charge positive tandis que l’anion Clpossède une charge électrique négative. L’ionisation peut se produire aussi à haute
température. Comme par exemple, les gaz de la haute atmosphère (l’ionosphère) sont
ionisés par le rayonnement solaire. Il participent à la formation de couches
réfléchissant les ondes radio sur ondes courtes.
CHAPITRE I Généralités
page 5
I.1.4 Rayonnement
Les électrons périphériques sont moins fortement soumis à l’attraction du noyau
que ceux des couches internes et il arrive fréquemment qu’un électron change d’orbite
par suite d’une excitation comme, par exemple, une décharge électrique en milieu
gazeux. Lors de cette opération l’électron absorbe une certaine quantité d’énergie. En
reprenant sa trajectoire normale, l’électron restitue l’énergie W (en joule) qu’il avait
absorbée en émettant un photon, donc un rayonnement de fréquence
(en Hz)
particulière.
Selon la relation :
W = h.
(1)
Avec :
h = 6.6256 10-34 (constante de Planck).
Réciproquement, un photon capté par un atome peut provoquer un changement
de trajectoire d’un électron et faciliter le passage d’un courant électrique (effet
photoélectrique).
I.1.5 Liaison chimique
Une molécule est un édifice composé d’atomes. Pour que cet édifice soit
stable, c’est que ces atomes sont liés entre eux.
I.1.6 Liaison de Van der Waals
C’est une liaison ou une interaction de faible intensité entre atomes,
molécules, ou une molécule et un cristal. C’est un phénomène qui ne peut bien se
comprendre que dans le cadre de la physique quantique. Ces forces ont été nommées
en l’honneur du physicien hollandais Johannes Diderik van der Waals (1837 - 1923),
prix Nobel de physique 1910, qui fut le premier à introduire leurs effets dans les
équations d’état des gaz en 1873.
I.1.7 Stœchiométrie
La stœchiométrie permet de fixer une règle pour rendre compte de la
conservation du nombre d’atomes au cours d’une réaction chimique.
Par exemple, la réaction chimique qui permet d’obtenir du sulfure d’aluminium
(Al2S3) à partir de soufre (S) et d’aluminium (Al) se traduit par : Al + S = Al2S3
Cette représentation implique la connaissance de la composition atomique de
chaque réactif intervenant dans la réaction. Or cette écriture ne met pas en évidence la
conservation des éléments. Pour traduire la conservation des éléments, on place
devant chaque composé de l’équation un chiffre, le coefficient stœchiométrique, qui
permet d’obtenir une équation chimique équilibrée : 2 Al + 3S = Al2S3
CHAPITRE I Généralités
page 6
I.2 Matériau
Un matériau est une matière d’origine naturelle ou artificielle, que l’homme
façonne pour en faire des objets. C’est donc une matière de base, sélectionnée en
raison de propriétés particulières et mise en œuvre en vue d’un usage spécifique. La
nature chimique des différentes matières premières qui sont à la base des matériaux
confère à ceux-ci des propriétés particulières.
On distingue plusieurs familles de matériaux, telles que les matériaux minéraux
(des roches, des céramiques ou des verres), les matériaux métalliques (des métaux ou
des alliages de métaux), le bois, etc.
I.2.1 Caractéristiques des matériaux
•
Structure cristalline
Une structure cristalline d’un atome ou d’un groupement d’atomes (molécule)
est caractérisée par :
−
Une organisation spatiale de points, périodique, appelée réseau. Les points
sont les noeuds du réseau.
−
Chaque nœud correspond à un atome.
Une maille
Une maille (fig.I.3) est définie par 6 paramètres :
−
les longueurs des trois vecteurs a, b et c,
−
les angles
, , , qu’ils font entre-eux.
La maille, dont le volume est le plus petit, est la maille élémentaire.
C
b
a
Fig. I.3 : La maille d’un réseau cristallin
CHAPITRE I Généralités
page 7
Type des réseaux cristallins
Selon (a b c et
) jusqu’à (a = b = c et = = = 90°), on obtient 7
types de mailles qui définissent 7 systèmes cristallins. La majorité des matériaux
utilisés en électronique cristallisent un système cubique, mais il y a d’autres que l’on
n’a pas cités ici.
Exemple : Le système cubique
La maille du système cubique se caractérise par : a = b = c et
= = = 90°.
Le réseau est alors entièrement défini par une seule grandeur a : constante du réseau..
Selon la disposition des noeuds on distingue :
− Le réseau cubique simple : Il y a un atome à chaque sommet du cube
− Le réseau cubique centré : Il y a un atome à chaque sommet et un au centre
du cube (fig.I.4).
Fig. I.4 : Maille cubique centrée
− Le réseau cubique à faces centrées : Il y a un atome à chaque sommet et un au
centre de chaque face (fig.I.5).
Fig. I.5 : Maille cubique à faces centrées
CHAPITRE I Généralités
page 8
• Diversité des matériaux
Il existe entre l’atome et le matériau macroscopique un très grand nombre
d’ordres de grandeur, d’échelles de longueur. Prenons l’exemple d’un lingot d’or :
quelqu’un muni d’une loupe très puissante pourrait observer la structure de ce
matériau à l’échelle de l’atome : il verrait des atomes d’or régulièrement disposés aux
noeuds d’un réseau périodique [GEO05].
Les physiciens disposent des loupes pour regarder la matière à l’échelle
atomique, ce qui permet de sonder la structure des matériaux, des molécules ou des
objets biologiques, de manière statique ou dynamique. Les applications de ce genre de
loupe peuvent faire l’étude des changements structuraux des matériaux soumis à de
hautes pressions. Ces différentes techniques révèlent la diversité structurale des
matériaux, qu’ils soient naturels ou artificiels. Le sel de cuisine, par exemple, a une
structure cristalline très simple, il est composé d’atomes de sodium et de chlore
régulièrement alternés [GEO05].
Ces diversités, autant structurales qu’électroniques, sont et seront de plus en
plus mises à profit dans d’innombrables applications
• Résistivité
La diversité des matériaux se traduit donc pas une grande diversité des
structures, mais aussi de leurs propriétés électroniques, telle que la résistivité des
matériaux, qui est la capacité d’un matériau à s’opposer au passage d’un courant
électrique : R=U/I. Cette diversité a pu varier les matériaux entre des bons
conducteurs, un très bon isolant et des semi-conducteurs.
L’unité de la résistivité
est l’ohm-mètre, de symbole Ω-m.
On donne quelques résistivités des métaux dans le tableau I.1 suivant :
Tableau I.1 : Résistive de quelques métaux purs [GUI70].
Métal
Résistivité à 20 °C
(x 10-8 Ω-m)
Argent
1.5
Cuivre
1.6
Aluminium
2.7
Tungstène
7
Fer
10
plomb
20
CHAPITRE I Généralités
page 9
• Conductivité électrique
La conductance électrique d’un matériau est assurée par les électrons libres,
qui y sont nombreux. Prenons l’exemple de l’atome de cuivre Cu, où il y a un électron
de conduction par atome. Les atomes qui ont perdu cet électron sont devenus des ions
Cu+ ; ceux-ci sont régulièrement disposés (fig.I.6) ; mais ils ne sont pas immobiles, ils
vibrent légèrement, d’autant plus fort que la température est plus élevée. Les électrons
de conduction circulent parmi les ions Cu+ et toute irrégularité dans l’arrangement de
ces ions gène le déplacement d’ensemble des électrons, c’est-à-dire oppose une
résistance au courant électrique [GUI70].
Fig. I.6 : Maille cubique à faces centrées cristal de cuivre [GUI70]
Les « sauts » des électrons, qui sont à l’origine de la cohésion d’un matériau,
permettent également la conduction d’un courant électronique à travers tout le
matériau. Ce dernier est autant conducteur que sa résistivité est plus petite ; c’est
pourquoi l’inverse de 1/ de la résistivité est appelé conductivité électrique (Ω-m-1)
•
Conductivité thermique
La conductivité thermique est une constante thermophysique caractérisant le
comportement des matériaux lors du transfert de chaleur par conduction. Elle
représente la chaleur transférée par unité de surface, dans une unité de temps sous un
gradient de température
Dans le système international d’unités, la conductivité thermique est exprimée
en watts par mètre-kelvin, (W·m-1·K-1) où :
−
le watt est l’unité de puissance,
−
le mètre est l’unité de longueur,
−
le kelvin est l’unité de température.
La conductivité dépend principalement de :
− La nature du matériau,
− la température.
CHAPITRE I Généralités
page 10
D’autres paramètres comme l’humidité et la pression interviennent également.
En général, la conductivité thermique va de pair avec la conductivité
électrique. Par exemple, les métaux, bons conducteurs d’électricité sont aussi de bons
conducteurs thermiques. Il y a des exceptions, la plus exceptionnelle est celle du
diamant qui a une conductivité thermique élevée, entre 1000 et 2600 W·m-1·K-1, alors
que sa conductivité électrique est basse.
D’un point de vue atomique, la conductivité thermique est liée à deux types de
comportements :
−
le mouvement des porteurs de charges, électrons ou trous.
−
l’oscillation des atomes autour de leur position d’équilibre.
Dans les métaux, le mouvement des électrons libres est prépondérant alors que
dans le cas des non-métaux, la vibration des ions est la plus importante.
La conductivité thermique est donc liée d’une part à la conductivité électrique
(mouvement des porteurs de charge) et à la structure même du matériau (vibrations
des atomes). En effet dans un solide, les vibrations des atomes ne sont pas aléatoires
et indépendantes les unes des autres, mais correspondent à des modes propres de
vibration, aussi appelés « phonons » (on peut faire par exemple l’analogie avec un
pendule ou une corde de guitare, dont la fréquence de vibration est fixée). Ces modes
propres de vibration correspondent à des ondes qui peuvent se propager dans le
matériau, si sa structure est périodique (organisée). Cette contribution sera donc plus
importante dans un cristal, ordonné, que dans un verre, désordonné (d’où par exemple
la différence de conductivité thermique entre le diamant ci-dessus et le verre dans le
tableau).
Mathématiquement, la conductivité thermique
somme de deux contributions :
peut dont s’écrire comme la
= e+ p
(1)
où
−
e : est la contribution des porteurs de charge (électrons ou trous)
−
p : est la contribution des vibrations des atomes (phonons)
La contribution des porteurs de charge est liée à la conductivité électrique
matériau par la relation de Wiedemann-Franz :
e = LT
où
−
L est appelé « Facteur de Lorentz »
−
T : température.
du
(2)
CHAPITRE I Généralités
page 11
I.2.2 Semi-conducteur
• Définition
Les semi-conducteurs sont des matériaux dont la résistivité est intermédiaire
entre celle des conducteurs et celle des isolants.
Parmi les semi-conducteurs simples utilisés en électronique, le germanium Ge
et le silicium Si, ce sont des semi-conducteurs de la colonne IV de la classification
périodique des éléments de Mendeleïev. La résistivité de semi-conducteur Ge ou Si
est plusieurs centaines de milliers de fois plus grande que le cuivre. Le silicium
(fig.I.7) est le matériau le plus abondant dans la nature, puisqu’il est à la base de la
plupart des roches.
Le semi-conducteur silicium Si ou le germanium Ge se comporte comme un
corps qui a 4 électrons sur sa couche externe.
-
-
-
Deux atomes voisins peuvent mettre
en commun chacun un électron
et deviennent liés par une liaison covalente
Un atome de silicium possède
4 électrons sur sa couche
SI
SI
SI
SI
SI
Chaque atome peut se lier à 4 atomes
voisins et former un tétraèdre
Fig. I.7 : Cristallisation du silicium
Chaque atome de silicium peut être considéré comme le centre d’un tétraèdre,
chacun des atomes auquel il est lié se trouvant sur un des quatre sommets du tétraèdre.
Les liaisons covalentes (fig.I.7) sont très solides et permettent la formation d’un
CHAPITRE I Généralités
page 12
cristal parfait. Tous les électrons étant utilisés dans les liaisons, aucun n’est disponible
pour permettre le passage d’un courant électrique, du moins aux températures très
basses ; ce cristal présente une résistivité assez élevée.
• Conduction dans les semi-conducteurs
Lorsque la température s’élève, sous l’effet de l’agitation thermique, des
électrons réussissent à s’échapper et participent à la conduction. Ce sont les électrons
situés sur la couche la plus éloignée du noyau qui s’impliquent dans les liaisons
covalentes. Dans le cristal, ces électrons se situent sur des niveaux d’énergie (les
couches de l’atome) appelée bande de valence (EV). Les électrons qui peuvent
participer à la conduction possèdent des niveaux d’énergie appartenant à la bande de
conduction (EC). Entre la bande de valence et la bande de conduction peut se situer
une bande interdite dont l’ordre de grandeur est l’électron-volt (eV) (fig.I.8 (a)).
Pour franchir cette bande interdite l’électron doit acquérir de l’énergie Eg
(thermique, photon h , etc.) (fig.I.8 (b)). Pour les isolants, la bande interdite est quasi
infranchissable, et pour les conducteurs elle est inexistante. Les semi-conducteurs ont
une bande interdite assez étroite.
E
E
-
EC
h
Eg
Eg
f
f
EV
EV
(b)
-
EC
+
(a)
+
Fig. I.8 : Diagramme d’énergie d’une bande interdite Eg [BAU01]
L’atome qui a perdu un électron devient un ion positif et le trou ainsi formé
peut participer à la formation d’un courant électrique en se déplaçant. Dans un cristal
pur, à température ordinaire, les électrons libres sont malgré tout extrêmement rares de l’ordre de 3 pour 1013 atomes. Si l’électron libre est capté par un atome, il y a
recombinaison. Pour une température donnée, l’ionisation et recombinaison
s’équilibrent ; la résistivité diminue quand la température augmente. Un semiconducteur dont la conductivité ne doit rien à des impuretés est dit intrinsèque.
CHAPITRE I Généralités
Electron libre
page 13
Liaison covalente
-
-
-
Noyau
-
-
-
-
-
-
Trou
Fig. I.9 : Les électrons libres et les trous dans des liaisons entre les atomes
Les électrons présents dans la bande de conduction permettent la conduction
du courant. La conduction du courant peut être considérée de façon tout à fait
équivalente en terme de trous d’électron se déplaçant dans la bande de valence.
• Dopage des semi-conducteurs
En réalité, les semi-conducteurs intrinsèques (les matériaux qui sont des semiconducteurs à l’état brut) ne sont pas les plus utiles. C’est les semi-conducteurs dopés
que l’on cherche à créer pour beaucoup d’applications industrielles. Dans le domaine
des semi-conducteurs, la dopage c’est l’ajout de l’impureté en petites quantités à une
substance pure afin de modifier ses propriétés de conductivité. Les propriétés des
semi-conducteurs sont en grande partie régies par la quantité de porteurs de charge
qu’ils contiennent. Ces porteurs sont les électrons ou les trous.
−
Dopage P
Lors de la formation du cristal de silicium, par exemple, il suffit d’introduire
une infime quantité d’impuretés sous la forme d’atomes d’aluminium (possédant
seulement 3 électrons sur leur couche externe) pour que le nombre de trous dans le
cristal augmente considérablement. Le cristal est dit « dopé » et comme les porteurs
de charges majoritaires sont des trous, positifs, le cristal est dit dopé P. Les électrons
libres qui correspondent à la conductivité intrinsèque sont appelés porteurs
minoritaires.
Si un électron s’arrache à un atome voisin, en venant combler le trou, alors il
se passe comme si c’était le trou qui s’était déplacé, en faisant le courant électrique.
Atome accepteur :
On reste toujours avec l’atome de silicium comme exemple, si l’impureté est
un atome trivalent (3 électrons sur sa couche externe, comme le bore et l’aluminium),
à ajouter à l’atome du silicium, l’atome trivalent est dit atome accepteur car il va
CHAPITRE I Généralités
page 14
générer un trou avec l’atome de Si et elle peut capter un électron. Les porteurs
majoritaires, les trous, sont beaucoup plus nombreux que les porteurs minoritaires
Dans le cas du bore B (fig.I.10), il manque un électron ; c’est donc un trou
d’électron qui est amené.
Trou
Si
Si
Si
Si
B
Si
Si
Si
Si
Fig. I.10 : Dopage de silicium par le bore (dopage de type P)
−
Dopage N
On peut également doper le cristal avec des impuretés pentavalentes (atomes
possédant 5 électrons sur leur couche externe), comme l’arsenic ou l’antimoine, pour
le silicium Si. On se retrouve alors avec un électron supplémentaire, donc libre. Les
porteurs de charges majoritaires sont alors de polarité négative, les électrons, donc in
dit que le cristal est dopé N. Les porteurs de charge minoritaires sont dans ce cas les
trous (positifs) de la conductivité intrinsèque.
Atome donneur :
Électron libre
Si
Si
Si
eSi
P
Si
Si
Si
Si
Fig. I.11 : Dopage de silicium par le phosphore (dopage de type N)
CHAPITRE I Généralités
page 15
En tant qu’impureté dans un cristal de silicium Si (tétravalent), l’atome du
phosphore P, un atome pentavalent possédant 5 électrons sur sa couche externe,
fournit un électron en plus (libre) au cristal, on dit alors que l’atome du phosphore est
un atome donneur (fig.I.11).
II. Gaz
II.1 Définitions
Au niveau microscopique, on décrit un gaz comme étant d’un ensemble
d’atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi indépendants.
D’un point de vue macroscopique, on caractérise la matière à l’état gazeux par
les critères suivants :
•
un gaz n’a pas de forme propre,
•
Il tend à occuper tout le volume disponible.
Tout corps pur peut se trouver sous trois états (aussi appelés phases) : solide,
liquide ou gazeux. Le passage de l’état liquide à l’état gazeux est appelé vaporisation.
La masse volumique d’un corps pur atteint son minimum à l’état gazeux. Elle
décroît sous l’effet d’une baisse de pression (loi de Gay-Lussac et loi de Charles) ou
d’une hausse de la température (on parle de dilatation des gaz). Les mouvements
chaotiques des molécules qui composent le corps le rendent informe. Ils lui
permettent d’occuper entièrement l’espace clos qui le contient
II.2 Transition de phase d’un gaz
Le passage direct de l’état solide à l’état gazeux est appelé sublimation. Par
exemple, la neige carbonique se transforme en dioxyde de carbone CO2, sous l’effet
de la température. L’inverse, du gaz au solide s’appelle cristallisation.
Quand un liquide passe à l’état gazeux, il y a vaporisation (soit par
évaporation, soit par ébullition). L’inverse s’appelle la liquéfaction. Ces
transformations s’appellent des transitions de phase
II.3 Combustion et les gaz
Un combustible est une matière qui, en présence d’oxygène et d’énergie, peut
se combiner à l’oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant
de la chaleur : la combustion.
La plupart des matériaux d’origine organique sont des combustibles. Par
exemple, le bois, le charbon, le pétrole sont des combustibles.
On distingue:
• Les combustibles fossiles (pétrole, charbon, gaz etc.), issus de matières
organiques préhistoriques fossilisées. Leur combustion rejette dans l’atmosphère du
dioxyde de carbone (CO2) qui provient de la combinaison d’atomes de carbone issus
du sous-sol et d’oxygène atmosphérique. Ces rejets de CO2 participent à l’effet de
serre et aux changements climatiques actuels (pollution atmosphérique).
CHAPITRE I Généralités
page 16
• Les biocombustibles (biocarburants liquides, copeaux ou granulés de bois,
céréales et autres aspects de la biomasse), issus de plantes vivantes. Leur combustion
présente un bilan CO2 beaucoup plus faible (pour autant qu’on replante ce qui a été
coupé) puisqu’elle rejette le CO2 atmosphérique qu’ils ont accumulé au cours de leur
croissance par photosynthèse. C’est donc une énergie renouvelable, mais pas nonpolluante.
• On parle aussi de combustible nucléaire pour désigner les matières utilisées
pour produire de l’énergie par fission dans les centrales nucléaires, bien qu’il ne
s’agisse pas d’une réaction de combustion.
II.4 Adsorption
II.4.1 Définition
C’est l’augmentation de la concentration des molécules de gaz à la surface du
solide par rapport à la quantité totale de gaz. Les molécules de gaz sont fortement
immobilisées à la surface du solide (fig.I.12).
L’adsorption se diffère de l’absorption. Si la dernière concerne la pénétration
du gaz dans le solide, l’autre c’est la liaison du gaz à la surface du solide.
Fig. I.12: Représentation de l’adsorption des molécules de gaz à la
surface du solide
CHAPITRE I Généralités
page 17
L’adsorption est représentée par la relation :
V = ƒ(P,T)
(1)
Avec :
V : le volume du gaz adsorbé
P : la pression du gaz,
T : la température.
Alors, d’après l’équation (1), on remarque qu’il y a une corrélation entre le
volume du gaz adsorbé, le pression du gaz et la température appliquée sur le gaz.
II.4.2 Types d’adsorption
Il existe deux sortes d’adsorption (fig.I.13):
• Adsorption physique (physisorption)
Elle met en jeu des liaisons faibles, du type forces de Van der Waals, entre le
gaz et le solide. Elle se produit bien avant que le gaz n’atteigne une pression égale à
sa tension de vapeur saturante, à des températures assez basses et voisines du point
d’ébullition de la phase adsorbée. Elle est en général réversible et on peut la comparer
au dépôt de buée sur une paroi froide. L’équilibre est obtenu lorsque les vitesses
d’évaporation et de condensation sont égales.
• Adsorption chimique (chimisorption)
s’accompagne d’une profonde modification de la répartition des charges
électroniques des molécules adsorbées, les forces mises en jeu sont du même type que
celles qui sont impliquées lors de la formation des liaisons chimiques. Elle est souvent
irréversible (ou difficilement réversible) et engendre une couche monomoléculaire.
Généralement, c’est physisorption qui se produit avant la chimisorption. Dans
la figure (fig.I.13), on fait une comparaison entre les deux processus.
Quantité de gaz
adsorbée
Chimisorption
Physisorption
Température
du solide
Fig. I.13 : Comparaison entre la physisorption et chimisorption
CHAPITRE I Généralités
page 18
Suivant la courbe (fig.I.13), on remarque que l’adsorption physique est
favorisée par une baisse de la température et on remarque aussi, que l’on a plus de
quantité du gaz adsorbé dans la phase de la l’adsorption chimique que celle de
l’adsorption physique.
II.4.3 Désorption
C’est le mouvement des molécules de gaz s’éloignant de la surface du solide,
donc la diminution de la concentration des molécules de gaz à la surface par rapport à
la concentration totale du gaz. Ce phénomène est similaire à la condensation d’une
vapeur d’eau sur une fenêtre froide et est réversible.
II.4.4 Isotherme d’adsorption
• Définition
Une isotherme d’adsorption montre la quantité de gaz adsorbée en fonction de
la pression de gaz à une température donnée. Elle est définie par la relation (2), pour
une température T constante :
V = ƒ(P)
Avec :
(2)
V : le volume du gaz adsorbé.
P : la pression du gaz.
• Types des isothermes d’adsorption
Il y a 5 types d’isothermes d’adsorption, mais le plus simple et plus utilisé dans
les capteurs de gaz, celui de Langmuir, type I (fig.I.14).
Définition du TYPE LANGMUIR (LOGARITHMIQUE) MONOCOUCHE :
Dans le type d’isotherme d’adsorption, défini par Langmuir, la surface du
solide est représentée par un nombre de sites définis. Les sites sont occupés au fur et à
mesure de l’augmentation de la quantité de gaz présent dans la chambre d’analyse
jusqu’à la formation d’une monocouche (monolayer) de gaz occupant tous les sites.
Quantité
de gaz
adsorbée
Pression
Fig. I.14 : Isotherme d’adsorption d’un gaz de Langmuir (type I)
CHAPITRE I Généralités
page 19
Dans ce type d’isotherme, la quantité de gaz adsorbé atteint un seuil et reste
constante quoique la pression du gaz s’augmente, en faisant une seule couche
(monocouche de gaz).
II.4.5 Microporosité et Superficie spécifique
• Microporosité
Plusieurs matériaux présentent des pores avec une grande distribution de forme
et dimension. La présence de ce type de pores va limiter le nombre de couches
adsorbées des gaz et produire des phénomènes de condensation capillaire. Il existe de
très nombreux types d’adsorbants, des solides qui contiennent des micropores sur leur
surface, par leurs procédés d’adsorption sont utilisés pour le captage des gaz,
séparation de l’oxygène et de l’azote de l’air, purification d’hydrogène, désulfuration
du gaz naturel, décoloration des jus sucrés, purification d’effluents, séparation de
molécules pour la pharmacie, traitement d’eaux, etc. Parmi ces adsorbants, il y a les
charbons actifs, les zéolithes, les adsorbants à base polymère, mais le plus utilisé c’est
le charbon actif.
• Superficie spécifique
La surface spécifique représente la surface totale par unité de masse du produit
accessible aux atomes et aux molécules. Il s’agit donc de considérer toute la surface
de chaque particule, porosité ouverte comprise.
Le principe physique, universellement reconnu pour la détermination de l’aire
massique, est basé sur l’adsorption de gaz à basse température.
Il permet :
- une mesure sans modification de la texture géométrique de l’échantillon ;
- la détermination de l’aire de la totalité de la surface des particules de poudre, y
compris la surface des pores ouverts ou criques en cul-de-sac, accessible aux
molécules de gaz extérieures.
Le phénomène d’adsorption s’effectue grâce à des forces dites faibles ou
secondaires (forces de Van der Waals) à la surface de la poudre ou du solide ; ces
forces agissent vers l’extérieur, notamment sur des molécules de gaz qui entoureraient
l’échantillon à analyser ; elles se manifestent toujours à des températures basses,
quelque soient la nature chimique des corps en présence.
III. Oxydoréduction
L’oxydoréduction est une réaction chimique de deux équations chimiques, une
c’est l’oxydation et l’autre est la réduction.
III.1 Dans une solution aqueuse
Oxydation : consiste en une perte d’électrons.
Réduction : consiste en un gain d’électrons.
CHAPITRE I Généralités
page 20
Comme les électrons ne peuvent ni être créés ni être détruits, toute oxydation
s’accompagne d’une réduction : l’oxydant est réduit et le réducteur oxydé.
Exemple :
Fe + Cu2+
Cu + Fe2+
(1)
Réduction
Oxydation
Le métal fer est oxydé par les ions de cuivre; les ions cuivre sont réduits par le
métal fer. Alors, le fer est réducteur et les ions de cuivre sont des oxydants.
Nous dirons que Fe/Fe2+ et Cu/Cu2+ forment deux couples oxydoréducteurs.
Mis en présence l’un avec l’autre, la forme oxydée de l’un oxyde la forme réduite de
l’autre. Cela signifie que les ions cuivre sont plus oxydants que les ions fer, ou, ce qui
revient au même, que le métal fer est plus réducteur que le métal cuivre.
III.2 Par la voie sèche
Il y a un autre type d’oxydoréduction par la voie sèche, par l’élément d’oxygène O.
L’oxygène est un élément très avide d’électrons (il est très électronégatif).
Chaque fois qu’un autre élément réagit avec lui, l’oxygène accapare, au moins
partiellement, les électrons de liaison. Chaque fois qu’un élément ou un composé
chimique se combine avec un (nouvel) atome d’oxygène, nous dirons qu’il est oxydé
Exemple :
CO2 + Fe
FeO + CO
(2)
Oxydation
Réduction
Donc de l’équation (2) : Le monoxyde de carbone CO, qui a pris un atome
d’oxygène à FeO, l’a réduit ; FeO, qui a cédé un atome O à CO, l’a oxydé. Alors, le
CO est un réducteur et le FeO est un oxydant.
IV. Chaleur de la réaction chimique (Enthalpie)
Imaginez une expérience [BLA06] au cours de laquelle nous décomposerions
un gramme de carbonate de calcium dans un calorimètre à pression constante sous
une pression de 1.0 atmosphère. Une bonne isolation est également nécessaire pour
nous assurer que le seul transfert de chaleur au cours de la réaction soit le passage de
q joules (1 joule = 4.1868 cal) du calorimètre aux réactifs chimiques.
Supposons que CaCO3 était à 25 °C avant que ne commence la réaction, et que
CaO et CO2 soient ramenés à 25 ° à la fin. Nous trouverions que 1775.2 joules (0.424
kilocalories) d’énergie sous forme de chaleur ont été perdus par le calorimètre au
profit des composés chimiques: il en ressort que la réaction est endothermique
(chaleur absorbée) de 1775.2 joules. Nous pouvons dire que les 1775.2 joules ont été
CHAPITRE I Généralités
page 21
transformés en une sorte d’énergie chimique, à laquelle nous donnons le nom
d’ENTHALPIE.
Nous pouvons maintenant expliquer l’absence de ces 1775.2 joules (0.424
kilocalories) de la façon suivante :
Lorsqu’un gramme de carbonate de calcium se décompose à 25 °C sous une
pression de 1 atmosphère, son enthalpie augmente de 1775.2 joules).
+177.2 joules
CaCO3
CaO + CO2
(1)
1.00 g
0.56 g + 0.44 g
(2)
On remarque, de la réaction chimique (1), que l’enthalpie de 0.56 grammes de
CaO et de 0.44 grammes de CO2 est plus grande que +1775.2 joules et que celle de
1.0 gramme de CaCO3 (l’équation (2)).
Si nous utilisons le symbole H pour le contenu enthalpique d’un composé,
nous pouvons donc exprimer le changement d’enthalpie dans la réaction ci-dessus
par:
H (CaCO3, 1 g) + 1775.2 joules = H (CaO, 0.56 g + C02, 0.44 g)
(3)
DH = H (Ca0, 0.56 g + C02, 0.44 g ) - H(CaC03, 1 g ) = 1775.2 joules.
(4)
Il en ressort que q = DH = 1775.2 joules est la chaleur adsorbée dans cette
réaction endothermique.
Si nous effectuons la réaction inverse, la réaction (5), partant de CaO et CO2 et
aboutissant à CaCO3, nous trouverons que le calorimètre gagne 1775.2 joules. C’est
ce qui est observé. C’est pourquoi, pour la réaction inverse, qui est exothermique
(chaleur dégagée), q = DH = -1775.2 joules.
-177.2 joules
CaO + CO2
CaCO3
(5)
0.56 g + 0.44 g
(6)
1.00 g
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 22
I. Introduction
L’atmosphère terrestre est un ensemble des gaz qui sont en équilibre. Il y a qui
sont en abondance et d’autres sous forme des traces. Par exemple, le taux du dioxyde
de carbone CO2 est de 0.035 % du volume de l’ensemble des gaz constituant
l’atmosphère, tandis que l’azote ou l’oxygène, ils sont respectivement 78 % et 21 %.
S’il y avait une perturbation dans cet équilibre, on aurait des problèmes
environnementaux. Par exemple, une faible augmentation du taux du dioxyde de
carbone peut donner un problème de réchauffement de la planète (l’effet de serre).
En outre, l’atmosphère est un couvert protecteur de plusieurs dangers menaçant
la Terre, tels que les rayonnements solaires ultraviolets, des comètes et le
refroidissement de la galaxie. Elle est aussi une ressource de vie pour la Terre et ses
êtres vivants, en les alimentant en air de respiration (l’oxygène) et en eau (pluies).
Pour que l’atmosphère continue à nous protéger et à nous alimenter, nous
devons de notre part, la protéger. Cependant, nos activités humaines quotidiennes
touchent son équilibre; en augmentant ou en diminuant l’un de ses gaz. Quand nous
utilisons des combustibles fossiles, comme le charbon, le pétrole et le gaz naturel, nous
émettons de grandes quantités des gaz toxiques qui endommagent cette atmosphère,
réduisent sa capacité de protection et polluent son air et son eau atmosphérique. Quand
nous abattons des arbres, la capacité de la Terre à purifier l’atmosphère s’en trouve
réduite. Les véhicules à moteur, les activités industrielles, le chauffage des habitations,
la combustion des déchets (l’incinération) et d’autres activités humaines sont des
sources qui détériorent l’atmosphère, en créant un problème que l’on appelle la
pollution atmosphérique.
II. Pollution atmosphérique
II.1 Définition
« On entend par pollution de l’atmosphère, l’émission dans l’atmosphère des
gaz, des fumées ou de particules solides ou liquides, corrosifs, toxiques ou odorantes
de nature à incommoder la population, à compromettre la santé ou la sécurité publique
ou à nuire aux végétations, la production agricole et aux produits agroalimentaires, à la
conservation des constructions et monuments ou au caractère des sites » [LOI83].
II.2 Typologie des pollutions atmosphériques
La composition et les concentrations des polluants dans l’air se varient dans
l’espace et le temps. De ce fait, les effets des polluants sont directs et indirectes ce qui
a donné des conséquences immédiates et différées. A cet effet, plusieurs types de
pollution de l’air ont été distingués.
II.2.1 pollution photochimique (ou smog photochimique)
La première apparition de cette pollution, c’est en décembre 1952 à Londres,
qui a tué plus que 4 700 personnes [VER00]. A cet épisode le nom SMOG a été
consacré d’où il s’agit de la contraction des mots smoke : fumée et fog : brouillard.
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 23
Cette pollution (smog) nous apparaît sous forme d’un brouillard jaunâtre qu’on
peut voir au dessus des cités industrielles les jours de chaleur.
• Formation
La pollution photochimique (ou pollution photo-oxydante) est un ensemble de
phénomènes complexes, qui se forment à cause des polluants secondaires comme
l’ozone et d’autres composés oxydants (le peroxyde d’hydrogène H2O2, aldéhydes et
peroxyacétylnitrate PAN), mais le plus redoutant c’est l’ozone troposphérique. Ces
polluants secondaires se forment suite à d’innombrables réactions chimiques et
photochimiques, sous l’influence du rayonnement solaire, des polluants primaires
(appelés précurseurs) émis principalement par les véhicules [SAM97]
Réactions photochimiques
La production photochimique résulte de la dissociation du dioxyde d’azote NO2
par le rayonnement ultraviolet h . Cette réaction constituant la principale source
d’oxygène atomique O dans les basses couches de l’atmosphère :
h
NO2
O + NO
(1)
De la réaction chimique (1), l’oxygène atomique O produit se combine à
l’oxygène moléculaire O2 pour former l’ozone :
O + O2
O3
(2 )
Puis, suivant les produits des réactions chimiques (1) et (2), on a la réaction
chimique (3) :
NO + O3
NO2 + O2
(3 )
La production d’ozone étant toutefois limitée par sa réaction sur le monoxyde
d’azote :
La production d’ozone est donc très dépendante de l’ensoleillement et des
conditions météorologiques, de sorte que la production des polluants photochimiques
est favorisée au printemps ou en été.
Suivant les deux dernières réactions chimiques (2) et (3), on remarque qu’il y a
un cycle chimique de formation et de destruction de l’ozone O3. Ce cycle présente un
caractère non linéaire d’où sa complexité. En effet une abondance des émissions des
oxydes d’azote NOx, précurseurs d’ozone, peut nuire à l’accumulation d’O3, et la
pollution photochimique peut se manifester plus amplement loin des émissions de
précurseurs.
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 24
Ces pollutions, sensible en toute saisons, sont développées en été et dans les
régions où l’activité solaire accroît les rendements des réactions chimiques.
• Conséquences de pollution photochimique
L’ozone troposphérique a des effets sur la santé humaine, les écosystèmes
forestiers et agricoles, de plus ce phénomène de pollution photo-oxydante est
intimement lié à celui des pluies acides. Parmi les conséquences nuisibles de cette
pollution [VER00] :
- Irritation des yeux, de la gorge et des bronches,
- Dommages aux végétaux,
- Des lésions foliaires et des inflammations oculaires,
- Dépérissement des forêts (les forêts d’Europe, smog 1952).
Les réactions photochimiques et leurs conséquences nuisibles sont résumées
dans le digramme suivant d’après T.Miller 1990 :
Energie solaire
Radiations
ultraviolettes
Eau
NO
NO2
HNO3
Acide nitrique
Conséquence
respiratoire,
Irritation des yeux
PANs
Nitrates
péroxyacyl
O
Atome
d’oxygène
Aldéhydes
O2
Molécule
d’oxygène
O3
Irritation des
yeux, dommages
aux végétaux
Fig. II.1 : Schéma simplifié de la formation du smog photochimique
D’après T.Miller, 1990 [VEV97]
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 25
II.2.2 Acidification
Dans la pollution atmosphérique, on ne porte pas seulement atteinte à l’air, mais
on touche également l’eau. La pollution de l’eau est très liée à la pollution de l’air par
ce qu’on appelle les pluies acides. Ainsi, ce type de pollution est appelé la pollution
acide.
La pollution acide (ou pluie acide) est un autre polluant secondaire puissant.
Elle se caractérise par l’augmentation du taux d’acidité dans l’eau des pluies. Elle se
forme à partir des polluants primaires acides, les SO2, NOx, NH3, HCl et HF, émis par
des activités humaines.
Les principaux polluants acides incriminés dans cette pollution sont
l’anhydride sulfureux SO2, les oxydes d’azote NOx et l’ammoniac (qui provient de
l’agriculture et des élevages). En se combinant avec la vapeur d’eau et l’oxygène, en
présence de lumière solaire, l’anhydride sulfureux SO2 et les oxydes d’azote NOx
forment une soupe diluée d’acides sulfurique H2SO4 et nitrique HNO3. Ensuite, elle se
tombe soit sous forme humide (pluie acide), soit sous forme de dépôts secs [VER00].
En modifiant les caractéristiques chimiques, cette pollution réduit la diversité et
la vitalité des populations d’êtres vivants de certains milieux, en particulier les forêts et
les milieux d’eau douce. De même, elles peuvent endommager les matériaux
métalliques et les roches calcaires des constructions et des sculptures.
L’élément utilisé pour calculer le taux d’acidité, dans l’eau des pluies, c’est le
pH « potentiel d’hydrogène », qui sert à mesurer l’acidité d’un corps en chimie. La
valeur du pH est comprise entre 0 et 14. C’est une grandeur sans unité.
Suivant les valeurs de pH, on peut distinguer le type de la solution [FON67] :
- Les solutions basiques (ou alcalines) : 7 <pH
14,
- Les solutions neutres : pH = 7,
- Les solutions acides: 0
pH < 7.
L’eau de pluie peut être soit pure (pH voisin de 7), soit acide par une acidité
naturelle due au CO2 de l’atmosphère (pH = 5.6) ou une acidité due à la pollution
(H+NO-3, 2H+SO4-2) (pH = 4 ).
Les pluies acides ont un pH compris entre 3 et 4. La pluie la plus acide
observée sur la terre c’est celle tomba à Pitlochry (Ecosse) en 1974 : elle était presque
aussi acide que le jus de citron.
• Formation
La circulation des polluants SO2 et NOx, dans l’atmosphère, les permet de se
transformer en sulfates SO4-2 et en nitrates NO3- dans le cas où l’atmosphère est sèche,
ainsi qu’en acide sulfurique et en acide nitrique si elle est humide (fig. II.2). Cette
circulation des polluants acides à travers les masses d’air peut donner des pluies acides
à des centaines kilomètres, mais les régions les plus touchées sont celles situées prés
des points d’émission (zones industrielles, les autoroutes, etc.) [SAM97].
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 26
Atmosphère
Acide
Sulfurique
Acide
Nitrique
.
Sulfates
Nitrates
SO2
NOx
Fig. II.2 : Cycle de formation des pluies acides
[SAM97]
• Les conséquences nuisibles
Les conséquences nuisibles de cette pollution acide sont énormes, et en se liant
à d’autres pollutions les conséquences deviennent plus graves ; que l’on peut résumer
en [VER00] :
− Elles attaquent les végétaux (fig.II.3), ce qui réduit la production alimentaire
et les forêts, ce qui réduit les récoltes de bois (fig.II.4).
Fig. II.3 : Impacts des pluies acides sur les végétaux
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 27
− Les retombées acides ont des effets sur les matériaux, le zinc (toitures), le
roche calcaire (matériaux de construction et statues), le cuivre (statues, toitures), le fer
(poutrelles, véhicules),
− Les pluies acides sont l’une des causes du dépérissement des lacs comme
l’acidification des eaux des lacs Scandinaves et Canadiens causée par les dépôts acides
secs,
− Le pH des eaux est devenu acide entraînant des modifications importantes de
la faune piscicole, ou la mort des poissons.
− Quand une pluie acide entre en contact avec du calcaire, il y a une réaction
chimique qui se produit : l’effervescence. Cette réaction dégage du CO2, ce qui
contribue à l’effet de serre,
− Une réduction des populations de lombrics, d’escargots, de mésanges et une
fragilisation des populations de grands herbivores.
Fig. II.4 : Dégradation d’une forêt par les pluies acides [COL06]
II.2.3 Destruction de la couche d’ozone
L’ozone est le composé prépondérant dans la haute atmosphère à une
altitude entre 20 et 50 Km. L’ozone stratosphérique est qualifié de bon ozone
car il absorbe les rayonnements ultraviolets solaires et nous préserve ainsi
contre le risque du cancer cutané et autres mutations génétiques. Il préserve
également l’activité photosynthétique des plantes.
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 28
La diminution de la couche d’ozone est apparue évidente à partir de 1970 audessus de la zone Antarctique (pôle Sud). Cette diminution affecte aussi l’hémisphère
Nord depuis 1985 avec un pourcentage de baisse de 0.4 % par an. Sur l’espace d’une
décade, la baisse a été de 6 % durant les saisons de l’hiver et du printemps et de 3 %
durant les saisons de l’été et d’automne [VER00].
• Les agents destructeurs
En 1970, des chercheurs scientifiques ont découvert que certains produits
chimiques, appelés les chlorofluorocarbones (C.F.C), menacent la couche d’ozone.
Ces produits chimiques, les C.F.C, sont non inflammables, non toxiques pour l’homme,
très stables et peu coûteux jusqu’à cette découverte d’où leur responsabilité dans le
trou d’ozone. Elles sont constituées par des molécules stables qui ayant une durée de
vie de plus que 100 ans dans l’atmosphère [VER00].
Ces substances chimiques contiennent des atomes de clore et de fluor, utilisés
depuis longtemps comme: agents réfrigérants, propulseurs de mousse synthétiques,
isolants, dans les matelas et les sièges automobiles. Sous l’influence du flux solaire,
ces substances s’élèvent et se détruisent en libérant des atomes de clore, dans
l’atmosphère. Les molécules de clore libérées réagissent avec les molécules d’ozone et
les détruisent (fig.II.5). D’autres produits chimiques sont aussi incriminés dans la
destruction de la couche d’ozone : les halocarbones bromés (utilisés dans extincteurs),
le tétrachlorure de carbone (solvant et extincteur), chloroforme de méthyle (solvant), le
bromure de méthyle (fumigène insecticide) et les oxydes d’azote issus des engrais
[VER00].
Les nuages contiennent alors de fins cristaux de glace qui fixent le chlore sous
forme de HCl et de NO2ClO. Dès que le soleil réapparaît, le rayonnement UV libère
les radicaux Cl et ClO qui réagissent avec l’ozone rapidement
Flux des
Rayonnements
solaires
Molécule
D’ozone
Atome de Chlore
d’origine industrielle
O2
ClO
Dissociation
De l’ozone
Fig. II.5 Action du chlore sur les molécules d’ozone
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 29
• Bannissement des CFC
La couche d’ozone présente, pour la Terre, un couvert de protection. Elle la
protège des rayons solaires ultraviolets. Ces rayons sont dangereux aussi bien pour
l’homme que pour la faune et la flore. Parmi les conséquences nuisibles causées par
cette réduction dans la couche d’ozone [VER00] :
- Chez l’homme, elle peut lui créer des cancers de la peau et des troubles de la vue,
- Pour les végétaux, le ralentissement de la photosynthèse,
- Comme elle peut touche aussi la faune (le plancton marin).
A la fin des années 1990, cette réduction de la couche d’ozone atteignait 60 %.
La quasi-totalité de la communauté scientifique ont responsabilisé les CFC (chlorofluoro-carbones) et d’autres produits chimiques. A cet effet, il y a un bannissement
dans l’utilisation de ces produits chimiques, malgré leurs utilités dans la vie
quotidienne et leur prix moins coûteux.
II.2.4 Contribution anthropique à l’effet de serre atmosphérique
L’effet de serre est phénomène naturel et bénéfique pour l’activité de la
biosphère. Il sert à chauffer la planète Terre et garder sa température à 15° en moyenne
par le biais de certains gaz appelés : des gaz à effet de serre, en l’évitant à un
refroidissement à -15°. Mais depuis les débuts de l’ère industrielle, ces teneurs en gaz
à effet de serre sont en augmentation régulière à cause des activités humaines, ce qui a
donné une élévation progressive de la température de la Terre et un réchauffement de
la planète.
• Augmentation de l’effet de serre
On connaît aujourd’hui une augmentation de la température de la Terre à 1 °C,
mais tous les experts s’accordent pour estimer qu’elle pourrait atteindre 2 °C à 5 °C
d’ici la fin du siècle, si on laisse les choses en l’état [VER00]. Cette augmentation
dans la température est due principalement à l’accroissement de CO2, de méthane, des
CFC etc., dans l’atmosphère. Ceci a entraîné un réchauffement progressif de
l’atmosphère, ce qui donne une augmentation de l’effet de serre.
En plus, ce réchauffement augmente l’évaporation de l’eau, et cette vapeur
d’eau supplémentaire, dans l’atmosphère, amplifie beaucoup le phénomène de l’effet
de serre. D’ailleurs, la vapeur d’eau a un poids très fort dans ce phénomène ; sa
contribution est exprimée en flux de rayonnement de l’ordre de 100 W.m-2 pour
l’ensemble de la Terre, alors que le CO2 contient la moitie de celle de la vapeur d’eau,
50 W.m-2. A cela s’ajoute la contribution des nuages avec 30 W.m-2 [GUY99].
Cet état de fait peut conduire à un changement climatique grave qui cause des
retombées très négatives sur plusieurs plans :
- Une augmentation de la désertification [SAM97],
- Des excès pluviométriques au niveau de certaines latitudes et des inondations,
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 30
- Une montée du niveau des mers et on estime que ce relèvement peut atteindre 20
cm à 1 m à la fin du si on laisse les chose en l’état. Comme à Brest (Europe), le niveau
de la mer s’est élevé à 10 cm [GUY99],
- La dilatation des océans et de la fonte des glaciers [VER00].
• Activité humaine et gaz à effet de serre
Les principaux gaz à effet de serre liés aux activités humaines sont résumés
dans le tableau II.1 :
Le gaz carbonique CO2 : son augmentation a atteint 25 % depuis l’ère
industrielle (tableau II.1) Cette augmentation est due deux causes principales :
l’utilisation des combustibles fossiles (charbon, hydrocarbures) et des combustibles
naturels (bois etc.) ainsi que la déforestation. La première, les combustibles fossiles,
représente un rejet actuel de l’ordre 6 Gt/an de carbone (un gigatonne = 109 tonnes) et
la seconde un rejet de 2 Gt/an.
Tableau II.1 : Les gaz à effet de serre dont l’homme a modifié la concentration
volumique dans l’atmosphère [GUY99]
CO2
CH4
N2 O
CFC
ppmv
ppmv
ppbv
pptv
Avant l’ère industrielle
280
0.80
288
0
L’année 1990
354
1.70
310
280
Accroissement annuel
0.5 %
0.9 %
0,25 %
4%
Durée du séjour dans
l’atmosphère (an)
50-200 (**)
10
150
60
Type de gaz
Unité (*)
(*) ppmv : partie par million en volume ;ppbv :partie par milliard volume ;
pptv :partie par billion en volume
(**) Cet écart est lié aux incertitudes sur la durée du cycle biogéochimique du CO2
L’oxyde nitreux NO2 : son émission est liée aussi au développement agricole.
Son émission est le résultat de la dénitrification des sols par des bactéries (l’action des
micro-organismes sur les composée azotés dans le sol et l’eau.), le transport routier.
Les CFC (chlorofluorocarbures) : ce sont des composés très stables crées par
l’industrie chimique.
La durée de vie des gaz à effet de serre, CO2, CFC et NOx, est longue, dans
l’atmosphère (Tableau II.1). Pendant au moins un siècle, leurs concentrations
resteront toujours très élevées, malgré les mesures prise pour régler les émissions
[GUY99].
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 31
Le Méthane : sa production est liée aux processus anaérobies de fermentations
des matières végétales, en particulier dans les marécages (rizières) et l’élevage,
l’exploitation des mines de charbon, les décharges d’ordures ménagères et la
distribution du gaz.
L’accroissement de la production du méthane CH4 est étroitement corrélé au
développement de la population humaine et liée essentiellement au développement de
l’agriculture [GUY99].
Autres gaz à effet de serre : HFC, PFC, SF6
II.2.5 Pollution radioactive
• Définition
La radioactivité est la transformation spontanée de certains radioéléments. Les
radioéléments ont la capacité de se désintégrer, cette désintégration s’accompagne de
la libération d’énergie. Par exemple, l’uranium 238 produit du thorium 234 et une
particule alpha, cela s’accompagne de l’émission des rayons gamma nuisible pour la
santé.
On mesure le nombre des désintégrations (l’activité) par unité de temps s
(seconde) dans une unité de source radioactive en becquerel (Bq), qui correspond à un
désintégration par seconde. Et on mesure l’énergie cédée par le rayonnement à l’unité
de masse de la matière exposée en gray (Gy), qui correspond à la quantité d’énergie de
1 J/kg [VEV97].
• Formation
L’origine de la radioactivité atmosphérique soit elle est naturelle, soit elle
artificielle. Naturelle, elle correspond aux rayons cosmiques (espace) et aux terrains
granitiques (Terre). Par contre, la radioactivité artificielle provient des essais
nucléaires militaires et l’utilisation du nucléaire civil.
La répartition géographique de la production d’énergie nucléaire et sa
consommation montre que la part de l’Afrique est quasi nulle, tandis que la part du
monde occident est bien importante [VEV97].
L’effet biologique correspondant à la nocivité potentielle de la dose absorbée en
compte la nature des rayonnements.
Parmi les accidents de cette pollution radioactive celle du 26 avril 1986, où un
réacteur de la centrale de Tchernobyl située en Ukraine, prés de Kiev, a exposé. Un
incendie s’est déclenché, de sorte que d’importantes quantités de matières radioactives
ont été libérées dans l’environnement. Des mesures ont été faites au niveau des pays
d’Europe sur les eaux de pluies, sur les laits des vaches et divers aliments (blé par
exemple), qui ont données des conclusions concluantes.
II.2.6 Pollution de l’air à l’intérieur des locaux
On passe en moyenne de 20 à 22 heures par jour à l’intérieur de lieux clos
(habitat, lieux de travail, métro, etc.), or de nombreuses études tendent à montrer que
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 32
la qualité de l’air y est parfois moins satisfaisante qu’à l’extérieur. Contrairement à la
pollution de l’air extérieur, la pollution de l’air des locaux est peu connue au public
tant au niveau des sources de pollution, des types de polluants et de leurs
concentrations potentielles. Pourtant, dans des cas critiques, les conséquences peuvent
être extrêmement graves pour la santé des résidents.
•
Sources de pollution de l’air des locaux
- Air extérieur : en alimentant les locaux, il peut les contaminer par des polluants
issus de la circulation automobile, de l’industrie etc,
- Sol et le sous-sol : l’humidité favorisant le développement de bactéries,
champignons. Le radon : gaz radioactif cancérigène émis naturellement parle sol,
- Matériaux : de construction, d’isolation et présence des solvants toxiques dans
certains matériaux (formaldéhyde, benzène, etc.), amiante, laine de roche,
- Entretien : divers produits chimiques de bricolage, de nettoyage : peintures,
solvants,
- Appareils de combustion: chauffage, chauffe-eau, cuisinière à gaz notamment.
S’ils sont mal réglés, ils peuvent émettre des gaz toxiques,
- Systèmes de traitement de l’air : une climatisation mal entretenue ou mal conçue
peut être un foyer de développement de bactéries (Légionelloses) extrêmement
dangereuses,
- Autres activités humaines : tabagisme, cuisine, nettoyage (aspirateur poussières),
- Etres vivants : animaux de compagnie, acariens, bactéries, champignons qui
peuvent provoquer des problèmes d’allergie.
•
Effets sur la santé
Suivant les types de polluants, leurs concentrations, les temps d’exposition à
ces polluants, les effets peuvent être très divers :
- Danger à très court terme, parfois mortel : intoxication au monoxyde de
carbone,
- Chauffages au fioul, charbon ou gaz mal réglé; infection pulmonaire
(Légionellose due à un mauvais système de climatisation),
- Allergies respiratoires d’origine biologique (acarien, poils d’animaux, etc.) : ces
allergies ont vu leur nombre se multiplier ces dernières années car elles sont favorisées
par la pollution atmosphérique,
- Gêne, inconfort, irritation des yeux, du nez, de la gorge, migraines dus à un
mauvais renouvellement de l’air, une mauvaise hygrométrie. Cette situation se retrouve
souvent dans des immeubles de bureaux (Syndrome des bâtiments malsains) : manque
d’aération (impossibilité d’ouvrir les fenêtres), climatisation, émission de substances de
différents matériaux (solvants, vernis), émissions d’ozone (photocopieurs),
- Risques à long terme liés au tabagisme (passif ou actif) ou à l’exposition à
l’amiante.
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 33
II.3 Echelles de la pollution
Les types des polluants, les lieux des sources des polluants et les phénomènes
météorologiques (vents, température etc.) se sont des facteurs qui ont une grande
influence dans la pollution atmosphérique. Elle contribue dans le transport et la
dispersion des polluants, sur l’échelle spatiale, et leurs temps de résidence dans
l’atmosphère, sur l’échelle temporelle. Sur la base de ces facteurs et leurs influence
sur les deux échelles, spatiale et temporelle, on peut classer les types de la pollution
atmosphérique en trois catégories : locale, régionale et planétaire. Toutefois, ces trois
catégories sont étroitement liées par les interactions multiples des divers polluants.
• Pollution de proximité et à l’échelle locale
Cette pollution produit ses effets à proximité des sources d’émission de gaz et
d’autres polluants indésirables et le plus souvent produites en milieu urbain (industrie,
chauffage, trafic, etc.) (fig.II.6), ce qui met une autre appellation à cette pollution :
pollution urbaine.
Fig. II.6 : La pollution locale (centrales thermiques) [COL06]
Les conséquences nuisibles de cette pollution sont :
- Elle porte atteinte en premier lieu la santé de la population par son action directe
à court terme et une toxicité à plus long terme pour certaines pathologies,
- Elle procure une gêne olfactive importante,
- Elle participe à la dégradation du patrimoine bâti par corrosion et salissure,
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 34
Cette catégorie peut être scindée en pollution à proximité et pollution locale,
suivant l’échelle spatiale. La pollution à proximité est inférieure à 500 m tandis que
l’autre inférieure à 10 Km [SAM97].
• Pollution régionale
Elle caractérise des pollutions qui touchent des zones situées à quelques
dizaines, voire à plusieurs centaines de kilomètres des sources d’émission des
polluants. Cette catégorie de pollution peut regrouper deux types de pollution : la
pollution photochimique et les pluies acides.
La considération des pluies acides comme une pollution régionale revient à
leurs dépôts secs et humides, qui touchent des zones éloignées des sources de pollution
(régions industrialisées) comme les forêts (fig. II.4), en raison des processus de
transformation physico-chimique et par le jeu des circulations des masses d’air
[SAM97] (fig. II.7).
Pour la pollution photochimique, on la considère aussi comme une pollution
régionale par son polluant le plus redoutant, l’ozone. De façon surprenante, les
concentrations d’ozone mesurées loin des sources des précurseurs (une agglomération
par exemple) sont plus élevées que celles mesurées près des sources.
SO2
Le vent
NOx
H2SO4
HNO3 H2SO4
H2SO4
O3
NOx
NOx
O3
Fig. II.7: La pollution régionale (pluies acides et l’ozone) et les phénomènes
Météorologiques [SAM97]
O3
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 35
En effet, sur une ville par exemple, les émissions de NOx (liées au trafic
notamment) sont élevées. L’ozone est détruit par le NO. Le NO agit comme un puits
d’ozone puisqu’il le consomme. Si le nuage de polluants formé sur la ville se déplace à
la campagne, ou les émissions de NO sont moindres, les concentrations d’ozone
augmentent puisque l’ozone n’est plus consommé
• Pollution planétaire
Cette pollution peut l’identifier en deux problèmes : la diminution de la couche
d’ozone et celui de l’effet de serre.
II.4 Polluants cibles et leurs toxicités
Dans l’atmosphère, les polluants sont nombreux, mais vu la teneur
importante de certains polluants et leurs effets que d’autres, il y a seulement quelques
polluants qui sont suivis et mesurés, tels que le monoxyde de carbone, le dioxyde de
carbone, l’ozone, etc.
II.4.1 Monoxyde de carbone (CO)
Monoxyde de carbone est un gaz toxique, incolore et inodore. Sa formule
chimique CO, il contient un seul atome d’oxygène. Il fut découvert en 1799 par le
chimiste britannique Joseph Priesltey. Le monoxyde de carbone se forme lors de la
combustion incomplète des substances carbonées
• Sources
58 % de ce gaz revient au trafic routier avec des moteurs à essence [SAM97].
On le trouve surtout en concentrations fortes sous les espaces couverts (tunnels,
parking etc.), où les véhicules circulent en nombre important. Un moteur d’automobile,
qui tourne dans un garage fermé, charge l’air d’une importante quantité de monoxyde
de carbone en quelques minutes [SAM97].
D’autres sources de ce gaz, très proches de l’homme, les conduits de chaudière.
S’ils sont percés, ils peuvent remplir une pièce d’un poison insoupçonné. Le gaz de
chauffage, qui peut contenir jusqu’à 50 % de monoxyde de carbone, contient souvent
de faibles quantités de composés sulfurés d’odeur désagréable, ajoutés pour permettre
de déceler les fuites éventuelles.
Mais c’est aussi un produit naturel du métabolisme humain. Il est responsable
d’un taux de carboxyhémoglobine physiologique de l’ordre de 0.3 à 0.7 % de
l’hémoglobine totale [BAU97].
• Effets sur l’environnement
−
Pollution urbaine
Au niveau sanguin, le monoxyde de carbone inhalé se fixe essentiellement sur
l’hémoglobine pour former un composé stable, la carboxyhémoglobine (HBCO)
[THI06]. En se fixant dans l’hémoglobine, la HBCO bloque l’apport d’oxygène à
l’organisme. A forte dose, elle provoque le coma puis la mort.
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 36
Suivant les concentrations de CO, rencontrées dans les villes, on peut dire qu’il
peut être responsable des crises d’angine de poitrine, d’épisode d’insuffisance
cardiaque ou infarctus chez les personnes sensibles, etc. [SAM97].
−
Pollution régionale
La communauté végétale est insensible à la présence de CO avec des
concentrations habituelles [SAM97].
Le monoxyde de carbone est un polluant primaire pour la pollution
photochimique, il est l’origine de l’ozone et d’autre oxydants (PAN etc.) [SAM97].
−
Pollution planétaire
Il se transforme en CO2 dès que l’on s’éloigne de la source, et il accroît la
présence de méthane (CH4) dans l’atmosphère [SAM97].
II.4.2 Dioxyde de carbone ou gaz carbonique (CO2)
Le dioxyde de carbone (ou gaz carbonique) est un gaz incolore et inodore, dont
la molécule est formée d’un atome de carbone relié à deux atomes d’oxygène par deux
doubles liaisons (formule brute : CO2). Ce gaz fut découvert par le chimiste et médecin
belge Jan Baptist Van Helmont en 1600, mais il n’a pas arrivé à l’identifier. Après des
années, le chimiste français Antoine de Lavoisier a parvenu à l’identifier, en
l’attribuant la formule chimique CO2.
• Sources
Le gaz carbonique est émis par toutes les activités de combustion de composé
de carbones dont il est le produit final. Il y a aussi le transport routier, qui contribue
beaucoup à l’émission de ce gaz.
• Effets sur l’environnement
−
Pollution urbaine
Dans un milieu ouvert, la concentration de CO2 est faible et elle n’est pas
nocive [HER99].
−
Pollution régionale
Pas d’action spécifique [SAM97].
−
Pollution planétaire
C’est le gaz le plus prédominant dans le phénomène de l’effet de serre.
II.4.3 Hydrocarbures (HC) et composés organiques volatils (COV)
Les hydrocarbures (HC) comportent uniquement des atomes de carbones et
l’hydrogène. Quant aux composés organiques volatils (COV), ils contiennent d’autres
atomes divers et varies tels que le chlore Cl, l’oxygène O, le soufre S, l’azote N, etc.
• Sources
Le transport est l’origine de plus de 37 % des émissions de ces types de gaz,
surtout les véhicules a essence [SAM97]. Parmi ces gaz, il y a un type appelé les
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 37
hydrocarbures aromatiques polycyclique, émis par les véhicules à moteur à explosion,
ils sont les plus dangereux [SAM97]; leur action cancérigène a été prouvée en
laboratoire.
• Effets sur l’environnement
−
Pollution urbaine
Parmi ces gaz qu’on peut les rencontrée dans la ville les hydrocarbures
aromatiques polycyclique, émis par les véhicules à moteur à explosion [SAM97].
−
Pollution régionale
Ces gaz contribuent à la formation d’ozone et PAN (Péroxy Acétyl Nitrate), à
partir des NOx, en donnant une pollution photochimique [SAM97].
−
Pollution planétaire
Les HC sont responsables de 14 % de l’effet de serre [ADE], en favorisant la
création de CH4.
II.4.4 Cas particulier du benzène
−
Pollution urbaine
Le benzène est cancérigène certain chez l’homme (l’OMS, organisation
Mondiale de Santé). Ainsi, l’usage de l’essence comme un solvant pour le nettoyage
de pièces mécaniques ou des mains doit être formellement proscrit. Il y a aussi
d’autres circonstances comme le remplissage des réservoirs à la pompe, on doit
respecter les marges de sécurité pour ce travail.
−
Pollution régionale et Pollution planétaire
Pas d’action spécifique.
II.4.5 Oxydes d’azote NOx (NO, NO2)
• Sources
Les NO proviennent des réactions chimiques entre l’oxygène et l’azote de l’air,
dans des conditions de hautes températures comme celles des combustions. Ils se
transforment en NO2 dans l’atmosphère sous l’action de l’ozone [HER99].
L’émission des NOx est imputable à 66 % aux activités de transports [SAM97].
• Effets sur l’environnement
−
Pollution urbaine
Dans des conditions normales, on ne rencontre pas des concentrations toxiques
aux abords des routes, par contre, à des concentrations plus élevées, ils sont des
irritants respiratoires, en particulier aux cuisines (pollution à l’intérieur des locaux)
[SAM97].
La toxicité de NO2 est supérieure à celle du NO, même pour les plantes
[HER99].
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 38
Dans l’atmosphère, ils sont des précurseurs de l’ozone troposphérique
(Pollution photochimique).
−
Pollution régionale
Outre comme étant des précurseurs de la pollution photochimique, les NOx
constituent un danger pour les végétaux et l’homme, en se transformant en nitrate et
puis en acides nitriques, ce qui donne des pluies acides.
II.4.6 Anhydride sulfureux ou le dioxyde sulfureux (SO2)
• Sources
La principale source de ce polluant est la combustion des huiles lourde, à forte
teneur en soufre (diesel, mazout), et les combustibles solides, riches en soufre
(charbon, tourbe) [HER99].
• Effets sur l’environnement
−
Pollution urbaine
Il s’agit d’une pollution purement industrielle, le transport est peu impliqué
dans cette pollution, sauf le diesel. A cet effet, ce polluant a effet nuisible beaucoup
local que régional [HER99].
C’est un gaz irritant et toxique pour l’homme, les animaux et les végétaux
[DEG89]. En épidémiologie, le SO2 est associé à la mortalité respiratoire ou
cardiovasculaire [HER99].
−
Pollution régionale
Pas d’action spécifique.
II.4.7 Ozone (O3)
Quand on parle de l’ozone comme étant un polluant, c’est l’ozone
troposphérique. L’ozone stratosphérique est complètement différent, il est bénéfique
pour l’homme, la faune et la flore en filtrant les radiations dans l’ultraviolet.
• Sources
Lorsque le NO2 se décompose en NO, en présence d’hydrocarbures, permet la
formation d’ozone troposphérique, d’où la relation avec le trafic automobile [HER99].
Ce polluant est considéré comme un polluant secondaire, car il est formé à
partir des autres polluant primaire (NOx, HC, etc.).
• Effets sur l’environnement
−
Pollution urbaine
L’ozone est polluant toxique similaire à SO2 et NOx, mais à des faibles dose
(100 ppb) [SAM97].
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 39
Les principaux symptômes sont la basse capacité pulmonaire et une irritation
des muqueuses, notamment les yeux. Les asthmatiques sont particulièrement sensibles
à cette toxicité [SAM97]. En outre, ce polluant altère également certains matériaux.
−
Pollution régionale
Au niveau régional, l’ozone touche principalement les végétaux que l’homme,
en altérant le processus de la photosynthèse. Une perte agricole peut atteindre 25 % de
la production [SAM97].
−
Pollution planétaire
L’ozone est un gaz à effet de serre très actif [SAM97].
II.4.8 Particules en suspension PM10
Les particules de taille inférieure à 10 µm, dites PM10, restent en suspension
dans l’air. Les particules les plus grosses sont stoppées dans les voies respiratoires
supérieure et rejetées, les plus fines pénètrent profondément et restent bloquées au
niveau des alvéoles des poumons [SAM97].
• Sources
Le transport et les activités quotidiennes de l’homme contribuent beaucoup à
l’émission des ces particules, comme les résidus de combustion des véhicules diesel et
l’usure des pièces mécanique (plaquettes de frein, disques d’embrayage, pneus etc.)
• Effets sur l’environnement
−
Pollution urbaine
L’émission des particules PM10, en particulier celles provenant des diesels,
contribue de manière permanente à l’obscurcissement de l’atmosphère. Les
pathologies liées à ces polluants ont deux types : fibrosante et cancéreuse [SAM97].
Le dépôt de ces particules salissent les surfaces et exercent une action de
dégradation des bâtiments. En plus, la déposition de ces particules sur les feuilles des
plantes bloque leur fonction chlorophyllienne.
−
Pollution régionale et Pollution planétaire
Pas d’action spécifique.
II.5
Exposition aux polluants
La toxicité d’un polluant chez l’homme est liée à la dose du polluant pénétrant
dans le corps humain, et cette dose du polluant est proportionnelle à la durée
d’exposition aux polluants.
Pour relier un état sanitaire avec la concentration des polluants atmosphériques,
il faut mesurer le niveau d’exposition aux polluants, qui est mesuré par rapport à la
quantité biologique disponible des polluants dans l’organisme [DAB04]. A cet effet, il
faut savoir la quantité biologique disponible de ce polluant dans le corps pour la
différencier de la quantité de polluant pénétrant.
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 40
Par exemple, si l’organisme contient 0.10 ppm (quantité biologique) d’un
polluant X et après une durée d’exposition aux polluants, on trouve dans l’organisme
une quantité de 0.12 ppm de ce polluant X, alors la dose qui a pénétré dans
l’organisme c’est 0.02 ppm.
La dose des polluants qui pénètre dans le corps dépend de trois facteurs
[DAB04] :
• La concentration
Par exemple, les personnes qui habitent prés une cimenterie ont une forte dose
de l’amiante (polluant) que d’autre loin de cette usine, ou ceux qui habitent la ville ont
une forte dose de monoxyde de carbone (CO) que d’autres dans la campagne.
• Durée d’exposition
Les personnes qui travaillent dehors ou qui passent beaucoup de temps à
l’extérieur sont donc plus exposées aux polluants émis
• Niveau d’activité physique
L’effort physique s’accompagne d’une augmentation de la ventilation des
poumons et donc de la quantité de polluants introduite dans l’organisme. Par
conséquence, la construction une autoroute ou une usine doit prendre en considération
les lieux de sport et vis versa.
II.5.1 Relation doses-effets
La notion de l’incertitude et le risque est une science appliquée dans le domaine
de la sécurité. Elle a l’objet de quantifier la probabilité de tomber dans le risque. Pour
l’application de cette notion dans la pollution atmosphérique, cette notion est difficile
à appliquer, car les valeurs de polluants rencontrée dans l’atmosphère sont très proches
des valeurs limites. Il y a d’autre problème aussi, pour les polluants qui sont en trace
dans l’atmosphère, la détermination de leur nocivité est difficile. Par exemple, l’ozone
avec une faible augmentation serait nuisible pour les plantes [HER99].
Effet [%]
B
A
Seuil de toxicité
Dose
Fig. II.8 : Courbe doses-effets de type de A et B [HER99].
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 41
A cet effet, certains auteurs (A) admettent l’existence des valeurs limite, alors
que d’autres (B) ne l’admettent pas surtout pour les polluants cancérigènes. Ces
derniers, pensent que toute dose a un effet nuisible sur l’environnement. Sur ce
principe de (A) et (B), on constate la corrélation doses des polluants et leurs effets
nuisibles.
La première des choses qu’on peut remarquer dans la figure (fig. II.8), c’est que
la courbe (A) est une droite passant par l’origine ; d’où son équation est de la forme :
y = a x avec a une constante
0
(1)
Donc, l’équation (1), de la courbe (A), en remplaçant y par effet et x par dose on a :
effet = a dose
(2)
Cette relation explique que, toute dose D d’un polluant a un effet nuisible E.
Pour la courbe (B), elle a l’allure d’une courbe, qui nous indique que les polluants ne
sont toxiques et dangereux qu’à partir un seuil appelé seuil de toxicité
Mais une autre chose que peut dire, selon la figure (fig.II.8), qu’il existe une
zone où la relation doses-effets est nettement déterministe et même prévisible, et qui
commence à partir de l’intersection de deux courbes (A) et (B). Dans cette zone,
même les personnes non sensibles peuvent être touchées et elle peut être mortelle,
seulement elle se varie au niveau d’exposition des personnes.
II.5.2 Valeurs limites
On a dit que les polluants ne sont nuisibles que s’ils dépassent certaines valeurs,
appelées valeurs limites. La détermination de ces valeurs est une question très cruciale
pour l’homme et son environnement. Par conséquent, elles doivent être soumise à
plusieurs conditions, liées à l’homme et son l’environnement, en se basant sur des
études scientifiques et expérimentales, de manière que toutes les concentrations
inférieures à ces valeurs doivent respecter ceci [HER99] :
− Ne menacent pas l’homme, la faune et la flore,
− Ne gênent pas de manière sensible la population dans son bien-être,
− N’endommagent pas les matériaux,
− Ne portent pas atteinte à la fertilité du sol, à la végétation et la salubrité des eaux.
En outre, ces valeur limites doivent prendre en considération la population
sensible (enfants, malades, personnes âgées etc.). Il convient également de les fixer
indépendamment du rendement économique du pays, car si on gagne ceci, on perdra
cela (l’homme et son environnement).
Finalement, ces valeurs ne doivent pas tenir en compte l’état actuel de la
pollution, et que ces valeurs restent toujours vérifiables et admettre à être changées.
CHAPITRE II
III.
Gaz polluants
page 42
Polluants atmosphériques en Algérie
L’Algérie, comme d’autres pays dans le monde, par ses zones pétrochimiques,
son parc automobile, les décharges ménagers etc., n’est plus exempte du danger de la
pollution atmosphérique. La situation, à l’échelle nationale, n’est pas critique mais, le
taux de cette pollution est en augmentation, ce qui peut, avec le temps, avoir des
conséquences difficile à lutter [OBS05].
A cet effet, l’Algérie a pris des mesures pour contrer cette pollution. Elle
surveille tout changement dans la qualité de l’air, en créant un réseau de surveillance,
le réseau SAMASAFIA, mis en place depuis avril 2002 au niveau des agglomérations
d’Alger, de Annaba et celui d’Oran qui est en étude. Elle a pris aussi des décisions
politiques dans ce sens, en contrôlant les gaz dégagés par les usines, en obligeant le
contrôle des voitures, la création des associations de protection de l’environnement etc.
En outre, il y a une station VAG (Veille de l’Atmosphère Global), qui fait partie d’un
réseau mondial, installée à Assekrem (Tamanrasset). Cette station, fait l’objet de la
surveillance de la composition chimique de l’atmosphère, initiée au début de l’année
1990 [VAG05].
III.1 Sources d’émission des polluants en Algérie
Selon les émissions des polluants atmosphériques, on peut classer les sources
de ces émissions en trois catégories :
- Installations industrielles (les usines, les incinérations d’ordures, chaleur etc.),
- Trafic routier (routes, parkings etc.),
- Lieux occasionnant des odeurs gênantes comme les décharges, la combustion des
déchets etc.,
- Chauffages des bâtiments.
• Emissions industrielles
L’identification des principales sources industrielles est regroupée par les
entreprises suivantes : cimenteries, unités de plâtre et de chaux, industrie d’engrais,
l’industrie sidérurgique, centrales de production d’électricité, raffineries de pétrole,
industrie de gaz liquéfié, etc. [DAH00]. Ces unités ont constitué des sources de
pollution importantes, que leurs rejets de gaz et de poussières dans l’atmosphère, ont
dégradé la qualité de l’air. Par conséquence, cet état de fait a contribue au
développement des maladies cardio-vasculaires et à la multiplication des maladies
respiratoires aux populations de ces régions.
En 1995, une estimation a été faite en Algérie, par MATE -Direction Générale
de l’Environnement, pour des émissions industrielles (Tableau II.2).
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 43
Tableau II.2: Emissions de polluants de l’air en Algérie [MAT95]
Polluants
Sources d’émission
SO2
NOx
Particules
COVNM
CO
Emission industrielle
44846
53683
1128688
14061
48019
Emission trafic routier
4160
123629
8710
249600
996600
Combustion de déchets
208
1219
3324
8954
17437
Total
49207
179535
1140062
272121
1062345
* COVNM : Composants organiques volatiles non méthaniques
• Emissions du trafic routier
A l’exception de quelques cas, où le secteur industriel est considéré comme
contributeur majeur à la pollution urbaine tel que les villes d’Annaba, Arzew et Skikda,
la pollution atmosphérique dans les principales villes du pays est due essentiellement
au trafic automobile, provoqué par les émanations de gaz toxiques des véhicules qui
altèrent la qualité de l’air [DAH00]. La combustion de l’essence est responsable de
l’émission de gaz nocifs comme le monoxyde de carbone, les oxydes d’azote et surtout
le plomb. Tous ces gaz sont très mal supportés par les citoyens et en particulier les
malades chroniques (bronchites chroniques, asthmatiques, etc.). Cette situation est due :
- Augmentation du parc automobile en Algérie,
- Au degré de vétusté du parc automobile Algérien,
- A la qualité du carburant (forte teneur en plomb),
- A l’utilisation presque exclusive du GPL.
Le trafic routier, comme l’indique le tableau II.2., est une source importante des
polluants atmosphériques en Algérie.
• Emissions des décharges
L’activité humaine est génératrice de déchets solides, dont notamment les
déchets ménagers. Ces derniers sont stockés sur des décharges incontrôlées et ensuite
brûlées à l’air libre.
Outre les odeurs gênantes et les polluants émanés par ces décharges (cf.
tableau II.3), leurs combustions contribuent considérablement à la dégradation de la
qualité de l’air. Elles représentent des sources de pollution et de nuisances importantes
pour l’environnement.
Sachant que la quantité de déchets générée est en moyenne de
0.5kg/Habitant/Jour [DAH00], les charges de pollution dues à la combustion de
déchets estimées en Algérie, par la décharge d’Oued Smar (Tableau II.3).
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 44
Tableau II.3: Principaux polluants émis par la décharge d’Oued Smar Alger [MAT95]
Polluants
Concentration à 1 Km
(mg/m3)
Concentration à10
Km (mg/m3)
Valeurs limites
d’exposition (mg/m3)
SO2, SO3
158
28
10
NO, NO2
38.6
7
6
CH4
3.024
0.028
2.5
CO
457
81
55
Particules
788
28
10
Pb
3.02
0.558
0.5
III.2 Valeurs limites en Algérie
Les valeurs limites (Tableau II.4) en Algérie sont fixées par le Réseau national
algérien, SAMASAFIA, en basant sur des valeurs données par l’Organisation Mondiale
de la Santé (OMS), critère 1997 et 1999 [OBS05]. Regardant le tableau II.4, on voit
que chaque polluant a une dose toxique liée à une durée d’exposition à ce polluant.
Tableau II.4 : Valeurs limites données par SAMASAFIA [OBS05].
Durée d’exposition
Polluants
(µg/m3)
10-15 mn
30 mn
1h
8h
24 h
Année
UR vie
(µg/m3)-1
SO2
500
---
350
---
125
50
---
NO2
---
---
200
---
150
40
---
CO (ppm)
100
60
30
10
---
---
---
Pb
---
---
---
---
---
0.5
---
O3
---
---
---
120
---
---
---
Benzène
---
---
---
---
---
---
6x10-6
PM10
---
---
150 à
100 à
120
---
---
---
200
* Les valeurs du gaz CO sont converties en ppm, pour les comparer avec les valeurs
données avec l’appareil que nous verrons dans le dernier chapitre.
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 45
Il y a aussi un autre cas important cité dans le tableau, le risque cumulé (risque
additionnel : UR Vie). C’est le risque de développer un cancer (dont le type dépend du
composé) au cours d’une vie (soit 70 ans), pour une population hypothétiquement
exposée continuellement à une concentration de 1 µg/m3 du composé considéré dans
l’air respiré. Par exemple, une personne exposée continuellement à 1 µg/m3 de
benzène tout au long de sa vie aura 1 + 6x10-6 = 1.000006 fois plus de probabilité de
développer un cancer qu’une personne non exposée.
III.3 Etat des lieux
L’enquête nationale de santé publique (1990) révèle que les maladies
respiratoires occupent la première place des causes de morbidité ressentie (35.7%) et
des motifs de consultation (27.2%) et que parmi les maladies chroniques identifiées,
elles occupent le deuxième rang. L’asthme étant l’affection de choix la plus
fréquemment observée. Le nombre total de cas en 1993 est de 459566, dont 5000 sont
décédés [DAH00].
Aujourd’hui, le nombre d’asthmatique en Algérie semble atteindre le nombre
de 2 millions. La répartition des cas, selon les régions, se présente comme suit : 38%
en Région centre, 31% en Région Est, 22 % en Région Ouest et 9 % en Région Sud.
La prévalence de cette maladie en augmentation est prévisible en raison de
l’accroissement de l’urbanisation et de l’industrialisation [DAH00].
A Annaba par exemple, le taux de prévalence de l’asthme en 2000 (environ
9000 asthmatiques) est supérieur au taux national. 55 % des asthmatiques ont plus
d’une crise par mois et 42 % ont été hospitalisés [DAH00].
Dans certaines zones industrielles et urbaines, l’émission industrielle des
polluants dépasse les valeurs limites, et avec les phénomènes d’inversion de
température fréquents urbaines conduirait, à long terme, à la formation d’un brouillard
photochimique oxydant très dangereux pour la santé de la population des villes telles
qu’Alger et Annaba.
Un audit environnemental de la ville d’Oran a été réalisé en 1993, par une
mission du METAP (Mediterranean Environmental Technical Assistance Program).
Cet audit, entre autres objectifs, a porté également sur la qualité de l’air dans la ville
d’oran.
Des estimations sur capteurs d’air ont été faites au Centre ville par les experts
de cette mission, en ce qui concerne un certain nombre de polluants : les oxydes
d’azote NOx, le monoxyde de carbone (CO) et le plomb (Pb).
A partir des résultats obtenus (cf. Tableau II.5), on peut constater qu’il y a un
dépassement des valeurs limites pour la plupart des polluants, et ceci en 1993. Par
conséquent, vu l’augmentation du parc automobile algérien d’une manière rapide, il y
a donc sûrement un grand dépassement des valeurs limites des polluants ces dernières
années.
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 46
Tableau II.5: Taux de concentration des polluants pendant les heures
de point dans la ville d’Oran [MET93]
Polluant
NO2
Valeurs limites Concentration
(µg/m3)
(µg/m3)
250 (4
150 (8 heures)
heures)
Observation
Hors norme
CO
10 000
7000
Pb (en présence de vent)
1
2
Au dessous de la
norme
Hors norme
Pb (en absence de vent)
1
5
Hors norme
IV. Conclusion
Sans l’atmosphère, la vie est impossible sur la Terre, car elle est pour les êtres
vivant sur la Terre, une ressource de vie telle que l’eau de pluie et une protection
contre les dangers tels les rayons ultraviolets. Mais, cette atmosphère terrestre est
menacée, et que malheureusement c’est que cette menace est plus anthropique que
naturelle.
Cette menace est appelée la pollution atmosphérique, un problème qui n’est
pas récent, mais il est devenu plus préoccupant ces années, avec l’augmentation des
activités humaines.
La pollution atmosphérique peut être classée en trois types, qu’on peut les
résumer dans le tableau II.6. Ce classement est basé sur les deux échelles, l’espace et
le temps. L’échelle d’espace est l’espace où la pollution peut perturber l’état de l’air
et les problèmes engendrés dans cet espace. L’autre échelle, c’est la durée que peut
prendre la pollution pour détruire et crée des problèmes.
En outre, cette différence entre les types de la pollution atmosphérique est liée
aussi aux types des polluants, leurs sources et leurs conséquences nuisibles sur
l’homme et son environnement (Tableau II.6).
En Algérie, le processus d’industrialisation s’est effectué dans des conditions
qui n’ont pas respecté les normes et les préoccupations environnementales, ce qui a
posé des cas de graves sur la santé dans les régions où sont implantées des unités de
production industrielle.
En outre, la plupart des unités industrielles ont été implantées sur de vastes
étendues de terres agricoles, mais elles ont aussi drainé une masse paysanne
importante de plus en plus attirée par les avantages qu’offre le secteur de l’industrie.
Cette implantation inappropriée a eu des effets néfastes sur l’agriculture en raison des
émissions de poussières et de gaz toxiques. Ainsi, cette source de pollution affecte
non seulement la santé mais également les productions et les rendements agricoles de
manière directe.
CHAPITRE II
Gaz polluants
page 47
Tableau II.6: Les trois strates de la pollution atmosphérique [SAM97]
Echelle
d’espace
Echelle
de temps
-Proximité (<500 m)
- Locale (< 10 Km)
Heurs
Pollutions urbaines SO2, NOx, CO, COV
Régionale
(10-1000 Km)
Jours
- Pluies acides
- Smog
Planétaire
Années
Problèmes
Rencontrés
Principaux polluants
concernés
SO2, NOx, CO, COV
conduisant à l’O3
- Destruction de la
CFC, NOx, CO2, CH4,
couche d’ozone
N2O, O3, CO, COV
- Effet de serre
CHAPITRE III
Concepts généraux sur les capteurs de gaz
page 48
I. Généralités sur les capteurs
I.1 Mesure - Grandeurs physiques à mesurer
La mesure est une représentation quantifiée d’une grandeur physique, laquelle
représentation est définie par la terminologie suivante [CHA03] :
Mesurande
Mesurage
Mesure
Mesurage : Toutes les opérations permettant l’obtention de la valeur numérique d’une
grandeur physique (mesurande)
Mesurande : Grandeur physique (Pression, Température, volume etc.) soumise à
mesurage.
Mesure : Valeur numérique représentant au mieux la mesurande (6 Mpa, 20 °C, 2 m/s,
90 ppm etc.)
Par abus de langage, on confond souvent mesurage (action) et mesure (résultat
de l’action). La grandeur qui nous intéresse ici, c’est celle qui intervient dans le
domaine des capteur des gaz, à savoir principalement : le volume du gaz polluant dont
l’unité en ppm (partie par million).
I.2 Capteurs
La fonction d’un capteur est de délivrer un signal électrique de sortie S qui est
fonction de la mesurande m. Il nous donne la relation :
S = f (m)
Grandeur physique
de l’entrée
m
La mesurande
(L’excitation)
S = f (m)
Capteur
Le mesurage
(Le captage)
(1)
Grandeur électrique
de sortie
S
La mesure
(La réponse)
CHAPITRE III
Concepts généraux sur les capteurs de gaz
page 49
Exemple: La courbe ci-dessous montre un capteur qui transforme un champ
magnétique en courant.
S (intensité en A)
S = f (m)
m (champ magnétique en T )
Fig. III.1 : Courbe de S = f (m) d’un capteur transformant un
champ magnétique en courant électrique [CHA03]
I.3 Principes physiques mis en œuvres
Il est possible de séparer les capteurs en deux catégories :
• Les capteurs passifs qui utilisent un élément intermédiaire (corps d’épreuves),
qui réagit au phénomène physique et une alimentation électrique extérieure
pour obtenir un signal électrique de bas niveau.
• Les capteurs actifs qui transforment directement la mesurande en grandeur
électrique.
I.3.1 Capteurs passifs
Il s’agit souvent d’impédances (très souvent des résistances) dont l’un des
paramètres déterminants est sensible au mesurande. Il nécessite l’intégration dans un
circuit électrique comprenant une source (de courant ou de tension) pour déterminer la
valeur de l’impédance
Un capteur passif est composé de :
• Corps d’épreuve : Il a pour rôle de transformer la mesurande en une grandeur
physique mesurable. Dans de nombreux cas, c’est la résistivité d’un matériau qui varie
avec le mesurande.
Exemples :
− Thermistance, variation en fonction de la température,
− Capteur de position, la résistivité des corps magnéto-résistants dépend du
champ magnétique auquel ils sont soumis.
CHAPITRE III
Concepts généraux sur les capteurs de gaz
page 50
• Transducteur : C’est l’élément sensible. Il traduit les réactions du corps
d’épreuve en grandeur électrique.
On trouve aussi des capteurs passifs construits à partir de matériaux dont la
constante diélectrique varie avec le mesurande, ce qui entraîne des variations de
capacité (exemple de certains verres à très basse température).
Dans le tableau ci-dessous (Tableau.III.1), on donne quelques exemples sur les
capteurs passifs :
Tableau III.1 : Caractéristiques d’un capteur passif [GEO91]
Mesurande
−
−
Caractéristique électrique
sensible
Types de matériaux
utilisés
− Métaux : platine, nickel,
− cuivre.
− Semi-conducteurs.
− Verres.
Température
− Résistivité
Très basse température − Constante diélectrique
Flux lumineux
Résistivité
Déformation
−
−
Position (aimant)
Résistivité
Humidité
−
−
Semi-conducteurs.
Résistivité
Perméabilité magnétique
Résistivité
Constante diélectrique
−
Alliages de nickel,
silicium dopé.
− Alliage ferromagnétique.
Matériaux magnétorésistants
: bismuth, antimoniure
d’indium.
− Chlorure de lithium.
− Alumine ; polymères.
I.3.2 Capteurs actifs
Ils fonctionnent en générateurs en convertissant la forme d’énergie propre au
mesurande en énergie électrique. Au mesurande est associé une tension ou un courant.
A chaque conversion correspond un principe physique.
Tableau III.2 : Quelques exemples sur les capteurs actifs [GEO91]
Mesurande
Effet utilisé
Grandeur de sortie
Température
Vitesse
Thermoélectricité
Induction électromagnétique
Tension
Tension
Pression
Piézoélectricité
Charge
CHAPITRE III
Concepts généraux sur les capteurs de gaz
page 51
I.3.3 Caractéristiques métrologiques des capteurs [GEO91]
• Les erreurs
Le capteur et toute la chaîne de traitement de la mesure introduisent des erreurs,
qui peuvent être de bruit, décalage, référence, linéarité, etc.
L’erreur globale de mesure ne peut être qu’estimée. Une conception rigoureuse
de la chaîne de mesure permet de réduire les erreurs et donc l’incertitude sur le
résultat.
On parle de : fidélité, justesse, précision, incertitude, linéarité.
• Etalonnage
L’étalonnage permet d’ajuster et de déterminer, sous forme graphique ou
algébrique, la relation entre le mesurande et la grandeur électrique de sortie. Très
souvent l’étalonnage n’est valable que pour une seule situation d’utilisation du capteur.
• Limites d’utilisation
Les contraintes mécaniques, thermiques ou électriques auxquelles un capteur
est soumis entraînent, lorsque leurs niveaux dépassent des seuils définis, une
modification des caractéristiques du capteur. Au dessus d’un certain seuil l’étalonnage
n’est plus valable, au dessus d’un autre plus grand le capteur risque d’être détruit.
• Sensibilité
Plus un capteur est sensible plus la mesure pourra être précise. C’est une
caractéristique importante pour l’exploitation et l’interprétation des mesures.
• Rapidité - Temps de réponse
La rapidité est la spécification d’un capteur qui permet d’apprécier de quelle
façon la grandeur de sortie suit dans le temps les variations du mesurande.
• Finesse
C’est une spécification qui permet d’estimer l’influence de la présence du
capteur et de ses liaisons sur la valeur du mesurande. La finesse doit être la plus
grande possible.
I.3.4 Signal du capteur
Le capteur donne un signal que l’on doit récupérer et traiter, pour extraire une
information exploitable de la mesurande. Les opérations que l’on doit faire sur le
signal [GEO91]:
•
•
•
•
Amplifier le signal,
Linéariser le signal,
Extraire l’information relative au mesurande,
Adapter le signal à l’interface utilisateur (affichage numérique,
ordinateur, etc.).
CHAPITRE III
Concepts généraux sur les capteurs de gaz
page 52
II. Capteur de gaz
II.1 Principe du capteur de gaz
Le capteur de gaz (fig.III.2) est un élément donnant une information
représentative de la concentration d’un composant chimique dans un mélange gazeux
dont la situation physique doit être par ailleurs connue (pression, température). Il
travaille à la détection ainsi qu’à la reconnaissance d’espèces chimiques, et plus
particulièrement d’espèces gazeuses, au moyen de structures originales à semiconducteurs.
Fig. III.2 : Capteur de gaz
Les gaz visés sont :
• Les gaz intervenant dans la pollution atmosphérique (ozone, dioxyde d’azote etc.)
• Les gaz présents dans de nombreux rejets industriels et automobiles (chlore,
ammoniac, monoxyde de carbone, etc.).
Les structures capteurs finalisées sont destinées à entrer en jeu au sein de dispositifs
permettant :
• Le contrôle et la régulation de processus industriels,
• Le contrôle sécurité,
• La surveillance de la qualité de l’air,
II.2 Principe de fonctionnement
Il y a trois grandes familles de capteurs électroniques, qui permettent
d’identifier et de quantifier certaines espèces chimiques gazeuses. Comme on peut y
avoir combinaison de ces grands principes de ces trois familles. Il en résulte une très
grande variabilité des éléments sensibles et des transducteurs utilisés dans les
microcapteurs chimiques.
CHAPITRE III
Concepts généraux sur les capteurs de gaz
page 53
Les principes de fonctionnement sur lesquels se basent les capteurs de gaz
peuvent être résumé en trois familles :
A. Réactions chimiques
Une première famille est basée sur la réaction chimique du composé gazeux
avec la surface du capteur, dont il résulte une nouvelle espèce chimique. Soit cette
espèce chimique sera intégrée dans une chaîne ionique dont il résultera une variation
de potentiel proportionnelle à la quantité de gaz ayant réagi, soit la réaction chimique
sera exo- ou endo-thermique et la mesure de la quantité de chaleur (Enthalpie) mise en
jeu sera significative de la quantité de gaz ayant réagi.
Polluant +
(Gaz)
Matière
(Surface du capteur)
Espèce chimique + Quantité de chaleur
(1)
Donc, la mesure de l’enthalpie (quantité de chaleur) de la réaction chimique
peut nous donner la quantité de gaz (polluant) entrant dans la réaction. Par conséquent,
on peut évaluer le taux du polluant.
B. Adsorption physico-chimique
Une seconde famille fait appel à l’adsorption physico-chimique sur la surface
du capteur, et la modification d’une grandeur physique en résultant est alors aisément
mesurée. Le plus souvent cette grandeur sera la résistivité du matériau, ce qui modifie
la conductibilité du matériau. Son principe est de mettre en jeu un semi-conducteur
dont la conductivité est influencée par l’injection ou le piégeage de charges depuis la
surface, sous l’influence de gaz à détecter.
Molécules
de gaz
Matériau
sensible
Electrodes
de mesure
Substrat
Tension
de polarisation
continue
U
I
Fig. III.3 : Structure d’un capteur résistive classique [LAS06]
CHAPITRE III
Concepts généraux sur les capteurs de gaz
page 54
Dans ce type de capteur de gaz, on a l’intervention des phénomènes physicochimique, l’adsorption du gaz à la surface du capteur (sur le matériau sensible) et
électroniques (fig.III.3). Après l’adsorption du gaz sur le matériau sensible, on aura
une interaction du gaz à détecter avec le matériau, en présence de la température
(l’effet de substrat chauffant), et ceci va modifier la conductivité du matériau, en
donnant courant électrique (fig.III.3). Par conséquent, la mesure du courant permet de
nous donner, outre l’information de l’existence du gaz, la quantité de gaz détecté
(fig.III.3). C’est à base de ce type de capteur qu’on va développer notre détecteur de
gaz que nous verrons dans le dernier chapitre de ce travail.
Il y a aussi un type redresseur. Alors le gaz adsorbé modifie la hauteur de la
barrière de potentiel existant au niveau du contact. Mais aussi parfois, tout
simplement, la variation de masse de l’élément sensible. Si on applique le principe de
l’isotherme d’adsorption de Langmuir, la surface du capteur est représentée par un
nombre de sites définis. Les sites sont occupés au fur et à mesure de l’augmentation de
la quantité de gaz présent, jusqu’à la formation d’une monocouche de gaz occupant
tous les sites. Par conséquent, le calcul de la superficie spécifique de la masse de la
monocouche formée sur la surface du capteur peut nous donner la quantité du gaz.
C. Propriétés thermiques du gaz
Enfin, une troisième famille est basée sur les propriétés thermiques du gaz à
identifier. Pour cela, un élément résistif semi-conducteur est chauffé : soit à
température constante, et la quantité d’énergie utilisée est significative de
l’environnement du capteur, donc de la conductibilité thermique du gaz en contact
avec le capteur, soit à énergie constante et c’est alors la variation de température qui
est significative.
III. Matériaux utilisés dans les capteurs des gaz
III.1 Introduction
Un pas important, dans le domaine des capteurs de gaz, a été franchi dans les
années.50 par Braittain et Barden [BRA53] d’une part, et Heiland [HEI54] d’autre
part. Ces derniers ont montré que l’adsorption d’un gaz à la surface de certains oxydes
métalliques pouvait entraîner des variations réversibles et appréciables de la résistance
électrique du matériau. A la suite de ces travaux, les voies de recherche se sont
multipliées, et une quinzaine d’années plus tard les premiers capteurs à partir d’un
semi-conducteur (ZnO) ont été commercialisés [SEI62, TAG70]. Le Japon est le
premier pays à avoir établi un marché de masse pour les détecteurs de gaz. A titre
d’exemple, plus de 10 millions de capteurs ont déjà été vendus en une quinzaine
d’années (4 millions en 1982), et actuellement plus d’un demi-million de capteurs sont
vendus chaque année, par le Japan.
On va donner quelques matériaux utilisés dans l’élément sensible des capteurs
de gaz, à titre d’exemples sans que nous prétendions à l’exhaustivité, lesquels
matériaux sont particulièrement représentatifs pour certains gaz polluants dangereux.
CHAPITRE III
Concepts généraux sur les capteurs de gaz
page 55
III.2 Oxyde d’étain SnO2
Les couches minces d’oxyde d’étain SnO2 connaissent depuis de nombreuses
années un intérêt industriel du fait de leurs propriétés particulières telles que leur
caractère semi-conducteur de type n, une bonne résistance chimique afin de constituer
des barrières thermiques transparentes et plus récemment à partir de dépôts cristallins
appropriés pour la conception de capteurs chimiques [BAU01].
Cependant, les propriétés physico-chimiques des couches minces d’oxyde
d’étain sont étroitement liées aux procédés de fabrication et aux conditions opératoires.
En effet, il sera possible d’obtenir des films possédant une structure amorphe ou
cristalline suivant les procédés mais également des propriétés structurales variables
jouant ainsi sur les propriétés électriques et optiques des couches mais influençant
également leur stabilité dans le temps[BAU01].
Le contrôle des propriétés du film est donc un paramètre clef afin de pouvoir
utiliser les couches minces d’oxyde d’étain dans les capteurs chimiques.
Ainsi, dans le domaine des capteurs chimiques de gaz, les couches d’oxyde
d’étain permettent la détection d’un grand nombre de gaz (CO, CO2, NOx, éthanol
etc.) avec des sensibilités variant suivant les modes d’élaboration des couches. De
plus, la sensibilité et la sélectivité des capteurs peuvent être influencée par la présence
ou non de dopants tels que des métaux précieux ou des terres rares au sein de la
matrice de SnO2 [BAU01].
III.2.1 Propriétés cristallographiques de SnO2
Z
Y
X
c
b
a
Etain
Oxygène
Fig. III.4 : Maille élémentaire d’oxyde d’étain (Structure de type Rutile) [GAI99].
CHAPITRE III
Concepts généraux sur les capteurs de gaz
page 56
La structure du dioxyde d’étain est de type rutile (fig.III.4). La maille
élémentaire est quadratique (a = b = 0.475 nm et c = 0.318 nm) et contient six atomes :
deux atomes d’étain et quatre atomes d’oxygène. Chaque atome d’étain est le centre
d’un octaèdre presque régulier formé par six atomes d’oxygène, tandis que chaque
atome d’oxygène est entouré par trois atomes d’étain situés aux sommets d’un triangle
isocèle. Les rayons ioniques du cation Sn4+ et de l’anion O2- ont pour valeurs
respectivement 0.071 et 0.14 nm [GAI99].
III.2.2 Dopage de SnO2
La réponse caractéristique d’un capteur à semi-conducteur SnO2, peut être
modifiée par plusieurs facteurs :
• La taille des particules,
•
La structure des pores,
• La densité des joints de grains, qui sont des facteurs très importants dans
le fonctionnement des détecteurs.
La connaissance de l’influence de tous ces facteurs microstructuraux apparaît
primordiale. Des études déjà faites [GAI99], s’accordent toutes sur le fait qu’une
variation de la microstructure s’accompagne toujours d’une variation plus ou moins
importante des propriétés électriques du matériau étudié.
Un autre facteur, qui apparaît déterminant, est la présence des ajouts
métalliques qui modifient de façon remarquable la nature de réponse du matériau, le
dopage du semi-conducteur, en améliorant [GAI99]:
• Sa sensibilité vis-à-vis des gaz comme CO, H2, CH4, etc.
• Sa sélectivité (élimination de l’interférence des autres gaz, humidité, etc.),
• La Diminution de la consommation électrique du capteur par le biais
d’une réduction de sa température de fonctionnement,
• Raccourcir le temps de réponse (temps nécessaire pour atteindre 90% de
la valeur maximale de la conductance) et de régénération (temps
nécessaire pour le retour au point de départ)
La sensibilité des capteurs vis à vis de différents gaz peut être modifiée par
l’utilisation de dopants (généralement des terres rares ou des métaux) afin de créer des
sites préférentiels de la chimisorption des molécules ou bien jouer le rôle de
catalyseurs des réactions d’oxydation [BAU01]. L’ajout des faibles quantités de
certains métaux nobles (Pd, Pt, etc.) améliore de façon remarquable la réponse de
SnO2 vis-à-vis des gaz comme CO, CH4, H2S [GAI99].
III.2.3 Applications de l’oxyde d’étain SnO2 dans les capteurs des gaz
Les propriétés électriques particulières des couches d’oxyde d’étain (caractère
semi-conducteur type n, conductivité électrique élevée, etc.) permettent un grand
nombre d’applications, mais nous nous attacherons au domaine des capteurs de gaz.
CHAPITRE III
Concepts généraux sur les capteurs de gaz
page 57
Ainsi, les propriétés électriques des couches d’oxyde d’étain sont influencées
par l’environnement chimique gazeux en contact avec la couche. L’une de ses
propriétés essentielles de SnO2 pour la détection des gaz polluants, est l’augmentation
systématique de sa conductivité électrique en présence d’un grand nombre de gaz
réducteurs : H2S, HS, CO, les alcanes (méthane, etc.), les alcools (éthanol, etc.), les
acides carboxyliques etc., en présence du température (fig.III.5).
L’adsorption, par physisorption ou chimisorption, d’espèces chimiques en
surface de la couche modifie sa conductivité, par une modification des états
électroniques du semi-conducteur par déplacement d’électrons de la bande de valence
vers la bande de conduction, en donnant un courant électrique.
1.8
1.6
1.4
Conductance (Ω
Ω-1) x 10-3
Ethanol (80 ppm)
CH4 (1000 ppm)
CO (300 ppm)
1.2
1
0.8
0.6
Air
0.4
0.2
Température (°C)
0
0
100
200
300
400
500
Fig. III.5: Conductance de SnO2 en fonction de la température pour différents gaz
Courbes G = f (T) sous air, CO, CH4 et éthanol [PIJ02]
III.3 Oxyde de tungstène WO3
L’utilisation de l’oxyde d’étain (SnO2), depuis plusieurs années, comme un
matériau sensible dans les capteurs de gaz a rencontré des difficultés. La sélectivité et
la température de fonctionnements, dans ce matériau, ce sont les principaux problèmes
rencontrés [AGU02]. Les chercheurs et industriels se tournent donc vers d’autres
solutions, c’est-à-dire d’autres matériaux tel que l’oxyde de tungstène (WO3)
[AGU02], d’où des travaux, pour ce matériau WO3, connaissent, depuis trois ans, une
forte progression, comme en témoigne le nombre de publications récentes dans le
domaine.
CHAPITRE III
Concepts généraux sur les capteurs de gaz
page 58
III.3.1 Propriétés physico-chimiques des films minces de WO3
Des études ont porté sur la structure cristallographique, la morphologie, la
composition chimique et la structure électronique des films minces de WO3.
L’objectif a été de faire le lien entre les propriétés structurales des couches minces et
l’efficacité des capteurs. D’après des analyses, la taille des grains dépend de la
proportion d’oxygène dans le mélange réactif au cours du dopage [GIL02].
III.3.2 Dopage et sélectivité des capteurs en WO3
Le dopage ou le dépôt de couches très minces (quelques nm) de métaux qui, par
un effet catalytique, modifient la réactivité de la surface des capteurs, en améliorant la
sélectivité et la fiabilité des capteurs. Une étude concernant les dépôts métalliques et a
pour objet de déterminer l’énergie d’adsorption de l’or sur ces films minces de WO3
Les premiers résultats montrent que cette énergie est plus importante que celle de l’or
sur l’alumine Al2O3, ce qui permet d’expliquer le fait que les particules d’or ne
migrent pas sur la surface de WO3 [GIL02]. Plus récemment, on a exploré les
propriétés de chimisorption d’agrégats de Pd/WO3 (palladium sur oxyde de tungstène).
Le travail est toujours en cours actuellement, en étudiant l’influence des dépôts de Pd
très fins sur la structure électronique de la surface de WO3 et sur la réponse électrique
en présence de gaz [GIL02].
III.3.3 Propriétés de conduction dans WO3
L’oxyde de tungstène (WO3) est un oxyde semi-conducteur de type n, à cause
des lacunes d’oxygène présentes dans le matériau, lesquelles jouent un rôle très
important dans le processus de détection. Ces lacunes d’oxygène génèrent des
donneurs dans la bande interdite qui peuvent, par activation thermique, donner des
porteurs libres. Lorsque la densité de lacunes est importante, les niveaux de défauts
dans la bande interdite s’élargissent pour donner une bande qui peut recouvrir la bande
de conduction. Ainsi, une augmentation du nombre de lacunes se traduit probablement
par le passage d’une conduction. Le matériau est très résistif et l’énergie d’activation
(Ea ~ 1.7 eV), c’est-à-dire la moitie de la bande interdite de WO3 ( Eg ~ 3.4 eV)
[AGU02].
III.3.4 Applications de l’oxyde de tungstène WO3 dans les capteurs des gaz
Pour l’analyse des gaz issus des pots d’échappement de voitures, il a été
constaté que l’oxyde d’étain SnO2 convenait bien pour les moteurs à essence (le gaz
monoxyde de carbone CO), mais non pas pour les moteurs à diesel. Ces derniers
produisent plus grande proportion d’oxydes d’azote NOx que d’autres gaz, et le
matériau sensible pour ce genre de gaz, l’oxyde de tungstène WO3. Il convient
parfaitement pour vérifier les moteurs à diesel, par contre, il est moins sensible pour
les moteurs à essence, le gaz CO [FIG05].
Comme on utilise ce matériau, le WO3, sous forme des couches minces
(quelques dizaines de nm) dans l’élément sensible du capteur de gaz d’ozone O3, avec
des substrats chauffants en Si/SiO2 (fig.III.6) [AGU02].
CHAPITRE III
Concepts généraux sur les capteurs de gaz
page 59
WO3
Si/SiO2
Fig. III.6 : Structures intégrées en silicium pour les microcapteurs
en WO3 [AGU02]
Détection de l’ozone et réactivité des couches de WO3
Des études préliminaires ont permis d’attester que des capteurs à base de WO3
sont sensibles à de faibles quantités d’ozone (~ 50 ppb) [AGU02].
La conductivité d’un film mince de WO3 a été mesurée à différentes
températures et sous différentes pressions partielles dans le cas de gaz accepteurs
d’électrons (O2, NO2) ou donneurs d’électrons (CO, H2).
Une étude a réalisé un système qui permet de contrôler la concentration
d’ozone de 0 jusqu’à 0.8 ppm. Les performances de ces capteurs résident dans le fait
qu’ils permettent le captage du gaz, à un dosage de très faibles concentrations d’ozone
[AGU02].
III.4 Bromure de cuivre CuBr
III.4.1 Principe de détection
On peut utiliser ce matériau bromure de cuivre CuBr dans les capteurs
chimiques pour capter le gaz ammoniac, lequel est classé parmi les plus dangereux
gaz. Le principe de ces capteurs est basé sur l’interaction entre les molécules
d’ammoniac à détecter, dans une phase gazeuse, avec les ions mobiles Cu+ du bromure
de cuivre CuBr [BEN02].
La sélectivité de ces types de capteur réside dans le nombre de molécules qui
peuvent former un complexe avec l’ion Cu+, qui est assez limité, et par son
fonctionnement à température ambiante
III.4.2 Interaction de CuBr-ammoniac et la conductivité CuBr
La conductivité est, pour ce capteur, de type conductimétrique (solution
aqueuse), c’est le paramètre qu’il faut contrôler. Une étude a été faite sur les
conductivités ionique et électronique par mesure I (V) sous tension continue [BEN02].
La conductivité dans ce matériau, en fonction de la température, présente deux régimes
de conduction, conduction ionique correspondant à la migration des ions Cu+, entre
température 260 et 350 K, et la conduction électronique par trous, en dessous d’une
température 250 K.
L’analyse de l’influence de l’adsorption des molécules d’un gaz ammoniac sur
la conduction électrique, en révélant la contribution du volume du matériau et des
interfaces (joints de grain, électrodes). Il est montré que l’interaction de l’ammoniac
CHAPITRE III
Concepts généraux sur les capteurs de gaz
page 60
avec le bromure de cuire (la surface du capteur) se fait suivant une isotherme
d’adsorption de Langmuir [BEN02], ce qui confirme le caractère réversible, par
physisorption, de cette interaction.
La sensibilité et La sélectivité de ces capteurs avec ce type de matériau à
température ambiante permettent d’envisager son utilisation pour la sécurité des
personnes et le contrôle de procédés [BEN02].
Après l’analyse de l’adsorption de l’ammoniac sur CuBr et les résultats obtenus
par ces différentes techniques confirment l’existence de deux processus [BEN02]:
• La formation d’une phase chimisorbée, irréversible, pendant le traitement
préliminaire : les ions Cu+ sont attirés et immobilisés en surface. La concentration en
lacunes de Cu augmente et entraîne une augmentation de la conductivité.
La physisorption pendant l’utilisation du capteur : la diminution de conductivité
du CuBr est attribuée à l’effet dipolaire des molécules de NH3 adsorbées sur la couche
précédente.
•
IV. Quelques types des capteurs de gaz
IV.1 GasFets
Le principe consiste à intégrer sur la grille du FET (Field Effect Transistor),
transistor à effet de champ, une membrane sensible à l’espèce à détecter. Lors de
l’adsorption d’un gaz accepteur ou donneur d’électrons, il va se produire une
modification du potentiel de surface (conductivité électrique), et par suite de la
concentration de porteurs au niveau du canal et donc de sa conductance.
Depuis, des nombreux dispositifs ont été développés, tous basés sur le principe
schématisé (fig.III.7), mais se différent essentiellement par le choix du matériau
sélectif constituant la grille du FET. En utilisant une grille de palladium Pd (métal blanc
de très ductile et très dur, dont la propriété est d’absorber l’hydrogène), on peut réaliser des
dispositifs sensibles à un éventuel gaz contenant de l’hydrogène tels certains COV,
mais aussi NH3 et H2S. Afin d’améliorer les temps de réponse, on préconise un
fonctionnement à température élevée (entre 100 et plus de 1000 °C), ce qui justifie la
présence d’un circuit de chauffage en périphérie du FET.
Chauffage
Silice
Source
Palladium (porte) Silice
Borne
n+
n+
Fig. III.7: Principe de GasFets
Substrat
p-silicium
CHAPITRE III
Concepts généraux sur les capteurs de gaz
page 61
Avec des molécules telles NOx, CO ou SO2, c’est à dire des molécules
dépourvues d’atomes d’hydrogène, on utilise une grille en SnO2 dopé au cadmium ou
à l’antimoine.
IV.2
Micro capteurs catalytiques
Le principe de fonctionnement de ces capteurs (fig.III.8) se base sur la mesure
de la chaleur dégagée, l’enthalpie, par la combustion du gaz à détecter. Leur
fabrication utilise les technologies de la microélectronique. Ils comportent deux
éléments chauffants identiques, en couches de platine, déposés sur une membrane de
nitrure de silicium qui constitue un bon compromis adhérence/isolation thermique et
électrique avec le substrat de silicium. Sur l’une des résistances de platine est déposé
un catalyseur (métal précieux tel le palladium le plus souvent), l’autre sert de
référence.
Lors de la combustion du gaz sur la couche active il en résulte une variation de
température de cette couche et donc de résistivité du platine.
Ce type de capteur possède un excellent temps de réponse (< 10 s) et une bonne
linéarité, mais il ne peut détecter que des gaz combustibles (H2, CH4, C4H10, C2H5OH,
solvants hydrocarbonés). Son principal inconvénient est l’empoisonnement du
catalyseur par certaines espèces chimiques (le plomb tétraéthyl des anciens
supercarburants par exemple).
Une autre procédure peut-être exploitée avec les capteurs catalytiques : c’est de
faire travailler le capteur à température constante. Ainsi, la quantité d’énergie pour
maintenir la température sera différente sur l’élément sensible en contact avec le gaz
de celle de l’élément de référence.
Notons que la température optimale est différente selon le gaz combustible, il
est ainsi possible de déterminer plusieurs constituants d’un mélange avec le même
capteur.
Fig. III.8 : Microcapteurs catalytique
CHAPITRE III
Concepts généraux sur les capteurs de gaz
page 62
IV.3 Capteurs à conductivité thermique
C’est un capteur (fig.III.9) qui est basé sur la conductibilité thermique du gaz à
mesurer. La mesure est une simple mesure de la variation de température d’un capteur
chauffé, par le fait du gaz environnant.
Ce genre des capteurs n’implique aucune réaction chimique, ni combustion et
peuvent être utilisés pour mesurer le méthane, les gaz naturels inertes, tel le CO2 et
divers mélanges binaires. On peut identifier des concentrations variant de 1 à 100 %,
avec des temps de réponse < 20 s. Il s’agit de dispositifs peu gourmands en énergie,
qui peut être < 6mW.
Fig. III.9: Microcapteurs de gaz conductivité thermique
IV.4 Résistances à oxydes métalliques sur support céramique
Cette technologie, imaginée par les japonais, est la plus répandue puisque
commercialisée dès 1968 par la compagnie japonaise Figaro Inc. L’idée fondamentale
a été d’imaginer qu’une couche poreuse d’un oxyde semi-conducteur, déposée sur un
substrat neutre (céramique), verrait ses propriétés conductrices affectées sensiblement
en présence d’une faible concentration de gaz oxydant ou réducteur, les gaz oxydants
générant des états de surface accepteurs dans le semi-conducteur et les gaz réducteurs
provoquant au contraire des états donneurs.
Il s’agit en fait d’exacerber les phénomènes de surface qui dans les composants
électroniques classiques sont considérés comme parasites et indésirables.
Ainsi, les capteurs de la famille de ce type de capteur (fig.III.10) sont
typiquement des capteurs sur semi-conducteur micro-usiné dans lesquels l’élément
sensible est constitué d’une couche mince d’oxyde métallique semi-conducteur (SnO2Nb2O5) déposée sur un support en silicium, réduit à une membrane de 0.8 µm
d’épaisseur dans la zone sensible, sur lequel a été intégré un système de chauffage en
platine
CHAPITRE III
Concepts généraux sur les capteurs de gaz
page 63
Grâce à la finesse de cette membrane, la couche sensible est pratiquement
thermiquement isolée du reste du substrat de silicium, ce qui limite considérablement
la consommation électrique.
La sélectivité de l’élément sensible est définie par un dopage adéquat de la
surface sensible. Chaque élément sensible correspond à une zone mince de la
membrane de silicium de dimension 500 x 500 µm. La figure ci-contre (fig.III.10),
montre une coupe d’un élément sensible de type de capteur, montrant la couche de
chauffage, l’oxyde de silicium SiO2, le substrat de silicium Si aminci dans sa partie
centrale. La couche sensible (active) en surface fait entre 100 et 400 nm d’épaisseur.
Couche
active
Chauffage
Electrode
de contact
Oxyde SiO2
Substrat Si
Membrane
Fig. III.10 : Coupe d’un élément sensible, à droite multicapteur à 4 éléments sensibles
V. Conclusion
Dans le domaine de la surveillance de l’environnement, le besoin à des capteurs
chimiques, pour la surveillance de la qualité de l’air, est devenu de plus en plus
important, vu les valeur limites des polluant atmosphériques en vigueur. Pour
l’atmosphère, les espèces à suivre sont les polluants classiques provenant de la
pollution automobile NOx, CO, CO2, O3, les polluants d’origine industrielle SO2, H2S
et les micropolluants, composés organiques volatiles (COV) et hydrocarbures
aromatiques polycycliques (HAP).
Ces capteurs de gaz se diffèrent, avant tout, sur le matériau « sensible » utilisé
dans son élément sensible au gaz, puis c’est sur le mécanisme de détection qui lui est
associé. Le matériau, après le captage du gaz, fournit un signal électrique, qui est la
« signature » de la présence du polluant dans le milieu à surveiller. Le traitement de ce
signal permet de quantifier la concentration du gaz détecté.
Ainsi, on peut qualifier quelques types des capteurs de gaz comme étant des
capteurs actifs, car ils traduisent le captage du gaz polluant en signal électrique. On a
aussi des capteurs de gaz passif ; l’interaction du gaz avec le capteur se traduit par un
changement de température, une substance etc. dans le capteur, ce qui indique
l’existence de gaz.
CHAPITRE III
Concepts généraux sur les capteurs de gaz
page 64
Les matériaux semi-conducteurs à base des oxydes, tels que l’oxyde d’étain
SnO2, l’oxyde de tungstène WO3 etc., constituent des matériaux sensibles, largement
utilisés dans les capteurs des gaz polluants comme CO, SO2, NOx etc. On trouve aussi
des matériaux qui ne sont pas des oxydes et ils sont utilisés dans le captage des gaz tel
que le bromure de cuivre CuBr, pour détecter l’ammoniac. En général, tout matériau
dont les propriétés électriques dépendent fortement de l’environnement gazeux, peut
être utilisé dans les capteurs de gaz. Pour les matériaux semi-conducteurs, ce sont ceux
qui sont dopés que l’on utilise, pour fabriquer ce genre de capteur.
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 65
I. Introduction
Dans le cadre de ce travail, il nous est aussi apparu intéressant de réaliser un
détecteur de gaz, un dispositif pouvant détecter l’existence d’un polluant gazeux et
donner son taux de concentration, dans un milieu à surveiller ou une machine à
utiliser.
Le polluant que l’on a visé à détecter c’était le monoxyde de carbone.
Contrairement à d’autres polluants, ce gaz est parmi les plus dangereux, car il n’est pas
détectable par l’odorat humain, responsable de plusieurs centaines de morts en Algérie
et il est la première cause d’intoxication domestique mortelle [BAU97]. C’est un
polluant ubiquitaire, résultant de la combustion incomplète de tout combustible
carboné (bois, charbon, essence, fuel, gaz naturel, huiles, tabac, etc.). Les
circonstances d’exposition à ce polluant sont variées :
• Dans le milieu extérieur : les gaz d’échappement des véhicules automobiles.
• Dans le milieu professionnel : garages, parking, souterrains et tunnels routiers
(exposition continue), et soudage, cimenteries, papeteries, fonderies, industries
pétrolières, le milieu agricole (exposition discontinue) etc.
• Dans le milieu intérieur : A l’intérieur des maisons, les appareils de chauffage
de l’air et/ou de l’eau, les activités de cuisson, la consommation tabagique et de
l’emprunt au milieu extérieur tel que un garage en sous sol par exemple, ce sont
parmi les causes de ce polluants, l’oxyde de carbone CO. Les circonstances
d’accidents graves, liées à ces sources de ce polluant, sont très majoritairement
représentées par soit au dysfonctionnement de ces appareils, soit à une
anomalie dans l’évacuation des gaz de combustion. En plus, les améliorations
d’étanchéité de l’habitat jouent dans ces cas, un rôle aggravant.
• Les effets sur la santé : Pour les taux élevés de carboxyhémoglobine, il existe
une relation clairement établie entre le taux d’Hb (carboxyhémoglobine CO) et
les manifestations cliniques.
Pour se prémunir contre les risques de ce gaz, il nous est important de réaliser
un détecteur, lequel permet de nous avertir de l’existence de monoxyde de carbone et
donner son taux de concentration. La réalisation d’un tel dispositif est articulée autour
d’un capteur de gaz, le HS134. Ce dernier, c’est un composant électronique, que nous
verrons sa structure et son principe de fonctionnement après, capable de déceler ce
dangereux gaz.
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 66
II. Capteur de gaz HS134
Le capteur HS134 est un composant électronique (fig.IV.1), micro-usiné pour
capter le gaz monoxyde de carbone CO. C’est un capteur passif, car il permet de
traduire le captage du gaz CO, intercepté en entrée, à une énergie électrique (courant),
donnée en sortie.
Fig. IV.1 : Capteur de monoxyde de carbone HS134
II.1 Structure du capteur HS134
Le constructeur du capteur HS134 [SEN134] a donné les différentes couches
des matériaux constituant le capteur, le symbole électronique conventionné de HS134
utilisé dans le circuit électronique, que nous verrons dans la réalisation de la maquette
du détecteur de gaz, et son principe de fonctionnement, mais il n’a pas donné comment
est superposée sa structure interne. Alors, suivant ces données et puisque le capteur
HS134 est un capteur de type résistif, on peut imaginer sa structure interne détaillée
dans la figure fig.IV.2.
La structure du capteur, en général, englobe les composants suivants:
−
L’élément sensible (matériau fritté ou dépôt de couches minces),
−
Un substrat chauffant (résistance interne du capteur),
−
Adaptation de l’élément sensible sur le substrat chauffant (connectique),
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
Carbone actif
(Filtre)
page 67
Alumine
Al2O3
SnO2
Couche de
chauffage
Connecteurs
ohmiques
Electrodes
de contact
Plastique
Chauffage
Signal du capteur
Fig. IV.2 : Structure interne du capteur HS134
•
Elément sensible
L’élément sensible (fig.IV.2) du capteur HS134 est constitue de:
−
Une couche semi-conductrice poreuse : couche sensible au gaz CO, à base de
l’oxyde d'
étain SnO2 pur (non dopée),
−
Dépôt d’une couche filtrante de carbone actif, sur la surface de la couche
sensible SnO2, pour filtrer et réduire les interférence d’autres gaz tels que les
oxydes d’azotes NOx, les alcanes (méthane, etc.) [SEN134].
−
Un micro tube céramique en alumine Al2O3, qui sert comme un support à
l’élément sensible et un séparateur thermique entre le système de chauffage et
le plastique qui couvre la partie inférieure du capteur (fig.IV.2),
−
•
Un ensemble d'
électrodes de contact, pour faire sortir le signal électrique.
Résistance chauffante
On trouve dans le capteur une couche résistive (résistance chauffante), destinée
à jouer le rôle de système de chauffage et de contrôle de la température, car
l’interaction chimique entre le gaz CO à détecter et la couche sensible (semiconducteur SnO2), nécessite une température, pour exciter les électrons de la couche
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 68
sensible et modifier sa conductivité électrique, pour donner à la fin un courant
électrique. Pour chauffer la couche résistive, le courant d’alimentation passe à travers
cette couche, en utilisant les connecteurs ohmiques (fig.IV.2).
II.2 Fonctionnement du capteur HS134
II.2.1 Principe général
Sortie :
I = f (g)
Entrée :
Gaz
Monoxyde de
carbone CO
Capteur HS134
I
Courant
électrique
Fig. IV.3 : Principe général du capteur
Le fonctionnement du capteur HS134 est de type passif, son principe est
d’intercepter le gaz monoxyde de carbone (la grandeur physique mesurande g), et
donner en sortie un courant électrique I (fig.IV.3), ce qui est interprété par la relation :
I = f (g)
(1)
Molécules du gaz CO
Electrodes
de mesure
Tension
de
polarisation
continue
Matériau
sensible SnO2
Substrat
En
alumine
U
I
Fig. IV.4 : Cycle de fonctionnement du capteur HS134
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 69
La structure du capteur HS134 est résistive, elle est basée sur un semiconducteur SnO2, qui est mis en jeu, dont la conductivité est influencée par l’injection
ou le piégeage de charges depuis la surface, sous l’influence de gaz monoxyde de
carbone. Cette variation dans la conductivité du semi-conducteur, le dioxyde d’étain
SnO2, en fonction de l’atmosphère gazeuse environnante CO, va créer un courant
électrique (fig.IV.4).
II.2.2 Captage du polluant CO par le capteur HS134
Le captage du gaz polluant, le monoxyde de carbone CO, par le capteur HS134
nécessite l’intervention de plusieurs paramètres :
B
Physisorption
D
Quantité de gaz absorbée
Chimisorption
C
F
Température
Fig. IV.5 : Evolution de la capacité d’adsorption avec la température [FIG05]
• Processus d’adsorption et dépendance de la température
Deux processus vont se combiner lorsqu’on met une couche semi-conductrice
poreuse en présence d’un gaz réactif, d’une part, un processus d’adsorption physique
et, d’autre part, un processus d’adsorption chimique qui va suivre le remplissage des
pores du matériau avec les molécules du gaz. Le gaz sera adsorbé sur la surface du
capteur (la couche sensible). Le gaz adsorbé sera le monoxyde de carbone, tandis que
d’autres gaz tels que les NOx, les gaz organiques etc., vont être empêchés par le filtre
(carbone actif) [SEN134].
La relation entre la quantité de molécules adsorbées et la température est
importante. En effet, si Ead est l’énergie de liaison de la molécule adsorbée sur la
surface, il apparaît que la probabilité pour une certaine molécule de posséder la même
énergie est proportionnelle au facteur de Boltzman [FIG05] :
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
W = exp (-Ead / kT)
page 70
(1)
Avec :
K : constante de Bolzman,
T : température.
En conséquence, avec l’augmentation de la température, la probabilité pour
qu’une molécule se détache de la surface augmente, c’est-à-dire que la capacité
d’adsorption à pression constante décroît. La figure fig.IV.5 représente cette
dépendance de la capacité d’adsorption avec la température.
Sur le graphique (fig.IV.5) on a :
−
La section BC correspond à l’adsorption physique, c’est à ce niveau que les
molécules du gaz monoxyde de carbone se concentrent sur la surface de la
couche sensible.
−
La section DF à l’adsorption chimique, tandis que CD représente la
transition entre adsorption physique et chimisorption. L’énergie d’activation
de la chimisorption est supérieure et en conséquence, celle-ci se produit à
plus haute température, un voltage de chauffage 4 v [SEN134]. C’est dans
cette phase que l’interaction chimique se fait entre les molécules du gaz CO
et le matériau SnO2.
• Température de fonctionnement
Notons sur ce graphique (fig.IV.5), un maximum local dans la zone de
transition entre physisorption et chimisorption, il est clair que la température de
fonctionnement du capteur devra être choisie en conséquence. Celle-ci doit être
spécifiée pour chaque capteur, elle dépend à la fois de la structure du capteur (dopage)
et du type de gaz à détecter.
Dans la température ambiante, dans la phase physisorption BC, le gaz est
adsorbé sur la surface de la couche sensible, on aura donc plus de gaz sur cette couche
(fig.IV.5). Après l’augmentation de la température, en restant toujours dans la phase
BC, on remarque que la quantité de gaz adsorbée s’abaisse un peu.
Puis avec l’augmentation de la température, on passe à la phase CD, à la
chimisorption, on aura l’interaction entre les molécules du gaz CO et la couche semiconductrice SnO2. En conséquence, on aura la modification dans la conductivité
électrique de SnO2 et la création du courant électrique. Ensuite, quand la température
s’augmente, on aura l’opération inverse, la désorption. Dans cette phase, les molécules
du gaz se détachent de la surface du capteur, ce qui est distingué, en pratique, deux
températures:
−
La première est celle à laquelle le capteur doit être soumis pendant un temps
défini pour désorber tout ce qu’il a adsorbé antérieurement et retrouver un
état de surface « vierge »,
−
La seconde est celle à laquelle on procédera à la mesure, généralement après
un temps de stabilisation précis.
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 71
Ainsi, pour le capteur HS134 préconise une phase de désorption à environ 60 s
par un voltage de chauffage 4 v (haut), suivie d’une période de retour à l’ambiante de
et d’une plage temporelle de mesure, soit pour un cycle de mesure une durée totale 90
s d’un voltage de chauffage 1.4 v (bas) [SEN134].
• Rôle de l’oxygène de l’air
Le principe de captage de HS134 repose sur la dépendance de la conductivité
électrique avec le nombre de défauts en oxygène O dans le réseau cristallin du SnO2
de sa couche sensible, c’est-à-dire la non-stoechiométrie de l’oxyde d’étain (SnO2-X)
[PIJ02].
L’influence de l’oxygène, dans les propriétés des surfaces de la couche sensible
est primordiale pour les capteurs de gaz.
En effet, en raison de la haute température requise, une chimisorption d’atomes
d’oxygène sur la surface est inévitable. Ils se comportent comme accepteurs
d’électrons selon les réactions (1) ou (2), des électrons libérés de la couche sensible
SnO2 sous l’effet de la température [GAI99]. On aura une réaction oxydoréduction
par la voie sèche (1), (2), (3), (4) et (5).
La réduction de l’oxygène :
O2 (adsorbé) +
2e-
2 O-
(1)
O-
( 2)
Couche sensible SnO2
Ou
½ O2 (adsorbé) +
1e-
Couche sensible SnO2
Les molécules de gaz réducteur CO à détecter réagissent en surface avec les
ions de l’oxygène O-, en libérant un électron (e-) vers la couche de conduction de
l’oxyde de l’étain SnO2, et ceci va faire varier la conductivité électrique de ce dernier
(SnO2) suivant le nombre des sites d’oxydation actifs O- et du nombre de molécules de
gaz CO chimisorbées en surface suivant les réaction (3), (4) et (5) [GAI99].
L’oxydation du gaz monoxyde de carbone CO :
CO (gaz)
CO (adsorbé) + 2 OCO (adsorbé) + O-
CO (adsorbé)
Ou
(3)
CO2 + 2e-
(4)
CO2 + 1e-
(5 )
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 72
O2
CO2
CO
O- O
O-
²
²
SnO2-x
U
r
Signal
Fig. IV.6 : Interaction O2 -gaz réducteurs (CO) [PIJ02].
En conséquence, l’adsorption d’oxygène modifie la concentration d’électrons à
la surface et aura une action diamétralement opposée, selon qu’on est en présence d’un
semi-conducteur de type p ou de type n.
En général, un semi-conducteur, imaginé infini, présente dans son volume des
états énergétiques qui contribuent à déterminer son type de conduction. Ces états se
forment généralement, après création de défauts structuraux provenant d’écarts à la
stoechiométrie ou d’impuretés introduites par dopage.
Dans un cas réel, lorsqu’on coupe le cristal du semi-conducteur SnO2 imaginé
infini pour créer une couche sensible, des liaisons entre les atomes à la surface sont
brisées et des défauts de topologie (lacunes, marches) des atomes de l’oxygène O
apparaissent dans la surface de la couche.
En fait, par rapport à cette conductivité de volume, le fonctionnement de ce
capteur à moyenne température est plus lié aux variations de conductivité de surface.
Celle-ci est principalement dépendante des espèces chimiques adsorbées à la surface
du matériau, en particulier les groupements oxygénés (O-, O-2, OH-, etc.). Toutes
interactions de la couche sensible SnO2 avec le gaz oxydant O2 de l’air ou un gaz
réducteurs, entraînant des variations des concentrations de ces espèces chimiques, qui
conduisent à des variations de résistance électrique utilisables pour la détection
gazeuse (fig.IV.6)[PIJ02].
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 73
• Interaction de SnO2-CO
Le gaz polluant le monoxyde de carbone est un gaz réducteur. Par conséquent,
l’interaction de la couche SnO2 avec ce gaz, se traduit par l’augmentation
systématique de la conductivité électrique du SnO2 de la surface de la couche sensible.
Et grâce aux propriétés électroniques du semi-conducteur SnO2, ceci va modifier
radicalement sa réponse électrique à diverses températures, suivant le schéma
réactionnel suivant [GAI99] :
SnO2 + CO (adsorbé)
SnO + ½ O2
SnO + CO2
(1)
SnO2
(2)
Le départ de l’oxygène augmente le nombre de lacunes et, par conséquent, la
conductivité électrique.
L’interaction du CO avec la couche sensible du capteur (SnO2) engendre un
autre gaz CO2 (fig.IV.7) (réaction (1)), qui est :
−
D’abord, ce gaz CO2 n’est pas toxique,
−
Ensuite, la quantité donnée est négligeable.
Fig. IV.7 : Spectre de thermodésorption après exposition au CO. [GAI99]
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 74
Il y a une l’hypothèse qui dit que la réaction (1) est irréversible et que la
réaction (2) est très rapide [GAI99].
Bien que ce modèle décrive les variations de réponse électrique obtenues en
faisant varier la pression de CO, il ne tient pas compte de l’influence de la pression
d’oxygène.
Le modèle précédent est repris par Kohl et Thoren qui, après avoir exposé au
CO, ils observent la désorption du CO et du CO2 (fig.IV.7) [GAI99].
Le CO a donc été oxydé en CO2. Kohl explique cette oxydation par la
consommation d’oxygène de réseau cristallin de SnO2 (réaction (1)) [GAI99].
• Arrêt de l’introduction du gaz
Dans un troisième temps, suite à l’arrêt de l’introduction du gaz CO, l’oxygène
présent dans l’atmosphère s’adsorbe à nouveau en surface de l’oxyde SnO2 avec retour
à l’état d’équilibre établi lors du premier processus. Cependant, ce retour à l’état
d’équilibre suppose l’absence de phénomènes d’empoisonnement des sites par des
molécules secondaires issues des réactions d’oxydation.
III. Acquisition du signal électrique et réalisation électronique
Après le captage du gaz monoxyde de carbone CO par le capteur HS134, ce
dernier va traduire ceci, le captage du gaz, en signal électrique, sous forme d’un
courant électrique donné en sortie. Le traitement de ce signal électrique et son
exploitation, nous permet de développer un système d’outil miniaturisé, lequel outil
peut déceler le gaz polluant CO et donner son taux de concentration dans un milieu
surveillé, de quantifier le rejet industriel ou d’automobile du gaz monoxyde de
carbone, où bien tout appareil ou machine peut faire une combustion incomplète du
carbone et dégage, en conséquence, ce dangereux gaz.
III.1 Acquisition du signal de sortie de HS134
Après le captage du gaz CO par le capteur HS134, ce dernier traduit ce captage
en un signal sous forme d’une tension électrique, donné en sortie. Le traitement de ce
signal électrique va nous permet d’identifier et quantifier le gaz CO détecté.
III.1.1 Schéma électrique équivalent du HS134
Le schéma électrique équivalent, du capteur HS134, du traitement signal de
sortie est représenté sur la figure (fig.IV.18).
Le capteur nécessite deux sources d’alimentation de tension distinctes VH pour
le chauffage et VC pour la mesure [SEN134]. L’information de la tension de sortie
VOUT étant prélevée aux bornes d’une résistance (intégré dans le capteur) montée en
série avec l’élément sensible [SEN134].
Le traitement du signal de sortie du capteur implique une réalisation
électronique, ce qui nous permet de développer un système d’outil microminiaturisé
pour détecter et contrôler la pollution de l’air. La réalisation électronique de ce
système d’outil est explicitée dans la deuxième partie de ce travail.
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 75
• Le symbole conventionnel du HS134
Le HS134 est un composant électronique qui 6 pattes, 4 pattes (B1, B2, A1 et
A2) utilisées pour capter le signal, et les deux autres (H1 et H2) pour le passage du
courant, qui chauffe la résistance du capteur (fig.IV.22). Son symbole conventionnel
dans la maquette électronique du détecteur, que nous verrons par la suite, est donné
par le constructeur du capteur sous la forme suivant :
²
Fig. IV.22: Configuration et symbole du capteurHS134 [32]
Outre le symbole du capteur HS134, il y a d’autres symboles conventionnels
résumés dans le tableau (Tableau.IV.4), que l’on va utiliser dans la maquette du
détecteur.
• Circuit standard
Comme l’indique la figure (fig.IV.18), le circuit de mesure standard de HS134
contient deux parties. La première partie est le circuit de chauffage de la résistance du
capteur, qui a la fonction de temps de contrôle (le haut voltage et le bas voltage sont en
en fonctionnement circulaire). La seconde partie est le signal de sortie de circuit, il
peut répondre exactement aux changements de la surface de la résistance du capteur.
• Résistance de la surface du capteur Rs
La résistance du capteur Rs est obtenue à travers l’effet de signal de voltage de
sortie de la résistance de chargement RL qui est en série avec la capsule de capteur
[SEN134].
Selon la loi de diviseur de tension, pour deux composants en série, nous avons
V1/V2= R1/R2, avec V1, R1, V2 et R2 des composant en série respectivement. Ainsi,
sachant que la tension aux bornes du capteur est de (VC-VRL) et Rs la résistance du
capteur, donc on a : Rs/RL= (VC-VRL)/VRL.
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 76
• Choix des températures
On vu précédemment que la sélectivité et sensibilité varient selon la
température de fonctionnement du capteur d’une part, et d’autre part un cycle de
mesure est généralement suffisamment court pour que l’on puisse garantir que la
composition de l’atmosphère gazeuse au voisinage du capteur n’ait pu varier
significativement entre deux cycles successifs. Il est donc possible avec le même
capteur conditionné différemment d’obtenir successivement plusieurs mesures
exploitables.
Donc pour le HS134, le température de chauffage se traduit par un voltage de 4
volt pour le un chauffage haut, et de 1.4 volt pour un chauffage bas [SEN134].
Gaz
Voltage de chauffage 4 V (haut) 60 s
VRL
VH
RL
Voltage de chauffage
1.4 V (bas) 90 s
VOUT
VC
Fig. IV.18 : Circuit standard de mesure de HS-134 [SEN134]
• Choix des temps de cycle
La procédure cyclique envisagée implique non seulement le choix des diverses
températures de fonctionnement du capteur, mais aussi de la durée des séquences
successives de mesure et de désorption. Il conviendra de déterminer le meilleur
compromis entre qualité de la mesure et simplicité du séquencement et de la procédure
d’acquisition. En outre, il faut non seulement optimiser ce séquencement pour avoir la
meilleure sensibilité possible, mais aussi garantir une durée de vie du capteur.
Pour notre capteur, le HS134, les temps de cycle, et qui sont liés aux
températures de chauffage (haut et bas), sont 60 secondes pour le chauffage haut et 90
secondes pour le chauffage bas.
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 77
III.1.2 Caractéristiques métrologiques du capteur HS134
• Courbe d’étalonnage VRL = f (Cg)
Cette caractéristique illustre l’influence de la concentration de gaz, généralement
exprimée en ppm, sur la résistance R ou la conductivité G de l’élément sensible, ce qui
se traduit par la variation dans le signal de sortie VRL avec la concentration du gaz CO
(fig.IV.19).
Aux faibles concentrations Cg du gaz CO dans l’air atmosphérique et à
température constante, l’équation [FIG05] :
G=KCag
(1)
Avec :
K et a : ce sont des constantes
Tension électrique VRL(volt)
est valable avec, typiquement, l’air considéré est à entre 20°C ± 2°C et possède un
taux d’humidité relative de 65 % ± 5 % [SEN134].
3
2
1
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Concentration du gaz CO(ppm)
Fig. IV.19 : Réponse typique du capteur HS134 au gaz CO [SEN134]
• Conductivité du capteur et son temps de réponse
Les mesures de la conductivité du capteur HS134 sont effectuées à une certaine
température. En choisissant la valeur de la température, le programme fait d’abord un
balayage sous air pur (pendant 5 mn). Pendant cette période, la conductance G0, la
conductance dans l’air pur, est mesurée toutes les 20 secondes. La cellule est ensuite
balayée par un mélange contenant le gaz polluant et la conductance G (t) est mesurée
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 78
pendant une période dont la durée est fixée par l’utilisateur. Ce cycle sous polluant est
suivi par un cycle sous air pur. Le nombre de séries de mesures (série = cycle sous
polluant + cycle sous air pur) peut être choisi entre 1 et 10 séries. Pendant chaque
cycle, le programme fait cent mesures. La figure (fig.IV.21) présente un exemple
typique de ce processus.
Une phase de recuit est possible avant chaque mesure à la température désirée.
Cependant comme la température joue un rôle très important sur le processus
d’adsorption, il est clair que le temps de réponse sera sensiblement modifié si la
température de fonctionnement du capteur est elle-même modifiée.
La courbe (fig.IV.20) données sont mesurées après un chauffage d’une période
de 2.5 minute du haut voltage au voltage bas.
G (t)
Polluant CO
5
t1
t2 T (mn)
Fig. IV.20 : Procédure d’acquisition des mesures électrique [SEN134]
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 79
• Sensibilité
La sensibilité est définie comme étant le rapport entre la résistance Ro dans l’air
pur et la résistance Rs en présence d’une certaine concentration de gaz CO dans l’air.
On peut la calculer autrement, en se basant sur la conductivité du capteur. Si G0 (t) la
conductivité du capteur dans l’air pur et G (t) la conductivité dans l’air pollué, la
sensibilité S (t) est :
S (t) = (G (t) – G0 (t)) / G0 (t)
(1)
Elle dépend généralement de la concentration de gaz ainsi qu’on peut le deviner
au vu du principe de fonctionnement du capteur. De plus la résistance augmentant en
milieu oxydant et diminuant en milieu réducteur la sensibilité sera >1 dans ce milieu et
<1 pour les gaz oxydants.
Nous donnons la relation entre température et sensibilité pour le gaz CO.
Sensibilité -Température
Sensibilité (Sc)
2
1.5
1
0.5
0
-10
0
10
20
30
40
50
60
Température (T)
Fig. IV.21 : Sensibilité d’éléments du capteur HS134 pour le gaz CO [SEN134].
Vu le rôle de la température dans le processus de la détection, on trouve par
conséquent, une corrélation entre la température de l’environnement ou le capteur est
placé et sa sensibilité au gaz, comme la montre la courbe (fig.IV.21). On remarque que
la sensibilité du capteur s’augmente avec l’augmentation de la température de
l’environnement.
Si nous avons bien remarqué dans la structure du HS134, la couche sensible de
ce dernier est constitue de semi-conducteur SnO2 non dopé. Par conséquent, ceci va
influer sur sa conductivité surfacique, ce qui va rendre le capteur moins sensible, car
les couches de SnO2 dopées de 3 et 6% Pt (platine) sont plus sensibles au monoxyde
de carbone dans l’air, que les couches de SnO2 pures ou dopées 12 % Pt [GAI99].
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 80
Malgré ce manque de dopage, on remarque dans la courbe (fig.IV.21), qu’il y a
de l’augmentation dans la sensibilité du capteur avec l’augmentation de la
température. Et ceci, il est dû au comportement normal d’un semi-conducteur à des
température basses utilisées, mais si on augmente la température, la sensibilité du
capteur s’affaiblie et il devient moins sensible, à partir de 200 °C [GAI99]. Et puisque
le détecteur de gaz, que nous verrons après, n’a pas besoin d’une température plus
élevée, car on l’utilise pour détecter seulement à un temps très court. Donc, on peut
utiliser ce type de capteur pour notre travail, mais il reste toujours à dire que ce
capteur HS134 n’est vraiment très sensible au gaz monoxyde de carbone, et cela à
cause de deux inconvénients :
Premièrement, le matériau SnO2, que le HS134 utilise dans son élément
sensible, n’est pas dopé, il est pur, alors que le dopage d’un matériau augmente
beaucoup sa conductivité par l’interaction avec le polluant, donc améliore sa
sensibilité à ce dernier..
−
Deuxièment, même le SnO2 utilisé depuis plusieurs années comme capteur
de gaz pour lequel la sélectivité et la température de fonctionnement sont les
principaux problèmes rencontrés. Les chercheurs et industriels se tournent donc vers
d’autres solutions l’oxyde de tungstène WO3.
−
• Sélectivité
La sélectivité est la capacité d’un capteur à répondre à un certain gaz et de
séparer les gaz arrivant qui peuvent perturber le fonctionnement du capteur.
La séparation soit se faite par une action physique en utilisant des membranes
de type céramique, zéolithes, carbone actif etc., soit par une action de type catalytique,
l’utilisation des membranes métalliques à base de Platine Pt, Palladium Pd, Cuivre Cu
etc. Dans cette dernière action, on cherchera généralement à optimiser celle-ci :
−
En dopant le matériau utilisé, tel que notre cas le SnO2, à l’aide d’un
catalyseur spécifique, ainsi le platine Pt augmentera la sensibilité (et donc la
sélectivité) pour CO, le palladium Pd sera utilisé pour H2, etc.
−
En contrôlant la taille des grains de la couche sensible, ce qui a un effet à la
fois, sur la taille des pores et le gaz adsorbé.
−
En réalisant un traitement thermique particulier lors de la fabrication.
Les gaz pouvant perturber le fonctionnement du capteur HS134 :
L'
obtention de critères de sélectivité est généralement difficile avec les capteurs
de type SnO2. Ainsi, les gaz ambiants qui peuvent perturber le bon fonctionnement du
capteur HS134, en captant seulement le gaz monoxyde de carbone, ce sont :
−
Les gaz organiques, les alcanes (CH4, C6H6, C2H4, etc.) : L’interaction de la
couche sensible (SnO2) avec certains gaz ambiants organiques tels que les
alcanes (CH4 etc.), en faisant l’oxydation des gaz, conduit à une diminution
réversible des ions d’oxygène et à la libération d’électrons, ce qui augmente
la conductivité de SnO2. Par conséquent, la conductivité que l’on utilise
pour un critère de mesure, pour savoir l’existence de gaz de CO, est
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 81
perturbée ; on ne peut pas savoir si elle est due au CO ou d’autre gaz
[ALT94],
−
D’autre part, l’influence des gaz oxydes d’azote NOx, notamment le NO2,
par l’adsorption réversible des receveurs d’électrons, rendent les électrons
de conduction immobiles et conduisent ainsi à une plus faible conductivité
dans la couche sensible [ALT94].
Pour remédier à ce problème des gaz ambiants, en réduisant leurs interférences
et améliorer la sélectivité, le capteur HS134, par l’action physique, est doté d’une
couche de carbone actif, déposée sur la couche sensible de SnO2, laquelle couche de
carbone va jouer le rôle d’un filtre (fig.IV.2), elle ne laisse passer que le monoxyde de
carbone.
III.1.3 Conditions de fonctionnement optimales du capteur HS134
Tableau IV.1 : Condition standard du fonctionnement de HS134
Symbole Description
Condition technique Remarque
VC
Circuit de voltage
5V ± 0.1
AC ou DC
VH
Voltage de chauffage (Haut)
4 ± 0.1
AC ou DC
VB
Voltage de chauffage (Bas)
1.4 ± 0.1
AC ou DC
RL
Résistance de charge
Peut être ajustable
10 kΩ ± 5 %
RH
Résistance chauffante
33 Ω ± 5 %
A 20 °C
TH (H)
Temps de chauffage (H)
60 ± 1 secondes
TB (B)
Temps de chauffage (B)
90 ± 1 secondes
T
Température de fonctionnement
20 °C ± 2°C
H
Humidité
65 % ± 5 %
VR
Voltage de chargement
1.4 ± 0.1
PC
Préchauffage
Au moins 48 heures
*AC : courant alternatif, DC : courant continu
Les conditions standard du fonctionnement du capteur HS134 sont résumées
dans le tableau ci-dessus (Tableau.IV.1)
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 82
III.2 Réalisation électronique du détecteur de gaz CO
III.2.1 Rappels
Nous donnons quelques notions générales en électronique, que nous utilisons
durant ce chapitre, pour la conception et la réalisation du détecteur.
• Application électronique
L’application pratique des lois électroniques permet de réaliser des dispositifs
et appareils utiles. Ainsi l’électronique a-t-elle pour vocation, in fine, de produire des
objets: c’est avant tout, en dépit de sa proximité avec une science « pure et dure », une
technique.
La principale différence entre l’électronique et l’électricité réside dans le fait
que les composants électroniques (diodes, transistors, circuits intégrés...) sont réalisés
à l’aide d’un matériau conducteur particulier, appelé semi-conducteur (silicium pour
l’essentiel), au lieu des métaux et alliages traditionnels utilisés en électricité (cuivre
etc.).
• Courant (l’intensité)
Le courant est un flux des électrons va du pole négatif au pole positif. En
électronique, il y a une autre façon de voir la direction du courant, c’est semble que le
courant circule de positif au négatif en l’appelant le courant conventionnel [31].
L’unité de mesure de courant c’est l’ampère (A).
• Tension
Lorsque le courant passe à travers d’un composant tels qu’une résistance, ce
dernier (le composant) résiste au courant, ce qui crée une pression électrique au coté
entrant de courant dans le composant, cette pression est une tension électrique ou
potentiel [29]. L’unité de mesure de la tension est le volt (V)
• Résistance
Une résistance (fig.IV.8) (on dit aussi, parfois, résistor, comme en anglais) est
un dipôle passif, linéaire et symétrique, qui a la propriété de s’opposer, plus ou moins,
au passage du courant. C’est sa valeur ohmique qui caractérise cette propriété.
L’unité de mesure est l’ohm ( ). Son symbole dans un schéma :
R
Fig.IV.8 : Résistance
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 83
• Ajustables (Potentiomètre)
On appelle ajustables ou potentiomètres (fig.IV.9) ajustables des résistances
dont la valeur est variable et peut être ajustée par l’utilisateur. Ces résistances se
présentent sous la forme d’un petit boîtier muni de trois pattes et d’un curseur rotatif,
à souder sur le circuit imprimé.
Son symbole électronique :
Fig. IV.9 : Potentiomètre
• Condensateur
Un condensateur (fig.IV.10) (capacitor, en anglais) est un dipôle constitué de
deux armatures conductrices (plaques métalliques planes et parallèles), séparées par un
diélectrique, ou isolant (air, papier, mica etc.).
Soumis à une tension U, un condensateur possède la propriété de se charger et
de conserver une charge électrique Q, proportionnelle à U.
L’unité de mesure s’exprime en farads (F),
Son symbole dans un schéma :
Il y a des condensateurs chimiques (polarisés) (fig.IV.10) :
Son symbole électronique :
+
Fig.IV.10 : Condensateur normal et une condensateur polarisé
(De gauche à droite)
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 84
• Diode
Une diode est un dipôle à semi-conducteur (silicium) qui laisse passer le
courant dans un sens (sens dit « passant ») et pas dans l’autre (sens dit « bloqué »).
Pratiquement, le courant circule de l’anode à la cathode: dans le sens de la flèche du
symbole. Son symbole dans un schéma (fig.IV.11) :
Fig.IV.11 : Diode et son symbole électronique
• Circuit intégré
Un circuit intégré (fig.IV.12) (integrated circuit, ou IC, en anglais) est un
composant qui renferme dans un unique petit boîtier, un nombre important de
composants, notamment des transistors. Un processeur, par exemple, en intègre
plusieurs millions!
Fig.IV.12 : Circuit intégré
• Amplificateur opérationnel AOP
Un amplificateur opérationnel (AOP, ou OPAmp en anglais) est un circuit.
(fig.IV.13). Il est composé de deux mots :
Amplificateur : c’est la fonction de base de ce composant ; il y a plusieurs montages
de base de ce composant.
Opérationnel : les caractéristiques de cet ampli nous donnent la possibilité de créer des
fonctions mathématiques telles que dérivée, intégrale, Log. Ces fonctions ont autrefois
été utilisées dans des calculateurs analogiques, et permettaient notamment de résoudre
des équations différentielles, et ainsi de simuler des réponses de systèmes physiques
divers (mécaniques, acoustiques etc.). D’où le nom « opérationnel ».
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
OFFSET NULL
1
INVERTING INPUT
2
NON-INVERTING
INPUT
V-
3
8
AOP
-
7
6
+
4
5
page 85
NC
V+
OUTPUT
OFFSET NULL
Fig. IV.13: Boîtier comporte un seul AOP
Amplificateur inverseur :
C’est un montage de base à l’amplificateur opérationnel. L’entrée non
inverseuse (V+) est reliée à la masse ; le signal d’entrée est relié à l’entrée inverseuse
(V-) par une résistance R1, et la sortie est reliée à cette entrée par une résistance R2.
R2
i
R1
i
Ve
VV+
Vs
Fig.IV.14 : Amplificateur inverseur
Les conditions de la définition de ce type l’AOP stipule que les impédances
d’entrée étant infinies, il n’y a pas de courant qui rentre dans l’entrée inverseuse (V-) ;
par conséquent, tout le courant i arrivant dans R1 ira par R2 vers la sortie de l’AOP.
Le gain en tension dans ce AOP est :
Vs / Ve = -R2 / R1
(1)
Amplificateur non inverseur :
L’amplificateur non inverseur est le deuxième amplificateur de base. Le gain en
tension :
Vs / Ve= 1+ (R2 / R1)
(2)
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 86
R2
R1
Ve
VV+
Vs
Fig.IV.15: Amplificateur non inverseur
Le gain est non seulement positif (ampli non inverseur), mais il est aussi
toujours supérieur à 1, alors que l’ampli non inverseur autorisait un gain (en valeur
absolue) inférieur à 1, soit une atténuation. Notons que pour un ampli, cette
caractéristique n’est pas trop gênante.
Amplificateur rail to rail
Un amplificateur fonctionne en « rail to rail » c’est-à-dire que la tension de
sortie VS de l’amplificateur AOP aura une amplitude proche des tensions
d’alimentation VCC.
• Circuit intégré NE555
Le NE555 (fig.IV.16) est un circuit intégré utilisé dès que la notion de temps
est importante dans un montage. Il est relativement simple d’utilisation, c’est un
circuit intégré classique en électronique.
Son symbole électronique :
Montage astable de NE555
Le circuit intégré NE555 est utilisé en deux montage de base : le monostable et
l’astable. On va explique le montage astable de ce composant, l’autre type de montage
dépasse le but de cet ouvrage.
Dans le fonctionnement astable de NE555, on observe une oscillation
périodique de Vs et de Vc entre 0 V et Valim (tension d’alimentation) (ou entre 1/3
Valim et 2/3 Valim pour Vc). Le montage ne parvient pas à trouver un état d’équilibre,
il est astable.
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
1
8
2
7
NE555
3
6
4
5
page 87
Alimentation
Décharg
e
Seuil
Référence
Fig. IV.16: Circuit intégré NE555 et ses
broches
• Transducteur piézo-électrique (buzzer)
Un composant électronique qui est une sorte de haut parleur, qui transforme
l’impulsion électrique en une vibration sonore audible. A chaque fois qu’on applique
une tension U aux bornes du buzzer, sa « membrane » change de forme : c’est l’effet
piézo-électrique. Mais aucun son n’est émis normalement. Quand la tension à ses
bornes repasse à 0 Volt, sa « membrane » retrouve sa forme de repos. Si l’on veut
produire un son, il faut que l’on applique une succession de U Volt et de 0 Volt,
comme cela est le cas avec une impulsion électrique : il est résulte donc une vibration
de la « membrane » qui est de fréquence approximativement équivalente à l’impulsion
électrique appliquée. La vibration de la membrane entraîne une vibration de l’air au
contact d’où création d’une onde sonore qui vient « titiller » le tympan le plus proche.
Son symbole dans le schéma électronique :
III.2.2 Nomenclature des composants électroniques utilisés
Les composants électroniques utilisés dans l’implantation de la maquette du
détecteur sont résumés dans tableau ci-dessous (Tableau.IV.2):
Tableau IV.2 : Nomenclature des composant utilisés et le prix total de la
fabrication de l’appareil
Nom de composant
Capteur de CO
Condensateur
électrochimique
Condensateur
électrochimique
Condensateur
céramique
Condensateur
céramique
Références
Position
HS134
DET
470 µF/25V
C1
100 µF/25V
C2
100 nF
C3
10 nF
C4
Type de
composant
Sorties radiales
Sorties radiales
Prix
(DA)
1600,00
20,00
10,00
10,00
10,00
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
Diode
transducteur piézoélectrique
Bornier à vis 2
contacts
Potentiomètre
Résistance au carbone
Résistance au carbone
Résistance au carbone
Résistance au carbone
Résistance au carbone
Résistance au carbone
Résistance au carbone
Résistance au carbone
Circuit intégré
1N4001
D1
KX-1606
HP
Diode de
redressement
Entraxe 7.62 mm
130,00
Bas profil
20,00
Résistance
ajustable
R1, R4, marron, noir,
R5
orange
R2, R11 marron, noir, jaune
10,00
CN
50 kΩ
10 kΩ ; 1/4W
5%
100 kΩ ; 1/4W
5%
330 kΩ ; 1/4 W
5%
1 kΩ ; 1/4W 5%
33 kΩ ; 1/4W
5%
330 kΩ ; 1/4W
5%
47 kΩ ; 1/4W
5%
27 kΩ ; 1/4W
5%
LM311
Circuit intégré
NE555
Circuit intégré
TL081
Régulateur
LM7805 [5V]
Dissipateur thermique
18°C/w
Afficheur
Barrgraph
Boîtier
Noir
Fabrication de la maquette
Prix Total
page 88
P1
R3
R6
R7
R8
R9
R10
U2
U3
U4
REG1
orange, orange,
jaune
marron, noir, rouge
orange, orange,
orange
orange, orange,
marron
Jaune, violet,
orange
Rouge, violet,
orange
Comparateur
5,00
2,00
2,00
2,00
2,00
2,00
2,00
2,00
2,00
50,00
Oscillateur
25,00
AOP
60,00
En boîtier T0220
25,00
Ex. SHFFNER réf.
RAWA 400 9P
10 leds (Diodes)
480,00
120,00
220,00
2811,00
III.2.3 Schéma de principe du détecteur
Le schéma électronique du détecteur est composé de 4 blocs :
• Bloc d’alimentation
Le détecteur de gaz à besoin d’une tension d’alimentation, pour se fonctionner.
Ainsi, on a commencé le montage du détecteur par implantation du bloc
d’alimentation (fig.IV.23), lequel bloc va alimenter le capteur HS134, en donnant le
voltage de chauffage VH (tab.IV.2) qui chauffe la résistance de HS134, et les autres
parties de la maquette. Ce bloc d’alimentation est composé de :
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 89
−
Le montage du circuit est alimenté par une tension allant de 9 VDC (courant
continu) à 12 VDC,
−
On a ajouté une diode D1, qui permet de protéger le montage en cas d’inversion
du connecteur d’alimentation,
−
Les condensateurs C1, C2 sont implantés pour le filtrage,
−
Le régulateur RG (LM7805) : on a choisi ce régulateur de sa tension de sortie
VOUT, car le régulateur peut nous donner une tension désirée. Comme le capteur
HS134 a besoin d’une tension de + 5 V, et que le régulateur LM7805 peur nous
fournir cette tension alors on a opté pour ce composant.
REG
V1
D1
1
CN1
1
2
C1
+
Vcc
Vdd
V0
C2
+
Fig. IV.23 : Schéma de principe du bloc d’alimentation
• Bloc du capteur HS134 (bloc de détection du gaz CO)
Le capteur est alimenté par une tension continue VC de + 5 V fournie par le
bloc d’alimentation (régulateur RG, LM7805). Le passage du courant dans la
résistance du capteur HS134 (de H1 à H2) et en fonction de la concentration de
monoxyde de carbone CO, captée par la capsule DET du capteur HS134, un courant
apparaît plus ou moins important dans les électrodes B1 et B2 (fig.IV.24).
Bloc d’alimentation
H1
H2
A1
B1
A2
B2
HS134
R4
Fig. IV.24 : Schéma de principe du bloc du capteur HS134
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 90
La résistance RL (résistance de charge) que nous avons vue dans le circuit
d’acquisition précédent (fig.IV.18) est représentée ici par la résistance R4 (10 KΩ ).
Le captage du gaz par le HS134 se traduit par un signal électrique, qui est un
courant électrique engendré par le capteur. Ce courant engendré passant à travers la
résistance R4 (10 K ) produit une tension électrique, laquelle est proportionnelle à ce
courant engendré. La réalisation du détecteur du gaz est basée sur l’amplification de
cette tension et sa conversion en une tension piézoélectrique, un signal sonore
avertissant l’existence du gaz monoxyde de carbone CO.
• Bloc d’amplification de tension
Comme on a vu dans le premier chapitre, dans un cristal pur, à température
ordinaire, les électrons libres sont malgré tout extrêmement rares, ce qui donne une
faible condictivité . A cet effet, la sortie du signal électrique, donné par le capteur
HS134, est faible, et cela est du à la faible conductivité électrique de la couche
sensible qui est à base de l’oxyde d’étain SnO2 pur (non dopé). Si le matériau (SnO2)
de la couche sensible de HS134 était dopé, on aura, outre un capteur très sensible au
gaz, un capteur qui donné un fort signal électrique.
Alors, il nécessite d’amplifier fortement le signal, pour le traiter et l’exploiter,
après. Cette amplification est obtenue par l'
utilisation d'
un amplificateur U4 de type
opérationnel TL081 (fig.IV.25), qui est monté ici en inversion par rapport à la masse
virtuelle que lui fournit le point milieu du potentiomètre P1 (50 kΩ) (fig.IV.25). Ceci
permet de caler le zéro (0) en fonction du courant de repos du capteur [ELE03].
L’amplificateur opérationnel U4 (TL081) est alimenté en mono tension, il
faudrait donc, théoriquement, utiliser un modèle « rail to rail » pour que cet étage
fonctionne normalement [ELE03].
R1
Bloc du capteur HS134
R2
P1
R5
R3
71
3 + 6
2- 5
U4
(TL081)
4
Fig. IV.25 : Schéma de principe du bloc d’amplification
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 91
• Bloc de signal piézoélectrique
Le signal de l’amplificateur opérationnel U4 (TL081) va piloter l’entrée d’un
comparateur U2 (LM311), qui monté ici en trigger de Schmitt. Les seuils du
comparateur U2 sont plus élevés (monté en trigger de Schmitt), et ceci permet de
protéger le montage de la tension de déchet que présente le U4 (TL081) en sortie
[ELE03].
Lorsque la tension qui apparaît aux bornes de R4 croît, la tension de sortie de
l’amplificateur opérationnel décroît (effet inverseur). Si la quantité de gaz captée par
la capsule DET (capteur HS-134) est importante et selon la position de P1
(potentiomètre), que l’on règle à une valeur désirée, la tension appliquée sur l’entrée
négative de U2 (LM311) passera en dessous du seuil bas du comparateur, fixé par R9
(47 K ), R10 (27 K ) et R 11(100 K ). Dés lors, la sortie de U2 passe en haute
impédance de sorte que la résistance R6 (1 K ) peut enfin imposer un état haut sur la
broche R du circuit intégré U3 (NE555).
Bloc
d’amplification
R9
R6
U2 6 5 8
(LM311) + 2
1
U3
8
R8
4
(NE555)
HP
5
C3
4
3
R11
3 Q Vcc R DIS 7
TR
2 6
THR
Gnd CV
1
-
R7
C4
Fig. IV.26: Schéma de principe de signal d’alarme
R10
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 92
Le circuit intégré U3 (NE555) est monté, dans notre appareil (fig.IV.26), en
oscillateur astable. Dés que l’entrée R du circuit U3 (NE555) passe à l’état haut,
l’oscillateur se met à fonctionner, ce qui a pour effet d’exciter le transducteur
piézoélectrique HP qui émet le signal d’alarme indiquant que le niveau de monoxyde
de carbone CO, capté par le capteur HS134, dépasse la valeur fixée par P1.
La fréquence de U3 est imposée par les résistances R7, R8 et C4. Le
condensateur C3 permet de stabiliser les seuils internes du circuit U3, ce qui permet de
fortement diminuer la sensibilité de l’oscillateur vis-à-vis de la tension d’alimentation
[ELE03].
• Schéma de principe de fonctionnement de l’appareil
On peur synthétiser le schéma général de fonctionnement de notre appareil en
englobant touts les blocs ci-dessus (fig.IV.27) :
Bloc d’alimentation
Bloc de capteur HS-134
Bloc d’amplification de
tension
Bloc de signal d’alarme
Fig. IV.27 : Enchaînement des blocs de l’appareil
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 93
En englobant ces différents blocs, on aura le schéma de principe du circuit de
l’appareil représenté dans la figure (fig.IV.28).
REG1
D1
V1
CN1
1
2
C1
Vcc Vdd
DET
H1
V0
B1
A1
+
C2
+
B2
A2
H2 HS134
R4
R1
R3
71
3 + 6
2- 5
4
R2
P1
R5
R9
R6
U2
6 58
2
(LM311)
+
-
1
3
4
U3
(NE555)
HP
U3
3Q
8 4
Vcc R
R8
R11
DIS 7
TR 2
R7
R10
THR 6
Gnd CV
1 5
C3
C4
Fig. IV.28 : Schéma de principe du circuit de détecteur [ELE03]
U4
(TL081)
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 94
III.2.4 Maquette du circuit de détecteur
III.2.4.1 Tracé de circuit imprimé
Premièrement, nous commençons par tracer le circuit imprimé de l’appareil
(fig.IV.29), sur un papier transparent.
Fig. IV.29 : Circuit imprimé du détecteur de CO [ELE03]
III.2.4.2 Implantation des composants électroniques
.
Fig. IV.30 : Maquette de détecteur de gaz
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 95
A partir du circuit imprimé, on peut fabrique la maquette du circuit de détecteur
avec l’implantation de ses composants électroniques (fig.IV.30).
Dans le montage qu’on a fabriqué, le régulateur (REG) dissipe pas mal
d’énergie à cause de la consommation du capteur HS134. A cet effet, on a monté sur
ce régulateur un dissipateur thermique de 18° C/W afin de limiter sa température.
III.2.4.3 Adaptation du signal électrique à l’interface d’utilisateur
Pour afficher la valeur de monoxyde de carbone détectée par l’appareil, fixée
par potentiomètre P1, notre montage fait appel à un autre circuit, un circuit d’affichage.
Le circuit d’affichage (fig.IV.31), ajouté au circuit du détecteur (fig.IV.30), est
articulé autour des composants électroniques suivants :
• Un barrgraph de 10 leds (un afficheur), DL,
• Un circuit intégré LM3914 (U5),
• Deux résistances de 3.3 K Ω (R12, R13),
Montage du circuit :
Le fonctionnement du circuit d’affichage a besoin de deux sources :
• Une alimentation, le circuit doit être alimenté pour se fonctionner,
• Une tension d’entrée, le circuit doit avoir un signal d’entrée pour nous donner
un signal de sortie.
La tension qui apparaît à la borne 3 de U4 (TL081) est ajustée par le
potentiomètre P1. La manipulation de cette tension avec le potentiomètre P1, nous
permet de régler la sensibilité de l’appareil au monoxyde de carbone, c’est-à-dire
régler l’appareil à une valeur de cette tension, qui peut déclencher l’alarme de
l’appareil à une concentration donnée.
On peut exploiter cette tension de la borne 3 de U4, en l’injectant dans le circuit
d’affichage, pour graduer l’appareil. On alimente les leds un barrgraph par cette
tension et suivant l’ajustement de P1.
Pour accomplir cette fonction, les leds du barrgraph doivent être pilotées
directement par un circuit LM3914 (U5), monté en mode « dot » (une seule diode LED
allumée à la fois).
Pour alimenter le circuit d’affichage, on prend un point de tension entre le
condensateur C1 et le régulateur REG (LM7805) du circuit précédent (fig.IV.30).
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
Tension d’alimentation
(Tension prise entre C1 et LM7805 du
circuit précédent)
page 96
Borne 3 du circuit intégré
TL081
(Circuit précédent)
DL (Barrgraph)
U (LM3914)
REFOUT
LED1
LED2
LED3
LED4
LED5
LED6
LED7
LED8
LED9
LED10
SIGIN
RHI
RLO
R1
MODE
REF ADJ
R2
V+
V-
Fig. IV.31 : Circuit d’affichage du détecteur [ELE03]
III.2.4.4 Allumage de l’appareil
•
Voyant marche/arrêt
On a ajouté un petit circuit (fig.IV.32) à l’appareil, pour montrer l’état de
l’appareil, si elle en marche ou en arrêt.
Diode- LED
Tension
d’Alimentation
R
Fig. IV.32 : Circuit du témoin Marche/Arrêt du détecteur
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 97
Le circuit est constitue d’une diode (LED), cette diode s’allume avec l’appareil,
d’où son alimentation est prise d’un point de tension de ce dernier. Pour que la diode
ne se chauffe pas, on a met en série avec la diode une résistance (R), qui est une
résistance calculée suivant la tension d’alimentation.
•
Alimentation externe de l’appareil
L’appareil est doté d’une pile de 9 V à l’intérieur du boîtier, qui l’alimente. Et
cela, nous permet de déplacer avec l’appareil pour tester des sites pollués, où il n’y a
pas de prise murale.
On peut aussi alimenter l’appareil par une prise murale, à l’intérieur des locaux,
en branchant l’adaptateur 220V/12V. Quand l’appareil est alimenté par cette
alimentation, l’alimentation par la pile est éliminée, et cela avec l’utilisation d’une
fiche jack pour bancher l’adaptateur 220V/12V.
Il y a un interrupteur dans le boîtier qui permet de faire marcher ou arrêter
l’appareil. Les deux alimentations citées, sont banchées dans cet interrupteur
III.2.4.5 Implantation de la maquette de circuit dans un boîtier
Fig. IV.33 : Implantation de la maquette du détecteur dans un boîtier
A la fin des tests des tensions du montage et la vérification de son
fonctionnement, on met la maquette dans un boîtier afin de la protéger (fig.IV.33).
Pour le rafraîchissement du régulateur REG et pour que le son d’alarme du
piézoélectrique puisse être entendu, on a fait des trous dans le boîtier du détecteur
(fig.IV.34).
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 98
Fig. IV.34 : Vue extérieure du détecteur de monoxyde de carbone
III.2.5 Etalonnage de détecteur de gaz
L’utilisation de détecteur nécessite un marquage sur l’avant du boîtier, autour
du potentiomètre P1, afin que l’utilisateur de l’appareil sache la valeur de la
concentration de monoxyde de carbone captée par le détecteur.
Avec des prises de tension électrique au niveau du point P1 (potentiomètre) du
circuit,à l’aide d’un multimètre (fig.IV.35), outil de mesure des tensions électriques, et
en basant sur la figure (fig.IV.19) du paragraphe (II.2.4), la courbe de l’étalonnage du
capteur HS134, on peut donner la courbe de l’étalonnage du détecteur (fig.IV.36).
Fig. IV.35 : Un multimètre
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 99
Tension électrique VRL(volt)
La tension issue du point milieu de P1 est appliquée sur l’entrée plus (+) de
l’amplificateur opérationnel U4, qui coïncide avec la courbe d’étalonnage de HS134.
(Travaux pratiques de laboratoire). Par exemple, si on veut que le détecteur déclenche
l’alarme lorsque le gaz monoxyde de carbone CO atteint une concentration de 500
ppm, il suffit de régler P1 de telle sorte que la tension appliquée sur la broche 3 de U4
vaut ~ 2 Volt (fig.IV.36).
3
2
1
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Concentration du gaz CO(ppm)
Fig. IV.36 : Réponse du détecteur au gaz monoxyde de carbone CO
III.2.6 Lecture des valeurs détectées
Les valeurs du gaz CO, détectées par notre appareil, sont affichées par le circuit
d’affichage sous forme des barres lumineuses, monté dans la figure (fig.IV.31).
Pour détecter l’existence du gaz, on allume l’appareil et on commence à tourner
le potentiomètre P1, alors dés que le détecteur capte le gaz, il émet un son signalant
l’existence du gaz. Le taux de concentration du gaz détecté, c’est la valeur fixée par le
potentiomètre P1 (afficheur).
On prend cette valeur donnée par P1 et puis on passe à la table de référence
(fig.IV.3), pour avoir la vraie la valeur du gaz CO détectée. Par exemple, si on lit sur
l’afficheur une valeur 1 ou 2, alors en passant à la table de référence du détecteur, mise
sur l’avant de ce dernier, la concentration de monoxyde de carbone détectée est
inférieure à 100 ppm. Si la valeur égale à 3 ou 4, alors la concentration de CO est entre
100 ppm et 200 ppm etc.
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 100
Tableau IV.3 : La table de référence des valeurs
Valeur affichée
Concentration C de CO (ppm)
1 ou 2
C<100
3 ou 4
100
C
200
5 ou 6
300
C
500
7 ou 8
600
C 8500
9
C > 800
III.3 Caractéristique du détecteur de gaz CO
Le détecteur de gaz que venons de réaliser est un appareil, qui déclenche un
signal d’alarme nous avertissant de l’existence du gaz CO et donnant son taux de
concentration en ppm. Les caractéristiques de détecteur sont :
• Détecteur portable,
• Dimension : 117 x 106 mm,
• Poids : 270 g,
• Support et fixation murale (fig.IV.37),
• Tension d’alimentation de détecteur : une plie de 9V avec un chargeur de
pile ou une tension murale de 12 V avec un adaptateur secteur AC/DC de
220V /12V,
Potentiomètre de réglage
Barrgraph d’affichage
Voyant (marche / arrêt)
Support de détecteur
Fig. IV.37 : Détecteur de monoxyde de carbone
(Vue d’avant)
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 101
• Consommation électrique: 160 mA,
• Interrupteur utilisé pour allumer l’appareil et l’éteindre (fig.IV.38),
• Un voyant rouge indiquant l’état de l’appareil (Marche / Arrêt)
• Affichage de la valeur de CO détectée avec un barreau de 10 leds plates
(Barrgraph),
• Potentiomètre de calibrage de l’appareil, pour fixer une valeur de
déclenchement de détecteur, en mettant un son d’alerte, quand la valeur de
CO fixée est atteinte.
• Le coût de l’appareil doit revenir à 2811.00 DA (cf. Tableau IV.2), un
maximum de 3000.00 DA pour la totalité de sa fabrication.
Alimentation 12 V
Interrupteur
Secteur de chargeur
Fig. IV.38 : Détecteur de monoxyde de carbone CO
(Vue derrière)
IV. Tests et contrôle de détecteur de gaz
IV.1
Tests
Lors de la première mise en service et pendant 24 heures, le coefficient de
transfert du capteur HS-134 évolue lentement et l’alarme risque de se déclencher
intempestivement pendant les premières minutes, si le seul imposé par le
potentiomètre P1 est faible (en dessus de 1 V).
• Premier test :
Pour tester l’efficacité de ce montage, on a descendre la tension de référence à
1V environ (à la valeur 100 ppm), puis on a approché de la capsule de HS-134 la
flamme d’un briquet pendant quelques secondes. Après ce laps de temps, l’alarme de
détecteur s’est déclenchée.
Pour voir l’efficacité de l’appareil, on a procédé à plusieurs tests sur des
différentes machines ou des lieux, dégageant le gaz monoxyde de carbone.
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 102
• Second test :
Fig. IV.39 : Test de l’appareil sur une vielle voiture
Pour tester l’efficacité de l’appareil, on a procédé ainsi :
−
On met l’appareil en marche derrière une voiture dont le moteur est arrêté.
− Après la mise en marche de la voiture (fig.IV.39), on commence à tourner le
potentiomètre, comme si on cherche dans une radio une fréquence.
−
En quelques secondes, l’appareil commence à sonner, à ce moment-là on arrête
à tourner le potentiomètre.
−
La valeur où on a arrêté à tourner le potentiomètre de l’appareil, en se référant à
la table (Tableau IV.3), correspond à la concentration de monoxyde de carbone.
• Troisième test :
Nous avons fait le test sur des automobiles diesel, le test n’était pas concluant,
il est était négatif. Ce résultat est dû au capteur HS134, que contient le détecteur. Les
automobiles diesel dégagent beaucoup les oxydes d’azote NOx que le monoxyde de
carbone CO. Et on dit auparavant, que l’élément sensible de ce capteur, HS134, est
constitue par une couche de semi-conducteur SnO2. Ce matériau, le SnO2, n’est pas
sensible qu NOx. En plus, la couche de carbone actif mis sur la couche sensible,
laquelle couche de carbone filtre les NOx et d’autres gaz.
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 103
• Quatrième test :
Notre troisième test c’est sur des lieux pollués, où on peut avoir le monoxyde
de carbone. Les lieux qu’on a choisis pour tester l’appareil ce sont une décharge
publique et une cuisine (un chauffe-bain).
La décharge publique :
Pour vérifier l’existence de monoxyde de carbone dans une décharge publique
(fig.IV.40), on a procédé à la même manière que celle suivie pour les voitures.
−
Premièrement, on a allumé l’appareil dans un lieu saint loin de la décharge,
−
Puis, en gardant toujours l’appareil allumé, on se dirige vers la décharge.
−
Dés qu’on arrive au milieu de la décharge publique, on commence à tourner le
potentiomètre,
−
L’appareil commence à sonner, en nous avertissant de l’existence du gaz
monoxyde de carbone.
Fig. IV.40 : Test de l’appareil sur une décharge publique
• Cinquième test :
Pour notre dernier test, c’était dans une cuisine, sur (fig.IV.41). Pour vérifier
notre détecteur pour ce cas, on a allumé l’appareil et on l’a rapproché prés du chauffebain. Puis, on a procédé à ouvrir le robinet de l’eau. Alors, dés que l’écoulement de
l’eau a fait allumer le chauffe-bain, en quelques secondes notre appareil a déclenché
l’alarme.
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 104
Fig. IV.41 : Test de l’appareil dans une cuisine
IV.2
Résumé des résultats des tests
Tableau IV.4 : Résultats des tests d’efficacité du détecteur de CO
Différents types testés
Test
Concentration de CO détectée (ppm)
Briquet
Bon
100
Véhicule au démarrage
Bon
300 et 500
Véhicule après un quart d’heure
Bon
100 et 200
Véhicule diesel
Non
Chauffe-bain
Bon
100 et 200
Décharge publique
Bon
100 et 200
On peut résumer les résultats des tests dans le tableau (Tableau IV.5).
Pour le cas des voitures (Tableau IV.4), on voit qu’il y a deux valeurs
différentes, et cela s’explique par le fait que, au moment du démarrage d’un véhicule,
ce dernier dégage beaucoup du gaz monoxyde de carbone. Après un certain moment,
l’émission de ce gaz diminue, par contre que l’émission des NOx s’augmente. Pour
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 105
les véhicules diesel est le test est négatif, car ce type de véhicule dégagent les NOx
que les CO.
V. Détecteur et les valeurs limites du gaz CO
Les valeurs limites, du gaz monoxyde de carbone, recommandées par
l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) sont données dans le tableau (Tableau
IV.5).
Tableau IV.5 : Monoxyde de carbone- Recommandations OMS
Durée d’exposition
Valeurs guides
13 minutes
100 ppm
30 minutes
60 ppm
1 heure
30 ppm
8 heures
10 ppm
La plus petite valeur du gaz monoxyde de carbone, que notre appareil peut
détectée, est 100 ppm. En comparant cette valeur avec les valeurs du tableau IV.5, on
peut constater que notre détecteur est loin être utilisé, comme un outil de vérification
des valeurs limites. Pour la première valeur 100 ppm du tableau, on voit qu’elle est
peut vérifiée par le détecteur. Cette carence est due au capteur HS134, il est moins
sensible au gaz. Mais les valeurs, données dans le tableau (Tableau.IV.5), ne sont des
valeurs d’intoxication immédiate, elles peuvent être toxiques et mortelles quand on a
un cumul des doses de polluant et l’exposition au polluant à une longue durée, par
contre, le détecteur de gaz, que venons de réaliser, à une vocation de sécurité pour des
concentrations de gaz qui peuvent causer la mort immédiat, des valeurs élevées.
Donc, on a pas besoin de comparer le détecteur avec les valeurs limites de gaz, le
monoxyde de carbone, fixées par l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS).
VI. Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons vu le capteur HS134, sa structure, son principe de
fonctionnement et ses caractéristiques métrologiques.
En présence du gaz polluant CO, le capteur HS134 capte ce gaz et traduit ce
captage par donner un signal sous forme d’un courant électrique. Ce courant crée, en
traversant une résistance R, produit une tension proportionnelle à ce courant.
Le signal électrique engendré, par le HS134, est faible, dû à la nature de sa
couche sensible. Elle est constitue par un semi-conducteur SnO2 pur (non dopé), ce qui
donne une conductivité faible. Pour traiter ce signal électrique et l’exploiter, nous
devons l’amplifier. L’amplification de ce signal et sa conversion en un signal
CHAPITRE IV
Réalisation d’un détecteur de gaz monoxyde de carbone CO
page 106
piézoélectrique (signal sonore), ce sont les tâches de la deuxième partie du circuit
électronique du détecteur.
Les tests que nous avons faits, par notre détecteur de gaz, pour valider son
fonctionnement sur des automobiles, des chauffe-bains, des lieux pollués, etc., étaient
presque tous concluants. Reste à noter seulement, que pour les automobiles diesel le
test n’était pas concluant, car dans ce type d’automobile, les gaz les plus dégagés ce
sont les oxydes d’azote NOx, que notre détecteur ignore leur captage, et cela à cause
d’une couche filtrante à base du carbone actif, qui empêche l’introduction de ces gaz
et d’autres gaz (les alcane CH4, etc.) dans le capteur.
En plus, il reste à notifier que le matériau SnO2, que le capteur HS134 utilise
dans son élément sensible est pur (non dopé). En ajoutant aussi, d’après des recherches
et études faites, que même ce matériau est sensible au gaz CO. A cet effet, il y a des
travaux qui se font pour remplacer le SnO2 par d’autres matériauw tel que l’oxyde de
tungstène WO3.
Pour les valeurs limites du gaz monoxyde de carbone, recommandées par
l’OMS, le détecteur que nous venons de réaliser ne vérifie pas toutes les valeurs. Cette
défaillance de détecteur est due au capteur HS134, qui est moins sensible.
Mais, les valeurs limites, données par l’OMS, ne sont pas un danger immédiat.
Ce sont le cumul des doses et la longue durée d’exposition de ce gaz qui les rendrent
nuisibles et mortels. Et puisque notre détecteur de gaz a une vocation de sécurité,
détecter un taux de gaz qui peut être mortel immédiatement, donc on peut dire que l’on
peut accepter comme un outil de sécurité telles que une grande fuite de gaz dans
cuisine, ou bien pour savoir si un automobile dégage beaucoup du gaz CO.
CONCLUSION GENERALE
107
Conclusion
Pendant cette thèse, un nouveau système miniaturisé a été développé, le capteur
de gaz électrochimique, pour contrôler et surveiller la pollution de l’air.
En se basant sur ce type de capteur, on peut réaliser des détecteurs de gaz, qui
peuvent déceler les gaz polluants et évaluer leurs taux de concentration, dans un milieu
surveillé, une automobile, des machines, etc.
Pour concrétiser ceci, on a proposé, dans ce travail, un prototype d’un
détecteur de gaz monoxyde de carbone CO, lequel détecteur a été considéré pour
répondre à la demande de contrôle des émissions industrielles, automobile et surtout
domestique, de ce dangereux polluant, et afin de garder la sécurité des hommes.
Le choix du monoxyde de carbone, comme un polluant à détecter, dans ce
travail, vient suite aux conséquences nuisibles et l’existence fréquente de ce polluant
prés de l’homme, dans son milieu professionnel, à l’extérieur et domestique. Et suite
aussi, au taux de mortalité augmenté, ces dernières années en Algérie, causé par ce
polluant.
A ce point, le travail a été subdivisé en deux parties :
La première partie c’est sur le capteur de gaz monoxyde de carbone, le HS134.
On a présenté la structure du capteur, son principe de fonctionnement et l’interaction
de la surface du capteur, la couche sensible SnO2, avec le gaz polluant CO et
l’oxygène O2 de l’air.
L’autre partie de travail, elle consiste à la réalisation électronique du détecteur
de gaz, en se basant sur le signal électrique donné par le capteur HS134, après le
captage du gaz CO. Ce signal électrique est faible, donc il nécessite son amplification,
pour le traiter et le transformer en signal sonore, en avertissant l’existence du gaz CO
et donne sa concentration détectée.
Cette faiblesse du signal du HS134 est due, particulièrement, au semiconducteur SnO2, utilisé à l’état pur dans la couche sensible du capteur. Si cette
dernière était dopée par d’autres matériaux tels que le palatine (Pt), par exemple, ou
palladium (Pd), la conductivité électrique du SnO2 sera plus augmentée et le capteur
sera plus sensible au gaz. C’est donc, à cause de cette carence dans le HS134, que
notre détecteur de gaz n’arrive pas à vérifier les valeurs limites du gaz CO, données
par l’OMS.
Les tests que nous avons faits, pour valider le bon fonctionnement de détecteur
de gaz, ont été sur des conditions réelles, des automobiles, des chauffe-bains, une
décharge publique etc. Les résultats de ces tests étaient presque tous concluants. Le
cas pour lequel le test était négatif, c’était les automobiles à diesel.
La cause du dernier test négatif, donné par le détecteur, revient au faite que les
automobiles à diesel dégagent plus de gaz des oxydes d’azote NOx et moins de gaz
monoxyde de carbone CO. Ces gaz polluants, les NOx ne sont pas captés par le
CONCLUSION GENERALE
108
capteur HS134 à cause de la couche filtrante à base de carbone actif, elle sélectionne
que le gaz monoxyde de carbone CO et éjecte les autres gaz. Même la couche sensible
du capteur, le matériau SnO2, n’est pas vraiment sensible à ce type de gaz, d’où on
préconise d’utiliser l’oxyde de tungstène WO3, comme un matériau sensible, pour ce
genre de gaz, les NOx.
Dans la continuité de ce travail, nous pouvons envisager de nouvelles
perspectives:
• L'
introduction dans le détecteur de gaz, outre son système d’alarme, un système
d’affichage d’un voyant rouge, qui peut aider surtout des personnes sourdes.
• D’autre amélioration qu’on propose, c’est de pouvoir relier le détecteur de gaz
au micro-ordinateur, pour sauvegarder toutes les valeurs de gaz CO détectées,
en créant une base de données sur les concentrations de ce polluant, que l’on
peut utiliser dans d’autres travaux.
• La suite de la recherche prévoit aussi, l’amélioration de la sensibilité du
détecteur, en remplaçant le capteur HS134 par d’autre capteur dont la couche
sensible est dopée par des matériaux métalliques tels que le platine Pt,
palladium Pd etc., lesquels augmentent la conductivité électrique de la couche
sensible du capteur.
•
La dernière perspective, que l’on envisage, c’est de réaliser notre propre
capteur de gaz, qui peut être plus sensible et intercepte plusieurs gaz, en même
temps, que l’on appelle un capteur multiple. Par exemple, un capteur qui peut
capter à la fois le gaz le monoxyde de carbone CO et les oxyde de d’azote NOx.
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