Figure 1 : Structure et principe de fonctionnement d'un analyseur de gaz utilisant FID.
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Lorsque les hydrocarbures (HC) contenus dans l'échantillon de gaz s'écoulent dans la flamme d'hydrogène, les hydrocarbures sont oxydés et une réaction d'ionisation se produit. (Équation 1) Étant donné que les ions générés sont proportionnels au nombre de carbones, la concentration gazeuse d'hydrocarbures est mesurée en collectant électrostatiquement ces ions et en les détectant sous forme de courant électrique.
\[CH \xrightarrow[(O)]{\text{Oxidation}} CHO^+ + e^-\]
Équation 1 : Réaction d'ionisation des hydrocarbures par une flamme d'hydrogène
Un analyseur de gaz utilisant FID fournit en continu du gaz combustible (hydrogène (H2) ou un gaz mélangé d'hydrogène et d'hélium (He) ou un gaz mélangé d'hydrogène et d'azote (N2)) et un gaz auxiliaire (air purifié) pour produire une flamme d'hydrogène. Le gaz échantillon est mélangé avec le gaz combustible et s'écoule dans une flamme d'hydrogène à haute température (>1500 K) à l'extrémité de la buse, et les molécules d'hydrocarbures dans le gaz échantillon sont oxydées et ionisées. (Équation 1) Ces ions sont collectés par une électrode collectrice et détectés comme un courant électrique pour mesurer la concentration de gaz d'hydrocarbures. (Figure 1)
Figure 1 : Structure et principe de fonctionnement d'un analyseur de gaz utilisant FID.
Un analyseur de gaz utilisant la méthode FID est utilisé pour mesurer en continu la concentration de méthane (CH4), d'hydrocarbures non-méthaniques (NMHC) *1, et d'hydrocarbures totaux (THC) *2 dans le gaz échantillon.
*1 : NMHC : Abréviation de Non-Methane Hydrocarbons, et terme général désignant les hydrocarbures autres que le méthane.
*2 : THC : Abréviation de hydrocarbures totaux
La concentration en ppmC d'un gaz est généralement utilisée dans un analyseur de gaz FID. La concentration en ppmC (équivalent carbone) correspond à la concentration de gaz convertie par un carbone, et la ppmC correspond au ppm multiplié par le nombre de carbones.
Par exemple, si le gaz échantillon contient uniquement du propane (C3H8) à 100 ppm en hydrocarbures, l'analyseur FID mesure 100 x 3 = 300 ppmC car le propane (C3H8) a trois carbones (C).
HORIBA utilise un analyseur de gaz à détecteur à ionisation de flamme (FID) pour mesurer simultanément et en continu les concentrations de méthane (CH4), d'hydrocarbures non méthaniques (HCNM) et d'hydrocarbures totaux (HT), polluants présents dans l'air ambiant et les gaz d'échappement. La structure et le principe de fonctionnement de cet analyseur sont expliqués ici, à travers l'exemple d'un analyseur mesurant en continu ces hydrocarbures dans l'air ambiant.
Un exemple de la structure globale de l'analyseur est présenté à la figure 2. La flamme d'hydrogène du FID ionise la plupart des hydrocarbures présents dans l'échantillon gazeux. Afin de mesurer les gaz, le méthane, les hydrocarbures non méthaniques et les hydrocarbures totaux dans l'échantillon gazeux, l'analyseur FID d' HORIBA intègre une unité d'élimination des hydrocarbures non méthaniques utilisant une méthode de combustion sélective (coupe NMHC) et un purificateur de gaz zéro.
La séquence de commutation de ligne est A, C, B, C, etc.
Figure 2 : Structure et principe de fonctionnement d'un analyseur de gaz d'hydrocarbures totaux (THC)
Les hydrocarbures ont des températures de combustion différentes selon le nombre de carbones dans leurs molécules. Par exemple, la température de combustion du propane est inférieure à celle du méthane. En contrôlant la température de combustion selon cette caractéristique, tous les hydrocarbures non méthaniques présents dans l'échantillon de gaz sont brûlés pour générer un échantillon contenant uniquement du méthane pour les hydrocarbures. Cette méthode est appelée combustion sélective. Dans ce processus, il est important de contrôler la perte de méthane par combustion dans l'échantillon de gaz.
L'éliminateur de non-méthane (coupeur NMHC) dans l'analyseur utilise cette méthode.
Le gaz échantillonné s'écoule directement par la ligne A vers un détecteur d'hydrocarbures équipé d'un FID intégré, où la teneur totale en hydrocarbures est mesurée. Ensuite, les électrovannes commutent sur la ligne C, et un gaz exempt d'hydrocarbures est introduit dans le détecteur d'hydrocarbures (FID) comme gaz de comparaison du point zéro afin de réduire la dérive du point zéro (*). Ce gaz est produit en éliminant l'humidité, les hydrocarbures, etc., de l'air ambiant à l'aide d'un purificateur de gaz zéro.
Les électrovannes commutent ensuite sur la ligne B ; du gaz méthane pur est généré à partir du gaz d'échantillonnage par un séparateur NMHC et alimente le détecteur d'hydrocarbures (FID), puis le méthane est mesuré. Après la mesure du méthane, commutez sur la ligne C pour alimenter le détecteur d'hydrocarbures (FID) en gaz de comparaison du point zéro afin de réduire la dérive du point zéro (*).
Ainsi, les gaz sélectionnés sont introduits dans le détecteur d'hydrocarbures (FID) dans l'ordre des lignes A, C, B et C.
Les hydrocarbures non méthaniques sont calculés à partir de la différence de concentration entre l'hydrocarbure total et le méthane. (Lignes A, B)
De plus, ces gaz sont introduits dans la même cellule de réaction et détectés par le même détecteur grâce à la fonction de commutation de la vanne solénoïde. Cela signifie que les changements de sensibilité de la cellule de réaction et du détecteur au fil du temps, etc. sont également reflétés dans la détection de ces gaz, minimisant finalement la différence de sensibilité entre le THC et le CH4.
*) La dérive du point zéro est un décalage progressif du point zéro d'un analyseur dans une direction, dû à la température, au vieillissement ou à d'autres facteurs. L'utilisation d'un gaz de comparaison pour compenser une déviation du point zéro peut réduire son influence.
L'analyseur de gaz FID mesure le méthane, les hydrocarbures totaux et les hydrocarbures non méthaniques à partir d'une concentration connue de propane ou de méthane ionisé mesurée par une flamme d'hydrogène. Par exemple, si le taux d'ionisation du propane est identique pour les autres hydrocarbures, le FID peut mesurer avec précision n'importe quel hydrocarbure dans l'échantillon de gaz. Cependant, si le taux d'ionisation diffère d'un hydrocarbure à l'autre, la mesure sera influencée. Le taux d'ionisation varie en fonction de la structure de l'hydrocarbure (par exemple, doubles ou triples liaisons), de la présence ou de l'absence d'oxygène et d'autres facteurs.
Ainsi, la mesure de l'analyseur FID est influencée par le type et la concentration d'hydrocarbures contenus dans le gaz échantillonné. L'analyseur FID nécessite des mécanismes garantissant que les taux d'ionisation des hydrocarbures sont aussi uniformes que possible.
La mesure des hydrocarbures est influencée par la concentration en oxygène. C'est ce qu'on appelle l'interférence de l'oxygène.
Par exemple, l’oxygène présent dans le gaz échantillon provoque la combustion de certains hydrocarbures avant leur ionisation, ce qui modifie la quantité d’ionisation et influence la mesure.
HORIBA optimise les éléments suivants pour réduire l’influence des différences dans les taux d’ionisation des hydrocarbures et l’interférence de l’oxygène.
Un analyseur FID est principalement utilisé pour mesurer les hydrocarbures dans l'air ambiant. Les analyseurs FID et NDIR mesurent les hydrocarbures dans les gaz d'échappement conformément aux réglementations environnementales nationales et industrielles. NDIR ne nécessite pas de gaz utilitaires tels que le gaz combustible et FID peut mesurer plusieurs composants gazeux (THC, NMHC, CH4) simultanément.
L'analyseur de détection par ionisation de flamme à hydrogène (FID) est actif dans la mesure continue et la surveillance des émissions d'hydrocarbures provenant des mobilités et des usines qui conduisent à la formation d'ozone (O3), un composant majeur du smog photochimique, et à la formation de particules nocives. Il est également utilisé dans le développement de l'efficacité énergétique des mobilités et de l'efficacité de la combustion des moteurs.
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