Comment mesurer le CO2 ?

Loi De Beer-Lambert

Pierre Bouguer (1698 - 1758) a observé, en regardant du vin rouge, que la lumière pénétrant dans le vin rouge était affaiblie. Plus la quantité de vin rouge que la lumière doit traverser est importante, plus l'atténuation est grande. Mais plus le vin rouge est concentré, plus l'atténuation est importante.

Bien que Pierre Bouguer l'ait découverte, la loi est souvent attribuée à Johann Heinrich Lambert (1728-1777) car il y fait référence dans son livre Photometria de 1760. En 1852, August Beer (1825 - 1863) a découvert une autre relation d'affaiblissement, de sorte que la loi est finalement devenue la loi de Beer-Lambert (mais parfois aussi appelée loi de Lambert-Beer ou loi de Beer-Lambert-Bouguer).

La loi de Beer-Lambert peut être "facilement" démontrée avec une lumière laser verte dans une solution de Rhodamine 6B. Dans les images ci-dessous, vous pouvez voir que le faisceau lumineux s'affaiblit à mesure qu'il traverse plus de liquide. Le liquide absorbe la lumière.

La figure ci-dessous montre la même chose mais avec trois concentrations différentes. Plus la concentration est élevée, plus la lumière a du mal à passer (absorption plus importante de la lumière).

Une absorption similaire se produit avec les gaz. Seulement nous devons utiliser la lumière que nous ne pouvons pas voir.

Dans la figure ci-dessous, vous pouvez voir que la lumière d'une longueur d'onde de 4,26 um est absorbée par le CO2 (pour votre information : la lumière visible se situe entre 0,38 et 0,7 um, nous ne pouvons donc pas voir cela).

Dans la figure suivante, vous pouvez voir que la partie infrarouge se situe entre 0,7 um et 1 mm (1000 um) de longueur d'onde.

Principe de mesure du capteur de CO2

Avec l'explication ci-dessus, nous avons pris un bon départ. Nous pouvons mesurer le CO2 au moyen de la lumière. Il est vrai que la lumière est invisible pour les humains.

En envoyant de la lumière (infrarouge) sur un gaz (dans notre cas, l'air) et en observant la quantité de cette lumière reçue de l'autre côté, nous pouvons déterminer la quantité de CO2 présente dans l'air. Plus il y a de CO2, plus la lumière infrarouge sera absorbée, et donc moins nous recevrons de lumière infrarouge. La perte de lumière est donc une mesure de la quantité de CO2.

Vous trouverez ci-dessous une représentation simple d'un capteur de CO2. Les parties les plus importantes sont :

• Lampe à infrarouge
• chambre à échantillon ou tube lumineux
• filtre de lumière
• détecteur infrarouge

La lumière infrarouge passe à travers la chambre d'échantillon jusqu'au détecteur. Le CO2 présent dans la chambre à échantillon absorbe la lumière infrarouge de sorte que toute la lumière n'atteint pas le détecteur. Moins il y a de lumière, plus il y a de CO2.

Qu'est-ce que le filtre optique fait là ?
La source de lumière n'est pas idéale. Il n'émet pas exactement une lumière de 4,26 um. En outre, le détecteur ne sera pas parfait. Il ne répondra pas seulement à la lumière de 4,26 um. La source lumineuse émet également d'autres lumières (qui peuvent être absorbées ou non par d'autres gaz présents dans l'air) auxquelles le capteur de lumière réagit. Cependant, cette réaction n'est pas correcte car il ne s'agit pas de CO2. Vous pourriez lire une valeur de CO2 erronée. Le filtre optique résout ce problème. Ce filtre ne laisse passer que la lumière de 4,26 um. Ainsi, même si la lumière infrarouge n'est pas parfaite, le filtre arrêtera cette lumière. Et même si le détecteur n'est pas parfait, le filtre veillera à ce que seule la bonne lumière passe. Il est également plus facile de fabriquer un filtre optique "parfait" que de fabriquer une source de lumière ou un détecteur de lumière "parfait".

Habituellement, l'entrée et la sortie de la chambre à échantillon sont fermées par une membrane. Sur nos capteurs, ce sont les carrés blancs. Ceci afin d'empêcher la saleté, la poussière ou l'humidité de pénétrer dans la chambre à échantillon.

Étalonnage

Nous mesurons donc la quantité de lumière qui tombe sur le détecteur pour déterminer la quantité de CO2 présente. Mais que faire si la lampe commence à brûler moins ? Toute lampe n'émet-elle pas moins de lumière en vieillissant ? Notre détecteur donnera-t-il alors une valeur erronée ?

Oui, c'est possible et la seule façon de résoudre ce problème est de calibrer le capteur de CO2. L'étalonnage consiste à placer le capteur dans un environnement connu. Où l'on sait exactement quelle quantité de CO2 est présente. En général, cette valeur est de 400 ppm. Une fois que vous êtes dans cet environnement connu, vous lisez le capteur. Vous vous attendez à ce que le capteur donne une valeur de 400 ppm. Mais supposons qu'il donne une valeur de 450 ppm. Cela peut être un signe que la source de lumière est affaiblie et que le détecteur reçoit moins de lumière. Ce n'est pas parce qu'il y a 450 ppm de CO2. Le détecteur fonctionne toujours correctement mais il reçoit simplement moins de lumière car la source lumineuse a été affaiblie.

Pour compenser la source de lumière plus faible, nous calibrons. D'après la mesure ci-dessus (valeur mesurée de 450 ppm mais l'environnement est de 400 ppm), nous concluons que la valeur ppm donnée par notre capteur est toujours 50 ppm trop élevée. Ainsi, si notre capteur indique 450 ppm, nous soustrayons 50 ppm et nous obtenons la valeur réelle. Si notre capteur indique 800 ppm, nous soustrayons également 50 ppm et nous savons que la valeur réelle est de 750 ppm. Nous avons compensé l'affaiblissement de la source lumineuse.

Tout ceci est bien sûr corrigé en interne, dans le capteur. La valeur lue à l'écran est donc déjà la valeur corrigée.

Devons-nous calibrer notre capteur de CO2 maintenant ?
Non, le capteur de CO2 le fait automatiquement. Le capteur de CO2 mesure 24 heures sur 24, et enregistre toujours la valeur la plus basse qu'il mesure. Après une semaine, il prend la valeur la plus basse et la fixe à 400 ppm.

Pourquoi ?
Le capteur suppose que, pendant une semaine, il y a eu au moins un moment où personne n'était présent dans la pièce (dans les écoles, on peut supposer que personne n'est présent la nuit ou pendant le week-end). Dans une pièce vide, la valeur du CO2 doit être égale à 400 ppm. Ainsi, si le capteur a mesuré 450 ppm comme valeur la plus basse de la semaine, il supposera qu'il mesure systématiquement 50 ppm de trop et corrigera automatiquement en interne.

Vous trouverez ci-dessous une mesure du CO2 pendant 24 heures. Notez que pendant la nuit, la valeur tombe à 400 ppm.

Le principe ci-dessus ne fonctionne évidemment que s'il existe une situation régulière où la valeur ppm du CO2 peut baisser suffisamment. Par exemple, dans les environnements où des personnes sont constamment présentes (y compris la nuit) ou dans les environnements où la valeur de CO2 ne descend pratiquement jamais à 400 ppm (par exemple, un parking souterrain), d'autres capteurs de CO2 doivent être utilisés. qui en tiennent compte. Ou bien les capteurs doivent être régulièrement étalonnés manuellement.