Oxymètre - Définition
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Introduction
Un oxymètre est un appareil permettant la mesure de la concentration en oxygène moléculaire dans un mélange gazeux ou dans un liquide.
Ce type de mesure est utilisé par exemple en laboratoire (analyses physico-chimiques...) et dans l'industrie, pour la protection de personnes et le contrôle de processus. Les oxymètres sont aussi présents dans de nombreuses activités de loisirs telles la plongée sous-marine et l'aquariophilie.
Le contrôle du taux d'oxygène (O2) est par ailleurs un paramètre important du réglage des moteurs à combustion interne. Aussi retrouve-t-on des sondes à oxygène (sondes lambda) sur la plupart des moteurs modernes. Les informations issues de ces sondes sont utilisées par les boîtiers de contrôle moteur pour piloter au mieux l'injection de carburant et la combustion.
Principes de mesure
La diversité des applications entraîne l'utilisation de principes variés pour mesurer le taux d'oxygène.
Oxymètre paramagnétique
Ce type d'appareil utilise les propriétés magnétiques de l'oxygène. Ce sont en général des appareils coûteux et encombrants réservés à l'usage en laboratoire.
Oxymètre à pile à combustible
Ce type d'appareil utilise une pile à combustible utilisant l'oxygène du mélange à mesurer comme l'un des constituants de la pile. Ce principe est généralement bien adapté à la réalisation d'appareils de mesure de terrain, légers (moins d'un kilogramme) et peu coûteux.
Une pile à oxygène est alors incorporée dans une sonde, souvent dotée de composants additionnels (thermistances, réseau de compensation) qui lui assurent une réponse indépendante de la température. L'intégration du capteur et des composants de compensation dans un boîtier compact assure une température constante pour tous ces composants, ce qui permet de délivrer une tension proportionnelle au taux d'oxygène du mélange.
À partir de là, la mesure du taux d'oxygène revient à mesurer une tension.
Dans la pratique, les choses sont un tout petit plus complexes :
- la sonde n'a pas une réponse constante dans le temps, le capteur fonctionnant sur le principe d'une pile, il est sensible à la consommation de ses constituants ;
- deux sondes du même modèle peuvent présenter une dispersion des tensions de sorties due aux tolérances de fabrication ;
- la mesure peut être influencé par l'environnement (température, humidité...).
Cela oblige à rajouter un système de calibration qui va permettre de régler l'appareil, en se basant sur un gaz de référence. Souvent ce type d'appareil requiert une calibration avant chaque série de mesure.
De plus la gamme des tensions de sortie de la pile n'est en général pas utilisable pour un affichage direct. Il faut donc utiliser un système permettant de transposer la tension du capteur en une lecture utilisable (généralement un pourcentage). La linéarité de ce type de capteurs permet souvent d'utiliser pour la calibration et la transposition de la mesure un simple amplificateur ou un millivoltmètre à échelle ajustable.
Ce qui nous amène au schéma général suivant :
Oxymètre ampèremétrique
Les oxymètres ampèremétriques utilisent la variation de conductibilité d'une céramique poreuse à base d'oxyde de zirconium (ZrO2) traversée par un flux d'oxygène. Le courant est directement fonction du nombre de molécules d'oxygène qui traversent la barrière de diffusion constituée par l'électrode, et de la géométrie du canal d'amenée des gaz.
Ce type d'appareil est généralement conçu pour fonctionner dans une plage de températures élevées, ce qui l'indique particulièrement pour les mesures sur les gaz chauds, en particulier les échappements de moteurs thermiques.
Ces capteurs sont connus dans l'automobile sous le nom de « sondes lambda ».
Oxymètre optique par luminescence
Ce procédé révolutionnaire appelé opto-luminescence permet de s'affranchir de tout besoin de calibration et de changement de membranes par rapport à des technologies classiques développées dans les années 50. Le principe de mesure repose sur l'excitation de molécules photosensibles situées sur un support inerte par une lumière bleue. Le complexe réagit en émettant de la lumière rouge (phénomène appelé luminescence). On mesure alors le déphasage entre la lumière bleue et rouge, celle-ci étant proportionnelle à la concentration en oxygène dans le milieu.
Les principaux avantages de cette technologie repose sur la non consommation d'oxygène ce qui fait de cette technique la méthode de référence pour la mesure de très faible taux d'oxygène ou pour des milieux stagnants. Les deux principales sociétés maitrisant cette technologie sont PONSEL en France avec sa technologie ODO et HACH LANGE en Allemagne avec sa technologie LDO.
Oxymétrie colorimétrique (médecine)
L'oxymétrie colorimétrique permet de déterminer le contenu du sang en oxygène (saturation) grâce a sa variation de couleur.
Oxymètre à capteur à diffusion électrochimique
Ce type, compact et bon marché, est couramment utilisé en laboratoire ou dans l'industrie, par exemple.
