Les capteurs au service du développement durable : une surveillance environnementale pour un avenir plus vert

En matière de surveillance environnementale, les capteurs jouent un rôle essentiel afin de nous permettre d’évoluer vers un avenir plus durable. La crise climatique est aggravée par l’augmentation de la consommation d’énergie au niveau mondial, les processus de fabrication énergivores, les gaz à effet de serre produits par les appareils électroménagers, ou encore les pratiques agricoles extensives telles que l’élevage et la combustion des résidus de cultures. Tous ces facteurs entraînent une augmentation des émissions de CO₂ dans l’environnement, ce qui affecte notre qualité de vie. De nombreux types de capteurs, dotés de fonctions diverses et variées, jouent un rôle essentiel dans la collecte de données précises et fiables sur plusieurs aspects de l’environnement. Les capteurs sont des outils indispensables pour évaluer la qualité de l’air et de l’eau, l’état du sol, et même les conditions climatiques. Les capteurs de pointe permettent de collecter ces données en temps réel de façon précise et efficace. Cet article explique en détail les solutions de détection nécessaires à la surveillance environnementale. Ces solutions évaluent les gaz à effet de serre dans l’environnement intérieur, les terres agricoles et l’élevage pour un environnement plus vert.

Nécessité de la détection des gaz à effet de serre émis par les appareils électroménagers

Les gaz à effet de serre sont catégorisés selon un indice : le potentiel de réchauffement global (PRG). Le PRG mesure l’impact potentiel des gaz à effet de serre dans l’atmosphère, exprimé sous la forme d’un facteur par rapport au CO₂, le gaz de référence. La réduction des émissions de gaz à effet de serre dans les environnements résidentiels joue un rôle important dans l’atténuation du dérèglement climatique mondial. Les appareils électroménagers intérieurs tels que les réfrigérateurs et les systèmes CVC (chauffage, ventilation et climatisation) sont des sources importantes de gaz à effet de serre. Les secteurs de la réfrigération et du CVC grand public doivent concentrer leurs efforts sur la réduction des émissions de gaz à effet de serre et le développement durable.

Les capteurs de dioxyde de carbone (CO₂), qui fonctionnent sur le principe de la spectroscopie photoacoustique (PAS), sont capables de détecter les gaz à effet de serre tels que le méthane, le propane, le R-32, le R454B, etc.

Principe de la spectroscopie photoacoustique (PAS)

En spectroscopie photoacoustique (PAS), une lumière émise par une source infrarouge sous forme d’impulsions passe à travers un filtre optique réglé sur la longueur d’onde d’absorption du gaz mesuré. Les molécules de gaz situées à l’intérieur de la chambre de mesure absorbent la lumière filtrée à chaque impulsion, ce qui les fait vibrer et produire une onde de pression. Ce phénomène est appelé « effet photoacoustique ». Un détecteur acoustique, optimisé pour un fonctionnement à basse fréquence, détecte le changement de pression généré, et le microcontrôleur convertit la sortie en valeur de concentration du gaz. La chambre d’absorption est dotée d’une isolation acoustique qui l’isole du bruit extérieur afin d’obtenir des données de détection de gaz précises.

Figure 1 : Technologie de spectroscopie photoacoustique (Source)

Différents secteurs et applications ont recours à la technologie de spectroscopie photoacoustique (voir la figure 1), en particulier pour détecter les fuites de réfrigérant. Sa sensibilité et sa sélectivité élevées permettent de détecter les concentrations infimes des gaz cibles, et ainsi de différencier les différents réfrigérants. Une spécificité qui permet de distinguer les fuites de réfrigérant des autres gaz présents dans l’environnement. En outre, la technologie PAS permet la surveillance en temps réel avec une large plage de détection.

Capteur de CO₂ PAS Infineon XENSIVTM

Le capteur de CO₂ XENSIVTM d’Infineon, très précis et compact, est doté de capacités CMS, ce qui en fait le modèle idéal pour les solutions de surveillance de la qualité de l’air intérieur, les appareils CVC, les appareils IoT domestiques intelligents, l’agriculture et les serres, et les unités de surveillance de la qualité de l’air à l’intérieur des habitacles.

Figure 2 : PASCO₂V019 (Source)

Figure 3 : Schéma fonctionnel du capteur de CO₂ PAS (Source)

Le capteur est doté d’un microphone MEMS optimisé pour le fonctionnement à basse fréquence et qui lui permet de détecter le changement de pression généré par les molécules de CO₂ dans sa cavité, comme illustré à la figure 3. La lecture directe des valeurs en ppm, le conditionnement en ruban, la capacité CMS et la conception simple du capteur XENSIVTM assurent une intégration simple et rapide dans les systèmes des clients pour les applications à faible et grand volume.

Figure 4 : Exemple de système CVC d’intérieur doté d’un capteur de CO₂ chargé de surveiller la qualité de l’air dans une pièce (Source)

La figure 4 montre une unité CVC intérieure dotée d’un capteur de CO₂. La ventilation de la pièce est régulable à l’aide de l’unité CVC. Pour assurer une telle régulation, un microcontrôleur produit un signal d’E/S qui, à son tour, entraîne l’activation d’un ventilateur intérieur afin d’abaisser le niveau de CO₂ dans la pièce. C’est ainsi que le système CVC maintient une qualité d’air acceptable dans l’espace surveillé.

Figure 5 : Illustration de la surveillance du niveau de CO₂ dans un espace résidentiel de 26 pieds x 21 pieds, avec 1 occupant (Source)

La figure 5 illustre un cas de surveillance du niveau de CO₂ dans un espace mal ventilé avec le système de climatisation éteint. Au cours de la journée, avec un seul occupant présent et la porte du patio ouverte (premier plongeon de la courbe), le niveau de CO₂ a fortement baissé. L’occupant est resté à environ 1 à 2 pieds du capteur, assis devant un ordinateur portable avec une respiration régulière. La dernière partie de la courbe reflète le départ de la personne de l’espace clos, qui se traduit par une baisse de la courbe, alors que la qualité de l’air dans la pièce, qui contenait un niveau élevé de CO₂, s’améliore (en vert).

Les relevés ont été effectués toutes les minutes, suivis par une mise à jour rapide du graphique pour refléter les changements de concentration de CO₂. Ce type de surveillance est essentiel dans les petits environnements affichant un taux d’occupation élevé, car il montre clairement la nécessité d’améliorer la circulation de l’air.

Améliorer la qualité de l’air dans les infrastructures intérieures grâce à la détection des composés organiques volatils totaux (COV totaux)

Les composés organiques volatils (COV) sont les principaux facteurs d’une mauvaise qualité de l’air intérieur. Les capteurs surveillent les polluants tels que les détergents, les parfums, les ingrédients de cuisson, etc., dans les endroits sensibles comme les écoles, les bâtiments publics et les maisons.

Figure 6 : Sources de COV totaux à l’intérieur d’une maison (Source)

La figure 6 répertorie les sources de composés organiques volatils. En fonction de la décoration intérieure et des modes de vie, une pièce peut être contaminée par différents composés organiques à la fois. Les risques pour la santé associés à l’exposition aux COV dépendent des niveaux de concentration de ces composés. C’est pourquoi il est essentiel d’utiliser des instruments fiables et sensibles pour détecter leurs concentrations.

Compact et facile à mettre en œuvre, le capteur de gaz ZMOD4410 de Renesas est particulièrement adapté à la surveillance des niveaux de COV totaux à divers endroits pendant toute la durée de vie du produit.

Évaluer la concentration de COV dans un environnement intérieur à l’aide d’un capteur de qualité de l’air intérieur (QAI)

Figure 7 : ZMOD4410 (Source)

Le module de détection de gaz Renesas ZMOD4410 surveille la qualité de l’air intérieur (QAI) en détectant les COV totaux. Il peut estimer les niveaux de CO₂ en s’appuyant sur le fait que le gaz est plus facile à détecter que les COV totaux. Le module de détection est capable d’estimer de manière fiable la corrélation entre les concentrations de COV et de CO₂ dans les environnements intérieurs. Le module peut fonctionner efficacement dans diverses conditions, y compris dans des applications humides et poussiéreuses soumises à des projections d’eau, à la condensation ou à l’immersion. L’élément de détection consiste en une microplaque chauffante à base de Si dotée d’un capteur chimique en oxyde métallique (MOx) résistant aux agents chimiques, robuste et très sensible.

Les capteurs de COV totaux à base de MOx mesurent la concentration de COV totaux et utilisent ces données pour estimer la concentration de CO₂ (eCO₂) générée par l’homme. L’équation 1 montre la constante de proportionnalité.

eCO₂=a*b+COV totaux -------- Équation 1

où b est le rapport entre le CO₂ généré par l’homme et les COV totaux, et a est un décalage constant.

Des limites spécifiques ont été établies afin d’augmenter la précision de la concentration de CO₂ estimée, la concentration minimale correspondant à la concentration de CO₂ atmosphérique terrestre, soit environ 400ppm. Les concentrations intérieures doivent se situer autour de cette valeur. Il est peu probable que les concentrations maximales dépassent 5 000ppm dans des environnements intérieurs ou résidentiels.

Figure 8 : Exemple de mesure des COV totaux et de l’eCO₂ dans une cuisine (Source)

La figure 8 montre une série de mesures prises dans une cuisine pendant plus d’une heure. Au début de la capture des données, lorsque des personnes entrent et sortent de la cuisine, les niveaux de COV totaux (axe des ordonnées, en mg/m3) et d’eCO₂ (axe des ordonnées, en ppm) augmentent en raison de l’activité respiratoire humaine ou de la libération de CO₂. Cependant, pendant la cuisson, seul le niveau de COV totaux augmente en raison des odeurs de cuisine, tandis que le niveau d’eCO₂ reste constant.

Des capteurs au service de pratiques agricoles durables

En raison de leurs impacts négatifs sur l’environnement, les agriculteurs sont de plus en plus sommés d’abandonner les techniques agricoles traditionnelles telles que la combustion des résidus de cultures et le labour intensif. C’est également le cas de l’élevage du bétail, qui entraîne la production de méthane (CH4) due à la fermentation entérique (processus digestifs) et à la gestion du fumier, ce qui augmente davantage les préoccupations en matière d’environnement. Les capteurs conçus pour favoriser une agriculture durable apportent des solutions technologiques visant à accroître la productivité et garantir un fonctionnement plus économique en réduisant les sous-produits agricoles ayant un potentiel de réchauffement global. Par exemple, ces capteurs préviennent les maladies et améliorent la santé du cheptel en surveillant de près l’état de santé des animaux et en ajustant leur nutrition en conséquence. Ils surveillent également l’état du sol afin de permettre une application ciblée de pesticides et d’engrais.

Figure 8 : Capteur intelligent NTAG (Source)

Les capteurs NTAG SmartSensor de NXP fournissent des informations sur le bien-être des animaux, l’état du sol, les conditions de croissance optimisées, etc. Le circuit du NHS3152, l’un des modèles de la gamme NTAG SmartSensor, est optimisé pour la surveillance et l’enregistrement de l’observance thérapeutique. Il est doté d’une interface NFC intégrée, d’un capteur de température interne et d’une connexion directe à la batterie. Le tout forme une solution système efficace avec un minimum de composants externes et une mise en œuvre à couche unique pour le suivi de l’utilisation des traitements. Il fonctionne sur batterie ou via NFC. Il contient de nombreuses fonctionnalités telles que des modes de mise hors tension et une fréquence de processeur sélectionnable de 8MHz maximum pour une consommation ultra-faible.

Element14 a noué des partenariats avec des fabricants qui proposent toute une variété de capteurs d’environnement et d’accessoires connexes tels que des capteurs de gaz, des capteurs d’humidité, des capteurs de pH, des capteurs de qualité de l’air, des capteurs de température, ou encore des capteurs de COV totaux

Conclusion

Les technologies de détection possèdent un immense potentiel d’aide à la réduction des impacts environnementaux pour un avenir durable. Les détecteurs tels que les capteurs de CO₂ et les capteurs de COV totaux aident à maintenir une bonne qualité de l’air intérieur en surveillant la libération de gaz à effet de serre par les appareils électroménagers. Ils s’avèrent absolument essentiels pour un environnement habitable. De la même façon, l’utilisation de capteurs pour déterminer la quantité adéquate d’engrais requise dans l’agriculture et la gestion du bétail permet de réduire les sous-produits dangereux liés au secteur agricole. En adoptant et en faisant la promotion des technologies vertes, nous pouvons limiter les émissions de CO₂ et améliorer la qualité de notre environnement.