C es dernières années, le grand public s'est familiarisé avec le dioxyde de carbone, gaz plus connu sous sa formule chimique CO2 ,àdéfaut de forcément savoir ce qui se cache derrière. Il y a notamment les grands raouts sur l'environnement, tels que la COP21 à Paris en 2015, pour réduire les émissions de ce gaz à effet de serre, ainsi que la prise en compte croissante de la qualité de l'air intérieur (QAI) pour le confort des personnes dans les bâtiments recevant du public –le CO 2 n'est d'ailleurs pas le seul composé traqué, on trouve également le formaldéhyde et le bisphénol.

Les applications industrielles de la mesure de CO2 couvrent les couveuses, les incubateurs, les serres de culture, l'agroalimentaire, la fabrication, le transport et l'utilisation du dioxyde de carbone, les applications de sécurité.

Le monde industriel, lui, n'a pas attendu ce phénomène pour utiliser le CO2 .« On le trouve aussi bien dans les couveuses, les incubateurs – il s'agit de simuler le corps humain pour la culture cellulaire – et les serres de culture – l'apport de CO 2 contribue à faire pousser les plantes –, que dans les brasseries,le stockage des fruits – il est utilisé pour optimiser leur maturation –, l'agroalimentaire. Par exemple, le CO2 injecté dans les emballages de viande permet de ralentir l'oxydation de la viande et/ou d'en assurer une couleur attirante pour le consommateur », liste Jean-François Bore, commercial chez Vaisala France.

Et il ne faut oublier ni la fabrication, le transport et l'utilisation du CO2, quelle que soit sa forme (gazeux, liquide, solide ou supercritique), ni les applications de sécurité. Le dioxyde de carbone étant un gaz incolore, inodore et plus lourd que l'air, une personne ne peut en effet entrer dans une serre de culture ou une cave d'affinage de fromages que si le seuil n'est pas dangereux pour elle. Pour bien comprendre les enjeux liés au CO2 sur la santé humaine, rappelons que le dioxyde de carbone, ou gaz carbonique, est présent dans l'atmosphère terrestre à une concentration de 403,64 parties par million en volume (ppmv),soit 0,04%, selon les derniers relevés du Earth System Research Laboratory de la National Oceanic & Atmospheric Administration (NOAA) américaine en octobre 2017. À titre indicatif, la concentration était de 401,57ppmv un an plus tôt.

Si le CO2 n'est pas chimiquement toxique,il s'avère dangereux,voire mortel, à partir de certaines concentrations dans l'air, à cause du risque d'asphyxie ou d'acidose (trouble de la régulation du pH sanguin d'origine respiratoire). Selon l'Institut national de recherche et de sécurité (INRS),la valeur limite d'exposition (VLE) est de 3% dans l'air sur une durée de 15 minutes, sachant que, au-delà de cette valeur, les effets sur la santé sont d'autant plus graves que la teneur en CO2 augmente: à 2%,l'amplitude respiratoire augmente; à 4%, la fréquence respiratoire s'accélère ; à 10%, des troubles visuels, des tremblements et des sueurs peuvent apparaître; à 15%, c'est la perte de connaissance brutale; et à 25%, un arrêt respiratoire entraîne le décès.

Sous l'impulsion de réglementations portant sur le confort des usagers dans les bâtiments, les secteurs du Chauffage, Ventilation, Climatisation (CVC) et de la qualité de l'air intérieur (QAI) sont devenus, ces dernières années, un marché en croissance pour les fabricants de solutions de mesure de CO2 .

Des marchés en forte croissance

Dans un rapport d'expertise collective en date de juillet 2013, l'Agence nationale de sécurité sanitaire de l'alimentation, de l'environnement et du travail (Anses) signale même que des études ont montré l'apparition d'une acidose respiratoire, premier effet critique du CO2 ,àpartir d'un niveau d'exposition de 1% (10000ppm) pendant au moins 30 min chez un adulte en bonne santé avec une charge physique modérée, voire un effet propre du CO 2 sur la performance psychomotrice (prise de décision, résolution de problèmes) de 22 sujets humains adultes à partir de 1000ppm. La norme NF EN 13779 «Ventilation dans les bâtiments non résidentiels - Exigences de performances pour les systèmes de ventilation et de conditionnement d'air», qui vient d'être remplacée par la norme NF EN 16798-3 « Performance énergétique des bâtiments - Ventilation des bâti-ments - Partie 3: pour bâtiments non résidentiels - Exigences de perfor-mances pour les systèmes de ventilation et de climatisation (Modules M5-1, M5-4)», mentionnait une valeur limite réglementaire indicative d'exposition moyenne sur 8 heures (VLEP 8 heures) de 5000ppm.

Comme nous l'évoquions en introduction et précédemment, la mesure de CO2 se retrouve dans un large éventail d'applications. Dans cet article, nous nous intéresserons plus particulièrement aux marchés du Chauffage,Ventilation, Climatisation (CVC) et de la qualité de l'air intérieur, autra-vers des différents types de solutions de mesure, à savoir les sondes et les transmetteurs, les enregis-treurs, les appareils portables et les modules OEM. Nous n'aborderons toutefois ni les détecteurs, ni les analyseurs de gaz,qui sont destinés à la sécurité des installations industrielles ou à l'optimi-sation des procédés de pétrole et de gaz. « Le marché de la mesure de CO 2 est en pleine mutation depuis des années, et il connaît une évolution digne des montagnes russes, surtout pour le segment des transmetteurs et des appareils portables, à cause notamment de choix politiques [voir encadré ci-dessous]. Le segment des modules pour les applications OEM, lui, est plus stable », constate Stéphane Coupeau, directeur général de TH Industrie, qui distribue en France le tchèque Comet System, l'allemand Diresen+Kern, le britannique Gas Sensing Solutions, le suédois SenseAir, et le suisse SGX Sensortech. Toutes les personnes interrogées s'accordent sur une croissance plus ou moins forte du marché.

« Dans le secteur du CVC, la progression (à deux chiffres) est constante depuis cinq, six ans, grâce notamment à la réglementation thermique RT2012. Même si elle n'impose aucune mesure,elle incite fortement les industriels à mettre en œuvre des capteurs de CO2 ou de pression. Il est vrai que le bâtiment se porte moins bien, mais il y a quand même la rénovation de tours à Paris et en Ile-de-France, par exemple », constate Bertram Walter, directeur commercial d'E+E Elektronik France. Et l'augmentation des volumes s'accompagne de la réduction du prix de vente,ce qui contribue à un plus grand déploiement.

« Les volumes de produits fabriqués augmentent chaque année, plus sur le segment de marché des mesures ambiantes que sur celui des mesures en gaine. L'efficacité énergétique étant très difficile à mesurer, les industriels sont motivés par le confort des usagers. La concentration en CO2 est en effet un très bon indicateur du nombre de personnes présentes dans une pièce, donc un paramètre important pour gérer la ventilation en conséquence », explique Jean-François Bore (Vaisala France). Ce que confirme d'ailleurs Cédric Develay, responsable administratif chez Rotronic France: « nous avons remarqué une hausse de la demande pour la mesure de CO 2 .Ilexiste une réelle demande, aujourd'hui accentuée par les législations en cours,notamment pour la surveillance dans les crèches et les écoles ».

Contrairement à ce que l'on pourrait croire, il n'existe qu'une seule (ou presque) technique de mesure mise en œuvre dans les sondes et les capteurs de CO2 ,àsavoir la spectrométrie infrarouge non dispersive (NDIR).

Même s'il n'existe pas de chiffres publics sur le seul marché de la mesure de CO 2 pour les applications de CVC et de QAI, on peut quand même se faire une (petite) idée de ce marché. Selon la société d'analyses britannique Technavio, le marché mondial des capteurs de CO2 afficherait un taux de croissance annuel moyen (CAGR) supérieur à 41% entre 2015 et 2019, l'un des principaux facteurs de cette crois-sance étant l'adoption accrue de capteurs avancés dans les applications de CVC. Et l'américain Navigant Research prévoit que le marché des capteurs pour la construction passerait de 313,2 millions de dollars en 2013 à 3,7 milliards de dollars en 2020, la part des capteurs de CO2 représentant environ 4M$ en 2020.

Installés dans les pièces pour la gestion de la ventilation et la surveillance de la qualité de l'air, les transmetteurs de CO2 en montage mural se distinguent par un design épuré, avec le choix entre des modèles sans afficheur, avec juste des Led de couleur, ou encore avec un écran, LCD dans l'immense majorité des cas.

Une seule technologie utilisée : la NDIR

Au vu du large éventail d'applications, on pourrait imaginer qu'il existe, sur le marché, plusieurs techniques de mesure du CO 2 mises en œuvre selon différentes situations. Pourtant, toutes les sondes reposent sur une seule et même technologie, contrairement aux autres grandeurs physiques. « Il s'agit de la spectrométrie infrarouge non dispersive (NDIR pour Non Dispersive Infrared ) : le principe de mesure repose sur l'absorbance atomique caractéristique du dioxyde de carbone à une longueur d'onde spécifique.En général,un capteur NDIR comporte une source infrarouge,un chemin optique,dans lequel le rayonnement infrarouge traverse le gaz et les molécules de CO2 absorbent plus ou moins le rayonnement,et un détecteur », rappelle Marc Albrecht, chef de produits chez ChauvinArnoux. C'est donc l'atténuation du rayonnement infrarouge qui est détectée, à partir de laquelle on peut déterminer la concentration de gaz.

Ce n'est pas tout à fait exact de dire que toutes les sondes du marché fonctionnent sur le principe NDIR. Il existerait bien une technologie à semiconducteur, moins chère et moins consommatrice en courant, mais sa sélectivité n'est pas suffisante. « Les capteurs de SGX Sensortech, eux, travaillent en CO2 équivalent,à partir de la mesure des composés organiques volatils (COV) dans l'air.Les capteurs reposant sur cette méthode sont sept fois moins chers que les capteurs NDIR, mais ils sont toutefois bien moins précis », explique Stéphane Coupeau (TH Industrie). En termes de performances métrologiques, la très grande majorité des appareils disponibles sur le marché affichent une étendue de mesure comprise entre 0 et 2000ppm ou 0 et 5000ppm. Ce sont donc les mêmes éléments sensibles, avec un étalonnage différent toutefois, qui sont mis en œuvre dans les sondes de CO2 destinées aux serres de culture (10000ppm), d'incubateurs (3 à 10%).

Certains capteurs peuvent même travailler à des concentrations encore plus fortes, à l'instar du FYA6 00 CO2 (0 à 25%) de l'allemandAhlborn, duT6615 (0 à 50 %) de Telaire, des IR11BR, IR15TT-R et IR21BR (0 à 100%) de SGX Sensortech, ainsi que des CozIR, MinIR et SprintIR (0 à 100%) de Gas Sensing Solutions. Du côté de l'incertitude de mesure, les valeurs minimales atteignent ± 30 ppm ou ± 3 % de la mesure, pour des étendues de mesure de 0 à 2000ppm. Comme pour toutes grandeurs physiques, la mesure de CO 2 peut être influencée par plusieurs paramètres. « Fort de notre expérience d'une dizaine d'années, nous tenons compte aujourd'hui des risques d'interférences de la température,de l'humidité relative et de la pression atmosphérique, pour compenser les mesures au plus près de la réalité », indique Philippe Guérin, responsable Thermographie, Température, Analytique chezTesto France.

Les fabricants ont ainsi ajouté la mé-thode de calibrage ABC, pour Auto Background Calibration. « La technique ABC impose que le capteur voie de l'air frais régulièrement (toutes les deux semaines, par exemple),pour qu'il puisse refaire son zéro.Les capteurs utilisant la méthode ABC sont moins chers que ceux reposant sur un autre mode d'étalonnage, mais la faille de cette technique est l'apparition d'une légère dérive des Led à filament dans le temps,donc d'une incertitude de mesure », estime Stéphane Coupeau (TH Industrie). Ce que confirme Bertram Walter (E+E Elektronik France) en ajoutant que « la compensation se faisant sur des suppositions, la logique ABC doit mémoriser les valeurs les plus basses, aux alentours de 400 ppm,pour se recalibrer. Mais, dans certains locaux mal ventilés, par exemple,la ligne de base ne peut pas descendre en dessous de 500 ppm, d'où le décalage des mesures ».

Différentes méthodes d'auto-vérification

Pour pallier les limitations de la logique ABC, les fabricants ont développé des solutions d'auto-vérification faisant intervenir deux sources différentes, deux détecteurs différents. Par exemple, l'autrichien E+E Elektronik a choisi de travailler avec deux longueurs d'onde différentes, l'une servant de référence et l'autre à la mesure proprement dite. « La mesure de CO 2 se fait à la longueur d'onde de 4,26 µm et la réfé-rence travaille à 3,9 µm, là où l'influence de l'air ambiant est moindre. Cette auto-vérification ne se fait pas d'une ma-nière continue, mais à chaque mesure.Cela engendre évidem-ment un surcoût,de par la présence d'un double récepteur,mais le capteur fonctionne quelles que soient les circonstances », insiste BertramWalter (E+E Elektronik France). Les capteurs d'autres fabricants intègrent deux sources infrarouges, dont une lampe de référence avec une émissivité connue. Même s'il y a là aussi un surcoût, du fait de la présence de deux lampes, ces capteurs sont plus précis et, surtout, ré-ajustables sans la présence d'air neuf. « Ce qui n'empêche pas de vérifier la lampe de référence. En complément de l'auto-vérification du système, nous préconisons toujours un étalonnage annuel auprès de laboratoires accrédités Cofrac en CO 2 », poursuit Stéphane Coupeau.

S'il existe un certain nombre de modèles dédiés à la mesure du CO 2 (transmetteurs, mais aussi appareils portables), il est possible de mesurer aussi la température et/ou l'humidité relative, voire la pression atmosphérique, les COV, le CO, la vitesse de l'air.

Pour Jean-François B o r e ( Va i s a l a France), « avec les modèles dotés d'une source et de deux récep-teurs,ou de deux sources et un seul récepteur, on ajoute surtout des sources de panne. Et en plus de perdre de leur intensité dans le temps, les lampes à filament chauffent, ce qui rend impossible des capteurs combinés (mesures de CO2 ,detempérature et/ou d'humidité relative).Nous avons développé la source émettrice Microglow et un récep-teur ajustable. » La source MicroGlow, basée sur la technologie Mems, se caractérise par une très faible consommation de courant, l'absence de chauffe et une intensité très stable dans le temps. Quant au détecteur ajustable, il s'agit en fait d'un interféromètre Fabry-Perot situé juste devant le détecteur. Les capteurs du finlandais alternent entre référence (longueur d'onde à 3,9µm, où il n'y a pas d'absorption) et mesure (à 4,26 µm), etc., « ce qui rend les capteurs opérationnels dès leur mise sous tension et très stables », affirme-t-il. Si un seul principe de mesure est mis en œuvre, les solutions de mesure du CO 2 se différencient toutefois par leur facteur de forme: on trouve ainsi aussi bien des transmetteurs pour montage mural ou en gaine, et des appareils portables que des enregistreurs, sans oublier les sondes et les modules pour les applications OEM. « Alors que nous ne proposions que deux ou trois modèles de transmetteurs au début, notre gamme couvre aujourd'hui plusieurs types d'applications, tels que des transmetteurs dans un boîtier blanc discret pour les bureaux – le modèle CF1 a été lancé il y a un an et demi –, des transmetteurs que l'on installe sur gaine et un modèle spécifique aux serres », énumère Cédric Develay (Rotronic France). À côté des transmetteurs, le fabricant suisse propose également des enregistreurs ( datalo ggers ) permettant d'assurer une surveillance en continu. Ils se présentent sous la forme d'un boîtier soit visible de loin pour une salle de classe ou de réunion, soit plus discret pour être posé sur un bureau.

Pour les appareils portables et les enregistreurs, les critères les plus importants restent la profondeur mémoire et l'autonomie. La majorité des appareils portables intègre une mémoire d'une dizaine de milliers de mesures et une autonomie de quelques heures en moyenne. Les enregistreurs, eux, disposent de jusqu'à 20 millions de mesures, pour une autonomie d'un an en moyenne.

Pour réaliser des mesures ponctuelles, les utilisateurs privilégieront plutôt un appareil portable. Marc Albrecht (Chauvin Arnoux), dont la société française a développé le transmetteur/enregistreur CA 1510 ( voir Mesures n° 872 ), identifie trois cas de figure pour faire des mesures à l'air ambiant avec un appareil portatif: « dans le cadre d'une évaluation en lien avec une conformité préconisée ou un niveau attendu – par exemple,évaluer le niveau de confort dans un cadre de mesure au poste de travail –, dans le cadre de mesures en parallèle de prélèvements de polluants afin d'identifier le niveau de renouvellement d'air et dans le cadre de contrôles in situ des mesures effectuées sur des installations fixes (par comparaison). » Dans les deux premiers cas, la corrélation de la mesure de CO 2 avec la température et l'humidité relative est à privilégier,car ces critères permettent de surveiller également le niveau de chauffe en lien avec les taux d'occupation.

Montage mural ou en gaine

En plus de Chauvin Arnoux et de Rotronic, d'autres fabricants ont eux aussi introduit de nouveaux modèles ces dernières années, à l'instar de l'allemand Testo avec son 160 IAQ. Signalons que le suisse Sensirion annonce sur son site internet la disponibilité prochaine d'un capteur OEM pour la mesure de CO2 . Évidemment, selon l'appareil, ce ne sont pas les mêmes caractéristiques qu'il faudra regarder de près. Pour les transmetteurs, comme on l'a évoqué précédemment, il existe deux types de modèles: ceux à montage mural et ceux qui s'installent directement dans une gaine. Les seconds sont réservés à la gestion de la ventilation, les premiers sont utilisés en gestion de la ventilation et en surveillance de la qualité de l'air.

Cette différence explique notamment pourquoi les fabricants proposent des transmetteurs à montage mural avec un design épuré, avec le choix entre des modèles sans afficheur, avec juste des Led de couleur pour indiquer si l'air ambiant est bon ou non, et, dans ce cas, les personnes dans la pièce en question doivent ouvrir les fenêtres pour renouveler avec de l'air frais, ou encore avec un écran, LCD dans l'immense majorité des cas. Même si l'on trouve aussi des modèles avec et sans écran, la question est moins importante pour les transmetteurs à montage en gaine. « Proposer la possibilité d'occulter l'affichage n'est pas anodin, car les personnes ont tendance à faire des interprétations à partir des valeurs lues et cela peut poser des problèmes », avance Philippe Guérin (Testo France). Pour Marc Albrecht (Chauvin Arnoux), « le CA 1510 permet d'afficher simultanément la température, l'humidité relative et la concentration en CO2 et propose une aide à l'interprétation du niveau de confort. Dans le mode 1D, on indique d'une manière visuelle (rétro-éclairage bicolore et pic-togrammes) le confinement élevé à partir d'une concentration intermédiaire de CO2 de 1 000 ppm et d'un seuil haut de 1 700 ppm. Dans le mode 3D, on indique la zone de confort optimale sur la base des critères hygrothermiques et de la concentration en CO2 ».

On comprend aisément tout l'intérêt de disposer d'un afficheur, et même d'un grand écran à 2 ou 3 lignes, lorsque le transmetteur permet de mesurer d'autres grandeurs physiques que le CO2 .S'il existe un certain nombre de modèles dédiés à la mesure du dioxyde de carbone, il est en effet possible de mesurer aussi la température et/ou l'humidité relative, voire la pression atmosphérique (Patm ), les COV, le monoxyde de carbone (CO), la vitesse de l'air. Il est vrai que nombre d'appareils multiparamètres sont des modèles portables. « Comme le prix des capteurs de température et d'humidité relative est très petit, cela ne pose aucun souci de les intégrer dans les transmetteurs. Mais les modèles ne mesurant que le CO2 trouvent leur utilité dans les salles de classe, par exemple, car elles sont déjà bien souvent équipées de transmetteurs de température et d'humidité relative », rappelle Stéphane Coupeau (TH Industrie).

Des transmetteurs de plus en plus connectés

Parmi les autres caractéristiques des transmetteurs, les utilisateurs doivent se renseigner sur le type de sorties dispo-nible. La grande majorité des modèles proposent une sortie analogique 0-10V (parfois aussi 0-5 V), associée assez souvent à une sortie 4-20mA et/ou des relais. « Si l'on retrouve le traditionnel 0-10 V dans près de 95 % des applications, nous proposons également des versions dotées d'interfaces RS-485 en protocole Modbus ou BACnet, et même des transmetteurs communiquant en sans-fil », précise Bertram Walter (E+E Elektronik France). Et Stéphane Coupeau (TH Industrie) de renchérir: « certains transmetteurs intègrent même maintenant un serveur web, ce qui leur permet de se connecter à un réseau Ethernet. Les industriels recherchent des solutions auto-nomes, faciles à installer et assurant un accès aisé aux données ». D'où également le développement en cours de produits compatibles avec les réseaux de type LoRa et Sigfox.

L'enregistreur 160 IAQ deTesto s'inscrit d'ailleurs parfaitement dans la tendance du sans-fil. « Son aspect novateur est préci-sément son mode de fonctionnement connecté via le Wi-Fi vers le cloud. Les utilisateurs sont ainsi en mesure de consulter les mesures, de recevoir des alarmes par courriels ou SMS et d'éditer un rapport, sans devoir se déplacer et même depuis n'importe où dans le monde. Il faut accompagner les entreprises et que les résultats soient simples à récupérer (sans analyse à faire) », confirme Philippe Guérin (Testo France). Pour Cédric Develay (Rotronic France), « les dernières améliorations ont plutôt porté sur l'adaptation de la mesure du CO 2 à notre RMS (Rotronic Monitoring System), qui permet de contrôler en temps réel tous les paramètres d'une ou plusieurs pièces, ou même sur différents sites. »

Si la question des sorties et autres interfaces de communication peut se poser pour les enregistreurs, les critères les plus importants restent toutefois la profondeur mémoire et l'autonomie, un paramètre encore plus essentiel pour les appareils portables.Les enregistreurs disposent de plusieurs dizaines de milliers de mesures,voire jusqu'à 20 millions de mesures (SD800 d'Extech Instruments du groupe américain Flir), pour une autonomie de 1 an en moyenne (10 ans pour le LGG43 du français Newsteo). La majorité des appareils portables, eux, intègrent une mémoire d'une dizaine de milliers de mesures (60 millions de mesures pour le 480 de Testo) et une autonomie de quelques heures en moyenne (57h pour l'AMI 310 et le HQ 210 du français Kimo Instruments, 80h pour leT7000 deTelaire, 200h pour le 435 deTesto).

Les fabricants de modules OEM,tels que Gas Sensing Solutions et SenseAir,pour-suivent par ailleurs le développement de capteurs très basse consommation (60µA pendant les quelques dizaines de secondes de la mesure), notamment pour répondre aux exigences du mar-ché des objets connectés. D'autres fabricants travaillent sur l'électronique et la partie algorithmique pour augmenter la durée de vie des piles pour les appareils portables. « Un autre axe de recherche à l'avenir serait le développement d'autres technologies de mesure, pour réduire encore la consommation et miniaturiser les capteurs. Même si les modèles actuels sont déjà com-pacts,ils ne le sont pas suffisamment pour être montés dans les systèmes d'éclairage en tant qu'interrupteurs », avance BertramWalter (E+E Elektronik France).