Par Linlong Zhang, ingénieur d’applications (FAE), Analog Devices
Le présent article décrit les principes de fonctionnement et les composants d’un système de détection par chromatographie en phase gazeuse (CPG) destiné aux applications de surveillance de la qualité environnementale et explique comment la chromatographie en phase gazeuse permet d’analyser avec précision les composés liés à la contamination de l’eau et des sols. L’article présente les principaux composants d’un système de chromatographie en phase gazeuse, notamment les sous-systèmes d’arrivée d’air, de contrôle de la température, de détection et d’alimentation. Il propose également des recommandations concernant le choix d’amplificateurs à faible niveau de bruit (LNA), de convertisseurs analogique-numérique (CAN), de références de tension et de circuits intégrés de gestion de l’alimentation qui permettent d’effectuer des mesures de haute précision.
La surveillance des gaz d’échappement joue un rôle majeur dans la protection de l’environnement. La production de déchets industriels provoque la dispersion de certains composés organiques volatils (COV) dans l’air, ce qui a des répercussions sur l’environnement naturel et la santé humaine.
Si la surveillance attentive de l’environnement permet de réduire ces émissions, les détecteurs utilisés habituellement ne sont pas en mesure de répondre aux exigences actuelles de vitesse et de précision. Pour satisfaire à ces exigences de haute précision, les systèmes de surveillance environnementale doivent faire l’objet de perfectionnements.
Dans cet article, nous faisons un tour d’horizon des nouvelles technologies de chromatographie en phase gazeuse et des solutions disponibles.
Théorie de la chromatographie en phase gazeuse
Figure?1. Schéma d’un système de chromatographie en phase gazeuse
Un système de chromatographie en phase gazeuse se compose principalement de sous-systèmes d’arrivée de gaz, d’échantillonnage automatique, de séparation, de contrôle, de détection et de traitement des données. Le synoptique d’un système de chromatographie en phase gazeuse est représenté à la figure?1.
Le gaz porteur de la chromatographie en phase gazeuse correspond à la phase mobile, tandis que l’échantillon testé correspond à la phase stationnaire qui renferme un mélange solide et liquide. La phase stationnaire est séparée du mouvement d’écoulement du gaz pour quitter la colonne chromatographique. Elle pénètre ensuite dans le détecteur et génère un signal de courant ionique. Ces petits signaux sont réfléchis sur les différentes composantes du chromatogramme par amplification à une valeur appropriée sur un enregistreur. Le processus de séparation du mélange en deux échantillons séparés est illustré à la figure?2. Les couleurs verte et violette représentent deux échantillons différents, la couleur bleue correspondant au mélange.
Figure?2. Processus de séparation
Système de chromatographie en phase gazeuse
À propos de la figure?1, Analog Devices propose différents composants qui peuvent être utilisés dans la chaîne d’alimentation et de signal d’un système de chromatographie en phase gazeuse. Ces composants sont conçus pour répondre aux exigences du système et optimisés pour minimiser le niveau de consommation et de bruit.
Sous-système d’arrivée d’air
Une grande précision est indispensable pour contrôler avec exactitude le flux de gaz porteur qui traverse le système de détection pour séparer le mélange — une opération réalisée à l’aide d’un détecteur de gaz. Un détecteur de gaz possède diverses sorties telles qu’un signal de courant, une boucle de courant 4-20?mA, un signal de tension, etc. La figure?3 représente la chaîne de signal d’un système d’arrivée d’air.
Figure?3. Chaîne de signal d’un système d’arrivée d’air
- Signal de courant?: l’amplificateur opérationnel à courant de polarisation d’entrée de niveau femtoampère ADA4530-1 est utilisé pour convertir le courant en tension (I/V)?; il délivre des courants de polarisation d’entrée ultra-bas (de l’ordre du femtoampère) qui garantissent que les objectifs de performance précis sont atteints. Cet ampli-op se caractérise également par une tension de décalage peu élevée, une dérive de tension de décalage minime et un faible bruit de tension et de courant — des valeurs adaptées aux applications qui requièrent un niveau de fuites peu élevé.
Figure?4. Fiche technique de l’amplificateur-opérationnel ADA4530-1
Après conversion du signal de courant en signal de tension, le convertisseur analogique/numérique sigma-delta (?-?) 24?bits, 8/16?voies à 250?kMéch/s AD7175 est utilisé pour obtenir des résultats précis. Ce convertisseur analogique/numérique ?-? à faible bruit, stabilisation rapide, multiplexé, à 8/16?voies (entièrement/pseudo-différentielles) convient aux entrées à faible bande passante.
- Échantillonnage de signaux 4-20?mA?: le convertisseur analogique/numérique AD4111 représente une solution idéale pour échantillonner les valeurs relevées par les détecteurs d’air transmises par un signal à 4-20?mA, car il affiche un degré élevé d’appairage entre voies grâce aux résistances de détection intégrées utilisées pour échantillonner le courant et la tension. Ce convertisseur analogique/numérique ?-? 24?bits basse consommation et faible bruit intègre un frontal analogique (AFE) pour entrées de tension ±10?V bipolaires, haute impédance (?1?M?), entièrement différentielles ou asymétriques, et pour entrées de courant comprises entre 0 et 20?mA. Ce convertisseur intègre également des blocs de conditionnement de signal analogique et numérique pour créer huit configurations individuelles pour chaque voie d’entrée analogique utilisée. Sa vitesse de balayage maximale est de 6,21?kéch/s (161?µs) pour des données entièrement stabilisées?; il possède également une fonction hors pair de détection de fils déconnectés sur les entrées de tension pour les diagnostics au niveau du système sous une tension d’alimentation unique de 5?V ou 3,3?V.
- Signal de tension?: si un convertisseur analogique/numérique externe haute résolution est utilisé, les composants de la série ADR4xxx (ADR4525/ADR4530) peuvent appliquer une tension de référence haute précision au convertisseur. Une autre solution peu coûteuse consiste à utiliser le convertisseur analogique/numérique interne du microcontrôleur pour effectuer l’échantillonnage, mais potentiellement aux dépens de la précision de la mesure.
Sous-système de contrôle de la température
La température est contrôlée par un système en boucle fermée?: le modulateur LT1241 est utilisé pour piloter un pont MOSFET fonctionnant en modulation en largeur d’impulsion (MLI) comme refroidisseur thermoélectrique (TEC) pour contrôler le refroidisseur thermique, tandis qu’un détecteur de température à résistance (RTD) lit la température et se connecte au convertisseur analogique/numérique ?-? faible bruit et basse consommation AD7124, un composant tout particulièrement adapté aux applications de mesure de la température. Pour améliorer la précision de l’acquisition de température, il peut être associé à un thermocouple bifilaire?; il est en outre optimisé pour une configuration RTD à 3?fils afin de répondre aux différentes attentes des clients.
L’ADN8835 qui intègre le contrôleur TEC est également disponible. Le synoptique du système de contrôle de la température est illustré à la figure?5 ci-dessous?:
Figure?5. Chaîne de signal d’un système de contrôle de la température
Sous-système de détection
Enfin, le système de détection est utilisé pour décrire le chromatogramme. Les capteurs de débit et de pression surveillent le mouvement du gaz porteur à différentes demandes d’échantillonnage?; c’est pourquoi nous avons choisi le convertisseur analogique/numérique ?-? AD7124 et le convertisseur analogique/numérique ?-? multivoies LTC2498.
Figure?6. Chaîne de signal d’un système de détection
Le signal du courant ionique, typiquement de l’ordre du picoampère, entre dans le détecteur?; l’ampli-op ADA4530-1 fonctionne comme un amplificateur électromètre, bénéficiant ainsi non seulement du faible courant de polarisation d’entrée, mais également des niveaux de bruit et de tension d’offset peu élevés. En outre, l’amplificateur opérationnel ADA4530-1 affiche un produit gain-bande de 2?MHz, de sorte que la résistance de contre-réaction du gain peut être très élevée, dans la mesure où la largeur de bande du signal est en principe inférieure à quelques kHz. Le montage en cascade d’amplis-op ADA4522-2 avec un amplificateur à faible bruit et dérive nulle comme deuxième étage d’amplification permet d’obtenir un gain suffisant pour la plage d’entrée du convertisseur analogique-numérique. L’ADA4522-2 est un ampli-op à dérive nulle (zero-drift), faible bruit, basse consommation, entrées à détection de masse et sortie rail à rail optimisé pour assurer une précision maximale dans différentes conditions de temps, de température, et de tension.
Sous-système d’alimentation
L’alimentation du système sous 24?Vcc est connectée à des convertisseurs abaisseurs (buck) pour alimenter l’amplificateur, le convertisseur analogique-numérique, le processeur, etc.
Le convertisseur continu-continu LT8471 et le régulateur LTM4655 sont des composants à sorties doubles avec tensions positives et négatives. Le LTM4655, qui inclut les contrôleurs, MOSFET de puissance, inductances et autres filtres dans la chaîne de signal, permet de simplifier la conception tout en assurant un haut niveau d’immunité aux interférences électromagnétiques (EMI).
Figure?7. Chaîne d’alimentation électrique du système
Conclusion
La chromatographie en phase gazeuse (CPG) joue un rôle important dans la surveillance des polluants et la protection de notre environnement. Elle peut également être intégrée à d’autres techniques telles que la chromatographie en phase liquide (CPL) pour mesurer et contrôler un plus grand nombre de substances. Afin de répondre aux besoins actuels et futurs, ADI propose une large gamme de solutions alliant faible bruit et haute précision qui satisfont aux exigences de ses clients et simplifient la conception de leurs systèmes.
Contrôle de la qualité de l’eau
Les eaux de surface et souterraines sont principalement contaminées par des composés tels que le nitrobenzène et des ions de métaux lourds. Une contamination dissoute subsiste en raison d’une transformation incomplète en phase de production industrielle, ce qui constitue une menace sérieuse pour la santé publique. La chromatographie en phase gazeuse permet de contrôler la contamination avec une précision élevée.
Surveillance des résidus de pesticides dans le sol
Dans le domaine agricole, les pesticides que les agriculteurs pulvérisent sur leurs cultures tuent les parasites, mais peuvent également nuire à la santé des personnes. La chromatographie en phase gazeuse analyse avec précision les ingrédients des pesticides.
De manière générale, la chromatographie en phase gazeuse peut être intégrée à d’autres techniques telles que la chromatographie en phase liquide pour mesurer un plus large éventail de substances. C’est pourquoi cette technique est largement utilisée dans la plupart des industries et des installations d’essai. Parallèlement, ADI propose des solutions destinées à la chaîne du signal qui allient faible bruit et haute précision en vue de simplifier la conception du système et d’assurer d’excellentes performances avec un haut niveau de résolution, de robustesse, etc.
À propos de l’auteur
Linlong Zhang est titulaire d’une maîtrise en conception de circuits intégrés obtenue en 2019 à l’Université technologique Nanyang de Singapour. Il a rejoint Analog Devices en 2019 en tant qu’ingénieur d’applications (Field Applications Engineer) spécialisé dans l’électronique grand public et la santé. Depuis 2022, il se concentre sur les clients multimarchés.
Source : com-trail.fr