Qualité d'air intérieur (Partie 2) : Mesure de CO2

Dans le précédent article "Qualité d'air intérieur (Partie 1) : Introduction", nous nous sommes concentrés sur l'intérêt de mesurer la quantité de CO2 (et VOC).

Mesurer le CO2
Le CO2 peut se mesurer de deux façon différentes:

• Mesure optique (objet de cet article)
• Mesure de eCO2 (procédé algorithmique basé sur d'autres paramètres)

Le CO2 se mesure à l'aide d'un dispositif optique car le CO2 absorbe massivement le rayonnement à une longueur d'onde de 4.26µm, ce qu'aucun autre composé de l'air ne fait.

A 4.26µm, on est au delà de l'infrarouge (0.9µm pour les télécommandes).
En utilisant de dispositif émettant une lumière infrarouge d'un côté et en mesurant la quantité de lumière 4.26µm reçue à l'autre bout alors il est possible de déterminer la quantité de CO2 circulant entre les deux.
En effet:

• Plus il y a de CO2 et moins il y a de lumière 4.26µm  atteignant sur le capteur.
• Moins il y a de CO2 et plus il y a de lumière 4.26µm atteignant sur le capteur.

Un tel capteur utilise des filtres (filtre spectral) pour filtrer la lumière sur une longueur d'onde donnée. Etant donné qu'il y a peu de CO2 dans l'air (de l'ordre de 400 particules par millions), une autre mesure de référence est effectuée à 4µm (donc sans absorption spécifique). Cette mesure servira de point de comparaison pour la mesure 4.3µm (longueur d'onde sensible au CO2).

Le capteur SCD30 de Sensirion implémente ce principe de mesure.

Capteur SCD30 de Sensirion

Sa construction requière quand même des éléments optiques d'une grande précision, ce qui impacte le prix de façon conséquente puisqu'un tel capteur coûte environ 70 Eur TTC.
Le SCD30 offre cependant des caractéristiques très intéressantes:

• Logique 3.3V tolérant 5V
• Faible consommation (19mA)
• Excellente précision de +/- 30ppm + 3%
• Une durée de vie de 15 ans! Idéal pour les systèmes enfouis (air conditionnés)
• Interface: I2C avec support pour les plateformes Arduino.

Calibration d'un capteur CO2
Il est nécessaire de faire une calibration du capteur CO2 une fois de temps en temps.
Pour faire une calibration, il est nécessaire de disposer d'une valeur de référence... mais où la trouver?

Référence de CO2
Et bien, ce n'est pas difficile, il suffit d'utiliser la valeur moyenne relevée au niveau de la mer. Cette valeur est stable et régulièrement publiée sur internet.
Par exemple, le graphique suivant reprend l'historique de variation du CO2, la valeur pour 407.4 ppm en 2018.
Exemple, voir cet article paru sur science et avenir.

Evolution de la quantité de CO2

Adapter la valeur avec l'altitude
A noter que la concentration ppm diminue avec l'altitude, de l'ordre de ~3% pour chaque augmentation d'altitude de 300m.

Trait d'humour: prendre de l'altitude (>300) permet donc d'éviter les problèmes de réchauffement climatique. Le taux de CO2 diminuant, il y aura moins de chaleur (infrarouge) renvoyé vers le sol :-)

Selon les bibliothèques disponibles il est possible de fournir la pression atmosphérique au pilote, ce qui permet d'améliorer la précision de la mesure. Cela n'est généralement pas important pour des mesures en intérieur... mais se révélera pertinent lors de mesure dans un environnement à forte variation de CO2.

Mesure d'étalonnage et valeur de correction
Pour faire une mesure d'étalonnage, il suffit d'exposer le capteur à l'air libre (dans un milieu non pollué). Le relevé devrait être de l'ordre de 400 ppm (407.4ppm connu en 2018).

Cela permettra d'étalonner votre capteur et de calculer la correction à appliquer si les lectures de votre capteur dévie beaucoup trop de 400ppm.

L'amplitude de cette correction permettra de faire des relevés homogènes en intérieur et entre différentes pièces (donc entre différents capteurs).

La correction ne doit pas être d'une précision absolue... car, comme nous le verrons ci-dessous, les différents niveaux de CO2 ayant un impact sur l'humain sont vraiment très différents.

Capteurs avec calibration automatique
A noter que certains capteur disposent d'une calibration automatique (ASC Field calibration algorithm ou automatic baseline correction). Cette calibration automatique nécessite généralement plusieurs jours de fonctionnement pour obtenir des valeurs correctes.

Valeurs de CO2 et impact sur l'humain
Dans le précédent article, nous avions vu que le taux d'oxygène avait un impact sur sur corps humain. Mais comme il est difficile de mesurer le taux d'O2, la méthode indirecte relevant le taux de CO2 permet de se faire une idée du taux d'oxygène restant (puisque plus il y a du CO2, moins il y a d'oxygène).

Le tableau suivant fait un relevé du CO2 et son impact sur le corps humain:

• 250 à 350ppm : concentration normale de l'air ambiant en extérieur.
• 350 à 1000ppm : valeur typique en intérieur dans une pièce occupée et disposant d'une ventilation correcte.
• 1000 à 2000ppm : Air pauvre, somnolence.
• 2000 à 5000ppm : Mal de tête, endormissement, perte d'attention, augmentation du rythme cardiaque, parfois nauséeux. Manque de ventilation.
• 5000ppm : exposition maximale autorisée dans la réglementation du travail dans la plupart des pays.
• >40.000ppm : sérieux manque d'oxygène pouvant provoquer des dommages permanents au cerveau, coma et mort

Dans le prochain article nous aurons l'occasion d'aborder la mesure des gaz VOC (Composés Organiques Volatiles) qui sont souvent mesurés en même temps que le CO2.