Technologies de mesure de la qualité de l'air : techniques innovantes, tendances et évolutions futures

Mesure de la qualité de l'air au moyen de capteurs optiques

Les capteurs optiques sont souvent utilisés dans les appareils de mesure de l'air pour détecter certains gaz ou particules dans l'air. Cela se fait soit par mesure infrarouge, soit par mesure par fluorescence.

Ces valeurs mesurées peuvent notamment être déterminées par des capteurs optiques : particules fines (PM₁ – PM₂,₅ – PM₁₀), dioxyde de carbone (CO₂), oxygène (O₂), méthane (CH₄), protoxyde d'azote (N₂O).

Analyse de l'air par mesure infrarouge

Pour la mesure infrarouge, on utilise une LED infrarouge et un détecteur, séparés dans l'appareil de mesure de l'air par une paroi et qui ne se « voient » donc jamais directement. Le capteur infrarouge (également appelé capteur IR) utilise une lumière infrarouge, se situant en dehors du spectre lumineux visible, pour détecter les changements dans son environnement. 

Lorsqu'une particule apparaît dans la lumière de la LED, le détecteur perçoit un éclat et réagit aux rayons émis par l'émetteur (LED infrarouge). Le détecteur mesure la quantité de lumière infrarouge réfléchie, ou émise. Le principe repose sur l'absorption infrarouge. Certaines molécules absorbent des longueurs d'onde spécifiques du rayonnement infrarouge. Le détecteur détermine ensuite la quantité de lumière absorbée aux longueurs d'onde spécifiques.

Le capteur compte donc la fréquence des éclats lumineux. Pour une précision maximale, un second faisceau de mesure (capteur de réflexion) peut surveiller l'intensité de la LED infrarouge, c'est-à-dire sa luminosité. Le détecteur mesure ici le rayonnement réfléchi. Plus les éclats sont clairs, plus les particules correspondantes sont grosses. Plus les éclats apparaissent sombres, plus les particules sont petites. Les variations de l'intensité réfléchie indiquent donc la présence ou les propriétés des composants de l'air.

Analyse des polluants atmosphériques par fluorescence

Certaines substances peuvent fluorescer lorsqu'elles sont exposées à une lumière d'une certaine longueur d'onde, c'est-à-dire qu'elles émettent de la lumière d'une autre longueur d'onde. En mesurant l'intensité de la fluorescence, le capteur optique peut en déduire la concentration de ces substances. La fluorescence mesurée peut être utilisée pour diverses applications, y compris la détection de molécules, de biomarqueurs, de polluants environnementaux ou d'autres substances. L'intensité, la longueur d'onde et la durée de la fluorescence fournissent des informations sur la quantité, la concentration ou la cinétique de réaction des substances analysées.

Capteurs électrochimiques

Grâce à des capteurs résistifs, différents gaz peuvent être détectés et quantifiés. Pour cela, le capteur électrochimique se compose généralement de trois composants principaux : une électrode de travail, une électrode de référence et une contre-électrode. Les électrodes de travail et de référence sont intégrées dans un électrolyte qui favorise la conductivité ionique. Lorsque des particules du gaz atteignent le capteur, une réaction électrochimique spécifique au gaz à détecter s'y produit. Cette réaction modifie la concentration ionique dans l'électrolyte à proximité immédiate des électrodes de travail et de référence. Chaque fois que des particules correspondantes « s'arriment » à la surface du capteur, les substances provoquent un petit courant dans le capteur – un signal électrique mesurable.

L'avantage de ce type de capteurs est le calibrage individuel de la sensibilité : différents capteurs électrochimiques sont donc spécifiques à différents gaz, car les réactions électrochimiques dépendent du gaz. C'est pourquoi des capteurs spéciaux sont utilisés pour la détection du monoxyde de carbone, du dioxyde de soufre, du méthane et d'autres gaz. L'inconvénient des capteurs électrochimiques est une éventuelle sensibilité croisée avec d'autres gaz. Les capteurs concernés peuvent ainsi également réagir à d'autres gaz et s'activer en leur présence.

Ces valeurs mesurées peuvent notamment être déterminées par des capteurs électrochimiques : dioxyde de soufre (SO₂), composés organiques volatils (COV), ammoniac (NH₃), chlore / gaz chloré (Cl₂), dioxyde d'azote (NO₂), monoxyde de carbone (CO), ozone (O₃), formaldéhyde (CH₂O), sulfure d'hydrogène (H₂S), hydrogène (H₂).

Moisissure et pollen : les futures mesures de l'air avec l'IA 

Jusqu'à présent, les spores de moisissure ou le pollen ne peuvent pas être directement détectés à l'aide d'un appareil de mesure de l'air, car ils se distinguent difficilement d'autres particules comme la poussière. Actuellement, seules les conditions favorisant le développement de moisissures, comme une humidité de l'air trop élevée et un renouvellement d'air insuffisant, peuvent être détectées. À l'avenir, nous souhaitons changer cela grâce à une technologie innovante. Avec la TU Chemnitz, air-Q travaille donc sur une possibilité de mesurer la moisissure ainsi que le pollen. Pour cela, nous développons davantage nos capteurs et recherchons des solutions basées sur l'IA pour distinguer les particules selon leur type et leur taille. L'intelligence artificielle doit permettre un traitement et une analyse efficaces de grandes quantités de données provenant de différents capteurs et sources. Grâce à l'utilisation du machine learning et d'algorithmes d'analyse de données, nous visons à identifier des schémas et des corrélations complexes dans les données de qualité de l'air, et espérons ainsi obtenir des prévisions plus précises, des temps de réaction plus rapides et une précision améliorée dans la détection des polluants atmosphériques.