Les détecteurs de fumées

       Depuis le 8 mars 2015, tous les logements doivent être équipés d’un détecteur donnant l’alerte en cas d’incendie, et beaucoup d’entre nous en avons installé un.
    Des correspondants me demande d’expliquer comment fonctionne cet appareil.

       Ces détecteurs utilisent comme principe la détection de la fumée produite par l’incendie. Pourquoi.?

       On pourrait essayer de détecter l’élévation de température produite par le feu. Mais celle ci n’est pas immédiate dans les pièces autres que celle où le feu a pris, et il y a des différences importantes de température dans un appartement, liées aux déplacements d’air, au soleil, à l’exposition des parois. La mesure ne serait pas fiable.
       On pourrait vouloir détecter les flammes qui sont lumineuses dans le visible et l’infrarouge. Mais il faudrait que le détecteur soit en vue directe du feu et de plus les mesures de spectrométrie nécessaires pour qu’il n’y ait pas de fausses alerte sont relativement complexes donc chères.

       Dans les fumées qui se propagent facilement dans toutes les pièces on pourrait faire une détection chimique. C’est le cas des détecteurs d’oxyde de carbone qui ast plus léger que l’air et que l’on détecte au plafond. Mais les détecteurs en cause sont plus chers et d’autre part un feu qui couve ne produit pas forcément beaucoup de monoxyde de carbone CO, mais du dioxyde CO2 moins facilement détectable.
       En fait la fumée qui est dégagée quand le feu commence, avant même les flammes, contient beaucoup de particules fines, notamment de carbone. Elle est due à une combustion incomplète de matériaux organiques, et est composée de petites poussières de quelques centièmes de microns, qui s’agrègent entre elles et ont le plus souvent un diamètre compris entre 1 et 10 microns (1 micron = 1/1000 de mm).

       La fumée est relativement opaque et absorbe les rayons lumineux et sur un mètre de distance, l’absorption due à une concentration de 1 gramme de particule par m3 est déjà très nette. Mais dans un détecteur la distance est de l’ordre du centimètre et la précision des mesures est trop faible.
       On se sert d’un autre phénomène, la diffusion des rayons lumineux par les particules. C’est le même phénomène que celui produit dans le brouillard, les rayons lumineux étant diffusés dans toutes les directions, sans être absorbés, d’où un aspect plutôt blanchâtre.
       C’est un phénomène complexe, que l’on peut mettre en équation, notamment pour des particules de très faible dimensions, nettement inférieures au micron, mais je serais incapable de refaire ces calculs que j’ai appris il y a bien longtemps. On appelle cela la « diffusion de Rayleigh ».
       Une propriété simple importante est que les rayonnement de fréquence élevée comme le bleu et le violet, sont beaucoup plus diffusés que les rayonnements de faible énergie comme le jaune et le rouge
       Cela explique que, lorsque vous regardez le soleil vous voyez les rayons venus directement sans diffusion, qui sont jaunes et rouges, alors que lorsque vous regardez le ciel, vous voyez les rayons très diffusés qui sont bleu.
       De même la fumée de cigarette qui monte est légèrement bleutée car la proportion de rayonnement bleus diffusés est plus grande.
       Dans le cas de fumée d’incendie, les particules sont plus grosses et lae phénomène de diffusion est un peu différent (mais tout aussi compliqué à calculer, on appelle cela la diffusion de Mie, qui est le premier physicien à imaginer ce calcul), et cette diffusion est indépendante de la longueur d’onde, et la lumière est, comme dans le brouillard ou les nuages peu épais, blanche puisque toutes les longueurs d’ondes sont diffusées. Puis lorsque les nuages s’épaississent l’absorption devient prépondérante et ils deviennent noirs, comme la fumée si elle contient beaucoup de particules de carbone.

       Les détecteurs optiques d’incendie, sont basés sur ce principe. 
       Une petite diode électroluminescente à très faible consommation, éclaire un petit volume d’air, dans une petite boîte dont les parois ne sont pas réfléchissantes, mais absorbent presque toute la lumière incidente.
       Un photodétecteur recueille la lumière, mais on masque celle que lui enverrait directement la diode.
       En temps normal il ne détecte pratiquement rien, toute la lumière étant absorbée par les parois.
 Si de la fumée pénètre dans le volume de la petite boîte, elles diffusent la lumière émise par la diode  qui est alors détectée.
       Ce procédé est environ 100 fois plus sensible que la mesure de l’absorption directe par une fumée opaque.
       C'est le seul type de détecteur admis en France.

 

     Aux USA il existe d’autres détecteurs qui contiennent une source radioactive de très faible activité (de l’Américium 241 de période 432 ans. Cette source émet des particules alpha (noyaux d’hélium), qui ne parcourent que quelques cm dans l’air et sont absorbés par des parois même très minces (donc pas de danger).
       Un détecteur recueille ces particules et surtout les ions et les électrons arrachés aux atomes d’oxygène et d’azote de l’air de la boîte, ce qui produit un courant constant de référence. Le détecteur est composé de deux électrodes auxquelles on applique une tension électrique. Le champ électrique produit draine particules alpha, ions et électrons vers les deux électrodes.
        Lorsque la fumée emplit la boîte, elle absorbe une partie importante des particules alpha, des ions et des électrons, et le courant baisse, donnant ainsi un signal d’alerte.
       Ces détecteurs ont été interdits en France, en raison de la présence de la source radioactive, qui exigeait un recueil systématique de la source lors du démontage du détecteur, avant mise à la casse.

       Les détecteurs actuels sont relativement fiables et particulièrement adaptés aux incendies domestiques, qui peuvent  couver longtemps en émettant un peu de fumée, avant que n’apparaissent les flammes. Ils permettent de donner l’alerte avant l’apparition de celles ci et de protéger contre une intoxication pat les fumées;