ISO 19702:2024
(Main)Sampling and analysis of toxic gases and vapours in fire effluents using Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy
Sampling and analysis of toxic gases and vapours in fire effluents using Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy
This document specifies requirements and makes recommendations for sampling systems for use in small-scale and large-scale fire tests, for the selection of parameters and use of the FTIR instrument, and for the collection and use of calibration spectra. The primary purpose of the methods outlined in this document is to measure the concentrations of chemical species in fire effluents which can be used to: a) provide data for use in combustion toxicity assessment without requiring biological studies; b) allow the calculation of yield data in fire characterization studies; c) provide data for use in mathematical modelling of hazard to life from the fire effluent by characterizing the effluent composition generated by physical fire models; d) characterize the effluent composition of small-scale physical models and larger-scale fires for comparative purposes; e) assist in the validation of numerical fire models; f) set the conditions for exposure in biological studies if required; g) monitor biological studies where used; and h) assist in the interpretation of biological studies where used. This document specifies principles of sampling and methods for the individual analysis, in fire effluents, of airborne volume fractions of carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), hydrogen cyanide (HCN), hydrogen chloride (HCl), hydrogen bromide (HBr), nitric oxide (NO), nitrogen dioxide (NO2) and acrolein (CH2CHCHO). NOTE Depending on the optical path length, there can potentially be some saturation of certain spectral lines at high concentration, leading to incorrect volume fractions. In most common cases, a wide concentration range can be measured by an FTIR instrument. Typically, it is in the range of a few µl/l to thousands of µl/l for HCl, HBr, HF, SO2, NOx, and HCN, and up to a few per cent for CO, CO2 and H2O. These mentioned species are only indicative, and many other species could be added.[27] Although not specifically defined in this document, as they were not specifically studied in the SAFIR project,[18] the method presented is also suitable for analysis of other gaseous species, including e.g. hydrogen fluoride (HF) and sulfur dioxide (SO2) with appropriate sampling methods. Calibration methods are provided in this document. Guidance is also given on the recommended cleaning, servicing and operating checks and procedures to be carried out on the FTIR instrument and the sampling systems which are considered essential for maintaining the instrument in a suitable condition for use in fire effluent analysis. Sampling is considered to be an integral part of the whole FTIR measurement methodology and recommendations are made for the design, maintenance and operation of suitable systems. This document provides general recommendations for the sampling and analysis of fire effluents based on best practice as determined from a wide variety of small-scale and large-scale standard and ad hoc fire test studies. This document is not necessarily applicable for use in specific published fire test methods where FTIR is specified as a requirement for effluent sampling and analysis in that particular test. In these cases, the specific requirements for the sampling and analysis by FTIR within the published standard test procedures are followed. However, if such specific requirements have not been published, this edition of this document can be used as a basis for acceptable results.
Échantillonnage et analyse des gaz et des vapeurs toxiques dans les effluents du feu par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF)
Le présent document spécifie des exigences et formule des recommandations relatives aux systèmes de prélèvement à utiliser pour les essais au feu à petite échelle et moyenne échelle, à la sélection des paramètres et l’utilisation de l’instrument IRTF, ainsi qu’à la collecte et l’utilisation des spectres d’étalonnage. Les méthodes décrites dans le présent document sont principalement destinées à mesurer les concentrations des espèces chimiques présentes dans les effluents du feu et peuvent être utilisées pour: a) fournir des données à utiliser dans l’évaluation de la toxicité de la réaction de combustion sans faire appel à des études biologiques; b) calculer les données de rendement dans les études de caractérisation du feu; c) fournir des données à utiliser dans la modélisation mathématique du risque que présentent les effluents du feu en caractérisant leur composition générée par des modèles de feu physiques; d) caractériser la composition des effluents des modèles physiques à petite échelle et des feux à plus grande échelle à des fins comparatives; e) aider à la validation des modèles de feu numériques; f) fixer les conditions d’exposition dans les études biologiques, si nécessaire; g) surveiller les études biologiques lorsqu’elles sont utilisées; h) aider à l’interprétation des études biologiques, le cas échéant. Le présent document spécifie des principes d’échantillonnage et des méthodes pour l’analyse individuelle, dans les effluents du feu, des fractions volumiques dans l’air du monoxyde de carbone (CO), du dioxyde de carbone (CO2), du cyanure d’hydrogène (HCN), du chlorure d’hydrogène (HCl), du bromure d’hydrogène (HBr), du monoxyde d’azote (NO), du dioxyde d’azote (NO2) et de l’acroléine (CH2CHCHO). NOTE Selon la longueur du trajet optique, une saturation de certaines raies spectrales peut éventuellement être observée à de fortes concentrations et fausser les fractions volumiques obtenues. Dans les cas les plus courants, un instrument IRTF peut mesurer une large plage de concentrations. En général, cette plage varie de quelques µl/l à plusieurs milliers de µl/l pour HCl, HBr, HF, SO2, NOx, HCN et jusqu’à quelques pour-cent pour CO, CO2 et H2O. Les espèces susmentionnées sont uniquement citées à titre indicatif et de nombreuses autres espèces pourraient être ajoutées.[27] Bien qu’elle ne soit pas spécifiquement définie dans le présent document, car elle n’avait pas été spécifiquement étudiée dans le cadre du projet SAFIR,[18] la méthode présentée convient également pour l’analyse d’autres espèces gazeuses, telles que le fluorure d’hydrogène (HF) et le dioxyde de soufre (SO2), en utilisant des méthodes d’échantillonnage adaptées. Des méthodes d’étalonnage sont données dans le présent document, ainsi que des recommandations relatives aux opérations de nettoyage recommandées, à l’entretien, aux contrôles et aux modes opératoires à effectuer sur l’instrument IRTF et les systèmes de prélèvement qui sont jugés essentiels pour maintenir l’instrument dans un état d’utilisation adapté à l’analyse des effluents du feu. L’échantillonnage est jugé comme faisant partie intégrante de la méthodologie de mesure IRTF complète et des recommandations sont faites pour la conception, l’entretien et l’utilisation de systèmes adaptés. Le présent document fournit des recommandations générales pour l’échantillonnage et l’analyse des effluents du feu, fondées sur les bonnes pratiques déterminées à partir d’une grande diversité d’études d’essai au feu normalisées et ad hoc, à petite échelle et grande échelle. Le présent document n’est pas nécessairement applicable dans des méthodes d’essai au feu publiées spécifiques où l’IRTF est spécifié comme une exigence pour l’échantillonnage et l’analyse des effluents dans cet essai particulier. Dans ces cas, les exigences spécifiques relatives à l’échantillonnage et l’analyse par l’IRTF dans le cadre des modes opératoires d’essai normalisés publiés s’appliquent. Toutefois, si de telles exige
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
International
Standard
ISO 19702
Third edition
Sampling and analysis of toxic gases
2024-12
and vapours in fire effluents using
Fourier Transform Infrared (FTIR)
spectroscopy
Échantillonnage et analyse des gaz et des vapeurs toxiques dans
les effluents du feu par spectroscopie infrarouge à transformée de
Fourier (IRTF)
Reference number
© ISO 2024
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Published in Switzerland
ii
Contents Page
Foreword .v
Introduction .vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 2
3 Terms and definitions . 2
4 Principles . 3
5 Sampling . 3
5.1 General .3
5.2 Temperature of the sampling system .4
5.3 Filter systems .4
5.4 Sampling probes .6
5.4.1 General .6
5.4.2 Single-hole probes .7
5.4.3 Multi-hole probes .7
5.4.4 Probe positioning .7
5.5 Sampling line .8
5.6 Pump selection, position, and flow rate .9
5.7 Response time of the sampling system.10
5.8 Optical cell .10
6 The FTIR spectrophotometer .11
6.1 Spectrophotometer environment .11
6.2 Detector .11
6.3 IR-source .11
6.4 Mirror alignment and cleanliness .11
6.5 Spectrophotometer compartment .11
6.6 Spectral range limits . 12
6.7 Resolution . 12
7 Calibration .12
7.1 Background noise. 12
7.2 Limits of detection and of quantification (L and L ) . 12
D Q
7.3 Calibration methods . 12
7.4 Acquiring and collecting calibration standards . 13
8 Measurement procedure .13
8.1 General . 13
8.2 Daily setup, checks and controls . 13
8.2.1 General . 13
8.2.2 Control of calibration method . 13
8.2.3 Spectrophotometer sensitivity measurements .14
8.2.4 Sampling system tests .14
8.2.5 Control of the sampling flow rate .14
8.3 Preparation for sampling and analysis . 15
8.4 Initial procedures immediately before a test . 15
8.5 Procedures during sampling from a test . 15
8.6 Procedures after a test .16
8.7 Data reduction .16
9 Test report .16
10 Precision and accuracy . 17
10.1 General .17
10.2 L and L .17
D Q
10.3 Repeatability and reproducibility .17
iii
Annex A (informative) FTIR theory .18
Annex B (informative) FTIR sampling systems .20
Annex C (informative) Analysis of filter(s), the sampling line and probe for effluent retention .24
Annex D (normative) Response time determination of the complete FTIR sampling system .25
Annex E (informative) Considerations for FTIR optical cell selection .27
Annex F (normative) Verification of FTIR optical cell performance .29
Annex G (informative) Spectrophotometer .31
Annex H (normative) Verification of spectrometer performance .34
Annex I (informative) Reference gases .37
Annex J (informative) Calibration methods .42
Annex K (informative) Recording reference spectra and building a calibration set .45
Annex L (informative) Repeatability and reproducibility .55
Annex M (informative) Historical examples of equipment and parameters .56
Bibliography . 67
iv
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through
ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee
has been established has the right to be represented on that committee. International organizations,
governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely
with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are described
in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the different types
of ISO document should be noted. This document was drafted in accordance with the editorial rules of the
ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
ISO draws attention to the possibility that the implementation of this document may involve the use of (a)
patent(s). ISO takes no position concerning the evidence, validity or applicability of any claimed patent
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constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and expressions
related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the World Trade
Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www.iso.org/iso/foreword.html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 92, Fire safety, Subcommittee SC 3, Fire threat
to people and environment.
This third edition cancels and replaces the second edition (ISO 19702:2015), which has been technically
revised.
The main changes are as follows:
— Clause 3 has been updated;
— Annex K has been expanded.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
v
Introduction
[4][11]
Sampling and analysis of fire effluents is required for a variety of applications in life threat assessments
[26] [6]
and environmental impact from fires assessments. The end result of these analyses is a list of chemical
species and their concentrations in the effluent at a specific time or over a time interval, and at a specific
location, during (and possibly after) the period of generation of the effluents. Depending on the end use of
these data, the requirements can range from a highly detailed, time-resolved, quantified and validated list of
chemical species to a simple estimate of a single compound or small range of compounds.
Although methods used in other fields are occasionally employed (e.g. atmospheric pollution), obtaining
relevant data often requires specialized sampling and analysis techniques. This is due to the complexity,
reactivity and generally “hostile” nature of typical fire effluents, as well as the commonly observed rapid
changes in concentrations with time and distance from the fire source.
The following typical properties of fire effluents render more “traditional” methods of sampling and analysis
inappropriate:
— high temperatures of 1 000 °C or higher;
— presence of aerosols (i.e. solid and liquid particulates) with a wide range of particle sizes and distribution,
together with adsorbed and absorbed chemical species;
— presence of condensable organic and inorganic vapours (e.g. water);
— high turbulence, with spatially and temporally variable concentrations;
— a very wide range of species and their concentrations, typically varying rapidly with time and location
with respect to the fire source (or heating zone in the case of a “bench-top” physical fire model);
— presence of acidic/corrosive species;
— presence of water-soluble species and/or or highly reactive species resulting in sampling losses.
The identification of these factors has led to the development of new methods or the adaptation of existing
methods for the sampling and analysis of the gases and vapours in the effluent from fires and physical fire tests.
Common sampling and analysis methods have emerged in recent years, and in some cases, International
Standards, such as ISO 19701, have been published for selected gases and vapours. Much of this information
is provided in ISO 19701, which presents a variety of methods for the sampling and analysis of individual
gases of toxicological importance. Several methods are often needed to determine all the species of interest
for fire hazard analysis.
Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy offers an improved procedure, principally through:
— single-method measurements of gases and vapours relevant to fire toxicology;
— time-resolved measurements over relatively short periods (i.e. concentrations of chemical species of
interest), enabling the monitoring of chemical species development and decay throughout the fire or
physical fire test; and
— revisiting the stored FTIR spectra to potentially obtain relevant data concerning the presence of a
toxicant which is identified as important.
While ISO 19701 summarizes the technique and some applications of FTIR in fire gas analysis along with
many other common methods, this document provides details of the established requirements and best
practices for obtaining reliable sampling and analysis results using the FTIR method.
FTIR spectroscopy can be used to analyse fire effluents using these two methods:
a) open path analysis, where the infrared beam is directed across the effluent within and/or outside the
fire test apparatus;
vi
b) extractive analysis, where a fraction of the effluent from a fire test apparatus is drawn continuously
through a heated sampling system through the gas cell of the FTIR instrument, enabling remote
[9]
measurement (e.g. IMO Resolution MSC 61(67), Part 2: Toxicity analysis ).
Both procedures (and variants) have been successfully applied, although the extractive analysis technique is
far more common in fire effluent analysis.
Of particular relevance in the development of FTIR as a practical tool in fire gas analysis is the Smoke Gas
[18][19]
Analysis by Fourier Transform Infrared Spectroscopy or SAFIR, a European Union-funded project
which focused on the testing and validation of an extractive FTIR method when used in a variety of situations.
The results of the SAFIR project formed the basis of the first edition of this document (ISO 19702:2006). The
second edition of this document (ISO 19702:2015) was based on subsequent updates e.g. References [8],
[15], [21], [25] and [27].
Any chemical analysis is selective in terms of chemical species determined and the accuracy and precision
of quantitative measurements. Some chemical analytical methods can be appropriate for accurate
determination of some species but less appropriate for other species. Thus, despite the ability of FTIR
spectroscopic analysis to measure a wide range of chemical species of interest in the field of life threat
from fire, additional methods can also be necessary to determine all the species of interest for a particular
application. However, the use of FTIR analysis alone can provide data of sufficient quality to identify and
calculate the concentrations of many of the chemical species that are important in toxic hazard assessment.
vii
International Standard ISO 19702:2024(en)
Sampling and analysis of toxic gases and vapours in
fire effluents using Fourier Transform Infrared (FTIR)
spectroscopy
1 Scope
This document specifies requirements and makes recommendations for sampling systems for use in small-
scale and large-scale fire tests, for the selection of parameters and use of the FTIR instrument, and for the
collection and use of calibration spectra.
The primary purpose of the methods outlined in this document is to measure the concentrations of chemical
species in fire effluents which can be used to:
a) provide data for use in combustion toxicity assessment without requiring biological studies;
b) allow the calculation of yield data in fire characterization studies;
c) provide data for use in mathematical modelling of hazard to life from the fire effluent by characterizing
the effluent composition generated by physical fire models;
d) characterize the effluent composition of small-scale physical models and larger-scale fires for
comparative purposes;
e) assist in the validation of numerical fire models;
f) set the conditions for exposure in biological studies if required;
g) monitor biological studies where used; and
h) assist in the interpretation of biological studies where used.
This document specifies principles of sampling and methods for the individual analysis, in fire effluents,
of airborne volume fractions of carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO ), hydrogen cyanide (HCN),
hydrogen chloride (HCl), hydrogen bromide (HBr), nitric oxide (NO), nitrogen dioxide (NO ) and acrolein
(CH CHCHO).
NOTE Depending on the optical path length, there can potentially be some saturation of certain spectral lines at
high concentration, leading to incorrect volume fractions.
In most common cases, a wide concentration range can be measured by an FTIR instrument. Typically, it
is in the range of a few µl/l to thousands of µl/l for HCl, HBr, HF, SO , NO , and HCN, and up to a few per
2 x
cent for CO, CO and H O. These mentioned species are only indicative, and many other species could be
2 2
[27]
added. Although not specifically defined in this document, as they were not specifically studied in the
[18]
SAFIR project, the method presented is also suitable for analysis of other gaseous species, including e.g.
hydrogen fluoride (HF) and sulfur dioxide (SO ) with appropriate sampling methods.
Calibration methods are provided in this document. Guidance is also given on the recommended cleaning,
servicing and operating checks and procedures to be carried out on the FTIR instrument and the sampling
systems which are considered essential for maintaining the instrument in a suitable condition for use in fire
effluent analysis.
Sampling is considered to be an integral part of the whole FTIR measurement methodology and
recommendations are made for the design, maintenance and operation of suitable systems.
This document provides general recommendations for the sampling and analysis of fire effluents based on
best practice as determined from a wide variety of small-scale and large-scale standard and ad hoc fire
test studies. This document is not necessarily applicable for use in specific published fire test methods
where FTIR is specified as a requirement for effluent sampling and analysis in that particular test. In these
cases, the specific requirements for the sampling and analysis by FTIR within the published standard test
procedures are followed. However, if such specific requirements have not been published, this edition of this
document can be used as a basis for acceptable results.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content constitutes
requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For undated references,
the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 12828-1, Validation method for fire gas analysis — Part 1: Limits of detection and quantification
ISO 13344, Estimation of the lethal toxic potency of fire effluents
ISO 13571, Life-threatening components of fire — Guidelines for the estimation of time to compromised tenability
in fires
ISO 13943, Fire safety — Vocabulary
ISO 19701, Methods for sampling and analysis of fire effluents
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 13943 and the following apply.
ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
3.1
apodisation
mathematical process to correct deviations from the theoretical interferogram obtained in Fourier
Transform Infrared (FTIR) spectroscopy
Note 1 to entry: This process widens absorption bands and therefore lowers the resolution.
3.2
interferogram
pattern of variable radiation intensity resulting from the interaction of (usually) two beams of
monochromatic electromagnetic radiation of the same wavelength when the beams have travelled over a
different path length before combining
3.3
resolution
capacity of a spectrophotometer to distinguish between two adjacent frequencies (or wavenumbers),
mathematically defined as that separation which produces two bands which are separated by at least half
the intensity of one of them
Note 1 to entry: In infrared spectroscopy, two consecutive bands often have a different intensity. Resolution is
generally expressed as the width at half height of a single absorption band recognized as “isolated and thin”.
−1
Note 2 to entry: This is commonly expressed in units of cm and is the smallest spacing between absorption peaks
that can be resolved.
3.4
spectrophotometer
instrument used to disperse electromagnetic radiant energy into a spectrum and measure certain
properties such as wavelength, energy or index of refraction, for example, as the basis for the qualitative
and quantitative determination of chemical species which interact with the radiant energy in selective ways
dependent on the species
3.5
trueness of wavenumber
ability of a given spectrophotometer to provide an accurate radiant flux at a specific wavelength or
wavenumber
3.6
wavenumber
ν
inverse of the wavelength, λ, of electromagnetic radiation
Note 1 to entry: ν =
λ
−1
where ν is expressed in reciprocal centimetres (cm ) and λ is normally expressed in µm. This entails a conversion
factor of 10 000 in the calculation of wavenumber from wavelength.
3.7
zero filling
correction technique applied to sparse data to enable intermediate data points to be generated by a
mathematical regression
4 Principles
A system for measuring concentrations of gases and vapours in fire effluent by the extractive FTIR technique
consists of a sampling system, a “flow-through” optical cell, an infrared light source, an interferometer
and an optical detector. Software is required to extract species identification and concentrations from the
collected signals.
The sampling system is designed to deliver a gas flow to the FTIR optical cell that is as true a representation
as possible of the effluent in a known region from which the sample is extracted. Inaccuracies, caused for
example, by condensation or adsorption losses in the sampling tubing need to be understood, quantified and
applied to the final results.
A detailed description of the principles of infrared spectroscopy and FTIR is provided in many texts including
References [12], [16] and [28]. Annex A gives the general outline of this principle.
The mathematics by which an FTIR spectrophotometer generates species concentrations is typically
proprietary and varies among manufacturers and models. Obtaining accurate concentrations requires
calibration, examination of the spectroscopic peak shapes and separations, and perhaps verification of some
concentrations using a second analytical technique.
5 Sampling
5.1 General
The requirements for the sampling systems given in this document are in most cases generally applicable
both for large-scale and small-scale testing, but details of sampling requirements for specific tests are not
included. This detail is to be provided with the International Standards which describe these specific tests.
Parts of the sampling system to be designed for a specific test apparatus or sampling location within that
apparatus include the sampling probe and the filter, the length and maintained temperature of the sampling
line and the sample flow. These sampling parameters are normally specified to match the volume and
[18][19][25][27]
geometry of the optical cell in the FTIR spectrometer. Examples of sampling systems are given
in Annex B.
The sampling probe is designed to extract fully representative samples from the test apparatus and/or the
fire effluent stream and be constructed from material(s) which will be inert to the effluents being measured.
Guidance for probe design is provided in 5.4.
The filter in the sampling train shall capture particles to avoid deposits on mirrors in the FTIR cell. Guidance
for the selection of filters is provided in 5.3.
The design of the sampling line and the flow characteristics affect the time of the concentration
measurements. Guidance for sampling line design and sampling flow selection are provided in 5.5 to 5.7.
The cell volume and geometry set restrictions on the sample flow used and thus on the time resolution of
the measurements and uniformity of the gas in the optical cell. Guidance for cell selection is provided in 5.8.
For safety reasons, the extracted and analysed gases are to be returned to the exhaust duct of the fire test
fixture or otherwise disposed of in a safe way that does not endanger personnel and to a location that does
not disturb measurements. With a standard test which has a requirement or option to use FTIR gas analysis,
it is anticipated that this test will provide specific requirements for the safe disposal of the effluent stream
after measurement (e.g. whether the effluents will be recirculated or safely discharged elsewhere).
The requirement for each part of the sampling system is described separately in the following subclauses.
Annex M gives examples of proprietary FTIR equipment and sampling systems that have been proved to be
suitable for fire effluent analysis.
NOTE Sampling in large-scale tests such as in the ISO 9705 series and in large open calorimeters (ISO 24473) is
described in Reference [3].
5.2 Temperature of the sampling system
5.2.1 The sampling system shall be heated to a temperature which shall be set between 150 °C and the
temperature of the gas cell (recommended maximum 190 °C).
5.2.2 The temperature of the entire sampling system shall be kept at an even temperature and not be
higher than the gas cell temperature to avoid condensation in the cell.
NOTE 1 It is important that the gas in the sampling system is heated to a temperature as close as possible to the
set-temperature of the sampling system. A procedure for checking the gas temperature in the optical cell is given in
Clause F.1.
The temperature of the system should optimally be even, but the most important condition is that the
temperature of the gas cell is the highest in the sampling system.
The temperature shall be high enough to prevent condensation and losses due to the dissolving of soluble
fire gases from the sample. The whole sampling system shall be kept at a minimum temperature of 150 °C,
[18][19]
although the recommended temperature is 180 °C.
NOTE 2 The temperature is not permitted to exceed 200 °C at any point between sampling point and gas cell, as
chemical reactions between components of the sampled fire effluents could lead to a modification of gas composition
above this temperature. Nitrogen oxides are particularly sensitive to this parameter.
5.3 Filter systems
5.3.1 A gas cell with internal mirrors shall be protected from soot/particle deposition from the sampled
effluent, with a particulate filter.
5.3.2 The filter is commonly placed directly after the sampling probe and prior to the heated sampling line.
5.3.3 The filter shall be uniformly heated in a housing to prevent condensation of liquids
NOTE 1 Correct placement of filters in the sample train is important, since incorrect filter placement can result
in significant sample losses (e.g. through gas adsorption on particles) which leads to distorted concentration/time
profiles of the measured species.
NOTE 2 For certain designs of filter and housing, placing the filter directly between the probe and the sample line
can in some cases cause problems in the early stages of a compartment fire test. The filter medium, even though heated
externally, can be cooled internally by the cool sample gas stream. A significant temperature differential can then
develop between the internal filter medium and the heated filter housing. This creates conditions favourable for the
condensation of water, water-soluble acid gases and high boiling point vapours within the filter medium. The trapped
gases can be released as the filter medium temperature increases, further distorting the concentration histories. To
avoid this, a sufficiently long sample line, with the appropriate number of heated segments, can be used to preheat the
sample gases to the intended sample line temperature prior to contact with the filter medium.
5.3.4 The filter shall be heated to a temperature which shall be set between 150 °C and the temperature of
the spectrometer gas cell.
NOTE The recommended maximum temperature of the spectrometer gas cell is 190 °C.
5.3.5 The type of filter recommended is a cylindrical filter as opposed to a plane filter.
NOTE A cylindrical filter has a large area which gives a high filtration capacity, and this is especially important
for the primary or pre-filter. Cylindrical ceramic filters with a length of 75 mm, a diameter of 31 mm and a porosity of
[13][14][18]
2 µm have been successfully used in various types of fire test. Alternative materials for cylindrical filters are
polytetrafluoroethylene (PTFE), glass fibre and stainless steel.
Glass wool, ceramic and stainless steel filters could induce losses of hydrogen fluoride and should be avoided
in the sampling train when hydrogen fluoride is likely to be present in the effluent stream.
The porosity and size of the filter shall be chosen as a compromise between sufficient entrapment of soot and
other particles without premature clogging of the filter, using the recommendations within this subclause
as a guide.
5.3.6 Plane surface filters may alternatively be used.
NOTE 1 Plane surface filters generally have a lower filtration capacity compared to cylindrical filters with more
likelihood of early blockage occurring. These can, however, be used effectively as secondary filters following a
cylindrical pre-filter.
NOTE 2 Where no pre-filter is used, a 1 µm porosity, 47 mm to 75 mm diameter filter is the best compromise for
plane surface filters (compared to 0,45 µm and/or 5 µm for PTFE), although other porosities and diameters can be
[18]
successfully used. Alternatively, a 1 µm or 2 µm stainless steel filter has been reported to be successful. Stainless
steel filters can be cleaned and regenerated by calcinations. References [15] and [21] provide details on filters
selection.
5.3.7 Filters shall be analysed for the presence of acid gases if these are to be measured and losses in the
filter can be expected.
NOTE 1 Acid gas losses in the filter are due to adsorption onto the soot and or liquid particles in the fire plume or
onto the soot retained by the filter. The adsorption losses are especially important when measuring low concentrations
of acid gases or when sampling over a short time period. Under these conditions, acid gases can initially be removed
from the sampled effluent stream until the adsorption sites in the filter become saturated. After this stage, most of the
acid gas component will be passed on to the sampling line. This results in a spurious release of acid gas from the filter
over time which does not accurately follow the release of the acid gases from the sampled atmosphere. To estimate
these losses, a procedure to analyse the gases retained on the filter is given in Annex C.
[18]
NOTE 2 Analysis of losses of hydrogen chloride (HCl) in filters was made in the SAFIR project. The chemical
analysis of the filters in door opening measurements in the ISO 9705 series test chamber experiments showed that
there were low losses (losses of between 0,4 % and 1,3 % relative to the total sampled amount) of HCl in cylindrical
ceramic filters. A slightly greater retention of HCl was seen for a planar glass fibre filter (losses of between 1,1 %
and 5,8 % relative to the total sampled amount). In both cases the higher relative losses of HCl were found when the
measured concentration of HCl was low.
The kinetics of absorption onto the filter has not been characterized and it is therefore difficult to establish
a true time/concentration profile of the acidic species in the sampled fire atmosphere. However, when the
total amount of gas produced during the combustion is required, the quantity measured on the filter should
be added to the total amount measured by FTIR (see Annex C). It is stressed that the adsorption on the filter
has an effect on the accuracy of the time-dependent measurement of the gases evolved during combustion.
When a time-dependent measurement is required, information on gases analysed on the filter should be
considered in order to estimate the potential effect on the concentration/time data.
5.3.8 It should be noted that some filter materials can contain chlorine. The chlorine content of a clean
unused filter should be measured to provide a baseline for the determination of the level of adsorbed
chlorine from the fire gases.
5.4 Sampling probes
5.4.1 General
5.4.1.1 Two types of probes can be distinguished: “single-hole” and “multi-hole”. The choice depends on
the physical fire model from which the sample is being extracted in order to obtain a representative mixture
of effluent. Examples of the two types of probes are shown in Figure 1.
Dimensions in millimetres
Key
1 inner diameter
[18]
NOTE An inner diameter of a single-hole probe of 4 mm has been shown to work effectively.
Figure 1 — Schematic of multi-hole and single-hole probes for sampling in an exhaust duct
5.4.1.2 The probe shall be made of material resistant to corrosion and shall not otherwise react
[18][19]
significantly with the gases to be analysed.
NOTE 1 PTFE or perfluoroalkoxy polymer (PFA) is recommended as the contact material for the effluent stream.
NOTE 2 A probe of PTFE is generally inert and would have a low potential for causing losses. The flexibility of the
material could be a disadvantage in certain applications, for example where precise positioning is necessary. A further
disadvantage is that PTFE is not suitable for higher temperatures, as high temperatures influence the material
properties and at sufficiently high temperatures thermal degradation occurs.
NOTE 3 Quartz and/or stainless steels can be used for some effluents, but these react with hydrogen fluoride (HF).
NOTE 4 A stainless steel probe placed in a position with an initial temperature lower than the sampled effluent can
cause condensation of products including water. This will lead to sample losses. An important example of a gas species
prone to losses is hydrogen chloride (HCl).
NOTE 5 A practical probe can be constructed using stainless steel tubing lined with a narrower-bore PTFE tube or
lined with epoxy resin. The stainless steel tube will facilitate direct ohmic heating (i.e. passing a low voltage electric
current through the metal tube) and the PTFE or epoxy lining will further reduce losses on the probe surfaces.
NOTE 6 PTFE can lose structural strength at temperatures near 190 °C, which can restrict the flow if pressure
drops significantly along the sampling line. In this situation, the upper limit of the heating temperature for the
sampling line needs to be modified, and the flow constriction needs to be re-checked after a test. Data obtained under
severe the flow constriction has to be discarded.
5.4.1.3 The probe shall be cleaned before each test to ensure that the holes do not become partially or
wholly blocked.
5.4.2 Single-hole probes
5.4.2.1 Where the effluent stream is likely to be well-mixed/homogenous, a single-hole probe is
appropriate.
[7]
5.4.2.2 In the case of a flow-through type of physical fire model (e.g. a tube furnace ), the extraction
probe takes a proportion of the total homogenous flow from the apparatus and directs it to the FTIR
spectrometer. A single-hole probe is therefore appropriate for such applications.
5.4.2.3 The internal diameter of the extraction probe shall not be less than 3 mm.
NOTE A single-hole probe is used in many standardized test procedures where the effluent stream is assumed
well-mixed and homogenous e.g. Reference [9]. However, due to stratification effects in fire chambers and in extract
ducts where laminar flow is present, (i.e. leading to poor mixing) the gas concentration can fail to be uniform over
the chamber or duct volume and the measured gas concentration is thus dependent on the position of the single-hole
probe. In these situations, the use of a multi-hole probe is appropriate where the non-uniform gases can be sampled
over a more representative area.
5.4.3 Multi-hole probes
5.4.3.1 When stratification is present in the effluents from the fire, a multi-hole probe is preferred to
obtain a representative
...
Norme
internationale
ISO 19702
Troisième édition
Échantillonnage et analyse des gaz
2024-12
et des vapeurs toxiques dans les
effluents du feu par spectroscopie
infrarouge à transformée de
Fourier (IRTF)
Sampling and analysis of toxic gases and vapours in fire effluents
using Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy
Numéro de référence
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Tél.: +41 22 749 01 11
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Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii
Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction .vi
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 2
3 Termes et définitions . 2
4 Principes . 3
5 Échantillonnage . 4
5.1 Généralités .4
5.2 Température du système de prélèvement .4
5.3 Systèmes filtrants .5
5.4 Sondes d’échantillonnage .6
5.4.1 Généralités .6
5.4.2 Sondes à un seul trou .7
5.4.3 Sondes à plusieurs trous .8
5.4.4 Positionnement des sondes .8
5.5 Ligne de prélèvement.9
5.6 Sélection, position et débit de la pompe .10
5.7 Temps de réponse du système de prélèvement .11
5.8 Cellule optique .11
6 Spectrophotomètre IRTF .12
6.1 Environnement du spectrophotomètre. 12
6.2 Détecteur . 12
6.3 Source d’infrarouge . 12
6.4 Alignement et propreté des miroirs . 13
6.5 Compartiment du spectrophotomètre . 13
6.6 Limites du domaine spectral . 13
6.7 Résolution . 13
7 Étalonnage .13
7.1 Bruit de fond . 13
7.2 Limites de détection et de quantification (L et L ) .14
D Q
7.3 Méthodes d’étalonnage.14
7.4 Acquisition et collecte des étalons .14
8 Mode opératoire de mesurage . . 14
8.1 Généralités .14
8.2 Configurations, vérifications et contrôles quotidiens . 15
8.2.1 Généralités . 15
8.2.2 Contrôle de la méthode d’étalonnage . 15
8.2.3 Mesurages de sensibilité du spectrophotomètre . 15
8.2.4 Essais du système de prélèvement .16
8.2.5 Contrôle du débit d’échantillonnage .16
8.3 Préparation en vue de l’échantillonnage et de l’analyse .17
8.4 Modes opératoires initiaux précédant immédiatement un essai .17
8.5 Modes opératoires pendant le prélèvement .17
8.6 Modes opératoires après un essai .17
8.7 Réduction des données.18
9 Rapport d’essai .18
10 Fidélité et exactitude . 19
10.1 Généralités .19
10.2 L et L .19
D Q
10.3 Répétabilité et reproductibilité .19
iii
Annexe A (informative) Théorie de l’IRTF .20
Annexe B (informative) Systèmes de prélèvement IRTF .22
Annexe C (informative) Analyse du ou des filtres, de la ligne de prélèvement et de la sonde afin
d’évaluer la rétention des effluents .26
Annexe D (normative) Détermination du temps de réponse du système de prélèvement IRTF
complet .27
Annexe E (informative) Facteurs à considérer pour le choix d’une cellule optique IRTF .29
Annexe F (normative) Vérification de la performance optique des cellules IRTF .31
Annexe G (informative) Spectrophotomètre .33
Annexe H (normative) Vérification de la performance du spectromètre .37
Annexe I (informative) Gaz de référence . 41
Annexe J (informative) Méthodes d’étalonnage . 47
Annexe K (informative) Enregistrement des spectres de référence et construction d’un
ensemble d’étalonnage .50
Annexe L (informative) Répétabilité et reproductibilité . 61
Annexe M (informative) Exemples historiques d’équipements et de paramètres .62
Bibliographie .77
iv
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux
de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général
confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire
partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a
été rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir
www.iso.org/directives).
L’ISO attire l’attention sur le fait que la mise en application du présent document peut entraîner l’utilisation
d’un ou de plusieurs brevets. L’ISO ne prend pas position quant à la preuve, à la validité et à l’applicabilité de
tout droit de brevet revendiqué à cet égard. À la date de publication du présent document, l’ISO n'avait pas
reçu notification qu’un ou plusieurs brevets pouvaient être nécessaires à sa mise en application. Toutefois,
il y a lieu d’avertir les responsables de la mise en application du présent document que des informations
plus récentes sont susceptibles de figurer dans la base de données de brevets, disponible à l'adresse
www.iso.org/brevets. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne pas avoir identifié tout ou partie de
tels droits de propriété.
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données pour
information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion de
l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles techniques au
commerce (OTC), voir www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 92, Sécurité au feu, sous-comité SC 3,
Dangers pour les personnes et l’environnement dus au feu.
Cette troisième édition annule et remplace la deuxième édition (ISO 19702:2015), qui a fait l’objet d’une
révision technique.
Les principales modifications sont les suivantes:
— mise à jour de l’Article 3;
— développement de l’Annexe K.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes se
trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.
v
Introduction
L’échantillonnage et l’analyse des effluents du feu sont requis pour une grande diversité d’applications
[4][11][26]
couvrant des domaines tels que l’évaluation des dangers du feu et l’impact des feux sur
[6]
l’environnement. Ces analyses engendrent généralement une liste d’espèces chimiques et de leurs
concentrations dans les effluents à un instant spécifique ou sur une certaine durée, et à un endroit donné,
pendant (et éventuellement après) la période de production des effluents. Selon l’usage final de ces données,
les exigences peuvent aller d’une liste d’espèces chimiques très détaillée, résolue dans le temps, quantifiée et
validée, à une simple estimation d’un seul composé ou d’un petit nombre de composés.
Bien que les méthodes employées dans d’autres domaines soient utilisées occasionnellement
(pollution atmosphérique, par exemple), l’acquisition de données pertinentes nécessite souvent des
techniques d’échantillonnage et d’analyse spécialisées. Ces dernières sont nécessaires en raison de la
complexité, de la réactivité et de la nature généralement « hostile » des effluents classiques du feu, ainsi que
des rapides variations de concentrations généralement observées en fonction du temps et de la distance par
rapport à la source de l’incendie.
Les propriétés types suivantes des effluents du feu rendent les méthodes d’échantillonnage et d’analyse plus
« traditionnelles » inappropriées:
— les températures élevées supérieures ou égales à 1 000 °C;
— la présence d’aérosols (c’est-à-dire des particules solides et liquides) avec un large éventail de tailles et
de distribution des particules, associés à des espèces chimiques adsorbées et absorbées;
— la présence de vapeurs organiques et inorganiques condensables (de l’eau, par exemple);
— un degré de turbulence élevé, avec des concentrations variables dans le temps et l’espace;
— une très grande diversité d’espèces et de concentrations, qui varient généralement rapidement en
fonction du temps et de l’emplacement par rapport à la source (ou à la zone de chauffage en cas de modèle
de feu physique de « laboratoire »);
— la présence d’espèces acides/corrosives;
— la présence d’espèces solubles dans l’eau et/ou fortement réactives entraînant des pertes d’échantillons.
L’identification de ces facteurs a conduit au développement de nouvelles méthodes ou à l’adaptation des
méthodes existantes pour l’échantillonnage et l’analyse des gaz et vapeurs contenus dans les effluents des
feux et des essais au feu physiques.
Des méthodes courantes d’échantillonnage et d’analyse sont apparues ces dernières années et dans certains
cas, des Normes internationales, telles que l’ISO 19701, ont été publiées pour des gaz et des vapeurs choisis.
Une grande partie de cette information est fournie dans l’ISO 19701 qui présente diverses méthodes pour
l’échantillonnage et l’analyse des gaz individuels ayant une importance toxicologique. Plusieurs méthodes
sont souvent nécessaires pour déterminer toutes les espèces présentant un intérêt particulier pour l’analyse
du danger d’incendie.
La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) offre un mode opératoire amélioré,
en particulier par:
— une méthode unique pour le mesurage des gaz et vapeurs, pertinente pour la toxicologie du feu;
— des mesurages (c’est-à-dire des concentrations d’espèces chimiques présentant un intérêt) résolus dans
le temps sur des périodes relativement courtes, en permettant la surveillance du développement des
espèces chimiques et de la décroissance tout au long de l’incendie ou de l’essai au feu physique;
— un retraitement des spectres IRTF enregistrés pour potentiellement obtenir des données pertinentes
relatives à la présence d’une substance toxique identifiée comme étant importante.
Bien que l’ISO 19701 récapitule la technique ainsi que certaines applications de l’IRTF pour l’analyse des gaz
de combustion et de nombreuses autres méthodes courantes, le présent document fournit des informations
vi
détaillées concernant les exigences établies et les bonnes pratiques d’obtention de résultats fiables
d’échantillonnage et d’analyse en utilisant la méthode IRTF.
La spectroscopie IRTF peut être utilisée pour analyser les effluents du feu en utilisant ces deux méthodes:
a) une analyse en circuit ouvert, où le faisceau de rayonnement infrarouge est dirigé à travers l’effluent
situé à l’intérieur et/ou à l’extérieur de l’appareillage d’essai au feu;
b) une analyse extractive, dans laquelle une fraction de l’effluent provenant d’un appareillage d’essai au
feu est envoyée en continu, via un système de prélèvement chauffé, à la cellule à gaz de l’instrument
d’analyse IRTF, en permettant ainsi de réaliser des mesurages à distance [voir, par exemple, la résolution
[9]
IMO MSC 61(67), Partie 2: Toxicity analysis (Analyse de toxicité) ].
Les deux modes opératoires (et leurs variantes) ont été appliqués avec succès, bien que la technique d’analyse
extractive soit nettement plus répandue pour l’analyse des effluents du feu.
[18]
Financé par l’Union européenne, le projet SAFIR (Smoke Gas Analysis by Fourier Infrared Spectroscopy),
[19]
qui était axé sur les essais et la validation d’une méthode IRTF extractive utilisable dans de multiples
situations, revêt une importance particulière pour le développement de l’IRTF en tant qu’outil pratique pour
l’analyse des gaz de combustion. Les résultats du projet SAFIR constituaient la base de la première édition
du présent document (ISO 19702:2006). La seconde édition du présent document (ISO 19702:2015) reposait
sur les mises à jour ultérieures, par exemple les Références [8], [15], [21], [25] et[27].
Toute analyse chimique est sélective concernant les espèces chimiques déterminées et l’exactitude et la
fidélité des mesurages quantitatifs. Certaines méthodes chimiques analytiques peuvent être appropriées
pour une détermination précise de certaines espèces, mais le sont moins pour d’autres. Ainsi, malgré la
possibilité offerte par l’analyse spectroscopique IRTF de mesurer un large éventail d’espèces chimiques
présentant un intérêt dans le domaine de l’évaluation des dangers du feu, d’autres méthodes peuvent
également être nécessaires pour déterminer toutes les espèces qui présentent un intérêt pour une
application particulière. Cependant, l’utilisation de la seule analyse IRTF peut fournir des données dont la
qualité est suffisante pour qualifier et calculer les concentrations de la plupart des espèces chimiques qui
sont importantes pour l’évaluation des risques toxiques.
vii
Norme internationale ISO 19702:2024(fr)
Échantillonnage et analyse des gaz et des vapeurs toxiques
dans les effluents du feu par spectroscopie infrarouge à
transformée de Fourier (IRTF)
1 Domaine d’application
Le présent document spécifie des exigences et formule des recommandations relatives aux systèmes de
prélèvement à utiliser pour les essais au feu à petite échelle et moyenne échelle, à la sélection des paramètres
et l’utilisation de l’instrument IRTF, ainsi qu’à la collecte et l’utilisation des spectres d’étalonnage.
Les méthodes décrites dans le présent document sont principalement destinées à mesurer les concentrations
des espèces chimiques présentes dans les effluents du feu et peuvent être utilisées pour:
a) fournir des données à utiliser dans l’évaluation de la toxicité de la réaction de combustion sans faire
appel à des études biologiques;
b) calculer les données de rendement dans les études de caractérisation du feu;
c) fournir des données à utiliser dans la modélisation mathématique du risque que présentent les effluents
du feu en caractérisant leur composition générée par des modèles de feu physiques;
d) caractériser la composition des effluents des modèles physiques à petite échelle et des feux à plus grande
échelle à des fins comparatives;
e) aider à la validation des modèles de feu numériques;
f) fixer les conditions d’exposition dans les études biologiques, si nécessaire;
g) surveiller les études biologiques lorsqu’elles sont utilisées;
h) aider à l’interprétation des études biologiques, le cas échéant.
Le présent document spécifie des principes d’échantillonnage et des méthodes pour l’analyse individuelle,
dans les effluents du feu, des fractions volumiques dans l’air du monoxyde de carbone (CO), du dioxyde de
carbone (CO ), du cyanure d’hydrogène (HCN), du chlorure d’hydrogène (HCl), du bromure d’hydrogène (HBr),
du monoxyde d’azote (NO), du dioxyde d’azote (NO ) et de l’acroléine (CH CHCHO).
2 2
NOTE Selon la longueur du trajet optique, une saturation de certaines raies spectrales peut éventuellement être
observée à de fortes concentrations et fausser les fractions volumiques obtenues.
Dans les cas les plus courants, un instrument IRTF peut mesurer une large plage de concentrations. En général,
cette plage varie de quelques µl/l à plusieurs milliers de µl/l pour HCl, HBr, HF, SO , NO , HCN et jusqu’à
2 x
quelques pour-cent pour CO, CO et H O. Les espèces susmentionnées sont uniquement citées à titre indicatif
2 2
[27]
et de nombreuses autres espèces pourraient être ajoutées. Bien qu’elle ne soit pas spécifiquement définie
[18]
dans le présent document, car elle n’avait pas été spécifiquement étudiée dans le cadre du projet SAFIR,
la méthode présentée convient également pour l’analyse d’autres espèces gazeuses, telles que le fluorure
d’hydrogène (HF) et le dioxyde de soufre (SO ), en utilisant des méthodes d’échantillonnage adaptées.
Des méthodes d’étalonnage sont données dans le présent document, ainsi que des recommandations
relatives aux opérations de nettoyage recommandées, à l’entretien, aux contrôles et aux modes opératoires
à effectuer sur l’instrument IRTF et les systèmes de prélèvement qui sont jugés essentiels pour maintenir
l’instrument dans un état d’utilisation adapté à l’analyse des effluents du feu.
L’échantillonnage est jugé comme faisant partie intégrante de la méthodologie de mesure IRTF complète et
des recommandations sont faites pour la conception, l’entretien et l’utilisation de systèmes adaptés.
Le présent document fournit des recommandations générales pour l’échantillonnage et l’analyse des effluents
du feu, fondées sur les bonnes pratiques déterminées à partir d’une grande diversité d’études d’essai au feu
normalisées et ad hoc, à petite échelle et grande échelle. Le présent document n’est pas nécessairement
applicable dans des méthodes d’essai au feu publiées spécifiques où l’IRTF est spécifié comme une exigence
pour l’échantillonnage et l’analyse des effluents dans cet essai particulier. Dans ces cas, les exigences
spécifiques relatives à l’échantillonnage et l’analyse par l’IRTF dans le cadre des modes opératoires d’essai
normalisés publiés s’appliquent. Toutefois, si de telles exigences spécifiques n’ont pas été publiées, cette
édition du présent document peut servir de base afin d’obtenir des résultats acceptables.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour
les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 12828-1, Méthode de validation des analyses de gaz d'incendie — Partie 1: Limites de détection et de
quantification
ISO 13344, Détermination du pouvoir toxique létal des effluents du feu
ISO 13571, Composants dangereux du feu — Lignes directrices pour l'estimation du temps disponible avant que
les conditions de tenabilité ne soient compromises
ISO 13943, Sécurité au feu — Vocabulaire
ISO 19701, Méthodes d'échantillonnage et d'analyse des effluents du feu
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et les définitions de l’ISO 13943 ainsi que les suivants
s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en normalisation,
consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org/
3.1
apodisation
processus mathématique appliqué pour corriger les écarts par rapport à l’interférogramme théorique
obtenu en spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF)
Note 1 à l'article: Ce processus élargit les bandes d’absorption et réduit donc la résolution.
3.2
interférogramme
modèle d’intensité de rayonnement variable, résultant de l’interaction de (généralement) deux faisceaux de
rayonnement électromagnétique monochromatiques de longueur d’onde identique, lorsque les faisceaux se
sont propagés sur un parcours différent avant de se combiner
3.3
résolution
capacité d’un spectrophotomètre à distinguer deux fréquences (ou nombres d’onde) adjacentes,
mathématiquement définie comme la séparation qui produit deux bandes séparées par au moins la demi-
intensité de l’une des deux
Note 1 à l'article: En spectroscopie infrarouge, deux bandes consécutives ont souvent une intensité différente.
La résolution est généralement exprimée par la largeur à mi-hauteur d’une seule bande d’absorption identifiée comme
« isolée et mince ».
−1
Note 2 à l'article: Elle est généralement exprimée en unités de cm et elle représente le plus petit espacement entre les
pics d’absorption qui peuvent être résolus.
3.4
spectrophotomètre
instrument utilisé pour disperser l’énergie radiante électromagnétique en un spectre et mesurer certaines
caractéristiques telles que la longueur d’onde, l’énergie ou l’indice de réfraction, par exemple, servant de
base pour la détermination qualitative et quantitative des espèces chimiques qui interagissent avec l’énergie
radiante de manière sélective en fonction des espèces
3.5
justesse de nombres d’onde
capacité d’un spectrophotomètre donné à fournir un flux radiant exact à une longueur d’onde ou un nombre
d’onde spécifique
3.6
nombre d’onde
ν
inverse de la longueur d’onde, λ, du rayonnement électromagnétique
Note 1 à l'article: ν =
λ
−1
Note 2 à l'article: où ν est exprimé en centimètres inverses (cm ) et λ est normalement exprimé en µm. Cette formule
implique un facteur de conversion de 10 000 dans le calcul du nombre d’onde à partir de la longueur d’onde.
3.7
remplissage par des zéros
technique de correction appliquée pour espacer des données afin de pouvoir générer des points de données
intermédiaires par une régression mathématique
4 Principes
Un système permettant de mesurer des concentrations de gaz et de vapeurs dans les effluents du feu par la
technique d’IRTF extractive comprend un système de prélèvement, une cellule optique qui laisse passer la
lumière, une source de lumière infrarouge, un interféromètre et un détecteur optique. Un logiciel est requis
pour extraire l’identification et les concentrations des espèces à partir des signaux collectés.
Le système de prélèvement est conçu pour fournir un écoulement de gaz à la cellule optique d’IRTF qui
est une représentation aussi réelle que possible de l’effluent dans une région connue d’où l’échantillon est
extrait. Il est nécessaire de comprendre les inexactitudes, par exemple dues aux pertes par condensation ou
adsorption dans les tubes de prélèvement, de les quantifier et de les appliquer aux résultats finaux.
Les principes de la spectroscopie infrarouge et de l’IRTF sont détaillés dans de nombreux textes, notamment
dans les Références [12], [16] et [28]. L’Annexe A donne un aperçu général de ce principe.
Le processus mathématique qu’un spectrophotomètre IRTF utilise pour générer les concentrations des
espèces est généralement breveté et varie suivant le fabricant et le modèle. L’obtention de concentrations
précises nécessite un étalonnage, un examen des formes et séparations des pics spectroscopiques, et une
éventuellement vérification de certaines concentrations en appliquant une seconde technique analytique.
5 Échantillonnage
5.1 Généralités
Dans la majorité des cas, les exigences relatives aux systèmes de prélèvement spécifiés dans le présent
document sont généralement applicables aux essais à petite et grande échelle, mais les exigences
d’échantillonnage pour des essais spécifiques ne sont pas détaillées. Ces détails doivent être fournis dans
les Normes internationales qui décrivent ces essais spécifiques. Les parties du système de prélèvement
à concevoir pour un montage d’essai spécifique ou un emplacement de prélèvement dans ce montage
comprennent la sonde d’échantillonnage et le filtre, la longueur et la température maintenue de la ligne de
prélèvement, et le débit d’échantillonnage. Ces paramètres d’échantillonnage sont normalement spécifiés de
[18][19]
manière à correspondre au volume et à la géométrie de la cellule optique dans le spectromètre IRTF.
[25][27]
L’Annexe B donne des exemples de systèmes de prélèvement.
La sonde de prélèvement est conçue pour extraire des échantillons totalement représentatifs du montage
d’essai et/ou du flux d’effluents du feu et est constituée d’un ou plusieurs matériaux qui seront inertes aux
effluents mesurés. Des recommandations pour la conception des sondes sont données en 5.4.
Le filtre de la ligne de prélèvement doit capturer les particules afin d’éviter tout dépôt sur les miroirs
internes de la cellule IRTF. Des recommandations pour le choix des filtres sont données en 5.3.
La conception de la ligne de prélèvement et les caractéristiques de débit influent sur la durée des mesurages
de concentrations. Des recommandations pour la conception de la ligne de prélèvement et le choix du débit
d’échantillonnage sont données de 5.5 à 5.7.
Le volume et la géométrie de la cellule imposent des restrictions sur le débit d’échantillonnage et donc sur
la résolution temporelle des mesurages et l’uniformité du gaz dans la cellule optique. Des recommandations
pour le choix de la cellule sont données en 5.8.
Pour des raisons de sécurité, les gaz extraits et analysés doivent retourner à la conduite d’évacuation du
montage d’essai au feu, ou être sinon évacués sans mise en danger du personnel et vers un emplacement qui
ne perturbe pas les mesurages. En cas d’essai normalisé contenant une exigence ou une option d’analyse des
gaz par IRTF, il est prévu que cet essai donne des exigences spécifiques relatives à l’élimination sans danger
du flux d’effluents après le mesurage (par exemple, si les effluents seront remis en circulation ou éliminés en
toute sécurité).
L’exigence applicable à chaque partie du système de prélèvement est décrite séparément dans les paragraphes
suivants. L’Annexe M donne des exemples d’équipement IRTF brevetés et de systèmes de prélèvement qui se
sont révélés adaptés à l’analyse des effluents du feu.
NOTE L’échantillonnage dans le cadre d’essais à grande échelle tels que ceux décrits dans la série ISO 9705 et dans
[3]
les grands calorimètres ouverts (ISO 24473) est décrit dans la Référence .
5.2 Température du système de prélèvement
5.2.1 Le système de prélèvement doit être porté à une température de consigne comprise entre 150 °C et
la température de la cellule à gaz (valeur maximale recommandée: 190 °C).
5.2.2 La température du système de prélèvement complet doit être maintenue constante et non supérieure
à celle de la cellule à gaz afin d’éviter toute condensation dans la cellule.
NOTE 1 Il est important de chauffer le gaz dans le système de prélèvement jusqu’à une température aussi proche
que possible de la température de consigne du système. Un mode opératoire pour contrôler la température du gaz
dans la cellule optique est donné à l’Article F.1.
Il convient que la température du système soit constante, mais la condition la plus importante est que la
température de la cellule à gaz soit la plus élevée dans le système de prélèvement.
La température doit être suffisamment élevée pour empêcher la condensation et les pertes dues à la
dissolution des gaz de combustion solubles provenant de l’échantillon. L’ensemble du système de prélèvement
doit être maintenu à une température minimale de 150 °C, bien que la température recommandée soit
[18][19]
de 180 °C.
NOTE 2 Il n’est pas admis que la température dépasse 200 °C en tout point situé entre le point de prélèvement et
la cellule à gaz, car les réactions chimiques entre les composants des effluents du feu prélevés pourraient conduire à
une modification de la composition des gaz au-delà de cette température. Les oxydes d’azote sont particulièrement
sensibles à ce paramètre.
5.3 Systèmes filtrants
5.3.1 Une cellule à gaz équipée de miroirs internes doit être protégée par un filtre à particules contre la
suie/le dépôt de particules provenant de l’effluent prélevé.
5.3.2 Le filtre est généralement positionné juste après la sonde de prélèvement et avant la ligne de
prélèvement chauffée.
5.3.3 Le filtre doit être chauffé uniformément dans un boîtier afin d’empêcher toute condensation de
liquides.
NOTE 1 Le placement des filtres dans la ligne de prélèvement est important, car un placement incorrect peut
entraîner des pertes d’échantillons significatives (par exemple par adsorption de gaz sur les particules) qui conduisent
à des profils de concentration/temps déformés des espèces mesurées.
NOTE 2 Pour certaines conceptions de filtre et de boîtier, le placement du filtre directement entre la sonde et la
ligne de prélèvement peut, dans certains cas, engendrer des problèmes aux premiers stades d’un essai au feu dans
un compartiment. Le média filtrant, bien que chauffé extérieurement, peut être refroidi en interne par le flux de gaz
prélevé froid. Une différence de température importante peut alors apparaître entre le média filtrant interne et le
boîtier du filtre chauffé. Cette situation crée des conditions propices à la condensation de l’eau, des gaz acides solubles
dans l’eau et des vapeurs à point d’ébullition élevé à l’intérieur du média filtrant. Les gaz piégés peuvent être libérés
dès que la température du média filtrant augmente, en entraînant une nouvelle déformation de l’historique des
concentrations. Pour éviter ce phénomène, une ligne de prélèvement suffisamment longue, comportant un nombre
approprié de segments chauffés, peut être utilisée pour préchauffer les échantillons de gaz jusqu’à la température
prévue de la ligne, avant l’entrée en contact avec le média filtrant.
5.3.4 Le filtre doit être porté à une température de consigne comprise entre 150 °C et la température de la
cellule à gaz du spectromètre.
NOTE La température maximale recommandée de la cellule à gaz du spectromètre est de 190 °C.
5.3.5 Le filtre recommandé est de type cylindrique, et non à surface plane.
NOTE Du fait de sa surface importante, un filtre cylindrique offre une capacité de filtration élevée, caractéristique
particulièrement importante pour le filtre primaire ou le pré-filtre. Des filtres cylindriques en céramique de 75 mm
[13][14]
de long, 31 mm de diamètre et 2 µm de porosité ont été utilisés avec succès dans différents types d’essai au feu.
[18]
Les autres matériaux des filtres cylindriques peuvent être le polytétrafluoroéthylène (PTFE), la fibre de verre et
l’acier inoxydable.
Les filtres en laine de verre, céramique et acier inoxydable pourraient induire des pertes de fluorure
d’hydrogène et il convient de les éviter dans la ligne de prélèvement lorsque le flux d’effluents est susceptible
de contenir du fluorure d’hydrogène.
La porosité et la taille du filtre doivent être choisies de sorte à parvenir à un bon compromis permettant
un piégeage suffisant de la suie et d’autres particules sans entraîner un colmatage prématuré du filtre, en
utilisant les recommandations données dans le présent paragraphe comme guide.
5.3.6 Des filtres à surface plane peuvent également être utilisés.
NOTE 1 Comparés aux filtres cylindriques, les filtres à surface plane présentent généralement une capacité de
filtration inférieure et un risque de colmatage accru. Ils peuvent néanmoins être utilisés efficacement comme filtres
secondaires s’ils sont positionnés après un pré-filtre cylindrique.
NOTE 2 Lorsqu’aucun préfiltre n’est utilisé, un filtre de 1 µm de porosité et de 47 mm à 75 mm de diamètre offre le
meilleur compromis pour les filtres à surface plane (comparés aux filtres de 0,45 µm et/ou 5 µm en PTFE), bien que
[18]
d’autres porosités et diamètres puissent être utilisés avec succès. Il a également été rapporté qu’un filtre en acier
inoxydable de 1 µm ou 2 µm est satisfaisant. Les filtres en acier inoxydable peuvent être nettoyés et régénérés par
calcination. Les Références [15] et [21] donnent des détails sur le choix des filtres.
5.3.7 Les filtres doivent être analysés afin de détecter la présence éventuelle de gaz acides si ces derniers
doivent être mesurés et que des pertes peuvent être attendues au niveau du filtre.
NOTE 1 Les pertes de gaz acides dans le filtre sont dues à l’adsorption sur les particules de suie et/ou de liquide
présentes dans le panache du feu ou sur la suie retenue par le filtre. Les pertes par adsorption sont particulièrement
importantes lorsque le mesurage porte sur de faibles concentrations de gaz acides ou en cas de prélèvement sur une
courte période. Dans ces conditions, les gaz acides peuvent initialement être retirés du flux d’effluents prélevé jusqu’à
saturation des sites d’adsorption dans le filtre. À l’issue de cette étape, la majorité du composant gazeux acide sera
transférée dans la ligne de prélèvement. Ce transfert entraîne un rejet parasite de gaz acide à partir du filtre au fil du
temps, qui ne correspond pas exactement au rejet des gaz acides provenant de l’atmosphère prélevée. Pour estimer ces
pertes, un mode opératoire pour analyser les gaz retenus sur le filtre est donné dans l’Annexe C.
NOTE 2 Une analyse des pertes de chlorure d’hydrogène (HCl) dans les filtres a été réalisée dans le cadre du projet
[18]
SAFIR. L’analyse chimique des filtres lors des mesurages de portes effectués au cours des expériences en enceinte
d’essai de la série ISO 9705 a montré que les pertes de HCl étaient faibles (pertes comprises entre 0,4 % et 1,3 % de la
quantité prélevée totale) dans les filtres cylindriques en céramique. Une rétention de HCl légèrement supérieure a été
observée pour un filtre à surface plane en fibre de verre (pertes comprises entre 1,1 % et 5,8 % de la quantité prélevée
totale). Dans les deux cas, les pertes relatives de HCl les plus élevées ont été observées lorsque la concentration
mesurée de HCl était faib
...
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