ISO 19702:2015
(Main)Guidance for sampling and analysis of toxic gases and vapours in fire effluents using Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy
Guidance for sampling and analysis of toxic gases and vapours in fire effluents using Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy
ISO 19702:2015 specifies requirements and makes recommendations for sampling systems for use in small and large-scale fire tests, for the selection of parameters and use of the FTIR instrument itself and for collection and use of calibration spectra.
Lignes directrices pour l'analyse des gaz et des vapeurs dans les effluents du feu par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF)
L'ISO 19702:2015 des exigences et formule des recommandations relatives aux systèmes de prélèvement à utiliser pour les essais au feu à petite et moyenne échelle, à la sélection des paramètres et l'utilisation de l'instrument IRTF lui-même, ainsi qu'à la collecte et l'utilisation des spectres d'étalonnage.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 19702
Second edition
2015-08-01
Guidance for sampling and analysis
of toxic gases and vapours in fire
effluents using Fourier Transform
Infrared (FTIR) spectroscopy
Lignes directrices pour l’analyse des gaz et des vapeur dans les effluents
du feu par spectroscopie infrarouge à transforée de Fourier (IRTF)
Reference number
©
ISO 2015
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ii © ISO 2015 – All rights reserved
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 . 5
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 .12
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 .13
7.4 Acquiring and collecting calibration standards .13
8 Measurement procedure .13
8.1 General .13
8.2 Daily 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 .
D Q 17
10.3 Repeatability and reproducibility.17
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 .25
Annex D (normative) Response time determination of the complete FTIR sampling system .26
Annex E (informative) Considerations for FTIR optical cell selection .29
Annex F (normative) Verification of FTIR optical cell performance .31
Annex G (informative) Spectrophotometer .33
Annex H (normative) Verification of spectrometer performance .37
Annex I (informative) Reference gases.41
Annex J (informative) Calibration methods .47
Annex K (informative) Recording reference spectra and building a calibration set .50
Annex L (informative) Repeatability and reproducibility .54
Annex M (informative) Examples of equipment and parameters .55
Bibliography .66
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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 documents 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).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity
assessment, as well as information about ISO’s adherence to the WTO principles in the Technical
Barriers to Trade (TBT), see the following URL: Foreword — Supplementary information.
The committee responsible for this document is ISO/TC 92, Fire safety, SC 3, Fire threat to people
and environment.
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 19702:2006), which has been
technically revised.
Introduction
[4][11][26]
Sampling and analysis of fire effluents is required for a variety of applications in life threat and
[6]
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 may 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 occasionally employing methods used in other fields (e.g. atmospheric pollution), obtaining
relevant data often requires specialized sampling and analysis techniques, 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 methods have emerged in recent years, and in some cases, standards 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
— relevant data concerning the presence of a toxicant which may be found in the stored FTIR spectra,
in case a new toxicant should later be identified as important.
Although when published, ISO 19701 summarized the technique and some applications of FTIR in fire gas
analysis, the method has since undergone considerable development and the requirements for obtaining
reliable results have been established, using “best practice” procedures. This International Standard is
developed by ISO TC 92, SC 3 to provide the requirements, which will include additional information.
FTIR 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 © ISO 2015 – All rights reserved
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.307(88) ).
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 SAFIR (Smoke
[18][19]
Gas Analysis by Fourier Infrared Spectroscopy), 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 this project formed the basis for the first version of this International Standard. This revised
version has been updated with more recent information, e.g. References [8], [15], [21], [25] and [27].
It should be appreciated that any chemical analysis is selective in terms of chemical species determined
and the accuracy and precision of quantitative measurements. Some chemical analytical methods may
be appropriate for accurate determination of some species but less appropriate for other species. Thus,
despite the ability of FTIR to measure a wide range of chemical species of interest in the field of life
threat from fire, additional methods may also be required 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.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 19702:2015(E)
Guidance for sampling and analysis of toxic gases and
vapours in fire effluents using Fourier Transform Infrared
(FTIR) spectroscopy
1 Scope
This International Standard specifies requirements and makes recommendations for sampling systems
for use in small and large-scale fire tests, for the selection of parameters and use of the FTIR instrument
itself and for collection and use of calibration spectra.
The primary purpose of the methods is to measure the concentrations of chemical species in fire
effluents which may 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 characterisation studies,
c) provide data for use in mathematical modelling of hazard to life from the fire effluent by
characterising the effluent composition generated by physical fire models,
d) characterise 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 International Standard 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).
2 2
In most common cases, a wide concentration range may be measured by an FTIR instrument. Typically,
it is in the range from few µl/l to thousands of µl/l for HCl, HBr, HF, SO , NO , and HCN, and up to
2 x
[27]
few per cent for CO, CO and H O. This list is only indicative and many other species could be added.
2 2
Although not specifically defined in this International Standard, as they were not specifically studied
[18]
in the 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 International Standard. 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 to maintain 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.
Conformance with this International Standard implies that:
— The sampling procedure used is in accordance with current internationally accepted “best practice”
for the applications described.
— The analytical procedure has been carried out with due regard to the restraints imposed by the
nature of the fire effluent atmosphere and the limitations of the FTIR methodology itself.
This International Standard only provides general recommendations for the sampling and analysis
of fire effluents, based on best practice as determined from a wide variety of small- and large-scale
standard and ad hoc fire test studies. The Standard may not be wholly applicable for use in specific
published fire test methods where FTIR may be 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 may be published within the standard test procedures and should be followed. However, if such
specific requirements have not been published, this edition of this International Standard may be used
as a basis for acceptable results.
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are
indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated
references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 6286, Molecular absorption spectrometry — Vocabulary — General — Apparatus
ISO 6955, Analytical spectroscopic methods — Flame emission, atomic absorption, and atomic
fluorescence — Vocabulary
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, ISO 6286, and ISO 6955,
as well as the following apply.
3.1
apodisation
mathematical process to correct deviations from the theoretical interferogram obtained in 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. Then, resolution
is generally expressed as the width at half height of a single absorption band recognized as “isolated and thin”.
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−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.
[SOURCE: ISO 6286]
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 in wavelength
ability of a given spectrophotometer to provide an accurate radiant flux at a specific wavelength or
wavenumber
[SOURCE: ISO 6286]
3.6
wavenumber
inverse of the wavelength (λ) of electromagnetic radiation
Note 1 to entry: ν =
λ
−1
where ν (wavenumber) 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 must 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 International Standard 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 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
[18][19][25][27]
specified to match the volume and 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 International Standard 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 ISO 9705 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 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
[18][19]
of 150 °C, although the recommended temperature is 180 °C.
NOTE 2 The temperature must not 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.
4 © ISO 2015 – All rights reserved
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 shall normally be 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 may be cooled internally by the cool sample gas stream. A significant temperature
differential may 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 as well as high boiling point
vapours within the filter medium. The trapped gases may 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
[13][14][18]
and a porosity of 2 µm have been successfully used in various types of fire tests. 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 above recommendations 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
[18]
may be successfully used. Alternatively, 1µm 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 may
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 ISO 9705 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 per cent). 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
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
6 © ISO 2015 – All rights reserved
⌀3
5.4.1.1 The probe shall be made of material resistant to corrosion and must 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 influences 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 react with hydrogen fluoride (HF).
NOTE 4 A stainless steel probe placed in a position with initially a temperature lower than the sampled
effluent may cause condensation of products including water. This will lead to sample losses, an important
example of a gas species prone to losses being 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.
5.4.1.2 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 may not 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 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 sample from across the stratified layer.
5.4.3.2 A minimum hole diameter of 3 mm is recommended for multi-hole probes for most applications.
5.4.3.3 The holes in a multi-hole probe shall be directed downstream in the effluent stream to avoid
direct impingement of soot particles and thus reducing the possibility of blocking of the holes.
5.4.4 Probe positioning
5.4.4.1 In order to avoid perturbation in the effluent, the rate of volumetric sampling shall be a
small fraction (<25 %) of the total flow rate in flow-through apparatus or the total volume in a fixed
volume apparatus.
5.4.4.2 A single hole probe shall be positioned where the flow of effluent is not turbulent (but where
the effluents are well mixed). Positioning of the probe shall be considered for each physical fire model,
taking into account the effect of stratification and/or the velocity profile in flow tubes in addition to the
end use of the data, which in some cases may require sampling from the effluent stream close to and/or
at a distance from the effluent source.
5.4.4.3 With a multi-hole probe a gradation of hole sizes along the length of the probe and placement of
the probe such that it crosses the fire gases monitored can be used in large scale fire tests. A simpler but
less precise method is to place a single-port probe in a well-mixed location in the relatively well-mixed
upper la
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 19702
Deuxième édition
2015-08-01
Lignes directrices pour l’analyse des
gaz et des vapeur dans les effluents
du feu par spectroscopie infrarouge à
transforée de Fourier (IRTF)
Guidance for sampling and analysis of toxic gases and vapours in fire
effluents using Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy
Numéro de référence
©
ISO 2015
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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 de prélèvement . 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 de l’appareil .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 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 L’étanchéité du système de prélèvement doit être contrôlée. .15
8.2.5 Contrôle du débit d’échantillonnage .16
8.3 Préparation en vue de l’échantillonnage et de l’analyse .16
8.4 Modes opératoires initiaux précédant immédiatement un essai .16
8.5 Modes opératoires pendant le prélèvement .17
8.6 Modes opératoires après un essai .17
8.7 Réduction des données .17
9 Rapport d’essai .17
10 Fidélité et exactitude .18
10.1 Généralités .18
10.2 Limites L et L .
D Q 18
10.3 Répétabilité et reproductibilité .19
Annexe A (informative) Théorie de l’IRTF .20
Annexe B (informative) Systèmes de prélèvement IRTF .22
Annexe C (informative) Analyse du (des) filtre(s), de la ligne de prélèvement et de la sonde
afin d’évaluer la rétention des effluents .27
Annexe D (normative) Détermination du temps de réponse du système de prélèvement
IRTF complet .28
Annexe E (informative) Facteurs à considérer pour la sélection d’une cellule optique IRTF .31
Annexe F (normative) Vérification de la performance optique des cellules IRTF .33
Annexe G (informative) Spectrophotomètre .35
Annexe H (normative) Vérification de la performance du spectromètre .39
Annexe I (informative) Gaz de référence .43
Annexe J (informative) Méthodes d’étalonnage .49
Annexe K (informative) Enregistrement des spectres de référence et construction d’un
ensemble d’étalonnage .52
Annexe L (informative) Répétabilité et reproductibilité .56
Annexe M (informative) Exemples d’équipements et de paramètres .57
Bibliographie .69
iv © ISO 2015 – Tous droits réservés
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’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www.iso.org/brevets).
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 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’OMC concernant les obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: Avant-propos —
Informations supplémentaires.
Le comité chargé de l’élaboration du présent document est l’ISO/TC 92, Sécurité au feu, sous-comité SC 3,
Dangers pour les personnes et l’environnement dus au feu.
Cette seconde édition annule et remplace la première édition (ISO 19702:2006), qui a fait l’objet d’une
révision technique.
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 (pollution atmosphérique, par exemple) soient
utilisées occasionnellement, l’acquisition de données pertinentes nécessite souvent des techniques
d’échantillonnage et d’analyse spécialisées, 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 au foyer d’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 sont apparues ces dernières années et dans certains cas, des normes 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 des risques de feu.
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; et
— des données pertinentes relatives à la présence d’une substance toxique qui pourrait être extraite
des spectres IRTF enregistrés, si une nouvelle substance toxique venait à être ultérieurement
identifiée comme étant importante.
vi © ISO 2015 – Tous droits réservés
Bien que l’ISO 19701, une fois publiée, récapitulait la technique ainsi que certaines applications de l’IRTF
pour l’analyse des gaz de combustion, la méthode a connu depuis des développements considérables et
les exigences d’obtention de résultats fiables ont été établies, en utilisant les «meilleures» pratiques
opératoires. La présente Norme internationale a été élaborée par l’ISO TC 92, SC 3 afin de spécifier les
exigences qui incluront des informations supplémentaires.
L’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
[9]
exemple la résolution IMO MSC.307(88) ).
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.
Financé par l’Union Européenne, le projet SAFIR (Smoke Gas Analysis by Fourier Infrared Spectroscopy)
[18][19]
qui était axé sur les essais et la validation d’une méthode IRTF extractive utilisable dans une
grande diversité de 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 de ce projet ont constitué
la base de la première version de la présente Norme internationale. La présente version révisée a été
actualisée avec des informations plus récentes, telles que celles des Références [8],[15],[21],[25] et.[27]
Il convient de noter que toute analyse chimique est sélective en termes d’espèces chimiques déterminées
et d’exactitude et de 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’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.
NORME INTERNATIONALE ISO 19702:2015(F)
Lignes directrices pour l’analyse des gaz et des vapeur
dans les effluents du feu par spectroscopie infrarouge à
transforée de Fourier (IRTF)
1 Domaine d’application
La présente Norme internationale spécifie des exigences et formule des recommandations relatives aux
systèmes de prélèvement à utiliser pour les essais au feu à petite et moyenne échelle, à la sélection
des paramètres et l’utilisation de l’instrument IRTF lui-même, ainsi qu’à la collecte et l’utilisation des
spectres d’étalonnage.
Les méthodes 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 présente l’effluent
du feu en caractérisant sa 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, et
h) aider à l’interprétation des études biologiques, le cas échéant.
La présente Norme internationale 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).
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
2 x
jusqu’à quelques pour-cent pour CO, CO et H O. Cette liste est uniquement donnée à titre indicatif et de
2 2
[27]
nombreuses autres espèces pourraient être ajoutées. Bien qu’elle ne soit pas spécifiquement définie
dans la présente Norme internationale car elle n’avait pas été spécifiquement étudiée dans le cadre
[18]
du projet SAFIR, la méthode présentée convient également à l’analyse d’autres espèces gazeuses,
y compris 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 la présente Norme internationale, ainsi que des
lignes directrices sur les opérations de nettoyage recommandées, l’entretien, les contrôles et 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.
La conformité à la présente Norme internationale signifie que:
— Le mode opératoire d’échantillonnage utilisé est en conformité avec les «meilleures pratiques»
actuelles reconnues à l’échelle internationale pour les applications décrites.
— Le mode opératoire analytique a été exécuté en respectant les restrictions imposées par la nature
de l’atmosphère des effluents du feu et les limites de la méthodologie ITRF elle-même.
La présente Norme internationale fournit uniquement des recommandations pour l’échantillonnage et
l’analyse des effluents du feu, basées sur les meilleures pratiques déterminées à partir d’une grande
diversité d’études d’essai au feu normalisées et ad hoc, à petite et grande échelle. La présente norme
peut ne pas être entièrement applicable dans des méthodes d’essai au feu publiées spécifiques où
l’IRTF peut être spécifiée 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 peuvent être publiées dans le cadre des modes opératoires d’essai normalisés et il convient
de s’y conformer. Toutefois, si de telles exigences spécifiques n’ont pas été publiées, cette édition de la
présente Norme internationale peut servir de base afin d’obtenir des résultats acceptables.
2 Références normatives
Les documents ci-après, dans leur intégralité ou non, sont des références normatives indispensables à
l’application 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 6286, Spectrométrie d’absorption moléculaire — Vocabulaire — Généralités — Appareillage
ISO 6955, Méthodes d’analyse par spectroscopie — Émission de flamme, absorption atomique et
fluorescence atomique — Vocabulaire
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 définitions donnés dans les ISO 13943, ISO 6286, et
ISO 6955 s’appliquent, ainsi que les suivants.
3.1
apodisation
processus mathématique appliqué pour corriger les écarts par rapport à l’interférogramme théorique
obtenu en spectroscopie 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
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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 alors 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.
[SOURCE: ISO 6286]
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 en longueur d’onde
capacité d’un spectrophotomètre donné à fournir un flux radiant exact à une longueur d’onde ou un
numéro d’onde spécifique
[SOURCE: ISO 6286]
3.6
nombre d’onde
inverse de la longueur d’onde (λ) du rayonnement électromagnétique
Note 1 à l’article: ν =
λ
−1
où ν (nombre d’onde) est exprimé en centimètres inverse (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
garnissage de 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. Les inexactitudes, par exemple dues aux pertes par condensation ou adsorption dans les
tubes de prélèvement, doivent être comprises, quantifiées et appliquées 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 la présente
Norme internationale 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 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 manière à correspondre au volume et à la géométrie de la cellule optique dans le
[18][19][25][27]
spectromètre IRTF . 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 de matériaux qui seront inertes aux
effluents mesurés. Des lignes directrices 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 lignes directrices 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 lignes directrices pour la conception de la ligne de prélèvement et la
sélection 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 lignes
directrices 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 la présente Norme internationale 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 avérés adaptés à l’analyse des effluents du feu.
NOTE L’échantillonnage réalisé dans le cadre des essais à grande échelle, tels que l’ISO 9705 pour les grands
[3]
calorimètres ouverts, 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 en F.1.
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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
[18][19]
recommandée soit de 180 °C.
NOTE 2 La température ne doit pas dépasser 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 doit normalement être 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 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 ainsi que 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 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 de long, 31 mm de diamètre et 2 μm de porosité ont été utilisés avec succès dans
[13][14][18]
différents types d’essais au feu . 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 à titre de compromis permettant un piégeage
suffisant de la suie et d’autres particules sans entraîner un colmatage prématuré du filtre, en utilisant
les recommandations ci-dessus comme un 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 pré-filtre n’est utilisé, un filtre de 1 µm de porosité et de 47 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),
[18]
bien que d’autres porosités et diamètres puissent être utilisés avec succès . L’utilisation réussie d’un filtre en
acier inoxydable de 1 ou 2 μm a également été rapportée. 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
[18]
projet SAFIR. L’analyse chimique des filtres lors des mesurages de portes effectués au cours des expériences
en enceinte d’essai de l’ISO 9705 a montré que les pertes étaient faibles (pertes entre 0,4 et 1,3 % par rapport à
la quantité totale prélevée) de HCl 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 relatives comprises entre 1,1 et
5,8 %). Dans les deux cas, les pertes relatives de HCl les plus élevées ont été observées lorsque la concentration
mesurée de HCl était faible.
Les cinétiques d’absorption sur le filtre n’ont pas été caractérisées et il est donc difficile d’établir un
profil réel de temps/concentration des espèces acides dans l’atmosphère de combustion prélevée.
Cependant, lorsque la quantité totale de gaz produit au cours de la combustion est requise, il convient
d’ajouter la quantité mesurée sur le filtre à la quantité totale mesurée par IRTF (voir Annexe C). Il faut
souligner que l’adsorption sur le filtre a un effet sur l’exactitude des mesurages en fonction du temps des
gaz émis pendant la combustion. Lorsque des mesures en fonction du temps sont requises, il convient
de tenir compte des informations sur les gaz analysés sur le filtre afin d’estimer l’effet potentiel sur les
données de concentration/temps.
5.3.8 Il convient de noter que certains matériaux de filtres peuvent contenir du chlore. Il convient
de mesurer la teneur en chlore d’un filtre propre, non utilisé, afin d’établir une référence pour la
détermination du niveau de chlore adsorbé à partir des gaz de combustion.
5.4 Sondes de prélèvement
5.4.1 Généralités
Deux types de sondes peuvent être distingués: les sondes à un seul trou et les sondes à plusieurs trous.
Le choix dépend du modèle de feu physique duquel l’échantillon est extrait afin d’obtenir un mélange
d’effluents représentatif. Un exemple des deux types de sondes est présenté sur Figu
...
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