La plongée sous-marine est une activité
à risque faisant intervenir l'utilisation d'équipement de pointe nécessaire
au soutien des fonctions vitales. Une formation appropriée auprès d'une agence de certification
reconnue devrait être suivie par quiconque désire pratiquer cette activité.
Mise en garde
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Secoué, non agité!
par Mireille Dallaire
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Toutes les
semaines, ou presque, je dépose mes cylindres à mon magasin de
plongée favori et demande le nitrox optimal pour la plongée que
je prévois faire pendant mes jours de congé. Je ne me pose pas trop de questions,
tout ça me semble compliqué et surtout très dangereux! Tous ces gaz purs compressés dans
des cylindres qui, dans mon imagination, menacent d’exploser à
tout moment. Quelques jours plus
tard, je récupère mes cylindres et analyse mon mélange
qui, comme par magie, est exactement celui que j’avais demandé,
à quelque dixième près. Qu’est-ce qui s’est
passé pendant ce temps? Comment arrive-t-on à produire différents mélanges
avec exactitude? Comment
s’assure-t-on de la qualité des mélanges
préparés?
Un
mélange de gaz prédéterminé est obtenu par le
mélange de gaz purs ou de mélanges gazeux. Plusieurs méthodes existent pour
la préparation des nitrox ou EANx. Le choix d’une méthode par rapport à une autre
dépend de plusieurs facteurs tels que : l’investissement
initial, l’espace disponible, la stabilité de l’espace de
remplissage (navire ou terre ferme), etc.
Le mélange par masse moléculaire
La masse
moléculaire des gaz est prise en compte lors du mélange par
masse moléculaire, plutôt que la pression. Un cylindre vide est placé sur une balance que l’on remet
à zéro pour enlever le poids de celui-ci. L’oxygène est ensuite
ajouté jusqu’au poids désiré, puis c’est au
tour de l’air. La
précision de la balance prime pour assurer la justesse du
mélange.
Bien que la
méthode soit précise et que le coût de
l’équipement nécessaire relativement faible, plusieurs
ajustements doivent être pris en compte lors d’un remplissage.
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Premièrement, le poids du boyau
relié au cylindre pour le remplissage ainsi que la force de torsion
créée dans ce boyau lorsque le système est
pressurisé modifie la
lecture de la balance. Deuxièmement, il est difficile de séparer le poids du
cylindre du poids des gaz lorsque ce dernier est à moitié
plein. Pour contourner le
problème, un registre détaillant le numéro de série
du cylindre ainsi que son poids peut être rédigé. Une autre solution consiste à
déterminer la pression du gaz résiduel ainsi que sa teneur en
oxygène et en calculer la masse. Quoiqu’il en soit, le processus s’en
trouve considérablement alourdi.
Le mélange par pressions partielles
Cette
méthode découle directement de la loi de Dalton sur les pressions
partielles qui stipule que la pression totale d’un mélange est
égale à la somme des pressions partielles de tous les gaz qui le
composent. Elle est de loin la plus
couramment utilisée dans l’industrie puisqu’elle requiert un
investissement initial minimal et quelle est relativement simple
d’application. Un autre avantage de cette méthode est que
l’équipement nécessaire se transporte facilement,
permettant ainsi les expéditions dans des régions
éloignées.
Puisque
cette méthode implique l’utilisation d’oxygène pur ou
de mélanges riches en oxygène, supérieurs à 40%, le
système doit répondre aux critères d’entretien des
systèmes d’oxygène et l’équipement
utilisé doit être compatible à l’oxygène.
Bien que
les calculs de mélange par pressions partielles soient simples, la
justesse du mélange dépend du soin apporté par le
mélangeur à son travail.
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La température et la compressibilité
variable des gaz imposent de nombreux ajustements où l’expérience de ce
dernier se révèle être un atout précieux.
Les étapes
détaillées de cette méthode ainsi que les notions
mathématiques sous-jacentes seront expliquées un peu plus loin
dans cet article.
Le mélange automatique
Cette méthode repose sur les mêmes principes que le mélange par
pressions partielles à la différence que le processus est
entièrement automatisé. Le mélangeur saisi les spécifications du mélange
désiré sur un panneau de contrôle et le système
asservi par un microprocesseur prend la relève et
complète le mélange. Cette méthode assure une extrême justesse du mélange
pour deux raisons : D’une part, l’élimination du
facteur humain réduit les erreurs causées par les manipulations
des valves et des manomètres. D’autre part, un modèle thermodynamique est
intégré au système permettant les ajustements pour les
variations de température et les facteurs de compressibilité des
gaz. Enfin, une alarme
audio-visuelle annonce que le mélange est terminé et que
l’utilisateur doit analyser son mélange. Les
coûts d’opérations sont minimaux puisque le système
est autonome et ne nécessite pas l’intervention humaine.
La méthode par mélange continu
La principale caractéristique de cette méthode,
est que le mélange a lieu à la pression atmosphérique. Un analyseur
lit ensuite la concentration en oxygène du
mélange avant de le compresser dans une banque ou des cylindres. Les mélanges sont
généralement restreints à 40% de concentration
d’oxygène même si la méthode permet des
mélanges plus riches.
Grâce
à l’homogénéité du mélange, ce
système à haut volume rend possible le remplissage
simultané de banques de nitrox et de cylindres, comme s’il
s’agissait d’air.
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Cependant, l’investissement initial ainsi que les coûts
d’opération sont très élevés en plus
d’être un long processus fastidieux.
La méthode de séparation par perméabilité différentielle
Cette
méthode se base sur le principe de perméabilité
sélective pour séparer les gaz. Chaque gaz a sa propre
perméabilité qui lui permet de se dissoudre et se diffuser
à travers une membrane à un taux plus ou moins
élevé. Ce taux permettra aux gaz rapides de se séparer des gaz lents.
L’air
pressurisé alimente une cartouche composée de groupes de membranes
semi-perméables formées de petites fibres vides en
polymère. Au moment
où l’air passe à travers les fibres,
l’oxygène, un gaz rapide donc davantage perméable, passe
à travers la membrane. L’air riche en oxygène est recueilli sur le
côté de la cartouche alors que l’air riche en azote sort par
l’extrémité aval de cette dernière. Bien qu’il existe plusieurs
méthodes, le débit à la sortie d’azote
contrôle généralement la concentration en oxygène du
nitrox.
L’avantage
principal de cette méthode est qu’elle ne nécessite pas
d’oxygène pur, puisque que rôle de la cartouche-membrane est
d’enlever l’azote de l’air pour produire le nitrox. Elle peut donc être
utilisée à des endroits où l’approvisionnement en
oxygène pur est limité, voir impossible. Toutefois, le nitrox est limité
à 40% de concentration d’oxygène et les coûts de
l’investissement initial sont élevés.
La méthode par achat direct des mélanges
Bien que
cette méthode semble simple puisqu’elle consiste à acheter
le nitrox directement du fournisseur, elle comprend quelques désavantages. Premièrement, l’utilisateur
est limité à une concentration fixe en oxygène, soit 32%
ou 36%.
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Deuxièmement, elle nécessite
l’emploi d’un surpresseur puisqu’après quelques
remplissages la pression de la cascade chutera sous les 2500 psi, ce qui
n’est pas suffisant pour remplir les cylindres. Troisièmement, ces
mélanges sont dispendieux. Enfin, si un cylindre comprend un gaz résiduel différent
de celui de la cascade, il devra être purgé avant le nouveau
remplissage, ce qui représente un gaspillage de gaz coûteux.
Le mélange par pressions partielles -
Calculs et méthodologies
Il y a deux
façons de fabriquer un nitrox par mélange par pressions
partielles :
- L’utilisation d’une formule simple;
- l’utilisation de tables.
Voici la
formule utilisée pour le calcul.
ΔPO2 = PF * (MF - MSA) – PI * (MI - MSA)
(MSO - MSA)
Il faut noter que cette formule ne tient pas compte des effets de la
température, ni de la compressibilité des gaz.
ΔPO2
PI
PF
MI
MF
MSA
MSO
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Pression de mélange riche à ajouter.
Pression résiduelle dans le cylindre.
Pression requise dans le mélange final.
Fraction d’O2 du gaz résiduel dans le cylindre.
Fraction d’O2 désirée dans le mélange final.
Fraction d’O2 dans le mélange pauvre en oxygène. Généralement c’est de l’air.
Fraction d’O2 dans le mélange riche en oxygène. Généralement d’est 100% d’O2.
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L’exemple
suivant illustre bien l’utilisation de cette formule ainsi que toutes les
étapes à suivre pour la préparation du nitrox. Le gaz résiduel de notre cylindre
est un EAN 32 à 1000 psi de pression. Il s’agit d’un cylindre en
aluminium qui a une pression maximale de 3000 psi et le plongeur désire
un EAN 36 pour sa prochaine plongée. La station de remplissage de la boutique
de plongée a une réserve d’air et une d’oxygène.
1) Analyser le gaz résiduel dans le cylindre. Il s’agit d’un EAN 32 et la pression résiduelle est de 1000 psi.
2) Effectuer les calculs afin de trouver la pression à atteindre lors de l’ajout de l’oxygène et noter les résultats.
ΔPO2 = PF * (MF - 0.21) – PI * (MI – 0.21)
0.79
ΔPO2 = 3000 * (0.36 - 0.21) – 1000 * (0.32 – 0.21)
0.79
ΔPO2 = 430 psi
3) Remplir le cylindre avec de l’oxygène jusqu’à ce que
la pression calculée précédemment soit atteinte. La lecture du manomètre est
alors de 1,430 psi, soit la pression initiale dans le cylindre de 1000 psi plus l’ajout de l’oxygène de 430 psi.
4) Laisser reposer quelques minutes afin que le mélange puisse refroidir.
5) Remplir le cylindre d’air jusqu’à ce que la pression maximale du
cylindre soit atteinte. La lecture du manomètre est alors de 3,000 psi.
6) Analyser le mélange. La lecture est de 0.36.
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Il existe cependant des tables qui permettent de contourner
la phase de calcul. Reprenons le même exemple que précédemment
et voyons les étapes à suivre pour la préparation du nitrox.
1) Analyser le gaz résiduel
dans le cylindre. Il s’agit d’un EAN 32
et la pression est de 1000 psi.
2) Pour le gaz résiduel,
trouver dans la table le chiffre se trouvant à l’intersection de
la concentration du mélange (32%) et de la pression (1000 psi). On note 139 psi.
3) Répéter l’étape précédente en utilisant les
données du mélange désiré, soit une concentration de 36% à 3000 psi. On note 570 psi.
4) Soustraire le résultat obtenu en 2) du résultat obtenu en 3).
Il s’agit alors de la quantité d’oxygène, exprimée en psi, qui doit être ajoutée
au gaz initial pour obtenir le nitrox visé, soit 429 psi.
5) Remplir le cylindre avec de l’oxygène jusqu’à ce que
la pression calculée précédemment soit atteinte. La lecture du manomètre est
alors de 1,429 psi, soit la pression initiale dans le cylindre de 1,000
psi plus l’ajout de l’oxygène de 429 psi.
6) Laisser reposer quelques minutes afin que le mélange refroidisse.
7) Remplir le cylindre avec de l’air jusqu’à ce que la pression désirée du
cylindre soit atteinte. La lecture du manomètre est alors de 3,000 psi.
8) Laisser reposer afin que le mélange refroidisse.
9) Analyser le mélange. La lecture est de 0.36.
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Extrapolation linéaire
En observant une table de mélange nitrox, on voit que la pression de gaz en
abscisse augmente à tous les 100 ou 200 psi et que le pourcentage
d’oxygène en ordonnée augmente de 2%. Il est rarissime qu’un cylindre
arrive à la station de remplissage avec une pression et une
concentration à ce point précise. L’extrapolation linéaire
est alors utilisée pour déterminer quelle quantité
d’oxygène doit être ajoutée pour obtenir le nitrox
désiré. Une formule
mathématique existe pour calculer exactement la quantité requise,
cependant l’expérience du mélangeur permet
d’estimer rapidement le résultat et d’arriver à un
mélange suffisamment précis pour satisfaire l’utilisateur.
Le trimix
Les
difficultés rencontrées lors de la préparation d’un
mélange trimix sont attribuables à la nature et la structure
atomique de l’hélium. D’abord, l’hélium est un gaz inerte difficile
à analyser. Ensuite, ses
caractéristiques diffèrent tellement de celles de
l’oxygène et de l’azote qu’il est difficile
d’effectuer précisément les différents calculs. Finalement, la justesse du mélange
est d’autant plus important que la profondeur à laquelle ce
mélange sera utilisé sera grande.
À la
base, les calculs utilisés pour trouver les quantités de gaz
à ajouter au mélange sont aussi simples que ceux du nitrox, tels
qu’expliqués précédemment. Les mélanges trimix
nécessitent un remplissage plus lent et quelques fois un
mélangeur plus expérimenté pour pallier la
différence comportementale de ce gaz par rapport aux autres.
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Les
logiciels de planification de plongée comprennent souvent un
sous-programme permettant de calculer les pressions des gaz à être
ajoutés. C’est une
méthode rapide qui réduit considérablement les erreurs
causées par des calculs manuels aussi simple soient-ils. Voici les formules utilisées pour
ces calculs :
ΔPHe
ΔPair
ΔPO2
MIHe
MIO2
MIN2
PI
MFO2
MFHe
MFN2
PF
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Pression d’hélium à ajouter.
Pression d’air à ajouter.
Pression d’oxygène à ajouter.
Fraction d’hélium du gaz résiduel dans le cylindre.
Fraction d’oxygène du gaz résiduel dans le cylindre.
Fraction d’azote du gaz résiduel dans le cylindre.
Pression résiduelle dans le cylindre.
Fraction d’oxygène désirée dans le mélange désiré.
Fraction d’hélium désirée dans le mélange désiré.
Fraction d’azote désirée dans le mélange désiré.
Pression requise dans le mélange final.
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ΔPHe = PF * MFHe – PI * MIHe
ΔPAir = PF * MFN2 – PI * MIN2
0.79
ΔPO2 = PF (MFO2 - 0.21 * MFN2) – (MIO2 - 0.21 * MIN2)
0.79
0.79
1) Analyser le gaz résiduel
dans le cylindre.
2) Effectuer les calculs afin de
trouver la pression à atteindre en utilisant les formules ci-dessus
ou à l’aide d’un logiciel.
3) Commencer le remplissage avec
la cascade ayant la plus faible pression jusqu'à ce que la pression
désirée soit atteinte.
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Si possible, commencer avec
l’hélium parce que ce gaz est très dispendieux et qu'une
meilleure utilisation de ce gaz est rentable.
4) Laisser reposer quelques
minutes afin que le mélange puisse refroidir. Avant d’ajouter un
deuxième gaz, toujours analyser la concentration en oxygène
et s’assurer qu’elle correspond à la concentration
visée.
5) Ajouter le deuxième gaz,
laisser reposer puis analyser.
6) Ajouter le troisième gaz
si nécessaire et laisser reposer.
8) Analyser le mélange.
L’analyse des gaz
L’analyse
révèle quelques fois un mélange fort différent de
celui désiré au départ. Pourquoi en est-il ainsi? En réalité, plusieurs
facteurs agissent sur la composition finale d’un mélange :
- La température;
- Les facteurs de compressibilité des gaz;
- La lecture des manomètres, soit par défectuosité de l’équipement soit par le manque de soin;
- Les erreurs dans les calculs de pression finale ou dans la lecture des tables;
- L’analyse erronée du gaz résiduel dans le cylindre.
L’accumulation
d’expérience est probablement le meilleur moyen pour arriver
à la justesse du mélange lorsque sa préparation
nécessite plusieurs opérations manuelles, comme c’est le
cas pour le mélange par pressions partielles.
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Le transfert de cette expérience
est très difficile à réaliser et l’apprentissage de
l’art du mélange des gaz s’acquière surtout par essais et erreurs.
Voici un
petit questionnaire qui permettra de tester vos connaissances sur le
mélange des gaz. C’est
très simple, vrai, faux ou sans réponse. Envoyez-nous vos réponses
et nous publierons les statistiques, et les bonnes réponses, bien sur!
1. Après les remplissages
(spécialement au Trimix), il est nécessaire de rouler et
brasser le cylindre afin d’obtenir un mélange homogène. vrai, faux ou sans réponse
2. Un remplissage
d’oxygène ne devrait jamais dépasser 60 psi/min. et
un remplissage d’air ne devrait jamais dépasser 700 psi/min. vrai, faux ou sans réponse
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3. Pour les
mélanges supérieurs à 40%, un nettoyage pour fin
d’oxygène est requis. vrai, faux ou sans réponse
4. La méthode
de remplissage par pression partielle est la moins dispendieuse, mais la plus
dangereuse. vrai, faux ou sans réponse
5. Les
mélanges par la masse moléculaire donnent un mélange
très juste, mais c’est une méthode peu commune de
remplissage. vrai, faux ou sans réponse
Références:
The Technical Guide to Gas Blending, Raftis, Nicos, Best Publishing Company, Diversification Series, 2000.
Blending and Partial Pressure Methods of Mixing Nitrox, Rutkowski, Dick, International Association of Nitrox and Technical Divers, Fl, 1994.
U.S. Navy Diving Manual, Volume 3, Mixed-Gas Surface-Supplied Diving
Operations.
 M.D.
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