Développement d un capteur optique pour mesurer les paramètres physico-chimiques de l Océan

Développement d un capteur optique pour mesurer les paramètres physico-chimiques de l Océan Damien Malardé, Zongyan WU, Philippe Grosso, J-L de Bougrenet de la Tocnaye, Marc Le Menn (SHOM) 27 mars 2008

Plan de l exposé Contexte & Objectifs Principe de mesure de salinité par réfractométrie Fonctionnement du capteur Modélisation du capteur type réfractomètre Résultats expérimentaux Conclusions & Perspectives page 1

Projet NOSS (NKE Optical Salinity Sensor) Département d Optique UMR 6082 Foton Technologies de l optique et de la mesure par réfractomètrie Laboratoire de mesures in situ Développement d instrumentation océanographique connaissance du besoin océanographique, moyens d essais, intégration sous pression, tenue au fouling. Service Instrumentation Scientifique Métrologie de la salinité, théorie de la mesure Service Instrumentation Industrialisation du capteur et son intégration dans les systèmes de mesure page 2

Océanographie opérationnelle Observations de l Océan mesurées par satellite ou en mer (in situ) Observations spatiales Modélisation Prévisions Observations In situ page 3

Paramètres physico-chimiques de l Océan Température capteurs Température Conductivité Pression Salinité Calcul de la salinité de l eau l échelle pratique de salinité de 1978 (PSS-78) page 4

Techniques actuelles d observation in situ Thermosalinomètres Instrument doté d un capteur de température et d une cellule de mesure de la conductivité électrique de l eau. Capteur équipant des bathysondes, des bouées et des flotteurs dérivants page 5

Mesure de conductivité (problème plus complexe) Cellules de mesure employées sensibles à la fois à la température du milieu et à sa composition ionique 2 types de technologies concurrentes: Technologie à électrode Technologie inductive Problème majeur des mesures océaniques de longue durée: le fouling, d origine chimique ou biologique page 6

Du capteur de conductivité vers le développement de nouvelles technologies? Problème de dérive dans le temps compte tenu de l agressivité du milieu. Développement de nouvelles technologies. Technologies optiques basées sur la mesure d indice de réfraction permettant de déterminer directement la masse volumique de l eau page 7

Objectifs Caractéristiques actuels Variables Gamme de mesure Exactitude initiale Résolution Température cuve -5 C à +35 C 10mK 1mK Conductivité 0 à 70mS/cm 0.01mS/cm 0.1µS/cm Température déportée (SBE 38) -5 C à +35 C 1mK 0.3mK Salinité 0 à 40psu? ~0.01psu Capteur optique: compact, insensible aux variations de température, bas coût, fiable et de grande précision. Mesure d indice de réfraction avec une précision meilleure que 10-6 Déterminer la salinité à mieux de 10-2 psu. page 8

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Rappel: Indice de réfraction Réfractométrie: ensemble des techniques optiques de mesure de l indice de réfraction n d un milieu matériel. Indice de réfraction n: rapport de la vitesse du rayonnement dans le vide c à sa vitesse dans le milieu considéré v. Réfraction de la lumière (loi de Snell-Descartes) i n = c v n1 n2 n sin i = n sin r 1 2 r page 10

Algorithme de R.C Millard et G. Seaver (1) Retrouver l indice de réfraction de l eau pure comme celui de l eau de mer Développement utilisant 4 lots de données mesurées par des expérimentateurs différents avec des techniques différentes. Gamme couverte: 0 < T < 30 C 500 < λ < 700 nm 0 < S < 40 psu 0 < p < 11000 dbar Approximation polynomiale comprenant 27 termes déterminés à partir de 428 points de données: N( T, p, S, λ) = N ( T, λ) + N ( T, λ, S) + N ( p, T, λ) N ( S, p, T) I II III + IV Problème: Exactitude de 0.024psu sur la salinité. Passage par un étalonnage direct en Température, Salinité et Pression page 11

Influence de la pression, de la température et de la longueur d onde sur l indice de réfraction (S&M) Variation d'indice 0,000016 0,000014 0,000012 0,00001 0,000008 0,000006 0,000004 Variation d'indice 0-0,0002-0,0004-0,0006-0,0008 0 2 4 6 8 10 0,000002 0 0 2 4 6 8 10-0,001-0,0012 Pression (db) Température ( C) Variation d'indice 0-0,00005-0,0001-0,00015-0,0002 0 2 4 6 8 10 Variable Variation Variation sur l indice Température 1 C -6.10-5 Pression 1db 1,5.10-6 Longueur d onde 1nm -2,6.10-5 -0,00025-0,0003 Température = facteur non-négligeable Longueur d'onde (en nm) page 12

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Module Laser (635 nm) Capteur type réfractomètre Capteur PSD accompagné de sa carte électronique Support pour fixer la structure du capteur Pièce permettant de fixer le laser (vis latérale et verticale pour modifier la position du laser) Verres Faisceau laser page 14

Montage expérimental Traitement du signal Laboratoire de métrologie (SHOM) - Bain stabilisé en T C - Passe cloison + connecteur étanche pour la connexion des fils. Capteur de salinité par mesure d indice de réfraction Bouteille étanche remplie par des solutions standard d eau de mer ou de l eau distillée Connectique PSD page 15

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page 17 Méthode géométrique Calcul des coordonnées du faisceau optique à chaque interface du système 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01-0.01 K7 n K7 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 p p n = 10 n = 2 10 n = 10 n = 0 Déterminer théoriquement la variation de la position du faisceau en fonction d un changement de l indice du milieu. Positionnement le capteur de position en sortie de système lors du collage des surfaces. 6 1 5 p = f ( n)

Optimisation de la résolution sur l indice de réfraction Comment? n o =1.34 î : angle of incidence Incident beam n o =1.333 r r : angle of refraction Refracted beam â 22.5mm î n K7 â' n o n K7 30mm  10mm 20mm 100mm Fonction de la résolution du PSD Angles + indices + chemins optiques page 18

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Étalonnage direct: Mesure de la Tension du Psd en fonction de la Température 8,0 34.253 psu Tension du Psd 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 14,0 16,0 18,0 20,0 22,0 24,0 26,0 T empérature ( C) 29.995 psu 19.960 psu Eau ultrapure Ecart-type sur la Température: 0.0001 C Ecart-type sur la Tension: 0.0003V page 20

Relation entre Indice de réfraction (S&M) et tension du Psd Indice de réfraction 1,33900 1,33800 1,33700 1,33600 1,33500 1,33400 1,33300 1,33200 1,33100 1,33000 y = 0,001439x + 1,327750 R 2 = 0,998989 2,3 3,3 4,3 5,3 6,3 7,3 8,3 Tension (V) Incertitude sur l indice de réfraction = 5.10-7 Relation quasi-linéaire entre l indice de réfraction nref et la tension du capteur pour différentes Températures Permet de calculer l indice de réfraction n du milieu à partir de la tension mesurée du Psd. Déduire la salinité à partir de l algorithme de Seaver & Millard par la méthode de Newton-Raphson (possibilité) page 21

Étalonnage direct: Mesure de la Tension du Psd en fonction de la salinité Évolution de la tension du Psd en fonction de la salinité pour une température donnée T e n sio n d u Psd (V ) 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 y = 0,1258x + 2,4159 R 2 = 0,9993 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 Salinité (psu) Incertitude sur la salinité = 5.10-3 page 22

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Conclusion Capteur compact et d une grande résolution Capacité à déterminer la salinité à mieux que 10-2 psu soit mesurer l indice de réfraction à 10-6 Obtention d une relation quasi-linéaire entre indice et tension d après un étalonnage en température. Perspectives Série de mesures en fonction de S, T et P afin d apporter des corrections polynomiales supplémentaires pour faire mieux que les formules de Millard et Seaver. A partir des données SHOM, il nous sera possible d établir un nouvel algorithme en gagnant un ordre de grandeur sur la précision de salinité. Étude sur l impact de la turbidité de l eau sur la transmission du faisceau et le bruit du PSD. page 24