Mesures en laboratoire

En laboratoire, nous avons réalisé la caractérisation du capteur électrochimique NO2-B43F, et des deux capteurs à oxyde métallique MiCS-2714, GGS 7530 destinés à mesurer le dioxyde d’azote. En effet, le capteur d’ozone (OX-B431) a été rajouté à notre réseau de capteurs suite à des observations sur les mesures de terrain montrant une interaction entre le dioxyde d’azote et l’ozone, entraînant la modification de la concentration de NO2.

Nous avons utilisé ces capteurs en deux exemplaires afin d’étudier par la suite des techniques de transfert d’étalonnage entre deux dispositifs identiques, présentées dans le chapitre IV. Les capteurs électrochimiques ont leurs propres cellules de diffusion tandis que les

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capteurs MOS sont placés dans une cellule circulaire en acier inoxydable étudiée et usinée à cet effet.

Les mesures en laboratoire consistent à exposer les capteurs au dioxyde d’azote à des faibles concentrations, de l’ordre de la partie par billion (ppb) en accord avec les concentrations trouvées dans les atmosphères polluées. On dispose d’une bouteille de NO2 à 10ppm diluée dans de l’azote et une bouteille d’air synthétique. Les différentes concentrations de NO2 sont obtenues en diluant le dioxyde d’azote de la bouteille avec de l’air synthétique à l’aide d’une rampe de gaz conçue dans notre laboratoire et adaptée pour nos mesures [Ahmadou 2015]. Ce système de génération de gaz contient deux régulateurs de débit massiques pour contrôler le débit à la sortie des bouteilles d’air synthétique et de dioxyde d’azote. Le flux total du gaz généré a été fixé à 400ml/min. Le régulateur de débit relié à la bouteille de NO2 est calibré à un débit maximal de 10ml/min, pour permettre d’obtenir avec une bonne précision les dilutions souhaitées. En faisant varier le pourcentage du flux du dioxyde d’azote par rapport au flux total, nous pouvons générer les concentrations souhaitées. Ainsi, pour obtenir 250ppb de NO2, il faut mélanger un flux de 10ml/min de dioxyde d’azote avec un flux de 390ml/min d’air synthétique (équation II-11). Nous notons ici, que dans le cadre des mesures en laboratoire, nous utilisons l’unité ppb pour définir les concentrations de NO2, contrairement à l’unité utilisée habituellement pour les concentrations de polluants gazeux qui est le µg/m3. La conversion de ppb en µg/m3 se fait à l’aide d’un facteur de 1.88 pour le NO2.

L’acquisition des données de caractérisation se fait via deux cartes d’acquisition pour pouvoir recueillir tous les signaux (DAQ usb 6009, National instruments). La gestion de la commande des mesures de caractérisation est réalisée à l’aide d’un automate programmable et d’une interface utilisateur que nous avons développée sous Matlab. Cette interface permet d’effectuer des mesures automatiques, répétitives et précises. Tous les paramètres de mesure tels que les débits de gaz, la fréquence d’échantillonnage des signaux, les temps d’exposition ou de régénération des capteurs ainsi que la création de mélanges gazeux sont configurables. Cette interface permet également d’observer l’évolution de la mesure et les signaux des capteurs en temps réel.

𝒄𝒐𝒏𝒄𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒕𝒊𝒐𝒏 𝒈é𝒏é𝒓é𝒆 (𝒑𝒑𝒃) = ^{𝒅é𝒃𝒊𝒕 𝑵𝑶𝟐∗ 𝒄𝒐𝒏𝒄𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒕𝒊𝒐𝒏 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒃𝒐𝒖𝒕𝒆𝒊𝒍𝒍𝒆 𝑵𝑶𝟐∗ 𝟏𝟎𝟎𝟎}

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Figure II- 4Schéma du dispositif pour les expérimentations en laboratoire.

II.8.1 Temps de réponse

Pour l’évaluation du temps de réponse des capteurs, nous les avons tout d’abord soumis à une concentration fixe de 250ppb de NO2 pendant une durée de 20min, afin d’assurer le remplissage complet de la chambre de mesure et un temps de réaction « capteur-gaz » suffisant pour atteindre une réponse stable de tous les capteurs.

D’après les figures II-5a) à II-7a, les temps de réponse des capteurs utilisés sont tous inférieurs à 5 minutes (t = 0 correspond à l’introduction du gaz). Les deux capteurs électrochimiques NO2-B43F mettent un temps de 83 secondes pour atteindre 80% de la réponse stable à 250ppb. Leur réponse en descente (après l’arrêt du flux de NO2) est aussi rapide, avec un temps d’environ 38 secondes (figures II-5b à II-7b). Nous observons le même comportement pour les deux capteurs MiCS-2714 où les temps de réponse en montée et en descente sont de 62s et 71s respectivement. Les deux capteurs GGS 7530 ont le temps de réponse le plus long, avec une réponse en montée de 188s et une réponse en descente de 443s.

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Figure II- 5Etude du temps de réponse pour le capteur Alphasense NO2-B43F

a: montée (introduction du gaz) ; b : descente (introduction d’air pur).

Figure II- 6Temps de réponse pour le capteur MiCS-2714

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Figure II- 7Temps de réponse pour le capteur GGS 7530

a : montée (introduction du gaz) ; b : descente (introduction d’air pur).

II.8.2 Répétabilité

Pour l’étude de la répétabilité, nous utilisons le protocole fixé par le C.C.R. Nous avons ainsi réalisé trois mesures à 0, à 150 et 250ppb, et nous répétons ce cycle trois fois consécutives pour évaluer la répétabilité, la limite de détection et la limite de quantification.

Le tableau II-1 résume les résultats obtenus pour chacun des trois types de capteurs. D’après ces résultats, on peut conclure que le capteur Alphasense NO2-B43F a une meilleure répétabilité que les deux capteurs MOS. Ceci est illustré également par la figure II-8. C’est un résultat attendu, du fait que d’après la littérature la dérive à court terme des capteurs électrochimiques est beaucoup moins importante que celle des capteurs MOS.

NO2-B43F GGS 7530 MiCS-2714

Répétabilité (ppb) 5.32 8.17 7.04

Limite de détection (ppb) 5.65 8.69 7.48

Limite de quantification (ppb) 18.86 28.96 24.96

Tableau II- 1 Répétabilité des capteurs pour les mesures en laboratoire calculée à

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Figure II- 8Répétabilité des trois capteurs pour les trois mesures à 0, 150 et 250ppb.

II.8.3 Dérives à court terme

Pour calculer les dérives à court terme nous avons réalisé trois mesures à 0, 150 et 250ppb. Ces mesures ont été prises une fois par jour pendant 3 jours, selon les recommandations du C.C.R.

Le tableau II-2 résume les dérives à court terme pour les trois capteurs utilisés. Les dérives obtenues sont calculées selon la formule préconisée par le C.C.R. Nous notons, conformément à la littérature, une dérive plus faible pour le capteur électrochimique.

NO2-B43F GGS 7530 MiCS-2714

Dérives à court terme (ppb) 10.27 20.61 15.34

Tableau II- 2 Dérives à court terme obtenues par un modèle linéaire

d’étalonnage.