RAPPELS: ELEMENTS FONDAMENTAUX ET ACQUIS METROLOGIQUES
3.2.2.3. Le module analytique (Capteur infrarouge, Capteur Raman et Capteurs spécifiques) spécifiques)
Le module analytique de notre plate-forme de mesures géochimiques des gaz intègre des capteurs optiques infrarouge (FTIR) et Raman et des capteurs spécifiques pour la mesure des conditions de pression, température et humidité dans le circuit et dans l’atmosphère. Les différents capteurs du module sont présentés ci-dessous.
3.2.2.3.1. Le capteur optique par spectroscopie infrarouge.
Le capteur infrarouge est un spectromètre infrarouge à Transformée de Fourier (FTIR) double compartiment, de type Tensor 27 (Figure 3.14).
Figure 3.14 : Photographie du capteur FTIR double-compartiment, constituant un des principaux éléments du module analytique de la plate-forme de monitoring géochimique des gaz du sol (site de Rousse 1).
Compartiment interne Compartiment externe
Cellule à gaz
Connexion module de circulation
Compartiment interne Compartiment externe
Cellule à gaz
La Figure 3.15 présente schématiquement le dispositif et les éléments optiques qui le constituent.
Figure 3.15 : Vue schématique du capteur FTIR double-compartiment: 1.Source/laser; 2. Interféromètre de Michelson; 3. Miroir rotatif ; 4. Cellule à gaz; 5. Détecteur DTGS; 6. Compartiment électronique; 7. Port de
jonction entre les deux compartiments
Il comprend une source infrarouge (1), un interféromètre de Michelson (2), divers éléments optiques (3), permettant de diriger le faisceau incident vers les compartiments interne et externe du spectromètre. Le compartiment interne est dédié à la mesure des gaz du sol, continuellement injectés dans la cellule à gaz (4), et le compartiment externe est consacré à la mesure des concentrations en gaz de l’atmosphère. Les deux compartiments contiennent leur propre détecteur DTGS (5).
Dans ce paragraphe, les différents éléments du spectromètre Tensor 27 sont décrits en détail depuis la source jusqu’aux détecteurs.
a) La source
La source MIR (1) est de type « U-shaped silicon Carbide». Elle émet un rayonnement divergent polychromatique dans le moyen infrarouge (MIR). Un jeu de miroirs rend parallèle le rayonnement sortant et le propage vers l’interféromètre de Michelson.
b) L’interféromètre de Michelson
L’interféromètre de Michelson (Figure 3.16) est constitué d’une lame semi-réfléchissante (ou séparatrice) et de deux miroirs disposés perpendiculairement l’un à l’autre, dont l’un fixe (M1) et l’autre mobile (M2). DTGS DTGS 3 4 5 6 5 7 6 2 1
Compartiment interne Compartiment externe
DTGS DTGS DTGSDTGS 3 4 5 6 5 7 6 2 1
Figure 3.16 : Schéma de principe de fonctionnement de l’interféromètre de Michelson. M1: Miroir fixe; M2: Miroir mobile; S : Source; Se : Séparatrice; DTGS : Détecteur ; I: Intensité initiale
Lorsque le rayonnement incident (I) atteint la séparatrice, il est divisé en deux faisceaux: l’un est réfléchi vers le miroir fixe (M1) et l’autre transmis vers le miroir mobile (M2). Les deux miroirs réfléchissent l’onde reçue en direction de la séparatrice, qui, de nouveau, dédouble chacun des deux rayonnements en un faisceau transmis et un faisceau réfléchi. Ces faisceaux sont alors dirigés soit de nouveau vers la source, soit en direction du détecteur. Si on considère que le miroir fixe est positionné à une distance x de la source, et le miroir mobile à une distance x + dx, une différence de marche entre les deux faisceaux se crée, et un déphasage apparaît au niveau du détecteur. L’interféromètre de Michelson module ainsi le signal incident issu de la source infrarouge. L’intensité du signal résultant, en fonction du déplacement du miroir porte le nom d’interférogramme.
A la sortie de l’interféromètre, le signal résultant peut être orienté via un miroir soit vers le compartiment interne, doté d’une cellule à gaz où peuvent être injectés divers échantillons de gaz, soit en direction du compartiment externe dédié à la mesure de l’atmosphère.
c) Le compartiment interne du spectromètre
Le compartiment interne est équipé d’un support spécifique permettant de positionner une cellule à gaz, de manière à être parfaitement alignée avec le faisceau sortant de l’interféromètre. Pour cette étude, nous avons choisi, sur la base d’expériences antérieures (ANR Géocarbone Monitoring), une cellule de type White (ou multipassage) à trajet optique variable (de 0,25 à 1 m).
Sa spécificité repose sur les caractéristiques suivantes : M1
M2 Se
− Son caractère « multipassage » : Au moyen de miroirs concaves, le faisceau est reflété et refocalisé à plusieurs reprises à l’intérieur de la cellule. Un pas de vis extérieur permet de modifier l’orientation des miroirs à l’intérieur de la cellule, modifiant ainsi la trajectoire et la longueur du faisceau. En augmentant ainsi le trajet optique parcouru dans l’échantillon, sans provoquer de perte d’intensité du faisceau, on augmente considérablement la sensibilité des mesures. Selon la nature et la gamme de concentration du gaz à analyser, le trajet optique peut être optimisé en tenant compte également du seuil de saturation du détecteur. La cellule à gaz utilisée sur le site de Rousse 1 (Bruker) a un trajet optique modulable par pas de 0,25 m, entre 0,25 et 1 m. Cette fonction permet de travailler sur des
gammes de concentrations très larges, allant pour le CO2 de 100 ppm à 100%. La
détection de gaz en traces est également envisageable grâce à ce système.
− La présence de deux fenêtres en fluorure de calcium (CaF2) préserve la cellule de
toute altération par l’humidité. Ce type de fenêtre est transparent dans la gamme
de nombre d’ondes allant de 900 à 5500 cm-1.
− Une entrée et une sortie avec une connexion spécifique « Swagelok », permettent
de raccorder la cellule au module de circulation de gaz.
A la sortie de la cellule, le faisceau est orienté vers un détecteur DTGS (Deuterated TriGlycine Sulfate), où le signal est collecté sous la forme d’un interférogramme, que l’on peut convertir en spectre d’intensité en fonction du nombre d’ondes par transformée de Fourier.
d) Le compartiment externe du spectromètre
Le trajet optique dans le compartiment externe, mesure approximativement 1 m de long, et est relié au côté droit du compartiment interne par un port d’ouverture circulaire de 5 cm de diamètre. Ce compartiment est exclusivement dédié à la mesure des gaz de l’atmosphère. En conséquence, il ne nécessite pas de cellule à gaz, l’analyse est réalisée sur trajet optique « ouvert » à l’atmosphère. Lorsque le faisceau incident est orienté vers le port externe du spectromètre, celui-ci traverse rectilignement le compartiment externe jusqu’au détecteur DTGS, avec un trajet optique d’environ 1 m. Toutefois, rappelons que ce trajet optique ne peut être précisément mesuré dans les parties scellées du compartiment.
Les différents éléments du spectromètre sont contrôlés par un logiciel d’acquisition et de traitement spectral nommé OPUS. Ce logiciel offre également la possibilité d’automatiser les tâches relatives à l’acquisition des mesures et à leur traitement (intégration des bandes spectrales, soustraction spectrales…) à travers des macro-commandes. Ces macro-commandes peuvent être regroupées au sein de programmes Scripts (langage VB-script) pour organiser et contraindre leur accomplissement et leur répétitivité dans le temps. Ces scripts permettent
également de créer des interfaces « Utilisateur », permettant à l’utilisateur d’actionner seulement une partie du programme selon les besoins requis.
Pour automatiser les mesures FTIR des gaz du sol sur le site de Rousse, un programme Script spécifique a été créé. L’interface utilisateur que nous avons mise en place propose à l’utilisateur trois types de mesure :
− L’option « Mesure Référence » permet d’acquérir un premier spectre simple
faisceau de référence, la cellule étant initialement mise sous vide. Ce spectre sera utilisé pour tous les calculs d’absorbance, quel que soit le protocole de mesure choisi (mesures simples ou continues).
− L’option « Mesures simples » donne la possibilité de réaliser des mesures
unitaires (tests…). Ces mesures, ainsi que les résultats issus du traitement des spectres sont automatiquement enregistrés dans un fichier spécifique indépendant des autres mesures.
− L’option « Mesures continues » permet d’automatiser les mesures entre deux
dates précises et avec un pas d’échantillonnage régulier.
Pour les modes « Mesures simples » et « Mesures continues », l’acquisition d’un couple de mesures par les compartiments interne et externe du spectromètre est suivi par les opérations suivantes :
− Calcul de l’absorbance des deux spectres à partir du spectre de référence et des spectres « simple faisceau » mesurés.
− Traitement des spectres relatif à la présence de vapeur d’eau (soustractions
spectrales).
− Choix des bandes d’intégrations pour la quantification en fonction de l’intensité
du spectre d’absorbance. Des seuils ont été préalablement établis en laboratoire pour automatiser le choix de la méthode de quantification en fonction de la gamme de concentration effective (voir Chapitre 3.2.2.4. p 76).
− Intégration des différentes bandes d’intérêt (H2O, CO2) et report des résultats dans
un fichier « texte » comportant également la date et le nom du spectre mesuré.
− Un rapport d’erreur est également programmé. En cas d’erreur, les calculs
d’absorbances ne sont pas réalisés, mais le programme reste opérationnel. Cette option est importante, car il est possible qu’une coupure de courant entraîne un arrêt temporaire du spectromètre, et en conséquence une erreur de connexion du système. Lors du rétablissement du courant, les mesures sont poursuivies sans aucune perturbation du système.
− Les fichiers « résultats » sont copiés dans un répertoire spécifique pour être
3.2.2.3.2. Le capteur optique par spectroscopie Raman
Le spectromètre Raman, que nous avons connecté périodiquement à la complétion, est un spectromètre de type RXN4 (Constructeur: Kaiser Optical Systems). Tout comme le spectromètre Raman RXN1 (voir Chapitre 3.1.2. p 57), il est composé d’un laser à 532 nm d’une puissance de 100 mW, d’un système de transmission holographique de type Holoplex et d’un détecteur CCD. L’ensemble est positionné dans un boîtier compact de petite taille (Figure 3.17 A).
Figure 3.17 : Photographies représentant l’ensemble du système « spectromètre Raman RXN4- fibre optique-sonde Raman gaz-Cellule à gaz », connecté au module de circulation des gaz de la plate-forme de monitoring
géochimique des gaz du sol associée au « Minipuits », site de Rousse 1.
Une fibre optique fait la jonction entre le spectromètre et une sonde gaz de type Airhead Probe décrite au paragraphe 3.1.2. p 57. La sonde est connectée à une mini cellule en inox (Figure 3.17 B) et celle-ci est connectée au module de circulation de gaz. Le système « fibre optique-sonde Raman-cellule » est schématisé Figure 3.18.
Le laser, propagé au travers de la fibre optique (1) et de la tête Raman (3), est focalisé sur l’échantillon gazeux affluant dans la cellule (6). Le rayonnement est réfléchi dans la cellule par un miroir (9) puis renvoyé, via la fibre optique, en direction de la fente d’entrée du spectromètre.
A: Vue du spectromètre Raman RXN4 B: Connexion Sonde Raman/mini cellule à gaz
Cellule à gaz spécifique Sonde Raman Gaz
Fibre optique Ligne de circulation de gaz Spectromètre Raman RXN4 Connexion fibre optique
A: Vue du spectromètre Raman RXN4 B: Connexion Sonde Raman/mini cellule à gaz
Cellule à gaz spécifique Sonde Raman Gaz
Fibre optique Ligne de circulation de gaz Spectromètre Raman RXN4 Connexion fibre optique
Figure 3.18 : Schéma détaillé de la sonde Raman Gaz optimisée de type « Airhead probe ». 1: Fibre optique ; 2: Indicateur Laser; 3: Tête Raman; 4: Optique de focalisation; 5: Zone à échantillon; 6: Cellule à gaz; 7:
Laser; 8: Fenêtre saphir; 9: Réflecteurs.
Le spectromètre Raman est contrôlé par un logiciel spécifique nommé « Analyser Control 5.0 Software » développé par la société Kaiser Optical System. Le logiciel permet de paramétrer les mesures, d’effectuer un calibrage préalable de l’appareil ainsi que de programmer l’acquisition et l’enregistrement continu des mesures.
3.2.2.3.3. Les capteurs spécifiques.
En complément des capteurs Raman et infrarouge, un capteur portatif spécifique monogaz, de type Polygard SenseAir, a été installé pour la mesure continue de la température à l’intérieur
du laboratoire de terrain, de l’humidité atmosphérique et de la concentration en CO2
atmosphérique. Les spécificités du capteur sont reportées dans le Tableau 3-1.
Tableau 3-1 : Caractéristiques techniques du capteur spécifique mono gaz de CO2 type « Polygard Sense Air ».
Paramètres mesurés Unité Gammes de validité Précision
Concentration en CO2 ppm 0 à 5000 +/- 30 ppm
Humidité relative % 0 à 99 +/-5%
Température ambiante °C -10 à 60 +/-0.6°C
De plus, un capteur de pression enregistre les variations de pression atmosphérique et un capteur de température, placé à l’extérieur du laboratoire de terrain permet de suivre l’évolution de la température atmosphérique.
Parmi les principaux capteurs constituant le module d’analyse de notre plate-forme géochimique, les capteurs optiques infrarouge et Raman, nécessitent un traitement analytique particulier pour transformer les données brutes en données quantitatives. Le paragraphe
1 2 3 4 5 6 7 4 8 Flux de gaz 6 9 3 cm 1 2 3 4 5 6 7 4 8 Flux de gaz 6 9 3 cm 1 2 3 4 5 6 7 4 8 Flux de gaz 6 9 3 cm
suivant est consacré à la présentation des méthodes analytiques et algorithmes de calcul utilisés pour accomplir cette transformation.
3.2.2.4. Analyse quantitative des signaux optiques: Les algorithmes mathématiques de