B. L’échantillonnage passif
IV. Objectifs et démarche de la thèse
L’objectif de ce travail de thèse repose sur l’évaluation des performances et des contraintes liées à l’utilisation de systèmes multi-capteurs, comme méthode complémentaire, dans le cadre de la mesure continue et longue durée de la qualité de l’air intérieur. Le manque actuel de connaissance sur le comportement des capteurs commerciaux en conditions réelles d’utilisation et surtout en matière de protocole d’évaluation des performances métrologiques de ces dispositifs est un réel frein au développement de cette instrumentation. Dans ce cadre, le LCSQA s’intéresse récemment à la mise en place d’un protocole d’évaluation des performances de micro-capteurs de gaz (Redon, 2015) à destination des utilisateurs tels que les AASQA (Associations Agréées de Surveillance de la Qualité de l’Ar), en s’appuyant sur la démarche proposée par le Joint Research Centre (Spinelle et al., 2013).
Dans cette thèse, nous étudierons des micro-capteurs de gaz commerciaux de type électrochimique, à infrarouge, à photionisation et un ensemble de capteurs à oxydes métalliques semi-conducteurs. La première partie de ce travail consiste donc à développer un système compact et low-cost à base de capteurs de gaz commerciaux en accord avec le suivi de la qualité de l’air intérieur. Le dispositif devra être autonome, robuste et pouvoir être déployé sur le terrain pendant une longue période afin de fournir un flux d’informations continu sur l’environnement gazeux qui l’entoure. Des capteurs seront mis en œuvre soit pour la mesure spécifique de polluants cibles, cas le plus « simple » où l’on compare les performances des capteurs aux données fournies par des instruments de référence, soit pour un suivi non-spécifique, c’est-à-dire pour des mesures qualitatives de l’environnement gazeux afin d’identifier des signatures de pollution. Pour ce dernier point, l’intérêt majeur est de remédier au manque de sélectivité de certains capteurs de gaz afin de fournir des informations rapides, qualitatives ou semi-quantitatives, sur l’état de l’environnement gazeux. Les données issues d’un ensemble de différents capteurs non-spécifiques sont pour cela traitées à l’aide d’algorithmes de reconnaissance de formes (apprentissage supervisé ou non supervisé) afin de catégoriser chaque mesure selon des situations caractéristiques d’un type de pollution.
L’évaluation des performances des systèmes multi-capteurs sera réalisée dans différents environnements de mesure : dans des conditions contrôlées en laboratoire, dans une pièce expérimentale de 40 m3 représentative des conditions réelles (Harb et al., 2016) et pour terminer
lors d’une campagne de mesure intensive réalisée dans une salle de classe. Plusieurs systèmes multi- capteurs seront testés simultanément afin d’assurer une répétabilité et une reproductibilité satisfaisante de la réponse des capteurs. Ces trois configurations expérimentales permettront d’étudier le comportement des différents capteurs, dans des conditions réelles d’utilisation et sur le long terme, en fonction, dans un premier temps, de l’évolution des paramètres environnementaux (température, humidité…). Il conviendra ensuite de caractériser les performances des différents capteurs lors d’injections de composés individuels, afin notamment de définir leur sensibilité. Ensuite, l’évolution de la réponse des capteurs dans des cas plus complexes, tels que le mélange de différents composés organiques volatils, ou encore en conditions réelles en présence d’un « cocktail » de différents composés chimiques, sera étudiée en comparaison avec des données fournies par des méthodes analytiques conventionnelles. Enfin, des algorithmes de reconnaissance de formes seront développés et adaptés aux systèmes multi-capteurs dans le cadre de mélanges de
composés organiques volatils réalisés en laboratoire, puis seront transposés aux données issues des environnements intérieurs. L’utilisation de systèmes multi-capteurs sera enfin discutée vis à vis de la dynamique de la qualité de l’air intérieur, ce comportement sera étudié dans le cadre des données relatives à la campagne terrain et lors d’autres études réalisées dans la pièce expérimentale, relatives à l’évaluation des performances de systèmes de traitement de l’air tels qu’un mur végétalisé (Caron et al., 2016) ou des systèmes de traitement de l’air photocatalytiques.
Dans le second chapitre, l’état des connaissances, et notamment les critères de performances et le principe de fonctionnement des différentes techniques de détection, des micro-capteurs de gaz seront présentés. De même, le cas des nez électroniques, ensemble de capteurs non-spécifiques pour la reconnaissance d’empreinte, ainsi que les algorithmes de traitement du signal déjà utilisés pour la mesure de composés chimiques gazeux sera exposé. Lors du troisième chapitre de ce manuscrit, les modules multi-capteurs utilisés dans ces travaux ainsi que leur conception seront décrits, ainsi que les techniques d’analyse du signal associées à l’identification de signatures de pollution. Ensuite, les différents environnements et les conditions dans lesquels ces capteurs ont été mis en œuvre, l’enceinte climatique, la pièce expérimentale et la campagne de mesure seront définis dans le quatrième chapitre. Dans les deux derniers chapitres, nous traiterons et discuterons les résultats obtenus lors de ces travaux de thèse. Tout d’abord, nous évaluerons le comportement des capteurs sous atmosphère de référence (air zéro ou air ambiant) selon les paramètres environnements et sur le long terme, nous nous intéresserons ensuite aux performances des différents capteurs vis-à-vis d’un gaz cible. Puis, nous étudierons des cas plus complexe en présence de nombreux composés chimiques lors desquels sera notamment testée une méthode de reconnaissance de forme. Enfin, ces dispositifs multi-capteurs seront appliqués à la dynamique de la qualité de l’air intérieur, dans le cadre de la campagne de mesure réalisée dans une salle de classe (Verriele et al., 2015) et pour l’évaluation de l’efficacité de systèmes de traitement de l’air (Caron et al., 2016).
Chapitre 2 : Systèmes multi-capteurs et traitement du signal :
Etat de l’art
Le premier chapitre a permis de dresser le tableau complexe relatif à la problématique de la qualité de l’air intérieur. Les polluants, avec essentiellement les COV et les particules, dans des gammes de concentration très variables, sont nombreux. Les sources d’émissions et les impacts sanitaires de ces polluants sont très diversifiés et ne sont pas forcément bien identifiés dans ce domaine. La réglementation, contrairement à l’air extérieur, émerge tout juste sur le sujet. De plus, dans ce contexte spécifique aux environnements intérieurs, les techniques traditionnelles d’analyse des polluants ne sont pas toujours adaptées à la situation. En effet, le design de ces instruments, conçus à la base pour des mesures en laboratoire ou en stations de surveillance, ne correspond pas aux contraintes de mesures en environnements intérieurs et à la présence d’occupants. Le coût élevé, l’encombrement, la nuisance sonore et le fonctionnement complexe de ces instruments ne conviennent pas au déploiement de dispositifs d’évaluation de la qualité de l’air intérieur longue durée. Dans ce contexte, les récentes avancées technologiques en micro capteurs de gaz représentent une grande opportunité pour le développement de réseaux de mesures. La sensibilité aux gaz mesurés est très variable selon la technique utilisée, de même que la durée de vie, la stabilité, et la sensibilité aux interférents. La sélection de capteurs de gaz doit donc faire appel à ces différents critères et dépend également de l’application visée. Ce chapitre présente dans un premier temps, le principe de fonctionnement des principales techniques de détection utilisées pour les capteurs de gaz. Nous focaliserons notre étude exclusivement sur les capteurs pour la détection des composés gazeux et ne considérerons pas les récentes apparitions de capteurs miniatures pour la mesure des particules. De même, les techniques de détection présentées par la suite concernent les principales méthodes disponibles dans le commerce et nous exclurons les capteurs en phase de développement dans des travaux de recherche (nouveaux matériaux sensibles, procédés de synthèses…) Ensuite, nous introduirons tout particulièrement le concept de nez électroniques, ensemble de différents capteurs généralement peu sélectifs, ainsi que les différentes méthodes d’analyse du signal employées avec ce type de dispositif.