Soutenance mémoire
Unités, normes et plage de mesure de la turbidité
La turbidité peut s’exprimer dans différentes unités en fonction des normes de mesures utilisées. Il n’existe pas de relation évidente entre la turbidité et les grandeurs du Système International d’unités. La turbidité peut varier en fonction de différents paramètres comme la nature des particules en suspension, leur taille, leur minéralogie, leur couleur, la longueur d’onde utilisée pour la mesure, etc. Les unités se rattachent donc à des normes établissant un protocole à suivre pour garantir l’écriture de la turbidité dans l’unité souhaitée.
Ainsi, la norme NF EN ISO 7027 (2000) traite de la détermination de la turbidité. Elle préconise des mesures effectuées avec un rayonnement devant être de 860 nm ± 30 nm ; « les résultats obtenus étant assez sensibles à la longueur d’onde » (ONEMA, 2015). Cette norme spécifie également les étalons à utiliser, des suspensions d’un polymère organique appelé la formazine de formule C2H4N2. Deux mesures sont associées à cette norme : la FAU (Formazine Attenuation Unit) et la FNU (Formazine néphélométric unit) en fonction de la méthode utilisée.
Les NTU (Nephelometric Turbidity Units) sont une unité définie par l’Agence de Protection del’Environnement (EPA) aux États-Unis qui correspond à une mesure par diffusion en lumière blanche. Bien que la majorité des sondes présentées dans la littérature et disponibles dans l’Annexe 1 fonctionne avec des LED infrarouges et ne respecte donc pas complètement cette norme, c’est l’unité la plus utilisée pour présenter les données.
Une quatrième unité, la FTU pour Formazin Turbidity Unit est aussi utilisée mais n’est pas normalisée. « Elle fait bien référence à l’étalon Formazine, mais ne donne aucune indication sur le principe de mesure utilisé. Elle peut être considérée comme une unité locale, propre à chaque utilisateur, qui interdit toute comparaison entre résultats obtenus par des utilisateurs différents » (ONEMA, 2015).
D’autres normes existent et sont présentées dans le tableau 2. La majorité d’entre elles se basent sur une mesure par néphélométrie mais utilisent des sources de lumière différentes. La sonde présentée dans ce travail ne suivant pas de norme particulière, les données seront présentées sous forme de tensions. Pour se raccorder à une norme, il suffira de calibrer la sonde avec des solutions étalons.
En fonction du matériel utilisé, les sondes de turbidité bas-coût disposent de différentes plages de mesure pour lesquelles elles sont efficaces. Tandis que certains appareils cherchent à être performants dans un domaine de mesure précis comme celui des eaux potables où la turbidité est très faible et nécessite une précision importante comme celle proposée par Theofanis P. Lambrou et al., 2013, d’autres acceptent des plages plus importantes, souvent allant jusqu’à 1000 NTU et parfois 4000 NTU (Jarrod Trevathan et al., 2020).
Pour établir ces plages de mesure, différentes possibilités de calibration ont été étudiées selon les auteurs. Les solutions les plus communes sont l’utilisation d’une solution de calibration normée comme la formazine, la préparation de solution de concentrations connues ou le recours à une sonde de turbidité professionnelle sur laquelle un calage est effectué.
Encapsulage des sondes
Deux types de mesures peuvent être réalisés : la mesure par échantillons prélevés ou la mesure en insérant directement la sonde dans le liquide. Ces deux moyens influencent grandement l’encapsulage des sondes.
Pour les mesures par échantillons, l’encapsulage se présente surtout sous la forme d’un boîtier qui doit permettre d’accueillir un flacon contenant l’eau à analyser. La figure 3 est un exemple d’un encapsulage proposé par Christopher D. Kelley et al., 2014. Les montages peuvent prendre en compte la lumière parasite extérieure et proposé un encapsulage limitant au plus ces effets (Zhenzhong Zang et al., 2020). De nombreuses sources lumineuses ambiantes peuvent en effetproduire des infrarouges parasites, le soleil étant souvent la source principale pour les sondes utilisées en extérieur.
Milieu d’étude, prix et limites
La plupart des sondes rencontrées dans la littérature ne sont testées qu’en laboratoire dans un environnement contrôlé. Ces tets conduisent à de bons résultats mais comme montré dans les chapitres suivants, les tests dans des conditions moins contrôlées aboutissent à des difficultés supplémentaires. Par exemple, bien que le test soit encore réalisé en laboratoire, le passage sur un système plus complexe du prototype développé par Gillett et al., 2019 a montré des difficultés lors de l’acquisition des données du fait de bulles pouvant gêner la lecture. Ce type de difficultés est assez peu abordé dans la littérature alors qu’elles semblent assez communes en métrologie et peuvent apporter des éclairements sur la manière de réaliser les sondes.
En ce qui concerne les prix, les sondes sont le plus souvent décrites comme peu chères ou lowcost. Cependant, les prix ne sont que rarement indiqués, ne permettant pas de donner une idée précise des dépenses engendrées. Lorsqu’un prix est indiqué, il ne comprend souvent qu’une partie du matériel, souvent le matériel électronique sans tenir compte de l’encapsulage ou de l’alimentation.
Ainsi, de nombreux modèles de sondes bas-coûts ont déjà été présentés dans la littérature scientifique, cherchant à répondre à différents besoins. Cependant, malgré des résultats satisfaisants, il apparaît que certains aspects comme la durée de vie du capteur ou l’évolutionde la pertinence de la mesure dans le temps ne sont que très rarement abordés.
Comparaison des sondes professionnelles
Une comparaison de différentes sondes disponibles dans le commerce a aussi été réalisée et est présentée au tableau 3. On constate ainsi, que comme pour les sondes bas-coûts, l’utilisation de LED infrarouges est privilégiée mais avec des angles de mesure plus nombreux. Deux ou quatre angles de mesure sont souvent utilisés. La lumière ambiante est souvent gérée par un encapsulage limitant les interférences du rayonnement solaire mais est aussi gérée en interne par des moyens électroniques non précisés par les constructeurs.
En ce qui concerne le fouling, différents accessoires peuvent être mis en place pour lutter contre. Un dispositif de balayage mécanique étant la solution la plus commune. La fréquence de balayage peut souvent être paramétrée en fonction de la rapidité de dépôt du milieu. Certaines sondes, comme celle vendue par Campbell Scientific, mettent en avant plusieurs moyens de lutte contre le fouling qui est l’une des causes principales d’entretien des sondes.
La diversité des options proposées est donc un argument de vente intéressant à présenter
La gestion du fouling et de la lumière ambiante sont des problèmes récurrents que les sondes professionnelles abordent mieux que les sondes bas-coûts qui ne proposent généralement pas de solution face à ces perturbations extérieures.
Sur les neuf sondes comparées, cinq ont un prix supérieur à 4000 €, ce qui constitue un investissement conséquent. Cela représente plus de cinquante fois le prix d’une sonde bascoût d’après les prix avancés dans les articles proposant un prix.
Une garantie est proposée pour plusieurs sondes professionnelles ainsi que des possibilités de retour au constructeur pour l’entretien et la vérification de la calibration. Ces services ont l’avantage d’éviter à l’utilisateur du matériel une perte de temps en manipulations non vouéesà l’acquisition. Ce n’est évidemment pas le cas du matériel bas-coût qui lui impose une prise en main complète de l’utilisateur.
Matériel et méthode
Comme expliqué précédemment, le principal intérêt du développement de ces sondes de turbidité est d’utiliser du matériel bas-coût et facilement accessible ; avec pour objectifs principaux la couverture de zones d’études plus étendues qu’avec du matériel classique pour un montant de dépenses comparable ; mais aussi permettre à un organisme ou un particulier intéressé par ce type de mesure, de se procurer du matériel fonctionnel à moindre coût.
Principe de fonctionnement de la sonde
Il est nécessaire de définir en amont les contraintes de fonctionnement de la sonde de telle sorte à pouvoir mettre en place les composants électroniques et le code Arduino correspondant aux besoins.
La sonde doit être autonome et pouvoir assurer son alimentation en énergie sans avoir recours à une connexion en 220 V. Elle doit donc disposer d’une batterie et d’un moyen d’alimentation qui sera ici un panneau solaire.
Il n’est pas nécessaire que la sonde mesure la turbidité en continu durant toute sa période de fonctionnement. Une mesure à pas de temps régulier est suffisante et un pas de temps d’une dizaine de minutes semble ici suffisant d’après la littérature et les expériences précédentes portant sur la mesure de la turbidité. Cependant, cette mesure ne doit pas se résumer à la collecte d’une unique valeur toutes les dix minutes. En effet, il est possible que la valeur mesurée fluctue fortement sur un court laps de temps du fait des turbulences et des MES (Matières en suspension). Pour pallier ce problème, la sonde fait donc une acquisition sur une minute complète avec un pas de temps d’une seconde de sorte à obtenir une liste de soixante valeurs pour lesquelles quelques caractéristiques statistiques sont conservées (Krieg Rabeski, 2018). Cette durée d’acquisition donne une idée du signal moyen sur une minute suffisante pour mettre en évidence les variabilités propres au signal hydrologique lors d’une crue. Lescaractéristiques mesurées sont la médiane, la moyenne, les valeurs minimales et maximales,les premier et troisième quartiles ainsi que la variance. Ces valeurs, auxquelles s’ajoutent l’horodatage ainsi que la température de l’eau, doivent assurer la fiabilité de la mesure. Toutes ces données doivent être a minima enregistrées sur une carte SD et si possible, envoyées sur une plateforme pouvant les stocker au moyen d’un système de connexion sans fil. L’objectif est ici d’avoir la possibilité d’accéder aux données sans devoir se rendre sur le lieu d’acquisition.
Pour cela, la plateforme en ligne TTN (The Things Network) ainsi que le protocole LoRaWAN (Long Range Wide-area network) sont utilisés.
Dans un souci d’économie d’énergie de fonctionnement, le système doit pouvoir se mettre en veille lorsqu’il n’effectue pas sa mesure. Il doit pouvoir se rallumer à pas de temps régulier, iciune dizaine de minutes, et lancer l’acquisition de manière autonome.
Enfin, pour les raisons de surestimation de la turbidité par temps ensoleillé décrites dans la partie suivante, la mesure doit s’effectuer en deux temps : une première mesure avec la LED émettrice allumée et une seconde avec la LED éteinte. Ces deux mesures doivent ensuite être soustraites pour obtenir la valeur finale conservée. Tout ceci doit être contenu dans la seconde correspondant au pas de temps admis pour l’acquisition durant la minute décrite précédemment.
Toutes ces contraintes sont résumées dans le schéma de fonctionnement de la figure 6 qui correspond au déroulé du programme Arduino de l’annexe 1 implémenté dans la carte de la sonde.
Présentation de la sonde de turbidité
La sonde de turbidité peut être décomposée en deux parties : la sonde en elle-même qui contient le capteur nécessaire pour effectuer la mesure et un boîtier d’acquisition pour transformer, enregistrer et transmettre la donnée tout en alimentant l’ensemble du dispositif par panneau solaire.
Sonde de turbidité
Capteur de turbidité
Le capteur de turbidité se base sur le capteur SKU SEN0189 (Fiche technique SKU SEN0189), vendu par l’entreprise DFRobot, spécialisée dans la vente de matériel électronique avec l’avantage d’être peu cher et facile à prendre en main . Il est composé d’une tête effectuant la mesure et d’une carte pouvant convertir la tension de sortie sous deux formes. Ce type de capteur est très souvent utilisé dans les lave-vaisselles et a déjà été utilisé sans modification dans d’autres projets de sondes bas-coûts (Gillett et al., 2019). La tête se compose d’un circuit imprimé (figure 8), protégé par un capuchon en plastique transparent, sur lequel deux LED séparées d’un centimètre environ permettent la mesure de la turbidité par atténuation en fonctionnant dans le proche infrarouge (~930 nm). La LED émettrice est reliée à une résistance de valeur fixe protégeant la LED et d’un potentiomètre dont la valeur de résistance permet de faire varier l’intensité électrique parcourant la LED (voirfigure 9 et 12). Ce potentiomètre est utile pour modifier la sensibilité du capteur.
Cette tête est reliée à une carte permettant la conversion du signal sous forme analogique ou digitale (figure 7). Le signal sous forme analogique est un signal dont la valeur est proportionnelle à l’intensité du courant. C’est cette forme de signal qui est utilisée pour l’acquisition des données. Le signal digital, lui, est un signal binaire qui ne peut prendre que deux formes : 0 ou 1. Il ne transmet donc qu’un état dont la valeur de basculement peut être choisie au moyen du potentiomètre de la carte. L’acquisition sous forme analogique ne nécessite pas particulièrement l’utilisation de cette carte, car la tension en entrée de celle-ci est la même que celle en sortie, à la différence de l’utilisation sous forme digitale. Toutefois, la carteest laissée dans le montage en cas d’une possible utilité dans le futur.
Boîtier d’acquisition et alimentation
Encapsulage
Le boîtier d’acquisition, visible figure 19, est composé d’un manchon femelle/femelle de 100 mm fermé à chaque extrémité par un tampon de visite de même diamètre. L’un des deux tampons est percé de deux trous bouchés par des presse -étoupes laissant passer le câble de la sonde de turbidité et celui du panneau solaire. En effet, le prototype dispose de son propre système d’alimentation afin de le rendre autonome et faciliter une installation sur le terrain en étant indépendant de toute alimentation en réseau. Le panneau solaire utilisé d’une dimension de 10 cm par 10 cm est suffisant pour alimenter le système et recharger la batterie rangée dans le boîtier d’acquisition. Cette batterie de 3,8 V a une capacité de 5100 mAh ; caractéristiques suffisantes pour alimenter la sonde plusieurs jours sans qu’elle doive être rechargée par le panneau solaire. Celui-ci est aussi collé sur un support composé d’un tube PVC et d’une plaque de plastique permettant de l’accrocher plus facilement comme apparent à la figure 18.
Transmission des données (TTN et LoRaWAN)
D’après le site de l’association promouvant le déploiement du réseau LoRa (site de LoRa Alliance), « la spécification LoRaWAN® est un protocole de mise en réseau LPWA (Low Power Wide Area) conçu pour connecter sans fil des objets fonctionnant sur batterie à l’internet dans des réseaux régionaux, nationaux ou mondiaux ». Les données sont transmises au moyen d’ondes radio propagées par des antennes spécifiques à ce protocole. Une antenne déjà installée sur le site d’étude de Chassieu par l’équipe de l’OTHU permet à la sonde de transmettre ses données.
Pour la réception des données, le site internet The Things Network (TTN) est utilisé. « TTN est un réseau LoRaWAN communautaire et open source pour l’Internet des Objets (IoT en anglais) » (site de TTN). Ce site permet la création d’application dans lesquelles peuvent être enregistrés des appareils à partir de leurs identifiants. Une fois ces identifiants renseignés, il est alors possible d’accéder aux données transmises et de les enregistrer sous différentes formes. Le moyen d’enregistrement retenu ici est un tableur sur Google Drive. Cette méthode a l’avantage d’être accessible sur différents appareils, de pouvoir partager les données avec plusieurs collaborateurs, de modifier les données et de les afficher sous forme de graphiques.
Pour assurer la connexion entre TTN et la Google Sheet, il est nécessaire de développer un code en Javascript à insérer dans l’éditeur de script de la feuille.
Une intégration des données sur la plateforme de Cheap’Eau, OpenDataEau, a été envisagée en plus de l’enregistrement sur Drive. Cette plateforme a pour vocation de concentrer les résultats des différents capteurs développés par les membres de Cheap’Eau et de les rendre accessibles. Toutefois, des difficultés dans l’intégration des données produites par la sonde ont été rencontrées et ont conduit à son abandon temporaire.
Carte SD
En plus de la sauvegarde des données aux moyens d’une Google Sheet, ces dernières sont aussi sauvegardées sur une carte SD. Pour cela, un MKR Mem shield (figure 21) produit par Arduino est utilisé. Ce shield s’emboîte dans les pins de la carte MKR tout en proposant les mêmes pins sur sa propre carte. Cela permet de laisser la possibilité d’effectuer d’autres branchements sur la carte Ardino. Un seul des pins, le pin 4, est réservé pour le transfert des données entre la carte MKR et le shield SD. Une carte SD de 16 Go est utilisée ; cette capacité de stockage accorde une certaine durée d’acquisition avant que la carte ne soit saturée, ce qui peut être utile pour des systèmes non visités régulièrement.
Horloge Temps Réel
Une Horloge Temps Réel (HTR) ou RTC en anglais pour Real Time Clock est utilisée dans le cicuit pour indiquer précisément l’heure à laquelle les données sont produites. Le composant dont le modèle utilisé est un DS3231, dispose de sa propre pile bouton pour conserver l’information sur l’heure enregistrée. Cette information doit être fournie au composant par le biais d’un programme Arduino disponible dans la bibliothèque relative à ce composant. Le programme doit être téléversé en amont de celui utile au fonctionnement de la sonde. Ce composant estvisible sur la figure 22, monté à la verticale sur la platine.
Tests en laboratoire
La sonde a été testée en plusieurs étapes au laboratoire au cours de son élaboration. Les premiers tests avaient pour objectif de confirmer l’utilité du changement des LED et de l’asservissement de l’alimentation de la LED émettrice.
Test des modifications apportées à la tête de la sonde
Lors de ces tests, l’encapsulage de la sonde est assez similaire à son modèle final mais ne dispose pas encore du pas de vis au niveau de la tête qui est alors seulement emboîtée dans le corps de la sonde. Seule la tête de la sonde est à ce moment immergée lors des mesures. Au total, lors de ces tests, quatre sondes sont utilisées ; deux sondes bas-coût, l’une avec le capteur non modifié et l’autre avec le capteur modifié et deux sondes professionnelles : une sonde WTW VisoTurb (figure 24) optimale pour les mesures dans les eaux peu turbides et une sonde Endress-Hauser (figure 25) avec une large plage de mesure, capable de mesurer des turbidités allant jusqu’à 8000 NTU.
Ces sondes professionnelles permettent de comparer les résultats obtenus, notamment au niveau de l’erreur relative. Elles disposent chacune de leur propre boîtier avec un écran affichant les valeurs mesurées de turbidité et de température entre autres. Ces boîtiers permettent aussi d’enregistrer directement les données mais cette fonctionnalité n’a pas été utilisée, au profit de l’utilisation de la sortie 4 – 20 mA. Cette sortie permet de transmettre la valeur de la turbidité sur une plage d’intensité où 4 mA correspond à la valeur minimale soit0 NTU et 20 mA à la valeur maximale dépendant des paramètres de la sonde (4000 NTU pour la sonde WTW et 8000 NTU pour la Endress-Hauser). Ces sorties 4 – 20 mA sont reliées à une carte Arduino Uno sur laquelle est téléversé un programme enregistrant les données de turbidité toutes les secondes. Les deux sondes bas-coût sont aussi reliées à cette carte Uno. La carte Uno enregistre les données directement sur l’ordinateur auquel elle est reliée, lui servant en même temps de source d’alimentation. Aucun des composants présentés dans la partie consacrée au boîtier d’acquisition n’est encore mis en place. L’objectif est ici de tester uniquement le capteur.
Pour tester les LED, les différentes sondes sont plongées dans un seau noir et mat, ce qui limite les possibles réflexions de lumière pouvant altérer les mesures. Le seau est rempli d’une solution composée de sédiments en suspension. Ces sédiments sont issus de prélèvements effectués en Nouvelle-Calédonie qui ont été tamisés pour ne conserver que les sédiments les plus fins, dont le diamètre est inférieur à 63 µm. Cela permet d’avoir une solution homogène. Trois solutions de différentes concentrations sont utilisées permettant de tester différentes gammes de turbidité : une solution composée d’eau du robinet, dont la turbidité n’excède pas 1 NTU, une solution avec une concentration de 0,75 g.l -1 pour les faibles turbidités et une solution à 10 g.l -1 pour les fortes turbidités. Les solutions utilisées sont un réemploi de solutions préparées par d’autres étudiants ayant eux aussi travaillé sur la turbidité (Maurer, 2018 et KriegRabeski, 2018).
L’ensemble de cette installation est placé sur un chariot visible à la figure 26, ce qui permet de déplacer le dispositif à l’ombre et à la lumière ambiante extérieure lors des mesures. Ainsi, le protocole de mesure s’établit comme suit : une solution est versée dans le seau puis les acquisitions sont lancées pour les quatre sondes à l’ombre. Une fois l’acquisition terminée, lechariot est exposé à la lumière du soleil et les mesures sont relancées. On peut alors comparer la réaction des sondes selon l’exposition lumineuse à laquelle elles sont soumises.
Il a aussi été testé que les quatre sondes fonctionnant en même temps ne s’influencent pas entre-elles lors de leurs acquisitions. Pour cela, des mesures avec les sondes isolées puis regroupées ont été réalisées. Les résultats obtenus ne montrent pas de variation particulière lors des différents essais. Cela s’explique par le fait que les sondes émettent dans des longueurs d’onde différentes, allant d’environ 850 à 950 nm selon les modèles. De plus, malgré la diffusion sur les sédiments, celle-ci semble suffisamment ténue pour ne pas influencer les sondes qui sont séparées d’une petite dizaine de centimètres les unes des autres sur une seule ligne.
Zone d’étude
L’ensemble des résultats des tests de la sonde in situ présentés au chapitre suivant ont été obtenus par l’installation de sondes de turbidité sur le site Django Reinhardt de Chassieu.
Présentation du site Django Reinhardt de Chassieu
Le site Django Reinhardt, situé dans la zone industrielle de Chassieu (voir figure 30), recueille principalement les eaux pluviales drainées sur un bassin versant de 185 ha ( site du GRAIE, Présentation des sites). A ces eaux pluviales s’ajoutent périodiquement les eaux de temps sec, correspondant aux rejets industriels de process. Les deux bassins du site ont été réhabilités par le Grand Lyon en 2002, conduisant à la mise en service d’un bassin de rétention d’une capacité de 32 000 m3 visible sur la figure 27 et d’un bassin d’infiltration d’une capacité » de 61000 m3 , sur la figure 28. L’arrivée des eaux pluviales dans le bassin de rétention se fait par deuxcanalisations et une troisième permet des surverses occasionnelles dans le bassin d’infiltrationcomme présenté par le schéma de la figure 29.
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Table des matières
Notice analytique
Déclaration de travail personnel
Remerciements
Table des matières
Liste des illustrations
Liste des tableaux
Liste des abréviations
1. Introduction
2. Etat de l’art
2.1 Sélection et comparaison des articles traitant de la turbidité bas-coûts
2.2 Principe de mesure de la turbidité
2.3 Unités, normes et plage de mesure de la turbidité
2.4 Encapsulage des sondes
2.5 Milieu d’étude, prix et limites
2.6 Comparaison des sondes professionnelles
3. Matériel et méthode
3.1 Principe de fonctionnement de la sonde
3.2 Présentation de la sonde de turbidité
3.2.1 Sonde de turbidité
3.2.2 Boîtier d’acquisition et alimentation
3.2.3 Estimation du prix de la sonde
3.3 Tests en laboratoire
3.3.1 Test des modifications apportées à la tête de la sonde
3.3.2 Test du boîtier d’acquisition et fonctionnement dans le temps
3.4 Zone d’étude
3.4.1 Présentation du site Django Reinhardt de Chassieu
3.4.2 Installation dans le bungalow du bassin d’infiltration
3.4.3 Installation sur la canne de mesure de la hauteur d’eau dans la canalisation du bassin de rétention
3.4.4 Première installation sur la paroi de la canalisation d’arrivée du bassin de rétention
3.4.5 Seconde installation sur la paroi la canalisation d’arrivée du bassin de rétention
4. Résultats et discussion
4.1 Résultats en laboratoire
4.1.1 Modification des LED et de l’alimentation du capteur de turbidité
4.1.2 Test du capteur sur plusieurs jours
4.2 Résultats du site d’étude de Chassieu
4.2.1 Résultats du bungalow d’infiltration
4.2.2 Résultats de l’installation sur le flotteur
4.2.3 Résultats de la première installation sur la paroi de la canalisation
4.2.4 Résultats de la seconde installation sur la paroi de la canalisation
4.2.5 Compensation du fouling
5. Conclusions générales et perspectives
Bibliographie
Sitographie
Annexes
