Système de contrôle-commande pour instrumentation gaz

01Contexte et objectifs

Le spectromètre à transformée de Fourier (FTIR) EM27/SUN enregistre le spectre de la lumière en provenance du Soleil afin d'identifier les espèces chimiques présentes dans l'atmosphère^[1][2]. Il doit être protégé des intempéries pour éviter l'usure des miroirs, mais doit être exposé pour pouvoir faire des acquisitions. Afin d'augmenter la fréquence des mesures de colonnes totales atmosphériques et de permettre un fonctionnement sans intervention humaine, l'équipe ICOS-RAMCES au Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (LSCE, UMR 8212) a mené des travaux de recherche et développement pour conditionner et gérer automatiquement l'exposition de l'EM27/SUN.

02Travail réalisé

Mon intervention comme ingénieur-chercheur a couvert l'ensemble de la chaîne de conception du système. À partir d'un état de l'art consacré à l'automatisation des mesures de colonnes totales atmosphériques, j'ai contribué aux choix technologiques puis à la conception conjointe des parties opératives, du contrôle-commande, des interfaces entre machines (M2M) et de l'interface homme-machine (IHM). Ces choix ont été traduits en modèles CAO, schémas électriques et électroniques, ainsi qu'en dossiers de fabrication destinés à la sous-traitance en tôlerie et mécanique.

La phase de prototypage a ensuite conduit à sélectionner et approvisionner les composants, puis à réaliser les finitions, l'assemblage et le câblage. J'ai enfin programmé l'automate de contrôle, le système d'acquisition de données (datalogger) et une interface graphique utilisateur. Cette continuité entre définition du besoin, conception, fabrication et mise en service a permis de maintenir la cohérence entre les dimensions mécaniques, électroniques et logicielles du prototype.

03Démarche

J'ai travaillé sous la responsabilité d'un ingénieur-chercheur spécialisé en chimie atmosphérique en suivant une méthode typique du cycle en V sur deux itérations de conception s'étalant sur 18 mois. Les choix technologiques se sont basés sur un état de l'art pour chacun des éléments fonctionnels (mécanisme d'ouverture, thermorégulation, étanchéité et acquisition des données) ainsi que sur des projets connexes publiés dans la littérature^[3].

L'abri intègre trois types d'automatismes pour contrôler l'exposition de l'instrument, contrôler la température de l'instrument et contrôler la transmission des données. Des capteurs à l'extérieur (précipitation, ensoleillement, température et humidité – TRH) et à l'intérieur de l'abri (TRH) sont interfacés avec des actionneurs (vérins, thermorégulation à effet Peltier) via des cartes Arduino / Industrial Shields pour le contrôle-commande et un Raspberry Pi pour le datalogger.

L'exposition de l'instrument est gérée par un capot solidaire de deux pistons commandés par des vérins électriques compacts. L'assemblage comporte au total 340 éléments intégrés dans un boîtier en acier inoxydable AISI 316. Ce système a été entièrement modélisé et mis en plan en CAO ; les dessins ont ensuite été complétés pour la communication et la fabrication. La majeure partie de la fabrication a été sous-traitée chez un atelier de tôlerie et mécanique, puis j'ai terminé l'assemblage et le câblage au LSCE.

04État et résultats

Une première version du système a été mise en service sur le toit du LSCE en juillet 2020. Puis une seconde version en mai 2021 sur la base des plans réalisés. Le travail de recherche a été poursuivi après mon départ et a fait l'objet d'une déclaration d'invention en avril 2023.

Une forte augmentation de la disponibilité des données a été observée en 2021, lorsque l'instrument a été installé dans le premier prototype. Le nombre de jours de mesure par an est passé d'environ 50 à 100 en 2021, puis à 150 en 2022.

Bilan du projet

Outils

EM27/SUN · Arduino / Industrial Shields · Raspberry Pi · FreeCAD · Inkscape · Draw.io

Livrables

Deux prototypes d'abri automatisé · CAO et dossiers de fabrication · Schémas électriques et électroniques · Automatisme, datalogger et interface graphique

Témoignage

« Quentin a travaillé au CEA pendant un an et demi. Il a permis de développer un prototype de caisson automatique étanche fonctionnel. Pour cela Quentin a pris en main des logiciels de CAO, développé des codes d’automatisation sur microcontrôleur, mis en place toute l’électronique nécessaire à l’automatisation, s’est occupé de trouver les composants correspondants aux besoins et pris contact avec les fournisseurs pour finalement mettre le prototype en fonctionnement. Quentin a été très autonome sur ce projet et ce fut une très bonne expérience humaine de travailler avec lui. » — Morgan Lopez, ingénieur-chercheur ICOS-RAMCES, CEA

05Suites : brevet

Bonne nouvelle du côté des travaux d'ingénierie instrumentale que j'ai menés il y a quelques années, au Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (LSCE)^[4] : la demande de brevet portant sur la station d'accueil automatisée pour spectromètre et son procédé de mesure associé (demande PCT/EP2024/078947, déposée le 15 octobre 2024) entre désormais dans ses phases nationales en Europe, aux États-Unis et en Chine. Le brevet est codétenu par le CEA, le CNRS et l'Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines, et je figure parmi ses inventeurs. Mes travaux portaient sur la conception du système de contrôle-commande, permettant de gérer l'exposition et les conditions de fonctionnement de l'instrument.

Le spectromètre EM27/SUN mesure les colonnes atmosphériques de gaz à effet de serre (CO₂, CH₄, H₂O, CO) en déduisant les concentrations à partir du spectre du Soleil. Précis mais fragile, il n'était pas conçu pour fonctionner seul, dehors, par tous les temps. La station d'accueil que nous avons développée automatise et protège l'instrument, ouvre le caisson lorsque les conditions le permettent, le referme en cas d'intempéries et rend possible une opération continue et autonome sur le terrain, sans présence humaine permanente.

Actuellement, une dizaine de caissons sont déjà déployés et opérationnels, avec un suivi en temps réel des instruments^[5] assuré par le centre thématique atmosphère d'ICOS au LSCE. Un transfert technologique a été réalisé vers la société ELONEO^[6], qui assure désormais la production des stations. Dans le futur, un déploiement de cinq nouvelles unités est prévu en Afrique.