Système de contrôle-commande pour instrumentation gaz

Contexte et objectifs

Le spectromètre à transformé 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. 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 atmosphérique et permettre un fonctionnement sans intervention humaine, l'équipe ICOS-RAMCES au Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement (LSCE, UMR8212) a mené des travaux de recherche et développement pour conditionner et gérer automatiquement l'exposition de l'EM27/SUN.

Activités menées

Je suis intervenu pour concevoir et prototyper un "abri" automatisé pour l'EM27/SUN. J'ai réalisé le projet dans tous ses aspects : état de l'art, choix technologiques, CAO mécanique, mise en plan, schématisation de circuits électriques et électroniques, gestion des achats et de la sous-traitance, assemblage final et câblage, programmation des unités de traitements et d'une interface graphique, puis documentation des travaux.

Méthodologie et outils

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, acquisition des données) et en tenant compte de projets connexes ayant fait l'objet de publications, e. g. Ludwig Heinle et al, 2018.

L'abri intègre trois types d'automatisme 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 Shield (contrôle-commande) et Raspberry Pi (datalogger).

L'exposition de l'instrument est gérée par un capot solidaire de deux pistons commandé par 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 sous FreeCAD avec en appui le logiciel Inkscape pour compléter les dessins. La majeure partie de la fabrication a été sous-traité chez un atelier de tôlerie et mécanique, puis j'ai terminé l'assemblage et le câblage au LSCE.

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 à 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.

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