SHOM 19 mars 2009Mesures de salinit : vers un nouveau capteur

Meeting EPIGRAMIle de R les 18-20 mars 2009

Mesures de salinit : vers un nouveau capteur.

M. Le Menn*.Dveloppement ralis par : D. Malard**, ZY Wu**, P. Grosso**,

J.-L. de Bougrenet de la Tocnaye**

* Service Hydrographique et Ocanographique de la Marine** TELECOM - Bretagne

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Sommaire1 Petits rappels : la salinit, quest-ce exactement ?

2 - La salinit : comment la mesurer ?

3 - Y a-t-il dautres solutions pour mesurer la salinit ?

4 - Mise au point dun rfractomtre.

5 - Principe de fonctionnement.

6 - Rsultats prliminaires.

7 Conclusion de cette tude.

8 Autres perspectives.

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Petits rappels : la salinit, quest-ce exactement?

La salinit dsigne la masse totale de substances solides dissoutes par kilogramme deau de mer.

La valeur de cette masse est difficile dterminer dans la pratique.

En 1902, un protocole opratoire a t adopt par une commission internationale pour approcher la valeur de la masse de substances dissoutes.

La salinit est alors devenue : la masse en grammes de substances solides contenues dans un kilogramme deau de mer, les carbonates tant transforms en oxydes, les bromures et iodures remplacs par leur quivalent en chlorures, les matires organiques tant oxydes.

Cest la dfinition de la salinit absolue Sa qui sexprime en g/kg.

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La salinit : comment la mesurer ?Cependant, la dfinition de 1902 tant impossible utiliser pour des mesures de routine Adoption dune mthode de mesure base sur la chlorinit.

La chlorinit est dfinie comme tant la masse (en g) des halognes contenus dans un kilogramme deau de mer, les ions bromure et iodure tant remplacs par leurs quivalents en chlorure.

De 1902 jusqu 1962 : S = 0,03 + 1,805 0. Cl en o Cl = chlorinit.

En 1962 cette relation a t modifie partir de travaux sur la chlorinit, le rapport de conductivit, la salinit et la masse volumique.De 1962 1969 : S = 1,806 55. Cl.

De 1969 1978 : S = 1,806 55. 0,328 523.Ag en pour liminer les variations de chlorinit lies aux progrs dans la connaissance des masses atomiques de Cl et Ag.

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La salinit : comment la mesurer ?La ralisation de capteurs de conductivit tant rendu possible, une nouvelle dfinition a t adopte en 1978, base sur la mesure de rapports de conductivit.

La salinit dun chantillon deau de mer devient alors le rapport appel K15 de la conductivit lectrique de cet chantillon la temprature de 15 C et la pression de 101325 Pa, sur celle dune solution de chlorure de potassium (KCl) contenant 32,4356 g de KCl par kg de solution, sous les mmes conditions de temprature et de pression.

Avec cette dfinition, la salinit na plus dunit et elle ne permet toujours pas de calculer des valeurs de salinit en g/kg : les salinits S calcules avec la Practical Salinity Scale de 1978 sont des salinits pratiques.

Toutes les eaux qui ont la mme conductivit ont alors la mme salinit pratique S, mme si leur composition et leur chlorinit sont diffrentes.

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La salinit : comment la mesurer ?La PSS-78 est un moyen adquat pour dterminer les proprits physiques et thermodynamiques des eaux de mer, sauf que les composs non lectrolytiques comme Si(OH)4, NO3 ou CO2 ne sont pas dtects par les capteurs de conductivit alors quils influent sur les proprits physiques des eaux de mer.

Ainsi, il a t estim que pour S = 35, lerreur Sa S = 0,16 (ou g/kg)

alors que les capteurs de conductivit peuvent avoir des rsolutions de quelques 10-4 mS/cm, et quil est possible de les talonner pour avoir une incertitude sur S de 0,003 !

De plus, que devient cette erreur en ctier lorsque la salinit est proche de 10 ou suprieure 40 ?Sachant dautant plus, que dans les modles dvaporation ou de prcipitation, cest la salinit absolue Sa et non la salinit pratique S qui entre en jeu

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La salinit : comment la mesurer ?

Autre problme qui se pose : la conductivit lectrique dpend plus de 80 % de la temprature du milieu. De ce fait :

les capteurs de conductivit sont trs sensibles la temprature. Cest dailleurs la proprit utilise pour les talonner.

Cette proprit introduit des artfacts dans le calcul de la salinit, en particulier dans les thermoclines saisonnires, lorsquil nest pas possible daligner les temps de rponse des capteurs de temprature et de conductivit. Lordre de grandeur de ces erreurs va de 0,01 1 sur S, comme on la montr dans une publication paratre.

(voir : Mensah V., Le Menn M., Morel Y., Thermal mass correction for the evaluation of salinity, J. of Atm. and O. Tech. Vol. 26, No. 3, 665672, March 2009)

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Y a-t-il dautres solutions pour mesurer la salinit ?

Oui!Il existe un moyen pour rduire les erreurs mentionnes prcdemment : mesurer lindice de rfraction de leau.

Millard et Seaver ont montr en 1990 quun calcul de masse volumique ralis partir dune mesure dindice est 4 5 fois plus juste que sil est ralis partir dune mesure de conductivit

En fait, lindice de rfraction n est en relation directe avec la masse volumique travers la relation de Lorentz Lorenz (1881) et donc avec la salinit absolue.

En 1990, Millard et Seaver ont mis au point un algorithme qui relie n S, la temprature, la pression et la longueur donde.

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Mise au point dun rfractomtre

Pour mettre en pratique cette relation, il manque un capteur.

Une coopration lance en 2006 entre lcole TELECOM Bretagne travers son dpartement doptique, lUMR 6082 Foton, et le SHOM, a dbouch sur la mise au point dun capteur de mesure de lindice de rfraction de leau de mer.

Ce capteur a t pens pour tre dune ralisation simple et peu coteuse.

Il a fait lobjet dune labellisation par le ple mer Bretagne et il est dvelopp par une PME Lorientaise.

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Mise au point dun rfractomtreLe premier prototype se prsente sous la forme de 2 prismes de verre dont les variations dindice avec la temprature se compensent.

Un des prismes supporte une diode Laser alors que sur lautre est fix un capteur de position du type PSD (Position Sensitive Device) qui traduit en tension le dplacement du spot.

VerresPice permettant de rgler et fixer le laser

Faisceau laser

Support pour fixer la structure du capteur

Capteur PSD et son lectronique

Laser

Brevet Europen n PTC/EP2006/064492

Schma de principe

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Principe de fonctionnement

Lindice de rfraction est dfini comme tant le rapport de la vitesse de la lumire dans le vide sur sa vitesse dans le milieu travers.

Sa valeur est donc toujours suprieure 1. Elle varie entre 1,33 et 1,35 pour leau de mer ce qui implique de disposer dinstruments de grande rsolution pour la mesurer et obtenir une rsolution suffisante sur la salinit.

Cest un des dfis surmonter pour obtenir un instrument comptitif par rapport aux mthodes traditionnelles.

Le dessin du rfractomtre et le choix du PSD ont t optimiss pour rpondre au mieux cette contrainte.

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Rsultats prliminaires obtenus.

La fabrication dun prototype exprimental a permis dobtenir des rsultats en laboratoire.

Des essais en temprature et salinit ont t mens dans la cuve dtalonnage du laboratoire de mtrologie du SHOM

4 salinits diffrentes ont t testes entre 15 et 25 C.

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Rsultats prliminaires obtenus.Les premires mesures montrent que le dfi sur la rsolution est en passe dtre gagn :

un filtrage adquat des valeurs de tension permet dobtenir pour une salinit constante de 34,253, des carts types sur lindice de 7 9.10-7 , pour diffrentes tempratures.

A linverse, si on travaille temprature constante, 25 C par exemple, cette rsolution sur lindice permet dobtenir des carts types de 3 5.10-3 sur la salinit.

Salinit (PSS-78)

Tension PSD (V) Ecart type sur V

Ecart type sur la salinit

0,000 2,3879 0,0004 310-3 19,640 4,9432 0,0004 310-3 29,995 6,2206 0,0005 410-3 34,253 6,6674 0,0006 510-3

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Rsultats prliminaires obtenus.

Cela nest pas encore comparable avec la rsolution que lon peut atteindre avec les capteurs de conductivit (2 3.10-4) mais a permet dj denvisager des applications intressantes.

De plus, compte tenu de linexactitude intrinsque des mesures de S par rapport Sa , la rsolution des capteurs de conductivit na pas rellement de sens.

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Rsultats prliminaires obtenus.

Lautre dfi relever concerne la linarit des mesures. But : exploiter le capteur pour raliser des mesures absolues dindice, afin damliorer les bases de donnes existantes et les relations indice temprature salinit - pression et longueur donde. (-> publication possible partir de mesures en bain et en caisson)

Les variations de tension obtenues pour les quatre salinits testes en fonction de la temprature permettent destimer :

dV/dS = 0,1268 constant 0,0009 V/psu prs ( 1 ) ce qui montre une trs bonne linarit du capteur en fonction de la salinit.

Il reste raliser ce test sur toute la gamme des tempratures ocaniques.

(Voir : D. Malard, ZY Wu, P. Grosso, J.-L. de Bougrenet de la Tocnaye, M. Le Menn, High-resolution and compact refractometer for salinity measurements, Meas. Sc. and Tech., 20, 1, 2009)

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Rsultats prliminaires obtenus.

La mme exploitation ralise en temprature permet dobtenir : dV/dT = -0,062 0,004 V/C ( 1 ).

La linarit de la rponse en temprature est moins bonne car, en fait, les variations dindice en fonction de la temprature ne sont pas linaires, ce qui nest pas le cas pour la salinit.

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Rsultats prliminaires obtenus.Par contre, ces rsultats montrent une sensibilit en fonction de la salinit 2 fois plus grande que la sensibilit en temprature :dV/dS = 0,127 alors que dV/dT = -0,062.

Influence de la salinit sur la rponse du capteur : 67 %.Influence de la temprature sur la rponse du capteur : 33 %.

Cela montre bien lintrt de ce type de capteur : leur rponse est proportionnelle la masse volumique du milieu cest--dire la masse totale de substances dissoutes, linverse des capteurs de conductivit qui sont avant tout des capteurs de temprature. Conductivit dpendante plus de 80 % de T.Do problmes de temps de rponse des cellules.Ce problme devrait tre rduit avec les mesures dindice.

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Conclusion de cette tude prliminaire :Avec ce prototype, la preuve a t faite de :

- lintrt des mesures dindice pour approcher une mesure de la salinit absolue qui est un lment essentiel pour dterminer avec exactitude les proprits thermodynamiques de locan.

- la possibilit de raliser un capteur de mesure dindice de conception simple, ce qui est un gage de fiabilit et de moindre cot.

Il reste dvelopper un prototype final, qui pourra tre test en mer.Des essais sont prvus sur MOUTON2009, mais le capteur risque de ne pas tre prt.Il faudra trouver dautres opportunits de Campagnes en 2010

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Autres perspectives :Ce travail a t lanc alors que, indpendamment, un groupe de travail, le SCOR/IAPSO n 127 se runit pour redfinir les relations permettant le calcul des proprits thermodynamiques de locan.

A partir de travaux de F. Millero, il propose de dfinir une salinit de rfrence :SR= (35,16504 / 35).S

qui permettra de corriger les salinits pratiques S mesures et de remonter la salinit absolue SA par des corrections empiriques du type :

SA = SR+ SA

o les SA sont dtermines par des analyses chimiques ponctuelles et des formules empiriques du type :

SA = [37,9.(NTA-2295) + 72,8.SiO2 + 47,7.NO2 + 3] / 756

NTA = Normalized Total Alkalinity

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Autres perspectives :

Des formules de ce type ont t tablies par F. Millero pour diffrentes rgions du globe.Les SA seront aussi disponibles dans des tables fonction de la position.Vous aurez les utiliser ds quelles seront officialises.Cependant, comment seront prises en compte les variations locales et les variations saisonnires de composition de leau de mer ?

Alors que, le capteur optique est un moyen daccder directement et de faon prcise la valeur de SA.

Cependant, il faudra le prouver par des campagnes de mesures et des publications (pour lesquelles je suis preneur dun soutient scientifique).

Ces publications seront la cl du succs commercial du capteur.

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