Développement de systèmes multicapteurs et multivariables pour la mesure en continu de polluants atmosphériques - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2005

Developments of multivariate and multisensors systems for the measurement of atmospheric pollutants

Développement de systèmes multicapteurs et multivariables pour la mesure en continu de polluants atmosphériques

Résumé

The purpose of this work was to measure the concentrations of atmospheric pollutants using sensors based on a metal semiconductor, tin dioxide. These sensors were tested with two reducing gases which are carbon monoxide (0-20 ppm), a mixture of hydrocarbons (0-10 ppm) and two oxidizing gases which is ozone (0-500 ppb) and nitrogen dioxide (0-500 ppb). One of the major disadvantages of this type of sensor is their lack of selectivity. Thus the association of several different sensors in multisensors system can be a solution.
We have developed an automated test bench able to generate the suitable gas concentrations with a controlled humidity. It is then possible to carry out the acquisition of four devices (mono or multisensors) with cycles of temperature.
We followed the evolution with their age of the performances of various sensors worked out by serigraphy. At the end of these experiments, we showed the interest of the use of some of these sensors for the evaluation of two major components of pollution: ozone and hydrocarbons. We could not prove that the capacitive effects and the effects of electrode were useful parameters for our application. Nevertheless, the measurement with increasing temperature give additional information.
Thus, two multisensors systems were carried out. One associates three independent sensors and the other consists of three layers deposited on the same heating substrate. These three layers are initially identical (tin dioxide) but two are covered with a thin film, platinum for one and silica for the other. Moreover, one system made up of three commercial sensors used with a constant temperature was also tested. For each studied system, we built behavior models using a Neural Network algorithm. Whereas the models carried out using synthetic gas mixtures appeared unusable for measurements in real pollution, it was shown that a model calibrated directly with air bled in urban environment appears effective for the measurement of hydrocarbon and the ozone concentrations. The portability of these models between various identical multisensors was proven, but their lifespan was limited to ten days.
Ce travail a pour but de mesurer les concentrations en polluants atmosphériques à l'aide de capteurs à base d'un semi-conducteur métallique, le dioxyde d'étain. Ceux-ci ont été testés avec deux gaz réducteurs qui sont le monoxyde de carbone (0-20 ppm) et un mélange d'hydrocarbures (0-10 ppm) et deux gaz oxydants qui sont l'ozone (0-500 ppb) et le dioxyde d'azote (0-500 ppb). Un des inconvénients majeurs de ce type de capteur est leur manque de sélectivité. Ainsi l'association de plusieurs capteurs différents dans des systèmes multicapteurs peut être une solution à ce problème.
Nous avons mis au point un banc de mesure automatisé capable de générer les concentrations appropriées de gaz avec un taux d'humidité contrôlé. Il permet d'effectuer l'acquisition en continu de quatre dispositifs (mono ou multicapteurs) en cycles de température.
Nous avons suivi l'évolution des performances de différents capteurs élaborés par sérigraphie au cours du temps. Au terme de ces expériences, nous avons montré l'intérêt de l'utilisation de certains de ces capteurs pour deux composantes majeures de pollution : l'ozone et les hydrocarbures. Lors de ce travail, les effets capacitifs et les effets d'électrode ne se sont pas révélés être des paramètres utiles pour notre application. Néanmoins, les montées en température sont porteuses d'informations supplémentaires.
Ainsi, deux systèmes multicapteurs ont été réalisés. L'un associe trois capteurs indépendants et l'autre consiste en trois couches déposées sur un même substrat chauffant. Ces trois couches sont initialement identiques (dioxyde d'étain) mais deux sont recouvertes d'une couche mince, de platine pour l'un et de silice pour l'autre. De plus, un système constitué de trois capteurs commerciaux fonctionnant en isotherme a aussi été testé. Pour chacun des systèmes étudiés, nous avons construit des modèles de comportement à l'aide d'un algorithme dit de « Réseaux de Neurones ». Alors que les modèles réalisés à l'aide de mélanges gazeux synthétiques se sont révélés inutilisables pour des mesures en pollution réelle, il a été montré qu'un modèle étalonné directement avec de l'air prélevé en milieu urbain se révèle efficace pour la mesure des concentrations en ozone et en hydrocarbures. La portabilité de ces modèles entre différents multicapteurs de même type a été prouvée, mais leur durée de vie s'est avérée limitée à une dizaine de jours.
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Dates et versions

tel-00010218 , version 1 (20-09-2005)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00010218 , version 1

Citer

Marc Kamionka. Développement de systèmes multicapteurs et multivariables pour la mesure en continu de polluants atmosphériques. Matériaux. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00010218⟩
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