Accueil > Activité technique > Instrumentation > Etude de l’atmosphère terrestre

Rechercher

août 2017 :

Rien pour ce mois

juillet 2017 | septembre 2017

Micro-Hygromètre

La vapeur d’eau dans l’atmosphère est le premier gaz à effet de serre. Dans la stratosphère, son impact sur le bilan radiatif sur les mécanismes clés dans la chimie de l’ozone et sur la formation des aérosols est très important. En raison de son expérience dans ce domaine avec l’instrument ELHYSA, le LPC2E développe un nouvel hygromètre à point de givre pour l’étude de la stratosphère pouvant être embarqué sous des ballons légers dilatables ou être utilisé en charge utile secondaire sous les ballons stratosphériques ouverts. Les ballons légers permettent une grande facilité de lancement. Ainsi il devient aisé de faire des suivis temporels ou des analyses géographiques. En plus de la légèreté de cet instrument, le coût de fabrication devra être très bas (≤5k€) pour être compatible avec le risque de perte des instruments sous ballons légers. Le principe de mesure par point de givre (ou point de rosée) est la méthode de référence pour l’étude de la stratosphère car celle-ci est bien adaptée aux faibles concentrations et elle a une grande dynamique de mesure. Un tel développement nécessite un banc de test et de calibration qui a été le premier travail débuté fin 2014.

LE BANC DE TEST ET DE CALIBRATION

Ce banc est principalement composé d’une chambre contenant l’instrument et d’un saturateur d’air humide. L’ensemble fonctionne en circuit fermé. Dans le saturateur, la température est très inférieure à celle du reste du circuit. Elle y est contrôlée par un module à effet Peltier. L’air s’y sature au contact des surfaces recouvertes de glace (température de point de givre). Puis l’air qui en sort est ramené à la température de la chambre de mesure avant d’y entrer. La circulation de l’air dans ce circuit se fait par un ventilateur. Il sera ainsi possible de tester l’hygromètre aux différentes températures (d’environ -20°C à -50°C) tout en autorisant le choix du taux d’humidité de l’air (température de givre d’environ -30°C à -85°C suivant le choix pour la source primaire de froid). Le circuit d’air du banc est relié à une pompe permettant de choisir la pression pour simuler l’altitude à laquelle le test est fait. Avec ce banc nous pourrons simuler les conditions de la stratosphère (humidité, température et pression) pour notre instrument.

Synoptique du banc : Un échangeur thermique permet de réduire les pertes entre le saturateur et la chambre.
Photos du banc de test et de calibration

DESCRIPTION / PRINCIPE / PERFORMANCES DU MICRO-HYGROMETRE

Les précédents hygromètres du LPC2E mesurent le point de givre avec une grande précision en utilisant un petit miroir refroidi par un système cryogénique à azote liquide. Ce miroir est contrôlé en température et la détection du givre à sa surface se fait avec une source lumineuse et un détecteur optique. La mesure de la température du point de givre donne le taux d’humidité relative.

Synoptique du fonctionnement d’un hygromètre à point de givre avec miroir (refroidissement par Peltier).

Une forte miniaturisation est obtenue en remplaçant le miroir par un élément piézoélectrique : un quartz. Celui-ci sera contrôlé en température par un module à effet Peltier. Comme dans le cas des microbalances à quartz nous utiliserons ce quartz pour mesurer une masse : ici celle de l’eau qui s’y dépose. Le quartz ou lame de quartz a sa fréquence de résonnance modifiée par la présence d’une très faible masse à sa surface. La mesure de la fréquence nous renseigne sur la quantité de givre déposé. Il n’y a plus de source lumineuse et plus de détecteur optique.

Principe de la construction de la tête de mesure.

Pour garantir une grande précision de la mesure de température, 3 quartz (Q1, Q2, Q3) sont utilisés :
Q1 : Mesure de la fréquence modifiée par le givre et la température,
Q2 : Mesure de la température au centre de la lame,
Q3 : Mesure de la fréquence de référence (modifiée uniquement par la température).

Le quartz en composant électronique. Son boîtier a été ouvert pour en extraire la lame de quartz. Son prix : moins d’un euro.

La lame de quartz est très mince et ce n’est pas un bon conducteur thermique. Il n’est pas possible de la fixer sur toute sa surface sur un support conducteur thermique, car il n’est plus possible de la faire osciller. Il est donc difficile de connaître la température de givre à sa surface avec précision. Pour mesurer celle-ci nous utilisons un autre quartz (Q2) monté identiquement à Q1 et disposant en son centre d’une microsonde de température. Celui-ci n’oscillera pas. Par ailleurs les variations de fréquences d’oscillation du quartz Q1 sont bien sûr dépendantes de la quantité de givre mais aussi, dans une bien moindre mesure, de la température. Pour corriger cette dernière dépendance nous utiliserons un dernier quartz Q3 dans son encapsulation. L’oscillation de ce dernier fournira une fréquence de référence pour déterminer les variations de fréquence uniquement dues au givre. Cette tête de mesure sera disposée à l’extérieur de l’instrument. Les mesures se font durant l’ascension du ballon. Ainsi, c’est le vent relatif qui alimentera en air cette tête de mesure, il n’y a pas besoin de pompe.
Parmi les critères de performances des hygromètres nous avons la fréquence des mesures qui dépend ici en premier de la limite de détection de masse. En effet, l’air stratosphérique étant pauvre en humidité et peu dense, elle apporte peu de variation de masse sur le quartz. Il faut donc attendre que cette variation atteigne le seuil de sensibilité de l’instrument. Ce problème se retrouve avec les hygromètres à miroir. Or la technique de microbalance à quartz permet la mesure d’un dépôt en couche très mince : pas visible l’œil nu. Cette sensibilité devrait permettre d’avoir une résolution verticale (une fréquence des mesures) supérieure à la technique avec miroir. Cette fréquence réelle des mesures est donc très dépendante de l’environnement : pression, humidité. La précision de la mesure du point de givre devrait être de 0,4°C voire mieux ce qui se traduit par une erreur de mesure en volume d’environ +/- 1ppmv à 20 km.

Un laboratoire fondateur de l’Observatoire des Sciences de l’Univers en région Centre
OSUC
Nos tutelles
Université d'Orléans CNRS
Notre partenaire privilégié
CNES
Nos investissements d'avenir
Voltaire ESEP Planex