Les technologies clés

* Environnement

Métrologie appliquée à l'environnement

Fiche Technologie-clé n : 27

VERSION 3

Comprendre la technologie

[100tc]Définitions

La métrologie appliquée à l'environnement se définit par toutes opérations de mesurage ayant pour but de connaître des composants de l'environnement et ses évolutions. Il est toutefois nécessaire de spécifier que la métrologie ne se limite pas uniquement à l'instrument de mesure. Elle intègre toutes les opérations nécessaires à la caractérisation d'un milieu : identification, compréhension, modélisation des paramètres pertinents ; définition d'un mode de prélèvement représentatif du milieu développement, configuration et installation des instruments de mesures ; élaboration de traitements adaptés ; restitution et interprétation des mesures effectuées...

Spécificités de la métrologie par typologie de pollution

EAU : L'eau fait l'objet d'une réglementation stricte en raison des problèmes d'hygiène et de santé publique (eaux de boisson, eaux de baignade...) et implique entre autres des mesures chimiques et biologiques régulières. Les rejets d'eaux usées sont également très réglementés et font l'objet de mesure portant sur des paramètres physico-chimiques (température, teneurs en ions métalliques, résidus dangereux, pH, oxygène dissous, potentiel redox, turbidité, COT...) ou biologiques (qualité bactériologique des eaux, DBO...)

AIR : L'air revêt également une importance croissante, notamment dans les milieux urbains (circulation automobile...). Les mesures interviennent de plus en plus en continu, surtout pour les teneurs de l'atmosphère en poussières, oxydes de carbone, de souffre, d'azote, les teneurs en hydrocarbures, en ozone... En milieu industriel, les mesures concernent, en plus des polluants déjà cités, les solvants, les hydrocarbures aromatiques et polyaromatiques, les composés organiques oxygénés, les dioxines...

SOLS - DECHETS SOLIDES : encore peu développée et largement insuffisante car complexe, la métrologie appliquée aux sols et aux déchets solides s'intéresse particulièrement aux métaux, solvants, carburants et pesticides. Un déficit métrologique devra être comblé rapidement...

LES NUISANCES SONORES : le bruit représente une nuisance majeure en milieu urbain et constitue donc une forme majeure d'atteinte à l'environnement. A ce titre, une réglementation est apparue en 1993, qui a conduit au développement d'une métrologie acoustique centrée sur la modélisation et le calcul prévisionnel...

CARACTÉRISATION DE L'ENVIRONNEMENT INTERNE DES BATIMENTS : la qualité des ambiances en milieu bâti a pris ces derniers années une importance grandissante. A ce titre, la métrologie contribue fortement à l'appréciation et au contrôle des différents paramètres : qualité de l'air, de l'eau, nuisance sonore, température, hygrométrie, qualité biologique, luminosité, aération...

Nota : On distingue généralement les paramètres quantitatifs (débits, niveau, pression...) et les paramètres qualitatifs (demande en oxygène, teneur en matière organique...). Ces paramètres physico-chimiques se mesurent soit en continu, avec des réactions instantanées (pression, température, turbidimétrie par voie optique), soit par échantillonnage et mesures déportées. Dans ce dernier cas, on parle de mesure permanente plutôt que de mesure en continu.

[100tc]Techniques mises en oeuvre

La métrologie appliquée à l'environnement est souvent très délicate à mettre en oeuvre. En effet, la grande difficulté se situe au niveau de la pertinence des paramètres à mesurer : difficulté d'apprécier un milieu à partir de données quantitatives quand les aspects subjectifs sont dominants. Les grandeurs mesurées dans le domaine de l'environnement sont extrêmement variables et peuvent faire appel au simple dénombrement ou au contraire mettre en oeuvre les méthodes d'analyse les plus complexes. De plus, les différents milieux

observées (sol, eau...) ne sont en général pas immuables et il est difficile de disposer d'échantillon de référence pour d'éventuelles comparaisons. De fait, les différentes données collectées -pour la plupart non exhaustives d'un état réel- doivent être interprétées et exploitées avec prudence.

Il est donc nécessaire avant toute implantation physique de mener une étude approfondie : échantillonnage, modélisation du réseau de surveillance (identification des points de contrôle, analyse des différents paramètres...), compréhension et modélisation des différents phénomènes physico-chimiques et choix du matériel. Ce dernier point met en oeuvre un ensemble de composants nécessaire à la fois :


  • au prélèvement des paramètres à mesurer : utilisation principalement de capteurs physico-chimiques, de réseaux de capteurs et de systèmes fluidiques (composés de microvannes et micro-capillaire). A cet égard, la tendance actuelle est à la mise en place de réseaux de capteurs autonomes intégrant dans le corps même du capteur une électronique de traitement (microprocesseur, micro-contrôleur).


  • au traitement : intégrant les différentes méthodes d'analyse visant à donner un sens aux données collectées


  • à la restitution, à la visualisation et à l'interprétation des mesures qui comprend principalement des interfaces de communication, des bus de terrains, des centraux d'acquisition, différents équipements périphériques et des logiciels de traitement et de supervision.

    Nota

    : La tendance actuelle est à la mise en oeuvre de chaînes de mesures intégrées, comprenant l'échantillonnage et le prélèvement (d'un ou plusieurs paramètres pertinents), une instrumentation adaptée, la modélisation et l'interprétation


  • Analyse des techniques mises en oeuvre par principales typologies de pollution :

    EAU et AIR : ces domaines nécessitent tout particulièrement la mesure en continu et mettent en oeuvre des systèmes combinant à la fois la mesure, la modélisation et des systèmes d'information

    SOLS et DECHETS SOLIDES : d'une part les techniques employées visent à déterminer la teneur en polluants tels que : métaux, solvants, carburants, pesticides... et, d'autre part, à évaluer le risque potentiel d'une pollution sur les différents milieux (problème de la spéciation dans les milieux complexes en ce qui concerne les métaux)

    NUISANCES SONORES : la métrologie acoustique concerne principalement la modélisation et le calcul prévisionnel.

    CARACTÉRISATION DE L'ENVIRONNEMENT INTERNE DES BATIMENTS : ce domaine nécessite la mise en place d'une métrologie visant à caractériser la qualité de l'eau, de l'air mais également des paramètres tels que : température, hygrométrie, qualité biologique, luminosité, aération, odeur, confort visuel...


  • Les principales techniques de mesures des effluents industriels (Source Industries et Techniques) :

    Matières organiques : mesures par absorption d'UV

    Demande chimique en oxygène (DCO) : oxydation à l'ozone, oxydation au permanganate, mesure différentielle d'oxygène entre deux réacteurs , colorimétrie

    Demande biochimique en oxygène au bout de cinq jours (DBO5) : Se mesure en laboratoire par respirométrie sur bio-réacteur, avec ensemencement et incubation sur cinq jour. Mesure de l'oxygène consommé.

    Demande biochimique en oxygène (DBO) : mesure par respirométrie avec bio-réacteur

    Carbone organique Totale (COT) : COTmètre ou par spectrographie UV

    Oxygène dissous : sonde REDox

    Phosphore : Colorimétrie

    Nitrate : Mesure par absorption UV ou par électrode spécifique

    Matières en suspension : Se déduit de la turbidité par spectrométrie (néphélométrie, absorption, dispersion)

    Indice phénols : Mesure par spectrométrie

    Hydrocarbure totaux (pétroles...) : Spectrométrie IR

    Toxicité : Mesure par respirométrie avec un bioréacteur

    Fluor : Electrode spécifique

    métaux et métalloïdes : Mesure par électrode spécifiques, voltamétrie, polarographie


  • Les principales méthodes utilisées pour la mesure des gaz :

    Nota : la plupart des polluants et des procédés d'analyse sont communs à l'air ambiant et aux émissions.

    Absorption IR : SO2, NO HCI, CO, CO2, hydrocarbures

    Absorption UV : SO2, NO

    Corrélation par filtre gazeux : SO2, NO, HCI, CO, CO2, hydrocarbure

    Interférométrie IR et UV : SO2, NO, HCI, CO

    Fluorescence UV : SO2

    Chimiluminescence : NO

    Ionisation de flamme : hydrocarbure

    Electrochimie : So2, NO, HCI, CO, O2

    Paramagnétisme : O2

    Sonde zircone : O2

    Conductivité thermique : CO2

    Objectifs de la technologie

    [100tc]Contexte concurrentiel et économique

    La métrologie rempli une fonction stratégique dans le domaine de l'environnement. En effet, elle participe de façon objective à l'appréciation des états et des milieux et de leurs évolutions : caractérisation, contrôle et évaluation des différentes pollutions...

    Aujourd'hui, les principales difficultés se situent, d'une part dans l'identification des paramètres pertinents à mesurer (dosage des phosphates, mesure en continu des particules en suspension dans l'air...) et, d'autre part, au niveau de la signification et de l'interprétation des mesures.

    D'un point de vue strictement économique, la prise de conscience collective et la prise en charge par les pouvoirs publics des problèmes environnementaux constituent incontestablement des facteurs de développement importants.

    [100tc]Fonctions remplies :

    Mesurer les taux de pollution ; permettre un contrôle des effluents, des gaz...lorsqu'il est permanent, en continu ou à fréquences élevées ; détecter d'éventuels dysfonctionnements de production... et bien évidement, pour les pouvoirs publics, effectuer une taxation cohérente

    Environnement technologique

    [100tc]Technologies concurrentes :

    Il n'existe pas de technologies concurrentes et l'objectif est commun à toutes les méthodes utilisées. En effet, la tendance actuelle est de développer des instruments et des méthodes visant à fiabiliser l'information collectée, dans le but de lui donner une véritable signification, ainsi que de développer des automatismes de régulation et d'alerte.

    [100tc]Evolutions technologiques :

    Les efforts de recherches portent sur le développement d'instruments de mesure plus fiables, plus précis, plus autonomes tels que l'instrumentation intelligente (capteur intelligent principalement)... Toutefois, il apparaît qu'un gros travail de recherche est effectué dans la compréhension et la modélisation des phénomènes environnementaux. En effet, la difficulté majeure de la métrologie appliquée à l'environnement réside dans la mesure de paramètres souvent hétérogènes. A ce titre, des recherches sont menées pour chaque milieu considéré sur la pertinence et la signification des différentes mesures établies. Un gros travaille de recherche est également mené sur le prélèvement et l'échantillonnage des mesures.

    Certaines recherches concernent la mise en place de mesures intégrées, comprenant le prélèvement de plusieurs paramètres, (l'échantillonnage et la mise en forme des résultats ayant principalement recours à la modélisation).

    Les industriels travaillent par ailleurs sur la mise en oeuvre de modules ou d'équipements automatiques multiparamètres, capable d'exécuter simultanément ou à la suite plusieurs mesures, ou, par corrélation, de déduire différents paramètres d'une même mesure. Ils s'attachent également dans la mesure du possible à développer des appareils en ligne avec des mesures en continu ou permanente et avec des transmissions automatiques en temps réel des données jusqu'à un central de traitement.

    Les différentes recherches menées par typologie de pollution :

    EAU : développements de nouveaux analyseurs pour les phosphates et les hydrocarbures ; détection rapide de pollutions biologiques ; évaluation des quantités globales de substances polluantes rejetées entre autres par la mesure en continu couplée aux mesures de débits

    AIR : les recherches dans l'atmosphère portent sur l'identification, la compréhension et la modélisation (analyse de toxicité, évaluation du risque...) des différents paramètres de contrôle pertinents ; sur la mesure de flux (évaluation totale d'une pollution dans l'environnement) ;

    SOLS ET DECHETS SOLIDES : de nombreuse recherches tentent de déterminer les éventuelles transformations de différents polluants dans les sols qui pour l'heure restent en partie inconnues ; d'autres recherches s'attachent à l'évaluation des risques attachés aux sols pollués, plutôt qu'à la caractérisation de la nature et de la concentration des produits qu'ils recèlent ;

    LES NUISANCES SONORES : Besoin d'une meilleure caractérisation du bruit : représentation en fréquence et non seulement par son intensité...

    CARACTÉRISATION DE L'ENVIRONNEMENT INTERNE DES BATIMENTS : des recherches sont menées dans la mise en oeuvre d'outils métrologiques visant à quantifier l'odeur (nez artificiel notamment), le confort visuel et les autres paramètres difficilement quantifiables. L'environnement perçu est également un facteur de développement important, notamment au niveau des effets dus aux interférences entre les différents paramètres de la qualité et d'ambiances (le bruit et la température par exemple) ;

    [100tc]Programmes de recherche :

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