XVII - HISTOIRE DES SALINOMETRES ET DES SONDES CTD

(Neil Brown)

Avant l'introduction des salinomètres à cellule de conductivité en 1930, la mesure de la température et de la salinité était obtenue en utilisant des thermomètres à renversement au mercure et en analysant en laboratoire des échantillons prélevés à l'aide de bouteilles de prélèvement Nansen. La salinité était mesurée par titrage au nitrate d'argent de la chlorinité, c'est à dire des ions chlore, brome et iode. Cette technique a été développée en 1901 par Martin Knudsen en Norvège. Les chlorides étant les constituants principaux de l'eau de mer et la proportion relative de solides dissous étant constante, la salinité est calculée à partir de la chlorinité. Cette méthode était très longue et très coûteuse. Elle demandait un soin extrême pour obtenir une précision de 0.03 PSU en salinité.

XVII - 1 - LES PREMIERS SALINOMETRES

Les salinomètres mesurant la conductivité ont été introduit en 1930 par Frank Wenner des Coast Guard. Ils mesuraient directement le rapport de conductivité entre l'échantillon et l'eau standard en utilisant deux cellules de mesure à électrodes. Les cellules étaient maintenues à la même température. La salinité était calculée à partir du rapport de conductivité. Cet instrument fournissait des mesures au moins aussi précises que celles obtenues par la méthode de Knudsen mais il était plus simple et plus rapide à utiliser.

La température a un effet important sur la conductivité de l'eau de mer. Une augmentation de la température de 0.0l°C a le même effet sur la conductivité qu'une augmentation en salinité de 0.01. Actuellement les océanographes ont besoin d'une précision de ±.003 ou meilleure dans l'océan profond ce qui a amené le développement d'instruments d'une plus grande précision. Par exemple en 1956 Alvin Bradshaw et Karl Schleicher (Woods Hole Oceanographic Institution ou WHOI), ainsi qu'en 1958 Roland Cox (National Institute of Oceanography, UK), avaient développé des salinomètres de laboratoire constitués de cellules de conductivité à deux électrodes dans un bain d'huile thermostaté équipé d'un chauffage, d'une réfrigération, d'un contrôle électronique de température et d'un pont de mesure de la conductivité. La salinité était mesurée en comparant la conductivité du prélèvement à mesurer avec celle de l'eau de mer standard après équilibrage de la température des deux échantillons dans le bain d'huile. Ces instruments étaient grands, complexes, lourd (plus de 200 kg) et donc non commercialisable. Cependant ils atteignaient la précision requise de ± 0.003.

En 1961 Bruce Hamon, qui travaillait à la division des pêches et de l'océanographie du « Commonwealth Science and Industrial Research Organization » en Australie, concevait un salinomètre portable d'un poids approximatif de 15 kilogrammes. Il utilisait une thermistance et un pont de résistances pour compenser de façon précise l'effet de la température sur le rapport de conductivité ce qui évitait l'utilisation d'un bain d'huile thermostaté. Cet appareil dont la précision était de ± 0.003, a été fabriqué en grande quantité. Il utilisait un capteur à induction placé dans un récipient en plexiglas. La cellule contenant l'eau standard dans l'appareil précédent était remplacée par une branche du pont de mesure qu'il fallait calibrer avant de passer les échantillons. Dans la partie haute du récipient, un agitateur permettait de maintenir rapidement un bon mélange. L'eau était en contact avec deux thermistances. Une thermistance était placée dans le circuit de compensation de l'effet de température, l'autre thermistance mesurait la température de l'échantillon avec une précision de ± 0.1°C ce qui permettait de calculer quel aurait été le rapport de conductivité si la mesure s'était effectuée à 15°C (ou 20°C). C'est en effet pour cette température qu'a été établie l'équation -dite « équation d'état de l'eau de mer »- qui permet le calcul de la salinité. L'utilisation d'un capteur à induction dans ce salinomètre éliminait les problèmes de dérive existant avec les cellules à deux électrodes. Cette dérive est due à l'impédance de polarisation, identique à une résistance électrique, qui existe entre chaque électrode et l'eau de mer. La dérive était réduite de manière importante en utilisant des électrodes de platine recouvertes de platine passivé. Cependant, il subsistait une dérive suffisamment important pour nécessiter fréquemment un nettoyage des cellules et une re-calibration à l'eau de mer standard.

Les capteurs de conductivité à induction sont constitués de deux transformateurs toroïdaux superposés de telle sorte que leur trou central soit aligné. L'eau de mer les entoure complètement et remplie le trou central de telle sorte que cela forme une spire commune aux deux transformateurs. Une tension alternative est appliquée à l'un des transformateurs ce qui induit un courant électrique dans le circuit d'eau de mer. Ce courant est proportionnel à la conductivité. Il est mesuré par le second transformateur.

Bien que ces cellules soient plus stables que les cellules à deux électrodes la résistance électrique cause des instabilités mineures qui doit être compensée par des calibrations fréquentes.

En 1975 Tim Dauphinee (National Research Council du Canada à Ottawa) a conçu un salinomètre de laboratoire commercialisé sous le nom d'AUTOSAL. Ce salinomètre est encore utilisé fréquemment par les océanographes aujourd'hui. L'AUTOSAL utilise une cellule à quatre électrodes immergée dans un bain thermostaté qui permet d'éviter le problème de la dérive posée par la polarisation

La cellule à quatre électrodes est exactement analogue à un shunt. Les deux électrodes extrêmes induisent un courant électrique dans la cellule, entre les deux autres électrodes la tension présente fournit le rapport de conductance entre l'échantillon mesuré et l'eau standard avec laquelle le salinomètre a été calibré.

Bien que ces salinomètres satisfassent aux besoins de précision de la plupart des océanographes, les techniques de prélèvement des échantillons destinés à des analyses ultérieures laissaient à désirer. Ces échantillons étaient collectés à des profondeurs prédéfinies et relativement peu nombreuses, si bien que d'importants détails passaient souvent inaperçus, les valeurs de la salinité n'étaient pas disponibles assez rapidement pour avoir une influence sur la suite de la campagne. Les techniques de prélèvement étaient longues et coûteuses.

 

XVII - 2 - MESURES IN SITU

Les limites à la collecte des échantillons d'eau de mer et à leur analyse à bord a conduit au développement en 1948 du premier système in situ conçu par A. W. Jacobsen qui travaillait pour la Bristol Corporation à Waterbury dans le Connecticut. Son utilisation était limitée à 400 mètres. Cet instrument utilisait un câble porteur et un autre câble multiconducteur pour obtenir les données. Bien que très simple, ce système ouvrait la voie à de nouvelles techniques de mesure en océanographie.

En 1958, en Australie, Bruce Hamon et moi-même avons décrit un instrument conçu pour être utilisé jusqu'à 1000 mètres. Il était le premier à utiliser un câble électroporteur, câble porteur avec pour âme un simple conducteur isolé, qui permettait d'alimenter l'appareil et de transmettre les données à bord. La précision sur la température était de ± 0.15°C et celle sur la salinité de ± 0.05. La salinité était mesurée en utilisant une cellule de conductivité à deux électrodes et un circuit comprenant des thermistances et des résistances pour la compensation de l'effet de température sur la conductivité. Un simple oscillateur à réseau R C déphaseur convertissait l'information fournie par chaque capteur en un signal audio modulée en fréquence. Ce signal était transmis à bord où il était converti en tensions continues qui étaient enregistrées sur une table traçante. Il n'y avait pas de compensation de l'effet de pression sur la conductivité : Les données (de conductivité) enregistrées devaient être lues sur les enregistrements fournis par la table traçante, puis corrigés manuellement de l'influence de la pression.

Cet appareil permis à Hamon d'être le premier à calculer l'effet de la pression sur la conductivité de l'eau de mer. En 1965 Bradshaw et Schleider (WHOI) étudièrent de manière beaucoup plus complète et précise cet effet de la pression. Bien que cet appareil nécessite un nettoyage permanent et une replatinisation de la cellule pour maintenir la précision, il montrait d'une manière claire qu'il existait des structures à beaucoup plus petite échelle dans l'océan que ce qui était révélé autrefois par les méthodes classiques de prélèvement.

XVII - 3 - REALISATION DES BATHYSONDES STD

En 1959 je quittais l'Australie pour m'installer à Woods Hole (au WHOI) et travailler avec Bradshaw et Schleider afin de concevoir ce que l'on espérait être un instrument de mesure in situ plus précis. Il utilisait un capteur de conductivité à induction et une cellule de compensation scellée remplie d'eau de mer standard. Cette cellule était destinée à compenser de façon précise à la fois les effets de la température et de la pression ; cependant, notre tentative de fabriquer une cellule à la fois stable et ayant une réponse rapide aux variations de température a été un échec et elle fut abandonnée.

Je retournais en Australie en 1961 puis en 1962 je revins aux Etats-Unis à la division marine de société Bissett-Berman à San Diego en Californie pour poursuivre les travaux de développement d'une bathysonde commencés à Woods Hole. La sonde STD (Salinity, Temperature, Depth) qui en a résulté fut commercialisée en 1964. A cette époque, les ordinateurs et leurs périphériques coûtaient cher, étaient peu fiables et difficiles à utiliser en mer. Puisqu'il était essentiel que les mesures de salinité soient immédiatement disponibles, la relation complexe entre salinité, température, pression et conductivité devait être émulée par un « pont de salinité ». Ce pont était composé de deux capteurs de température au platine et de trois thermistances, de deux capteurs de pression et de six transformateurs ainsi que d'un capteur de conductivité à induction et d'importants circuits électroniques. Il nécessitait de nombreux et complexes réglages pour sa calibration.

La bathysonde STD utilisait un oscillateur connu sous son nom commercial de « Paraloc Oscillator » fabriqué suivant le même principe que l'appareil utilisé en Australie. Des oscillateurs séparés convertissaient les sorties des ponts de mesure de la salinité, de la température et de la pression en trois bandes de fréquences audio différentes. Bien que cette STD ait poussé la technique analogique a ses limites, cet appareil complexe et coûteux devint le premier « profileur » régulièrement utilisé. Plus de 700 furent vendus de par le monde jusqu'à ce que les bathysondes CTD (Conductivity, Temperature, Depth), fabriquées à partir de 1970, la rende obsolète. La précision de la STD se dégradait pour des profondeurs supérieures à 100 mètres et il y avait d'importantes anomalies de la salinité (spiking) dues au fait que le capteur de conductivité réponde plus vite que les capteurs de température. De plus, sa précision était limitée par les erreurs systématiques du calcul analogique de la salinité à partir des informations fournies par les mesures de la conductivité, température et pression.

XVII - 4 - L'ARRIVEE DES CTD

Ces inconvénients suivis de l'arrivée rapide des ordinateurs, m'ont poussés à rejoindre le WHOI en 1969 pour commencer la conception d'un appareil digital qui pallie aux limitations de la STD. Je publiais ce travail en 1974, après cette publication j'ai quitté le WHOI pour créer la « Neil Brown Instrument Systems » et y fabriquer la CTD Mark III. Cette Mark III utilisait un capteur de conductivité miniature à quatre électrodes de 3 centimètres de long, réalisé en fine céramique d'alumine. La température était mesurée en utilisant un thermomètre à fil de platine très stable ayant un temps de réponse de 250 millisecondes et une thermistance dont le temps de réponse était d'environ 50 millisecondes. Les signaux de sortie provenant de ces deux capteurs étaient combinés dans un circuit analogique qui délivrait un signal ayant la stabilité du thermomètre de platine et le temps de réponse de la thermistance. Le signal était indépendant de la calibration de la thermistance. Il était digitalisé en même temps que ceux provenant des capteurs de pression et de conductivité. L'expérience montra qu'en raison de la variabilité et de la complexité du temps de réponse de ces capteurs, il était préférable de digitaliser séparément leurs signaux et de les recombiner numériquement par calcul en utilisant l'ordinateur d'acquisition. Un des points forts de la CTD était la haute résolution du convertisseur analogique digital (16 bits) sur la mesure des tensions alternatives. Ce convertisseur avait un bruit de fond de 0.1 microvolt à 100 mesures par seconde.

En 1974 Nick Fofonoff, Stanley Hayes et Robert Millard écrivirent dans un rapport technique du WHOI qu'avec un traitement approprié et une calibration à la mer adéquate, la CTD donnait des données d'une qualité égale ou supérieure à celles obtenues à partir des meilleures stations hydrographiques classiques. Ils affirmaient que pour des mesures sous la thermocline principale les précisions étaient de ± 0.0015°C sur la température, ± 1.5 décibar sur la pression et de ± 0.003 sur la salinité. Tous les utilisateurs de la CTD n'étaient pas capables d'obtenir une telle précision qui nécessitait une calibration précise immédiatement avant et après chaque campagne, en faisant en plus, pendant la campagne, des analyses fréquentes sur des prélèvements effectués simultanément à des acquisitions de calibrage et en utilisant de bons logiciels de traitement.

La CTD Mark III présente deux sources d'erreurs principales :

Les dépôts de corps gras ou de matière organique sur les électrodes ainsi que les dépôts calcomagnésiens à la surface de la céramique.

La précision limitée sur la mesure de la pression (± 0.1%). A la profondeur de 6000 mètres cette imprécision sur la pression provoquait une erreur de ± 0.004  sur la salinité.

Depuis le début des années 1970 pendant que la Mark III était mise au point, la technologie des microprocesseurs a subit une évolution spectaculaire. A la même époque la demande pour des CTD modifiées et possédant des capteurs supplémentaires devint la règle plutôt que l'exception. En conséquence la Mark V fut fabriquée à partir de 1987 pour profiter de la technologie des microprocesseurs de sorte que les modifications souhaitées et les ajustements de calibration puissent être fait par software plutôt que par hardware, ce qui simplifiait le processus de fabrication. Une autre amélioration importante est l'utilisation d'une cellule de conductivité à six électrodes promettant une amélioration considérable de la stabilité. Cette cellule est sensible à l'eau de mer extérieure à une extrémité et n'est pas sensible à l'eau de mer qui présente à l'intérieure de la cellule. Les six électrodes sont à l'intérieure de la cellule loin de sa partie sensible. Cependant, l'électronique associée à cette cellule est forcement complexe. Un capteur de pression au titane est monté sur la CTD Mark V. Il est environ trois fois plus précis que celui de la Mark III.

XVII - 5 - DEVELOPPEMENTS FUTURS

La quantité de données océanographiques que les bateaux et le personnel peuvent récolter en utilisant les CTD limite les progrès en océanographie et en climatologie. Parmi les autres méthodes possibles on peut installer des CTD dans des véhicules autonomes, utiliser des mouillages conventionnels ou non récupérables et des navires de passages (navires d'opportunités). Indépendamment de la plate-forme utilisée, les capteurs des CTD doivent être moins cher, consommer moins d'énergie, être plus léger, plus petit et, le plus important, d'avoir une excellente stabilité à long terme. Même les méthodes actuellement utilisées à bord profiteraient considérablement de tels systèmes CTD. La philosophie à la conception de la Mark III puis de la Mark V était de rendre chaque partie du système extrêmement stable et performant. Il en est résulté des systèmes ayant les performances désirées mais au prix d'une consommation énergétique importante, d'une grande complexité et d'un coût élevé.

Comme mon entreprise employait plus de 50 personnes, J'ai trouvé qu'il n'était plus intéressant de la diriger. En 1982 le conseil d'administration et moi-même avons désigné un directeur afin que je puisse me remettre aux travaux de conception qui me plaisaient davantage. Deux années après, l'entreprise fut achetée par EG&G. Je suis resté chez eux pendant 5 ans en tant que responsable scientifique. Mais pendant cette période je n'ai eu que très peu de possibilités de travailler à la conception de nouveaux appareils, aussi, à la fin de ces cinq années, j'ai été très heureux de pouvoir retourner (en 1989) au WHOI.

Le nouveau concept que je développe actuellement utilise des circuits électroniques simples, compacts et bon marché. Ils ne sont pas forcément stables mais sont calibrés dynamiquement in situ en les comparant avec des réseaux de résistances ultra stables qui simulent avec précision les signaux de sortie des capteurs pour des valeurs connues des paramètres mesurés. Un microprocesseur interne corrige ensuite la dérive de l'électronique.

Un des objectifs principaux de ces nouveaux développements est d'appliquer ce concept à des applications à long terme alimentées par des piles. Une étude préliminaire montre qu'il est possible de ne consommer qu'un milliwatt par capteur. Ce qui veut dire qu'un capteur peut être utilisé en continu pendant deux ans en étant alimenté par deux piles de type D au lithium. Les biosalisures marines posent un sérieux problème pour l'utilisation à long terme de tous les systèmes CTD utilisant des capteurs de conductivité à électrodes. Puisque les électrodes doivent être directement exposées à l'eau de mer, elles ne peuvent pas être fiablement protégées du fouling en utilisant une peinture anti-fouling. Le nouvel appareil utilise un capteur de conductivité à induction avec une bobine d'asservissement supplémentaire et une électronique qui élimine les erreurs présentes dans les appareils précédant qui était dues à la résistance des enroulements. Ceci élimine aussi la nécessité de protéger les transformateurs en les plaçant dans un boîtier qui résiste à la pression, et de ce fait, cela réduit considérablement la taille, le prix et la masse thermique du capteur. Puisqu'il n'y a pas d'électrodes, les techniques anti-fouling classiques peuvent être utilisées, ce qui augmente considérablement les chances d'obtenir une stabilité à long terme.

Au cours des années, les capteurs de conductivité des salinomètres et des sondes CTD ont évolués de la simple cellule à deux électrodes à la cellule à induction, suivie de celle à quatre puis à six électrodes pour finalement revenir à la cellule à induction. L'utilisation de la nouvelle cellule à induction et de la calibration dynamique de l'électronique en utilisant la puissance d'un microprocesseur permet d'envisager de nouveaux appareils CTD, petits et peu coûteux, avec une excellente stabilité à long terme.