Sonde CTD autonome de haute précision

Nom du projet : Élaboration d'un dispositif de mesure autonome et étanche pour les environnements aquatiques.

Coordonnées : Blandine Duparc, blandine.duparc@etu.sorbonne-universite, D.M. physique-géosciences
Aurèle Roux, aurele.roux@etu.sorbonne-universite.fr, D.M. physique-géosciences
Ilona Dupas, ilona.dupas@etu.sorbonne-universite.fr, Maj. biologie et min. géosciences

Responsable UE ST062 : Loïc Labrousse et Pierre Thery

Responsable du projet : Danièle Valdés

Durée : Début du projet le 31 janvier 2025 – Fin du projet prévu le ... mai 2025.

Introduction

L'objectif de ce projet est de concevoir une sonde de haute précision étanche et autonome assurant le suivi en pression, température et conductivité d'environnements sous-marins.

Cette sonde, qui comprend un datalogger indépendant, se doit d'avoir un coût de fabrication abordable. Les dispositifs équivalents du marché sont proposés à des tarifs compris entre 1200 et plus de 2000€, c'est pourquoi nous souhaiterions réduire son coût à moins de 300€. Ainsi, un plus grand nombre de capteurs pourront être installés dans des sites souterrains stratégiques (nappes phréatiques, lacs, etc.), et cela facilitera l'accès aux données pour des populations défavorisées, en permettant notamment le suivi précis et fiables des paramètres aquatiques des puits d'eau potable en Afrique.

Pour ce faire, notre démarche est de réaliser par nos propres moyens le plus de composants possibles. Les différents capteurs sont achetés sous forme de modules électroniques que nous étalonnons nous-même, et la majorité des autres composants sont pensés pour être produits à partir des machines du Fablab.

Les enjeux principaux sont donc l'impératif de coût, l'étanchéité complète du dispositif, son autonomie comportementale, sa durabilité mécanique et énergétique, ainsi que sa précision accrue.

Cette page présente l'avancement de notre projet tel quel ; une notice de présentation et de production sera publiée une fois le dispositif achevé.

Cahier des charges

Fonction	Description
1 – Mesure de pression	Pour mesurer la pression hydrostatique de l’eau dans laquelle elle est immergée afin d’estimer la profondeur ou la variation du niveau d’eau.
2 – Mesure de température	Pour avoir les variations de température précises et stables dans la durée de l’eau
3 – Mesure de conductivité	Pour mesurer la conductivité électrique de l’eau, afin de déduire des paramètres physico-chimiques tels que la salinité ou la concentration ionique.
4 – Enregistrement des données	Un système de datalogger intégré enregistre sur une carte mémoire SD les données issues des différents capteurs. L’export des données se fait via un système Bluetooth.
5 – Autonomie énergétique	La sonde fonctionne pendant plusieurs semaines, voire plusieurs mois, sans intervention extérieure, l’alimentation se fait grâce à deux piles alcalines.
6 – Étanchéité	L’ensemble du dispositif, boîtier comme composants internes, doit être étanche afin de résister à une immersion prolongée.
7 – Coût réduit	Le coût de fabrication unitaire ne doit pas dépasser 300€.
8 – Facilité de déploiement	L’installation sur site doit être simple, rapide et ne nécessiter que peu d'outils.

Journal de bord

31/01/2025 —— Schématisation et réflexion

Nous avons schématisé ci-dessous la sonde que nous allons essayer de monter dans ce projet.

Figure 1 : Schéma du prototype imaginé

Puis nous avons fait nos recherches sur les capteurs de température en prenant en compte : le prix (le moins cher possible), la haute précision attendue et la gamme de température. Nous n’avons rien trouvé de concluant, seulement que les capteurs Pt100 de classe A pourraient correspondre à nos conditions, bien que la précision varient selon les modèles.

Nous avons également commencé à réfléchir sur la question du système Bluetooth ou RFID. Nous nous sommes ainsi imaginés que si nous partions sur le système Bluetooth, il faudrait prévoir un mécanisme activant et désactivant le Bluetooth lorsque celui-ci n’est pas utilisé pour éviter une perte trop importante de la batterie. L’idée nous est venu d’utiliser un bouton relié à une LED pour montrer l’activation du système. A cause du problème d’étanchéité de notre datalogger nous avons pensé à utiliser un bouton poussoir relié à un ressort plutôt qu’un interrupteur qui risquerait de laisser passer l’eau au sein du compartiment.

02/02/2025 —— Carte mentale de nos conditions

En réfléchissant à notre cahier des charges, nous obtenons ci-dessous le diagramme des différentes conditions qu’il nous faudra remplir.

Figure 2 : Diagramme des conditions du projet et des idées pour y répondre en plus de leurs problématiques.

07/02/2025 —— Recherche des composantes du capteur

Après avoir fait nos recherches, nous sommes tombés d'accord pour utiliser pour le datalogger une boîte de dérivation, présentée ci-dessous figure 3. Cette boîte est déjà étanche tout en ayant un prix raisonnable (entre 5 et 10€). En revanche les entrées des câbles auront besoin d’être étanchéifiées à l’aide d’un presse-étoupe adapté.
Une autre possibilité d’assurer l’étanchéité du système serait d’utiliser du gel d’étanchéité et de le mettre dans la boîte de dérivation. Cependant un problème apparaît. Comme nous aurons des petites pièces (pile et Arduino), lorsque nous retirerons le gel pour changer la pile nous risquerons de perdre les petites pièces.
Enfin, afin d'éviter la condensation lors de changements brusques de température nous mettrons un sachet de dessiccateur dans le datalogger.

Figure 3 : Référence potentielle de la boîte étanche pour le data logger.^[^1,2]

Nous avons également réfléchi aux types de capteurs que nous allons utiliser. Notre choix c’est porté sur les capteurs de température de type semi-conducteurs (ils coûtent environ entre 10-20€), et pour ceux de pression nous utiliserons les capteurs de type piézo-électrique (qui coûtent environ une soixantaine d’euros).

14/02/2025 —— Recherche des composantes du capteur

Nous avons trouvé un capteur de température qui respecte nos contraintes.

Référence du capteur de température : TSic 716 TO92 ^[3^]

Nous allons envoyer un mail au fabriquant afin d’avoir une gamme de température qui correspond à celle dans la carrière (5-25°C). Pour l’instant le capteur est vendu avec une gamme de 25-45°C mais il est possible de la changer sur demande auprès du fabriquant.

De même, nous commençons à avoir une bonne idée du capteur de pression que nous allons utiliser, le problème principale restant le prix, supérieur à 100 € bien souvent, ainsi que le précision. Nous souhaiterions pouvoir évaluer des variations de hauteur de la colonne d'eau inférieures à 3 cm.

Référence du capteur de pression : MS583730BA01-50 ^[4^]

Nous avons choisi le capteur de pression MS5837-30BA, car il est capable de mesurer des variations de la colonne d'eau d'environ 2 mm. Nous n'espérons pas atteindre une telle précision sur le terrain, mais pouvoir souligner des variations de l'ordre du demi-centimètre remplirait nos attentes. La difficulté avec ce capteur est sa très petite taille de 3.3 x 3.3 x 2.75 mm. Il faudra parvenir à correctement isoler sa jonction sans exercer de contraintes sur la cellule du capteur, sans quoi les mesures de pression absolue seront toutes faussées.

07/03/2025 —— Comptabilité des matériaux

Nous avons trouvé tous les matériaux principaux pour le capteur et le datalogger. Nous avons ainsi essayé de choisir nos références présentées ci-dessous :

Figure 4 : Tableau non exhaustif des coûts envisagés.

Figure 5 : Schéma du dispositif sonde, datalogger et alimentation indépendante.

21/03/2025 —— Commande reçus

Une partie de la commande que nous avions faite la semaine dernière a été reçus : capteur de température et capteur de pression qui est vraiment petit. Nous attendons encore les boîtes de dérivation qui devraient arriver d’ici la semaine prochaine.

Figure 6 : Photo des deux capteurs de pression à gauche et du capteur de température à droite.

Nous avons commencé à envoyer des mails à des laboratoires car nous cherchons à calibrer le capteur de température. Malheureusement les laboratoires que nous avons contacté n’en possèdent pas d’aussi précis que 0,07°K.
Nous voudrions la semaine prochaine avoir une esquisse de notre futur capteur de température afin de pouvoir prochainement le calibrer. Pour cela nous avons d'abord besoin de l'étanchéifier et de faire le code Arduino afin de récupérer les données.

28/03/2025 —— Soudage du fil au capteur

Les trois boîtes de dérivation ont été reçus et nous avons trouvé dans le Fablab géoscience un câble constitué de trois fils mis à nu. Nous sommes ensuite allés au prototypage pour souder l’ensemble capteur-fils (figure 6) pour pouvoir dans les semaines qui suivent calibrer notre capteur de température.

Figure 67 : Photo du câble électrique soudé aux pins de notre capteur de température

04/04/2025 —— Code Arduino, calibration du capteur

Avant de commencer le code Arduino, il faut déterminer quel pin correspond à quel signal. Via la fiche technique nous obtenons ceci, figure 78 ci-dessous :

Figure 78 : Schéma des signaux assignés aux différents pins.

Association des pins aux fils du câble électrique à l'aide de la figure 6.7.
Pin 1 = GND -> fil noir ; Pin 2 = signal -> fil jaune ; Pin 3 = voltage -> fil rouge

Voici ci-dessous, un code créé sensé nous donner la température. Nous avons téléchargé la bibliothèque TSIC.h sur Arduino avant ensuite de lancer le code. Faire attention si la bibliothèque fait bien appel au capteur utilisé ! Le capteur TSIC716-TO92 n'est pas référencé dans la bibliothèque et nous avons donc supprimé la ligne de code qui y faisait appel.

#include <TSIC.h>

// Capteur connecté sur la pin D3
TSIC myTSIC(3); // Pin DATA

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  // Pas de setType() ici — ta version de la lib n’en a pas besoin
}

void loop() {
  uint16_t rawTemp;

  if (myTSIC.getTemperature(&rawTemp) == 0) { // 0 = pas d'erreur
    Serial.print("Valeur brute : ");
    Serial.println(rawTemp);  // <- 👈 DEBUG ici

    float temperature = rawTemp / 10.0; // Conversion : 0.1°C par unité
    Serial.print("Température : ");
    Serial.print(temperature);
    Serial.println(" °C");
  } else {
    Serial.println("Erreur de lecture !");
  }

  delay(1000);
}

Le code a l'air de fonctionner mais nous obtenons dans le serial monitor 0.00°C de température. Problème donc. Nous avons revérifié les branchements ainsi que le voltage des pins de la carte Arduino. Tout était ok, le problème est donc autre part. Peut-être que le code n'est pas complètement correct malgré la vérification utilisé sur Arduino.

11/04/2025 —— Re-code Arduino, calibration du capteur

...

Liste de commande actualisée :

1 x 8329TCS-6ML - https://fr.farnell.com/mg-chemicals/8329tcs-6ml/adhesif-2-compo-epoxy-seringue/dp/2811937?gross_price=true&CMP=KNC-GFR-GEN-SHOPPING-Catch-All&mckv=_dc%7Cpcrid%7C%7Cplid%7C%7Ckword%7C%7Cmatch%7C%7Cslid%7C%7Cproduct%7C2811937%7Cpgrid%7C%7Cptaid%7C&gad_source=1&gbraid=0AAAAAD8yeHm6x9AKfy3mxA2FcRwsZyePu&gclid=Cj0KCQjwhr6_BhD4ARIsAH1YdjDC48Up2PWzKGqgYrVnIJnfA57kHEUtUOuNGUmvhA6FVFPkaYv8EwwaAhgWEALw_wcB

1 x Coque en acier inoxydable pour capteurs de température PT100 - https://amzn.eu/d/fydYRA0

Déjà achetés :

2 x TSic 716 TO92 - https://fr.farnell.com/ist-innovative-sensor-technology/tsic-716-to92/capteur-temperature-numerique/dp/3587032 -->

2 x MS583730BA01-50 - https://fr.farnell.com/te-connectivity/ms583730ba01-50/capteur-pression-rempli-de-gel/dp/3397833 --> Pression absolue, pression min. 0 bar, type de sortie de capteur numérique, type de mesure de pression jauge étanche, pression de fonctionnement max. 30 bar, tension 3V, tension max 3.6V, courant et alimentation 0,01 µA, interface de sortie I2C et série.

1 x Grande boîte de dérivation PEBA IP68 Ø4mm-14mm 5 voies - https://ipeba.com/fr/products/peba®-wasserdicht-abzweigdose-erdkabel-kabelverbinder-ip68-verteilerdose-steckdose-aussen-verteiler-o4mm-14mm-kabel-fur-garten-outdoor-verbinder-box-5-wege-schwarz

2 x Petite boîte de dérivation PEBA IP68 Ø4mm-12mm 2 voies - https://ipeba.com/fr/products/peba®-abzweigdose-erdkabel-klemmdose-verbindungsdose-2-wege-junction-box-ip68-wasserdichte-verteilerdose-kabelverbinder-aussen-elektrischer-aussenverteilerdose-kabeldurchmesser-o-4mm-12mm-schwarz
Bibliographie

« LEGRAND Plexo Boite de dérivation étanche IP55 105x105x55 650°C gris - 092022 ». 123elec, 19 juillet 2024, https://www.123elec.com/legrand-plexo-boite-de-derivation-etanche-ip55-105x105x55-gris-092022.html.
« Fiche technique FA340A, boîtes de dérivation PLEXO ». Legrand, 08 juin 2012, https://assets.legrand.com/general/mediagrp/np-ft-gt/f01039fr-01.pdf.
« Temperature Sensor IC | Innovative Sensor Technology », Farnelle, https://www.ist-ag.com/en/tsic-semiconductor-temperatures-sensors.
« Pressure Sensor | TE Connectivity (TE) », Mouser, https://mou.sr/4hugY4.