Protocoles FAT/SAT ELLONA : calibration multipoint des capteurs gaz, particules et odeurs pour réseaux IoT (précision, linéarité, dérive)

Enjeux métrologiques des réseaux IoT

Pourquoi la calibration conditionne la valeur d'usage

Dans un réseau IoT de surveillance de l'air (industrie, milieu urbain, périmètres de sites), la donnée est exploitée pour déclencher des alertes, qualifier des épisodes, orienter une recherche de sources et suivre des tendances. Ces usages nécessitent une chaîne de mesure cohérente : une mesure non comparable entre capteurs, ou instable dans le temps, devient difficile à interpréter, à justifier et à auditer.

Exploiter un réseau implique de distinguer clairement plusieurs grandeurs de performance :

• Justesse (biais) : écart systématique par rapport à une référence.
• Linéarité : validité de la relation signal-concentration sur une plage incluant fond et pics.
• Répétabilité : dispersion des mesures à concentration imposée identique.
• Transférabilité : comparabilité inter-capteurs et inter-sites (réseaux multi-stations).
• Stabilité / dérive : évolution du zéro et de la sensibilité dans le temps (vieillissement, encrassement, exposition).

Pour l'air ambiant, l'évaluation de la qualité des données s'inscrit dans un cadre européen (objectifs de qualité, exigences sur la validation et l'implantation des points de prélèvement) défini par la directive 2008/50/CE et ses annexes, et complété par la directive (UE) 2015/1480 (méthodes de référence, validation des données, emplacement des points de prélèvement).

Pour les systèmes capteurs (dont les micro-capteurs), la qualification par essais laboratoire + terrain est également structurée par des référentiels techniques récents, tels que XP CEN/TS 17660-1 (polluants gazeux en air ambiant), qui formalise des étapes d'essais et une logique de classification des performances.

Limites des calibrations terrain seules

Dérive, interférences et non-linéarités

Sur site, la difficulté n'est pas seulement de détecter un polluant, mais de mesurer de façon stable et comparable malgré les contraintes thermo-hygrométriques (T/HR), la présence d'interférents et des variations rapides de concentration. Une calibration strictement « terrain » (ponctuelle, peu documentée, sans multipoint) réintroduit souvent des biais dès que l'on sort de la zone d'ajustement.

Hétérogénéité inter-capteurs

Deux capteurs issus d'un même lot peuvent présenter des écarts significatifs (offset, sensibilité, bruit, hystérésis, temps de réponse). Une calibration à un seul point ou une régression trop simplifiée peut générer des erreurs importantes lorsque la concentration s'écarte du point d'ancrage. Le risque augmente dès lors que l'on doit couvrir simultanément niveau de fond et épisodes tout en comparant plusieurs stations.

Influence de la température et de l'humidité

Les capteurs électrochimiques (gaz) et MOS/MOX (indicateurs d'odeurs) présentent des dépendances à la température (T) et à l'humidité relative (HR) pouvant affecter :

• la ligne de base (zéro),
• la pente (sensibilité, span),
• la sélectivité (réponses croisées).

Sans essais représentatifs et modèles de compensation (T/HR, interactions), les variations saisonnières et les épisodes humides peuvent installer des biais persistants et dégrader la comparabilité inter-stations.

Sensibilités croisées et matrice atmosphérique

Un capteur ciblant une espèce (exemples : NO, H2S, NH3) peut répondre à d'autres composés (oxydants/réducteurs, certains COV) et à des effets de transport (débit d'aspiration, turbulence, ventilation). En zones multi-sources, l'absence d'essais croisés augmente le risque de faux positifs et complique l'attribution d'épisodes.

Particules : conversion optique vers PM

Les capteurs de particules optiques mesurent un signal lié à la diffusion de la lumière, puis estiment une masse (PM1/PM2.5/PM10). Cette conversion dépend notamment de la distribution granulométrique, de l'indice de réfraction et de l'effet hygroscopique (gonflement des aérosols à HR élevée). Sans stratégie de correction (HR/saison/profil d'aérosols), la comparabilité inter-sites se dégrade et les écarts de conditions météorologiques deviennent dominants.

Odeurs : indicateur capteur vs mesure normative

Les capteurs MOS/MOX produisent des signatures multivariées utiles pour la surveillance opérationnelle (détection/qualification d'épisodes), mais ils ne constituent pas, à eux seuls, une mesure normative de l'odeur.

Pour relier un impact à une méthode de référence, la norme NF EN 13725 décrit l'olfactométrie dynamique et l'expression de la concentration d'odeur en ouE/m3. En air ambiant, l'évaluation de la présence/exposition peut également s'appuyer sur des mesures de terrain conformes à NF EN 16841-1 (méthode de la grille).

Approche FAT/SAT : multipoint et traçabilité

Principe des tests d'acceptation usine et site

La démarche de ELLONA structure la qualité métrologique autour de deux procédures complémentaires :

• FAT (Factory Acceptance Test) : caractériser et calibrer en usine via des essais multipoints sur moyens maîtrisés.
• SAT (Site Acceptance Test) : ajuster et vérifier sur site selon la matrice locale (microclimat, interférences), avec une traçabilité des actions et des coefficients.

FAT usine : sélection, essais sous contraintes, calibration multipoint

En phase FAT, une approche industrialisée vise à réduire l'hétérogénéité et à documenter des performances avant déploiement :

• Sélection et caractérisation : tests individuels (stabilité, bruit, offset, sensibilité) avant intégration.
• Essais sous contraintes : scénarios T/HR et expositions à des interférents pour quantifier offsets thermiques, effets d'humidité et réponses croisées.
• Calibration multipoint : génération de plusieurs niveaux de concentration via un banc de dilution (par exemple à l'aide de contrôleurs de débit massique (MFC)) afin de qualifier zéro, span et linéarité, puis d'établir des coefficients par capteur et par dispositif.

Cette étape est particulièrement déterminante lorsque l'objectif est la comparaison inter-stations, l'analyse multi-paramètres et la réduction du risque qu'une dérive sur un seul canal biaise l'interprétation globale.

SAT terrain : trois leviers complémentaires

Une fois sur site, l'enjeu est de conserver l'alignement métrologique malgré la variabilité atmosphérique. Trois leviers peuvent être combinés :

1. Co-localisation avec référence : installation temporaire au plus près d'un point de mesure de référence afin d'ajuster biais/gain et de vérifier la linéarité sur la plage réellement observée.
2. Calibration terrain avec gaz étalons : injection contrôlée de mélanges étalons (selon architecture, accessibilité et fenêtre d'intervention) pour requalifier le zéro/span.
3. Compensation de dérive par traitement de données : correction tracée d'écarts entre deux interventions (souvent centrée sur le zéro). Elle s'analyse comme une mesure de maintien opérationnel et non comme un substitut à une référence externe.

Supervision et auditabilité des coefficients

Versionner et justifier chaque ajustement

Une stratégie FAT/SAT n'est robuste que si elle est auditables. En pratique, la gouvernance des coefficients doit conserver :

• les versions de coefficients (date, capteur, dispositif),
• la méthode appliquée (FAT multipoint, co-localisation, gaz étalons, correction),
• les paramètres modifiés (zéro, gain, modèle T/HR, compensation),
• les preuves de conditions (fenêtres temporelles, représentativité météo, présence de pics, critères de filtrage).

Cette traçabilité facilite l'analyse des écarts, la maintenance, l'explicabilité vis-à-vis des parties prenantes et la défense des résultats lors d'un audit.

ICPE et compétence des laboratoires

En contexte industriel (notamment ICPE), la fiabilité des mesurages et leur opposabilité renvoient aussi aux exigences applicables aux contrôles et aux intervenants. L'arrêté du 2 février 1998 relatif aux émissions des installations classées fixe des prescriptions générales, et prévoit que des dispositions plus sévères peuvent être imposées par l'arrêté préfectoral d'autorisation.

Pour la compétence des laboratoires d'essais et d'étalonnage, le référentiel international est l'ISO/IEC 17025, décliné en France via la NF EN ISO/IEC 17025. L'accréditation est délivrée par le COFRAC selon des portées et domaines définis.

Applications : gaz, PM et indicateurs d'odeurs

Ce que le multipoint apporte, et ce qu'il ne remplace pas

Gaz : le multipoint permet de caractériser explicitement la linéarité et les zones de faibles concentrations, et d'objectiver la performance plutôt que de la supposer. Il ne dispense pas de tester les sensibilités croisées (interférents) ni d'être prudent sur l'attribution en matrice complexe.

Particules : la calibration et les corrections liées à l'HR peuvent améliorer la stabilité. Toutefois, l'estimation de masse reste dépendante des propriétés d'aérosols locales. Une bonne pratique consiste à expliciter les facteurs de correction (saison, source dominante, humidité) et à requalifier lors de campagnes comparées lorsque l'usage l'exige.

Odeurs : l'instrumentation capteur sert à la surveillance opérationnelle (détection, temporalité, corrélation vent/process). Pour relier à des indicateurs normatifs, une campagne ponctuelle peut s'appuyer sur NF EN 13725 (émissions) et, selon le contexte, sur NF EN 16841-1 (présence/exposition en air ambiant).

Systèmes ELLONA et mise en oeuvre

Du capteur au pilotage par la donnée

Les protocoles FAT/SAT s'appliquent aux solutions de surveillance et de supervision de ELLONA, conçues pour des besoins industriels : maîtrise métrologique, supervision, exploitation des alertes et traçabilité des ajustements. Selon le contexte d'implantation (périmètre, densité de points, contraintes d'exploitation), la mise en oeuvre peut s'appuyer sur :

• WT1 Pro : système connecté de surveillance avancée, adapté aux environnements industriels et aux configurations exigeantes.
• WT1 Lite : système connecté orienté surveillance extérieure (périphérie, limites de site, quadrillage).
• POD2 : solution de surveillance en environnements intérieurs, pour densifier les points de mesure et adresser la QAI selon les configurations retenues.
• EllonaSoft : plateforme SaaS de centralisation, supervision, analyse temporelle, gestion des alertes et historisation des paramètres utiles à l'auditabilité.

A retenir

La calibration est un processus, pas un événement

En environnements exigeants (T/HR, mélanges, interférences, dérive), une chaîne FAT/SAT multipoint permet de vérifier précision et linéarité, d'améliorer la comparabilité réseau et de documenter des corrections avec une traçabilité exploitable. Les perspectives visent, plus généralement, une industrialisation progressive des critères d'acceptation et de la gouvernance métrologique des réseaux IoT.

Conclusion

Fiabiliser vos données pour mieux décider

En structurant la calibration autour de FAT usine multipoint et de SAT terrain (co-localisation, gaz étalons, compensation de dérive tracée), il devient possible de produire des données plus fiables, comparables et auditables pour la surveillance des gaz, des PM et des indicateurs d'odeurs. Pour dimensionner un protocole FAT/SAT adapté à votre site (objectifs, contraintes d'exploitation, périodicité de requalification, exigences de traçabilité), contactez ELLONA et demandez un devis.