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Le comité d'organisation de l'édition 2006 des Journées de la Mesure et de la Métrologie à l'INRA vous souhaite la bienvenue à Balaruc-les-Bains.
Cette édition, par son contenu et sa forme, marque la transition
en douceur entre les Journées de la Mesure (dont c'est la IXième édition) et les J2M.
Nous espérons que ces Journées permettront aux participants
de fructueux échanges, car c'est bien là leur fonction première : tisser des liens entre des agents souvent "thématiquement isolés" au sein de leur Unité.
Comité d'organisation :
Sandra ARRAULT, Christophe GARIN, Patrick GROSS, Patricia MANZANO, Jacques MARATRAY, Olivier MARLOIE, Dalila MOHRATH, Christophe MONTAURIER, Robert PUJOL
Logistique :
Robert PUJOL (UMR IATE Montpellier) et Martine DUPUPET (MQ Paris)
Programme
Lundi 9 Octobre
L’accueil par le personnel du centre Lo Solehau sera ouvert à partir de 17h, néanmoins, le groupe d'organisation des J2M2006 pourra vous accueillir dès le début d'après-midi.
Dîner à partir de 19h15
Mardi 10 Octobre
8h00 Petit déjeuner
9h00 Eric MIGNARD (Equipe Communication) – Présentation du Centre de Montpellier (15 min)
9h15 Marie-Andrée PIEDALLU (Mission Qualité) / Robert PUJOL (organisation J2M2006) – Introduction des J2M 2006 (15 min)
Présidente de séance : Marie-Andrée PIEDALLU
9h30 Roland FUSER Vérification des humidités et pesées issues de récolte micro-parcelles (20 min)
9h55 Sandrine NEGRO Traçabilité des données hydrologiques mesurées sur le bassin versant expérimental de Roujan (15 min)
10h15 Rémi GARDET Système de vérification automatique des sondes de pilotage des sondes de pilotage température et hygrométrie de serres de recherche (20 min)
10h40 Pause
Président de séance : Patrick GROSS
11h00 Frédéric PEYRIN - Méthode de mesure de la longueur des sarcomères de la viande par acquisition d’image et Transformée de Fourier (20 min)
11h25 François DUPIRE - Validation d’une analyse en spectrométrie de masse, application au dosage des PCDD et PCDF (20 min)
11h50 Claire LUC - Méthode de mesure de l’anisotropie de fluorescence des tissus animaux structurés : Application à la viande (25 min)
12h20 Déjeuner
Président de séance : Eric PIETRI
14h00 Intervenants externes : Michel GOHIN (Sté. Johne et Reilhofer S.A.) et Malek ABDI (Sté. DPS Mesures) Capteurs sans fil - Télémesure (1h00)
15h00 Etienne FARRE - Détection automatique de bois de tension sur rondelle de hêtre (15 min)
15h20 Patrick GROSS - PEA FLUO : passeur d'échantillons automatisé pour la mesure de la fluorescence de la chlorophylle à température contrôlée (15 min)
15h40 Jacques MARATRAY - Bé. A. la bouche artificielle (15 min)
16h00 Pause - démonstration de matériel dans le cadre de l'exposé "Capteurs sans fil - Télémesure"
16h30 Courtes présentations des posters par leurs auteurs (5 min par poster) en séance plénière suivie de la séance posters INRA
20h00 Dîner
Mercredi 11 Octobre
Président de séance : Jean-Marc BONNEFOND
9h00 Anne JAULIN - Evaluation par une méthode in vitro de la bio-disponibilité du plomb chez l'homme par ingestion de terre (20 min)
9h25 Régis BURLETT - Mesure rapide (10Hz) des isotopomères du CO2 atmosphérique par diode laser modulable (TDL) (15 min)
9h45 Christophe MONTAURIER Dérives des analyseurs d'O2 et de CO2 dues aux variations de la pression atmosphérique : conséquences et corrections pour la détermination des dépenses énergétiques de l'homme (15 min)
10h05 Mélynda HASSOUNA - Mesure des émissions gazeuses des bâtiments d'élevage (20 min)
10h30 Pause
Président de séance : Robert FALCIMAGNE
11h00 Laurent CHAUNIER - Evaluation par Rapid Visco-Analyzer de l'effet du procédé de transformation sur des préparations à base de maïs (15 min)
11h20 Intervenant externe : Eric NATIVEL (Université de Montpellier II - UMR5507) Nanotechnologies (55 min)
12h15 Déjeuner
Présidente de séance : Dalila MOHRATH
14h00 Intervenant externe : Jean-Paul THYS (Sté. Visucolor) – La mesure des couleurs et le système Visucolor ® (45 min)
14h45 Intervenant externe : Rémy BELLENGER (CNRS - DRH/BSI) - Microcontrôleurs (45 min)
15h30 Pascal NEVEU – Gestion des données de mesure et XML (20 min) suivi d'une démonstration réalisée par Marc PEREZ et Christian PICOU
15h50 Pause
16h30 Séance posters et démonstrations de matériel
20h00 Apéritif musical avec Nuits Ocres, dîner
Jeudi 12 Octobre
Président de séance : Jacques MARATRAY
9h30 Michel VERGER - Vers un système d'acquisition de données et de métadonnées pour des plantes ou des ensembles de plantes repérés spatialement (20 min)
9h55 Jean-François ASSIER (LNE Paris) – Métrologie
10h30 Pause
Session de clôture
Animation de séance : Sandra ARRAULT, Christophe GARIN, Robert PUJOL
11h00 Discussion sur les propositions de formules pour les futures Journées de la Mesure et de la Métrologie avec les participants, des représentants de la Formation Permanente Nationale, de la Mission Qualité et le groupe de réflexion sur les J2M
12h15 Déjeuner
Fin des J2M 2006
Liste des Participants
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SOMMAIRE GENERAL
• COMMUNICATIONS
• INTERVERNANTS EXTERNES
• POSTERS
COMMUNICATIONS Note : tous les documents relatifs aux communications reçus par l'organisation des J2M 2006 seront intégrés au fichier Acrobat PDF des Actes téléchargeable sur le site WEB de la Mission Qualité (rubrique "Séminaires" → "J2M 2006"). Fuser R., Vérification des humidités et pesées issues de récolte sur micro-parcelles ............................. C-1 Negro S., La traçabilité des données hydrologiques de terrain exemple du bassin versant expérimental de Roujan Application d'un langage de programmation graphique : Labview ......................................... C-7 Gardet R., Garnier J., Tawegoum R., Sintes G., Vérification automatique de sondes de pilotage d'enceintes climatiques ................................ C-11 Peyrin F., Cormier D., Lepetit J., Méthode de mesure de la longueur des sarcomères de la viande par acquisition d'image et Transformée de Fourier ............................................. C-19 Dupire F., Validation d'une analyse en spectrométrie de masse application au dosage des PCDD et PCDF .............................................................................. C-27 Luc C., Peyrin F., Clerjon S., Méthode de mesure de l’anisotropie de fluorescence des tissus animaux structurés : application a la viande.............................................................................................................. C-28 Barbacci A., Constant T., Farré E., Détection automatique du bois de tension ............................................................................... C-40 Gross P., PEA FLUO : passeur d'échantillons automatisé a température contrôlée pour la détermination de la thermostabilité de l'appareil photosynthétique par la mesure de la fluorescence de la chlorophylle ............................................................... C-42 Maratray J., Mielle P., Bé. A., la bouche artificielle ..................................................................................................... C-49 Jaulin A., Cambier P., Evaluation par une méthode in vitro de la bio-disponibilité du plomb chez l'homme par ingestion de terre......................................................................... C-55 Burlett R., Ogée J., Bosc A., Wingate L., Loustau D., Mesure rapide (10Hz) des isotopomères du CO2 atmosphérique par Diode Laser Modulable (TDL).................................................................. C-63
Montaurier C., Dérives des analyseurs d'O2 et de CO2 dues aux variations de la pression atmosphérique : conséquences et corrections pour la détermination des dépenses énergétiques de l'homme................................................. C-71 Hassouna M., Robin P., Lecomte M., Dispositif de mesure des flux de masse et d'énergie des bâtiments d'élevage ......................... C-78 Chaunier L., Della Valle G., Désirest R., Lourdin D., Evaluation par Rapid Visco-Analyzer de l'effet du procédé de transformation sur des préparations a base de maïs - résultats et métadonnées associées ............................... C-88 Neveu P., Gestion de données de mesures distantes et XML................................................................... C-97 Verger M., Vers un système d'acquisition de données et de métadonnées pour des plantes ou des ensembles de plantes repérées spatialement ..................................... C-98 Thiébeau P., Herre C., Détermination du pas de temps de mesure du rayonnement global, sans effet sur la mesure journalière vis-à-vis du rayonnement global de référence................. C-105
INTERVENANTS EXTERNES Note : tous les documents reçus par l'organisation des J2M 2006 et dont la diffusion INRA nous est autorisée par leurs auteurs seront téléchargeables au format Acrobat (PDF) sur le site WEB de la Mission Qualité (rubrique "Séminaires" → "J2M 2006"). Abdi Malek (Sté. DPS Mesures , Gohin Michel (Sté. Johne et Reilhofer S.A.) Réseaux de capteurs sans fils : introduction a la technologie SMART DUST CROSSBOW ...................................................... I-1 Nativel Eric (CEM2 - Université de Montpellier II, Club Micro NanoTechnologie) Nano monde - Nano sciences - Nanotechnologies................................................................... I-12 Meunier Romain, Migaud Philippe, Thys Jean-Paul (Sté. Visucolor) La mesure des couleurs et le système Visucolor ®.................................................................. I-16 Rémy Bellenger (CNRS - DRH/BSI Paris) Séminaire µContrôleurs ........................................................................................................... I-22
POSTERS Note : la réduction d'échelle des posters nuit parfois à leur lisibilité ; cependant tous les posters reçus par l'organisation des J2M 2006 seront intégrés au fichier Acrobat PDF des Actes téléchargeable sur le site WEB de la Mission Qualité (rubrique "Séminaires" → "J2M 2006"). Beauclair P., Ourry A., Equipement d'une serre pour l'acquisition de température....................................................... P-1 Canale L., Gelot N., Richard P., Bariac T., Automatisation d'une ligne de distillation sous vide Application d'un langage de programmation graphique : Labview ......................................... P-2 Cardenas-Caroti R., Présentation du Laboratoire GÉnie des Procédés – Environnement Agroalimentaire ............ P-3 Dubreuil A., Louchart X., Fabre C., HYSAE, une base de données agro-environnementales au service de la qualité ..................................................................... P-5 Faucheux M., Molénat J., Ruiz L., Les bassins versants de Kerbernez : suivi hydrologique et hydrochimique............................. P-6 Giot G., Besson A., Dorigny A., Courtemanche P., Cousin I., Le système MUCEP : un outil de cartographie géophysique du sol............................................................................ P-7 Lazzarotto J., Hustache J.C., Moille J.P., Détermination de la variabilité des mesures de profils physico-chimiques des lacs et plans d'eau par des essais inter-laboratoires in situ ................. P-8 Mayor M., Bourrié G., Trolard F., Moreau P., Henry P., Mesures in situ de la qualité des eaux dans les sols................................................................. P-9 Mielle P., Renaud R., Une nouvelle méthode pour l'échantillonnage des arômes en ligne développée pour un simulateur de mastication "Bouche artificielle" ...................................... P-10 Vimal T., Peyrin F., Thomas A., Seidlitz F., Durand D., Maillet C., Surveillance et enregistrement des températures affectant la fiabilité des résultats de recherche : exemple de mutualisation entre Unités de Recherches, Unités Expérimentales et Services d’Appui du Centre de Clermont-Theix ............................ P-13
VERIFICATION DES HUMIDITES ET PESEES ISSUES DE RECOLTE SUR MICRO-PARCELLES
Roland FUSER
Domaine expérimental d'Auzeville
INRA Chemin de Borde-Rouge - Auzeville BP 52627 31326 CASTANET-TOLOSAN CEDEX, France.
- présentation de l’ unité
- les besoins et le choix du matériel
- notre expertise
- nos solutions apportées
humidité et pesée
Vérification des humidités et pesées issus de récolte micro-parcelles
Rencontre qualité du GAP J2M 2006
Roland FUSER
Animateur qualité UE Auzeville
Equipes domaine et GAP TOULOUSE
C-1
U.E Toulouse - AuzevilleExpérimentation Grande Culture
Equipe Logistique (3.5 etp) ~70ha SAU, gamme de situations culturales
et de conduites contrôlées
Equipe Am.Plantes (5 etp) * essais "variétés" de plein champgestion de données (~7000parcelles
sur10 espèces)+ parc matériel expérimental techniciens E&A (~6 etp)
* diagnostic agronomique instrumentation
laboratoire d'analysesU.R. du GAP : Mpt Cfd Ren Mon Dij…GEVES, Agri ObtentionsENSAT UR E&A
Toulouse
La problématique :
• Renouvellement matériel récolte en 2003 : remplacement Hege 140 (tout en sac, pesée et H2O à poste fixe) par une Haldrup
- choix d’un système avec pesée embarquée (gain de temps et de main d’œuvre, pénibilité -surtout en Maïs)
- choix du système grain gage :
*capacité de pesée variable,
*humidité, poids spécifique et échantillonnage sur plusieurs cycles représentant la totalité de la parcelle.
humidité récolte = caractère indispensable (maïs récolté de 18 à 35%, tournesol de 6 à 20%, soja de 13 à 20%...)
C-2
Moissonneuse Haldrup
A la mise en route, suivi des consignes du constructeur pour:
étalonner la sonde humidité .
-Besoin d’avoir, avant récolte, la gamme complète des humidités que l’on est susceptible de rencontrer :
* prévoir des parcelles supplémentaires
*trouver des variétés précoces et tardives avant l’implantation de l’essai,
Contraignant difficilement réalisable (surtout en céréales à paille)
*pas assez de contraste dans les parcelles prévues pour calage de la sonde.
*mauvais résultats.(influence des conditions extérieures du jour de calage de la sonde; température, hygrométrie….)
-Résultats décevants après une campagne avec suivi complet de la procédure:
C-3
Systèmede pesée et humidimètre Grain-Gage
Pour une fiabilité des résultats, nous avons opté pour un système de mesure de l’humidité avec contrôle tout au long de la récolte :
* Prise d’échantillons de grain au cours de récolte pour couvrirla gamme des humidités rencontrées (repérage sur une fiche cf.fiche échantillonnage)
* Mesure humidité réelle des échantillons par pesée et étuvage selon les normes par espèce
* Mise en corrélation pour chaque série (par journée récolte et par espèce) et ajustement de toutes les humidités avec l’équation de la régression.
-Fonctionnement avec les valeurs brutes (une humidité standard ).
C-4
U.E.A.P. AUZEVILLE Campagne 2005
Fiche de suivi d'échantillons pour ETALONNAGE sonde HUMIDITE du GRAIN GAGE
Garder les boites avec leur couvercle jusqu'à leur pesée poids brut, dans les 4h suivant la récolte
répartition des échantillons :
nombre d'échantillons :
* NB pour le Maïs : 36 H à 130°C
sortie d'étuve et pesée à partir du :
DATE et HEURE mise à l'étuve (110°C *) :
DATE récolte :PARCELLE :
NOM du FICHIER de récolte :
Espèce :N° essais récoltés :
Document Qualité
Fiche de suivi d’échantillons récolte
Haldrup
étalonnage H2O mais 2005
y = -0,0294x22,3513x - 15,452 + R20,9047 =
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sonde Grain gage
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23-sept26-sept28-sept27-sept29-septPolynomial (27-sept)
Régression pour maïs
C-5
bt 2005 y = 0,2628x + 14,292R20,6503 =
y = 0,4824x + 8,3273R20,4935 =
y = 0,5209x + 4,3415R20,7909 =
y = 0,1392x + 9,6518R20,1865 =
y = 0,0998x + 9,3791R20,0496 =
7,0
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bTbiobt1bt3bt6trit
Régression par série pour le blé tendre et triticale
Contrôle des pesées
- Vérifié avec une masse de travail en début de récolte. Une fiche de contrôle est alors remplie .
- Renouvelé au cour de la journée lors de reprise de série (essais, planches, groupe de blocs).
C’ est aussi l’ occasion d’ effectuer un nettoyage et une vérification visuelle du Grain-Gage
- Un coup d’œil sur les poids spécifiques qui s’affichent en cours de récolteC’ est un indicateur de dysfonctionnement de la balance.
- Des doubles pesés en sacs sur balance à poste fixe sont faites aléatoirement.
Les problèmes et remarques sont notés sur le ruban de sauvegarde où sont imprimés des données récolte,(traçablilité)
C-6
LA TRACABILITE DES DONNEES HYDROLOGIQUES DE TERRAIN EXEMPLE DU BASSIN VERSANT EXPERIMENTAL DE ROUJAN
Negro Sandrine
INRA, Laboratoire d’étude des Interactions Sol - Agrosystème - Hydrosystème,
UMR LISAH ENSA.M-INRA-IRD, place Viala, 34060 Montpellier Cedex 1, France. ([email protected])
Résumé Cet article a pour objectif de présenter la démarche mise en œuvre au LISAH pour essayer de garantir une traçabilité de la chaîne de traitement des données depuis leur acquisition sur le terrain jusqu’à leur insertion dans la base de données développée par le LISAH (HYSAE). Pour cela nous nous appuyons sur une description synthétique du dispositif expérimental mis en oeuvre pour acquérir des données dans le cadre du suivi du fonctionnement hydrologique d’un petit bassin versant expérimental en milieu cultivé viticole méditerranéen. Mots-clés : BASSIN VERSANT, HYDROLOGIE, TRAÇABILITE, DONNEES, MILIEU CULTIVE Le site expérimental étudié est un petit bassin versant de 91 ha situé sur la commune de Roujan (Hérault), à 70 km à l’ouest de Montpellier sous un climat de type méditerranéen sub-humide à saison sèche prolongée. Le site se compose d’environ 160 parcelles culturales principalement plantées en vigne, qui appartiennent à des propriétaires privés. Le bassin versant est caractérisé par l’existence d’un vaste réseau de fossés qui draine les eaux de surface et parfois les eaux souterraines lorsque la nappe est très haute. Ce site est étudié par le LISAH depuis 1992. Depuis 2002, le bassin versant de Roujan a été labellisé par le Ministère de la Recherche « Observatoire de Recherche en Environnement » (ORE OMERE), pour étudier principalement i) l’impact de l’occupation du sol et de l’aménagement du milieu sur les régimes et les bilans hydrologiques à l’échelle du bassin versant, ii) l’évaluation de la dynamique et de l’intensité de l’érosion, iii) le suivi de la contamination des eaux de surface et souterraines par les herbicides utilisés en viticulture.
Dans le cadre de ces études, un grand nombre de mesures sont effectuées en différents points du bassin versant : pluviométrie, débits dans les fossés et à l’exutoire du bassin versant, niveau des nappes, composition chimiques des eaux (teneur en pesticides, rapport isotopique O18/O16,etc), teneurs en matières solides dans les eaux, etc. Des capteurs de mesure sont installés en différents points et enregistrent les données en continu. Certaines mesures nécessitent le prélèvement d’échantillons automatiquement ou manuellement, puis des analyses chimiques ou des mesures physiques sur ces échantillons.
C-7
Figure 1. Dispositif de mesure en place sur le Bassin Versant expérimental de Roujan.
Un tel dispositif expérimental génère un nombre important de données provenant de
différents appareils de mesure. De plus, plusieurs opérateurs interviennent pour installer le matériel, assurer son entretien et collecter les données. Les données acquises sur le terrain sont utilisées dans le cadre de projets de recherche, par plusieurs chercheurs travaillant sur différentes thématiques et appartenant aux équipes de l’UMR LISAH ou d’autres unités de recherche. Il s’est donc avéré nécessaire d’organiser la gestion des données et des métadonnées afin d’assurer la traçabilité des informations, de l’installation d’un capteur à la mise à disposition de la donnée pour les chercheurs.
En tenant compte des contraintes expérimentales, nous cherchons à i) assurer la
traçabilité des opérations qui ont permis d’acquérir une donnée ii) simplifier les procédures de collecte des données iii) mettre à la disposition des chercheurs des jeux de données uniques, propres et bien renseignés. En plus d’utiliser les outils déjà en place au LISAH depuis longtemps comme les cahiers de laboratoire et les fiches terrain (enregistrement), une base de données hydrologique Hysae (HYdrologie Spatialisée Agrosystèmes Environnement) a été développée.
Toutes les interventions effectuées sur le site expérimental, quelles aient ou non une incidence directe sur l’acquisition des données sont consignées dans un cahier de laboratoire unique et commun à tous les intervenants. Y sont enregistrés le nom de l’opérateur, la date et le type d’intervention (installation, panne ou changement d’un capteur, prélèvement d’échantillon, nettoyage ou entretien courant d’un dispositif…). Des fiches d’enregistrement remplies directement sur le terrain sont mises en place pour venir compléter le cahier de laboratoire dans le cas d’opérations comme le prélèvement d’échantillons. Toutes les interventions qui concernent l’installation, la désinstallation ou le changement d’un capteur qui va effectuer une mesure sont enregistrées dans la base de données Hysae. Tous les prélèvements manuels ou automatiques d’échantillons sont également enregistrés dans cette base de données (date, opérateur, type et nature du prélèvement, nombre d’échantillons …)
C-8
Figure 2. Exemple des différents enregistrements sur un site de mesure (Station de surface – Parcelle Aw6) : Cahier de laboratoire, fiche d’enregistrement, informations concernant le matériel de mesure dans la base de donnée. Sur le site expérimental, le nombre de centrales d’acquisition qui contiennent des données est limité et les procédures de collecte des données sont simplifiées au maximum. Dans le cas particulier des mesures sur les eaux de surfaces, chaque station de mesure est équipée d’une seule centrale d’acquisition qui enregistre les d’informations suivantes : température ambiante, tension batterie, niveau d’eau, conductivité de l’eau, prélèvements automatisés … Chaque centrale d’acquisition d’une station de mesure située sur le bassin versant est connectée à la centrale d’acquisition située à l’exutoire du bassin versant. Toutes les données acquises sont transférées automatiquement vers la centrale de l’Exutoire qui est connectée à un modem GSM. Il est alors possible depuis les bureaux à Montpellier de récupérer en une seule manipulation toutes les données des stations de mesure des eaux de surfaces qui sont alors stockées sur un seul ordinateur.
Les données brutes récupérées sont transférées aux responsables techniques pour qu’ils procèdent au nettoyage et à la validation de la données. L’étape de nettoyage consiste à éliminer tous les dysfonctionnements et les données « défectueuses » enregistrées, par exemple lorsqu’un opérateur procède au nettoyage d’un canal venturi avec de l’eau, le capteur enregistre une montée du niveau d’eau dans le canal qui doit être effacée du jeu de données. A cette étape, le retour vers le cahier de laboratoire ou les fiches d’enregistrement est nécessaire. Les données nettoyées sont ensuite validées par un binôme technicien/chercheur et un code de fiabilité est affecté à la donnée en fonction des différents événements qui ont été identifiés dans la chaîne d’acquisition de la donnée. Les données nettoyées et validées sont alors enregistrées dans la base de données ou elles sont reliées à l’ensemble des métadonnées qui y ont été enregistrées au préalable.
Ainsi un chercheur qui extrait un jeu de données de la base de données dispose
également des informations concernant les conditions d’acquisition (type de capteur, pannes conditions de prélèvement d’un échantillon, opérateur …) et de validation de la donnée.
L’importance d’assurer la traçabilité des données et plus généralement des travaux
menés en recherche n’est plus à démontrer. Les expérimentations menées dans le cadre de travaux de recherche, sont basées en général sur des mesures et analyses au laboratoire en conditions contrôlées et donc reproductibles. Le cas particulier des expérimentations basées uniquement sur l’observation et la mesure de phénomènes naturels pose le problème de l’impossibilité de maîtriser les conditions du milieu et de ne pas pouvoir reproduire une
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expérimentation. Dans ce contexte, il est d’autant plus nécessaire de se donner les moyens et de mettre en œuvre les procédures adéquates pour assurer la traçabilité des données et plus généralement des travaux de recherche.
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VERIFICATION AUTOMATIQUE DE SONDES DE PILOTAGE D'ENCEINTES CLIMATIQUES
Rémi Gardet1, Jérémie Garnier2, Rousseau Tawegoum3 et Gérard Sintes3
1 Domaine pédagogique et expérimental de l'Institut National d'Horticulture 2 Etudiant de l'Institut des Sciences et Techniques de l'Ingénieur d'Angers 3 UMR SAGAH Résumé L'INRA, en s'engageant dans une démarche qualité, s'est fixé comme objectif, entre autre, la fiabilité des résultats mesurables. Cet engagement et cet objectif s'imposent à tous, y compris ceux qui comme l'INH partagent des installations expérimentales avec l'INRA. C'est dans ce cadre que cette étude a été réalisée, afin de caractériser les enceintes climatiques et vérifier leurs sondes de régulation. Dans un premier temps le champ d'étude a été restreint aux sondes de température et d'hygrométrie du pilotage des enceintes. Se posent alors plusieurs questions : Comment vérifier la fiabilité des sondes de température et d'hygrométrie ? Comment vérifier cette fiabilité simplement et rapidement ? Les installations du domaine de l'INH sont utilisées principalement par 4 UMR. L'outil principal est une serre de 3200m² composée de 32 modules autonomes. 32 enceintes où un automate gère le climat en fonction de consignes (selon les protocoles des expérimentations installées dans la serre) et de mesures indiquées par les sondes de pilotage. Un système mobile d'acquisition de données, équipé de sondes de référence et placé dans les enceintes, permet l'édition d'un constat de vérification certifiant la fiabilité des mesures de régulation. Mots-clés : SERRE, TEMPERATURE, HYGROMETRIE, VERIFICATION Introduction L'INRA, en s'engageant dans une démarche qualité, s'est fixé comme objectif, entre autre, la fiabilité des résultats mesurables. C'est dans ce cadre que cette étude a été réalisée, afin de caractériser les enceintes climatiques et vérifier leurs sondes de régulation. Dans un premier temps le champ d'étude a été restreint aux sondes de température et d'hygrométrie du pilotage des enceintes. Se posent alors plusieurs questions : Comment vérifier la fiabilité des sondes de température et d'hygrométrie ? Comment vérifier cette fiabilité simplement et rapidement ? Après une présentation du contexte, le matériel et la méthode seront exposés avant la présentation des résultats.
1. La recherche sur le végétal, la qualité dans la recherche et l'automatisation de la qualité
Pour cultiver des plantes n'importe où et n'importe quand, la recherche agronomique utilise des enceintes climatiques régulées : chambres de cultures et serres par exemple.
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Schéma général de fonctionnement d'une enceinte climatique régulée (Garnier, 2005) L'opérateur de l'enceinte programme les consignes de climat en fonction du protocole expérimental. Pour une serre, il s'agit classiquement des consignes de température et quand les équipements le permettent les consignes d'hygrométrie, d'éclairage additionnel, d'ombrage... L'information issue de ces sondes conditionne le respect du protocole. Un horticulteur modifie les consignes de sa serre en fonction de l'état de sa culture. De ce fait il corrige, de façon non intentionnelle, les éventuelles dérives de ces sondes d'ambiance. A contrario, ce feedback n'est pas possible pour l'expérimentateur. Il se doit de respecter le protocole, les valeurs des consignes prévues et donc de s'assurer de la fiabilité des mesures de régulation. Cette dernière exigence est d’autant plus importante si l’expérimentateur utilise les mesures issues du système de régulation comme sources de données expérimentales. Le domaine pédagogique et expérimental de l'INH : le contexte local de l'étude Cette étude a été menée par le domaine pédagogique et expérimental de l'INH (domaine p&e), en collaboration avec l'UMR SAGAH. Le domaine p&e gère un parc d'équipements d'expérimentation : salles de cultures, chambres froides, serres verre, tunnels plastique et parcelles. Il accueille principalement les travaux d'expérimentation de 4 UMR. Le domaine p&e héberge aussi des travaux dirigés et pratiques des étudiants de l'INH. Ce service d'appui se doit de garantir aux différents utilisateurs des équipements en bon état de fonctionnement. Pour se faire, il assure des maintenances correctives, préventives et amélioratives. Dans le cadre de la maintenance préventive, le domaine p&e doit vérifier ses systèmes de régulation ainsi que leurs sondes. Plus de 200 sondes sont ainsi inventoriées sur l'ensemble des équipements du domaine p&e, dans un ordre décroissant d'importance quantitative : sondes de température, sondes d'hygrométrie, sondes de conductivité, sondes ph et sondes météo. Le domaine p&e a intégré très tôt cette vérification dans l'élaboration de sa démarche qualité.
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Les services d'appui sont souvent issus d'une stratégie de mutualisation avec un objectif d'économie d'échelle. La mise en oeuvre des procédures de contrôle, comme la vérification des sondes de régulation, doit être réfléchie pour des exécutions aisées. De plus, ces procédures doivent être construites dans un cadre reconnu par les utilisateurs. Comment vérifier la fiabilité des sondes de pilotage ? La réponse technologique à cette question doit être simple et rapide. Les normes (FD X 07-028 octobre 2002 Procédure d’étalonnage et de vérification des thermomètres – Estimation des incertitudes sur les mesures de température) prévoit la vérification des sondes de température et d’hygrométrie dans le cas de régime établi. Il existe des solutions commerciales pour vérifier un parc de thermomètres de laboratoire, le plus souvent avec l’utilisation d’un bain thermostatique. Localement, nous avons pu étudier deux projets proches du notre : En conformité avec une norme internationale sur le contrôle des semences, la Station National d’étude des semences (SNES) certifie ses expertises en utilisant des données collectées sur un système de régulation. Pour se faire, la SNES a réalisé selon la norme NF X 15-140 (Enceintes climatiques et thermostatiques – Caractérisation et vérification) un système de caractérisation de la température de ses chambres de germination. En complément, la SNES confie en parallèle, dans le cadre d’un contrat de maintenance, la vérification de ses sondes de température. Ce système est valable pour un régime établi de chambre de germination. L’UMR SAGAH avait mis au point un système de vérification de la régulation de sa serre à l’aide d’automate. Ce dernier récupérait le signal de la sonde de pilotage et de la sonde de vérification. L’opération se faisait in situ, sans démontage de la sonde de pilotage. Le traitement des données était réalisé par un fichier excel. Le système nécessitait un câblage important. Dans notre projet nous retenons le principe de la vérification in situ sur une plage horaire définie. Les manipulations sont simplifiées. L’ensemble de la chaîne de mesure est vérifié, sonde, alimentation et carte d’acquisition de l’automate. Les normes évoquent principalement le régime établi. Or une serre, soumise aux conditions météorologiques extérieures, ne présente jamais de régime établi pour la température comme pour l’hygrométrie. Dans notre cas, nous observons un régime transitoire. Pour ce régime, nous convenons de vérifier en plusieurs points les mesures de température et d’hygrométrie.
2. Une instruction informatisée, automatisée et une unité mobile d'acquisition L'automatisation de la procédure permet à la fois la répétabilité exigée par la démarche qualité, la simplicité et la rapidité de mise en oeuvre. Elle comprend le paramétrage de la vérification (y compris les éventuels certificats d'étalonnage), l'acquisition des données (vérifiées et de références) et le traitement de ces données (y compris l'édition et l'archivage des constats de vérification). L’instruction de vérification est transposée dans un logiciel. La chronologie de l’instruction est automatisée, l'opérateur doit respecter l'ordre établi pour passer d'une étape à l'autre. Le logiciel dialogue avec les systèmes d'acquisition de données, la centrale de mesure qui accueille les sondes de références et l'automate qui utilise les sondes vérifiées. Le dialogue avec l'automate peut s'effectuer de deux façons : il existe un système d'enregistrement compatible avec le système informatique du logiciel de vérification et il y a réellement un dialogue (échange de fichiers) entre les deux systèmes ; il n'existe pas de système
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d'enregistrement compatible et le signal de la sonde est récupéré en parallèle par la centrale de mesure qui accueille les sondes de références. Ainsi le logiciel récupère automatiquement sous forme de fichiers synchronisés les données des différentes sondes. Selon des formules définies, le logiciel calcule et interprète les valeurs de vérification. Enfin, en utilisant ces valeurs enregistrées, il édite les certificats de vérification prêts à imprimer et archive ces résultats dans une base de données. L'opérateur effectue toutes ces étapes sur un unique logiciel. Au préalable il installe la sonde de référence et la centrale d'acquisition (unité mobile) à proximité de la sonde à vérifier. En fin de procédure, il démonte le système de contrôle. A une périodicité définie, les sondes de vérification sont étalonnées. Pour accélérer la mise en place de ce système de contrôle, le logiciel de vérification dialogue avec l'unité mobile via une communication sans fil. L'opérateur se libère des contraintes spaciales de l'installation expérimentale.
Labview, un environnement de développement de programmes dédié à la mesure Labview est un environnement de développement de programmes, tout comme BASIC ou C. Labview diffère de ces applications sur deux points importants : Contrairement aux autres systèmes qui emploient des langages textuels pour générer des lignes de code, Labview utilise un langage de programmation graphique pour créer des programmes sous forme de diagrammes. L’unité-programme de base est un instrument virtuel (VI) qui comporte trois parties : une interface avec l’utilisateur, un diagramme (code exécutable) et un icône (connexion avec d’autres VI). Cette originalité demande une gymnastique particulière. L’investissement consenti représente alors un effort important pour l’utilisateur. Par contre Labview offre une deuxième particularité qui nous a poussé à consentir l’effort évoqué ci-dessus. Labview est dédié à la mesure. De nombreuses fonctions de mesure sont intégrées comme par exemple les formats des sondes, l’édition de rapport… Avec Labview, nous pouvons créer une application autonome capable de gérer de la mesure. Installée sur une machine connectée à un réseau informatique, ce programme peut dialoguer avec un ou plusieurs systèmes d’acquisition de données, connectés sur le même réseau. La centrale d'acquisition MX100 offre deux avantages, elle possède un port ethernet et un driver Labview. Un programme Labview peut donc la piloter à distance via un réseau informatique. La mise en place d'un pont Wi-Fi avec port ethernet permet de s'astreindre d'un réseau filaire. Des tests ont été réalisés pour valider la couverture wifi sur l'ensemble de l'installation expérimentale. La centrale MX100 peut être exploitée en condition expérimentale abritée dans une armoire IP65. Elle est modulaire avec plusieurs slots. La version choisie propose 10 voies mais elle peut en accueillir jusqu’à 80. Cette modularité permet d'envisager le même matériel pour des opérations de caractérisation, nécessitant plus d'entrées.
Démarche qualité INRA, le fil conducteur du projet
Depuis 2000, l’INRA s’est engagé dans une démarche qualité conforme aux recommandations préconisées dans la norme FD X 50-550, en se dotant de sa propre politique qualité (Mission qualité, 2004). Deux objectifs ont été définis pour l’institut : traçabilité des activités de recherche et fiabilité des résultats mesurables. Les unités de recherche et
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d’expérimentation se sont engagées volontairement et progressivement dans la mise en place de cette démarche qualité. Partenaire du centre INRA d’Angers et hébergeant les 4 UMR du centre, le domaine pédagogique et expérimental de l’INH a suivi cette démarche. Les instructions réalisées ont utilisé notamment comme références l’instruction de «vérification d’une balance » et l’enregistrement «constat de vérification » rédigée par la mission qualité de l’INRA.
Les serres S1, l’outil de référence L'outil retenu pour la mise au point du système de vérification est la serre S1 du domaine p&e. Cet équipement récent héberge une soixantaine d'expérimentation par an. Ces utilisateurs exigeants sont à l'initiative de ce projet. Il s'agit aussi d’un équipement complet. Il existe un système de supervision. Les 32 modules sont équipés de sondes de température et d'hygrométrie. La présence du réseau informatique en un point limite les frais d'installation avec la mise en place d'un seul routeur Wi-Fi.
3. « CLIMAX», un progiciel de vérification automatique Le progiciel est appelé «CLIMAX». Au total, ce programme comprend 260 Vis (unité de programmation Labview) dont 148 uniquement pour le driver de la centrale de mesure MX100. Ce progiciel réalise la vérification en appliquant les instructions définies dans le cadre de la démarche qualité du domaine p&e. L’administrateur, conformément à ces instructions, configure les installations à contrôler (emplacement, type de sonde, supervision…).
7. VERIFICATION PERIODIQUE
7.1 Opérations préliminaires Lancer le progiciel CLIMAX Vérifier toutes les configurations nécessaires à la réalisation d’une vérification sur le progiciel CLIMAX Installer les sondes de vérification et mettre la centrale de mesure MX100 sous tension Synchroniser et tester la connexion avec la centrale via le progiciel CLIMAX
7.2 Essai de justesse (linéarité) Calculer les erreurs de justesse de l’indicateur de température (Ej) pour chaque température j mesurée. Ej = valeur lue sur l’indicateur de température (Vit) – valeur lue sur l’étalon de travail (Vet) Ej = Vit - Vet
7.3 Essai de fidélité Pour une température j mesurée au minimum 10 fois par l’étalon de travail, calculer l’erreur de fidélité (Ef). Ef = valeur maximum lue sur l’indicateur de température (Vitmax) – valeur minimum lue sur l’indicateur de température (Vitmin) Ef = Vitmax – Vitmin
7.4 Exploitation des résultats Valeur absolue Max(Ej) ≤ Erreur Maximale Tolérée (EMT) indicateur de température
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Valeur absolue Max(Ef) ≤ Erreur Maximale Tolérée (EMT) indicateur de température
7.5 Présentation de résultats Le progiciel rédige automatiquement le constat de vérification. Il mentionne sur la fiche de vie de l’appareil la date de la vérification et le résultat. L’opérateur imprime et valide par sa signature le constat de vérification.
Extrait de l’instruction «vérification périodique d’un indicateur de température » L’application de l’instruction et certaines fonctions sont verrouillées, ni l’administrateur ni l’utilisateur ne peuvent modifier ces consignes. Toute fois un mode manuel de vérification est offert dans lequel l’opérateur peut modifier le temps de la vérification. Ce mode ne permet pas l’édition d’un constat de vérification valide. Pour gagner du temps «CLIMAX » peut vérifier en même temps la sonde de température et la sonde d’hygrométrie d’un même compartiment. Dans ce cas les deux instructions sont compatibles.
Graphe des mesures effectuées lors de la vérification du 30/05/2005 à 16h42 pour une durée de 12h sur le capteur de température de la serre S1-S11 (Garnier, 2005)
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Graphe des résultats effectués lors de la vérification du 30/05/2005 à 16h42 pour une durée de 12h sur le capteur de température de la serre S1-S11, Ej et Ef sont inférieures à EMT le
capteur est déclaré conforme (Garnier, 2005)
L’ensemble de la vérification des deux sondes d’un module de serre dure ½ heure en temps cumulé. Il convient de rajouter à ce temps de vérification, un temps de gestion du système qui comprend notamment l’étalonnage des sondes de référence. Un concept validé, faire évoluer la technologie
La phase de test a permis de valider le «concept ». L'unité mobile permet à un seul opérateur de vérifier des sondes de pilotage dans leurs environnements, parfois contraignants (eau, poussière, chaleur...). Le programme CLIMAX permet l'édition de constat de vérification et leur archivage pour les sondes de température et d'hygrométrie de la serre S1. Par contre la vérification de sondes d'enceinte sans superviseur n'a pas pu être testée et validée. Le driver Labview de la centrale MX100 a été le principal frein au développement du système. Ce dernier disponible sur Internet est fourni sans commentaire, il est inclus dans une application de démonstration. Il a fallu décortiquer cette application pour dégager les Vis correspondant au driver et les utiliser dans le programme CLIMAX. La centrale de mesure choisie présente un autre point faible. Elle est équipée d'un support média (carte CF) mais cette unité de sauvegarde ne fonctionne que pour une coupure réseau trop longue. Dans ce cas les données sont perdues. L'application est donc fragilisée. Un arrêt de CLIMAX provoque aussi la perte des mesures, le driver ne permet pas de reprendre la main sur la centrale avec la même configuration de vérification. Conclusion : vers la vérification en routine et la caractérisation Au mois de novembre et décembre 2006, l'ensemble des sondes de pilotage température et hygrométrie de la serre S1 aura été vérifié par un système de vérification étalonné. Avant d'étendre les tests à d'autres équipements, plusieurs étapes sont nécessaires. Le réseau WIFI doit être fiabilisé, les boîtiers sont faiblement protégés et à l'intérieur d'un coffret IP65 leur
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durée de vie n'excèdent pas 6 mois. Vis à vis du réseau informatique et du PC de contrôle, l'autonomie de la centrale de données doit être renforcée. La possibilité d'embarquer le progiciel dans l'unité mobile est une solution proposée par National Instrument. Par la suite la vérification de système sans supervision doit être validée. La solution sera alors
nnel, l'étude de la caractérisation des enceintes sera poursuivie,
ibliographie
érémie Garnier, Système de vérification et de caractérisation spatiale d’enceintes
ualité INRA version 0, INRA, 2004
extes normatifs et qualité Normes fondamentales – Vocabulaire international des
e – Constat de vérification des
bre 1997 Métrologie dans l’entreprise – Critères de choix entre
pratiques pour
ents de
rocédure d’étalonnage et de vérification des thermomètres –
ostatiques – Caractérisation et
T-BAL-01 / Vérification périodique d’une balance empérature
proposée à l'ensemble des installations INH et INRA d'Angers et mise à disposition d'éventuels autres utilisateurs. En parallèle à ce volet opératioavec comme objectif une utilisation pour la mise en service des nouvelles installations expérimentales du centre INRA d'Angers. B Jclimatiques, Mémoire ISTIA, 2005 Mission Qualité INRA, Référentiel Q TNF X 07-001 décembre 1994termes fondamentaux et généraux de métrologie dit VIM NF X 07-011 décembre 1994 Métrologie dans l’entreprismoyens de mesure FD X 07-013 décemvérification et étalonnage, utilisation et conservation des résultats de mesure NF X 07-016 décembre 1993 Métrologie dans l’entreprise – Modalitésl’établissement des procédures d’étalonnage et de vérification des moyens de mesure FD X 07-018 décembre 1997 Métrologie dans l’entreprise - Fiche de vie des équipemmesure, de contrôle et d’essai FD X 07-028 octobre 2002 PEstimation des incertitudes sur les mesures de température NF X 15-140 octobre 2002 Enceintes climatiques et thermvérification INRA / I-MAINH / I-MAT-IT-01 / Vérification périodique d’un indicateur de tINH / I-MAT-IH-01 / Vérification périodique d’un indicateur d’hygrométrie
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METHODE DE MESURE DE LA LONGUEUR DES SARCOMERES DE LA VIANDE PAR ACQUISITION D’IMAGE ET TRANSFORMÉE DE FOURIER
Peyrin F., Cormier D., Lepetit J.
INRA, UR Qualité des Produits Animaux, 63122 Saint Genès Champanelle
([email protected]) Résumé Dans le cadre du contrôle des paramètres intervenant dans la tendreté de la viande, nous mettons en oeuvre une méthode de mesure dimensionnelle estimant la longueur des sarcomères des fibres musculaires. Cette méthode est basée sur l’acquisition d’image et l’analyse de Fourier. Mots-clés : VIANDE, MESURES DIMENSIONNELLES, INSTRUMENTATION OPTIQUE, TRANSFORMEE DE FOURIER, ANALYSE D’IMAGE, MATLAB.
Introduction L’influence de la longueur de sarcomère sur la qualité de la viande a été mise en
évidence par Locker (1960). Il avait été observé à cette époque que des muscles refroidis très rapidement après l’abattage d’un animal donnaient des viandes très dures après chauffage (Marsh et Leet, 1966). La dureté pouvait être multipliée par un facteur 3. Locker (1960) a montré en mesurant la longueur de sarcomère par observation microscopique que ces viandes étaient contractées. On dit de ces viandes qu’elles ont subits une contraction au froid. Ce phénomène est du à la libération de calcium dans le cytoplasme de la fibre musculaire ce qui induit une contraction musculaire. La contraction produite par une basse température positive peut atteindre 40% à 60%. Egalement, il apparaît une contraction importante du muscle s’il est maintenu à température élevée après l’abattage d’un animal. Il existe donc un optimum de barème thermique à appliquer à un muscle après la mort d’un animal pour ne pas altérer sa tendreté. Les conditions optimales retenues par exemple dans le cas du bovin sont d’atteindre 10-12°C en 10h. Il y a un antagonisme entre la nécessité de diminuer rapidement la température d’une carcasse pour limiter la croissance bactérienne et la nécessité de ne pas refroidir trop rapidement afin d’éviter la contraction au froid. Dans la pratique industrielle le phénomène de contraction au froid est fréquent au moins pour les muscles superficiels, d’ou la nécessité d’une mesure de longueur de sarcomère lorsqu’on étudie l’origine des variations de tendreté.
La connaissance de la longueur de sarcomère est également une donnée indispensable dans les études visant à relier l’organisation des structures du muscle aux propriétés mécaniques de la viande. En effet la longueur de sarcomère est un repère de déformation. De sa valeur dépend l’organisation des autres structures telles que les fibres de collagène et d’élastine des tissus conjonctifs endomysial et perimysial. Des modèles théoriques ont été développés pour relier la longueur de sarcomère à des caractéristiques d’organisation des fibres de collagène et d’élastine (Field and Faber 1970, Rowe, 1974, Lepetit, 1991) et à des propriétés mécaniques des structures (Purslow, 1989) ou de la viande (Lepetit et al., 2000).
Les fibres musculaires sont des cellules cylindriques entourées de la membrane
plasmique. Elles mesurent de 10 à 100 μm de diamètre selon l’espèce animale et peuvent atteindre 30 cm de longueur. Elles contiennent des noyaux, des mitochondries, le réticulum
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sarcoplasmique ainsi que des myofibrilles. Chaque fibre musculaire contient plusieurs centaines de myofibrilles qui sont le siège de la contraction musculaire. Le diamètre transversal d’une myofibrille est d’environ 1 à 3 μm. Au microscope optique les myofibrilles présentent une alternance régulière de zones sombres (bandes A, terme dérivé d’Anisotrope) et de bandes claires (bandes I, terme dérivé d’Isotrope) - cf. figure 1.
Figure 1 : observation en microscopie électronique à transmission du sarcomère. Mise en évidence des stries Z dont la périodicité est ici analysée par
transformée de Fourier, barre=0.5µm. Photographie T.Astruc et X.Vignon
Dans la partie centrale de la bande I se trouve un disque qui en microscopie apparaît sous la forme d’une strie dite strie Z. Le volume compris entre 2 stries Z est dénommé le sarcomère. C’est l’élément de base de la contraction musculaire.
In vivo, la longueur de sarcomère est de l’ordre de 2.1 μm pour un muscle à l’état de
repos. Après la mort d’un animal, lorsque les réserves énergétiques du muscle sont pratiquement épuisées le sarcomère se contracte légèrement jusqu’à une valeur de 2 μm pour un muscle qui était initialement à l’état de repos. C’est la contraction de la rigor.
En pratique, la détermination de la longueur de sarcomère peut être faite à partir d’une
observation microscopique en comptant le nombre de sarcomère par unité de longueur : c’est une opération, longue et fastidieuse, pouvant être en partie sous dépendance du manipulateur. Elle est plus généralement réalisée par diffraction d’une lumière monochromatique (souvent un Laser) sur un échantillon broyé après fixation dans du glutaraldéhyde. Dans ce cas, la mesure de la distance entre les arcs de diffraction obtenus sur un grand nombre d’échantillons peut être manuelle (Cross, 1980, Young, 1990) ou automatique (Gif et al., 1995). Cet article présente une méthode alternative de mesure basée sur l’acquisition d’images microscopiques de fibres musculaires isolées et sur le traitement sur de ces images par Transformée de Fourier.
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Théorie mathématique de la Transformée de Fourier et application en physique En analyse mathématique, la transformation de Fourier généralise la théorie des séries
de Fourier aux fonctions non périodiques, et permet de leur associer un spectre en fréquences. On cherche ensuite à obtenir l'expression de la fonction comme « somme infinie » des fonctions trigonométriques de toutes fréquences qui forment son spectre. Une telle sommation se présentera donc sous forme d'intégrale. Séries et transformation de Fourier constituent les deux outils de base de l'analyse harmonique. La Transformée de Fourier, notée TF, est une opération qui transforme une fonction intégrable en une autre fonction, décrivant le spectre en fréquences de la fonction initiale. La formule dite de Transformation de Fourier inverse, opération notée TF-1, est celle qui permet sous conditions de retrouver la fonction initiale.
Physiquement, cette transformation est utilisée en traitement du signal pour traiter des
données temporelles et faire correspondre la variable Temps (période temporelle en secondes) et la Fréquence (en s-1 ou Hz) grâce à la détermination du spectre du signal. En physique, d’autres domaines d’applications existent : les phénomènes de diffraction optique donnent directement une image du domaine fréquentiel du réseau, ils sont une sorte de « machine à Transformation de Fourier » naturelle. On associe alors par équivalence la variable Longueur (période spatiale en mètre) et la Fréquence Spatiale (en m-1). C’est le cas de cet article où nous traitons l’image comme une matrice de données spatiales. La Transformée est effectuée par le calcul matriciel : le traitement mathématique est appliqué selon les lignes et les colonnes de cette matrice qu’est l’image. L’acquisition des données est aujourd’hui réalisée grâce aux CAN (Convertisseur Analogique Numérique). En conséquence, c’est la Transformée de Fourier Numérique qui est utilisé pour traiter ces données. Des hypothèses mathématiques existent pour simplifier les calculs et augmenter la vitesse de traitement des données : on parle dans ce cas de la Transformée de Fourier Rapide.
En résumé, nous utilisons une transformée de Fourier numérique rapide en deux
dimensions pour analyser nos images dans le domaine spatial. Equipement matériel et logiciel La prise d’image (figure 2) est réalisée à l’aide d’une caméra numérique noir et blanc
(SONY SX-900UV 1,45 millions de pixels) montée sur un microscope LEICA DMRM. La caméra connectée à un ordinateur via le port IEEE1394 et pilotée par un driver générique est prise en charge par la boîte à outils « acquisition d’images » de MATLAB (MATtrix LABoratory), une application de la société Mathworks.
MATLAB est conçue afin de fournir un environnement de calcul matriciel interactif
permettant la mise en oeuvre des algorithmes. Ce logiciel est constitué d’un noyau relativement réduit, capable d’interpréter puis d’évaluer les expressions numériques matricielles qui lui sont adressées, soit directement au clavier depuis une fenêtre de commande, soit sous forme de séquences d’expressions (scripts) enregistrées dans des fichiers « texte » appelés m-files et exécutées depuis la fenêtre de commande. Ce noyau est complété par une bibliothèque de fonctions prédéfinies, également enregistrées sous forme de fichiers m-files. Il est possible d’ajouter des boites à outils, les toolboxes spécifiques à tel ou tel problème mathématique, Image acquisition Toolbox, Signal Processing Toolbox par exemple.
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Figure 2 : image en microscopie optique (x40) d’une fibre musculaire, Périodicité d’environ 2µm entre deux stries Z définissant les sarcomères
Nous avons développés plusieurs interfaces graphiques « utilisateurs » grâce à
l’utilitaire Guide de MATLAB. Celles-ci permettent d’exécuter séquentiellement, le choix de l’opérateur et de l’expérimentation, la visualisation vidéo servant d’aperçu pour le réglage du microscope et de la caméra, l’acquisition de l’image optimisée, son enregistrement au format .tiff ou .mat (format matriciel pour MATLAB), le traitement de l’image par Transformée de Fourier Rapide (figure 3) et l’analyse permettant de déterminer la longueur des sarcomères.
Figure 3 : Transformée de Fourier Numérique de l’image de la Figure 2 Les paramètres de réglage du microscope, de la caméra ainsi que les paramètres liés à
l’échantillon sont enregistrés dans un premier fichier Excel. L’ensemble des résultats de mesures est stocké dans un second fichier de synthèse au format Excel -cf. figure 4.
Figure 4 : exemple de résultats
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Méthodes Afin de déterminer la longueur des sarcomères, il faut au préalable calibrer l’ensemble
microscope et caméra pour pouvoir établir une échelle sur les images dans le domaine spatial et fréquentiel. Le calibrage est spécifique du grossissement microscopique utilisé. Une mire micrométrique est observée au microscope –cf. figure 5. L’image de cette mire permet par pointage manuel de calibrer le dispositif et déterminer une échelle sur l’image spatiale en µm par pixels et sur sa représentation fréquentielle en µm-1 par pixels.
Figure 5 : image de la mire micrométrique (10 µm entre deux traits). Ici, l’opérateur a pointé 10 traits à l’intérieur de la région d’intérêt (carré en inverse
vidéo). Une fois ce calibrage effectué, le logiciel permet de mesurer directement la longueur de
sarcomère. Il permet aussi d’obtenir directement une valeur en µm selon les trois méthodes suivantes :
• La première méthode consiste à pointer à l’aide de la souris sur l’image le
premier et dernier d’une série de plusieurs sarcomères. Le logiciel extrait ensuite la longueur moyenne d’un sarcomère en divisant par le nombre de sarcomères impliqués.
• La deuxième méthode consiste à pointer manuellement sur la représentation de la Transformée de Fourier de l’image précédente l’un des deux pics de la première harmonique représentative du réseau des sarcomères dans la fibre. Le logiciel calcul par symétrie la distance euclidienne en µm-1 entre la fondamentale et cette première harmonique. La longueur moyenne de sarcomère est obtenue par transformée de Fourier inverse ; elle est donnée en µm.
• Enfin, la troisième méthode permet la détection automatique des deux pics de
première harmonique par analyse d’image. La représentation de la Transformée de Fourier de l’image du sarcomère subit préalablement plusieurs traitements en niveau de gris ou en noir et blanc (filtre moyenneur, filtre morphologique « top hat », érosion, labellisation, classement par recherche de maxima locaux et calcul de la distance euclidienne entre deux points de la matrice). Comme dans la méthode manuelle, la longueur moyenne de sarcomère est également obtenue par transformée de Fourier inverse ; elle est donnée en µm.
C-23
La méthode de comptage des sarcomères sur l’image a servi de référence pour valider
les deux autres. Dans la figure 6, seule apparaît la validation de la méthode de mesure par pointage manuel sur la Transformée de Fourier (y=0,9834x, avec R²=0,993). La méthode automatique, quant à elle, nécessite encore quelques améliorations pour être totalement validée. En effet, certains cas particuliers, comme celui des fibres musculaires dont les sarcomères sont trop contractés ne peuvent être analysés grâce à cette méthode qui manque encore de robustesse.
y = 0.9834xR2 = 0.993
0.50
1.50
2.50
3.50
4.50
0.50 1.50 2.50 3.50 4.50longueur de sarcomère obtenue par comptage de sarcomères sur
l'image - méthode de référence (µm)
long
ueur
de
sarc
omèr
e ob
tenu
e pa
r poi
ntag
e m
anue
l sur
la F
FT (µ
m)
Figure 6 : Validation de la méthode de mesure par Transformée de Fourier, Comparaison avec la méthode de comptage sur l'image initiale
Un exemple de résultat Dans cet exemple, la fibre musculaire utilisée provient du muscle Semimembranosus,
cru et non congelé d’une vache de race Holstein âgée de 8 ans. La fibre est extraite mécaniquement avec des pinces ultrafines sous une loupe binoculaire dont le grossissement utilisé varie de 0.63 à 4. Ces fibres ont un diamètre de l’ordre de 50 micromètres et sont observées entre lame et lamelle à un grossissement de 40 sous microscope en lumière transmise. Les mesures dimensionnelles de longueur de sarcomère sont effectuées selon le mode opératoire décrit précédemment.
C-24
Figure 7 : Vue d’ensemble, fenêtre de commande sous environnement Matlab La figure 7 montre, d’une part, l’interface graphique permettant de piloter l’ensemble, et
d’autre part, pour un essai sur une même fibre, le résultat des trois méthodes décrites précédemment. La valeur de la longueur de sarcomère mesurée ici est de 1,90 µm. Le bilan des incertitudes systématiques et statistiques que nous avons effectué donne cette valeur à 0,10 µm près.
Conclusion La méthode de mesure par transformée de Fourier est aujourd’hui utilisée en routine au
sein du laboratoire et permet la caractérisation des échantillons de tissu musculaire étudiés. Cette méthode a, par exemple, déjà permis de déterminer l’effet du délai entre l’abattage et la découpe sur la qualité des filets de poulet de différentes origines (Berri et al., 2006). Cette méthode peut également être appliquée à tout échantillon microscopique ou macroscopique, animal, végétal ou minéral de structure pseudopériodique.
C-25
Remerciements Les auteurs remercient Etienne Dugourd et Cécile Berri pour leur participation à la validation expérimentale de cette méthode. Références bibliographiques BERRI C., Le BIHAN-DUVAL E., LEPETIT J., BAEZA E., BORDEAU T., PEYRIN F., BRUNEL V. Effet du délai entre abattage et découpe sur la qualité des filets de poulets labels, certifiés et standards. JSMTV. 2006; Clermont-Ferrand. CROSS H.R., WEST R.L., and DUSTON T.R. Comparison of methods for measuring sarcomere length in beef semitendinosus muscle. 1980; Meat Science 5 (1980-81) 261-266. FIELD R.W. and FABER, J. J. Biophysical Analysis of the Mechanical Properties of the Sarcolemma. Canadian Journal of Physiology and Pharmacology. 1970; 48:394-404. FOURIER J-B. J. Théorie analytique de la chaleur. 1822; Réédité aux éditions Jacques Gabay (25 rue du Dr Roux F-92330 à Sceaux) en 1988. GIF, P. TOURNAYRE, P. CULIOLI J. Automatisation d’un banc de mesure de la longueur des sarcomères de la viande par diffraction d’une lumière cohérente (LASER). 1995; Viandes Prod. Carnés 16(2). LEPETIT, J. Theoretical Strain Ranges in Raw Meat. Meat Science. 1991; 29(3):271-283. LEPETIT, J.; GRAJALES, A., and FAVIER, R. Modelling the effect of sarcomere length on collagen thermal shortening in cooked meat: consequence on meat toughness. Meat Science. 2000; 54:239-250 LOCKER, R. H. Degree of Muscular Contraction as a Factor in Tenderness of Beef. Food Research. 1960; 25:304-307. MARSH, B. B. and LEET, N. G. Studies in Meat Tenderness. III. The Effects of Cold Shortening on Tenderness. Journal of Food Science. 1966; 31:450-459. PURSLOW, P. P. Strain-Induced Reorientation of an Intramuscular Connective Tissue Network: Implications for Passive Muscle Elasticity. J. Biomechanics. 1989; 22(1):21-31. ROWE, R. W. D. Collagen Fibre Arrangement in Intramuscular Connective Tissue. Changes Associated with Muscle Shortening and Their Possible Relevance to Raw Meat Toughness Measurements. Journal of Food Technology. 1974; 9:501-508. YOUNG L.L., PAPA C.M., and LYON C.B. Research Note: Comparison of Microscopic and Laser Diffraction Methods for Measuring Sarcomere Lengths of Contracted Muscle Fibers of Chicken Pectoralis Major Muscle. Poultry Science. 1990; 69: 1800-1802.
C-26
VALIDATION D’UNE ANALYSE EN SPECTROMETRIE DE MASSE APPLICATION AU DOSAGE DES PCDD ET PCDF
Dupire, F.
INRA, Laboratoire d’Analyse des Sols, 273 route de cambrai, 62000 ARRAS
([email protected]) Résumé Nous étudierons les avantages qu’apporte la spectrométrie de masse pour l’identification et la quantification des polluants organiques dans l’environnement. Mots clés : SPECTROMETRIE DE MASSE, DILUTION ISOTOPIQUE, RATIO ISOTOPIQUE, DIOXINES, IDENTIFICATION, QUANTIFICATION Les nouvelles directives européennes relatives aux épandages des déchets vont vraisemblablement impliquer le contrôle de leur teneur en PCDD (Polychloro dibenzo-p-dioxines) et PCDF (Polychloro dibenzofuranes). Leur quantification précise prendra dans les années qui viennent une plus grande importance. L’une des techniques d’analyse classiquement utilisée est la chromatographie phase gaz (GC) couplé à la spectrométrie de masse haute résolution (HRMS). Outre le temps de rétention, cette technique permet l’identification plus précise en scrutant 2 ions majoritaires. La quantification est elle-même facilité grâce à une dilution isotopique de l’échantillon. Nous développerons ces aspects théoriques et leurs apports en analyse.
Nous présenterons ensuite les difficultés d’appliquer cette approche sur un échantillon réel.
C-27
METHODE DE MESURE DE L’ANISOTROPIE DE FLUORESCENCE DES TISSUS ANIMAUX STRUCTURES : APPLICATION A LA VIANDE
Luc C., Peyrin F., Clerjon S.
INRA, UR Qualité des Produits Animaux, 63122 Saint Genès Champanelle
([email protected], [email protected]) Résumé Dans le cadre des travaux de recherche menés au sein de l’équipe Biophysique (UR QuaPA), visant à mettre en évidence l’anisotropie des structures biologiques d’intérêt, nous mettons en œuvre les méthodes instrumentales adaptées. Des études ont été menées sur la maturation de la viande grâce à la connaissance de ses propriétés d’auto fluorescence. Pour caractériser l’anisotropie de ces structures, nous utilisons en particulier la polarimétrie de fluorescence dont l’intérêt principal et de permettre une mesure sensible, rapide et non destructive. Nous mettons en œuvre un spectrofluorimètre polarisant. Afin de maîtriser la qualité des résultats obtenus, nous avons développé une attention particulière sur le calibrage de l’appareil afin d’éliminer les biais instrumentaux. Ceci a donné lieu à l’écriture d’un mode opératoire de calibrage utilisé avant chaque expérimentation. Cet article détaille la chaîne instrumentale, les grandeurs d’influences et les actions correctives permettant d’obtenir l’anisotropie de fluorescence des structures observées. Mots-clés : VIANDE, ANISOTROPIE, FLUORESCENCE, POLARIMETRIE, INSTRUMENTATION
1. Contexte La spectroscopie de fluorescence est une technique largement répandue dans les domaines de la biologie, la chimie, les sciences médicales et physiques, permettant d’obtenir des informations sur les molécules fluorescentes et leur environnement. Mais son application à des échantillons concentrés, visqueux ou solides implique que la fluorescence soit observée en illumination frontale (différente de la configuration de mesure classique dite à angle droit).
Cuvette (solution diluée)
Excitation
Emission
Excitation
Emission
(m
Fluorescence à angle droit Fluorescence frontale
Echantillon orceau de viande)
Figure 8 : Spectroscopies de fluorescence (d’après [1]) La mise en œuvre de la fluorescence frontale dans le domaine de la science des aliments apparaît comme un outil pertinent et prometteur, car offrant la possibilité d’une mesure sensible, rapide et non destructive [1, 2 et 3].
C-28
2. But de l’étude Dans le cadre des travaux présentés ici, nous nous intéressons plus particulièrement à la technique de polarisation de fluorescence, moyen puissant pour évaluer l’ordre des milieux organisés. Cette méthode, très bien décrite dans la littérature dans le cas des échantillons liquides, est cependant moins référencée dans le cas d’échantillons solides, et donc en fluorescence frontale (science des aliments [4], polymères [5], médical [6]). Notre projet est d’appliquer cette technique de mesure de l’anisotropie de fluorescence au muscle, tissu biologique orienté, afin de mieux comprendre l'évolution de son organisation structurale post-mortem, et de tracer des pistes en vue de l'élaboration de capteurs non destructifs de la qualité de la viande. Un autre aspect est que nous souhaitons étudier la distribution angulaire de cette polarisation de fluorescence du tissu musculaire, c’est-à-dire mesurer l’anisotropie de fluorescence en faisant varier l’angle entre l’axe macroscopique principal des fibres musculaires et l’orientation de la polarisation excitatrice. Le but de l’étude métrologique décrite dans cet article est donc de mettre en place une méthodologie instrumentale précise et reproductible de mesure de l’anisotropie de fluorescence de la viande en fonction de son orientation, à partir d’un spectrofluorimètre SLM 8000C.
3. Définition de l’anisotropie de fluorescence et principe de mesure [7] Une molécule fluorescente est une molécule qui, après avoir absorbé de la lumière à une longueur d’onde d’excitation donnée ( excλ ), émet de la lumière à une longueur d’onde supérieure ( emλ ) après un laps de temps de l’ordre de la nanoseconde. Lorsque la lumière excitatrice est polarisée, la fluorescence émise par un certain nombre de molécules l’est également. L’amplitude de cette polarisation est décrite en terme d’anisotropie (r).
Figure 9 : Mesure de l’anisotropie de fluorescence [8]
L’anisotropie de fluorescence se définit comme suit : L’échantillon étant excité avec une lumière polarisée verticalement (champ électrique parallèle à l’axe z), on observe l’intensité de fluorescence des composantes verticale
(analyseur parallèle au polariseur) et horizontale (analyseur perpendiculaire au polariseur). L’anisotropie de fluorescence est caractérisée par la différence entre ces deux composantes, rapportée à l’intensité totale de fluorescence (
//I
⊥I
⊥+ II 2// ) :
⊥
⊥
+−
=II
IIr
2//
// (1)
En pratique, cette mesure, effectuée avec un spectrofluorimètre équipé de polariseurs, n’est pas directe. En effet, l’efficacité des composants du bras de détection de l’instrument tels que
C-29
le monochromateur, le tube photomultiplicateur (PMT) n’est pas la même suivant la polarisation incidente. La mesure des intensités de fluorescence sur les voies verticale et horizontale est donc biaisée : on ne mesure pas directement les composantes et , mais les intensités que l’on notera et 1
//I ⊥I
VVI VHI . Pour prendre en compte ce biais dans la mesure et remonter à la valeur de et , il est nécessaire d’introduire un facteur de correction G. Si l’on excite l’échantillon avec une lumière polarisée horizontalement, les intensités de fluorescence horizontale et verticale de la composante d’émission doivent être égales. En mesurant et , on déduit finalement le
rapport
//I ⊥I
HHI HVI
HH
HV
II
G = , exprimant la différence entre les deux voies.
On peut alors retrouver le rapport des intensités de fluorescence verticale et horizontale non biaisées :
GII
II
VH
VV 1// ×=⊥
(2)
Cette méthode de correction est évoquée dans de nombreuses publications et est décrite par [9] comme un principe reconnu. Ainsi, nous avons naturellement décidé d’utiliser également cette méthode de correction.
1 Dans ces notations, on a : V pour Vertical et H pour Horizontal, le 1er et le 2ème indices correspondent respectivement à l’orientation du polariseur d’excitation et d’émission
C-30
4. Mise au point de la mesure d’anisotropie de fluorescence
a. Instrumentation initiale
L’instrument dont nous disposons pour réaliser la mesure de l’anisotropie de fluorescence de la viande est un spectrofluorimètre SLM Aminco 8000 C présenté sur la Figure 10
Filtre
Logiciel de gestion des acquisitions
Lampe au Xénon Module de commande
Module optique, monochromateurs
et détecteurs
PMT émission
PMT référence Filtre excitation
Filtre émission Monochromateur émission
Monochromateur excitation Diaphragmes
excitation
Diaphragmes émission
Chambre de mesure
Polariseur émission (« analyseur »)
Polariseur excitation (« polariseur »)
Miroir séparateur
Figure 10 : Vue globale du spectrofluorimètre SLM 8000C (en haut) Détail des différents composants du module optique et des monochromateurs (en
bas) Les principaux éléments d’un spectrofluorimètre typique sont, en suivant le trajet optique de la lumière :
• une source de lumière : ici, lampe au Xénon,
C-31
• un élément permettant d’avoir une lumière d’excitation de longueur d’onde discrète : un monochromateur ou un filtre. Nous disposons dans notre cas d’un monochromateur, auquel nous pouvons jouter un filtrage passe-bande afin d’améliorer la qualité du signal (diminuer le bruit de fond),
• un élément permettant de sélectionner le plan de polarisation de la lumière d’excitation : le polariseur,
• une partie du faisceau est prélevée grâce à un prisme séparateur pour alimenter le canal de référence qui permet de prendre en compte les variations d’intensité de la source,
• l’échantillon reçoit l’autre partie du faisceau d’excitation selon un angle d’incidence α choisi. L’émission est alors observée à un angle de 90° par rapport à l’excitation à travers un polariseur (l’analyseur), un monochromateur et un filtrage passe-haut,
• un détecteur est utilisé pour quantifié la lumière émise : le plus utilisé est le tube photomultiplicateur (PMT).
b. Eléments à maîtriser pour une mesure fiable et reproductible La Figure 4 représente de façon schématique la chaîne de mesure et ses grandeurs d’influence :
I 0
Echantillon
I λexc = f (I 0, P, lumière parasite)
I
Température T Source de lumière
Détecteur
I final = f (I fluo, I λem,A, lumière parasite, biais)
λem
λexc
P
A fluo = f (I λexc, T, α, échantillon)
B
iais Lumière parasite
Lumière parasite
Filtre Calcul facteur de correction G
Régulation
Réflexion lumière parasite
Angle d’incidence
α
Figure 11 : Représentation schématique de l’instrumentation permettant d’obtenir
une information relative à l’échantillon avec
C-32
dans des rectangles : les différents éléments de la chaîne de mesure, en couleur : les « mesurandes »,
en italique : les grandeurs d’influence, et dans des rectangles fléchés : les moyens de maîtrise des grandeurs d’influence.
La figure 4 met en évidence les grandeurs d’influence sur la chaîne instrumentale. Il est indispensable de les maîtriser afin d’obtenir les intensités de fluorescence. On distingue parmi ces grandeurs d’influence :
- la température de l’échantillon : d’une part elle fait varier directement l’intensité de fluorescence, il faut donc s’assurer de sa stabilité, et d’autre part il est nécessaire de maintenir pendant la mesure les échantillons biologiques à une température proche de celle de leur stockage (8°C),
- la lumière parasite, qui diminue le rapport signal/bruit des spectres de fluorescence, - le biais créé par l’instrumentation en fonction de la polarisation. Les parties qui suivent présentent ainsi les moyens que nous avons mis en place afin de réduire ou corriger l’effet de ces grandeurs.
c. Régulation thermique des échantillons
La régulation thermique de l’échantillon comprend :
• la climatisation de l’air ambiant de la pièce, • le refroidissement de la chambre de mesure grâce à un système de radiateurs dans
lesquels circule de l’eau, • le refroidissement du porte échantillon lui-même par contact avec le circuit de
refroidissement, • l’isolation thermique de la chambre de mesure avec du liège.
Dans des conditions de refroidissement où Tair=23°C et Teau=6°C, l’échantillon est refroidit à (8 +/- 2)°C et sa température est stable 15 minutes environ après sa mise en place.
d. Réduction de la lumière parasite La lumière parasite, c'est-à-dire toute lumière d’une autre longueur d’onde que celle étudiée atteignant le détecteur, est une source d’erreur importante sur la mesure de l’anisotropie de fluorescence. Cette lumière parasite provient notamment du fait que les monochromateurs ne sont pas des composants parfaits. Ainsi, il est possible que le monochromateur d’excitation laisse passer une faible quantité de lumière à des longueurs d’onde non souhaitées (on parle souvent de Fantômes de Rayleigh) et que cette lumière soit, par exemple, réfléchie par le quartz ou diffusée par l’échantillon vers le détecteur. Dans notre cas, la lumière réfléchie par le quartz est polarisée verticalement. Si celle-ci est détectée en même temps que la fluorescence des échantillons que nous voulons observer, la valeur de l’anisotropie de fluorescence apparente mesurée est beaucoup plus élevée. Il est donc indispensable d’éliminer au mieux la lumière parasite en augmentant le rapport signal/bruit.
C-33
Pour cela, il est tout d’abord possible de réduire les anomalies dues aux monochromateurs en utilisant, en plus de ceux-ci, des filtres optiques. En effet, il est conseillé, pour rendre plus propre le signal d’excitation, de placer au niveau de celle-ci un filtre passe-bande centré sur la longueur d’onde d’excitation souhaitée. On peut ensuite placer à l’émission un filtre passe-haut, permettant de ne laisser passer que les longueurs d’onde supérieures à la longueur d’onde d’excitation [10]. Ainsi, afin de mesurer la fluorescence de la viande (λexc = 290 nm, λem ≈ 330 nm), nous avons donc intégré à la chaîne de mesure un filtre interférentiel standard centré à 289 nm (03FIM022 Melles Griot) et un filtre coloré passe-haut WG320. Une fois réduites les anomalies des monochromateurs, il faut considérer les phénomènes de réflexions spéculaire et diffuse qui ont lieu au niveau de la lame de quartz. On peut alors agir sur l’angle d’incidence, c'est-à-dire l’angle entre le faisceau incident et la normale à la surface de l’échantillon, afin d’éloigner la réflexion spéculaire du champ d’observation de l’émission.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
25 35 45 55 65
angle d'incidence (°)
anis
otro
pie
appa
rent
e
Figure 12 : Anisotropie de fluorescence
apparente en fonction de l’angle d’incidence du faisceau d’excitation sur
l’échantillon
La figure 5 présente les variations de l’anisotropie de fluorescence mesurées pour un échantillon de viande (λexc = 290 nm, λem = 328 nm) en fonction de l’angle d’incidence. Pour un angle d’incidence de 45°, la réflexion spéculaire est directement renvoyée vers le détecteur. La mesure de l’anisotropie de fluorescence est complètement faussée dans ce cas particulier. Il faut donc choisir un autre angle d’incidence : l’angle de travail de 55° répond à cette attente. A cette incidence, une faible variation de l’angle n’a pas d’effet sur la valeur de l’anisotropie apparente. De plus, cet angle est très proche de l’angle magique de Brewster, minimisant les phénomènes de dépolarisation issus des réflexion et réfraction dioptriques [11].
e. Détermination de G, le facteur de correction instrumentale Le paragraphe 3 explique la nécessité de calculer le facteur de correction G de l’instrument lorsque l’on réalise des mesures d’anisotropie de fluorescence. En principe, la fluorescence d’un échantillon excité en lumière polarisée horizontalement, est en théorie telle que
= si l’instrument est parfait. HHI HVILa principale difficulté rencontrée est due au fait que nous réalisons des mesures sur des échantillons solides en configuration de fluorescence frontale. En effet, déterminer le facteur G de l’instrument lorsque l’on travaille en fluorescence à angle droit avec une solution diluée homogène ne pose pas, à priori, de difficulté majeure : il suffit de mesurer les composantes
et lorsque l’échantillon est en place. HHI HVIEn revanche, dans le cas de l’étude présentée ici, les échantillons solides ont une anisotropie de structure. Il a été observé que le facteur G calculé avec de tels échantillons varie avec
C-34
l’orientation même de ces échantillons. Ceci est un non-sens puisque le facteur G est un facteur instrumental et qu’il ne dépend pas de l’échantillon. En fait, les échantillons solides présentent une anisotropie de structure et les photons excitateurs et émis subissent donc une diffusion anisotrope. Ainsi, le principe même utilisé pour la détermination du facteur G n’est plus vérifié. Il n’est donc pas juste de déterminer le facteur G de l’instrument avec un échantillon solide tel qu’un morceau de viande. Pour résoudre ce problème, la valeur du facteur G est établie préalablement grâce à une suspension fluorescente, préparée en broyant un morceau de viande et en diluant ce broyat dans de l’eau. Les photons se propageant dans cette suspension subissent toujours un phénomène de diffusion, mais celle-ci est maintenant isotrope. Ainsi, le principe initial ( = ) est à nouveau respecté. HHI HVI Par ailleurs, le facteur G varie avec la longueur d’onde du monochromateur d’émission [7]. Dans le cas de notre application à la viande, nous avons établi un abaque du facteur G pour la plage de longueurs d’onde comprise entre 300 et 400 nm environ. Une représentation de G (cf. Figure 13) est déduite des spectres d’émission et de la suspension placée dans le porte-échantillon frontal (λ
HHI HVIexc = 290 nm et λem varie de 300 à 400
nm) effectués dans les mêmes conditions de mesures et de filtrage qu’avec les échantillons solides.
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
300 320 340 360 380 400
longueur d'onde d'émission (nm)
Inte
nsité
s de
fluo
resc
ence
(u.a
.)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Fact
eur G
IHH
IHV
G
Figure 13 : Facteur G, calculé à partir des spectres de d’émission de et HHI HVI
Sur la figure 6, la valeur de G présente un pic vers 370 nm dû à l’anomalie de Wood du monochromateur d’émission. Elle se traduit par une chute de l’efficacité de transmission de la lumière polarisée horizontalement, c'est-à-dire . Par ailleurs, pour l’acquisition des spectres d’émission présentés ici, il n’y a pas de filtre passe-bande sur le chemin de l’excitation. On constate, comme prévu, une chute du facteur G pour des longueurs d’onde se rapprochant de la longueur d’onde d’excitation : cette chute provient d’une petite augmentation de l’intensité due en hypothèse à la réflexion sur le quartz d’une faible proportion de lumière provenant du faisceau d’excitation (cf. §
HHI
HHI4.d).
C-35
Remarque : les expérimentations décrites dans ce paragraphe ont permis de mettre en œuvre une méthodologie de détermination du facteur G. Cependant, afin de mettre en place un mode opératoire reproductible, la suspension de fibres musculaires dont la densité optique n’est pas connue, est aujourd’hui remplacée par une solution de BSA (Sérum d’Albumine Bovine) de concentration connue (5 µg/µl), dont les conditions de fluorescence sont identiques.
C-36
5. Un exemple de résultat Les figures 7 et 8 présentent quelques résultats de mesure d’anisotropie obtenus avec des muscles Semi Membranosus d’agneau en fonction de l’angle entre la polarisation de la lumière excitatrice, qui est verticale, et l’axe macroscopique principal des fibres musculaires.
Figure 14 : Anisotropie d’un muscle SM
d’agneau avant et après prise en compte du facteur instrumental G
Figure 15 : Anisotropie d’un muscle SM
d’agneau soit intact, soit broyé
0°
90°
180°
270° -0.08
-0.03
0.02
0.07
0.12
r (avant correction)
r (après correction)
0°
90°
180°
270° 0
0.05
0.1
r (échantillon intact)
r (échantillon broyé)
C-37
La Figure 14 montre l’influence de la prise en compte du facteur instrumental G sur la valeur de l’anisotropie. On constate que l’anisotropie varie en fonction de l’angle entre les fibres musculaire et la polarisation incidente. En fait, la forme de ces distributions dépend du type de tissu étudié et apporte une information sur sa structure. La Figure 15 montre, par exemple, que si l’on détruit la structure macroscopique d’un échantillon en le broyant, son anisotropie présente alors une distribution isotrope. Des essais de répétabilité ont montré que la dispersion entre les mesures de l’anisotropie est inférieure à 1%. Conclusion La mesure d’anisotropie de fluorescence est une mesure qui n’est pas aisée à mettre en œuvre. Elle implique la maîtrise de grandeurs d’influence d’origines diverses, soit extérieures à la chaîne de mesure, comme la température de l’échantillon, soit directement liées aux conditions et singularités de fonctionnement des composants de la chaîne de mesure. Afin de garder la maîtrise des éléments que nous venons de décrire, nous avons diffusé un Mode opératoire de calibrage du spectrofluorimètre que nous mettons en œuvre avant chaque expérimentation. C’est au prix de cette maîtrise métrologique que les travaux de thèse engagés vers une meilleure connaissance des structures des tissus musculaires pourront progresser. Remerciements Nous tenons à remercier David Cormier et Frédéric Mercier pour la prise en charge de tous les éléments de micromécanique et de régulation thermique.
C-38
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DETECTION AUTOMATIQUE DU BOIS DE TENSION
A.Barbacci, T.Constant et E.Farré
UMR LERFoB – Centre INRA de Nancy - 54280 Champenoux Résumé de la présentation Un arbre formera du bois de tension afin de pouvoir assurer son maintien mécanique et réguler sa forme en fonction de facteurs environnementaux comme le climat, la compétition… Ce bois de tension est dommageable pour la qualité d’un bois car les contraintes engendrées par sa mise en place induisent des risques d’éclatement à l’abattage, au séchage ou encore à l’usinage. Afin de trouver une sylviculture pour minimiser le bois de tension et comprendre le mécanisme de sa mise en place, il nous a fallu développer une méthode pour localiser et quantifier le bois de tension dans le tronc. Nous savons que le bois de tension apparaît comme nacré à la surface d’une coupe lorsqu’elle est éclairée suivant un angle d’une trentaine de degrés. Aussi nous avons voulu le vérifier sur le hêtre par une méthode semi-automatique rapide et minimisant l’effet opérateur. Ce travail a été réalisé au cours de la thèse de Adelin Barbacci encadré par Thiéry Constant (CR) au sein de l’Equipe de Recherche sur la Qualité de Bois. Les rondelles de hêtre sont coupées à l’aide d’un dispositif permettant un excellent état de surface. Afin d’être certain de couvrir toutes les zones de bois de tension sur la rondelle, la méthode repose sur l’analyse de huit clichés numériques réalisés sur chaque rondelle. Entre chaque photo, la rondelle maintenue sur un support sera tournée de 45°.
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Les clichés vont subir une série de traitements informatiques visant à corriger les déformations dues à l’objectif de l’appareil photo ainsi qu’à la perspective. Pour la correction de cette dernière, les coordonnées de quatre points spécifiques sur les clichés permettent de calculer les paramètres de la transformation qui permettra de redresser chaque photo. Les photos redressées sont orientées dans la même direction pour pouvoir être superposées afin d’obtenir une seule image résultante.
Cette image subit un dernier traitement informatique pour isoler les zones de présence de bois de tension des zones de bois normal. Il est alors possible de quantifier la proportion de bois de tension sur une zone de la rondelle.
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PEA FLUO : PASSEUR D'ECHANTILLONS AUTOMATISE A TEMPERATURE CONTROLEE POUR LA DETERMINATION DE LA THERMOSTABILITE DE
L'APPAREIL PHOTOSYNTHETIQUE PAR LA MESURE DE LA FLUORESCENCE DE LA CHLOROPHYLLE
Patrick GROSS
UMR Ecologie et Ecophysiologie Forestières, INRA-UHP, 54280 Champenoux [email protected]
Résumé
L'étude de la fluorescence de la chlorophylle s'est beaucoup développée ces dernières années avec la disponibilité de fluorimètres performants. La mesure de cette fluorescence permet notamment d'évaluer la tolérance de l'activité photosynthétique des arbres aux températures élevées : un échantillon foliaire est placé sur un support thermoconducteur dont la température varie linéairement de 20 à 60°C avec une vitesse d'augmentation de 1°C min-1. Le suivi de la fluorescence foliaire au cours de cette cinétique renseigne sur les capacités de tolérance de l'appareil photosynthétique étudié à un stress thermique. Afin de multiplier les mesures, nous avons réalisé un passeur automatisé qui permet de mesurer la fluorescence de 6 échantillons différents au cours d'un même cycle de 40 min. Mots-clés : FLUORESCENCE DE LA CHLOROPHYLLE, THERMOSTABILITE, PASSEUR D'ECHANTILLONS AUTOMATISE Photosynthèse et fluorescence de la chlorophylle La photosynthèse est le processus qui permet à la plante de capter l'énergie solaire et de fabriquer les substances nécessaires à sa vie en puisant dans l'air ambiant le CO2 et dans le sol l'eau et les éléments minéraux. Les différentes phases de la photosynthèse se déroulent dans un organite spécifique, le chloroplaste, à l'intérieur duquel se trouvent les photosystèmes. Un photosystème est constitué d'antennes collectrices optimisant la capture des photons et de centres réactionnels où sont transférés des électrons (pouvoir réducteur utilisé ensuite pour la fabrication des sucres). L’énergie lumineuse interceptée par les antennes collectrices peut être utilisée par trois processus concurrents et de vitesses de réactions différentes [4] :
• la photochimie afin d’alimenter la photosynthèse ; • la dissipation thermique ; • la fluorescence de la chlorophylle qui est une réémission de lumière à une longueur
d’onde plus élevée. La mesure de cette fluorescence permet donc d'apporter des informations quantitatives sur les deux autres processus.
L’énergie réémise par fluorescence ne représente que 1 à 2% de celle interceptée, mais elle peut être mesurée avec précision par un fluorimètre à lumière modulée (figure 1 )
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FLASH SATURANT
GENERATEUR D'IMPULSIONS AMPLIFICATEUR
LED PHOTODIODE
SIGNAL
FILTRE PASSE-BAS λ < 680nm
LUMIERE ACTINIQUE
ECHANTILLON FOLIAIRE
FILTRE PASSE-HAUT λ > 700 nm
Figure 1 : schéma de principe du fluorimètre WALZ PAM101. Le fluorimètre est couplé à la feuille par une fibre optique. Trois sources lumineuses sont utilisées pour obtenir une cinétique type (figure 2) pour une feuille préalablement acclimatées à l'obscurité 30 min .
• la LED émet une lumière pulsée Lm (durée 1μs, fréquence de 1.6 ou 100 kHz) avec un pic à 655 nm et de faible intensité (PFD < 1 μmol m-2 s-1 Un filtre passe bas bloque les longueurs d'onde supérieures à 680 nm. Une photodiode PIN protégée par un filtre passe haut détecte les longueurs d'onde supérieures à 700 nm. Un amplificateur sélectif extrait le signal de fluorescence synchrone à la lumière pulsée. Lorsque seule Lm est activée, on observe la fluorescence de base F0. Les centres réactionnels des chloroplastes sont alors au repos, la photochimie est à son maximum de rendement potentiel, mais à un faible niveau absolu ;
• l'envoi d'un flash Ls (durée 0.8 s, PFD 4000 μmol m-2 s-1) sature les centres réactionnels et bloque temporairement la photochimie, la fluorescence atteint sa valeur maximale, Fm ;
• l'allumage de la lumière actinique La (PFD ≈ 20 μmol m-2 s-1) entraîne un pic avec une relaxation et un plateau F' correspondant à la stabilisation de la photochimie et de la dissipation thermique ;
• un nouveau flash saturant induit un pic F'm inférieur à Fm ; • l'extinction de la lumière actinique ramène la fluorescence à un niveau F'0 inférieur à F0
Lm LmLa LaLs Ls
F
2 min
temps
signal fluorimètre
F m
F m '
F'0
F 0
0
'
Figure 2 : cinétique d'induction de la fluorescence de la chlorophylle pour une feuille soumise à différents éclairements. Lm : lumière modulée, Ls : flash saturant, La : lumière actinique
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Tous ces points caractéristiques permettent de définir notamment : le rendement quantique maximum des photosystèmes II Fv/Fm = (Fm –F0)/Fm la fraction de centres PSII ouverts (F'm-F')/(F'm-F'0) le rendement quantique des PSII ΦPSII = (F'm-F')/F'm
Différents travaux nous ont permis de choisir F0 comme paramètre pertinent pour
évaluer la thermotolérance de l'appareil photosynthétique à un stress thermique [1, 2, 3, 5].
Evolution de Fo
500
700
900
Figure 3 : Evolution de FO en fonction de la température. On définit la température critique, Tc, comme la projection sur l'axe des abscisses du point d'intersection des deux tangentes, ici 52°C
Initialement, un premier banc d'essai thermique régulé par effet Peltier avait été réalisé , il permettait de travailler à une température préréglée par l'utilisateur dans une plage de 20 à 60 °C, puis avait été modifié pour générer automatiquement une rampe de température sur cette même plage à une vitesse de croissance 1°C par minute. L'échantillon foliaire placé sur un barreau en aluminium vient s'insérer dans un profilé de la même matière régulé et isolé thermiquement. Une fenêtre sur la face supérieure permet le couplage avec la fibre optique du fluorimètre. Un seul échantillon était suivi pendant la rampe (durée 40 min). Afin d'optimiser l'utilisation d'un tel dispositif, un nouveau banc thermique a été réalisé afin de suivre la fluorescence de 6 échantillons différents, mesurée séquentiellement et automatiquement.
1100
00
00
00
00
00
20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60
Température °C
Sign
al fl
uore
scen
ce (F
0)
19
17
15
13
21
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Description du passeur d'échantillons automatisé et régulé en température Le barreau en aluminium peut recevoir six rondelles foliaires de diamètre 20 mm, espacées de 5 mm. L'actionneur choisi pour déplacer le porte échantillon devant la fibre optique du fluorimètre est un vérin électrique LINAK LA12PLC. Ce modèle a une course de 130 mm, un pas de vis de 2 mm et un capteur à effet Hall délivrant 4 impulsions par tour. Les fins de course et l'électronique intégrés facilitent l'interfaçage. Le coût est modique (145 €) par rapport à d'autres propositions commerciales qui étaient en outre moins adaptées à notre besoin. Le banc d’essai thermique est une version modifiée du modèle initial décrit plus haut : la longueur augmentée permet au barreau d’être toujours à l’intérieur du profilé, quelle que soit la position du vérin.
igure 4 : Vue de dessus du banc thermique avec le porte échantillon sorti pour la mise en place des disques foliaires. A
igure 5 : Le porte échantillon est en position rentrée, prêt pour une cinétique. A droite, le vérin électrique
Fgauche, le profilé régulé en température, avec son isolation thermique. La fibre optique du fluorimétre est en place.
F
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L’acquisition des données, le contrôle du déplacement, l’incrémentation de la consigne de température sont confiées à une centrale d’acquisition Campbell CR510 dont le programme utilise les trois « tables » disponibles :
• la table 1 (période d’exécution = 0.125 s) gère la durée d’action du vérin en comptant les impulsions délivrées par le capteur à effet Hall ;
• la table 2 (période = 5 s) contrôle la séquence des mesures, du changement de consigne de température et du déplacement du vérin ;
• la table 3 contient les sous programmes donnant le sens de déplacement du vérin et l'incrémentation en température.
Le module régulateur et interface intègre le régulateur P.I. contrôlant la température des modules PELTIER du banc thermique et l’interface entre la centrale et le vérin Régulateur et interface Banc thermique avec vérin
Fluorimètre
Centrale CR510
Figure 6 : synoptique du banc de test de la thermostabilité de la fluorescence La centrale CR510 mesure trois tensions analogiques :
• la température du profilé aluminium (sonde Pt100 sur pont de Wheatstone amplifié) ; • le signal de fluorescence (0-5 V); • la différence de température (Delta) entre le profilé et le porte échantillon mobile
mesurée par deux thermocouples en opposition. Il est en effet important de mesurer le gradient thermique entre ces deux points afin d'estimer avec une précision meilleure que 0.5°C la température à laquelle sera soumis l'échantillon foliaire en cours de la cinétique. Ce gradient est dû :
• au couplage thermique, variable en cours de manipulation, malgré la graisse thermo-conductrice placée entre le profilé et le porte échantillon ;
• aux fuites thermiques malgré l'isolation avec de la mousse de polyuréthane expansée. En expérimentation, une mesure de la température de l'échantillon foliaire par un thermocouple fin directement placé à proximité n'est pas envisageable du fait des contraintes mécaniques qu'il subirait lors des déplacements du vérin. Une vérification de l'intérêt de la mesure de gradient a été faite en plaçant un thermocouple fin à l'emplacement de la feuille en l'introduisant par l'ouverture prévue pour la fibre optique du fluorimètre et en bloquant le porte échantillon lors d'une rampe de température (figure 7).
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10
40
70
13:39 13:43 13:47 13:51 13:55 13:59 14:03 14:07 14:11 14:15 14:19 14:23 14:27 14:31
Heure
Tem
péra
ture
son
de P
t 100 °
C
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
écar
t de
tem
péra
ture
°C
Pt100 corrigé non corrigé
Pt100
corrigé
non corrigé
Figure 7 Ecart de température entre sonde Pt100 et thermocouple foliaire : non corrigé (□) et corrigé (Δ) par la mesure de gradient thermique (Delta) pendant une rampe. L' incertitude de mesure des deux capteurs est de 0.1°C. La température foliaire estimée (donnée par : Température Pt100 –Delta.) est très proche de celle mesurée effectivement pendant le test. Séquence des mesures et du déplacement du vérin L'appui d'un bouton poussoir sur le boîtier Interface lance la cinétique : à une période définie dans la table 2 du programme de la centrale, les trois voies analogiques (température, fluorescence, Delta) sont mesurées et mémorisées, le vérin se déplace de 25 mm pour présenter l'échantillon foliaire suivant au fluorimètre (le positionnement est contrôlé par le comptage des impulsions générées par le capteur Hall du vérin). Au dernier échantillon, le sens de déplacement est inversé et la température est augmentée de 0.5°C. A la fin d'un aller retour complet du vérin, soit chaque minute, une courte impulsion sur le vérin permet le rattrapage de jeu éventuel, la tolérance du positionnement étant de ±0.5 mm pour chaque déplacement. Bilan d'utilisation et améliorations L'ensemble mécanique a fonctionné avec satisfaction pendant 6 mois. Aucun problème mécanique n'a été observé. La période d'acquisition, initialement de10 s, a été ramenée à 5 s afin d'avoir un échantillonnage suffisant pour l'ajustement des deux tangentes permettant la détermination de la température critique, Tc. Le grand nombre de mesures effectuées a permis la mise en évidence de la plasticité de l'appareil photosynthétique aux contraintes thermiques.
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[1] Bilger H.W., Schreiber U., Lange O.L., Determination of leaf heat resistance : comparative investigation of chlorophyll fluorescence changes and tissue necrosis methods, Oecologia 63 (1984) 256-262. [2] Froux F., Ducrey M., Epron D., Dreyer E., Seasonal varitions and acclimatation potential of the thermostability of photochemistry in four Mediterranean conifers, Ann. For. Sci. 61 (2004) 235-241. [3] Ghouil H., Montpied P.,Epron D., Ksontini M., Hanchi B., Dreyer E., Thermal optima oh photosynthetic functions and thermostability of photochemiostry in cork oak seedlings, Tree Physiol. 23 (2003) 1031-1039. [4] Maxwell K., Johnson G., Chlorophyll fluorescence-a practical guide, J. Exp. Bot. 51 (2000) 659-668. [5] Robakowski P., Montpied P., Dreyer E., Temperature response of photosynthesis of silver fir (Abies Alba Mill.) seedlings, Ann., For., Sci. 59 (2002) 159-166
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Bé. A., LA BOUCHE ARTIFICIELLE
J. Maratray, P. Mielle
INRA, UMR FLAVIC 17 rue Sully 21065 Dijon [email protected]
Résumé Cet article décrit un prototype de bouche artificielle sous ses aspects mécaniques, électroniques et informatiques, conçu en collaboration avec la Plateform 3D du Creusot. Pourquoi développer une bouche artificielle ? La bouche, avec la langue et la muqueuse olfactive est le siège de la perception de la flaveur, la flaveur étant l’ensemble des perceptions que l’on ressent lors de la mastication (saveur, arômes). La saveur est perçue par la langue, les arômes sont perçus par la muqueuse olfactive et les paramètres physiques comme la texture, la température, la sensation de gras sont perçus par la bouche.
Lorsque l’on introduit un aliment dans la bouche celui-ci est coupé par les incisives, cisaillé par les pré-molaires et écrasé par les pré-molaires et les molaires. La langue ramène l’aliment sur les mâchoires et la salive délaie le bol alimentaire en favorisant la perception du goût. Ce processus de mastication va influencer la perception de la flaveur qui va dépendre principalement des mouvements de la bouche, de la déstructuration des aliments, de la composition de la salive, de paramètres physiologiques propres à l’individu et de l’état de sa dentition.
Il est possible d’analyser les différents paramètres de la mastication par analyse sensorielle et d’étudier la libération des arômes en bouche par le technique « Nose space » pour réaliser des comparaisons avec l’analyse sensorielle. On se heurte alors rapidement à une disparité des résultats entre individus liée aux différences masticatoires et à l’état général de ces individus (fatigue, appétit, état dentaire…) Si l’on ajoute à cela les préférences alimentaires, certaines études souffrent alors d’une très forte variabilité et sont difficilement exploitables.
L’idée est de réaliser une bouche artificielle mimant au plus près la mastication humaine en donnant la possibilité d’étudier l’évolution de la texture de l’aliment et de suivre des paramètres chimiques en continu.
Un certain nombre de modèles de bouches artificielles existe mais elles ne possèdent qu’une partie des fonctionnalités qui nous intéresse. Les spécifications L’ensemble des contraintes pour la réalisation de la bouche est résumé à la figure 1. Concernant la déstructuration de l’aliment, nous nous sommes approché au plus près de la mastication humaine compte tenu des difficultés à reproduire certains mouvements, celui de la langue en particulier. Les données de certaines des ces spécifications sont issues de mesures obtenues en électromyographie. Les points critiques quant à la réalisation mécanique sont l’utilisation d’un matériau inerte envers les arômes et l’absolue nécessité d’être étanche aux gaz et aux liquides tout en s’abstenant d’utiliser des joints, de la colle et des lubrifiants. Il est à prévoir également un système d’entrée sortie de gaz vecteur pour étudier la libération des arômes.
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Figure 1 : Spécifications du prototype de la bouche artificielle. La conception mécanique En suivant ces spécifications, il existe dans la bouche artificielle deux mouvements principaux, celui des mâchoires qui à l’aide des dents va déstructurer le produit et celui de la langue qui va ramener l’aliment sur les dents. Ils sont complétés par l’ajout de salive qui comme dans la bouche humaine, délaie le bol alimentaire et favorise la perception du goût. Le mouvement des mâchoires, le plus simple à reproduire, est réalisé par deux couronnes équipées de dents de type première prémolaire « A6 », la supérieure étant fixe, l’autre étant mobile en translation et en rotation. La langue est représentée par un cylindre ayant la partie supérieure conique afin d’entrer au contact du palais qui a une forme s’adaptant à la langue avec un angle tel que les aliments peuvent fluer sur les bords afin de revenir sur les dents. L’effet de meule des molaires sera reproduit en faisant pivoter la mâchoire inférieure.
Figure 2 : Schéma fonctionnel de la bouche (conception K. Loudenot) Simple dans l’énoncé des différents mouvements, la réalisation, par la plate-forme 3D du Creusot a fait appel à des techniques de pointe, CFAO (conception et fabrication assistée par ordinateur) pour la conception des différents éléments de la bouche, scanner 3D pour la modélisation des dents, usinage à grande vitesse… Pour respecter les contraintes mécaniques et chimiques, le matériau choisi pour les pièces en contact avec l’aliment a été le peek (polyétheréthercétone), polymère offrant des caractéristiques compatibles les spécifications.
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Les effecteurs
Figure 3 : Vue CFAO de la bouche (conception K. Loudenot) Les différents mouvements de la bouche sont réalisés au moyen de moteurs à courant
continu à démarrage instantané commandés par une carte 4 axes National Instruments. Un moteur est affecté à chaque mouvement, mâchoire, langue et rotation de la mâchoire inférieure (figure 3). La force exercée par les différents moteurs est estimée par l’intermédiaire de la mesure de leur consommation de courant à l’aide de capteurs à effet Hall. La position des moteurs et donc des différents éléments constituant la bouche est donnée par des codeurs incrémentaux montés en bout d’axe de chaque moteur. Compte tenu de la résolution du codeur, de la réduction des moteurs et des dispositifs d’entraînement, la précision de position est de 1.44µm pour les déplacements linéaires et de 0.00164° pour les déplacements angulaires. La régulation de température est réalisée au moyen d’un système de circulation d’eau thermostatée, la mesure de température étant assuré par une pt100. La précision désirée pour cette mesure étant de 0.5°C, cet ensemble permet aisément de l’atteindre. Un débitmètre
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régulateur massique assure la régulation de débit du gaz vecteur. L’arrivée et la sortie des gaz sont implémentées dans la partie supérieure à l’aide d’une vanne usinée pour cette application. Le pilotage Le pilotage de l’ensemble est réalisé sous LabView et utilise un ensemble de Vi fourni avec la carte 4 axes qui nous permettent de travailler en mode axe simple ou vecteur lorsque les mouvements de la langue et de la mâchoire doivent être simultanés et synchronisés. Outre la carte 4 axes une seconde carte plus classique permet de réaliser les commandes digitales et certaines entrée/sorties analogiques.
Cette interface permet de réaliser les différentes étapes de la mastication de façon sécurisée avec de nombreux paramètres de réglages suivant l’aliment à étudier.
Figure 4 : Panneau de commande Quelques résultats Les premiers essais, après la validation du fonctionnement qui a provoqué de nombreuses petites modifications ont portés sur l’efficacité masticatoire en utilisant divers aliments comme le chocolat ou les cacahuètes et ont donné des résultats tout à fait probants.
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Figure 5 : Déstructuration du chocolat (photo P.Mielle)
Des comparatifs ont été réalisés entre la mastication humaine et la bouche artificielle en utilisant des cacahuètes et on a pu constater une similitude entre les deux mastications. Cette similitude est observable tout au long des cycles de mastication.
Figure 6 : Comparaison de déstructuration de cacahuètes (document A. Tarrega) Conclusion Cette réalisation a permis de créer un appareil utilisable avec quasiment tous les types d’aliments et qui reproduit fidèlement la mastication humaine. Même si la bouche n’a pas encore été totalement validée en ce qui concerne le suivi de la libération des arômes, on sait déjà que le flux de gaz vecteur est possible et que ce gaz pourra être envoyé vers un spectromètre de masse ou des capteurs chimiques pendant la phase de développement. Il permettra de maîtriser la formulation des aliments et même d’étudier certaines molécules qui
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pourraient être nocives pour l’homme notamment dans le développement de nouveaux médicaments.
Figure 7 : Vue globale de la bouche (Photo P. Mielle)
Plateform 3D. IUT 12 rue de la Fonderie 71200 Le Creusot http://www.plateform3D.com
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