Spectrophotométrie du sol avec Arduino

[rattlesneak]

Salut la communauté !
Dans le cadre d'un projet personnel (en informatique) j'ai cherché un moyen d'analyser la concentration d'un échantillon de sol en N, P et K (ou au moins les ratios). J'ai dans un premier temps essayé de dénicher des capteurs sur le net, puis comme je ne trouvais rien je me suis rappelé mes anciens TPs sur la spectrophotométrie.

J'ai donc conçu un petit module sur Arduino capable de parcourir le spectre de la lumière visible grâce à une LED plate RGB (et en stockant en mémoire 3 tableau contentant les valeurs RGB des fonction colorimétriques), et je voudrais essayer d'identifier les quantités d'Azote, de Phosphore et de Potassium (et de leurs ions) présent dans le sol avec ce dernier. C'est pourquoi j'aimerais votre avis sur la question, afin de déterminer si cette solution est envisageable :

Est-ce que la spectrophotométrie à des risques de grosses imprécisions sur ces mesures ? Est-ce possible d'identifier la concertation en N, P, K de l'échantillon en parcourant seulement le spectre visible ? Où puis-je trouver les pics d'absorptions de ces atomes/ions et des molécules qu'ils forment ? Est-ce que d'autres atomes/molécules/ions présents dans le sol sont susceptibles de fausser les valeurs ?

Merci à tous les génies qui sauront me conseiller et m'orienter ! :fs
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[f6bes]

Bjr à toi,
Heu, tu comptes t'y prendre comment avec ta led....pour "analyser" tes échantillons ? As tu trouver ou écrit le programme NECESSAIRE à ton arduino ?
Quelle est ta procédure d'analyse ?
bon WE

[albanxiii]

Bonjour,

Je n'ai pas bien compris ce que vous mesurez et quel est le principe de la mesure... Pouvez-vous expliquer un peu plus ?
Merci.

[rattlesneak]

Merci f6bes et albanxiii pour vos réponses
C'est vrai que je suis allé un peu vite sur les explications.

En faite, j'ai créé une boite en plastique noir où j'isole mon module de la lumière, ensuite dans mon programme sur Arduino à chaque tour de boucle je lit dans mes tableaux les valeurs RGB de la longueur d'onde suivante (ainsi je parcours tous les lambda de 350 à 800 nm) et je les envoie à ma LED, cette dernière fait passer la lumière émise à travers une cuve (toujours dans l'obscurité de la boite), et enfin je capte cette lumière de l'autre côté de ma cuve avec un capteur de luminosité (BZ1750, en lux). Au début j’utilisais une photorésistance mais la courbe d'éclairage (en lux) par rapport aux valeurs fournies par la photorésistance n'est pas linéaire, donc c'est impossible d'exploiter les valeurs fournies par une photorésistance pour faire de la spectrophotométrie (d'où la nécessité d'un capteur en lux).

Pour résumer, à chaque tour de boucle je fait passer une lumière avec une longueur d'onde précise dans ma cuve et j'enregistre l'intensité (en lux) de la lumière qui ressort de l'autre côté.
Pour la partie analyse des données, pour l'instant j'utilise le traceur série pour visualiser la courbe d'absorbance de ma substance (en X la longueur d'onde, et en Y l'intensité de la lumière) ainsi j'espère pouvoir visualiser les pics d'absorption de ma substance et en déduire ses composants (notamment les concentrations de N, P et K).

Le programme est déjà écrit mais il fonctionne encore avec une photorésistance, il faut juste que je la remplace par mon capteur BZ1750 et je pourrais commencer à effectuer des mesures. Après il me manque encore la partie comment identifier les concentrations de N, P et K en fonction des pics d'absorption de mon échantillon.


Bon weekend à vous et merci !

[A voir en vidéo sur Futura]

[RomVi]

Bonjour

Il est possible de déterminer des concentrations en utilisant cette méthode, à condition d'avoir correctement préparé l'échantillon, et d'utiliser un réactif adapté ; en fait on ne dose pas la concentration de l'ion concerné, mais la coloration du réactif en présence.
Si tu ne décris pas la totalité du protocole il n'est pas possible de te dire si ça peut marcher ou pas.

[antek]

Au début j’utilisais une photorésistance mais la courbe d'éclairage (en lux) par rapport aux valeurs fournies par la photorésistance n'est pas linéaire, donc c'est impossible d'exploiter les valeurs fournies par une photorésistance pour faire de la spectrophotométrie (d'où la nécessité d'un capteur en lux).

Si la sensibilité de la LDR est satisfaisante sur tout le spectre de mesure, on peut effectuer un calibrage en soft.

[coussin]

Dans quelle mesure une LED peut émettre une longueur d'onde bien précise de 350 à 800 nm ?

[RomVi]

Ce n'est pas une led, mais 3, qui émettent du rouge, du bleu ou du vert.
La longueur d'onde n'est pas très précise, mais on peut néanmoins faire des mesures.

[coussin]

Ce n'est pas une led, mais 3, qui émettent du rouge, du bleu ou du vert.
La longueur d'onde n'est pas très précise, mais on peut néanmoins faire des mesures.

Donc, en fonction de la longueur d'onde, il y aura en tout et pour tout 3 données expérimentales ?! Ca fait pas lourd...

[rattlesneak]

Merci beaucoup RomVi,
J'avais complètement oublié qu'il fallait utiliser un réactif.

Donc si je comprend bien il me faudrait prélever 3 échantillons de sol, les diluer dans de l'eau distillée (en relevant la concentration) et enfin ajouter un volume de réactif pour l'Azote dans le 1er prélèvement, un volume de réactif pour le Phosphore dans le 2eme et un pour le Potassium dans le dernier. Ensuite je passe les 3 dans mon module, et je quantifie les concentrations en N, P et K en fonction de la longueur du pic d'absorption de chacun de réactifs, c'est bien ça ?

Et si tu connais les noms des réactifs à utiliser je suis preneur du coup ^^

[Sethy]

Donc, en fonction de la longueur d'onde, il y aura en tout et pour tout 3 données expérimentales ?! Ca fait pas lourd...

Oui, je crois que tu tiens le problème qu'il ne voit pas avec sa méthode. En fait, il s'imagine que s'il obtient une couleur disons jaune (à l'oeil) en mélangeant en bonne proportion la lumière issue des 3 leds, il obtiendra l'équivalent d'une lumière monochromatique jaune.

Alors que comme tu le soulignes, il obtiendra un "combili" jaune = x1 bleu + y1 vert + (1-x1-y1) rouge. Pour notre oeil, le résultat est effectivement le même, mais pas du tout pour la spectrophotométrie.

[rattlesneak]

Bonjour coussin,
En gros ta une donnée mais je stock 3 tableaux de constantes qui contiennent les valeurs de fonctions colorimétriques de 1 en 1. Ces fonctions donnent les valeurs RGB qu'ils faut envoyer à la LED pour parcourir les longueurs d'ondes du spectre visible dans l'ordre (de environ 350 à 800 nm).

Pour le problème du mélange des couleur des 3 mimi-LED dans "l'ampoule" c'est vrai que les couleurs mélangent mal dan une LED ronde (celles qui on des "ampoules"), j'ai donc utilisé une LED plate dans laquelle les couleurs se mélangent beaucoup mieux. Pour le tester les mélange des couleurs je projette la lumière de la LED sur une feuille de papier blanc et je les éloignent de plus en plus, pour la LED ronde on distingue rapidement les cercles Rouge Vert et Bleu, pour la LED plate on ne distingue qu'un seul cercle.

[coussin]

Bonjour coussin,
En gros ta une donnée mais je stock 3 tableaux de constantes qui contiennent les valeurs de fonctions colorimétriques de 1 en 1. Ces fonctions donnent les valeurs RGB qu'ils faut envoyer à la LED pour parcourir les longueurs d'ondes du spectre visible dans l'ordre (de environ 350 à 800 nm).

Pour le problème du mélange des couleur des 3 mimi-LED dans "l'ampoule" c'est vrai que les couleurs mélangent mal dan une LED ronde (celles qui on des "ampoules"), j'ai donc utilisé une LED plate dans laquelle les couleurs se mélangent beaucoup mieux. Pour le tester les mélange des couleurs je projette la lumière de la LED sur une feuille de papier blanc et je les éloignent de plus en plus, pour la LED ronde on distingue rapidement les cercles Rouge Vert et Bleu, pour la LED plate on ne distingue qu'un seul cercle.

Je comprends.
Mais, comme le signale Sethy, je ne suis pas sûr que vous compreniez la différence entre une lumière mélange RGB qui vous apparaît jaune (par exemple; c'est votre cerveau qui fait le boulot) et une "vraie" radiation EM jaune (qui ne peut pas être obtenue comme mélange de radiations rouge, verte et bleue).
Pour les atomes de votre échantillon, pour faire de la spectro, il faut des "vraies" couleurs. J'espère que je me fait comprendre...

[rattlesneak]

il obtiendra un "combili" jaune = x1 bleu + y1 vert + (1-x1-y1) rouge. Pour notre oeil, le résultat est effectivement le même, mais pas du tout pour la spectrophotométrie.

Du coup si j'utilise une LED RGB je ne peux pas faire réagir mon réactif correctement, même si à l’œil et avec le test de la feuille de papier la lumière parait de la bonne couleur ?
Dans une certaine mesure il n'est pas possible d'utiliser une lumière polychromatique ? Je suis obligé d'utiliser de la lumière blanche et un prisme ?

[coussin]

Je suis obligé d'utiliser de la lumière blanche et un prisme ?

Par exemple, oui. C'est comme ça que fonctionne les spectrophotomètres habituellement.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Spectr...hotom%C3%A8tre

[rattlesneak]

Ok merci bien,
D'après RomVi je peux quand même obtenir des résultats avec une LED RGB du coup je testerais les 2 (avec la LED et le prisme). Car avec un prisme les réglages pour la diffraction et l'isolation d'un rayon d'une seule couleur sont difficiles à obtenir en mode DIY et en plus des phénomènes de diffraction dans le liquide peuvent se produire et dévier le rayon de la trajectoire du capteur.

Je sélectionnerais la méthode adéquate en fonction des résultats. Par contre, je suis toujours à la recherche des réactifs adéquats pour relever la quantité de l'Azote, du Phosphore et du Potassium dans une solution.

[RomVi]

Donc, en fonction de la longueur d'onde, il y aura en tout et pour tout 3 données expérimentales ?! Ca fait pas lourd...

Non, il en suffit d'une seule : L'absorbance, à la longueur d'onde adaptée.
On ajoute un réactif qui prend une coloration en présence de l'ion mesuré, par exemple pour mesurer un taux de chlore on utilise du DPD qui se colore en rouge. Avec une led verte on mesure l'absorbance, qui sera l'image de la concentration dans l'échantillon.

Par exemple, oui. C'est comme ça que fonctionne les spectrophotomètres habituellement.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Spectr...hotom%C3%A8tre

Non, ce n'est pas nécessaire.

Par contre, je suis toujours à la recherche des réactifs adéquats pour relever la quantité de l'Azote, du Phosphore et du Potassium dans une solution.

Je dois pouvoir retrouver ça, je regarderai demain.

[FC05]

1) Oublie ta LED RGB comme expliqué plus haut. Passe sur un réseau plutôt qu'un prisme, c'est plus précis et moins cher.

2) Les solutions de N (nitrate en fait), P (phosphate) et K (potassium) sont incolores. Donc si tu veux agir dans le visible il faudra des réactifs spécifiques. Je ne sais pas si ils existent (j'ai des doutes surtout pour K).

3) Une fois que tu auras trouvé les réactifs, il te faudra réaliser un étalonnage.

4) Ce que tu vas mesurer, c'est simplement des concentrations d'ions libres, mais certains composants mettent du temps à se libérer, se transforment avec le temps, sont générés par la vie du sol. Du coup pas certain qu'une simple analyse par trempage soit vraiment des plus précise (même si ça donne des indications utiles).


Donc en résumé, c'est pas gagné.
Si c'est pour un projet plutôt axé Arduino, implémenter une sonde de conductivité et de pH donnera des résultats plus facilement (enfin moins difficilement ) ... mais ce n'est que mon humble avis.

[coussin]

Des gens qui ont eu la même idée que vous et ont fait un truc avec 10 LEDs : https://arxiv.org/abs/1606.02774

[jiherve]

Bonjour,
une led dite RGB produit un mélange de 3 longueurs d'ondes dominantes qui donnent la même impression visuelle qu'une lumière monochromatique mais ce n'est pas une lumière monochromatique obligatoire pour faire de la spectro.
L'exemple de Coussin est différent car il s'agit de plusieurs leds ayant des longueurs d'ondes différentes et qui sont sélectionnées ,individuellement, par un dispositif optomécanique.
Un dispositif utilisant une lumière blanche (une vraie pas une led blanche) et un prisme fera le même boulot, la rotation du prisme pouvant être obtenue par un bête servo à 4 sous piloté par l'arduino.
JR

[RomVi]

Une led ne produit pas une lumière monochromatique, mais qui a dit que c'était indispensable ?
Avec une simple led blanche ça fonctionne aussi, la quantité de lumière qui traverse l'échantillon reste proportionnelle à la concentration, simplement en utilisant une longueur d'onde adaptée la précision est plus importante.
Quand à utiliser un prisme avec un servo il ne faut pas rever, c'est bien compliqué qu'il n'y parait, et comme dit plus haut il est bien plus judicieux d'utiliser un réseau.

[jiherve]

Re
C'est un domaine que je ne pratique plus depuis bien longtemps mais la composition des spectres de la source de lumière , de la solution et du capteur me semble surtout apte à fournir un ordre de grandeur mais peut être est ce suffisant.
Dans tous les cas ne pas oublier de calibrer avant chaque "mesure".
Pour le réseau bien sur c'est plus judicieux .
JR

[Vincent PETIT]

Bonjour,
Je suis d'accord avec la majorité, ça ne peut pas fonctionner avec trois Led car comme dit plus haut :

Il y a une différence fondamentale entre une lumière monochromatique (une seule longueur d'onde, jaune par exemple) et une lumière polychromatique (composée de 3 longueurs d'ondes différentes, rouge, vert et bleue par exemple) dans la quelle on fait varier les intensités de chaque composante pour donner l'illusion du jaune.

[Sethy]

Il y a un autre élément à ne pas négliger, c'est le blanc. Rien à voir avec la couleur mais avec l'appareillage. Dans les appareils modernes dits "double faisceau", le faisceau de lumière est scindé en deux. L'un des deux passe dans la solution à analyser et l'autre dans une solution aussi proche que possible de celle à analyser.

Le signal à prendre en compte est la différence entre l'absorbance la solution à analyser et de la solution "témoin" qu'on appelle dans le jargon, le blanc.

Puisqu'on parle d'analyse de sol, on peut imaginer que la solution sera légèrement brunâtre, qu'elle aura une certaine turbidité, etc. Une partie de la lumière sera absorbée par ces impuretés. C'est la où le blanc intervient puisqu'il "neutralise" par soustraction ces effets.

D'autre part, bien sûr, il permet également de calibrer l'appareil et de corriger la variation d'intensité en fonction de la longueur d'onde. Il n'existe aucune source de lumière parfaite, qui émettrait exactement la même quantité de lumière sur une gamme de longueur d'onde.

Si l'appareil n'est pas automatique (double faisceau, avec correction électronique du blanc), il faut recalibrer l'appareil à chaque changement de longueur d'onde.

Dans cette image, on voit bien, la source, le monochromateur avec son réseau, le dispositif de séparation de la lumière, l'échantillon et le blanc (appelé ici référence) : http://dalmeyda.chez.com/cours/spectro/uvschema.gif

Concrètement, dans l'hypothèse d'un réactif spécifique à ajouter qui prendrait une couleur avec la solution, le blanc serait la même solution à analyser à laquelle on ajoutera une quantité d'eau égale à celle du réactif spécifique.

[rattlesneak]

Merci à tous pour vos réponses,
J'avais également oublié que l'on pouvait utiliser un réseau, je vais tester avec ça plutôt qu'un prisme. Ensuite je vais reproduire le même module à coté pour recalibrer la mesure à chaque tour de boucle et éliminer l'influence des impuretés de la solution.

Dans un premier temps je vais essayer d'extraire le ratio NPK dans le sol (donc moins de précision nécessaire), si j'obtiens des résultats prometteurs j'essaierais de donner des valeurs précises. Et en fonction de la précision et du temps pour effectuer les mesures je sélectionnerais la méthode de la LED plate et celle du réseau.

En tout cas merci beaucoup tout le monde

[RomVi]

Bonjour,
Je suis d'accord avec la majorité, ça ne peut pas fonctionner avec trois Led car comme dit plus haut :

Il y a une différence fondamentale entre une lumière monochromatique (une seule longueur d'onde, jaune par exemple) et une lumière polychromatique (composée de 3 longueurs d'ondes différentes, rouge, vert et bleue par exemple) dans la quelle on fait varier les intensités de chaque composante pour donner l'illusion du jaune.

Et bien tu as tord, comme la majorité...
Avant que l'on utilise des spectros les tests colorimétriques se faisaient à l'oeil, en comparaison avec un témoin, et ça n'a pas empêché des générations de chimistes de pratiquer des mesures.
La technique est d'ailleurs toujours utilisée de cette façon, par exemple avec les tests pour aquarium. On l'utilise aussi encore en labo pour certaines mesures.
Avec une méthode de mesure il devient possible d'avoir une précision acceptable, même sans source monochromatique. Avec une banale led on arrive à une précision de mesure de l'ordre de 1%, ce qui est amplement suffisant au vu du reste du matériel employé.

J'avais également oublié que l'on pouvait utiliser un réseau, je vais tester avec ça plutôt qu'un prisme. Ensuite je vais reproduire le même module à coté pour recalibrer la mesure à chaque tour de boucle et éliminer l'influence des impuretés de la solution.

Tu n'arrivera pas à la même précision avec un réseau car il ya de nombreuses contraintes à prendre en compte : L'asservissement de l'angle, qui doit être très fin, la collimation, et la puissance du rayon lumineux, qui sera plus faible et source d'erreur.
Si tu veux une lumière monochromatique utilises plutôt des led et des filtres, c'est ainsi que fonctionnent les spectro pour colorimétrie haut de gamme.

[Sethy]

Ici, il faut bien faire attention à ce qu'on entend par LED. Lorsque rattlesneak pense à des LEDs de type RGB, il s'agit de LED ayant un spectre d'émission extrêmement restreint (exemple ici pour une LED bleue : https://upload.wikimedia.org/wikiped...D_Spectrum.png).

Si effectivement, le mélange de cette LED avec d'autres LEDs "discrètes" (rouge et verte) va donner l'illusion d'une couleur spécifique, l'usage de filtres avec ces LEDs ne donnera à mon sens aucun résultat intéressant car soit le filtre laissera passer la longueur d'onde de la LED et alors il sera transparent, soit il laissera passer une autre longueur d'onde et il sera opaque.

Par contre, effectivement, il est possible de partir d'une LED blanche qui va approcher la lumière blanche (spectre ici : http://parsource.com/sites/default/f...trum_White.png) et dans ce cas des filtres adaptés vont permettre de sélectionner une longueur d'onde (ou disons une portion du spectre).

Si je suis d'accord que les filtres sont plus aisés à utiliser que des monochromateurs à réseaux, je suis plus surpris de leur utilisation dans les spectrophotomètres haut de gamme mais ça a peut être évolué ces dernières années.

Par contre, s'il ne doit pas être aisé de trouver un filtre pour chaque longueur d'onde spécifique, il est probable que les filtres adaptés à des composés aussi courant que la détection des nitrates, des phosphates, etc. fassent partie des filtres les plus disponibles.

[rattlesneak]

Ok donc en gros si les résultats de la LED RGB sont mauvais, je peux sois utiliser une led blanche avec des filtres, soit sélectionner un panel de couleurs dont j'ai besoin et utiliser des LEDs monochromatique de ces couleurs.

Et qu'est ce que vous pensez de la solution de FC05 : utiliser des sondes de conductivité et de pH ? C'est possible d'identifier des éléments grâce à ça ?

Bonne journée à vous tous et encore merci pour votre aide, c'est mon premier post et il y a déjà 27 commentaires ^^

[Sethy]

Je pense que rien n'est gratuit. Ce que je veux dire par la, c'est que tu ne pourras jamais faire beaucoup moins cher à qualité égale (précision, ergonomie, ...) qu'une solution commerciale déjà existante, en tout cas sur l'appareillage. Sur les produits, ça c'est autre chose car les réactifs de ce genre de tests coûtent en général très cher.

[RomVi]

Ok donc en gros si les résultats de la LED RGB sont mauvais, je peux sois utiliser une led blanche avec des filtres, soit sélectionner un panel de couleurs dont j'ai besoin et utiliser des LEDs monochromatique de ces couleurs.

Et qu'est ce que vous pensez de la solution de FC05 : utiliser des sondes de conductivité et de pH ? C'est possible d'identifier des éléments grâce à ça ?

Bonne journée à vous tous et encore merci pour votre aide, c'est mon premier post et il y a déjà 27 commentaires ^^

Le spectre des led permet de faire des mesures correctes, il faut simplement prendre soin de sélectionner une longueur d'onde adaptée.
J'ai pris le temps de faire quelques mesures pour illustrer ce que j'ai dis plus haut.
Sur la figure 1 on peut voir le spectre en transmission de plusieurs solutions de bleu de méthylène, à 1%, 2% ou 4% (concentrations arbitraires, ce qui nous intéresse est uniquement le rapport de proportionnalité).
Sur la figure 2 on a les mesures en absorbance, et en 3 le rapport des absorbances de la solution 1% sur la 4% et de la 2% sur la 4%.

On constate que le rapport est de 25% et 50% au maximum d'absorbance (à 663 nm), mais que ce rapport reste proche sur une large fourchette autour de cette zone. Avec une led rouge (spectre d'émission en figure 4) on peut faire une mesure suffisamment précise, par contre il ne faudra pas s'amuser à prendre une led bleue : L'absorbance étant faible dans cette zone le rapport signal/bruit devient significatif et la mesure n'est pas fiable.

En résumé, au vu du reste du matériel employé, il n'y a pas besoin d'utiliser une source pure, une simple led suffira amplement.

En ce qui concerne les protocoles j'ai fais quelques recherches, et malheureusement ces dosages ne sont pas à la portée d'un amateur.