WO2022049199A1 - Method for calibrating a gas sensor - Google Patents

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WO2022049199A1
WO2022049199A1 PCT/EP2021/074276 EP2021074276W WO2022049199A1 WO 2022049199 A1 WO2022049199 A1 WO 2022049199A1 EP 2021074276 W EP2021074276 W EP 2021074276W WO 2022049199 A1 WO2022049199 A1 WO 2022049199A1
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WO
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sensor
calibration
concentration
measured
function
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/074276
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French (fr)
Inventor
Paolo Zanini
Pierre Jallon
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Elichens
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    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10Complex mathematical operations
    • G06F17/18Complex mathematical operations for evaluating statistical data, e.g. average values, frequency distributions, probability functions, regression analysis
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0006Calibrating gas analysers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0073Control unit therefor
    • G01N33/0075Control unit therefor for multiple spatially distributed sensors, e.g. for environmental monitoring

Definitions

  • a second object of the invention is a method for determining a correction function of a gas sensor as a function of one or more environmental parameters, the sensor measuring a variable depending on a concentration of a gaseous analyte at different instants, the gas sensor being deployed in a position in a geographical area, the or each environmental parameter being chosen from temperature and/or pressure and/or humidity, the method comprising:
  • a fourth object of the invention is a method for measuring a concentration of an analyte in a gas, from a gas sensor according to the third object of the invention, the method comprising:
  • FIG. 3B schematizes the main steps of a method for determining a correction function of a sensor, with respect to an environmental parameter such as temperature or pressure or humidity.
  • FIG. 4 illustrates quantities measured by a sensor (electrical voltages - ordinate axis) as a function of different temperature levels (abscissa axis), and for different concentrations of an analyte.
  • the geographical area may include an urban or peri-urban area, or even an industrial or airport area.
  • the geographical area 1 is part of a town, comprising streets 2 symbolized by lines.
  • Gas sensors 3i...3i...3i are distributed in the geographical zone 1, respectively in different fixed positions.
  • I is a natural integer denoting the number of deployed gas sensors. I is generally greater than 10, or even greater than 100.
  • Each sensor 3i, l ⁇ i ⁇ / generates a physical quantity R, depending on the concentration of analyte in the gas (generally air) to which the sensor is exposed.
  • the physical quantity is generally an electrical quantity, of the voltage or current intensity type, measured at the output of the sensor.
  • the geographical zone 1 can include at least one 5k measurement station, called a reference station. Unlike 3i sensors, which are compact and inexpensive sensors, each 5k reference station is a fixed station, making precise measurements day and night.
  • the geographical zone can include several 5k reference stations, the index k being an integer between 1 and K, K corresponding to the number of reference stations in the geographical zone considered.
  • a 5k reference station can for example be operated by a public operator, aiming to make data relating to atmospheric pollution public.
  • the sensors considered are solid electrolyte electrochemical sensors.
  • This type of sensor is usually used for the detection of analytes such as CO, O3 or NO X .
  • an electrochemical sensor comprises a detection material, the resistance of which varies according to the concentration of a gaseous analyte.
  • the quantity R(t) measured by an electrochemical sensor at a time t corresponds to a voltage value at the terminals of the detection material or to an intensity of a current between the terminals of the detection material.
  • response function is meant a function establishing a relationship between the concentration C(t) of the analyte and the physical quantity R(t) output from the sensor.
  • the response function can be of linear form, as explained in (1), or polynomial, or other, for example logarithmic.
  • One of the objectives of the invention is to carry out a regular update of the gain of at least one sensor of the group of sensors, while the sensor is deployed in the geographical area examined.
  • the calibration of each sensor is carried out without displacement of the sensors relative to the position in which it is deployed. Calibration does not require recourse to exposure of each sensor to a calibration gas, prepared in the laboratory, and whose composition is known.
  • FIG. 3A describes the main steps of a method allowing an update of the gain, and more generally of the response function u.
  • the method described in connection with FIG. 3A can be implemented by a processing unit, for example the processing unit 4 previously described.
  • Step 100 taking into account a physical quantity R(t c ) measured from the sensor at a calibration instant t c .
  • Step 110 can be implemented for certain types of sensors, considered to be sensitive with regard to an environmental parameter. These are, for example, electrochemical sensors.
  • Step 120 Consideration of a reference concentration.
  • the calibration is carried out without using any reference stations located in the geographical area studied.
  • the reference concentration, at the position of the sensor is estimated using a so-called background noise concentration, coming from a public database 6.
  • the public database is the CAMS model (Copernicus Atmosphere Monitoring Service - Copernicus Service on the composition of the atmosphere), known to those skilled in the art.
  • the calibration instants t c are then arbitrary. They can therefore be determined randomly. They can also be chosen within a time range, established beforehand, during which it is considered that the concentration resulting from the public database forms a good descriptor of the concentration of the analyte at the level of the sensor considered.
  • each calibration instant t c corresponds to an instant at which it is considered that the concentration, at the position of the sensor, is comparable to a background noise concentration, which can be estimated by the model.
  • the method can comprise a filtering of the quantities R(t c ) measured at the different calibration instants t c , so as to eliminate the highest quantities, for example the 30% or 20% of the highest quantities.
  • Step 130 Reiteration of steps 100 to 120 so as to obtain, for different calibration instants t c , a pair comprising: a quantity R(t c ) output from the sensor, possibly corrected during step 110; a reference concentration
  • Step 150 calibration: determination or updating of the response function.
  • the model is confronted with the pairs (R(t c ) c )) obtained at each calibration instant t c .
  • This step can be performed by adjusting the model with respect to the different torques obtained during the calibration time interval. The adjustment can be carried out by an optimization algorithm, for example a linear regression.
  • Another aspect of the invention relates to the sensitivity of certain sensors, for example electrochemical sensors, to environmental parameters, for example temperature, humidity or pressure.
  • Such sensitivity leads to a variation of the physical quantity R(t) measured by each sensor.
  • the physical quantity R(t) measured by the sensors undergoing such a variation be corrected.
  • This step includes a sub-step 111, of measuring (or estimating) at least one environmental parameter P(t) at the position of the sensor considered. It can be a measurement made with a dedicated measuring instrument (for example a thermometer, barometer or hygrometer). It can also be an estimate of the parameter, for example on the basis of a meteorological model.
  • Steps 120 to 150 are then performed on the basis of corrected quantities v(R(t)).
  • v(R(t)) the response function u of the sensor.
  • Step 80 measurement of quantities R(t) measured by the sensor at different instants t, and determination of the level of a parameter P(t) at the position of the sensor, at each instant.
  • the parameter P(t) can be the temperature, the pressure or the humidity.
  • Parameter level means a value taken by the parameter.
  • the parameter P(t) is considered to be the temperature T(t).
  • the measurements are preferably carried out during an acquisition time period of one day, or even of several days, for example one week.
  • FIG. 4 represents different quantities measured by an electrochemical NO2 sensor (axis of ordinates), as a function of temperature (axis of abscissas). The measurements were made during each hour, during a time period of 7 days.
  • the R value is positive, and is a decreasing function of analyte concentration. The lower the R value, the higher the analyte concentration.
  • Step 81 taking into account an analytical model of the evolution of the quantity measured as a function of the temperature.
  • the model is linear, of type
  • Step 82 Selecting a concentration value
  • the model is compared with the quantities R(t) measured during step 81, so as to determine the coefficients of an average model, representing an average evolution of all the values measured as a function of the temperature.
  • a linear regression is carried out in order to determine the coefficients of the model Medium. This corresponds to curve (a) in Figure 4.
  • the average model is of type:
  • the selected concentration value is the average value
  • the desired coefficients are established from the curve (a): these are x and ⁇ . It can also be the median or other fractile.
  • Steps 81 to 84 can be implemented considering different parameters respectively.
  • An evolution model is thus obtained for each parameter P.
  • the resulting correction function is then a composition of the evolution models respectively established for each parameter. For example, if evolution models have been established respectively for temperature or humidity, the resulting correction function takes into account the evolution models determined for each parameter.
  • Yo' Yi ⁇ Y2 are scalars.
  • the inventors have implemented the process described above.
  • the implementation parameters are as follows.
  • the calibration (step 150) was carried out each day, on the basis of measurements (steps 100 to 130) carried out during the last 7 days.
  • a correction function v has also been established taking into account the sensitivity of the sensor to temperature (steps 80 to 84). For this, we used measurements taken every hour, for 7 days.
  • Table 1 represents, in connection with the measurements represented in FIGS. 5A to 5D, the correlation coefficient R 2 as well as the mean absolute error (MAE: Mean Absolute Error) by implementing the invention (column b) and without implementing the invention (column c).
  • MAE Mean Absolute Error
  • the MAE and R 2 indicators are clearly more favorable by implementing the invention than by carrying out a calibration according to the prior art, and this regardless of the approach adopted during step 120: concentrations resulting from stations of reference or taken from a public database.
  • FIG. 6 is a real example of the installation of 3i sensors in an urban geographic area, in and around the city of Grenoble (France). Each sensor is identified by a mark comprising the letter e. Also shown are 5k reference stations, symbolized by dark polygons. The reference stations are used to carry out a calibration of the sensors not by considering the closest station, but at a time at which the concentrations resulting from the reference stations are homogeneous.

Abstract

A method for calibrating a gas sensor (3i), the gas sensor being intended to measure a quantity (R(t)) that is dependent on a concentration of an analyte in the air, the gas sensor being deployed to a position in a geographical area, the sensor being such that the concentration of the analyte is estimated, at each instant in time, by applying a response function to the quantity measured by the sensor at said instant in time, comprising, for at least one sensor, the following steps: • - a) determining quantities (R(t c ), v(R(t c )) coming from the sensor at various calibration times (t c ); • - b) at each calibration time, determining a reference concentration (t c ), each reference concentration (C ref (t c )) corresponding to an estimated concentration of the analyte at the position of the sensor; • - c) taking into account an analytical model of the response function, the model being parametrized by at least one parameter; • - d) based on the analytical model resulting from c), on the reference concentrations resulting from b) and on the quantities resulting from a), determining each parameter of the reference function. In step b), each reference concentration is: • - either a concentration, called background noise, obtained from a public database, at the calibration time; • - or a concentration established on the basis of concentrations of the analyte that are measured, at the calibration time, by a plurality of reference stations (5k), which are different from the sensor, and are located in the geographical area.

Description

Description Description
Titre :Procédé de calibration d'un capteur de gaz Title: Calibration process of a gas sensor
DOMAINE TECHNIQUE TECHNICAL AREA
Le domaine technique de l'invention est la calibration d'un capteur de gaz destiné à réaliser des mesures de gaz dans l'environnement, et en particulier en environnement urbain ou périurbain. The technical field of the invention is the calibration of a gas sensor intended to carry out gas measurements in the environment, and in particular in an urban or peri-urban environment.
ART ANTERIEUR PRIOR ART
L'obtention de cartographies décrivant la distribution spatiale de concentrations en molécules ou en particules nocives est un besoin répondant à une attente de la population et des autorités, en particulier dans des zones géographiques sensibles, telles des zones urbaines ou plus généralement dans des zones susceptibles d'être affectées par la pollution atmosphérique. De nombreux modèles ont été développés, permettant d'établir des cartographies de pollution atmosphérique et de prévoir leurs évolutions temporelles. Ces modèles sont alimentés par des capteurs répartis dans les zones géographiques examinées. Obtaining maps describing the spatial distribution of concentrations of molecules or harmful particles is a need that meets an expectation of the population and the authorities, in particular in sensitive geographical areas, such as urban areas or more generally in areas susceptible to to be affected by air pollution. Many models have been developed, making it possible to establish maps of atmospheric pollution and to predict their temporal evolution. These models are fed by sensors distributed in the geographical areas examined.
A partir de données relatives aux sources d'émissions de polluants, et en considérant des paramètres liés aux conditions topographiques ou météorologiques, les modèles permettent d'établir la distribution spatiale de concentrations de molécules ou de particules polluantes dans l'environnement, ce dernier faisant l'objet d'un maillage spatial. Using data relating to the sources of pollutant emissions, and by considering parameters linked to topographical or meteorological conditions, the models make it possible to establish the spatial distribution of concentrations of molecules or polluting particles in the environment, the latter making the object of a spatial mesh.
Des agences régionales ou nationales exploitent des stations de mesure réparties sur le territoire, dites stations de référence, qui permettent d'obtenir des mesures régulières de la concentration de polluants atmosphériques. Ces derniers sont par exemple NO2, O3, CO, ou encore des particules fines, par exemple des particules de diamètre inférieur ou égal à 10 pm (PM 10) ou des particules de diamètre inférieur ou égal à 2.5 pm (PM 2.5). Les mesures réalisées par certaines agences sont ouvertes, c'est-à-dire aisément accessibles au public. Au niveau européen, il est par exemple possible d'obtenir les concentrations de ces polluants sur le site internet de l'agence européenne de l'environnement. En France, des agences régionales gèrent des stations de mesure, ce qui permet d'obtenir des cartographies de polluants ainsi que des prévisions. Les stations de mesures sont des dispositifs fiables, mais onéreux et encombrants. De ce fait, il est difficile d'envisager leur déploiement selon un maillage spatial fin. Leur nombre se limite à quelques unités par agglomération, voire 10 à 20 pour les agglomérations les plus importantes. Or, pour obtenir une cartographie plus précise, et tenant compte de particularités locales, par exemple un trafic localement encombré, il est préférable de déployer un grand nombre de capteurs de mesures, ces derniers étant espacés de quelques centaines de mètres seulement. Cela permet d'obtenir des cartographies plus réactives à la survenue de singularités locales, influant sur les concentrations de polluants. Le document WO2018178561 décrit par exemple un procédé de réalisation d'une cartographie dans l'environnement à partir de capteurs répartis selon un maillage dense. Compte tenu du nombre de capteurs utilisés, ces derniers ont une conception plus simple, et un coût moindre que les stations de mesures précédemment décrites. En contrepartie, il faut veiller à ce que les données mesurées soient fiables, de façon à obtenir des cartographies les plus exactes possibles. Regional or national agencies operate measurement stations spread over the territory, called reference stations, which make it possible to obtain regular measurements of the concentration of atmospheric pollutants. The latter are for example NO 2 , O 3 , CO, or even fine particles, for example particles with a diameter less than or equal to 10 μm (PM 10) or particles with a diameter less than or equal to 2.5 μm (PM 2.5) . The measurements carried out by certain agencies are open, ie easily accessible to the public. At European level, it is for example possible to obtain the concentrations of these pollutants on the website of the European Environment Agency. In France, regional agencies manage measurement stations, which make it possible to obtain maps of pollutants as well as forecasts. Measurement stations are reliable devices, but expensive and bulky. As a result, it is difficult to envisage their deployment according to a fine spatial mesh. Their number is limited to a few units per agglomeration, or even 10 to 20 for the largest agglomerations. However, to obtain a more precise cartography, and taking account of local particularities, for example locally congested traffic, it is preferable to deploy a large number of measurement sensors, the latter being spaced apart by only a few hundred meters. This makes it possible to obtain maps that are more reactive to the occurrence of local singularities, influencing the concentrations of pollutants. The document WO2018178561 describes for example a method for producing a cartography in the environment from sensors distributed according to a dense mesh. Given the number of sensors used, the latter have a simpler design and a lower cost than the measurement stations described above. On the other hand, care must be taken to ensure that the measured data is reliable, in order to obtain the most accurate maps possible.
Une façon de vérifier l'exactitude des mesures délivrées par des capteurs est de les exposer à des concentrations connues de gaz. Mais ce type de calibration est difficilement réalisable sur le terrain, et impose donc que les capteurs testés soient déplacés dans un laboratoire, puis exposés à un gaz étalon, avant d'être déployés à nouveau sur le terrain. On conçoit que ce type de calibration n'est pas envisageable lorsque le nombre de capteurs dépasse plusieurs dizaines, ou plusieurs centaines d'unités. One way to verify the accuracy of measurements delivered by sensors is to expose them to known concentrations of gas. But this type of calibration is difficult to perform in the field, and therefore requires that the sensors tested be moved to a laboratory, then exposed to a standard gas, before being deployed again in the field. It will be understood that this type of calibration cannot be envisaged when the number of sensors exceeds several tens, or several hundreds of units.
Une solution, décrite dans la publication « Field calibration of a cluster of low-cost available sensors for air quality monitoring. Part A : Ozone and nitrogen dioxide », décrit des calibrations de capteurs de gaz déployés sur le terrain, à l'aide d'échantillons gazeux de référence, dont la composition est connue. Cependant, l'exposition de capteurs à des échantillons de référence est difficile à mettre en œuvre lorsque le nombre de capteurs à calibrer est élevé. A solution, described in the publication “Field calibration of a cluster of low-cost available sensors for air quality monitoring. Part A: Ozone and nitrogen dioxide”, describes calibrations of gas sensors deployed in the field, using reference gas samples, whose composition is known. However, the exposure of sensors to reference samples is difficult to implement when the number of sensors to be calibrated is high.
La publication « Barcelo-Ordinas Jose M. et al « Calibrating low-cost air quality sensors using multiple arrays of sensors » décrit une calibration de capteurs déployés sur le terrain, en se basant sur des stations de référence disposées à proximités desdits capteurs. Une telle approche suppose que des stations de référence soient disposées à proximité des capteurs à calibrer.The publication “Barcelo-Ordinas Jose M. et al “Calibrating low-cost air quality sensors using multiple arrays of sensors” describes a calibration of sensors deployed in the field, based on reference stations placed near said sensors. Such an approach assumes that reference stations are placed close to the sensors to be calibrated.
Le document W02020128311 décrit le recours à une station de référence, ou à plusieurs stations de référence, pour calibrer des capteurs de gaz déployés dans une environnement urbain. The document WO2020128311 describes the use of a reference station, or several reference stations, to calibrate gas sensors deployed in an urban environment.
La publication Hasenfratz D. «On the fly calibration of Low-Cost gas sensors" décrit des capteurs low cost (faible coût) électrochimiques, déposés sur des véhicules de transport en commun, faisant l'objet d'une calibration. La calibration est effectuée en utilisant des mesures résultant d'une station de référence avec lequel chaque capteur est co-localisé, lorsque le capteur se trouve à proximité de la station de référence. The publication Hasenfratz D. "On the fly calibration of Low-Cost gas sensors" describes low cost (low cost) electrochemical sensors, deposited on public transport vehicles, subject to calibration. The calibration is carried out using measurements resulting a reference station with which each sensor is co-located, when the sensor is close to the reference station.
La publication Hagan D. "Calibration and assessment of electrochemical air quality sensors by co-location with regulatory-grade instruments" décrit également des capteurs à faible coût dont la calibration est effectuée à partir de mesures résultant d'une station de référence colocalisée.The publication Hagan D. “Calibration and assessment of electrochemical air quality sensors by co-location with regulatory-grade instruments” also describes low-cost sensors whose calibration is carried out using measurements resulting from a co-located reference station.
Les publications Hasenfratz et Hagan décrivent le recours à une station de référence pour effectuer une calibration d'un capteur de gaz, le capteur de gaz et la station de référence étant colocalisés, c'est-à-dire à faible distance l'un de l'autre. Cependant, dans une zone géographique, certains capteurs de gaz peuvent ne pas être disposés à une distance suffisamment faible d'une station de référence pour qu'une co-localisation puisse être effectuée. C'est notamment le cas de capteurs de gaz immobiles et positionnés à distance de stations de référence. The Hasenfratz and Hagan publications describe the use of a reference station to carry out a calibration of a gas sensor, the gas sensor and the reference station being collocated, that is to say at a short distance from one of the other. However, in a geographic area, some gas sensors may not be placed at a sufficiently short distance from a reference station for co-location to be possible. This is particularly the case of stationary gas sensors positioned at a distance from reference stations.
L'objectif de l'invention, décrite ci-après, est de permettre une calibration de capteurs déployés sur le terrain, ne nécessitant ni le déplacement des capteurs, ni le recours à une exposition des capteurs à des mélanges gazeux de référence, tout en s'affranchissant d'une contrainte de distance entre chaque capteur et les stations de référence. The objective of the invention, described below, is to allow calibration of sensors deployed in the field, requiring neither movement of the sensors nor recourse to exposure of the sensors to reference gas mixtures, while freeing itself from a distance constraint between each sensor and the reference stations.
EXPOSE DE L'INVENTION DISCLOSURE OF THE INVENTION
Un premier objet de l'invention est un procédé de calibration d'un capteur de gaz, le capteur de gaz étant destiné à mesurer, à un instant, une grandeur dépendant d'une concentration d'un analyte dans un gaz, et notamment dans l'air, le capteur de gaz étant déployé en une position dans une zone géographique, le capteur étant tel que la concentration de l'analyte est estimée, en chaque instant, en appliquant une fonction de réponse à la grandeur mesurée par le capteur audit instant, la fonction de réponse comportant un produit d'un gain du capteur par la grandeur mesurée, le procédé comportant : A first object of the invention is a method for calibrating a gas sensor, the gas sensor being intended to measure, at a time, a quantity depending on a concentration of an analyte in a gas, and in particular in the air, the gas sensor being deployed in a position in a geographical area, the sensor being such that the concentration of the analyte is estimated, at each instant, by applying a response function to the quantity measured by the sensor to said moment, the response function comprising a product of a gain of the sensor and the quantity measured, the method comprising:
- a) détermination de grandeurs issues du capteur à différents instants de calibration, les instants de calibration étant répartis dans un même intervalle temporel de calibration ;a) determination of quantities from the sensor at different calibration instants, the calibration instants being distributed in the same calibration time interval;
- b) à chaque instant de calibration, détermination d'une concentration de référence, chaque concentration de référence correspondant à une concentration estimée de l'analyte à la position du capteur ; - b) at each instant of calibration, determination of a reference concentration, each reference concentration corresponding to an estimated concentration of the analyte at the position of the sensor;
- c) prise en compte d'un modèle analytique de la fonction de réponse, le modèle analytique étant paramétré par au moins un paramètre, variable entre deux intervalles temporels de calibration différents, comprenant de préférence le gain du capteur ; - d) à partir du modèle analytique résultant de c), des concentrations de référence résultant de b) et des grandeurs résultant de a), détermination du ou de chaque paramètre de la fonction de réponse ; le procédé étant tel que lors de l'étape b), chaque concentration de référence est : - c) taking into account an analytical model of the response function, the analytical model being parameterized by at least one parameter, variable between two different calibration time intervals, preferably comprising the gain of the sensor; - d) from the analytical model resulting from c), reference concentrations resulting from b) and quantities resulting from a), determination of the or each parameter of the response function; the process being such that during step b), each reference concentration is:
- soit une concentration, dite de bruit de fond, obtenue dans une base de données publique, à l'instant de calibration; - or a concentration, called background noise, obtained in a public database, at the instant of calibration;
- soit une concentration établie à partir de concentrations de l'analyte, mesurées à l'instant de calibration, par plusieurs stations de référence, différentes du capteur, et localisées dans la zone géographique, chaque instant de calibration étant un instant auquel les concentrations mesurées par les différentes stations de référence sont considérées comme homogènes. - either a concentration established from concentrations of the analyte, measured at the time of calibration, by several reference stations, different from the sensor, and located in the geographical area, each time of calibration being a time at which the concentrations measured by the different reference stations are considered to be homogeneous.
Ainsi, les étapes a) à d) peuvent être effectuées sans déplacer le capteur de la position à laquelle il est déployé. Thus, steps a) to d) can be performed without moving the sensor from the position in which it is deployed.
L'étape d) peut notamment comporter un ajustement du modèle analytique en fonction des concentrations de référence et des grandeurs résultant de a). Step d) may in particular comprise an adjustment of the analytical model as a function of the reference concentrations and of the quantities resulting from a).
Le capteur de gaz peut faire partir d'un groupe de capteurs, chaque capteur du groupe de capteurs étant déployé en une position fixe dans la zone géographique. Le procédé peut être mis en œuvre pour un capteur ou différents capteurs du groupe de capteurs. The gas sensor may be part of a group of sensors, each sensor of the group of sensors being deployed at a fixed position in the geographic area. The method can be implemented for one sensor or different sensors of the group of sensors.
Selon un mode de réalisation, la concentration de référence est établie à partir de concentrations de l'analyte mesurées par plusieurs stations de référence, différentes du capteur, et localisées dans la zone géographique. L'étape b) peut comporter : According to one embodiment, the reference concentration is established from concentrations of the analyte measured by several reference stations, different from the sensor, and located in the geographical area. Step b) may include:
- b-i) prise en compte de concentrations mesurées par plusieurs stations de référence à un même instant ou à des instants suffisamment rapprochés pour être considérés comme confondus ; - b-i) taking into account concentrations measured by several reference stations at the same instant or at sufficiently close instants to be considered as merged;
- b-ii) détermination d'un indicateur de dispersion entre les différentes concentrations mesurées lors de b-i) ; - b-ii) determination of a dispersion indicator between the different concentrations measured during b-i);
- b-iii) prise en compte d'un critère de dispersion ; - b-iii) taking into account a dispersion criterion;
- b-iv) comparaison de l'indicateur de dispersion au critère de dispersion ; - b-iv) comparison of the dispersion indicator with the dispersion criterion;
- b-v) en fonction de la comparaison effectuée lors de b-iv), notamment lorsque la comparaison effectuée dans b-iv) montre que les concentrations résultant de b-i) sont faiblement dispersées, détermination d'une concentration de référence à partir des concentrations mesurées par les différentes stations de référence, l'instant auquel les concentrations sont mesurées étant un instant de calibration. Lors de la sous-étape b-v), la concentration de référence peut être obtenue à partir d'une valeur moyenne ou d'une valeur médiane des concentrations mesurées par les différentes stations de référence. - bv) according to the comparison carried out during b-iv), in particular when the comparison carried out in b-iv) shows that the concentrations resulting from bi) are weakly dispersed, determination of a reference concentration from the concentrations measured by the various reference stations, the instant at which the concentrations are measured being a calibration instant. During sub-step bv), the reference concentration can be obtained from an average value or a median value of the concentrations measured by the various reference stations.
La durée de l'intervalle temporel de calibration est de préférence supérieure à une journée. Au moins deux instants de calibration, dans le même intervalle temporel de calibration, sont de préférence espacés d'une durée supérieure à 1 heure, voire d'une journée. The duration of the calibration time interval is preferably greater than one day. At least two calibration instants, in the same calibration time interval, are preferably spaced apart by a duration greater than 1 hour, or even a day.
Les étapes a) à d) peuvent être réitérées régulièrement, respectivement en différents intervalles temporels de calibration, de façon à mettre à jour la fonction de réponse du capteur. Deux intervalles temporels de calibration successifs peuvent être décalés d'une durée supérieure à une journée. Steps a) to d) can be repeated regularly, respectively at different calibration time intervals, so as to update the response function of the sensor. Two successive calibration time intervals can be shifted by a period greater than one day.
Selon un mode de réalisation, le procédé comporte une détermination d'une fonction de correction de la grandeur mesurée par le capteur en fonction d'un paramètre environnemental, le paramètre environnemental étant choisi parmi la température ou la pression ou l'humidité. Le procédé peut alors comporter : According to one embodiment, the method comprises a determination of a correction function of the quantity measured by the sensor as a function of an environmental parameter, the environmental parameter being chosen from temperature or pressure or humidity. The process can then include:
- i-1) établissement d'un modèle analytique d'évolution, représentant une évolution de la grandeur mesurée par le capteur en fonction du paramètre environnemental, le modèle analytique dépendant de coefficients ; - i-1) establishment of an analytical evolution model, representing an evolution of the quantity measured by the sensor as a function of the environmental parameter, the analytical model depending on coefficients;
- i-2) mesures, par le capteur, de différentes grandeurs en différents instants, à différent niveaux du paramètres environnemental ; - i-2) measurements, by the sensor, of different magnitudes at different times, at different levels of the environmental parameters;
- i-3) à l'aide des mesures résultant de i-2), détermination d'une fonction représentant une variation de la grandeur mesurée en présence d'une même concentration d'analyte, en fonction du paramètre environnemental ; - i-3) using the measurements resulting from i-2), determination of a function representing a variation of the quantity measured in the presence of the same concentration of analyte, as a function of the environmental parameter;
- i-4) calcul des coefficients du modèle analytique d'évolution à partir de la fonction déterminée lors de i-3 ; - i-4) calculation of the coefficients of the analytical evolution model from the function determined during i-3;
- i-5) détermination de la fonction de correction à partir du modèle d'évolution résultant de l'étape i-4) ; le procédé comportant, suite à l'étape i-5), à chaque instant de calibration : - i-5) determination of the correction function from the evolution model resulting from step i-4); the method comprising, following step i-5), at each instant of calibration:
- détermination d'un niveau du paramètre environnemental à la position du capteur ;- determination of a level of the environmental parameter at the position of the sensor;
- application de la fonction de correction à la grandeur mesurée par le capteur, en prenant en compte le niveau du paramètre environnemental déterminé à l'instant de calibration, de façon à obtenir une grandeur corrigée ; de telle sorte que les grandeurs déterminées lors de l'étape a) sont des grandeurs corrigées, le procédé étant tel que lors de l'étape d),la détermination de chaque paramètre de la fonction de réponse est effectuée en fonction de grandeurs corrigées à chaque instant de calibration.- application of the correction function to the quantity measured by the sensor, taking into account the level of the environmental parameter determined at the moment of calibration, so as to obtain a corrected quantity; in such a way that the quantities determined during step a) are corrected quantities, the method being such that during step d), the determination of each parameter of the response function is carried out as a function of quantities corrected to each instant of calibration.
Le procédé peut être tel que l'étape i-3) comporte : The method may be such that step i-3) comprises:
- i-3a) pour différents niveaux du paramètre, calcul d'une valeur moyenne ou d'une médiane ou d'un autre fractile des grandeurs résultant de l'étape i-2) respectivement;- i-3a) for different levels of the parameter, calculation of an average value or of a median or of another fractile of the magnitudes resulting from step i-2) respectively;
- i-3b) détermination de la fonction de variation à partir des valeurs calculées, respectivement pour chaque niveau du paramètre, lors de i-3a). - i-3b) determination of the variation function from the calculated values, respectively for each level of the parameter, during i-3a).
Les étapes i-1) à i-5) peuvent être mises en œuvre successivement pour différents paramètres environnementaux, choisis par exemple parmi la température, la pression ou l'humidité, de façon à obtenir, pour chaque paramètre, une fonction de correction. Le capteur de gaz peut être un capteur électrochimique, comportant un matériau de détection, la valeur mesurée correspondant à un intensité ou une différence de potentiel aux bornes du matériau de détection, ou à une résistance du matériau de détection. Steps i-1) to i-5) can be implemented successively for different environmental parameters, chosen for example from temperature, pressure or humidity, so as to obtain, for each parameter, a correction function. The gas sensor can be an electrochemical sensor, comprising a detection material, the measured value corresponding to an intensity or a potential difference at the terminals of the detection material, or to a resistance of the detection material.
Un deuxième objet de l'invention est un procédé de détermination d'une fonction de correction d'un capteur de gaz en fonction d'un ou plusieurs paramètres environnementaux, le capteur mesurant une grandeur dépendant d'une concentration d'un analyte gazeux à différents instants, le capteur de gaz étant déployé en une position dans une zone géographique, le ou chaque paramètres environnemental étant choisi parmi la température et/ou la pression et/ou l'humidité, le procédé comportant : A second object of the invention is a method for determining a correction function of a gas sensor as a function of one or more environmental parameters, the sensor measuring a variable depending on a concentration of a gaseous analyte at different instants, the gas sensor being deployed in a position in a geographical area, the or each environmental parameter being chosen from temperature and/or pressure and/or humidity, the method comprising:
- i-1) établissement d'un modèle analytique d'évolution, représentant une évolution de la grandeur mesurée par le capteur en fonction du paramètre environnemental, le modèle analytique dépendant de coefficients ; - i-1) establishment of an analytical evolution model, representing an evolution of the quantity measured by the sensor as a function of the environmental parameter, the analytical model depending on coefficients;
- i-2) mesure de différentes grandeurs par le capteur, en différents instants, à différent niveaux du paramètres environnemental ; - i-2) measurement of different quantities by the sensor, at different times, at different levels of the environmental parameters;
- i-3) à l'aide des mesures résultant de i-2), détermination d'une fonction représentant une variation de la grandeur mesurée en présence d'une même concentration d'analyte, en fonction du paramètre environnemental ; - i-3) using the measurements resulting from i-2), determination of a function representing a variation of the quantity measured in the presence of the same concentration of analyte, as a function of the environmental parameter;
- i-4) calcul des coefficients du modèle analytique d'évolution à partir de la fonction déterminée lors de i-3 ; - i-4) calculation of the coefficients of the analytical evolution model from the function determined during i-3;
- i-5) détermination de la fonction de correction à partir du modèle d'évolution résultant de l'étape i-4). - i-5) determination of the correction function from the evolution model resulting from step i-4).
Le procédé peut comporter les sous-étapes i-3a) et i-3b) précédemment décrites. Le capteur de gaz peut notamment être un capteur électrochimique, comportant un matériau de détection, la valeur mesurée correspondant à un intensité ou une différence de potentiel aux bornes du matériau de détection, ou à une résistance du matériau de détection. The method may comprise the sub-steps i-3a) and i-3b) previously described. The gas sensor can in particular be an electrochemical sensor, comprising a detection material, the measured value corresponding to an intensity or a potential difference at the terminals of the detection material, or to a resistance of the detection material.
Un troisième objet de l'invention est un capteur de gaz, agencé pour délivrer une grandeur physique dépendant de la concentration d'un analyte dans un gaz, notamment de l'air, auquel le capteur est exposé, le capteur de gaz étant relié à une unité de traitement programmée pour mettre en œuvre les étapes a) à d) d'un procédé selon le premier objet de l'invention, et/ou les étapes i-1) à i-5) d'un procédé selon le deuxième objet de l'invention. A third object of the invention is a gas sensor, arranged to deliver a physical quantity depending on the concentration of an analyte in a gas, in particular air, to which the sensor is exposed, the gas sensor being connected to a processing unit programmed to implement steps a) to d) of a method according to the first object of the invention, and/or steps i-1) to i-5) of a method according to the second object of the invention.
Un quatrième objet de l'invention est un procédé de mesure d'une concentration d'un analyte dans un gaz, à partir d'un capteur de gaz selon le troisième objet de l'invention, le procédé comportant : A fourth object of the invention is a method for measuring a concentration of an analyte in a gas, from a gas sensor according to the third object of the invention, the method comprising:
- mesure d'une grandeur par le capteur, à un instant, la grandeur dépendant d'une concentration d'un analyte dans un gaz auquel est exposé le capteur audit instant ;- measurement of a magnitude by the sensor, at a time, the magnitude depending on a concentration of an analyte in a gas to which the sensor is exposed at said time;
- application d'une fonction de réponse et/ou d'une fonction de correction à ladite grandeur ; - application of a response function and/or a correction function to said quantity;
- estimation de la concentration de l'analyte dans le gaz, audit instant, à partir de la fonction de réponse et de la grandeur mesurée par le capteur ; le procédé étant tel que la fonction de réponse est établie en mettant en œuvre les étapes a) à d) d'un procédé selon le premier objet de l'invention, et/ou la fonction de correction est établie en mettant en œuvre les étapes i-1) à i-5) d'un procédé selon le deuxième objet de l'invention.- estimation of the concentration of the analyte in the gas, at said instant, from the response function and the quantity measured by the sensor; the method being such that the response function is established by implementing steps a) to d) of a method according to the first object of the invention, and/or the correction function is established by implementing the steps i-1) to i-5) of a method according to the second object of the invention.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de l'exposé des exemples de réalisation présentés, dans la suite de la description, en lien avec les figures listées ci-dessous. The invention will be better understood on reading the description of the embodiments presented, in the remainder of the description, in connection with the figures listed below.
FIGURES FIGURES
La figure 1 schématise une implantation de capteurs de gaz formant un réseau de capteurs couvrant une zone géographique, dans laquelle se trouvent également des stations de référence. FIG. 1 diagrams an installation of gas sensors forming a network of sensors covering a geographical area, in which there are also reference stations.
La figure 2A montre des évolutions de concentrations de NO2 (axe des ordonnées) en fonction du temps (axe des abscisses - dates), les concentrations étant respectivement mesurées par un capteur, calibré selon l'art antérieur, et une station de mesure de référence. FIG. 2A shows changes in NO2 concentrations (axis of ordinates) as a function of time (axis of abscissas - dates), the concentrations being respectively measured by a sensor, calibrated according to the prior art, and a reference measurement station .
La figure 2B illustre l'évolution de grandeurs, en l'occurrence des tension (axe des ordonnées) résultant du capteur évoqué en lien avec la figure 2A, en fonction du temps. La figure 3A schématise les principales étapes d'un procédé de détermination d'une fonction de réponse d'un capteur. FIG. 2B illustrates the evolution of quantities, in this case of the voltages (ordinate axis) resulting from the sensor mentioned in connection with FIG. 2A, as a function of time. FIG. 3A schematizes the main steps of a method for determining a response function of a sensor.
La figure 3B schématise les principales étapes d'un procédé de détermination d'une fonction de correction d'un capteur, vis-à-vis d'un paramètre environnemental tel que la température ou la pression ou l'humidité. FIG. 3B schematizes the main steps of a method for determining a correction function of a sensor, with respect to an environmental parameter such as temperature or pressure or humidity.
La figure 4 illustre des grandeurs mesurées par un capteur (tensions électriques - axe des ordonnées) en fonction de différents niveaux de température (axe des abscisses), et pour différentes concentrations d'un analyte. FIG. 4 illustrates quantities measured by a sensor (electrical voltages - ordinate axis) as a function of different temperature levels (abscissa axis), and for different concentrations of an analyte.
Les figures 5A à 5D montrent des concentrations mesurées (axe des ordonnées) en fonction du temps (axe des abscisses) respectivement selon l'art antérieur, en mettant en œuvre l'invention, et en mettant en œuvre une station de mesure de référence. FIGS. 5A to 5D show measured concentrations (axis of ordinates) as a function of time (axis of abscissas) respectively according to the prior art, by implementing the invention, and by implementing a reference measuring station.
La figure 6 est un exemple d'implantation de capteurs et de stations de référence dans une zone géographique urbaine. FIG. 6 is an example of the installation of sensors and reference stations in an urban geographic zone.
EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS DESCRIPTION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
On a représenté, sur la figure 1, une zone géographique dans laquelle on souhaite déterminer une cartographie d'une concentration d'un analyte formant un polluant atmosphérique. L'analyte est par exemple une espèce gazeuse, telle CO, NO, NO2, O3, SO2, C6H6...II peut également s'agir de particules fines, par exemple des particules en suspension de type PM10 ou PM 2.5. L'acronyme PM, signifiant Particulate Matter, ou matière particulaire, est connu de l'homme du métier. D'une façon générale, la zone géographique considérée comporte des sources d'émission de l'analyte. Ces sources d'émission peuvent être liées à un trafic de véhicule, à la présence d'installations de chauffage urbain, ou à la présence d'installations industrielles susceptibles d'émettre l'analyte. La zone géographique peut comprendre une zone urbaine ou périurbaine, ou encore une zone industrielle ou aéroportuaire. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, la zone géographique 1 est une partie d'une ville, comportant des rues 2 symbolisées par des lignes. Des capteurs de gaz 3i...3i...3i sont répartis dans la zone géographique 1, respectivement en différentes positions fixes. I est un entier naturel désignant le nombre de capteurs de gaz déployés. I est généralement supérieur à 10, voire supérieur à 100. There is represented, in FIG. 1, a geographical zone in which it is desired to determine a map of a concentration of an analyte forming an atmospheric pollutant. The analyte is for example a gaseous species, such as CO, NO, NO 2 , O 3 , SO 2 , C 6 H 6 ... It can also be fine particles, for example particles in suspension of the PM10 type. or PM 2.5. The acronym PM, meaning Particulate Matter, or particulate matter, is known to those skilled in the art. In general, the geographical area considered comprises sources of emission of the analyte. These emission sources can be linked to vehicle traffic, to the presence of district heating installations, or to the presence of industrial installations likely to emit the analyte. The geographical area may include an urban or peri-urban area, or even an industrial or airport area. In the example represented in FIG. 1, the geographical area 1 is part of a town, comprising streets 2 symbolized by lines. Gas sensors 3i...3i...3i are distributed in the geographical zone 1, respectively in different fixed positions. I is a natural integer denoting the number of deployed gas sensors. I is generally greater than 10, or even greater than 100.
Les capteurs sont par exemple des capteurs électrochimiques, ou optiques, ou NDIR (Non Dispersive Infra Red, signifiant non dispersif - infra-rouge) ou à substrat solide, par exemple en oxyde métallique (MOX). Sur la figure 1, les capteurs de gaz 3i sont représentés sous la forme de points noirs. Ces capteurs définissent un maillage de la zone géographique 1 considérée. La distance entre deux capteurs adjacents est de préférence inférieure à 1 km, voire inférieure à 500 m. Elle est typiquement de quelques centaines de mètres. La densité des capteurs est typiquement de 10 capteurs par Km2. The sensors are for example electrochemical, or optical, or NDIR (Non Dispersive Infra Red, meaning non-dispersive - infrared) sensors or with a solid substrate, for example made of metal oxide (MOX). In Figure 1, the gas sensors 3i are shown as black dots. These sensors define a mesh of the geographical zone 1 considered. The distance between two adjacent sensors is preferably less than 1 km, or even less than 500m. It is typically a few hundred meters. The density of the sensors is typically 10 sensors per km 2 .
Chaque capteur 3i, l<i</ génère une grandeur physique R, dépendant de la concentration d' analyte dans le gaz (généralement de l'air) auquel le capteur est exposé. La grandeur physique est généralement une grandeur électrique, de type tension ou intensité du courant, mesurée à la sortie du capteur. Each sensor 3i, l<i</ generates a physical quantity R, depending on the concentration of analyte in the gas (generally air) to which the sensor is exposed. The physical quantity is generally an electrical quantity, of the voltage or current intensity type, measured at the output of the sensor.
Les grandeurs R(t) sont issues de chaque capteur à un instant t. Les instants t peuvent être répartis durant le jour et la nuit, généralement selon des intervalles de temps réguliers, par exemple toutes les lh ou toutes les 2h. The quantities R(t) come from each sensor at a time t. The instants t can be distributed during the day and the night, generally according to regular time intervals, for example every lh or every 2h.
Les capteurs 3i sont reliés à une unité de traitement 4, qui collecte les grandeurs mesurées par chaque capteur à chaque instant, de façon à établir une cartographie de la concentration en analyte sur la zone géographique considérée, et éventuellement d'effectuer une cartographie prévisionnelle. L'unité de traitement peut mettre en œuvre une fonction de réponse u qui permet une conversion de grandeurs 7? (t), issues de chaque capteur, en valeurs quantitatives de concentrations d'analyte C(t). L'unité de traitement 4 peut également mettre en œuvre une fonction de correction v, prenant en compte une dérive de la grandeur mesurée par le capteur en fonction d'au moins un paramètre environnemental, par exemple la température ou la pression ou l'humidité. L'établissement de la fonction de réponse u et/ou de la fonction de correction v correspond à une calibration du capteur. The sensors 3i are connected to a processing unit 4, which collects the quantities measured by each sensor at each instant, so as to establish a map of the analyte concentration over the geographical area considered, and possibly to carry out a forecast map. The processing unit can implement a response function u which allows a conversion of quantities 7? (t), from each sensor, in quantitative values of analyte concentrations C(t). The processing unit 4 can also implement a correction function v, taking into account a drift in the quantity measured by the sensor as a function of at least one environmental parameter, for example temperature or pressure or humidity . The establishment of the response function u and/or of the correction function v corresponds to a calibration of the sensor.
La zone géographique 1 peut comporter au moins une station de mesure 5k, dite station de référence. Contrairement aux capteurs 3i, qui sont des capteurs compacts, et peu onéreux, chaque station de référence 5k est une station fixe, réalisant des mesures précises durant le jour et la nuit. La zone géographique peut comporter plusieurs stations de référence 5k, l'indice k étant un entier compris entre 1 et K, K correspondant au nombre de stations de référence dans la zone géographique considérée. Chaque station de référence 5k est connectée à un réseau de collecte de données. Sur la figure 1, on a représenté trois stations de référence 5k=i, 5k=2 et 5k=3, symbolisées par un triangle. Une station de référence 5k peut par exemple être opérée par un opérateur public, visant à rendre publiques les données relatives à la pollution atmosphérique. Dans l'Union Européenne, le centre de données sur la pollution atmosphérique, opéré par l'Agence Européenne de l'Environnement, assure une mise à disposition de données, dites données ouvertes, mesurées par des stations de mesure fixes. Comme évoqué en lien avec l'art antérieur, de telles stations de référence fournissent des mesures de qualité, mais leur coût et leur encombrement limite leur nombre. Une telle station se présente sous la forme d'un local, doté de dispositifs de prélèvement de l'air ambiant, généralement disposés au niveau du sommet du local. A l'intérieur du local se trouvent des analyseurs spécifiques à certains analytes, tels que ceux préalablement listés. The geographical zone 1 can include at least one 5k measurement station, called a reference station. Unlike 3i sensors, which are compact and inexpensive sensors, each 5k reference station is a fixed station, making precise measurements day and night. The geographical zone can include several 5k reference stations, the index k being an integer between 1 and K, K corresponding to the number of reference stations in the geographical zone considered. Each 5k reference station is connected to a data collection network. In FIG. 1, three reference stations 5k=i, 5k=2 and 5k=3 have been represented, symbolized by a triangle. A 5k reference station can for example be operated by a public operator, aiming to make data relating to atmospheric pollution public. In the European Union, the data center on air pollution, operated by the European Environment Agency, ensures the availability of data, known as open data, measured by fixed measuring stations. As mentioned in connection with the prior art, such reference stations provide quality measurements, but their cost and their size limits their number. Such a station is in the form of a room, equipped with ambient air sampling devices, generally arranged at the top of the room. Inside the room there are analyzers specific to certain analytes, such as those previously listed.
Dans l'exemple considéré, de façon non limitative, les capteurs considérés sont des capteurs électrochimiques à électrolyte solide. Ce type de capteur est usuellement utilisé pour la détection d'analytes tels CO, O3 ou NOX. D'une façon générale, un capteur électrochimique comporte un matériau de détection, dont la résistance varie en fonction de la concentration d'un analyte gazeux. Ainsi, la grandeur mesurée R(t) par un capteur électrochimique à un instant t correspond à une valeur de tension aux bornes du matériau de détection ou d'une intensité d'un courant entre les bornes du matériau de détection. In the example considered, in a non-limiting manner, the sensors considered are solid electrolyte electrochemical sensors. This type of sensor is usually used for the detection of analytes such as CO, O3 or NO X . In general, an electrochemical sensor comprises a detection material, the resistance of which varies according to the concentration of a gaseous analyte. Thus, the quantity R(t) measured by an electrochemical sensor at a time t corresponds to a voltage value at the terminals of the detection material or to an intensity of a current between the terminals of the detection material.
Comme indiqué dans les publications citées dans l'art antérieur, à partir de la grandeur issue d'un capteur de gaz, à un instant donné, la concentration C(t) de l'analyte peut être établie selon une formule de type : As indicated in the publications cited in the prior art, from the quantity resulting from a gas sensor, at a given instant, the concentration C(t) of the analyte can be established according to a formula of the type:
C t) = gR(t) + b (1) où g est un gain et b est un biais (ou offset), le gain et l'offset pouvant être déterminés par calibration. C t)=gR(t)+b (1) where g is a gain and b is a bias (or offset), the gain and the offset being able to be determined by calibration.
La figure 2A montre des concentrations de NO2 mesurées respectivement : par une station de référence (courbe a), dont les mesures sont considérées comme représentatives de la réalité ; par un capteur électrochimique (courbe c), positionné à proximité de la station de référence. FIG. 2A shows NO2 concentrations measured respectively: by a reference station (curve a), whose measurements are considered to be representative of reality; by an electrochemical sensor (curve c), positioned close to the reference station.
Sur la figure 2A, l'axe des ordonnées correspond à une concentration mesurée (pg/m3), tandis que l'axe des abscisses correspond à des dates (année - mois - jour). La calibration du capteur est effectuée quotidiennement, selon le procédé décrit dans W02020128311, en mettant à jour le biais b du capteur, le gain étant maintenu fixe. Le gain correspond à un gain établi avant le déploiement du capteur. Selon une telle calibration, la valeur du biais varie dans le temps : elle est mise à jour lors de chaque calibration. In FIG. 2A, the ordinate axis corresponds to a measured concentration (pg/m 3 ), while the abscissa axis corresponds to dates (year-month-day). The calibration of the sensor is carried out daily, according to the method described in WO2020128311, by updating the bias b of the sensor, the gain being kept fixed. The gain corresponds to a gain established before the deployment of the sensor. According to such a calibration, the value of the bias varies over time: it is updated during each calibration.
En dépit d'une calibration régulière, on observe une dérive entre les mesures provenant respectivement du capteur et de la station de référence, et cette dérive tend à augmenter avec le temps. La figure 2B montre une évolution de la grandeur R(t) mesurée par le capteur en fonction du temps, aux mêmes dates que celles représentées sur la figure 2A. La grandeur suit des oscillations, chaque oscillation correspondant à une journée. On observe une dérive progressive de l'amplitude des oscillations journalières de la grandeur R(t). Les inventeurs attribuent une telle dérive à une variation temporelle de la fonction de réponse du capteur, et notamment une variation temporelle du gain. Aussi, le gain du capteur, et éventuellement le biais, doivent être considérés comme dépendant du temps, et doivent faire l'objet d'une mise à jour régulière. Le capteur étant déployé dans la zone géographique, la mise à jour doit être effectuée sans déplacement du capteur par rapport à sa position dans la zone géographique examinée, ou sans exposition du capteur à un mélange gazeux de référence. Par rapport à W02020128311, selon l'invention, le procédé suppose que le gain est variable dans le temps, comme constaté en lien avec les figures 2A et 2B. Il s'agit d'une approche différente de celles décrites dans les publications citées dans l'art antérieur. Despite regular calibration, a drift is observed between the measurements coming respectively from the sensor and from the reference station, and this drift tends to increase with time. FIG. 2B shows an evolution of the quantity R(t) measured by the sensor in as a function of time, on the same dates as those represented in FIG. 2A. Greatness follows oscillations, each oscillation corresponding to a day. A progressive drift in the amplitude of the daily oscillations of the quantity R(t) is observed. The inventors attribute such a drift to a temporal variation of the response function of the sensor, and in particular a temporal variation of the gain. Also, the gain of the sensor, and possibly the bias, must be considered as time-dependent, and must be regularly updated. Since the sensor is deployed in the geographical area, the update must be performed without moving the sensor relative to its position in the geographical area under examination, or without exposing the sensor to a reference gas mixture. Compared to WO2020128311, according to the invention, the method assumes that the gain is variable over time, as observed in connection with FIGS. 2A and 2B. This is a different approach from those described in the publications cited in the prior art.
De façon plus générale, la calibration vise à mettre à jour une fonction de réponse u, de telle sorte que C(t) = u(R(t)). Comme précédemment indiqué, par fonction de réponse, on entend une fonction établissant une relation entre la concentration C(t) de l'analyte et la grandeur physique R(t) issue du capteur. La fonction de réponse peut être de forme linéaire, comme explicité dans (1), ou polynomiale, ou autre, par exemple logarithmique. More generally, the calibration aims to update a response function u, such that C(t)=u(R(t)). As previously indicated, by response function is meant a function establishing a relationship between the concentration C(t) of the analyte and the physical quantity R(t) output from the sensor. The response function can be of linear form, as explained in (1), or polynomial, or other, for example logarithmic.
Un des objectifs de l'invention est d'effectuer une mise à jour régulière du gain d'au moins un capteur du groupe de capteurs, alors que le capteur est déployé dans la zone géographique examinée. Ainsi, la calibration de chaque capteur est réalisée sans déplacement des capteurs par rapport à la position à laquelle il est déployé. La calibration ne suppose pas de recours à une exposition de chaque capteur à un gaz de calibration, préparé en laboratoire, et dont la composition est connue. One of the objectives of the invention is to carry out a regular update of the gain of at least one sensor of the group of sensors, while the sensor is deployed in the geographical area examined. Thus, the calibration of each sensor is carried out without displacement of the sensors relative to the position in which it is deployed. Calibration does not require recourse to exposure of each sensor to a calibration gas, prepared in the laboratory, and whose composition is known.
La figure 3A décrit les principales étapes d'un procédé permettant une mise jour du gain, et d'une façon plus générale de la fonction de réponse u. Le procédé décrit en lien avec la figure 3A peut être mis en œuvre par une unité de traitement, par exemple l'unité de traitement 4 précédemment décrite. FIG. 3A describes the main steps of a method allowing an update of the gain, and more generally of the response function u. The method described in connection with FIG. 3A can be implemented by a processing unit, for example the processing unit 4 previously described.
Etape 100 : prise en compte d'une grandeur physique R(tc) mesurée du capteur à un instant de calibration tc. Step 100: taking into account a physical quantity R(t c ) measured from the sensor at a calibration instant t c .
Cette étape correspond à une acquisition de grandeurs physiques mesurées par le capteur à différents instants. En fonction de l'approche suivie (cf. étape 120), chaque instant de calibration tc peut être quelconque, par exemple déterminé aléatoirement, ou être sélectionné en fonction de concentrations mesurées par des stations de référence présentes dans la zone géographique. This step corresponds to an acquisition of physical quantities measured by the sensor at different instants. Depending on the approach followed (cf. step 120), each instant of calibration t c can be arbitrary, for example determined randomly, or be selected according to concentrations measured by reference stations present in the geographical area.
Etape 110 : correction de la grandeur mesurée par le capteur. Cette étape est optionnelle, et est décrite par la suite. Il s'agit d'effectuer une correction de la grandeur mesurée par le capteur en appliquant une fonction de correction v. La fonction de correction v permet une correction des mesures issues du capteur en fonction d'un paramètre environnemental, tel que la température et/ou la pression et/ou l'humidité. La détermination de la fonction de correction est décrite ultérieurement en lien avec les étapes 80 à 84 Step 110: correction of the quantity measured by the sensor. This step is optional, and is described below. This involves correcting the quantity measured by the sensor by applying a correction function v. The correction function v enables correction of the measurements from the sensor as a function of an environmental parameter, such as the temperature and/or the pressure and/or the humidity. The determination of the correction function is described later in connection with steps 80 to 84
Dans les étapes 120 à 150 décrites ci-après, le terme grandeur issue du capteur correspond soit à une grandeur R(t) mesurée par le capteur, soit une grandeur mesurée v(R(t)) par le capteur et ayant fait l'objet d'une correction au cours de l'étape 110. L'étape 110 peut être mise en œuvre pour certains types de capteurs, considérés comme sensibles à l'égard d'un paramètre environnemental. Il s'agit par exemple des capteurs électrochimiques. In the steps 120 to 150 described below, the term quantity coming from the sensor corresponds either to a quantity R(t) measured by the sensor, or to a quantity v(R(t)) measured by the sensor and having made the object of a correction during step 110. Step 110 can be implemented for certain types of sensors, considered to be sensitive with regard to an environmental parameter. These are, for example, electrochemical sensors.
Etape 120 : Prise en compte d'une concentration de référence. Step 120: Consideration of a reference concentration.
La calibration suppose une prise en compte d'une concentration de référence Cref (tc). La concentration de référence correspond à une concentration estimée de l'analyte à la position du capteur, à l'instant de calibration tc. Calibration assumes that a reference concentration C re f (t c ) is taken into account. The reference concentration corresponds to an estimated concentration of the analyte at the position of the sensor, at the instant of calibration t c .
Selon une première approche, correspondant aux étapes 121 à 123, la concentration de référence Cref (tc est établie à partir de plusieurs stations de référence. Selon cette première approche, pour déterminer l'instant de calibration tc, on dispose de valeurs de concentrations Cfc=l( ■■■ ■ Ck=K (t) respectivement mesurées par différentes stations de référence 5k=i...5k=K réparties dans la zone géographique analysée, et cela en différents instants t. According to a first approach, corresponding to steps 121 to 123, the reference concentration C re f (t c is established from several reference stations. According to this first approach, to determine the calibration instant t c , one has concentration values Cfc=l( ■■■ ■ Ck=K (t) respectively measured by different reference stations 5k=i...5k=K distributed in the analyzed geographical area, and this at different times t.
Au cours d'une étape 121, on détermine un indicateur de dispersion crc(t) des concentrations mesurées à chaque instant. Il peut s'agir d'un indicateur de type écart type ou variance, ou encore d'une comparaison max(Cfc=1(t) ... . Cfc= (t)) — min(Cfc=1(t) ... . Cfc= (t)), par exemple une différence, entre les valeurs maximales et minimales des concentrations mesurées, au même instant (ou à des instants suffisamment rapprochés pour être considérés comme confondus) par les stations de référence. L'indicateur de dispersion crc(t) est d'autant plus faible que les concentrations mesurées par les stations de référence sont faiblement dispersées.During a step 121, a dispersion indicator cr c (t) of the concentrations measured at each instant is determined. It can be a standard deviation or variance type indicator, or even a comparison max(C fc=1 (t) ... . C fc= (t)) — min(C fc=1 ( t) .... C fc= (t)), for example a difference, between the maximum and minimum values of the concentrations measured, at the same instant (or at sufficiently close instants to be considered as merged) by the reference stations . The dispersion indicator cr c (t) is all the lower as the concentrations measured by the reference stations are weakly dispersed.
Au cours d'une étape 122, on compare l'indicateur de dispersion crc(t) à un seuil de dispersion oth, par exemple préalablement établi. Lorsque l'indicateur de dispersion crc(t) est faible, c'est- à-dire inférieur au seuil de dispersion, on considère que la concentration de l'analyte est homogène dans la zone géographique considérée. Chaque instant au cours duquel l'indicateur de dispersion crc(t) est inférieur au seuil de dispersion oth peut alors être sélectionné comme étant un instant de calibration tc. Le seuil de dispersion oth peut par exemple être égal à 20 pg.m-3 lorsque l'analyte est NO2. During a step 122, the dispersion indicator cr c (t) is compared with a dispersion threshold o th , for example previously established. When the dispersion indicator cr c (t) is low, that is that is to say below the dispersion threshold, it is considered that the concentration of the analyte is homogeneous in the geographical area considered. Each instant during which the dispersion indicator cr c (t) is less than the dispersion threshold o th can then be selected as being a calibration instant t c . The dispersion threshold o th can for example be equal to 20 pg.m −3 when the analyte is NO 2 .
Au cours d'une étape 123, la concentration de référence
Figure imgf000015_0001
est obtenue à partir des différentes concentration Cfc=1(tc) ... . Ck=K tc) mesurées par les stations de référence à l'instant de calibration tc. Il peut s'agir d'une valeur moyenne ou d'une valeur médiane des concentrations Cfc=1(tc) ... . Cfc= (tc).
During a step 123, the reference concentration
Figure imgf000015_0001
is obtained from the different concentrations C fc=1 (t c ) ... . C k=K t c ) measured by the reference stations at the instant of calibration t c . It can be a mean value or a median value of the concentrations C fc=1 (t c ) ... . C fc= (t c ).
On comprend de ce qui précède que le recours à des concentrations de référence issues de stations de mesure de référence permettent une détermination d'instants de calibration tc, chaque instant de calibration correspondant à des instants auxquels les concentrations mesurées par les stations de mesure sont considérées comme homogènes, i-e faiblement dispersées. Les concentrations de référence
Figure imgf000015_0002
établies à chaque instant de calibration peuvent être utilisées pour calibrer l'ensemble des capteurs présents dans la zone géographique couverte par les stations de référence.
It is understood from the foregoing that the use of reference concentrations from reference measurement stations allow determination of calibration instants t c , each calibration instant corresponding to instants at which the concentrations measured by the measuring stations are considered as homogeneous, ie weakly dispersed. Reference concentrations
Figure imgf000015_0002
established at each calibration instant can be used to calibrate all the sensors present in the geographical area covered by the reference stations.
Selon une autre approche, la calibration est effectuée sans utiliser d'éventuelles stations de référence localisées dans la zone géographique étudiée. Au cours d'une étape 125, la concentration de référence, à la position du capteur, est estimée en utilisant une concentration, dite de bruit de fond, issue d'une base de données publique 6. Par exemple, la base de données publique est le modèle CAMS (Copernicus Atmosphere Monitoring Service - Service Copernicus sur la composition de l'atmosphère), connu de l'homme du métier. Les instants de calibration tc sont alors quelconque. Ils peuvent donc être déterminés aléatoirement. Ils peuvent aussi être choisis dans une plage temporelle, préalablement établie, au cours de laquelle on considère que la concentration issue de la base de données publique forme un bon descripteur de la concentration de l'analyte au niveau du capteur considéré. L'avantage de cette approche est de ne pas nécessiter la présence de stations de référence. Selon une telle approche, il est préférable que chaque instant de calibration tc corresponde à un instant auquel on considère que la concentration, à la position du capteur, soit assimilable à une concentration de bruit de fond, pouvant être estimée par le modèle. A cette fin, le procédé peut comprendre un filtrage des grandeurs R(tc) mesurées aux différents instants de calibration tc, de façon à éliminer les grandeurs les plus élevées, par exemple les 30% ou 20% des grandeurs les plus élevées. Etape 130 : Réitération des étapes 100 à 120 de façon à obtenir, pour différents instants de calibration tc, un couple comportant : une grandeur R(tc) issue du capteur, éventuellement corrigée au cours de l'étape 110 ; une concentration de référence
Figure imgf000016_0001
According to another approach, the calibration is carried out without using any reference stations located in the geographical area studied. During a step 125, the reference concentration, at the position of the sensor, is estimated using a so-called background noise concentration, coming from a public database 6. For example, the public database is the CAMS model (Copernicus Atmosphere Monitoring Service - Copernicus Service on the composition of the atmosphere), known to those skilled in the art. The calibration instants t c are then arbitrary. They can therefore be determined randomly. They can also be chosen within a time range, established beforehand, during which it is considered that the concentration resulting from the public database forms a good descriptor of the concentration of the analyte at the level of the sensor considered. The advantage of this approach is that it does not require the presence of reference stations. According to such an approach, it is preferable that each calibration instant t c corresponds to an instant at which it is considered that the concentration, at the position of the sensor, is comparable to a background noise concentration, which can be estimated by the model. To this end, the method can comprise a filtering of the quantities R(t c ) measured at the different calibration instants t c , so as to eliminate the highest quantities, for example the 30% or 20% of the highest quantities. Step 130: Reiteration of steps 100 to 120 so as to obtain, for different calibration instants t c , a pair comprising: a quantity R(t c ) output from the sensor, possibly corrected during step 110; a reference concentration
Figure imgf000016_0001
Afin que la calibration soit de bonne qualité, il est préférable de disposer d'instants de calibration tc répartis dans un intervalle temporel de calibration Atc relativement long : de préférence supérieur à 1 journée, et par exemple compris entre 1 jour et 2 semaines. Un intervalle temporel de calibration Atc d'une durée de l'ordre de 7 jours, éventuellement ± 1 ou 2 jours, peut être considéré comme optimal. Ainsi, données utilisées pour effectuer la calibration (grandeurs issues du capteur et concentrations de référence) s'étendent selon un intervalle temporel de calibration Atc relativement long. Dans le même intervalle temporel de calibration Atc, deux instants de calibration tc différents peuvent être espacés d'au moins 1 heure. In order for the calibration to be of good quality, it is preferable to have calibration instants t c distributed over a relatively long calibration time interval At c : preferably greater than 1 day, and for example between 1 day and 2 weeks . A calibration time interval At c of a duration of the order of 7 days, possibly ± 1 or 2 days, can be considered as optimal. Thus, the data used to perform the calibration (quantities from the sensor and reference concentrations) extend over a relatively long calibration time interval At c . In the same calibration time interval At c , two different calibration instants t c can be separated by at least 1 hour.
Etape 140 : Prise en compte d'un modèle analytique de fonction de réponse u du capteur.Step 140: Taking into account an analytical model of response function u of the sensor.
Au cours de cette étape, on prend en compte un modèle analytique de fonction de réponse u du capteur. Par exemple, le modèle est linéaire, comme décrit en lien avec l'expression (1), les paramètres du modèle étant g et b. Selon d'autres possibilités le modèle peut être polynomiale. De préférence, le gain est un paramètre considéré comme variable en fonction du temps, et en particulier entre deux intervalles temporels de calibration successifs. Il est considéré comme fixe dans le même intervalle temporel de calibration. Un objectif de la calibration est de déterminer la valeur du gain g dans chaque intervalle temporel de calibration. During this step, an analytical model of response function u of the sensor is taken into account. For example, the model is linear, as described in connection with expression (1), the model parameters being g and b. According to other possibilities the model can be polynomial. Preferably, the gain is a parameter considered to be variable as a function of time, and in particular between two successive calibration time intervals. It is considered fixed in the same calibration time interval. One objective of the calibration is to determine the value of the gain g in each calibration time interval.
Etape 150 : calibration : détermination ou mise à jour de la fonction de réponse. Step 150: calibration: determination or updating of the response function.
Au cours de cette étape, le modèle est confronté avec les couples (R(tc)
Figure imgf000016_0002
c)) obtenus à chaque instant de calibration tc. Cela permet de mettre à jour les paramètres de la fonction de réponse, en particulier le gain g et le biais b. Cette étape peut être effectuée par un ajustement du modèle par rapport aux différents couples obtenus durant l'intervalle temporel de calibration. L'ajustement peut être réalisé par un algorithme d'optimisation, par exemple une régression linéaire.
During this step, the model is confronted with the pairs (R(t c )
Figure imgf000016_0002
c )) obtained at each calibration instant t c . This makes it possible to update the parameters of the response function, in particular the gain g and the bias b. This step can be performed by adjusting the model with respect to the different torques obtained during the calibration time interval. The adjustment can be carried out by an optimization algorithm, for example a linear regression.
Selon une possibilité, le biais b est considéré comme fixe, ou nul. According to one possibility, the bias b is considered to be fixed, or zero.
Les étapes 100 à 150 peuvent être mises en œuvre en différents intervalles temporels de calibration Atc. Cela permet une mise à jour régulière de la fonction de réponse u du capteur. En particulier, une mise jour régulière du gain g permet d'éviter une dérive de concentrations mesurées par le capteur comme observé sur la figure 2A. Deux intervalles temporels de calibration successifs Atc peuvent être décalés d'une durée supérieure ou égale à journée.Steps 100 to 150 can be implemented in different calibration time intervals At c . This allows regular updating of the response function u of the sensor. In particular, a regular update of the gain g makes it possible to avoid a drift of concentrations measured by the sensor as seen in Figure 2A. Two successive calibration time intervals At c can be shifted by a duration greater than or equal to a day.
Suite à chaque calibration, la fonction de réponse u est utilisée pour convertir les grandeurs R(t) mesurées par le capteur, notamment durant ou après l'intervalle temporel de calibration, en concentrations d'analyte C(t). Following each calibration, the response function u is used to convert the quantities R(t) measured by the sensor, in particular during or after the calibration time interval, into concentrations of analyte C(t).
L'approche décrite en lien avec les sous-étapes 121 à 123 peut favoriser l'obtention de concentrations de référence
Figure imgf000017_0001
réparties selon une plage de valeurs étendue : la calibration est alors réalisée sur la base de concentrations de référence couvrant à la fois des valeurs faibles et élevées, ce qui améliore la précision de la mise à jour de la fonction de réponse u, au cours de l'étape 150. En effet, plus les concentrations de référence Cref (tc) sont réparties selon une dynamique élevée, meilleure est la précision de la détermination de la fonction de réponse u.
The approach described in connection with sub-steps 121 to 123 can help to obtain reference concentrations
Figure imgf000017_0001
distributed according to a wide range of values: the calibration is then carried out on the basis of reference concentrations covering both low and high values, which improves the precision of the update of the response function u, during step 150. Indeed, the more the reference concentrations C re f (t c ) are distributed according to a high dynamic, the better the precision of the determination of the response function u.
Un autre aspect de l'invention concerne la sensibilité de certains capteurs, par exemple les capteurs électrochimiques, à des paramètres environnementaux, par exemple la température, l'humidité ou la pression. Une telle sensibilité entraîne une variation de la grandeur physique R(t) mesurée par chaque capteur. Afin d'améliorer la précision des concentrations mesurées par chaque capteur, il est préférable que la grandeur physique R(t) mesurée par les capteurs subissant une telle variation soit corrigée. C'est l'objet de l'étape 110 évoquée en lien avec la figure 3A. Cette étape comporte une sous-étape 111, de mesure (ou d'estimation) d'au moins un paramètre environnemental P(t) à la position du capteur considéré. Il peut s'agir d'une mesure effectuée avec un instrument de mesure dédié (par exemple un thermomètre, baromètre ou hygromètre). Il peut également s'agir d'une estimation du paramètre, par exemple sur la base d'un modèle météorologique. Another aspect of the invention relates to the sensitivity of certain sensors, for example electrochemical sensors, to environmental parameters, for example temperature, humidity or pressure. Such sensitivity leads to a variation of the physical quantity R(t) measured by each sensor. In order to improve the precision of the concentrations measured by each sensor, it is preferable that the physical quantity R(t) measured by the sensors undergoing such a variation be corrected. This is the subject of step 110 mentioned in connection with FIG. 3A. This step includes a sub-step 111, of measuring (or estimating) at least one environmental parameter P(t) at the position of the sensor considered. It can be a measurement made with a dedicated measuring instrument (for example a thermometer, barometer or hygrometer). It can also be an estimate of the parameter, for example on the basis of a meteorological model.
Au cours d'une étape 112, on applique une fonction de correction v à la grandeur physique mesurée 7? (t), de façon à obtenir une grandeur corrigée v(R(t)). During a step 112, a correction function v is applied to the measured physical quantity 7? (t), so as to obtain a corrected quantity v(R(t)).
Les étapes 120 à 150 sont ensuite effectuées sur la base de grandeurs corrigées v(R(t)). Ainsi, pour mettre à jour la fonction de réponse u du capteur, on utilise des couples : v(R(tc)), Steps 120 to 150 are then performed on the basis of corrected quantities v(R(t)). Thus, to update the response function u of the sensor, we use pairs: v(R(t c )),
La fonction de correction v d'un capteur, ou de chaque capteur, est établie comme décrit en lien avec la figure 3B. Etape 80 : mesure de grandeurs R(t) mesurées par le capteur en différents instants t, et détermination du niveau d'un paramètre P(t) à la position du capteur, à chaque instant. Comme précédemment décrit, le paramètre P(t) peut être la température, la pression ou l'humidité. Par niveau du paramètre, on entend une valeur prise par le paramètre. Dans cet exemple, on considère que le paramètre P(t) est la température T(t). Les mesures sont effectuées de préférence durant une période temporelle d'acquisition d'une journée, voire de plusieurs journées, par exemple une semaine. The correction function v of a sensor, or of each sensor, is established as described in connection with FIG. 3B. Step 80: measurement of quantities R(t) measured by the sensor at different instants t, and determination of the level of a parameter P(t) at the position of the sensor, at each instant. As previously described, the parameter P(t) can be the temperature, the pressure or the humidity. Parameter level means a value taken by the parameter. In this example, the parameter P(t) is considered to be the temperature T(t). The measurements are preferably carried out during an acquisition time period of one day, or even of several days, for example one week.
La figure 4 représente différentes grandeurs mesurées par un capteur électrochimique de NO2 (axe des ordonnées), en fonction de la température (axe des abscisses). Les mesures ont été effectuées durant chaque heure, durant une période temporelle de 7 jours. Dans l'exemple représenté sur la figure 4, la valeur R est positive, et est une fonction décroissante de la concentration d'analyte. Plus la valeur R est faible, plus la concentration d'analyte est élevée. FIG. 4 represents different quantities measured by an electrochemical NO2 sensor (axis of ordinates), as a function of temperature (axis of abscissas). The measurements were made during each hour, during a time period of 7 days. In the example shown in Figure 4, the R value is positive, and is a decreasing function of analyte concentration. The lower the R value, the higher the analyte concentration.
Etape 81 : prise en compte d'un modèle analytique de l'évolution de la grandeur mesurée en fonction de la température. Step 81: taking into account an analytical model of the evolution of the quantity measured as a function of the temperature.
Au cours de cette étape, on prend en compte un modèle de dépendance de la grandeur mesurée à l'égard de la température. During this step, a model of the dependence of the quantity measured with respect to temperature is taken into account.
Par exemple, le modèle est linéaire, de type For example, the model is linear, of type
R = xT + y (2) où x et y sont des coefficients du modèle. R = xT + y (2) where x and y are model coefficients.
Selon d'autres approches, le modèle peut être polynomiale ou autre. According to other approaches, the model can be polynomial or otherwise.
Etape 82 : sélection d'une valeur de concentration Step 82: Selecting a concentration value
Au cours de cette étape, on sélectionne une valeur de concentration, sur la base de laquelle on souhaite déterminer les coefficients %, y du modèle. Il peut par exemple s'agir d'une valeur maximale, ou moyenne, ou médiane, ou autre ou durant la période temporelle d'acquisition. La valeur de concentration sélectionnée peut être estimée sur la base d'hypothèses ou de mesures de stations de référence ou base de données publique. Dans cet exemple, on sélectionne la valeur minimale, cette dernière étant considérée comme nulle. During this step, a concentration value is selected, on the basis of which it is desired to determine the coefficients %, y of the model. It may for example be a maximum value, or average, or median, or other or during the time period of acquisition. The selected concentration value can be estimated on the basis of assumptions or measurements of reference stations or public database. In this example, the minimum value is selected, the latter being considered as zero.
Etape 83 : détermination des paramètres du modèle Step 83: determining the parameters of the model
Au cours de cette étape, le modèle est confronté avec les grandeurs R(t) mesurées lors de l'étape 81, de façon à déterminer les coefficients d'un modèle moyen, représentant une évolution moyenne de l'ensemble des valeurs mesurées en fonction de la température. Selon l'exemple, une régression linéaire est effectuée de façon à déterminer les coefficients du modèle moyen. Cela correspond à la courbe (a) de la figure 4. Dans cet exemple, le modèle moyen est de type : During this step, the model is compared with the quantities R(t) measured during step 81, so as to determine the coefficients of an average model, representing an average evolution of all the values measured as a function of the temperature. According to the example, a linear regression is carried out in order to determine the coefficients of the model Medium. This corresponds to curve (a) in Figure 4. In this example, the average model is of type:
R = x T + ÿ (3) où l'opérateur est la valeur moyenne. R = x T + ÿ (3) where the operator is the mean value.
Sur la base du modèle moyen, on détermine une fonction de variation, correspondant à une variation de la grandeur mesurée en fonction de la température, pour la concentration sélectionnée lors de l'étape 82. Dans cet exemple, la concentration sélectionnée est la concentration minimale dans l'intervalle temporel considéré, la concentration minimale étant supposée nulle. A partir de (3), on prend en compte un intervalle de confiance, par exemple de 2<J, autour du modèle moyen, ce qui permet d'obtenir la courbe (b) : On the basis of the average model, a variation function is determined, corresponding to a variation of the quantity measured as a function of the temperature, for the concentration selected during step 82. In this example, the concentration selected is the minimum concentration in the time interval considered, the minimum concentration being assumed to be zero. From (3), we take into account a confidence interval, for example of 2<J, around the average model, which makes it possible to obtain the curve (b):
R = xT + y = x T + ÿ + 2<J (4) où G est l'écart type des grandeurs R mesurées lors de l'étape 81. R=xT+y=xT+ÿ+2<J (4) where G is the standard deviation of the magnitudes R measured during step 81.
La courbe (b), dont l'équation correspond à (4), est une fonction représentant la variation de la grandeur mesurée R en fonction de la température, pour une même concentration, en l'occurrence une concentration nulle, en fonction de la température. Les coefficients x,y recherchés sont établis à partir de la fonction représentée sur la courbe (b). Curve (b), whose equation corresponds to (4), is a function representing the variation of the measured quantity R as a function of temperature, for the same concentration, in this case a zero concentration, as a function of the temperature. The coefficients x,y sought are established from the function represented on the curve (b).
Lorsqu'au cours de l'étape 82, la valeur de concentration sélectionnée est la valeur moyenne, les coefficients recherchés sont établis à partir de la courbe (a) : il s'agit de x et ÿ. Il peut également s'agir de la médiane ou autre fractile. When during step 82, the selected concentration value is the average value, the desired coefficients are established from the curve (a): these are x and ÿ. It can also be the median or other fractile.
Etape 84 : détermination de la fonction de correction Step 84: determination of the correction function
Suite à l'étape 83, la fonction de correction v est déterminée de telle sorte que : v(R(t, T) = R(t) — xP — y (5) Following step 83, the correction function v is determined such that: v(R(t, T) = R(t) — xP — y (5)
Les étapes 81 à 84 peuvent être mises en œuvre en considérant respectivement différents paramètres. On obtient ainsi un modèle d'évolution pour chaque paramètre P. La fonction de correction résultante est alors une composition des modèles d'évolution respectivement établis pour chaque paramètre. Par exemple si on a établi des modèles d'évolution respectivement pour la température ou l'humidité, la fonction de correction résultante prend en compte les modèles d'évolution déterminés pour chaque paramètre. Steps 81 to 84 can be implemented considering different parameters respectively. An evolution model is thus obtained for each parameter P. The resulting correction function is then a composition of the evolution models respectively established for each parameter. For example, if evolution models have been established respectively for temperature or humidity, the resulting correction function takes into account the evolution models determined for each parameter.
Après que la fonction de correction v a été établie, au cours de l'étape 110, la grandeur R(t) mesurée par le capteur est corrigée selon l'expression (5). Pour cela, l'étape 110 comporte une détermination du niveau d'un ou plusieurs paramètres à la position occupée par le capteur (étape 111), puis une correction de la valeur mesurée à l'aide de la fonction de correction v (étape 112). After the correction function v has been established, during step 110, the quantity R(t) measured by the sensor is corrected according to expression (5). For this, step 110 includes a determination of the level of one or more parameters at the position occupied by the sensor (step 111), then a correction of the measured value using the correction function v (step 112 ).
Lorsque l'étape 110 est combinée avec les étapes 100 à 150, en prenant en compte des fonction de correction et de réponse linéaires, on obtient une fonction de correction de type :
Figure imgf000020_0001
When step 110 is combined with steps 100 to 150, taking into account linear correction and response functions, a correction function of the type is obtained:
Figure imgf000020_0001
Compte tenu de (1), on obtient :
Figure imgf000020_0002
Given (1), we get:
Figure imgf000020_0002
Le développement de l'expression (7) conduit à : The expansion of expression (7) leads to:
C(t) = Yo + 71^( + Yi T (8) C(t) = Yo + 71^( + Yi T (8)
Yo’ Yi < Y2 sont des scalaires. Yo' Yi < Y2 are scalars.
Notons que l'étape 110 peut être mise en œuvre sans nécessairement mettre en œuvre les étapes 120 à 150. Dans ce cas, le procédé permet d'effectuer une correction des grandeurs mesurées par le capteur. La fonction de réponse u du capteur peut alors être déterminée selon des procédés de l'art antérieur. Note that step 110 can be implemented without necessarily implementing steps 120 to 150. In this case, the method makes it possible to perform a correction of the quantities measured by the sensor. The response function u of the sensor can then be determined according to methods of the prior art.
Résultats expérimentaux. Experimental results.
Les inventeurs ont mis en œuvre le procédé précédemment décrit. Les paramètres de mise en œuvre sont les suivant. La calibration (étape 150) a été effectuée chaque jour, sur la base de mesures (étapes 100 à 130) effectuées durant les 7 derniers jours. The inventors have implemented the process described above. The implementation parameters are as follows. The calibration (step 150) was carried out each day, on the basis of measurements (steps 100 to 130) carried out during the last 7 days.
On a également établi une fonction de correction v prenant en compte la sensibilité du capteur à la température (étapes 80 à 84). Pour cela, on a utilisé des mesures effectuées chaque heure, durant 7 jours. A correction function v has also been established taking into account the sensitivity of the sensor to temperature (steps 80 to 84). For this, we used measurements taken every hour, for 7 days.
Les figures 5A et 5B représentent respectivement, pour un capteur disposé dans une même localisation : des concentrations de NO2 (figure 5A) et O3 (figure 5B) de référence (courbe a), mesurées par une station de référence considérée comme représentative du capteur ; des concentrations de NO2 (figure 5A) et O3 (figure 5B) mesurées par un capteur calibré respectivement en mettant en œuvre l'invention (courbe b) et en mettant en œuvre une calibration de l'art antérieur (courbe c). Pour effectuer la calibration, on a utilisé des concentrations issues de stations de référence, comme décrit en lien avec les étapes 121 à 123. Les figures 5C et 5D représentent respectivement, pour un capteur disposé dans une même localisation : des concentrations de NO2 (figure 5C) et O3 (figure 5D) de référence (courbe a) ; des concentrations de NO2 (figure 5C) et O3 (figure 5D) estimées par un capteur calibré respectivement en mettant en œuvre l'invention (courbe b) et sans mettre en œuvre l'invention (courbe c). Pour effectuer la calibration, on a utilisé des concentrations issues d'une base de donnée publique, comme décrit en lien avec l'étape 125. FIGS. 5A and 5B represent respectively, for a sensor placed in the same location: reference concentrations of NO2 (FIG. 5A) and O3 (FIG. 5B) (curve a), measured by a reference station considered as representative of the sensor; concentrations of NO 2 (FIG. 5A) and O 3 (FIG. 5B) measured by a sensor calibrated respectively by implementing the invention (curve b) and by implementing a calibration of the prior art (curve c). To perform the calibration, concentrations from reference stations were used, as described in connection with steps 121 to 123. FIGS. 5C and 5D represent respectively, for a sensor placed in the same location: reference concentrations of NO2 (FIG. 5C) and O3 (FIG. 5D) (curve a); concentrations of NO 2 (FIG. 5C) and O 3 (FIG. 5D) estimated by a sensor calibrated respectively by implementing the invention (curve b) and without implementing the invention (curve c). To perform the calibration, concentrations from a public database were used, as described in connection with step 125.
Le tableau 1 représente, en lien avec les mesures représentées sur les figures 5A à 5D, le coefficient de corrélation R2 ainsi que l'erreur absolue moyenne (MAE : Mean Absolute Error) en mettant en œuvre l'invention (colonne b) et sans mettre en œuvre l'invention (colonne c).
Figure imgf000021_0001
Table 1 represents, in connection with the measurements represented in FIGS. 5A to 5D, the correlation coefficient R 2 as well as the mean absolute error (MAE: Mean Absolute Error) by implementing the invention (column b) and without implementing the invention (column c).
Figure imgf000021_0001
Tableau 1 Table 1
Les indicateurs MAE et R2 sont nettement plus favorables en mettant en œuvre l'invention qu'en effectuant une calibration selon l'art antérieur, et cela quelle que soit l'approche retenue lors de l'étape 120 : concentrations résultant de stations de référence ou issues d'une base de données publique. The MAE and R 2 indicators are clearly more favorable by implementing the invention than by carrying out a calibration according to the prior art, and this regardless of the approach adopted during step 120: concentrations resulting from stations of reference or taken from a public database.
Ainsi, la mise en œuvre de l'invention permet une amélioration significative, et durable, de la précision des mesures. Thus, the implementation of the invention allows a significant and lasting improvement in the precision of the measurements.
La figure 6 est un exemple réel d'implantation de capteurs 3i dans une zone géographique urbaine, dans et autour de la ville de Grenoble (France). Chaque capteur est identifié par une marque comportant la lettre e. On a également représenté des stations de référence 5k, symbolisées par des polygones sombres. Les stations de référence sont utilisées pour effectuer une calibration des capteurs non pas en considérant la station la plus proche, mais à un instant auquel les concentrations résultant des stations de référence sont homogènes. FIG. 6 is a real example of the installation of 3i sensors in an urban geographic area, in and around the city of Grenoble (France). Each sensor is identified by a mark comprising the letter e. Also shown are 5k reference stations, symbolized by dark polygons. The reference stations are used to carry out a calibration of the sensors not by considering the closest station, but at a time at which the concentrations resulting from the reference stations are homogeneous.

Claims

REVENDICATIONS Procédé de calibration d'un capteur de gaz (3i), le capteur de gaz étant destiné à mesurer, à un instant (t), une grandeur (R(t)) dépendant d'une concentration d'un analyte dans l'air, le capteur de gaz étant déployé en une position dans une zone géographique, le capteur étant tel que la concentration de l'analyte est estimée, en chaque instant, en appliquant une fonction de réponse à la grandeur mesurée par le capteur audit instant, la fonction de réponse (u) comportant un produit d'un gain du capteur (g) par la grandeur mesurée, le procédé comportant : CLAIMS Method for calibrating a gas sensor (3i), the gas sensor being intended to measure, at a time (t), a quantity (R(t)) depending on a concentration of an analyte in the air, the gas sensor being deployed in a position in a geographical area, the sensor being such that the concentration of the analyte is estimated, at each instant, by applying a response function to the quantity measured by the sensor at said instant, the response function (u) comprising a product of a gain of the sensor (g) times the quantity measured, the method comprising:
- a) détermination de grandeurs (R(tc), v(R(tc)) issues du capteur à différents instants de calibration (tc), les instants de calibration étant répartis dans un même intervalle temporel de calibration (Atc); - a) determination of quantities (R(t c ), v(R(t c )) from the sensor at different calibration instants (t c ), the calibration instants being distributed in the same calibration time interval (At c );
- b) à chaque instant de calibration, détermination d'une concentration de référence chaque concentration de référence correspondant à une concentration estimée de l'analyte à la position du capteur ; - b) at each instant of calibration, determination of a reference concentration, each reference concentration corresponding to an estimated concentration of the analyte at the position of the sensor;
- c) prise en compte d'un modèle analytique de la fonction de réponse, le modèle analytique étant paramétré par au moins un paramètre, variable entre deux intervalles temporels de calibration différents, comprenant le gain du capteur ; - c) taking into account an analytical model of the response function, the analytical model being parameterized by at least one parameter, variable between two different calibration time intervals, including the gain of the sensor;
- d) à partir du modèle analytique résultant de c), des concentrations de référence résultant de b) et des grandeurs résultant de a), détermination du ou de chaque paramètre de la fonction de réponse ; le procédé étant caractérisé en ce que lors de l'étape b), chaque concentration de référence est une concentration établie à partir de concentrations de l'analyte, mesurées à l'instant de calibration, par plusieurs stations de référence (5k), différentes du capteur, et localisées dans la zone géographique, chaque instant de calibration étant un instant auquel les concentrations (Cfc=1(tc) ... . Ck=K tc)) mesurées par les différentes stations de référence sont considérées comme homogènes, le procédé étant tel que l'étape b) comporte : - d) from the analytical model resulting from c), reference concentrations resulting from b) and quantities resulting from a), determination of the or each parameter of the response function; the method being characterized in that during step b), each reference concentration is a concentration established from concentrations of the analyte, measured at the instant of calibration, by several reference stations (5k), different of the sensor, and located in the geographical area, each instant of calibration being an instant at which the concentrations (C fc=1 (t c ) ... . C k=K t c )) measured by the various reference stations are considered as homogeneous, the process being such that step b) comprises:
- b-i) prise en compte de concentrations (Cfc=1(t) ... . Ck=K(t)) mesurées par plusieurs stations de référence à un même instant ou à des instants suffisamment rapprochés pour être considérés comme confondus ; - bi) taking into account concentrations (C fc=1 (t) .... C k=K (t)) measured by several reference stations at the same instant or at sufficiently close instants to be considered as merged;
- b-ii) détermination d'un indicateur de dispersion (crc(t)) entre les différentes concentrations mesurées lors de i) ; - b-iii) prise en compte d'un critère de dispersion
Figure imgf000023_0001
;
- b-ii) determination of a dispersion indicator (cr c (t)) between the different concentrations measured during i); - b-iii) taking into account a dispersion criterion
Figure imgf000023_0001
;
- b-iv) comparaison de l'indicateur de dispersion au critère de dispersion ; - b-iv) comparison of the dispersion indicator with the dispersion criterion;
- b-v) lorsque la comparaison effectuée dans b-iv) montre que les concentrations résultant de b-i) sont faiblement dispersées, détermination d'une concentration de référence à partir des concentrations mesurées par les différentes stations de référence, l'instant auquel les concentrations sont mesurées étant un instant de calibration (tc). - bv) when the comparison made in b-iv) shows that the concentrations resulting from bi) are weakly dispersed, determination of a reference concentration from the concentrations measured by the various reference stations, the instant at which the concentrations are measured being a calibration instant (t c ).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape d) comporte un ajustement du modèle analytique en fonction des concentrations de référence
Figure imgf000023_0002
et des grandeurs résultant de a).
2. Method according to claim 1, in which step d) comprises an adjustment of the analytical model according to the reference concentrations
Figure imgf000023_0002
and quantities resulting from a).
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les étapes a) à d) sont effectuées sans déplacer le capteur de la position à laquelle il est déployé. 3. Method according to any one of the preceding claims, in which steps a) to d) are carried out without moving the sensor from the position in which it is deployed.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lors de la sous- étape b-v), la concentration de référence est obtenue à partir d'une valeur moyenne ou d'une valeur médiane des concentrations mesurées par les différentes stations de référence. 4. Method according to any one of the preceding claims, in which during sub-step bv), the reference concentration is obtained from an average value or a median value of the concentrations measured by the various monitoring stations. reference.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la durée de l'intervalle temporel de calibration (Atc) est supérieure à une journée. 5. Method according to any one of the preceding claims, in which the duration of the calibration time interval (At c ) is greater than one day.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins deux instants de calibration (tc), dans le même intervalle temporel de calibration (Atc), sont espacés d'une durée supérieure à 1 heure. 6. Method according to any one of the preceding claims, in which at least two calibration instants (t c ), in the same calibration time interval (At c ), are spaced apart by a duration greater than 1 hour.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les étapes a) à d) sont réitérées régulièrement, respectivement en différents intervalles temporels de calibration (Atc), de façon à mettre à jour la fonction de réponse (u) du capteur. 7. Method according to any one of the preceding claims, in which steps a) to d) are repeated regularly, respectively at different calibration time intervals (At c ), so as to update the response function (u) of the sensor.
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel deux intervalles temporels de calibration successifs sont décalés d'une durée supérieure à une journée. 8. Method according to claim 7, in which two successive calibration time intervals are offset by a period greater than one day.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une détermination d'une fonction de correction (v) de la grandeur mesurée (R) par le capteur en fonction d'un paramètre environnemental (P), le paramètre environnemental étant choisi parmi la température ou la pression ou l'humidité, le procédé comportant : 9. Method according to any one of the preceding claims, comprising a determination of a correction function (v) of the quantity measured (R) by the sensor as a function of an environmental parameter (P), the environmental parameter being chosen from temperature or pressure or humidity, the method comprising:
- i-1) établissement d'un modèle analytique d'évolution, représentant une évolution de la grandeur mesurée par le capteur en fonction du paramètre environnemental, le modèle analytique dépendant de coefficients (x,y); - i-1) establishment of an analytical evolution model, representing an evolution of the quantity measured by the sensor as a function of the environmental parameter, the analytical model depending on coefficients (x,y);
- i-2) mesures, par le capteur, de différentes grandeurs (R(t)) en différents instants, à différent niveaux (P(t)) du paramètres environnemental ; - i-2) measurements, by the sensor, of different quantities (R(t)) at different instants, at different levels (P(t)) of the environmental parameters;
- i-3) à l'aide des mesures résultant de i-2), détermination d'une fonction de variation, représentant une variation de la grandeur mesurée (R(t)) en fonction du paramètre environnemental, en présence d'une même concentration d'analyte ; - i-3) using the measurements resulting from i-2), determination of a variation function, representing a variation of the measured quantity (R(t)) as a function of the environmental parameter, in the presence of a same analyte concentration;
- i-4) calcul des coefficients du modèle analytique d'évolution à partir de la fonction déterminée lors de i-3 ; - i-4) calculation of the coefficients of the analytical evolution model from the function determined during i-3;
- i-5) détermination de la fonction de correction à partir du modèle d'évolution résultant de l'étape i-4) ; de telle sorte que suite à l'étape i-5), le procédé comporte à chaque instant de calibration (tc) :- i-5) determination of the correction function from the evolution model resulting from step i-4); such that following step i-5), the method comprises at each calibration instant (t c ):
- détermination d'un niveau du paramètre environnemental (P(tc)) à la position du capteur ; - determination of a level of the environmental parameter (P(t c )) at the position of the sensor;
- application de la fonction de correction (v) à la grandeur mesurée par le capteur (R(tc)), en prenant en compte le niveau du paramètre environnemental (P(tc)) déterminé à l'instant de calibration, de façon à obtenir une grandeur corrigée (v(R(tc)); de telle sorte que les grandeurs déterminées lors de l'étape a) sont des grandeurs corrigées, le procédé étant tel que lors de l'étape d),la détermination de chaque paramètre de la fonction de réponse (u) est effectuée en fonction de grandeurs corrigées ((v(R(tc)) à chaque instant de calibration. - application of the correction function (v) to the quantity measured by the sensor (R(t c )), taking into account the level of the environmental parameter (P(t c )) determined at the moment of calibration, so as to obtain a corrected quantity (v(R(t c )); such that the quantities determined during step a) are corrected quantities, the method being such that during step d), the determination of each parameter of the response function (u) is performed as a function of corrected quantities ((v(R(t c )) at each calibration instant.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'étape i-3) comporte : 10. Method according to claim 9, in which step i-3) comprises:
- i-3a) pour différents niveaux du paramètre, calcul d'une valeur moyenne ou d'une médiane des grandeurs résultant de l'étape i-2) respectivement; - i-3a) for different levels of the parameter, calculation of an average value or of a median of the quantities resulting from step i-2) respectively;
- i-3b) détermination de la fonction de variation à partir des valeurs calculées, respectivement pour chaque niveau du paramètre, lors de i-3a). - i-3b) determination of the variation function from the calculated values, respectively for each level of the parameter, during i-3a).
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, dans lequel les étapes i-1) à i- 5) sont mises en œuvre successivement pour différents paramètres environnementaux, choisis parmi la température, la pression ou l'humidité, de façon à obtenir, pour chaque paramètre, une fonction de correction. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, dans lequel le capteur de gaz est un capteur électrochimique, comportant un matériau de détection, la valeur mesurée correspondant à un intensité ou une différence de potentiel aux bornes du matériau de détection, ou à une résistance du matériau de détection. Capteur de gaz, agencé pour délivrer une grandeur physique dépendant de la concentration d'un analyte dans un gaz auquel le capteur est exposé, le capteur de gaz étant relié à une unité de traitement programmée pour mettre en œuvre les étapes a) à d) d'un procédé selon quelconque des revendications précédentes. Procédé de mesure d'une concentration d'un analyte dans un gaz, à partir d'un capteur de gaz selon la revendication 13, le procédé comportant : 11. Method according to any one of claims 9 or 10, in which steps i-1) to i-5) are implemented successively for different environmental parameters, chosen from temperature, pressure or humidity, so as to obtain, for each parameter, a correction function. Method according to any one of Claims 9 to 11, in which the gas sensor is an electrochemical sensor, comprising a detection material, the measured value corresponding to an intensity or a potential difference at the terminals of the detection material, or to a resistance of the sensing material. Gas sensor, arranged to deliver a physical quantity depending on the concentration of an analyte in a gas to which the sensor is exposed, the gas sensor being connected to a processing unit programmed to implement steps a) to d) of a method according to any preceding claim. A method of measuring a concentration of an analyte in a gas, from a gas sensor according to claim 13, the method comprising:
- mesure d'une grandeur (R(t)) par le capteur, à un instant, la grandeur dépendant d'une concentration d'un analyte dans un gaz auquel est exposé le capteur audit instant ;- measurement of a magnitude (R(t)) by the sensor, at a time, the magnitude depending on a concentration of an analyte in a gas to which the sensor is exposed at said time;
- application d'une fonction de réponse (u) à ladite grandeur ; - application of a response function (u) to said quantity;
- estimation de la concentration de l'analyte dans le gaz (C(t)), audit instant, à partir de la fonction de réponse et de la grandeur mesurée par le capteur ; le procédé étant tel que la fonction de réponse est établie en mettant en œuvre les étapes a) à d) d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12. - estimation of the concentration of the analyte in the gas (C(t)), at said instant, from the response function and the quantity measured by the sensor; the method being such that the response function is established by implementing steps a) to d) of a method according to any one of claims 1 to 12.
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