Brevet FR2712984A1 — publié le 19950602

L'invention concerne un procédé et une installation pour la surveillance biologique en temps réel de paramètres physico-chimiques des milieux aqueux. utilisant des signaux électriques émis par des animaux aquatiques électrogènes. I1 existe déjà un dispositif de ce type décrit dans le document DE 2 906 884 et permettant de surveiller la qualité de l'eau au moyen d'un poisson électrique placé dans un bac d'observation. L eau du bac est reliee à une électrode pour la réception des décharges du poisson qui sont amplifiees et enregistrées. Une alarme est prévue en cas de dépassement de limites prealablement fixées. Selon ce document - Le dispositif fonctionne préférentiellement avec des poissons électriques de type pulsatoire irregulier basse fréquence (Gnathonemus petersii et Mormyrus irasselquisti ) mais également avec une espèce ondulatoire basse fréquence ( Gymnarchusniloticics ). I1 est basé sur la mesure en continu d'un ou plusieurs paramètres non clairement énoncés ; il s'agit soit de l'intensité (on parle de O à 5 mA), soit de la tension des signaux (on parle de voltmètre digital), soit de la fréquence (on parle de rythmes nycthéméraux de décharges du poisson). Cette dernière grandeur étant extrêmement variable pour les poissons considérés. même en l'absence de perturbation(s) environnementale(s), l'exploitation du procédé nécessite un traitement statistique complexe des decharges. Le dispositif comporte en outre un système de réveil du poisson pour l'empêcher d'observer les périodes de repos diurne pendant lesquelles sa frequence d'émission diminue. Cette activité forcée du poisson entraine des perturbations de mesure ; en outre elle est néfaste au poisson et n'est donc pas admissible. L'idée inventive consiste à utiliser des animaux électrogènes ondulatoires haute fréquence et/ou pulsatoires réguliers, en mesurant notamment la fréquence d'émission des décharges ainsi que l'intensité et la forme de leurs signaux. Leur particularité est d'émettre des signaux électriques dont les caractéristiques sont extrêmement stables dans le temps lorsque les conditions environnementales sont elles-memes stables. Selon un mode de réalisation préféré mais non limitatif de l'invention, on utilise comme animal-test une espece de poissons appelée Apteronotus albifrons. Apteronotusalbij?ons émet un signal ondulatoire de faible amplitude (quelques volts au contact du poisson, quelques millivolts dans les électrodes de captage) et d'une fréquence voisine de 1 000 Hz, extrêmement stable dans le temps (variation de l'ordre de 0,1 %) lorsque les conditions environnementales sont elles-mêmes stables. De plus son signal, loin d'être sinusoldal, comporte un large spectre d'harmoniques que l'on peut également exploiter pour la bio-surveillance de paramètres physico-chimiques des milieux aqueux. Ainsi ces poissons tropicaux délivrent continuellement un courant électrique, qu'ils modulent en intensité, en forme et en fréquence suivant divers facteurs de l'environnement tels que la température, le pH, l'oxygène, la présence de substances toxiques,... En résumé, nous avons pour point de départ la constatation qu'à environnement stable, les caractéristiques du signal électrique sont également stables, et comme résultat à exploiter le fait que des modifications de facteurs environnementaux entraient une variation des caracteristiques du signal électrique en terme - de fréquence abaissement, augmentation, pics de fréquence,... - d'intensité du signal électrique, - de forme du signal, c'est-à-dire modification du spectre des harmoniques. L'analyse de ces trois caractéristiques du signal électrique ainsi qu'une etude éventuelle du comportement moteur de l'animal-test par exemple par systeme vidéo fourniront l'information exploitée par le procédé et l'installation selon l'invention. Un premier problème à résoudre concerne la dépendance très nette de la fréquence du poisson vis- -vis de la température de l'eau du bac. I1 s'avere difficile de déterminer précisément les réponses du poisson suite à des variations de facteurs physiques ou chimiques de l'environnement comme par exemple le pH et l'oxygène ou à une presence d'hydrocarbures et d'autres substances toxiques, si la température de l'eau n'est pas maîtrisée parfaitement. L'objectif de l'invention pour résoudre ce premier problème est de stabiliser la température de l'eau au niveau de l'animal-test pour éviter d'obtenir, dans des conditions standards (en dehors de toute pollution), de brusques variations de la fréquence de l'animal-test de l'ordre de quelques Hertz dans un laps de temps court (hormis les pics de frequence naturels de l'animal-test). En effet, étant donné l'étroite dépendance existant entre température et fréquence, il est nécessaire de s'affranchir totalement du facteur température de façon à pouvoir enregistrer et analyser à tout moment une variation d'une ou plusieurs caractéristiques du signal électrique de l'animal-test lors d'une perturbation environnementale. Un autre problème à résoudre concerne la fréquence du réseau qui peut induire des parasites, ce problème est résolu entre autre par le choix d'une espèce, dont l'espèce citee, qui émet des signaux à hautes fréquences donc nettement différenciables de la fréquence du réseau. Les objectifs principaux de l'invention sont - concevoir un système utilisable en circuit fermé par exemple pour des études expérimentales, ou en circuit ouvert par exemple pour la surveillance en temps réel des eaux de surface - mettre en place un appareillage de thermorégulation performant, capable de maintenir la température de l'eau de l'aquarium la plus constante possible - mettre en place un système permettant d'obtenir une bonne homégénéisation du liquide à surveiller au niveau du bac de contention, c'est-à-dire optimiser la forme du bac de contention, son volume, le taux de renouvellement de l'eau distribuée dans le bac de contention et dont on veut tester la qualité, le système d'arrivée d'eau dans ce bac. - pour la détection de toxicité, insérer éventuellement dans l'installation un bac de brassage dans le but d'homogénéiser le milieu - réduire au minimum le volume d'eau circulant en amont du bac de contention pour que le temps de réponse de l'animal-test, mis en presence d'un éventuel polluant, soit le plus petit possible. Les problèmes cités sont résolus et les objectifs fixés sont atteints grâce au procédé selon l'invention qui utilise les signaux émis par des animaux électrogènes ondulatoires, hautes fréquences et/ou pulsatoires réguliers et plus particulièrement par Apterononcs albifrons. Le procédé selon l'invention se caractérise en ce qu'il comporte des étapes successives de stabilisation thermique de l'eau captee, distribution d'eau dans un ou plusieurs bacs de contention contenant chacun un animal-test, traitement des informations avec correction de mesures en fonction d'au moins un paramètre influant sur le signal et n'entrant pas dans le cadre d'une pollution ou d'une perturbation du liquide à surveiller. De plus, le procédé nécessite l'établissement préalable d'une carte d'identité électrique de l'animal-test pour déterminer les bornes entre lesquelles varient les différentes caractéristiques du signal électrique mesurées dans des conditions standards (milieu non pollué). De préférence, on utilisera des poissons relais à phase d'activité nycthémérale artificiellement décalée. L'invention porte également sur toutes les installations qui mettent en oeuvre le procédé précité. On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description qui suit faite en référence aux figures annexées suivantes - figure 1 : schéma de principe du circuit électrique et électronique, - figure 2 : schéma de principe d'une première variante du circuit hydraulique, - figure 3 : schéma de principe d'une deuxième variante du circuit hydraulique, - figure 4 : schéma d'une installation sur site d'une centrale de surveillance de pollution d'eaux de surface, - figure 5 : synoptique du programme de traitement. La figure 1 est un schéma de principe du circuit électrique et électronique de l'invention qui comporte les étapes de captage, traitement des informations captées, exploitation des données. LE CAPTAGE : L'information électrique d' Apteronotusalbifrons (1) est recueillie par au moins deux électrodes (2) par exemple en inox plongées verticalement dans le plan médian de l'eau d'un aquarium (3). Elles déterminent un canal de captage qui recueille les variations ondulatoires du champ électrique dont s'entoure continuellement l'animal-test (1). Une sonde thermique (9) détecte la température du bain. Le captage de l'information électrique est optimal lorsque l'animal-test se tient dans le plan déterminé par les électrodes. Ce problème est résolu par la mise en place à l'endroit voulu d'un refuge (4), par exemple un tube en PVC dans lequel se loge Apteronotlv albifro , cette espèce ayant l'habitude dans la nature de se loger dans des cavités cu des trous. LE TRAITEMENT DE L'INFORMATION : Les variations périodiques ainsi collectées par les électrodes sont faibles (quelques millivolts). Elles font l'objet d'une amplification par exemple par un préamplificateur suivi d'un amplificateur différentiel (5) (avec trois électrodes par exemple) qui porte leur valeur à 12 Volts par exemple, sans modification de leur forme, ni de leur fréquence. L'EXPLOITATION INFORMATIQUE DU SIGNAL ELECTRIQUE par un micro-ordinateur (6) l'enregistrement concerne 1. La fréquence de l'animal-test : enregistrement à des intervalles de temps définis (de quelques centièmes de secondes à quelques secondes ou minutes) du nombre d'impulsions électriques par seconde. 2. La forme et l'intensité du signal électrique, en particulier, étude des harmoniques (analyse de Fourier). Le logiciel développé spécifiquement pour cette étude permet la mesure de la fréquence avec une précision de I/lOème de Hertz. Les mesures se font généralement toutes les secondes (possibilité de travailler sur des intervalles de temps plus grands ou plus petits que la seconde) ; la frequence est visualisée en temps réel sur un écran (7) et stockée automatiquement dans des fichiers (de 4 heures pour des mesures toutes les secondes) sur une période pratiquement illimitée. Par ailleurs, le logiciel permet la visualisation en temps pseudo-réel (fonction oscilloscope) de la forme du signal. Toutes les n secondes, un fichier "image" de la courbe peut être stocke sur un disque pour une analyse de Fourier. Par ailleurs, la température de l'eau de l'aquarium où est maintenu l'animal-test est visible à l'écran (7) et stockee en temps réel (précision de l'ordre du 1/100ème de degrés Celsius). L'analyse des caractéristiques du signal électrique l'analyse informatique se fait selon le programme dont synoptique en figure 5 (donné à titre d'exemple non limitatif) Pour chaque animal, une carte d'identité électrique sera préalablement établie afin de déterminer les bornes entre lesquelles varient les différentes caractéristiques du signal électrique dans des conditions standards (milieu non pollué). Les signaux sont traités en parallèle selon trois axes A, B, C (voir figure 5) qui se décomposent comme suit - phase Al : Mesure de la fréquence, - phase A2 : Correction de la mesure en fonction des paramètres mesurés en phase C1, - phase A3 : Comparaison avec la moyenne glissante des "n" dernières mesures, - phase B1 : Capture de la forme du signal et analyse spectrale, - phase B2 : Comparaison avec la "carte d'identité" électrique de l'animal en fonction des paramètres mesures en phase C1, - phase C1 : Mesure de la température et éventuellement des paramètres influant sur le signal et n'entrant pas dans le cadre d'une pollution. Par système de comparaison classique, si les mesures sont normales, ou si une alerte n'est pas confirmée, le programme est réinitialisé, si l'alerte est confirmée une alarme se déclenche et met en route des procédures variables selon l'origine de l'alerte. Differents moyens de surveillance et de déclenchement d'alarme peuvent être mis en oeuvre tel que : télésurveillance, téléaction, vidéo. La figure 2 est un schéma de principe du circuit hydraulique et de régulation thermique pour la mise en oeuvre de l'invention. On distingue les principales étapes suivantes a) le prélèvement continuel du liquide dont on veut tester la qualité, au moyen d'une pompe à un débit régulier de façon à renouveler le milieu correctement. b) selon les situtations, étape éventuelle pour l'élimination des particules en suspension. Ceci sera realisé par exemple par un système de filtration ou par exemple par une décantation lamellaire ; une étape de brassage du liquide à surveiller peut également être intercalée. c) préchauffage grossier du liquide avec un régulateur thermique fonctionnant en tout ou rien, d) chauffage très précis du liquide à la température idoine pour l'animal-test (1) (i.e. 26-27"C). Ceci est réalise au moyen d'une unité thermorégulatrice très précise comportant un regulateur performant, pilotant un gradateur (unité de puissance à thyristors) et d'une sonde platine type Pt 100 située en sortie du réchauffeur, c'est-à-dire dans la conduite entre le bac de chauffage et le bac de contention. Le régulateur délivre un signal variable de O à 20 mA au gradateur, correspondant à une régulation variable de la puissance des résistances. Cette unité thermorégulatrice doit permettre une arrivée de liquide dans le bac de contention (3) à une température tres stable (de l'ordre de 0,1"C) malgré les écarts thermiques du liquide prélevé au départ. I1 est important de noter la nécessité d'une alimentation en liquide à température extrêmement constante dans le bac de contention, étant donné l'étroite corrélation existant entre ce facteur et la fréquence de décharges d' Apterononzalbiprons . En effet, suivant les individus nous enregistrons une variation de 40 à 45 Hz par degré Celsius, ces deux grandeurs variant dans le même sens. e) distribution du liquide thermorégulé dans un ou plusieurs bacs de contention calorifugés (3). Le liquide thermorégule est distribué à la base du bac (3) de contention de forme cylindro-conique et est evacué par un dispositif de récupération en surface. L'animal-test (1) est donc soumis à un courant de liquide vertical. La forme cylindro-conique est préférable à la forme parallélépipèdique pour une distribution homogène de liquide sur la section entière du bac. Afin de s'affranchir des variations individuelles des animaux-tests, nous enregistrerons les réponses électriques et comportementales de façon simultanée sur plusieurs animaux par exemple trois animaux (la, lb, lc). Aussi le liquide thermorégulé sera réparti sur trois unités cylindro-coniques (3a, 3b, 3c). Nous envisageons éventuellement un système de bacs-relais, c'est-à-dire un dispositif comprenant deux ou plusieurs groupes de trois bacs. En effet, pour l'animal-test utilisé ici certaines informations électriques sont plus facilement recueillies durant la phase diurne (correspondant à la phase de repos du poisson). Aussi l'idée d'utiliser deux, voire trois animaux-relais, afin qu'il s'en trouve toujours un en phase éclairée, constituera éventuellement un recours intéressant pour une surveillance en continu de la qualité des eaux. Les mesures se feront alors sur le ou les animaux en phase éclairée. Sur la figure 2 on a représenté un système avec animaux relais comportant deux unités de trois bacs (3a, 3b, 3c) et (30a, 30b, 30c) et deux groupes de trois animaux-tests (la, lb, lc) et (lOa, lOb, lOc) dont on décale artificiellement de douze heures les phases diurne et nocture, les mesures se faisant sur le groupe en phase diurne ici le groupe (la, lb, lc), le groupe relais étant en phase nocturne. A titre d'exemple, la figure 3 montre deux unités de bacs (3a, 30a) et (3b, 30b) comportant chacune deux poissons (la, 10a) et (lb, lOb) décalés entre eux de douze heures et une unité de bacs (3c, 30c, 300c) comportant trois poissons (lc, lOc, lOOc) décalés dans le temps avec des périodes de recouvrement de quatre heures, chaque poisson ayant douze heures de jour et douze heures de nuit. Bien entendu les nombres d'unités de bacs, ou de bacs dans une unité, ou le nombre d'heures de décalage ou de recouvrement des activités nycthémérales sont choisis en fonction de l'application considérée. Les bacs peuvent être alimentés en parallèle (figures 3, 4) ou en série (figure 2), dans tous les cas on introduit le liquide en partie basse du bac et on l'évacue en partie haute ceci pour forcer les polluants à faible solubilité et formant un film superficiel tel que les hydrocarbures à traverser les refuges (4). La figure 4 montre à titre d'exemple non limitatif une installation de mise en oeuvre de l'invention en circuit ouvert. Les eaux de surface prélevées dans le site à surveiller sont envoyées après pompage et filtrage en partie basse d'un bac de brassage (11) classique à pales prevu en amont d'un bac de chauffage (12) pour homogénéiser le milieu. Le bac de chauffage (12) comporte une pluralité de résistances disposées par exemple horizontalement et en chicanes. L'eau est portée à une température constante appropriée à la vie des poissons tropicaux (comprise entre 25 et 280) à partir d'une température du liquide de prélèvement très variable selon la saison. La sonde qui pilote le thermorégulateur (13) enregistre la température de l'eau à la sortie du bac de chauffage. Le liquide thermorégulé est envoyé ici dans deux unités de plusieurs bacs de contention (dont deux seulement sont représentés), alimentés en parallèle et disposés en cercle autour du bac de brassage (11). Chacun des bacs présente ici une section circulaire mais cette forme n'est pas limitative (elle pourrait par exemple être elliptique selon la qualité de captage du signal). Le fond d'un bac (3) ou (30) comporte une pluralite de plaques perforées (9) pour homogénéiser le flux dans le bac, un refuge (4) en forme de tube perforé dont les perforations permettent d'une part de laisser passer le flux vertical d'autre part d'observer le poisson, un dispositif de prélèvement de liquide (14) en surface avec une conduite (15) pour le rejet sur le site surveillé. Les electrodes (2) sont placées verticalement près des parois des bacs (3) et dans le plan longitudinal de symétrie du tube (4) pour un captage optimal des signaux. Une pompe (15) assure un débit constant. Les systèmes de commande, de surveillance, d'alarme électrique et/ou sonore et/ou visuelle, ne sont pas représentes sur les figures. On peut en outre ajouter selon les besoins - un dispositif de surveillance vidéo, une modification comportementale du poisson pouvant constituer une alerte (par exemple si l'animal-test vient piper en surface), - un dispositif de prélèvement automatique d'échantillons de liquide en cas d'alerte pour analyses, - un dispositif "eau-claire" pour sauver les poissons en cas de pollution par coupure du circuit hydraulique et branchement automatique sur un circuit d'eau non polluée, - une unité de surveillance de divers paramètres physico-chimiques (comme pH, oxygène, turbidité, conductivité, ammoniaque, etc...) par des capteurs physico-chimiques spécifiques et renvoyant l'information collectée au niveau de l'ordinateur, - les performances et avantages de l'invention sont nombreux et notamment - sa précision, - sa rapidité (étude de réponses sublétales), - sa sensibilité, - sa fiabilité, - sa mise en oeuvre aisée, - son adaptabilité à des applications diverses, - une approche très complète des caractéristiques du milieu à surveiller (approche biologique, physique et chimique). - sa capacité de détecter en continu et en temps reel. Le domaine d'application du procédé ou d'une installation selon l'invention n'est pas limité à la surveillance des eaux de surface en vue de détecter l'apparition d'une pollution, mais il peut être étendu à - la surveillance et/ou au contrôle de tous les milieux aqueux dans des domaines industriels variés (par exemple dans des laboratoires pharmaceutiques pour surveiller la stabilité en concentration d'une substance - la detection et/ou la mesure et/ou la régulation de temperature ou de variations de température nécessitant une precision bien supérieure à celle des appareils connus actuellement, et ce dans n'importe quel domaine industriel (precision du poisson de l'ordre du millième de degré). Enfin, d'une façon générale l'invention n'est pas limitée à l'utilisation de Apteronotus albifrorn car tous les animaux aquatiques ondulatoires haute fréquence et/ou pulsatoires réguliers peuvent convenir. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la surveillance biologique en temps reel de paramètres physico-chimiques des milieux aqueux utilisant des signaux électriques émis par des animaux-tests aquatiques électrogènes caractérisé en ce qu'il utilise les signaux émis par au moins un animal-test aquatique appartenant à l'ensemble (ondulatoire haute fréquence, pulsatoire régulier). 2. Procédé selon la revendication precédente caractérise en ce que au moins un des animaux-tests de l'ensemble choisi est un poisson. 3. Procédé selon la revendications 2 caractérisé en ce qu'il utilise au moins un poisson de l'ordre desGymnotiformes 4. Procédé selon la revendication 3 caractérise en ce qu'il utilise une espèce appelée Apteronohss aibifrons 5. Procéde selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comporte des étapes successives de stabilisation thermique (c, d) du liquide capté, de distribution de liquide dans un ou plusieurs bacs de contention (3) contenant chacun un animal-test (1), de traitement des informations avec correction de mesures en fonction d'au moins un paramètre influant sur le signal. 6. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que le traitement de données nécessite l'établissement préalable d'une carte d'identité électrique de l'animal-test (1) pour déterminer les bornes entre lesquelles varient les différentes caractéristiques du signal électrique dans des conditions standards (milieu non pollué). 7. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il comporte un programme informatique dans lequel les signaux sont traités en parallèle selon trois axes A, B, C (voir figure 5) qui se décomposent comme suit - phase Al : Mesure de la fréquence, - phase A2 : Correction de la mesure en fonction d'au moins un paramètre mesuré en phase C1, - phase A3 : Comparaison avec la moyenne glissante des "n" dernières mesures, - phase B1 : Capture de la forme du signal et analyse spectrale, - phase B2 : Comparaison avec la "carte d'identité" électrique de l'animal-test en fonction des paramètres mesurés en phase C1, - phase C1 Mesure de la temperature et éventuellement d'autres paramètres influant sur le signal, puis, par système de comparaison classique, si les mesures sont normales, ou si une alerte n'est pas confirmée, le programme est réinitialisé au début, si l'alerte est confirmee une alarme se déclenche et met en route des procédures variables selon l'origine de l'alerte. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on utilise des animaux relais à phase d'activité nycthémérale artificiellement décalée, de façon à ce qu'on ait en permanence au moins un animal-test en phase diurne durant laquelle sont généralement effectuées les mesures. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on enregistre les réponses simultanément sur un groupe d'animaux-tests pendant leur phase de repos. 10. Installation pour la surveillance biologique en temps réel de paramètres physico-chimiques des milieux aqueux utilisant des signaux électriques émis par au moins un animal-test aquatique électrogène caractérisée en ce qu'elle comporte - un systeme de captage des signaux électriques avec au moins un bac de contention (3) contenant un animal-test (1) appartenant à l'ensemble (ondulatoire haute fréquence pulsatoire regulier), ledit bac étant équipé d'electrodes recueillant le signal et d'autre part traversé en continu par un flux homogénéisé du liquide à surveiller, - un système de traitement des signaux recueillis par les électrodes, - un système d'exploitation des signaux. 11. Installation selon la revendication 10 caractérisée en ce qu'elle comporte une unité thermoregulatrice tres précise (12) en amont du ou des bacs de contention (3) pour une regulation précise de la température dans les bacs de contention. 12. Installation selon l'une des revendications 10 à 11 caractérisée en ce qu'elle comporte en amont du bac de chauffage (12), un bac de brassage (11). 13. Installation selon l'une des revendications 10 à 12 caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux bacs relais par unité de bacs tels que (3a, 30a) (3b, 30b) (3c, 30c, 300c) dans le but de décaler artificiellement les phases d'activité nycthémérale des animaux-tests entre eux à l'intérieur d'une même unité de bacs. 14. Installation selon l'une des revendications 10 à 12 carcatérisée en ce qu'elle comporte au moins deux unités de bacs tels que (3a, 3b, 3c), (30a, 30b, 30c) dans le but de décaler artificiellement les phases d'activite nycthémérale d'un groupe d'animaux-tests (la, lb, lc) par rapport à l'autre groupe (lOa, lOb, lOc).