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Manuel de dépannage d’une sonde CTD Seabird

Publié le vendredi 16 février 2018.

Mise à jour : 28/11/2019

Introduction

Lors des campagnes océanographiques, des profils verticaux sont réalisés à intervalles réguliers avec une sonde CTD-02, pour "Conductivity-Temperature-Depth-Oxygen". Cet instrument permet de mesurer avec une très grande précision la température, la salinité et oxygène dissous de l’océan le long de la colonne d’eau par la mesure de la pression.

La sonde hydrologique CTD-02 qui est le plus fréquemment utilisée dans les laboratoires est une sonde de marque SEABIRD, modèle SBE911+V2, sonde qui est équipée des capteurs suivants :

un capteur de pression de type Digiquartz® développé par la société Paroscientific Inc. Il est muni d’un capteur de température interne afin d’effectuer une correction de température sur la mesure de pression. Il permet de réaliser des mesures de 0 à 10000 psi (’pound per square inch, absolute’) soit 6800 dbars, avec 1 dbar=1.4503774 psia et une résolution de 0.001% de la pleine échelle (soit 0.068 dbar) et une exactitude de 0.015% de la pleine échelle (soit environ 1 dbar).
deux capteurs de température ; capteurs à sonde de platine, permettent des mesures entre -5°C et +35°C, avec une résolution de 0.0002°C et une exactitude de 0.002°C.
deux capteurs de conductivité ; capteurs à électrodes placés dans un tube en verre, mesurent la conductivité absolue. La gamme de mesure se situe de 0 à 7 S/m (Siemens par mètre, équivalent à 0-70 mho/cm) , avec une résolution de 4.10-5 S/m et une exactitude de 0.0003 S/m.
deux capteurs capteurs d’oxygène dissous, à membrane polarographique, permettent des mesures dans une gamme de 0 à 120% de saturation et une exactitude de 2% dans la gamme de mesure.
deux pompes externes relient chacun des jeux de capteurs T/C et 02, afin d’assurer une meilleure synchronisation de leurs réponses dynamiques. De même, chaque capteur de température est relié au capteur de conductivité par un conduit (TC duct), afin que les 2 capteurs mesurent exactement la même eau. Le capteur de température ayant un temps de réponse de 70 ms, l’eau de mer en passant dans le TC-duct met exactement 70 ms pour être mesurée par le capteur de conductivité, capteur dont la réponse est instantanée.

Cette sonde hydrologique CTD-02 Seabird est généralement installée horizontalement sur un châssis sur lequel est incorporé une "rosette" ou "carousel" suivant le fabricant. Cette rosette permet d’échantillonner à la remontée de l’eau de mer à différentes profondeurs. Elle peut être équipée de 12 ou 24 bouteilles de prélèvements de capacités variables allant de 5 à 12 litres suivant l’espace disponible à bord du navire et les besoins des équipes scientifiques.

Des capteurs supplémentaires peuvent être installés sur la CTD ou sur le châssis de la rosette, voir ci dessus la photo d’une CTD Seabird 911+ et d’un carousel SBE32 sur le N/O Antea. La sonde CTD-O2 est équipée de capteurs supplémentaires :

un fluorimètre ECO-FL de chez Wetlabs pour la mesure de la chlorophylle.
un transmissiomètre C-Star de chez Wetlabs.
un capteur de lumière (PAR).
un altimètre pour mesurer la distance entre la CTD et le fond.
2 LADCP (courantomètre Doppler) pour la mesure du courant le long du profil vertical.

Les prélèvements sont effectués à la remonté et des analyses seront effectués par les équipes de chimistes, soit à bord, soit de retour au laboratoire après conservation des échantillons.

Bathysonde CTD Seabird et ses 11 bouteilles de prélèvements 8 litres sur l'Antéa

L’ensemble du système de mesure que l’on nomme communément "bathysonde" est relié au navire par un câble électro-porteur mis en œuvre avec un treuil électrique dédié.

L’unité de pont SBE11 (deck-unit) est reliée à un contact tournant en sortie du treuil permettant d’alimenter la bathysonde en énergie électrique et de récupérer les données en temps réel avec un ordinateur relié à l’unité de pont. Le logiciel Seasave fournit par Seabird va extraire dans le flux d’information les données brutes des capteurs (des valeurs de fréquences et de tensions) pour les convertir en grandeurs physiques à partir des coefficients de calibrations des capteurs utilisés.

Schéma de principe d'une bathysonde utilisée en temps réel

Le système de mesure est composé des éléments suivants :

Chaine alimentation
1. Unité de pont
2. Contact tournant
3. Cable electro-porteur
4. Epissure
Bathysonde
1. Conteneurs étanches
  1. CTD SBE9
  2. Carousel SBE32
  3. Capteurs
  4. Pompes
2. Câbles
3. Connecteurs étanches
Chaine d’acquisition
1. PC d’acquisition
2. Interfaces
3. Logiciel d’acquisition Seasave

Étant donné qu’une bonne partie des éléments constituants la chaine de mesures sont utilisés dans l’eau de mer, milieu hostile par définition, lors d’un dysfonctionnement, il n’est pas toujours aisé de déterminer l’origine du problème. L’objectif de ce document est de faciliter le diagnostique des pannes par un partage de nos expériences vécues.

Confection d’un câble de test

Ce câble permettra de vérifier rapidement le bon fonctionnement de la bathysonde SBE911+ en reliant directement l’unité de pont (deck-unit) SBE11+ à la CTD-O2 SBE9+ :

se procurer auprès de Seabird un câble PN 80915 SBE9plus to SBE 11plus (with XSG connector, length 10 m), DN 31314B
si la distance entre l’unité de pont et la CTD est importante, confectionner un câble de test de 30 m avec des prises BNC serties aux 2 extrémités et couper le câble PN 80915 en y sertissant des prises BNC femelle à chaque extrémité.

Branchement du câble électro-porteur

Tester l’isolement et la continuité du câble avant d’effectuer la connexion de la bathysonde.
Brancher l’unité de pont, vérifier avec un voltmètre à l’autre extrémité du câble électro-porteur la présence du 250 V continu à la mise sous tension.
Mettre l’unité de pont hors tension.
Réaliser l’épissure, voir le billet sur le sujet.
Vérifier de nouveau avec un voltmètre sur le connecteur étanche RMG-2FS la présence du 250 V continu à la mise sous tension de l’unité de pont.
Si tout est correct, mettre l’unité de pont hors tension.
Brancher la CTD avec le connecteur étanche RMG-2FS
Mettre l’unité de pont sous tension et vérifier son bon fonctionnement.

En cas de problème, on alimentera directement la CTD sur le pont avec le câble de test afin d’isoler l’origine de la panne : la CTD ou bien l’ensemble câble électro-porteur.

Quelques exemples de pannes

Collecteur tournant :
Il assure la continuité électrique au niveau du treuil entre l’alimentation en provenance de l’unité de pont SBE11+ et le câble électro-porteur.

Cette continuité est obtenue avec l’utilisation d’une boite de jonction ou en réalisant une soudure étanche directement sur le câble. Si la soudure n’est pas correctement réalisée, ou si elle est soumise à des efforts mécaniques trop importants lors de la rotation du treuil, il se peut que le conducteur en sortie du collecteur se coupe, avec comme effet une panne alimentation franche, assez facile à détecter.
Il m’est déjà arrivé de réaliser l’ensemble des tests : tests d’isolement et de continuité bons, test d’alimentation de la CTD correct puis à la troisième mise sous tension, plus rien, la CTD ne semble plus alimentée !.
On utilise alors le câble de test, en direct, pour vérifier que la CTD fonctionne toujours correctement. Dans l’affirmative, c’est soit l’épissure, soit le collecteur tournant.
Dans ce cas présent, il ne restait sans doute qu’un seul brin de cuivre sur la soudure entre le contact tournant et le câble électro-porteur, brin qui à du faire fusible à la troisième mise sous tension !

Court circuit : dans cet exemple, une vis mal serrée dans la boite de jonction située sur le flasque du treuil et assurant la liaison électrique et mécanique entre le contact tournant et le câble électro-porteur réalisait un court circuit intermittent, perturbant fortement la qualité du signal ! En cas de court-circuit franc, c’est le fusible du circuit alimentation de la bathysonde, nommé "sea-cable" sur la face arrière de l’unité de pont qui doit fondre (500 mA rapide). Il est fortement conseillé d’en avoir un stock conséquent à bord.

Épissure :
Voir l’article "Réaliser une épissure sur un câble électroporteur"
Les symptômes d’une épissure défaillante sont :

Court-circuit franc : le fusible rapide "sea-cable" fond.

Bathysonde sur le pont, débrancher les connecteur alimentation et vérifier que le + et le moins ne sont pas en court-circuit.
Vérifier l’isolement avec un mégohmmètre.
Si tout est normal, brancher un voltmètre sur le connecteur étanche RMG-2FS et mesurer le voltage à la mise sous tension, on doit avoir environ 250 V continu. Vérifier les polarités.
Si le 250V continu est présent, brancher la sonde et bouger l’épissure, en cas de rupture proche, on doit avoir des faux contacts, si c’est le cas, couper l’alimentation et refaire l’épissure.

Le fusible rapide "sea-cable" peut également fondre avec un problème sur un des capteurs, voir ci-dessous.

Câbles - Connecteurs

Les câbles sont un des éléments sensibles et fragiles du système. Sur une sonde Seabird, ils sont nombreux, voir envahissants si l’on équipe la CTD avec des capteurs supplémentaires et/ou le châssis de la bathysonde de courantomètres Doppler LADCP. Il faudra prendre un soin tout particulier lors de la mise en place des câbles et de leur fixation. En effet, ils peuvent vibrer lors du profil (réalisé à 1 m/s) et finir par engendrer des faux-contacts.

Privilégier l’utilisation de ruban adhésif comme le Scotch 3M 33+ par rapport aux colliers plastique de type Legrand, Penduit ou Hellerman, qui auront tendance à martyriser le revêtement néoprène du câble qui en assure l’étanchéité.

Ne pas laisser de câble volant ou mal assuré, sous peine de les voir vibrer puis rompre.

Lors du démontage, ne pas utiliser de cutter pour couper le scotch.

Les connecteurs des séries RMG de chez Impulse sont bien souvent assez difficiles à mettre en place ou à enlever.
Éviter des les manipuler lorsqu’ils sont à basse température et les réchauffer légèrement (dans le creux de la main) avant montage.
Après chaque démontage, il faut impérativement les nettoyer avec de l’alcool isopropylique et graisser sans excès les portées avec de la graisse silicone.

Les contacts :

Pulvériser avec une bombe nettoyant contact pour la partie femelle, afin d’enlever l’oxydation et supprimer les traces d’humidité.
Nettoyer avec l’alcool isopropylique les contacts mâle.
Lorsque ces derniers sont fortement oxydés, utiliser une brosse à dent trempée dans un peu d’acide acétique (vinaigre). Stopper l’attaque en rinçant à l’eau douce tiède une fois que les contacts ont retrouvés un aspect normal puis nettoyer avec l’alcool isopropylique.

Les portées :

Nettoyer avec une lingette en coton non pelucheux et de l’alcool isopropylique puis graisser très légèrement avec de la graisse silicone (parker O ring ou Molycotte).

On montage, on doit entendre le bruit caractéristique de l’air qui est chassé (ploc !).
Si ce n’est pas le cas, l’eau peut entrer légèrement dans le connecteur lors des premiers mètres de la descente et induire une corrosion lente. Au bout de quelques profils, et sous l’effet de la pression, un court-circuit peut se produire de façon aléatoire lors de la descente. Et tout fonctionne normalement une fois la CTD sur le pont ! Dans ce cas, débrancher un par un tous les capteurs et vérifier l’état des connecteurs, voir exemple ci-dessous.

Une panne équivalente peut arriver avec le connecteur 2 broches d’alimentation.
Comme l’alimentation est en 250 Volts, il peut se produire un arc électrique avant le claquage du fusible, avec dépôt de carbone entre les 2 contacts. Le connecteur a l’air en bon état mais il est à changer car il est en court-circuit. Il faut dans ce cas, ouvrir la CTD et changer le connecteur du TAP supérieur. Le diagnostic à l’ohmmètre est impossible tant que le connecteur n’est pas débranché de l’électronique.

La diode D1 de la carte Sea-cable interface (SBE9+) peut dans certain cas être à changer.

Pompes

Les sondes Seabird 911plus utilisent pour chaque jeu de capteurs un circuit pompé à vitesse constante qui permet de s’affranchir en grande partie des problèmes liés à la différence des temps de réponse des capteurs de température et conductivité et dans une moindre mesure de l’oxygène.
La sonde est généralement équipé de 2 jeux de capteurs redondant, avec une pompe pour chaque circuit T/C/O2. Les 2 pompes sont alimentés en 12 volts par un câble en Y relié à un unique connecteur 2 broches JB3. Un circuit de détection fait que les pompes ne sont alimentés que lorsque le capteur de conductivité primaire est plongé dans l’eau de mer après un délais d’environ 60 secondes.
Pour tester le bon fonctionnement des pompes au laboratoires sans avoir à plonger le capteur primaire dans l’eau de mer, il suffit de d’intervertir les capteurs de température et conductivité du circuit primaire. Brancher le capteur COND 1 sur JB1 et TEMP1 sur JB2. A 20 °C, la fréquence de sortie du capteur de température est supérieure à 4000 hz et suffit à faire démarrer la pompe au bout de 60 secondes.

Attention : Les pompes étant lubrifiées par l’eau de mer, ne pas les laisser fonctionner dans l’air plus de quelques secondes.

Pour la maintenance de la pompe, voir la vidéo "SBE 5T Pump Maintenance" sur le site web de Seabird.

Exemples de pannes de pompes ou de faux contacts sur le câble d’alimentation en Y :

Profil d’une station correct : on observe tout juste un léger décalage absolu entre les 2 profils descente/monté et capteurs primaire/secondaire d’oxygène, écart qui sera corrigé lors de l’étape d’ajustement avec les prélèvements bouteilles analysés par la méthode de "Winkler" :

Profil d’une station où on observe un problème sur la pompe du circuit primaire à la fin du profil descente vers 2220 dbars. Dans ce cas particulier, la pompe du circuit primaire a été changée avec succès pour le profil suivant :

Faux contact sur le câble en Y : on observe des données bruitées en début de profil.

Inversion des coefficients de calibration des capteurs d’oxygène : on observe des profils d’allures identiques mais de valeurs absolues fort éloignées :

Un dernier exemple montrant ce qu’il se passe lorsque l’eau ne circule pas correctement dans les capteurs. Ici, le bouchon protégeant le circuit de pompage entre 2 stations a été oublié par mégarde :

Et voici le résultat sur la même station sans le bouchon :

Pannes électroniques

Perte du signal du capteur de pression Digiquartz

Ce problème a été rencontré 2 fois :

à la suite probable d’un choc lors du transport (1 fois)
à la suite de la pose « brutale » de la CTD sur le pont

Plus de signal du capteur de pression : les fils issus du capteur de Pression interne Digiquartz sont coupés au niveau de l’arrivée sur la carte « bottom end cap wiring » de la SBE9+.

Erreur de câblage de l’utilisateur

Sea-cable power connecté sur l’embase « bottom contact »

Cela se traduit par une erreur globale du système. La carte « modulo 12P » de la SBE9+ est endommagée. Le 250 V continu va détruire le circuit U3 (registre à décalage CD4021 ), ainsi que le circuit U4 (compteur 12 bits CD4040) qui grille sur la carte Modulo 12P.

Selon Seabird, si le Sea-cable est laissé connecté plus de 30sec sur le bottom contact cela peut également endommager la carte logic1 et la carte AP counter dédiée à la mesure de la pression (circuit U7 grillé).
Les 5 cartes AP counter utilisées pour les mesures de fréquence sont interchangeables.

Si une nouvelle carte Modulo 12P est mise en place, il faut refaire un
étalonnage de la chaine de mesure du capteur de température AD590 du capteur de pression Digiquartz (convertisseur A/D 12 bits U5 et ampli OP U6) pour re-calculer les coefficients M et B.
Deux points suffisent pour déterminer la pente du circuit de mesure. Il est fortement conseiller de déterminer ces coefficients au laboratoire à la réception de la carte de rechange.

Depuis 2007, Seabird a modifié le connecteur JB6 (RMG-2FS) du poisson SBE9+ par un connecteur VSG-2BCL et remplacé le câble par un RMG-2FS to VMG-2FS. Voir l’Application Notes 86.

Sea-cable power connecté sur l’embase dédiée à une pompe

Cela se traduit par une erreur globale du système.
Dans notre cas, la carte Modulo 12P de e la CTD SBE9+ a été endommagée :
Zener D2, condensateur C20 et circuit U7 ont grillé.
Selon Seabird la carte « transmit card » peut également être endommagée dans ce type d’erreur de câblage, notamment les composants en ligne avec l’alimentation de la pompe C8, R8 et Q5 sur transmit card de SBE9+)

Sur les CTD récentes, l’emplacement des connecteurs est marqué sur les "TAPs". Il est tout de même recommandé d’imprimer les plans de situation des TAPs avant toute tentative de nouvelle connexion à bord.

Court-circuit important sur le câble d’alimentation

Cela s’est traduit par 3 circuits grillés (U5, U6, U9) sur la carte Modulo 12P de la SBE9+

Affichage en boucle continue de séries de 0000, 1111, 2222, 3333, etc…

L’alimentation (+5V, +/- 12V) a été remplacée dans la deck unit SBE11+.

Démarrage transitoire de la pompe

CTD dans l’eau, la pompe démarre un bref instant puis s’arrête. Il faut dans ce cas éteindre puis rallumer l’unité de pont et attendre de nouveau 1 minute que les pompes démarrent. Si le problème survient de façon répétitive, soit changer la carte "Transmitter and pump delay", ou remplacer le circuit U6A, une bascule CD4013.

Tests et mesures sur les cartes électroniques

Pour réaliser les tests et mesures sur les cartes électroniques en fonctionnement, il est préférable, sinon nécessaire de commander un prolongateur de carte chez Seabird.

Carte que l’on viendra insérer entre le châssis de la CTD et la carte à tester, voir Sbe9plus Manual, page 60.

Liens

Bibliographie

R. Chuchla. Traitement des données CTDO2, document scientifique et technique. IRD Centre Bretagne N°88. 2001.
P. Pederson. A modular high resolution CTD system, 1984
M. Pederson. Development of a small In-Situ conductivity instrument, 1979.
G. Larson. Calibration of oceanographic CTD instruments : Methods and tracability, 1993.

Best pratctices

K.E. McTaggart GO-SHIP : Notes on CTD/O2 data acquisition and processing using SEA-BIRD hardware , 2010.
A.M. Thurnherr. GO-SHIP : A manual for acquiring lowered doppler current profiler, 2010.