Comment choisir le capteur de teneur en eau du sol le plus adapté à votre application ?

En raison d’un grand nombre de différents types de capteurs de teneur en eau du sol disponibles, choisir le meilleur pour votre application peut sembler difficile, voire déroutant. Pour vous aider à faire votre choix, il est important de comprendre ce que les capteurs de teneur en eau du sol mesurent effectivement, ce qui fait un bon capteur de teneur en eau du sol et bien comprendre les spécifications du fabricant. Dans cet article, je vais couvrir ces sujets pour vous aider à sélectionner un capteur.

Qu'est-ce que les capteurs de teneur en eau du sol mesurent effectivement ?

Vous trouverez peut-être surprenant qu'il n'y ait pas de capteurs de teneur en eau du sol disponibles dans le commerce qui mesurent l'eau directement. Au lieu de cela, ce que les capteurs font est de détecter les changements d’une autre propriété du sol qui est liée à la teneur en eau d'une manière prévisible. Les propriétés du sol communes qui changent avec la teneur en eau sont faciles à mesurer, elles comprennent la permittivité diélectrique, la conductivité thermique et la densité de flux de neutrons. Cet article se concentre sur des capteurs qui mesurent la permittivité diélectrique.

Les capteurs de permittivité diélectrique sont le type le plus commun de capteur de teneur en eau du sol sur le marché. Ces capteurs utilisent des technologies différentes pour mesurer la permittivité du sol environnant, en voici la liste ci-dessous :

• Time domain reflectometry
• Time domain transmissivity
• Frequency domain reflectometry
• Time of charge capacitance
• Transmission line oscillation
• Coaxial impedance dielectric reflectometry
• Coaxial differential amplitude reflectometry

Indépendamment de la technologie, le même principe est utilisé : la permittivité diélectrique apparente du sol varie avec la teneur en eau volumétrique.

La façon la plus simple de se représenter la permittivité, c’est qu’elle stocke l'énergie électrique. Le capteur génère un champ électrique dans le sol et du fait que la molécule d'eau est polarisée, les molécules d'eau non liées dans le sol font une rotation pour s’aligner sur les lignes de champ électrique.

Que la rotation des molécules d'eau non liées nécessite de l'énergie, qui est stockée sous forme d'énergie potentielle dans les molécules d'eau alignées. Plus il y a d'eau dans le sol, plus l'énergie est stockée, et plus la permittivité apparente du sol est plus importante.

Les autres constituants du sol sont les minéraux, les solides organiques et l'air qui emmagasinent aussi l'énergie électrique, mais l'eau peut stocker plus de dix fois plus que les autres parties du sol. A cause de cela, le mouvement de l'eau dans et hors du volume de mesure du capteur est le principal contributeur de l'évolution de la permittivité.

Le capteur de teneur en eau du sol est conçu pour avoir un signal électrique qui varie en fonction de la permittivité et par conséquent de la teneur en eau. Certains capteurs déterminent la permittivité et convertissent ensuite en teneur en eau, tandis que d'autres convertissent la sortie électrique du capteur au contenu volumétrique de l'eau en une seule étape. Quelle que soit la méthode utilisée, l'eau contenue dans le sol affecte la permittivité diélectrique en profondeur, ce qui affecte la sortie électrique du capteur. Il est important de se le rappeler quand vous comparez les spécifications de précision.

Qu’est-ce un bon capteur de teneur en eau du sol ?

Un sol capteur de teneur en eau idéale de haute performance possède toutes les propriétés suivantes :

1. Il répond à vos exigences en matière de précision et de résolution.
2. Il dure aussi longtemps que vous en avez besoin.
3. Il nécessite un étalonnage minimal et ne nécessite pas de réétalonnage.
4. Il correspond à votre budget.
5. Il est facile pour vous de l'installer et de mesurer.

Comme vous pouvez l'imaginer, ces propriétés peuvent être en concurrence avec un autre. Par exemple, un capteur à haute précision durable peut être plus coûteux par rapport à un capteur moins durable avec une moindre précision. Les fabricants de capteurs essaient de trouver le juste équilibre entre ces facteurs concurrents. Pour décider quel est le meilleur capteur pour votre application, déterminer lequel de ces facteurs sont plus importants pour vous, et ensuite chercher le capteur qui correspond le mieux à vos priorités.

Qu'est-ce que les spécifications du fabricant signifient ?

Pour vraiment comprendre les spécifications des capteurs de teneur en eau du sol, il est utile de réfléchir à la relation entre la teneur en eau, la permittivité diélectrique et le signal électrique qui varie avec la permittivité. La relation entre ces trois choses déterminera la précision et la résolution de la valeur de teneur en eau et la plage de fonctionnement du capteur.

Précision

La précision de la mesure de la teneur en eau volumétrique dépend de plusieurs choses : 

• La précision de la mesure électrique
• Les effets de la température sur l'électronique de mesure
• Les effets de la température sur la permittivité de l'eau et la conductivité électrique du sol  
• La précision des capteurs dans l'estimation des valeurs différentes de permittivité diélectrique
• La précision de la fonction qui convertit la mesure électrique ou la valeur de permittivité en teneur en eau volumétrique
• La mesure dans laquelle le sol autour du capteur correspond en fonction de l'étalonnage

Si tous les capteurs de teneur en eau du sol fournissaient une précision pour la mesure de permittivité, ce serait plus facile de comparer les performances des différents capteurs. Malheureusement, de nombreux utilisateurs ne comprennent pas pleinement la relation entre la permittivité et la teneur en eau volumétrique, et les différentes conditions qui peuvent ajouter des erreurs à l'estimation finale de la teneur en eau.

Parce qu'il n'y a pas de fonction d'étalonnage unique qui fonctionnera pour tous les sols, les fabricants choisissent généralement un ou quelques sols ''représentatifs'' et fournissent une spécification de la précision de la teneur en eau sur la base de cette sélection. Ainsi, par exemple, ce qui fait une spécification de précision telle que la ''teneur en eau volumétrique ± 1%" signifie vraiment'' ? Cette spécification signifie ± 1% dans les conditions où le sol correspond aux mêmes conditions d'étalonnage. Ces conditions étaient probablement à l'intérieur avec un minimum de variation de température et un seul ou quelques types de sols représentatifs.

• Si votre environnement a ces mêmes conditions, la précision du capteur sera conforme aux spécifications.
• Lorsque vous avez le capteur dans l'environnement naturel, il y a beaucoup plus de variation – la précision ou son exactitude ne peut pas répondre aux spécifications, sauf si vous effectuez votre propre étalonnage.

Une autre considération importante est que la précision diélectrique de la teneur en eau du sol des capteurs diminue à mesure que le sol devient très sec. Lorsque la quantité d'eau dans le sol est très faible, sa contribution à la permittivité apparente globale du sol est plus petite et peut être inférieure à la capacité du capteur à détecter les changements. Dans un sol sec, la température affecte souvent la sortie du capteur plus que les changements dans la teneur en eau.

Astuce : Soyez très prudent avec les spécifications qui promettent une grande précision à des niveaux de faible teneur en eau.

Note : La précision peut être spécifié comme une précision absolue (% d'eau /% de sol sec) ou en pourcentage de la lecture. Pour convertir le pourcentage de la lecture à une précision absolue, il faut multiplier par les limites supérieures et inférieures de la plage de fonctionnement.

Un dernier mot sur la précision : les fabricants écrivent leurs spécifications pour couvrir un large éventail de conditions que la sonde puisse mesurer après l'installation. Vous pouvez généralement obtenir une meilleure précision que les spécifications indiquées, si vous effectuez votre propre étalonnage spécifique du sol.

Résolution

La résolution donne de combien la teneur en eau du sol doit changer avant que le capteur peut détecter ce changement. Elle est principalement déterminée par la qualité de la mesure de la sortie électrique du capteur. (Cette mesure peut se produire à l'intérieur de l'électronique du capteur ou dans un dispositif externe tel qu'une centrale de mesure.) La résolution peut également être affectée par des erreurs d'arrondi issues du traitement mathématique et du format des données numériques. Les capteurs plus performants de teneur en eau du sol auront à la fois une grande précision et une haute résolution.

Gamme de mesure

Lorsque vous comparez la plage de fonctionnement des différents capteurs de teneur en eau du sol, il est important de comprendre comment la gamme de mesure est définie et les limites de la méthode diélectrique.

La gamme de teneur en eau volumétrique peut être exprimée de différentes manières :

• 0 à 100% : Cela signifie généralement que le capteur réagit aux variations de la permittivité de l'air et de l'eau.
• Sec à saturation : Pas de chiffres sont donnés, mais le capteur a été étalonné sur une plus large gamme de permittivité que l'on trouve dans tous les sols. Il répondra aux changements de la teneur en eau sur la gamme complète pour tous les sols.
• 0 à XX%: Cela signifie généralement que le capteur a été testé dans des conditions de sol de sec à saturation.
• X% à XX%: Ceci spécifie la plage de mesure la meilleure de la sonde. Cela peut sembler rendre le capteur pire par rapport aux produits concurrents, mais parce que les capteurs de permittivité diélectrique sont moins précis dans un sol sec, cette spécification est une représentation plus précise de la performance que vous pouvez attendre.

Note : la teneur en eau volumique est parfois exprimée sous la forme d'un nombre fractionnaire au lieu d'un pourcentage. Pour convertir une fraction (volume d'eau / volume de sol sec) en pourcentage il suffit de multiplier par 100%.

Si la plage de mesure du capteur fonctionne à partir des conditions d'air sec à saturation de  votre sol, cela est assez bon. La plupart des sols minéraux ont une teneur maximale en eau de 40% à 50%. Des argiles et des sols organiques peuvent avoir des teneurs en eau allant jusqu'à 60% à 70%. Assurez-vous que vous choisissez un capteur avec une gamme adaptée à votre type de sol.

En résumé

Malheureusement, la vérité est qu'il n'y a pas de capteur de teneur en eau du sol idéal. Ils ont tous leurs avantages et leurs inconvénients. Le meilleur capteur pour votre application est celui qui vous donne ce que vous souhaitez le plus. Il y a beaucoup de bons capteurs disponibles, et si vous comprenez ce que le capteur mesure vraiment, il devient alors plus facile de les comparer et de faire le meilleur choix pour votre application.

Enfin, en cas de doute, vous pouvez toujours contacter Campbell Scientific pour trouver un avis technique, qui vous aidera à comprendre vos options pour faire la meilleure mesure possible.

Si vous avez des commentaires ou des questions concernant les capteurs de permittivité diélectrique, postez-les ci-dessous.