Brevet FR2690527A1 — publié le 19931029

La présente invention concerne des capteurs destinés à être utilisés pour la mesure de l'humidité dans les sols. Le contrôle de l'humidité dans les sols par mesure de la conductivité entre deux électrodes est bien connu Un exemple est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n O 4 531 087 qui concerne un exemple de capteur qui com- porte deux électrodes espacées, tassées dans un milieu poreux et protégées par un milieu de filtration qui retient les particules mais laisse passer l'humidité La conducti- vité du milieu qui se trouve entre les électrodes est mesurée afin qu'elle reflète le niveau d'humidité du milieu poreux. La conductivité (ou la résistance électrique) de la région occupée par le milieu poreux n'est pas une fonction strictement linéaire de la teneur en humidité du sol. Cependant, lorsqu'elle est convenablement interprétée, elle peut donner à l'agronome ou au jardinier des informations précieuses relatives à l'humidité à une certaine profondeur dans le sol, et peut lui donner des indications le guidant sur la nécessité de l'irrigation ou de l'arrosage Sous forme simplifiée, lorsque la région poreuse est totalement sèche, la conductivité est pratiquement nulle ou au plus minimale Une lecture très faible ou nulle est obtenue lorsqu'on mesure l'intensité d'un courant Si l'on mesure la résistance présentée lorsqu'une tension donnée est appliquée, on obtient l'inverse de cette lecture Lorsque le capteur est totalement mouillé, la conductivité est maximale, et la lecture obtenue sur l'appareil de mesure est plus élevée et reflète ce fait. Un problème sérieux se pose Pour être utilisable en pratique de manière rentable, un capteur doit pouvoir travailler dans des sols très divers et être sensible à des eaux très diverses Par exemple, quelle que soit l'humidité du capteur mouillé par de l'eau distillée, la lecture est toujours faible ou nulle parce que la conductivité de cette eau est très faible. L'invention a donc pour objet la réalisation d'un capteur dont la conductivité est peu affectée par les variations de la concentration des sels dissous dans les eaux du sol avant qu'elle n'atteigne la partie sensible du capteur, et qui assure au moins une certaine conductivité à l'eau en permanence Le signal de sortie du capteur est donc lié de manière plus fiable à la teneur en humidité du sol que dans les capteurs connus tels que le capteur du brevet précité des Etats-Unis dr Amérique. Il serait tentant de supposer qu'un capteur de ce type ne donne que deux lectures, l'une indiquant l'absence d'humidité et l'autre la présence d'une quantité suffisante d'humidité pour former un circuit entre les deux élec- trodes Heureusement, le comportement réel est un peu plus complexe Bien qu'un graphique indiquant la variation de la conductivité avec la teneur en humidité puisse avoir probablement une grande pente, il ne forme pas une courbe verticale Lorsque l'humidité du sol diminue, la conducti- vité commence à diminuer C'est cette diminution et la vitesse de variation qu'observe l'agronome car elle lui indique que le sol s'assèche du fait de l'aspiration assurée par les récoltes Ce capteur, lorsqu'il est incor- poré à un instrument convenable, donne à l'utilisateur un avis convenable sur le changement de la teneur en humidité et ainsi sur les besoins des matières de récolte En outre, lorsque l'eau est ensuite appliquée au sol, une augmenta- tion progressive de la conductivité indique l'augmentation de la teneur en humidité au niveau du capteur La vitesse de variation donne une information précieuse pour la détermination de la quantité d'eau qui doit être appliquée et de son débit en fonction des besoins des matières de récolte, ainsi que pour éviter la sursaturation du sol avec une perte d'eau correspondante ou une perte excessive d'eau pouvant provoquer une détérioration des matières de récolte. Ainsi, ce capteur est destiné à une mesure de l'humidité du sol au niveau du capteur, et de sa vitesse de variation. L'invention concerne un capteur unique destiné à être utilisé dans les conditions précitées dans des eaux très diverses, tout en donnant des lectures qui sont reproductibles après un étalonnage de l'appareil de mesure qui peut être exécuté en usine L'opération est réalisée par incorporation au capteur lui-même d'une source impor- tante d'ions d'un électrolyte qui assurent la conductivité quelle que soit l'humidité présente Ces ions sont présents de manière qu'ils restent efficaces pendant une longue période. L'invention permet la solution d'autres problèmes. Les capteurs sont placés dans des sols qui sont soumis à des charges physiques variables éventuelles et à des courants électriques parasites Les premières peuvent détériorer ou détruire un capteur et les autres peuvent donner des lectures défectueuses ou parasites L'invention permet l'utilisation d'un boîtier métallique conducteur robuste qui résiste aux forces physiques et qui assure une protection permettant l'exclusion de nombreux courants parasites En conséquence, l'invention concerne un capteur remarquablement perfectionné et de longue durée destiné à détecter l'humidité des sols et à détecter le changement et la vitesse de variation de teneur en humidité à des moments délicats. L'invention a aussi pour objet la réalisation d'une structure de capteur qui ne comprend qu'un nombre minimal d'éléments et qui peut être fabriquée avec un degré élevé de reproductibilité d'un capteur à un autre. Un capteur selon l'invention comprend un boîtier métallique externe conducteur de l'électricité Le boîtier a une paroi qui a des perforations par lesquelles de35 l'humidité est admise dans une cavité interne La paroi est continue périphériquement, mis à part les perforations. Ainsi, le boîtier est destiné à exclure de nombreux cou- rants électriques parasites et même la plupart de ceux-ci qui pourraient provoquer des lectures défectueuses ou transitoires.5 La paroi est de préférence formée d'acier allié, ayant une épaisseur suffisante et une résistance propre suffisante pour supporter des charges importantes L'acier inoxydable est un bon exemple. Le boîtier forme une cavité dans laquelle débouchent les perforations La cavité dans laquelle débouchent les perforations est revêtue d'une étoffe pour filtration qui laisse passer l'eau mais qui retient toutes les particules sauf les particules très fines La cavité contient, à l'intérieur du revêtement, un milieu de transfert avanta-15 geusement formé de sable de silice. Une tablette de gypse (sulfate de calcium) est placée contre le milieu de transfert et est elle-même surmontée d'un milieu d'électrode qui contient deux élec- trodes conductrices distantes Le milieu d'électrode est formé de silice particulaire dans laquelle l'humidité peut passer et former un pont conducteur entre les électrodes. La tablette de gypse assure la présence d'une quantité suffisante d'électrolyte dans l'humidité qui relie les électrodes pour qu'un signal soit obtenu chaque fois que de l'humidité est présente En outre, l'électrolyte du gypse réduit les variations importantes de conductance entre les électrodes d'un type d'eau à une autre, car un additif est présent à une concentration relativement constante dans des eaux qui peuvent avoir initialement des concentrations d'électrolyte très différentes les unes des autres (la quantité pouvant parfois être très faible). Selon une propriété préférée mais éventuelle de l'invention, le capteur est monté par un procédé de sertis- sage qui permet une reproductibilité du produit. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe axiale, en partie arra- chée, représentant le mode de réalisation de l'invention actuellement préféré; la figure 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1; et la figure 3 est une coupe suivant la ligne 3-3 de la figure 1. Un capteur 10 selon l'invention est représenté sur la figure 1 Il comporte un boîtier cylindrique 12 ayant des ouvertures 13, 14 à ses extrémités. Un capuchon 15 d'extrémité ferme l'ouverture 13 Un autre capuchon 16 d'extrémité ferme l'ouverture 14 Ces capuchons sont emmanchés intimement dans les ouvertures et sont maintenus en place par des sertissages 17, 18 des extrémités du boîtier Les capuchons ont des gorges 19, 20 destinées à loger les parties serties et ont des faces tronconiques 21, 22 contre lesquelles les sertissages peuvent être repoussés fermement et avec précision Ceci donne une meilleure reproductibilité des produits manufacturés. Le boîtier est formé d'un métal conducteur, par exemple d'acier inoxydable contenant du nickel Il est suffisamment épais et son matériau est suffisamment robuste pour résister à l'écrasement et aux autres déformations ou à l'expulsion des capuchons d'extrémité sous l'action de forces physiques du type qu'on peut prévoir dans les opérations agricoles Un exemple est le passage d'un tracteur à la surface du sol dans lequel le capteur est enfoui. Plusieurs perforations 25 sont formées dans la paroi du boîtier et donnent accès à une cavité interne 26 placée dans la paroi et entre les capuchons Dans une paroi ayant une longueur d'environ 63 mm et un diamètre externe d'envi- ron 22 mm, des perforations circulaires d'environ 3 mm donnent un accès suffisant de l'humidité à la cavité, et le boîtier forme en outre un blindage électrostatique qui exclut une partie importante des courants parasites qui auraient tendance à circuler dans le sol dans les condi- tions agricoles. Un revêtement 27 formé d'un milieu de filtration revêt l'intérieur de la paroi du boîtier afin qu'il exclut les particules qui auraient tendance à passer par les perforations Une fine étoffe tissée de "Nylon" est utile à cet effet et les mailles peuvent avoir des dimensions choisies afin que les particules de dimension quelconque qui pourraient affecter de manière nuisible le fonction-10 nement du capteur soient chassées. En outre, le revêtement est destiné à retenir un milieu de transfert 28 dans la cavité Le milieu de trans- fert peut être avantageusement formé de sable de silice bien tassé dans le revêtement Comme représenté, il pro-15 voque une dilatation du revêtement dans les perforations. Ceci présente l'avantage supplémentaire de donner un bon contact avec le sol dans lequel le capteur est enfoui. L'humidité du sol traverse le revêtement et pénètre dans le milieu de transfert.20 Une tablette tampon 29 est en appui contre le milieu de transfert Cette tablette tampon est un corps comprimé et dur formé de gypse (sulfate de calcium) Le gypse n'est que faiblement soluble dans l'eau Le passage d'humidité dans la tablette provoque le prélèvement d'un peu d'élec- trolyte lors du passage Cette petite quantité d'électro- lyte suffit pour que l'eau possède une conductivité suffi- sante pour que le capteur fonctionne de manière certaine quelle que soit la qualité de l'eau L'écoulement à travers la tablette est très limité si bien que la tablette reste en place et efficace pendant un très long temps, bien qu'on puisse prévoir qu'elle se dissolve au bout d'une longue période Un liant 30 d'électrode est en butée contre la tablette tampon et reçoit l'humidité qui a traversé la tablette tampon Il peut avantageusement être formé de sable de silice bien tassé en place. Deux électrodes 31, 32 sont enrobées dans le milieu d'électrode Elles ont des sections annulaires concentriques qui sont espacées, et ont un espace 33, 34 chacune Les fils 35, 36 assurent la connexion des électrodes Ces dernières sont formées d'un métal conducteur qui résiste convenablement à la corrosion Un acier inoxydable à base de nickel est utile à cet effet. Des fils traversent le capuchon 16 Ils sont scellés sur le capuchon 16 et empêchent les fuites Ils sont connectés à tout instrument voulu Lors du montage, le capuchon 16 est serti en place, les électrodes étant placées à l'intérieur et les fils passant à travers le capuchon 16 Le milieu d'électrode est placé à l'intérieur et est soumis à des vibrations et une compression jusqu'à une densité convenable La tablette tampon est ensuite comprimée à l'intérieur Le revêtement a déjà été mis en place ou est alors mis à l'intérieur Ensuite, le liant de transfert est placé à l'intérieur et est soumis à des vibrations et à une compression jusqu'à la densité conve- nable Cette action provoque une certaine dilatation du revêtement dans les perforations Ensuite, le capuchon 13 d'extrémité est repoussé à force dans l'ouverture respec- tive et cette extrémité du boîtier est sertie afin que la retenue soit assurée Les contacts sont tassés intimement dans le produit monté Le montage est alors terminé. Des capteurs destinés à la même application sont connus et possèdent du gypse mélangé à un sable de silice dans un liant d'électrode Bien que ces capteurs aient fonctionné dans la plupart des circonstances, il apparaît que l'utilisation de la tablette tampon de gypse donne une meilleure certitude sur la présence d'une concentration convenable d'électrolyte Ceci assure un fonctionnement du capteur quelle que soit la nature de l'eau. Il n'existe évidemment aucune conductivité entre les électrodes lorsque le milieu d'électrode est totalement sec Ceci est représentatif d'un sol sec à la profondeur du capteur Lorsque le milieu d'électrode est totalement mouillé, la conductivité est maximale Un organe de mesure placé dans un circuit électrique convenable peut lire la conductivité (ou son inverse, la résistance) entre les électrodes, et une indication relative à la teneur en humidité peut être obtenue. Cependant, la lecture n'augmente pas ou ne diminue pas brutalement lors de l'entrée de l'eau dans le capteur ou de la disparition de l'eau Au contraire, la vitesse de variation est en général lente lorsque l'eau pénètre dans le milieu d'électrode et le quitte La perte d'eau dans le capteur (et ainsi dans le milieu d'électrode) est essen- tiellement la conséquence de la propriété physique de l'eau du sol connue comme étant le "potentiel du milieu", parfois appelée "aspiration de l'eau du sol" Lorsque le sol mouillé s'assèche, surtout parce que les matières de récolte retirent l'eau du sol par leur système des racines, le potentiel du milieu augmente Ce capteur mesure indirec- tement le potentiel du milieu, par détection de la conduc- tivité du milieu d'électrode (ou son inverse, la résistance). La vitesse de variation de l'état du capteur est représentative de la vitesse avec laquelle l'eau pénètre dans le sol ou quitte le sol Ces résultats ont une impor- tance notable pour l'agronome, car celui-ci peut prévoir les besoins en eau du sol et la transmission de la quantité convenable d'eau avec le débit convenable Un capteur fiable, utile avec tous les types d'eau, lui est évidemment d'une grande utilité, et l'invention concerne un tel capteur. En outre, ce capteur est suffisamment robuste pour résister aux forces physiques importantes Comme le boîtier est conducteur de l'électricité, les courants parasites du sol peuvent être pratiquement exclus des électrodes Le montage par sertissage assure la formation d'un ensemble intime qui ne nécessite pas de boulons de montage ou analogue, et il permet la fabrication d'un produit reproductible. REVENDICATIONS 1 Capteur destiné à détecter l'humidité du sol, caractérisé en ce qu'il comprend: un boîtier ( 12) d'un métal conducteur ayant une paroi qui forme une cavité interne, la paroi ayant des perforations qui la traversent, un revêtement poreux ( 27) de filtre qui revêt la paroi de la cavité, un milieu granulaire ( 28) de transfert comprenant du sable de silice et contenu par le revêtement, * une tablette tampon ( 29) de gypse comprimé, placée en butée contre le milieu de transfert, un milieu ( 30) d'électrode contenant du sable de silice et placé en butée contre la tablette tampon, une paire d'électrodes ( 31, 32) placées au contact du milieu d'électrode, les électrodes étant séparées l'une de l'autre et étant reliées par le milieu d'électrode, et un fil ( 35, 36) de connexion partant de chaque électrode, le capteur étant fermé afin qu'il empêche l'entrée d'humidité sauf par les perforations, si bien que l'humi- dité du sol qui est au contact du revêtement traverse celui-ci et le milieu de transfert et passe à travers la tablette en dissolvant une certaine quantité d'électrolyte, puis pénètre dans le milieu d'électrode en formant un trajet conducteur de l'électricité entre des électrodes, la conductivité ou l'absence de conductivité du liant d'élec- trode entre les électrodes étant représentative de la présence ou de l'absence d'humidité dans le sol contigu au capteur. 2 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu de transfert ( 28) est tassé dans le revêtement ( 27) afin qu'il provoque une saillie du revête- ment par les perforations et permette ainsi à des parties de revêtement d'être au contact du sol dans lequel est placé le capteur. 3 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le boîtier ( 12) est tubulaire, et un dispositif de fermeture comprenant deux capuchons d'extrémité ( 15, 16) est retenu de façon mécanique et étanche sur le boîtier afin que la cavité soit fermée. 4 Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le boîtier ( 12) est tubulaire et a une ouverture à chaque extrémité, et chaque capuchon d'extrémité a une gorge périphérique externe, les capuchons d'extrémité étant introduits dans les ouvertures respectives d'extrémité et les extrémités du boîtier étant serties dans les gorges afin que le capteur soit maintenu sous forme assemblée. Capteur selon les revendications 1, 3 et 4 prises ensemble, caractérisé en ce que le milieu de transfert ( 28) est tassé dans le revêtement afin que ce dernier dépasse par les perforations et donne un bon contact avec le sol. 6 Capteur selon l'une des revendications 1 ou 5, caractérisé en ce que les électrodes ( 35, 36) sont des bagues concentriques alignées axialement. or a-