Brevet FR2903776A1 — publié le 20080118

L'invention concerne les dispositifs d'étude de milieux comportant de l'eau, tels que les dispositifs de mesure d'humidité des sols. Différents systèmes ont été développés afin de mesurer le taux d'humidité de sols. Un certain nombre de ces systèmes se basent sur la forte influence de l'humidité du sol sur sa permittivité. 11 existe en effet d'importantes différences de permittivité électrique entre l'eau, les minéraux et l'air. Sur la base de mesures de permittivités du sol, de tels systèmes extrapolent un taux d'humidité du sol. Le document WO 00/033071 décrit un système de mesure d'humidité dans le sol. Ce système comprend plusieurs sondes réparties dans un sol à étudier. Chaque sonde est munie de deux électrodes placées à proximité l'une de l'autre et mises en contact avec le sol à étudier. Chaque sonde est connectée à un circuit électronique de contrôle. A partir de différents types de mesures effectués par chaque sonde et de modèles de sol préenregistrés, le circuit électronique de contrôle détermine l'humidité du sol. Ce système permet de mesurer l'humidité en des points espacés du sol, afin de déterminer des zones cultivées devant être arrosées. Un tel système présente des inconvénients. Les mesures de chaque sonde sont très dépendantes d'hétérogénéités locales du sol et du contact entre chaque électrode et le sol. De plus, les hétérogénéités et le taux d'humidité peuvent être influencés par l'introduction des sondes dans le sol. De plus, un tel système nécessite un grand nombre de sondes pour étudier un volume de sol d'une certaine étendue. Par ailleurs, de telles mesures sont fortement dépendantes de la sonde et nécessitent de fastidieuses étapes d'étalonnage du sol et du système. L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un dispositif de mesure de propriétés électriques d'un milieu comportant de l'eau, comprenant : -des première et deuxième sondes aptes à être espacées d'au moins 100 millimètres en configuration de mesure dans le milieu comportant de l'eau, dans lesquelles : -la première sonde comprend une première électrode conductrice destinée à être placée en contact avec le milieu comportant de l'eau ; -la deuxième sonde comprend des deuxième et troisième électrodes conductrices destinées à être placées en contact avec le milieu comportant de l'eau, un dispositif de transconductance transformant les intensités traversant les deuxième et troisième électrodes en des tensions de mesure et présentant une masse locale, un premier comparateur générant des tensions représentatives de la différence entre les tensions de mesure et la tension de masse du dispositif de transconductance; 2903776 2 -un circuit d'excitation électrique apte à appliquer une différence de potentiel prédéterminée entre la première électrode et les deuxième et troisième électrodes ; -un circuit de mesure déterminant des impédances du milieu comportant de l'eau entre les sondes en fonction des tensions générées par le premier comparateur. 5 Selon une variante, le premier comparateur est à haute impédance d'entrée. Selon une autre variante, la différence de potentiel prédéterminée est alternative. Selon encore une variante, le circuit d'excitation est apte à appliquer une différence de potentiel prédéterminée ayant une fréquence supérieure à 10 MHz. Selon encore une autre variante, un filtre passe-bas est connecté entre le dispositif de 10 transconductance et les deuxième et troisième électrodes. Selon une variante, la deuxième sonde comprend un deuxième comparateur générant une tension représentative de la différence entre la tension appliquée sur la première électrode et la tension de masse du dispositif de transconductance. Selon encore une variante, la deuxième sonde comprend un dispositif de commutation 15 appliquant sélectivement la tension de mesure de la deuxième ou de la troisième électrode sur une entrée du premier comparateur. Selon une autre variante, le dispositif comprend une connexion entre la sortie du premier comparateur et le circuit de mesure, et configuré de sorte que l'intensité traversant cette connexion soit inférieure à 100 milliampères. 20 Selon une autre variante, le circuit de mesure est apte à déterminer les résistances et les capacités du milieu comportant de l'eau entre les sondes en fonction des tensions générées par le premier comparateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description 25 qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : -la figure 1 illustre un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention, dont les deux sondes sont insérées dans le sol ; -la figure 2 illustre schématiquement une chaîne de traitement incluse dans une des sondes ; 30 -la figure 3 est une vue en coupe d'un exemple de structure de sonde. L'invention propose un dispositif de mesure de propriétés électriques d'un milieu comportant de l'eau. Ce dispositif présente des sondes pouvant être écartées d'au moins 100 millimètres, avantageusement d'au moins 150, voire 200 millimètres, ou même 300 millimètres. Une 35 différence de potentiel est appliquée entre une électrode d'une sonde et des électrodes de l'autre sonde. Les intensités traversant les électrodes de l'autre sonde sont transformées en tensions de mesure dans cette autre sonde. La tension de masse du dispositif de transconductance est retranchée aux tensions de mesure. Les tensions résultantes 2903776 3 permettent à un circuit de mesure de déterminer des impédances du milieu situé entre les sondes. Un tel dispositif présente les avantages suivants : l'influence des hétérogénéités et des contacts du milieu avec les électrodes sur la mesure d'impédance est réduite du fait de 5 l'important volume de milieu mesuré. Malgré l'augmentation des longueurs de connexion des électrodes induisant une augmentation des impédances parasites particulièrement sensible avec plusieurs voies de mesure, la stabilité du dispositif et la fiabilité de la mesure sont garanties du fait de la présence d'une transconductance avec soustraction de sa tension de masse de la tension mesurée. 10 On peut ainsi se passer de connexions de masse des électrodes au niveau du boîtier de mesure, et ainsi éviter des potentiels de masse très différents pour les électrodes de mesure et ainsi éviter la diaphonie entre les différentes voies. Avec des fréquences d'excitation envisagées généralement supérieures à 1 MHz, les instabilités induites par la diaphonie sont sensiblement réduites. L'invention se révèle particulièrement avantageuse lorsque la distance 15 entre les sondes est inférieure à la longueur des connexions entre les sondes et le boîtier de mesure. Le dispositif de mesure 1 comprend un boîtier de mesure 2 destiné à être connecté aux sondes 3 et 4. Le boîtier de mesure inclut un circuit d'excitation électrique 21 pouvant 20 appliquer une différence de potentiel d'un niveau prédéterminé entre l'électrode de la sonde 3 et chacune des électrodes de la sonde 4. Le boîtier de mesure 2 inclut un circuit de mesure 22 destiné à recevoir et à traiter des mesures fournies par la sonde 4. La sonde 4 comprend trois électrodes 41 à 43 superposées, présentant chacune une surface destinée à entrer en contact électrique avec le sol. La surface de contact de chaque électrode 25 peut notamment être formée d'un cylindre de laiton ou d'acier inoxydable. La sonde 4 comprend des gardes 44 et 45 disposées aux extrémités axiales de la sonde et destinées à concentrer les effets de bord et à contraindre au maximum les lignes de champ des électrodes 41 à 43 à rester perpendiculaires à l'axe de la sonde 4. Chaque électrode ou garde est séparée de l'électrode ou garde adjacente par un anneau 47 isolant électriquement. Les 30 anneaux 47 sont par exemple des anneaux en Polyfluoroéthylène ou en PVC de cinq millimètres d'épaisseur. Les anneaux permettent d'améliorer la définition des épaisseurs de couche étudiées par chaque électrode 41 à 43 afin de réduire l'impact de défauts de contact entre le sol et chaque électrode sur la mesure. Une hauteur optimale de chaque électrode ou garde peut être déterminée selon les règles 35 décrites dans l'article Numerical Modeling of a Capacitance Probe Response publié en 2001 dans Soil Science Society par Messieurs De Rosny, Chanzy, Parde, Gaudu, Frangi et Laurent, afin d'obtenir des lignes de champ électrique souhaitée. La hauteur peut par exemple être de l'ordre de 50 millimètres. La géométrie des électrodes 41 à 43 et des gardes 2903776 4 44, 45 est avantageusement déterminée de sorte que le champ électrique radial des électrodes soit invariant suivant l'axe de la sonde. La sonde 4 comprend également un circuit électronique 46. Ce circuit 46 effectue une mesure du courant issu de chaque électrode 41 à 43. La tension d'excitation Vex appliquée sur la 5 sonde 3 est également appliquée sur un comparateur 65. Le circuit 46 présente un dispositif de transconductance 61 comprenant une résistance de conversion prédéterminée. La transconductance 61 génère une tension de mesure V1 correspondant à l'électrode 41. Un dispositif de commutation 62 applique sélectivement la tension de mesure V1 ou les tensions similaires fournies par les électrodes 42 ou 43 sur une entrée d'un comparateur 66. 10 Simultanément à l'application de V1 sur le comparateur 66, un dispositif de commutation 63 applique la tension de masse Vrl de la transconductance 61 sur une entrée respective des comparateurs 65 et 66. Les tensions U1 et Uex générées sur la sortie des comparateurs 65 et 66 sont appliquées au circuit de mesure 22. Ces tensions correspondent ainsi aux tensions V1 et Vex corrigées par la tension de masse de la transconductance 61. Les connexions 15 entre le boîtier de mesure 2 et les sondes 3 et 4 sont avantageusement prévues pour que l'intensité les traversant soit inférieure à 15 milliampères par voie, afin de limiter les perturbations sur les mesures. Un dispositif suiveur de tension 64 est avantageusement connecté entre le dispositif de commutation 63 et le comparateur 65. Le dispositif de commutation 63 applique sélectivement une tension de correction sur le comparateur 65 en 20 simultané avec la tension de mesure correspondante appliquée par le dispositif de commutation 62 sur le comparateur 66. Pour chaque voie, on peut déterminer l'impédance globale formée d'une résistance et d'une capacité en parallèle, à partir des valeurs de tension Uex et Ui. On déduit la capacité C en extrapolant le courant correspondant à Ui en quadrature de phase avec Uex. On déduit la 25 résistance R en extrapolant le courant correspondant à Ui en phase avec Uex. Un rapport entre les valeurs Uex et Ui, ajusté avec la valeur de la résistance prédéterminée de la transconductance permet d'extrapoler la valeur de l'impédance complexe Z du milieu étudié sur une voie. Avantageusement, les dispositifs de commutation 62 et 63 comprennent des relais commandés par un registre à décalage. Le registre à décalage peut être commandé par le boîtier de mesure 2. Avantageusement, les comparateurs 65 et 66 présentent une haute impédance d'entrée, typiquement de l'ordre de 100 kiloOhms. 35 Avantageusement, la mesure provenant de chaque électrode traverse un circuit passe-bas afin d'améliorer la stabilité du dispositif de mesure. En effet, les inventeurs ont constaté sur un prototype que des oscillations autour de 100 MHz saturaient les amplificateurs opérationnels 30 2903776 5 du circuit 46 et bruitaient fortement le signal. Ce filtrage peut être réalisé par l'ajout d'une capacité de l'ordre de 1 pF en contre-réaction. La sonde 4 a sensiblement une forme de cylindre et présente un diamètre intérieur suffisant 5 pour loger l'ensemble des circuits électroniques nécessaires au niveau des électrodes de mesure. La sonde présente par exemple un diamètre intérieur de 45 mm. La figure 3 représente un exemple de sonde 4 en vue en coupe selon un plan passant par son axe. Un arbre 8 est destiné à maintenir la sonde 4 assemblée. L'arbre 8 présente un filetage à chacune de ses extrémités. Le filetage inférieur 12 de l'arbre 8 se visse dans un 10 alésage fileté ménagé dans la garde 44. Le filetage supérieur de l'arbre 8 se visse dans un écrou 7. Le serrage par l'écrou 7 permet de maintenir les gardes 44 et 45, les électrodes 41 à 43, et les anneaux 47 assemblés en compression les uns contre les autres. Un couvercle 48 se visse dans un filetage de la garde 45 afin de garantir l'étanchéité de l'intérieur de la sonde. La garde 45 présente également un alésage 49 destiné à permettre le passage de câbles de 15 connexion entre le circuit 46 et le boîtier de mesure 2. L'arbre 8 présente en outre un méplat 9 contre lequel le circuit 46 peut être plaqué. Le circuit 46 peut être maintenu plaqué contre le méplat au moyen de vis vissées dans des alésages filetés 10 et 11 réalisés dans l'arbre 8. 20 Avantageusement, le circuit d'excitation génère une tension d'excitation variant dans une plage de valeur fréquentielle. En étudiant les différentes mesures du milieu sur toute une plage fréquentielle, la fiabilité de l'étude du milieu est accrue. Un circuit d'excitation apte à générer une tension d'excitation à une fréquence comprise entre 1 et 30 MHz semble particulièrement approprié. En pratique, en utilisant une fréquence d'excitation supérieure à 25 20 MHz, la permittivité de l'eau n'est plus sensible au contenu de ses ions. L'amplitude de la tension d'excitation est avantageusement comprise entre 200 et 1000 millivolts, et de préférence supérieure à 500 millivolts. Avantageusement, le circuit de mesure est programmable. On peut notamment prévoir que la 30 mesure soit automatisée pour acquérir et traiter les données issues de chaque électrode de la sonde 4. Avantageusement, le pas d'échantillonnage de chaque voie est programmable par l'utilisateur. On peut prévoir que le circuit de mesure effectue l'acquisition des tensions fournies par la sonde 4 par une conversion numérique directe à une fréquence d'échantillonnage supérieure 35 à 100 MHz. On peut notamment utiliser une carte d'acquisition rapide d'un oscilloscope numérique ou celle d'un ordinateur de pilotage du programme d'acquisition. Afin de réduire les dimensions du matériel à transporter sur le terrain, on peut également prévoir une acquisition par mesure par pont d'impédance et détection synchrone suivie d'une 2903776 6 conversion numérique après un échantillonnage à très basse fréquence (de l'ordre d'au moins 100Hz). On peut prévoir que le circuit de mesure échantillonne juste les tensions Uex et Ui qui sont ensuite traitées en différé sur un autre appareil. 5 En partant du modèle physique d'un condensateur formé par deux conducteurs cylindriques et parallèles infiniment longs, dans le cadre d'un champ quasi-statique, on peut relier la capacité C de chaque voie à Er par la relation suivante : C=h xrrxEoxEr /argch (D/c) Eo étant la permittivité absolue du vide, argch étant la fonction inverse du cosinus 10 hyperbolique, h étant la hauteur d'une électrode de la sonde 4, D étant l'écartement entre les sondes et étant le diamètre extérieur de l'électrode. Par analogie entre les équations de conductivité et de permittivité, la résistance R peut s'exprimer en fonction de la conductivité du sol a par la relation suivante : 15 1/R=hx2rrxa/argch (D/)) Le couple (Er, a) déterminé par les relations ci-dessus correspond à des valeurs effectives moyennées sur des longueurs de l'ordre de la taille de la sonde, et donc sur des dimensions nettement plus importantes que la dimension moyenne de la texture du sol (notamment 20 déterminée par une taille de grains généralement comprise entre quelques pm et quelques millimètres). Avec une hauteur h de 50 mm et une distance D de 150 mm, le volume examiné sur chaque voie est approximativement de 6 dm3. Lorsque la mesure s'effectue sur un milieu homogène, ce milieu est assimilé à un ensemble d'éléments ayant les mêmes caractéristiques dont chacun a une dimension nettement inférieure à l'écartement entre les 25 sondes. Le couple (Er, a) déterminé dépend donc principalement des propriétés du sol : sa teneur en eau, sa texture, la concentration et la mobilité des ions de l'eau qu'il contient. Ainsi, on peut déterminer le couple (Er, a) indépendamment de modèles de sol. Les propriétés ci-dessus peuvent ensuite être extrapolées sur la base d'un modèle de sol à établir. 30 Avantageusement, le circuit de mesure effectue une correction d'erreur numérique pour prendre en compte les inductances générées par les câbles connectant les sondes 3 et 4 au boîtier de mesure 2, l'atténuation et le déphasage introduits par la chaîne de mesure ou des erreurs résiduelles de diaphonie. Une telle correction d'erreur peut être établie à partir d'un modèle physique dont les paramètres sont fixés lors d'étalonnages avec des capacités et des 35 résistances connues placées entre les sondes 3 et 4. On peut envisager différentes variantes de l'invention. On peut notamment envisager que le dispositif de mesure soit modulaire : un tel dispositif de mesure pourrait notamment 2903776 7 comprendre une surface de contact des sondes destinée à rester noyée dans le milieu à étudier et une partie électronique du dispositif apte à être placée en contact avec les surfaces de contact ou à en être séparée. Les sondes pourraient ainsi être placées à demeure dans le milieu, ce qui limite les opérations de manutention et garantit la répétabilité des mesures. On peut également envisager que les sondes soient maintenues à un espacement prédéfini par un cadre. Un tel cadre est avantageusement prévu pour permettre le réglage de cet espacement. 10 En superposant des électrodes comme dans la sonde 4, on peut extrapoler un gradient d'humidité et un flux hydrique à l'interface sol/atmosphère. En utilisant des sondes plus longues ou en les enfonçant au niveau adéquat, on peut déterminer l'humidité précisément au niveau de racines de plantes. L'utilisation de l'invention peut être envisagée notamment dans les applications suivantes : 15 -la mesure de l'humidité en volume de produits liquides, pâteux ou solides, par exemple pour déterminer l'humidité de sols, de sables ou de granulats ou afin d'assurer le suivi de la prise d'un béton ; -la gestion des apports en eau assurant une croissance optimale de végétaux ou la détermination de profondeurs d'enfouissement de graines assurant un rendement optimal ; 20 -l'identification et le suivi de la composition ou des migrations de polluants présents dans un milieu comportant de l'eau. 5 REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure (1) de propriétés électriques d'un milieu comportant de l'eau, caractérisé en ce qu'il comprend -des première et deuxième sondes (3, 4) aptes à être espacées d'au moins 100 millimètres en configuration de mesure dans le milieu comportant de l'eau, dans lesquelles : -la première sonde (3) comprend une première électrode conductrice destinée à être placée en contact avec le milieu comportant de l'eau ; -la deuxième sonde (4) comprend des deuxième et troisième électrodes (41, 42) conductrices destinées à être placées en contact avec le milieu comportant de l'eau, un dispositif de transconductance (41) transformant les intensités traversant les deuxième et troisième électrodes (41, 42) en des tensions de mesure et présentant une masse locale, un premier comparateur (66) générant des tensions représentatives de la différence entre les tensions de mesure et la tension de masse du dispositif de transconductance; -un circuit d'excitation électrique (21) apte à appliquer une différence de potentiel prédéterminée entre la première électrode et les deuxième et troisième électrodes ; -un circuit de mesure (22) déterminant des impédances du milieu comportant de l'eau entre les sondes en fonction des tensions générées par le premier comparateur. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le premier comparateur (66) est à haute impédance d'entrée. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la différence de potentiel prédéterminée est alternative. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le circuit d'excitation (21) est apte à appliquer une différence de potentiel prédéterminée ayant une fréquence supérieure à 10 MHz. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un filtre passe-30 bas connecté entre le dispositif de transconductance et les deuxième et troisième électrodes. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la deuxième sonde (4) comprend un deuxième comparateur (65) générant une tension représentative de la différence entre la tension appliquée sur la première électrode et la tension de masse du 35 dispositif de transconductance. 8 10 2903776 9 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la deuxième sonde (4) comprend un dispositif de commutation (62) appliquant sélectivement la tension de mesure de la deuxième ou de la troisième électrode sur une entrée du premier comparateur 5 (66). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, présentant une connexion entre la sortie du premier comparateur (66) et le circuit de mesure (22), et configuré de sorte que l'intensité traversant cette connexion soit inférieure à 100 milliampères. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit de mesure (22) est apte à déterminer les résistances et les capacités du milieu comportant de l'eau entre les sondes en fonction des tensions générées par le premier comparateur (66).