Brevet FR2958041A1 — publié le 20110930

PROCEDE DE MESURE DE TENEUR EN EAU D'UN MILIEU ET DISPOSITIF ASSOCIE DESCRIPTION Domaine technique et art antérieur L'invention concerne un procédé de mesure de teneur en eau d'un milieu ainsi qu'un dispositif de mesure de teneur en eau qui met en oeuvre le procédé de l'invention. L'invention s'applique avantageusement à la mesure de la teneur en eau dans des matériaux naturels (sols, sables, argiles, argilites, etc.), cimentaires (ciments, mortiers, bétons), ou remaniés. Le procédé de l'invention se situe dans le cadre général des mesures effectuées selon le principe de la réflectométrie dans le domaine temporel plus communément appelées mesures TDR (TDR pour « Time Domain Reflectometry »). Une mesure TDR consiste à mesurer le temps que met une onde électromagnétique pour se propager le long d'électrodes placées dans un milieu. La connaissance de ce temps permet de déterminer la vitesse de propagation de l'onde dans le milieu et, en conséquence, la permittivité relative du milieu. Dans le domaine des très hautes fréquences, la permittivité relative du milieu dépendant fortement de la teneur en eau, il est alors possible de déterminer celle-ci. La figure 1 représente un schéma de principe de dispositif apte à effectuer une mesure TDR. 2 Le dispositif comprend un réflectomètre 1, une antenne ou une sonde S placée dans le milieu M que l'on étudie, un système de transport de signal 2 qui relie le réflectomètre 1 à la sonde S et un dispositif de traitement de signal 3 relié au réflectomètre 1. La sonde S est faite, par exemple, de deux électrodes métalliques a1, a2 qui se terminent en circuit ouvert, l'une des deux électrodes métalliques étant reliée à la masse du dispositif. Le dispositif de traitement 3 délivre une commande Cd qui est appliquée au réflectomètre 1. La commande Cd permet, tout d'abord, de lancer l'acquisition du signal de mesure et, ensuite, de transférer un signal numérique R(t) qui résulte de cette acquisition vers le circuit de traitement 3. Pour l'acquisition du signal de mesure, le réflectomètre 1 émet une impulsion qui se propage dans le système de transport 2. Lorsque l'impulsion arrive sur le connecteur d'entrée CN qui relie le système de transport 2 à la sonde S, une première partie de l'onde est réfléchie et une deuxième partie est transmise le long des électrodes a1, a2. Lorsque la deuxième partie de l'onde arrive sur le circuit ouvert qui termine la sonde, cette deuxième partie de l'onde est totalement réfléchie. Le signal de mesure ainsi constitué est alors numérisé et transféré au dispositif de traitement sous l'action de la commande Cd. La figure 2 illustre le principe de calcul du temps de propagation de l'onde électromagnétique qui parcourt l'antenne, selon l'art antérieur. Sur la figure 2 sont représentées deux courbes Cl, C2 du signal 3 numérique R(t) mesuré par le réflectomètre 1, dans le cas d'une sonde placée dans de l'argile. Les courbes Cl et C2 ont des formes différentes. Cela est dû au fait que les câbles de liaison qui sont utilisés pour l'obtention de ces courbes ont des longueurs différentes : la longueur des câbles du système de transport 2 est plus grande dans le cas de la courbe C2 que dans le cas de la courbe Cl. Chaque courbe Cl, C2 comprend un premier maximum (respectivement maxi, max2) qui représente la première réflexion, une décroissance du signal vers un minimum (respectivement miner mine) et, à partir du minimum, une forte remontée du signal qui présente un point d'inflexion (respectivement I2r I2) et représente la deuxième réflexion. Selon l'art antérieur, l'instant qui représente la première réflexion est déterminé des deux tangentes à la courbe premier maximum et l'instant deuxième réflexion est déterminé par l'intersection encadrent le représente la l'intersection minimum et de par qui qui de la tangente à la courbe au niveau du la tangente à la courbe au niveau du point d'inflexion de la forte remontée du signal. La durée At qui correspond au temps de réflexion aller-retour de l'onde qui se propage le long de l'antenne est alors donnée par la différence entre l'instant qui représente la deuxième réflexion et l'instant qui représente la première réflexion. En référence à la courbe Cl, le temps de propagation de l'onde électromagnétique s'écrit en conséquence : 4 Ott = t22 - t11 De même, en référence à la courbe C2, il vient : At2 = t12 - t21 Il apparaît ainsi clairement que le temps de propagation Ott peut être très différent du temps de propagation At2. A titre d'exemple non limitatif, pour une sonde de 60cm, la durée At2 est égale à 1Ons pour un câble de longueur 40m et la durée Ott est égale à 12ns pour un câble de longueur 20m. Cette forte dépendance de la mesure du temps de propagation à la longueur des câbles de liaison est un réel inconvénient. Il en résulte en effet une grande incertitude dans les résultats de calcul de la teneur en eau. C'est tout particulièrement l'instant qui représente la première réflexion qui est défini avec beaucoup d'imprécision. Ceci représente un inconvénient majeur pour déterminer, de façon reproductible, la constante diélectrique relative d'un milieu et, partant, la teneur en eau de ce milieu. L'invention ne présente pas cet inconvénient. Exposé de l'invention En effet, l'invention concerne un procédé de mesure de teneur en eau d'un milieu par 25 réflectométrie, le procédé comprenant : - la formation d'un signal numérique représentatif d'un signal réfléchi par une antenne placée dans le milieu, le signal numérique étant constitué d'une succession d'échantillons numériques 30 dont la variation en fonction du temps constitue une courbe, - la détermination, à partir du signal numérique, d'un premier instant et d'un deuxième instant ultérieur au premier instant, la durée qui sépare le deuxième instant du premier instant mesurant 5 un temps de propagation aller-retour d'un signal qui se propage le long de l'antenne, - la détermination, à partir des échantillons numériques qui précèdent le premier instant, d'une valeur moyenne sensiblement constante qui représente un niveau de bruit du signal numérique, et - la détermination du premier instant comme un instant où un nombre N d'échantillons numériques successifs s'élèvent continument au dessus de la valeur moyenne sensiblement constante, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 2, conformément à la théorie de Nyquist sur la fréquence d'échantillonnage d'un signal. Selon une caractéristique supplémentaire du procédé de l'invention, le deuxième instant est calculé, par un circuit de traitement, comme un instant où une tangente à la courbe en un point de minimum de la courbe et une tangente à la courbe en un point d'inflexion d'une partie de la courbe qui s'élève continument à partir du point de minimum s'interceptent. Selon une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, le point d'inflexion est déterminé par les étapes suivantes : 6 - filtrage, à partir du point de minimum de la courbe, de la partie de la courbe qui s'élève à partir du point de minimum, - détermination d'une courbe croissante au sens strict à partir de la partie de courbe filtrée obtenue à l'étape de filtrage, - détermination du point d'inflexion comme étant le point d'inflexion de la courbe croissante au sens strict. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, après la détermination de la courbe croissante au sens strict et avant la détermination du point d'inflexion, une étape d'interpolation par spline cubique élimine des points aberrants de la courbe. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, le filtrage est effectué par érosion morphologique. L'invention concerne également un dispositif de mesure de teneur en eau d'un milieu par réflectométrie, le dispositif comprenant : - des moyens de formation d'un signal numérique représentatif d'un signal analogique réfléchi par une antenne placée dans le milieu, le signal numérique étant constitué d'une succession d'échantillons numériques dont la variation en fonction du temps constitue une courbe, et - des moyens de détermination, à partir du signal numérique, d'un premier instant et d'un deuxième instant ultérieur au premier instant, la durée qui sépare le deuxième instant du premier instant mesurant 7 un temps de propagation aller-retour d'un signal qui se propage le long de l'antenne. Les moyens de détermination du premier instant comprennent une unité de calcul apte à déterminer . - à partir des échantillons numériques qui précèdent le premier instant, une valeur moyenne sensiblement constante qui représente un niveau de bruit du signal numérique, et - le premier instant comme un instant où un nombre N d'échantillons numériques successifs s'élèvent continument au dessus de la valeur moyenne sensiblement constante, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 2. De façon particulièrement avantageuse, le procédé de l'invention permet d'obtenir des mesures de teneur en eau beaucoup plus reproductibles que le procédé de l'art antérieur lorsque les conditions de mesure changent (modification de longueur des câbles de liaison). Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel fait en référence aux figures jointes, parmi lesquelles : - La figure 1, déjà décrite, représente un schéma de principe de dispositif apte à effectuer une mesure TDR ; - La figure 2, déjà décrite, illustre le principe de calcul du temps de propagation de l'onde 8 électromagnétique qui parcourt les antennes, selon l'art antérieur ; - La figure 3 représente un schéma de principe de dispositif apte à effectuer une mesure TDR selon l'invention ; - La figure 4 représente une unité de calcul apte à mettre en oeuvre le procédé de l'invention ; - La figure 5 représente une vue de détail de l'unité de calcul de la figure 4 ; - La figure 6 illustre le principe de calcul du temps de propagation de l'onde électromagnétique qui parcourt les antennes, selon l'invention. Sur toutes les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments. Exposé détaillé d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention. La figure 3 représente un schéma de principe de dispositif apte à effectuer une mesure TDR selon l'invention. Le dispositif de mesure de l'invention diffère du dispositif de l'art antérieur par le dispositif de traitement UT. Le dispositif de traitement UT reçoit les données numériques qui constituent le signal R(t). Le dispositif UT comprend (cf. figures 4 et 5) une unité de calcul U1 qui calcule l'instant de départ tdi de la durée At, une unité de calcul U2 qui calcule l'instant de fin tfi de la durée At et une unité de calcul U3 qui calcule la durée At par différence entre l'instant de fin et l'instant de départ. L'unité de traitement UT est, par exemple, un microcontrôleur, un ordinateur, 9 une carte de traitement, etc. Le dispositif UT comprend également des moyens (non représentés sur la figure 4) pour délivrer la commande Cd qui pilote le réflectomètre. La figure 6 illustre le principe de calcul du temps de propagation de l'onde qui parcourt l'antenne selon l'invention. Sur la figure 6, les courbes C1 et C2 sont identiques aux courbes représentées sur la figure 2 et représentent, en conséquence, les mêmes mesures. Selon l'invention, pour chaque courbe Ci (i=1, 2), le point de départ de la durée At de propagation de l'onde est calculé en un point Pi(tdi, Xi) où l'instant tdi est l'instant où la courbe s'élève d'un nombre N de points successifs (par exemple N=5) pour prendre une valeur Xi supérieure à une valeur moyenne Xoi qui représente la partie horizontale de la courbe qui précède l'arrivée de la première réflexion (niveau de bruit). L'unité de calcul U1 calcule ainsi, tout d'abord, la valeur moyenne Xoi à partir des données relatives à la courbe Ci. La valeur moyenne Xoi est donnée par la tangente à la courbe Ci, calculée en un point quelconque de la partie horizontale de la courbe Ci qui représente le niveau de bruit du signal. L'instant tdi est alors calculé comme l'instant auquel le signal numérique s'élève de N échantillons numériques au dessus de la tangente de valeur moyenne . A titre d'exemple non limitatif, N est égal à 5. L'instant tfi de fin de la durée At est calculé, par exemple, par la méthode des tangentes 10 (unité de calcul U2). L'unité de calcul U3 calcule ensuite la durée At comme la différence des instants tfi et tai Un mode de réalisation préférentiel de l'unité de calcul U2 est détaillé en référence à la figure 5. L'unité de calcul U2 comprend les unités de calcul élémentaires suivantes : une unité de filtrage Ua qui filtre, à partir du point de minimum de la courbe, les points situés sur la partie de la courbe qui présentent une forte remontée du signal ; - une unité de détermination Ub d'une courbe croissante au sens strict à partir de la courbe filtrée délivrée par l'unité de filtrage; - une unité de détermination Uc du point d'inflexion situé sur la courbe croissante au sens strict obtenue précédemment ; et - une unité de détermination Ud de l'instant tfi à l'intersection de la tangente à la courbe au niveau du minimum et de la tangente à la courbe au point d'inflexion. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, l'unité de filtrage Ua met en oeuvre la méthode de traitement communément appelée « érosion morphologique » qui est connue, à ce jour, dans le domaine du traitement d'image. L'érosion morphologique, appliquée de façon avantageuse aux échantillons numériques du signal, permet ici d'obtenir une courbe dépourvue de toute partie décroissante, la pente de la courbe obtenue étant strictement positive ou nulle. Dans un perfectionnement de l'invention, après 11 détermination d'une courbe croissante au sens strict et avant détermination du point d'inflexion, le procédé comprend une étape d'interpolation par spline cubique qui élimine les points aberrants de la courbe.5 REVENDICATIONS1. Procédé de mesure de teneur en eau d'un milieu (M) par réflectométrie, le procédé comprenant : - la formation d'un signal numérique (R (t) ) représentatif d'un signal réfléchi par une antenne placée dans le milieu (M), le signal numérique étant constitué d'une succession d'échantillons numériques dont la variation en fonction du temps constitue une courbe (Ci), - la détermination, à partir du signal numérique, d'un premier instant (tdi) et d'un deuxième instant (tfi) ultérieur au premier instant, la durée (At) qui sépare le deuxième instant du premier instant mesurant un temps de propagation aller-retour d'un signal qui se propage le long de l'antenne, caractérisé en ce que la détermination du premier instant comprend : - une étape de détermination, à partir des échantillons numériques qui précèdent le premier instant (tdi), d'une valeur moyenne sensiblement constante (Xoi) qui représente un niveau de bruit du signal numérique, et - une étape de détermination du premier instant (tdi) comme un instant où un nombre N d'échantillons numériques successifs s'élèvent continument au dessus de la valeur moyenne sensiblement constante, N étant un nombre entier supérieur ou égal à2.30 13 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le deuxième instant (tdi) est calculé, par un circuit de traitement (U3), comme un instant où une tangente à la courbe (Ci) en un point de minimum de la courbe (mini) et une tangente à la courbe en un point d'inflexion (Pi) d'une partie de la courbe qui s'élève continument à partir du point de minimum s'interceptent. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le point d'inflexion est déterminé par les étapes suivantes . - filtrage (Ua), à partir du point de minimum de la courbe, de la partie de la courbe qui s'élève à partir du point de minimum, détermination (Ub) d'une courbe croissante au sens strict à partir de la partie de courbe filtrée obtenue à l'étape de filtrage, - détermination (Uc) du point d'inflexion comme étant le point d'inflexion de la courbe croissante au sens strict. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel, après la détermination de la courbe croissante au sens strict et avant la détermination du point d'inflexion, une étape d'interpolation par spline cubique est effectuée pour éliminer des points aberrants de la courbe. 14 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel le filtrage est effectué par érosion morphologique. 6. Dispositif de mesure de teneur en eau d'un milieu (M) par réflectométrie, le dispositif comprenant : - des moyens de formation d'un signal numérique (R(t)) représentatif d'un signal réfléchi par une antenne placée dans le milieu (M), le signal numérique étant constitué d'une succession d'échantillons numériques dont la variation en fonction du temps constitue une courbe (Ci), - des moyens de détermination, à partir du signal numérique, d'un premier instant (tdi) et d'un deuxième instant (tfi) ultérieur au premier instant, la durée (At) qui sépare le deuxième instant du premier instant mesurant un temps de propagation aller-retour d'un signal qui se propage le long de l'antenne, caractérisé en ce que les moyens de détermination du premier instant comprennent une unité de calcul (U2) apte à déterminer : - à partir des échantillons numériques qui précèdent le premier instant, une valeur moyenne sensiblement constante (Xoi) qui représente un niveau de bruit du signal numérique, et - le premier instant (tdi) comme un instant où un nombre N d'échantillons numériques successifs s'élèvent continument au dessus de la valeur moyenne sensiblement constante, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 2. 15 7. Dispositif selon la revendication 6 et qui comprend, en outre, un circuit de traitement (U3) apte à déterminer le deuxième instant (tfi) comme un instant où une tangente à la courbe (Ci) en un point de minimum de la courbe et une tangente à la courbe en un point d'inflexion d'une partie de la courbe qui s'élève continument à partir du point de minimum s'interceptent. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel le circuit de traitement comprend : - une unité de filtrage (Ua) qui filtre, à partir du point de minimum de la courbe, la partie de la courbe qui s'élève à partir du point de minimum, une unité de détermination (Ub) d'une courbe croissante au sens strict à partir de la partie de courbe filtrée délivrée par l'unité de filtrage, et une unité de détermination (Uc) du point d'inflexion comme étant le point d'inflexion de la courbe croissante au sens strict. 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel une unité de calcul met en oeuvre une étape d'interpolation par spline cubique qui élimine des points aberrants de la courbe. 10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, dans lequel l'unité de filtrage effectue un filtrage par érosion morphologique.