Brevet FR3046463A1 — publié le 20170707

Dispositif de mesure résistive de l'humidité d'un matériau minéral poreux, et application au monitoring hydrique des plantes L'invention concerne un dispositif de mesure résistive de l'humidité d'un matériau minéral poreux à porosité ouverte. Elle concerne aussi son application à un dispositif de mesure de l'eau absorbée par les racines d'au moins une plante, et par voie de conséquence à un dispositif de monitoring de la consommation hydrique d'une ou de plusieurs plantes. Les dispositifs de mesure résistive de l'humidité d'un matériau M poreux sont connus depuis longtemps pour leur simplicité et leur faible coût. Mais outre une certaine sensibilité à la température et à l'ionisation de l'eau, ils sont surtout connus pour la contrainte inévitable des résistances de contacts, non maîtrisée encore. En effet, entre les deux électrodes entre lesquels on mesure la résistance, il n'y a en réalité pas une seule résistance (celle du matériau M) mais trois. La première est la 15 résistance de contact entre la première électrode et ce matériau M, la seconde la résistance du matériau M et la troisième la résistance de contact entre ce matériau M et la seconde électrode. Or les deux résistances de contact entre une électrode et le matériau M dépendent de nombreux facteurs difficiles à maîtriser. Le premier est la micro rugosité locale des matériaux en jeu, et, s'il y a 20 inhomogénéité, de l'oxydation locale ou des impuretés locales. Le second est la force de pression appliquée par l'électrode sur le matériau M. Le troisième dépend de la forme des électrodes : pour obtenir un bon contact galvanique sans avoir à appliquer une force excessive, ces électrodes ont généralement une surface pointue ou contondante apte à fournir un bon contact et s'affranchir d'une éventuelle couche 25 d'oxydation ou de salissure. La conséquence négative est que la surface de contact entre l'électrode et le matériau M peut varier beaucoup avec la pression appliquée. Selon l'art antérieur, lorsqu'on veut appliquer ce dispositif à la mesure de l'hydratation des plantes via leur substrat, le matériau M est le substrat de culture, peu homogène et très instable dimensionnellement. Au moindre assèchement de ce 30 substrat, il se rétracte fortement, réduisant de beaucoup la force de pression contre 3046463 2 chacune des électrodes. Pire, un assèchement plus grand rétracte le substrat au point que, au moins pour l'une des électrodes, il n'est plus du tout en contact galvanique. La résistance devient brutalement infinie. Et si ultérieurement le substrat se réhydrate et gonfle suffisamment pour rétablir le contact, chaque résistance de 5 contact qui aura été interrompue ne retrouvera pas sa valeur initiale. Cela interdit en pratique tout dessèchement apte à interrompre de cette manière au moins l'une des résistances de contact, ou même tout dessèchement induisant un retrait du substrat suffisant pour modifier de manière non réversible la résistance de contact entre l'une au moins des électrodes et le substrat. Plus généralement, l'application de ces mesures résistives au monitoring hydrique des plantes attire les fabricants de dispositifs bon marché en raison de la grande différence de prix, de complexité de mise en oeuvre, d'encombrement et de consommation électrique avec les autres méthodes d'évaluation de l'humidité d'un substrat de culture. Une seconde méthode bon marché est la mesure capacitive entre deux électrodes, qui évalue la constante diélectrique du substrat. Le premier défaut réside dans le volume de détection très limité autour des électrodes : environ 1 à 2 cm3. Elle est en outre très sensible à l'état d'ionisation du liquide diffusé dans le substrat, de sorte qu'elle est souvent dédiée à cette seule mesure d'ionisation. Une troisième méthode tend à se répandre en raison de la récente baisse des `20 équipements par une production à grande échelle : c'est la méthode de TDR de réflectométrie temporelle. Elle est très précise mais très complexe, sophistiquée et, malgré la baisse de prix, reste beaucoup trop coûteuse pour un dispositif grand public. Elle effectue une mesure de l'humidité le long d'électrodes rectilignes de 7 à 20 cm de long environ, ce qui est peu adapté au système racinaire d'une plante, 25 hormis peut-être pour une petite racine pivot. Enfin, son encombrement aussi lui interdit un marché grand public. Les autres méthodes possibles (méthode gravimétrique ou tensiométrie) sont totalement exclues pour un usage de monitoring destiné au public. Revenons au dispositif de base de l'invention : le dispositif de mesure résistif. 30 Son objet est de maîtriser les résistances de contact en les rendant quasi-insensibles 3046463 3 aux perturbations évoquées ci-dessus, c'est-à-dire constantes dans le temps, et de réduire leur valeur vis-à-vis de la résistance du matériau poreux M. Exposé de l'invention 5 Pour répondre à cela, l'invention dans sa version de base est un dispositif de mesure résistive de l'humidité d'un matériau M, minéral, rigide et doté d'une porosité ouverte, caractérisé en ce qu'il comporte : - un bloc (1) d'un matériau M, minéral, rigide et doté d'une porosité ouverte, dont on veut mesurer les variations de résistance en fonction de la teneur en eau 10 - au moins deux électrodes (2) et (2') de détection, rigides, inoxydables et nues, appliquées parallèlement contre ledit matériau M, et scellées sur ce dernier par un mélange de poudre du matériau M et de chaux chacune des électrodes (2) et (2') de détection étant connectée à une électronique (3) apte à générer un courant i de mesure et à une électronique (4) apte à mesurer la 15 résistance entre lesdites électrodes. On souligne que les électrodes (2) et (2') de détection sont en contact galvanique direct avec le bloc (1) de matériau M dont on veut mesurer l'humidité, et que ce contact n'est pas du à une pression, un vissage ou un sertissage, mais à un 20 scellement qui les solidarise rigidement au bloc (1) du matériau M. Généralement l'électronique (3) apte à générer un courant i de mesure et l'électronique (4) apte à mesurer la résistance entre les électrodes (2,2') de détection font partie d'un même ensemble électronique (5). Elles sont connectées à l'intérieur de cet ensemble électronique (5) conformément à la figure la lorsque ses 25 connections aux deux électrodes (2,2') ne sont pas exposées à beaucoup de perturbations électromagnétiques ou thermiques. Lorsqu'elles sont exposées à ces perturbations, ou que l'on souhaite améliorer la qualité des mesures, chaque paire d'électrodes (2, 2') de détection est avantageusement reliée à l'ensemble électronique (5) par une connexion à quatre fils comme sur la figure lb, 30 conformément à l'usage pour les mesures précises de résistances. Dans ce cas une 3046463 4 paire de fils (6) conducteurs amène le courant (un sur chaque électrode 2, 2'), et une autre paire de fils (7) conducteurs prélève la tension sur ces mêmes électrodes au point d'entrée ou de sortie du courant sur les électrodes de mesure, cette paire de fils (7) conducteurs étant parcourue par un courant quasi nul. 5 Le courant de mesure n'est pas nécessairement un courant constant. Indifféremment, l'électronique (3) qui le génère peut générer soit un courant connu soit une tension connue. En fonction de cela et de la valeur de la résistance du bloc (1) de matériau M, l'électronique (4) de mesure détecte soit une tension, soit un courant, conformément à la loi d'ohm. 10 De manière avantageuse, les électrodes sont placées par paires, chaque paire correspondant à une voie de mesure. De manière avantageuse, elles sont alimentées par une impulsion électrique brève, de durée inférieure à lms. De manière avantageuse, le mélange de poudre du matériau M et de chaux comporte entre 5 et 50% de chaux, le reste étant constitué de poudre du matériau M. 15 Comme il est d'usage, le scellement avec ce mélange consiste à lui mélanger la quantité d'eau requise pour avoir une pâte homogène, à mouiller le bloc (1) au moins à l'endroit où les électrodes doivent être scellées comme il est d'usage avec la chaux, puis d'appliquer la pâte ainsi obtenue et y enfoncer les électrodes (2, 2') de détection, puis attendre le séchage comme pour un scellement habituel à la chaux. De manière avantageuse, préalablement au scellement des électrodes le bloc (1) de matériau M a été creusé de deux entailles parallèles d'une largeur comprise entre 1,1 fois et 3,2 fois la plus grande largeur des électrodes (2, 2') de détection (leur diamètre si elles sont cylindriques). De manière avantageuse, la distances entre les deux électrodes (2, 2') de détection peut être quelconque dès lors que l'on parvient à détecter un courant permettant une mesure de résistance. La distance maximale varie donc avec le matériau M et la tension dont on dispose. La distance minimale, elle, dépend de la profondeur à laquelle on souhaite sonder le matériau M. En pratique, lorsque ce matériau M est une roche calcaire à porosité ouverte ou du béton cellulaire, cette 3046463 5 distance est généralement comprise entre 0,8 cm et 12 cm. Lorsque c'est de la brique ou de la céramique, elle est généralement comprise entre 0,4 et 5 cm. De manière avantageuse, les électrodes (2, 2') de détection sont rectilignes, et leur longueur est comprise entre 2 et 12 fois la distance qui les sépare. Selon un 5 premier mode de réalisation, elles sont sur la même face du bloc de matériau M. Selon un second mode de réalisation montré en figure lc, elles sont sur deux faces parallèles et opposées Préférentiellement, le matériau M est une pierre calcaire à porosité ouverte. Une réalisation de base est montrée en figure 1 avec les variantes a, b, et c. 10 lè variante : lè Application à la mesure de l'hydratation des plantes Comme application immédiate, l'invention permet également de réaliser un dispositif de mesure de l'hydratation des plantes via leur substrat. Celui-ci comporte : i- un bac (10) à plantes à réserve d'eau comportant : 15 ii- un compartiment supérieur (8) apte a être rempli par un substrat de culture, et ce substrat de culture apte à recevoir au moins une plante dont on veut mesurer l'hydratation, ij- un compartiment inférieur (9) apte à recevoir de l'eau ik- une plaque horizontale (11) séparant lesdits deux compartiments ladite 20 plaque étant apte à retenir ledit substrat et comportant au moins un trou (12) obstrué par j-un dispositif conforme à l'invention ci-dessus caractérisé en ce qu'il comporte : ji- un bloc (1) d'un matériau M, minéral, rigide et doté d'une porosité ouverte, et dont on veut mesurer la résistance 25 jj- au moins deux électrodes (2) et (2') de détection, rigides, inoxydables et nues, appliquées parallèlement contre ledit matériau M, et scellées sur ce dernier au voisinage de son extrémité supérieure par un mélange de poudre du matériau M et de chaux 3046463 6 chacune des électrodes (2) et (2') de détection étant connectée à une électronique (3) apte à générer un courant i de mesure et à une électronique (4) apte à mesurer la résistance entre lesdites électrodes. caractérisé en outre en ce que ledit bloc (1) : 5 - a de par ses dimensions et la nature du matériau M une capillarité suffisante pour assurer l'alimentation hydrique de la au moins une plante - a son extrémité inférieure posée au fond dudit compartiment inférieur, et son extrémité supérieure en contact avec la plaque de séparation là où elle comporte au moins un trou (12), de manière à obstruer ce au moins un trou et 10 retenir le substrat. Par « au voisinage de son extrémité supérieure », on entend suffisament haut pour que l'influence de l'eau stagnant au bas du compartiment inférieur ne perturbe pas les mesures. La hauteur exacte est déterminée par l'homme de métier pour ne pas briser le matériau M en état trop près de son extrémité supérieure. En moyenne, 15 cela peut situer l'électrode horizontale supérieure entre 5 et 30 mm de l'extrémité supérieure du bloc de matériau M, selon la nature de ce matériau et ses dimensions. Il est évident que l'expression « caractérisé en outre en ce que le bloc (1) a de par ses dimensions et la nature du matériau M une capillarité suffisante pour assurer l'alimentation hydrique de la au moins une plante » ne peut être décrite plus 20 précisément et se comprend telle quelle, aisément et sans ambiguïté. En effet, d'une part il existe des dizaines de milliers de matériaux différents qui ne sauraient être tous recensés ici. D'autre part, dès qu'il y a une capillarité suffisante pour faire monter l'eau du compartiment inférieur à la surface supérieure du bloc (1) du matériau M, il suffit de lui donner une section horizontale assez large pour obtenir le 25 transfert de la quantité d'eau voulue par la ou les plantes. L'action à réaliser pour obtenir ce résultat est donc tout à fait évidente et déterminée, non seulement pour l'homme du métier, mais même pour l'homme de la rue le moins averti. Par électrode nue, on entend dépourvue de tout enrobage ou gainage isolant, de telle sorte qu'elle est en contact galvanique avec le matériau M du bloc (1). 3046463 7 En fusionnant les caractéristiques communes, on peut également définir cette première variante comme un dispositif de mesure de l'hydratation des plantes via leur substrat, comportant : i- un bac (10) à plantes à réserve d'eau comportant : 5 ii- un compartiment supérieur (8) apte a être rempli par un substrat de culture, et ce substrat de culture apte à recevoir au moins une plante dont on veut mesurer l'hydratation, ij- un compartiment inférieur (9) apte à recevoir de l'eau ik- une plaque horizontale (11) séparant lesdits deux compartiments ladite plaque étant apte à retenir ledit substrat et comportant au moins un trou (12) obstrué par j-un dispositif selon l'invention ci-dessus exposée, et caractérisé en ce que ledit bloc (1) : ji- a de par ses dimensions et la nature du matériau M une capillarité 15 suffisante pour assurer l'alimentation hydrique de la au moins une plante jj- a son extrémité inférieure posée au fond dudit compartiment inférieur, et son extrémité supérieure en contact avec la plaque de séparation là où elle comporte au moins un trou (12), de manière à obstruer ce au moins un trou et retenir le substrat. 20 2è variante : 2è Application à la mesure du flux d'eau racinaire Il peut être utile en laboratoire de mesurer le plus précisément possible la quantité d'eau ou de liquide absorbée par le système racinaire d'au moins une plante. Il s'agit alors d'une variante de la 1è variante qui relève du même schéma de 25 principe. Dans ce cas la présente 2è variante consiste à faire en sorte que le matériau M ne soit pas en contact par son extrémité supérieure avec le substrat, ou le moins possible, pour n'être quasiment en contact qu'avec le système racinaire de la ou des plantes. 3046463 8 Pour cela, on utilise un dispositif semblable à celui de la 1è variante que l'on adapte en lui adjoignant des moyens de réduction de la surface de contact du bloc (1) avec le substrat de culture. Tous les moyens de réduction de cette surface de contact tout en permettant 5 à la plante de vivre relèvent de la présente invention. Tous ces moyens peuvent être utilisés seuls ou en combinaison. A titre d'exemples on peut : i- réduire la section du au moins un trou (12) de la plaque horizontale (11) séparant les deux compartiments du bac, de manière à inciter le réseau racinaire à se densifier, j- appliquer au dispositif défini pour la première variante un procédé de densification des racines. On peut citer à titre d'exemple deux procédés remplissant cette fonction : ji - un premier exemple de procédé consiste à appliquer, à un dispositif conforme à celui décrit dans la première variante, les étapes suivantes : 15 jii- intégration de la plante dans ledit dispositif, par une première phase d'enracinement, jij- appliquer dans une seconde phase, avec alimentation en eau exclusivement par le bloc (1) du matériau M, une mise progressive en stress hydrique pendant un temps suffisant pour la densification des racines (ce 20 temps varie évidement beaucoup selon la variété de la plante et selon la température, mais l'homme du métier est habitué à cette adaptation) jik- revenir à une hydratation normale. Après ce développement du système racinaire, l'eau ou le liquide traversant le bloc M est sensiblement égal à l'eau ou au liquide absorbé par le système racinaire de la plante. 25 jj - un second exemple de procédé consiste à appliquer, à un dispositif conforme à celui décrit dans la première variante, les étapes suivantes : jji- intégration de la plante dans ledit dispositif, par une première phase d'enracinement, 3046463 9 jjj- appliquer dans une seconde phase, progressive, des hormones de croissance à la concentration qui favorise la croissance racinaire, pendant un temps suffisant pour la densification des racines (ce temps varie évidement beaucoup selon la variété de la plante et selon la température, mais l'homme 5 du métier est habitué à cette adaptation) jjk- revenir à une hydratation normale. Après ce développement du système racinaire, l'eau ou le liquide traversant le bloc M est sensiblement égal à l'eau ou au liquide absorbé par le système racinaire de la plante. 10 3è variante : Application au monitoring des plantes Cette application découle de la 1è variante précédente. Elle est caractérisée par le même dispositif que pour la 1è Application à la mesure de l'hydratation des plantes, auquel on adjoint dans l'ensemble électronique (5) des moyens électronique effectuant périodiquement au moins une mesure de l'humidité du bloc du matériau M 15 au voisinage d'un trou où il affleure avec le substrat. Dans cette application, les éventuelles variations de l'ionisation de l'eau peuvent perturber la mesure. Pour éviter cela, l'ensemble électronique (5) comporte avantageusement des moyens de mesure différentielle entre chacune des paires d'électrodes (2, 2') de détection, et une paire d'électrodes de référence entre 20 lesquelles la résistance dépend de l'ionisation de l'eau. Selon une première variante, la paire d'électrodes de référence est une paire d'électrodes implantée à l'extrémité inférieure du bloc (1) de matériau M, de manière à être longtemps et totalement immergée à chaque remplissage en eau du compartiment inférieur du bac à plantes, et l'ensemble électronique (5) comporte des 25 moyens de mémorisation de cette valeur de faible résistance pour la soustraire aux mesures effectuées par les paires d'électrodes (2, 2') de détection. Avantageusement, les moyens électroniques détectent le minimum des valeurs de cette résistance des électrodes de référence pour le mémoriser. Selon une seconde variante, la paire d'électrodes de référence est montée aux extrémités d'un petit réservoir en plastique disposé au fond du compartiment inférieur 3046463 10 du bac à plantes, et ne communicant avec ce dernier que par deux orifices de petites taille de manière à ce que l'eau y rentre lors d'un remplissage, et ne s'en évapore que très lentement. La mesure de la résistance entre ces électrodes de référence donne alors une évaluation de l'ionisation de l'eau, qui permet à l'ensemble 5 électronique (5) de corriger les mesures faites par les paires d'électrodes (2 , 2') de détection. Liste des figures - la Fig 1 : schématise les trois variantes de l'invention de base. 10 Fig 1 a, la connexion aux deux électrodes (2, 2') de détection se fait par une paire de fils (6) conducteurs et les électrodes sont du même coté du bloc (1) Fig 1 b, la connexion aux deux électrodes (2, 2') se fait par une paire de fils (6) d'alimentation et une paire de fils (7) de lecture, et les électrodes sont du même coté du bloc (1) 15 Fig 1 c, la connexion aux deux électrodes (2, 2') se fait par une paire de fils (6) d'alimentation et une paire de fils (7) de lecture, et les électrodes sont sur deux face opposées du bloc (1) - la Fig 2 : schématise l'invention selon la 1è variante d'application. Elle est aussi valable pour la 2è et la 3è variante d'application 20 Réalisations préférentielles La figure 1 schématise la réalisation de base de l'invention, selon les trois variantes mentionnées dans la liste des figures. Le courant est appliqué aux 25 électrodes parallèles par la paire de fils (6), et la lecture se fait pat une paire de fils (7) soit directement connectée aux électrodes (2, 2') pour un montage à quatre fils, soit connectée à l'intérieur de l'ensemble électronique (5). 3046463 11 La figure 2 schématise en coupe la 1è variante de l'invention, à savoir son application à la mesure de l'hydratation des plantes via leur substrat. Elle comporte un bac à plantes (10) ayant un compartiment inférieur (9) apte à recevoir de l'eau, une plaque horizontale (11) comporte au moins un trou (12) qui fait communiquer ce 5 compartiment inférieur (9) avec le compartiment supérieur (8) apte à recevoir le substrat de culture. Ce substrat remplit alors l'ensemble de ce compartiment supérieur (8), de sorte qu'il n'est pas besoin d'introduire un nouvel indice sur la figure. Le schéma des 2è et 3è variantes ne diffèrent pas de celui de la figure 2 schématisant la 1è variante. 10 Selon une réalisation préférentielle, l'invention est appliquée à la mesure de l'hydratation des plantes dans un bac conforme à celui de la demande de brevet français 12 59337. Pour cela, il suffit que le bloc (1) soit fait en un matériau M doté de capillarité satisfaisant à l'une au moins des caractéristiques suivantes : - le bloc (1) est adapté pour stocker un volume d'eau au moins égal à 1°/0 de 15 la capacité nominale du réservoir d'eau, et de la restituer dans le temps à mesure que croit la tension de succion des plantes. - le matériau M est apte à restituer l'eau dans le temps selon la tension de succion se caractérise par une porosité ouverte au moins égale à 30%, et une distribution dimensionnelle des diamètres des pores substantiellement comprise 20 entre 1 et 100pm - le matériau M a une distribution dimensionnelle des diamètres de ses pores qui montre au moins 30% de pores d'un diamètre compris entre 1 et 10pm - le matériau M a une surface spécifique substantiellement égale à au moins 10m2/g. 25 REVENDICATIONS1- Dispositif de mesure résistive de l'humidité d'un matériau M, minéral, rigide et doté d'une porosité ouverte, caractérisé en ce qu'il comporte : - un bloc (1) d'un matériau M minéral, rigide, doté d'une porosité ouverte, et dont on veut mesurer les variations de résistance en fonction de la teneur en eau - au moins deux électrodes (2) et (2') de détection, rigides, inoxydables et nues, appliquées parallèlement contre ledit matériau M, et scellées sur ce dernier par un mélange de poudre du matériau M et de chaux chacune des électrodes (2) et (2') de détection étant connectée à une électronique 10 (3) apte à générer un courant i de mesure et une électronique (4) apte à mesurer la résistance entre lesdites électrodes. 2- Dispositif de mesure de l'hydratation des plantes via leur substrat comportant : 15 i- un bac (10) à plantes à réserve d'eau comportant : ii- un compartiment supérieur (8) apte a être rempli par un substrat de culture, et ce substrat de culture apte à recevoir au moins une plante dont on veut mesurer l'hydratation, ij- un compartiment inférieur (9) apte à recevoir de l'eau _ 20 ik- une plaque horizontale (11) séparant lesdits deux compartiments ladite plaque étant apte à retenir ledit substrat et comportant au moins un trou (12) obstrué par j-un dispositif selon la revendication 1, et caractérisé en ce que ledit bloc (1) : ji- a de par ses dimensions et la nature du matériau M une capillarité 25 suffisante pour assurer l'alimentation hydrique de la au moins une plante jj- a son extrémité inférieure posée au fond dudit compartiment inférieur, et son extrémité supérieure en contact avec la plaque de séparation là où elle comporte au moins un trou (12), de manière à obstruer ce au moins un trou et retenir le substrat. 30