EP4182682A1 - Instrument et procede d'analyse d'un milieu complexe pour en determiner ses proprietes physico-chimiques - Google Patents
Instrument et procede d'analyse d'un milieu complexe pour en determiner ses proprietes physico-chimiquesInfo
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- EP4182682A1 EP4182682A1 EP21752082.4A EP21752082A EP4182682A1 EP 4182682 A1 EP4182682 A1 EP 4182682A1 EP 21752082 A EP21752082 A EP 21752082A EP 4182682 A1 EP4182682 A1 EP 4182682A1
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- solid
- layer
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- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
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- G01N27/223—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance for determining moisture content, e.g. humidity
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- G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
- G01N27/221—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties
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- G01N33/245—Earth materials for agricultural purposes
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- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/24—Earth materials
Definitions
- the present invention generally relates to a probe-type instrument and a method for the in-depth analysis of a complex medium to determine its physico-chemical properties.
- complex environment is meant, within the meaning of the present invention, environments such as soils, in particular agricultural soils, walls, or the snowpack. These are essentially natural environments that can be stratified.
- the Applicant has developed an instrument and a method for determining the profile based on the measurement, at different frequencies, of the distribution, according to the propagation rate, of the amplitude of a standing electric field wave created in a transmission line inserted in the stratified medium to be studied.
- the propagation speed of the wave and its attenuation are determined for different layers of the environment to be analyzed. This speed and this attenuation depend directly on the dielectric constant r and the electrical conductivity s of the medium.
- the subject of the present invention is an instrument for the analysis of a complex medium, in particular a natural medium, which can be stratified, in order to determine its physico-chemical properties, this instrument comprising:
- bifilar a transmission line (called bifilar), of length L, comprising two parallel metal conductors immersed in the medium to be analyzed and arranged opposite each other symmetrically with respect to a central axis x and being terminated by an open circuit allowing a total reflection of the wave
- RadioFrequency sinusoidal generator (usually designated by the acronym RF) with a frequency f varying between 2 MHz and 2 GHz, to supply the metal conductors,
- each RF detector being provided with a printed antenna, ), the RF detectors and their associated printed antennas being regularly distributed along 1 line transmission and distant from each other each RF detector being capable of converting the power of the signal picked up by F antenna which is associated with it into a DC voltage, whatever the frequency imposed by the generator,
- - a supervisor card to control the RF sinusoidal generator and the plurality of RF detectors and their associated printed antennas.
- the measurement spatial step is discrete: in other words, the RF detectors and their associated antennas are regularly distributed along the transmission line and distant from each other.
- the instrument according to the invention can also comprise at least one microcontroller comprising an analog-digital A/D converter, the analog-digital A/D converter being intended to convert each voltage measured by the RF detectors into a digital value intended for be transmitted to the supervisor card.
- the printed antennas can be arranged between said metal conductors off-center with respect to the central faxe x of the transmission line. This off-centering of the printed antennas has the effect of increasing the signal (captured by an antenna)/noise ratio.
- the RF detectors can be grouped together in modules each comprising 8 RF detectors chained in series and a microcontroller.
- the present invention also relates to a method for analyzing, according to the depth x, a complex medium comprising at least one layer of solid and/or liquid material so as to determine the physical properties of said layer of solid material and/or or liquid. If the complex medium comprises a plurality of layers, each layer must be considered as a continuous medium (therefore without sudden discontinuity of its physical properties within the layer).
- the method according to the invention comprises the following steps:
- analog digital A/D converter usually designated by the acronym in English ADC for "Analog to Digital Converter" of the various DC voltages thus obtained by the RF detectors into digital values;
- a first step comprising the determination of the half-wavelength l/2 of the standing wave corresponding to the distance between two successive minima of the evolution curve of the amplitude V20(z) of the standing wave , calculating the speed c of the standing wave and the dielectric constant r in said layer of solid and/or liquid material;
- V(z) Vi.(e z + r L .e- YZ ) (1 ) with
- G L being the reflection coefficient on the load, which is substantially equal to 1 because the load is an open circuit
- the method according to the invention may also comprise an experimental step of measuring the temperature of said stratified medium to be analyzed, to increase the precision of analysis.
- This step can for example be carried out using an additional temperature profiler.
- the medium to be analyzed is a damp soil of the agricultural soil type, or soil containing granular waste or a peat bog.
- the method according to the invention further comprises a calculation step with analytical equations of the moisture content from the dielectric constant r in the layer or layers of solid and/or liquid material t followed of the temporal evolution of this rate by making a request in a database fed by the measurements of the instrument.
- the method according to this embodiment may also comprise the following steps:
- the medium to be analyzed is a stratified natural medium of the snowpack type.
- the method according to the invention further comprises the following steps:
- the present invention also relates to the use of the method according to the invention to determine whether the medium analyzed (in particular if it is a natural medium) is stratified and comprises at least two layers of solid material and/or liquid different from each other by nature: this determination of the possible stratification of the medium to be analyzed is then carried out by observing the appearance of a change/break in the evolution of V2o(z) , the wavelength l and the attenuation a of the standing wave which vary according to the nature of the layers of solid and/or liquid material of the analyzed medium. From a sufficient number of sensors (the number of which depends on the desired precision on the dielectric constant), it is possible to determine if the line is immersed in a stratified medium because at least two different wavelengths will be detected.
- FIG. 1 is a schematic sectional representation of an example of a probe-type instrument according to the invention.
- FIG. 2 is a cross-sectional schematic representation of the probe-type instrument illustrated in [fig. 1] placed in a complex soil of the moist soil type;
- [25] [fig. 3] is a typical representation of the spatial evolution of the amplitude of the standing voltage wave V20(z) in the line in the presence of non-zero conductivity; [26] [fig. 4] is an example of a measurement made at 1206 MHz showing the evolution of the amplitude V20(z) of the standing wave in a plot of agricultural land (the experimental points being small squares and the model curve being a continuous line ) as a function of the depth x;
- FIG. 5 shows the evolution of the finished moisture content, in accordance with the method according to the invention, from two series of measurements using the instrument according to the invention
- FIG. 6 shows the evolution of the conductivity obtained, in accordance with the method according to the invention, from the same series of measurements as for FIG. 5;
- [30] [fig. 8] is an example of a measurement taken at 585 MHz showing the evolution of the amplitude V2o(z) of stationary bottom in air, then in a ground of the dry embankment type, in accordance with the arrangement illustrated by [fig. 2];
- FIG. 9 shows the evolution of the stationary base amplitude in microvolts as a function of the depth x, at the frequency f of 427 MHz, for a ground of the snowpack type (example 3),
- FIG. 11 shows the evolution of the amplitude of the voltage reflected at ground level in dry and wet sand, using a TDR probe (example 4).
- This instrument 1 includes:
- a two-wire transmission line 3 comprising two metal conductors 30, 31 parallel and arranged facing each other symmetrically with respect to a central axis x and being terminated by an open circuit allowing a total reflection of Fonde,
- each RF detector 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58 being provided with a printed antenna 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, these printed antennas 61, 62, 63 , 64, 65, 66, 67, 68 preferably being arranged between the metal conductors 30, 31 off-center with respect to the central axis x of the transmission line 3, - each RF detector 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58 being capable of converting the power of the signal picked up by the antenna 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68 which is attached to it associated in a DC voltage,
- 54, 55, 56, 57, 58 are grouped into modules each comprising 8 RF detectors (51, 52, 53, 54,
- This microcontroller 7 comprises an analog-digital A/D converter to convert each voltage measured by the RF detectors 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58 into a digital value intended to be transmitted to a supervisor card 8, which controls the RF sine wave generator 4 and the plurality of RF detectors 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58 and their associated printed antennas 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68 .
- EXAMPLE 1 determination using the method according to the invention of the evolution of the amplitude V20(z) of the standing wave in a plot of wet agricultural sand.
- the aim is to determine, using the method according to the invention, the depth profile of a parcel of wet sand.
- MO organic matter rate is 22 g/kg
- N, P and K input rates are read as follows:
- the instrument according to the invention is placed as shown in [fig. 1] and [fig. 2] in the plot by digging pilot holes with an auger and, if necessary, with a perforator, then introducing the instrument vertically into the holes thus formed
- FIG. 5 shows that the humidity rates calculated analytically in accordance with the method according to the invention are of the same order of magnitude as that measured by the SENURA with the capacitive probe (of the order of 30%, for a soil saturated with water), given that the error bar is ⁇ 5 to 10%.
- EXAMPLE 2 determination using the method according to the invention of the evolution of the amplitude V20(z) of the wave when the instrument is half immersed in a water-saturated embankment-type medium , the other part remaining in the air.
- the instrument according to the invention is placed as shown in [fig. 1] in the ground in accordance with the arrangement shown by [fig. 2] and the procedure described in example 1.
- the evolution of the amplitude of the standing wave in microvolts is then determined as a function of the depth x, as illustrated by [fig . 8] at the frequency f of 585 MHz.
- EXAMPLE 3 determination using the method according to the invention of the evolution of the amplitude V20(z) of the wave when the instrument is immersed in a snowpack.
- EXAMPLE 4 (COMPARATIVE): determination of the moisture profile in dry and wet sand using the prior art method of time domain reflectometry (TDR).
- the TDR instrument typically a probe consisting of a metal trident transmission line powered by a pulse generator
- the evolution of the amplitude of the voltage reflected at ground level as illustrated by [fig. He]
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Abstract
La présente invention a pour objet un instrument et un procédé de détermination du profil basé sur la mesure, à différentes fréquences, de la répartition, selon l'axe de propagation, de l'amplitude d'une onde stationnaire de champ électrique créée dans une ligne de transmission insérée dans le milieu stratifié à étudier.
Description
DESCRIPTION
Titre de rinvention : INSTRUMENT ET PROCEDE D’ANALYSE D’UN MILIEU COMPLEXE POUR EN DETERMINER SES PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES
[ 1 ] La présente invention concerne de manière générale un instrument de type sonde et un procédé pour l’analyse en profondeur d’un milieu complexe pour en déterminer les propriétés physico-chimiques.
[2] Par milieu complexe, on entend, au sens de la présente invention, des milieux tels que des sols, notamment agricoles, des murs, ou le manteau neigeux. Il s’agit essentiellement de milieux naturels qui peuvent être stratifiés.
[3] Pour l’analyse en profondeur de tels milieux, l’Homme du métier connaît des méthodes permettant de localiser la présence d’obstacles ou la frontière entre deux milieux distincts sans analyse des propriétés physico-chimiques de ces milieux comme enseigné par le brevet américain US 8,933,789.
[4] L’Homme du métier connaît également classiques telles que la mesure des propriétés diélectriques du milieu à analyser en fonction de la fréquence du générateur sinusoïdal. Elle permet de détecter finement la nature des matériaux présents à l’endroit même de la mesure. L’homme de l’art connaît également la méthode de réflectométrie temporelle (usuellement désignée par l’acronyme en anglais TDR pour « Time Domain Reflectometry »). Cette méthode consiste à envoyer un échelon de tension dans le milieu à analyser et à enregistrer la tension réfléchie. Elle permet de détecter la variation de la permittivité électrique du milieu en fonction de la profondeur (changements de milieux, couches). Ces méthodes classiques présentent toutefois l’inconvénient de ne pas pouvoir analyser complètement en profondeur un milieu complexe : elles ne permettent d’analyser qu’un seul paramètre tel que la capacité électrique pour la première, à l’endroit même de la mesure, tandis que dans la méthode TDR, une analyse en profondeur est possible, mais elle ne donne que l’évolution en profondeur de la permittivité électrique lorsque la conductivité du milieu n’est pas trop élevée.
[5] Afin de pouvoir fournir une image en profondeur de milieux complexes en une seule mesure invasive à l’aide d’un instrument unique donnant l’évolution de plusieurs paramètres physiques, le Demandeur a mis au point un instrument et un procédé de détermination du profil basé sur la mesure, à différentes fréquences, de la répartition, selon Taxe de propagation, de l’amplitude d’une onde stationnaire de champ électrique créée dans une ligne de transmission insérée dans le milieu stratifié à étudier. La vitesse de propagation de l’onde et son atténuation sont déterminées pour
différentes couches du milieu à analyser. Cette vitesse et cette atténuation dépendent directement de la constante diélectrique r et de la conductivité électrique s du milieu. L’analyse de la variation fréquentielle, et éventuellement temporelle, de ces deux paramètres et la mesure en parallèle du profil de température permet d’en déduire pour chaque couche des paramètres physiques secondaires qui dépendent de l’application visée : par exemple l’humidité ou la teneur en eau liquide, la salinité, la concentration en intrants, le taux de matière organique, ou l’équivalent en eau (pour la neige).
[6] Plus particulièrement, la présente invention a pour objet un instrument pour l’analyse d’un milieu complexe, en particulier un milieu naturel, pouvant être stratifié, afin d’en déterminer les propriétés physico-chimiques, cet instrument comprenant :
- une ligne de transmission (dite bifilaire), de longueur L, comprenant deux conducteurs métalliques parallèles plongés dans le milieu à analyser et disposés en vis-à-vis symétriquement par rapport à un axe central x et étant terminée par un circuit ouvert permettant une réflexion totale de l’onde,
- un générateur sinusoïdal RadioFréquence (usuellement désigné par l’acronyme RF) de fréquence f variant entre 2 MHz et 2 GHz ,pour alimenter les conducteurs métalliques,
- une pluralité de N détecteurs RF disposés entre les conducteurs métalliques en étant régulièrement espacés les uns des autres, chaque détecteur RF étant muni d’une antenne imprimée, ), les détecteurs RF et leurs antennes imprimées associées étant régulièrement répartis le long de 1 ligne de transmission et distants les uns des autres chaque détecteur RF étant apte à convertir la puissance du signal capté par F antenne qui lui est associée en une tension continue, quelle que soit la fréquence imposée par le générateur,
- une carte superviseur pour contrôler le générateur sinusoïdal RF et la pluralité de détecteurs RF et leurs antennes imprimées associées.
[7] Le pas spatial de mesure est discret : en d’autres termes, les détecteurs RF et leurs antennes associées sont régulièrement répartis le long de la ligne de transmission et distants les uns des autres.
[8] De manière avantageuse, Finstrument selon Finvention peut également comprendre au moins un microcontrôleur comprenant un convertisseur analogique numérique A/N, le convertisseur analogique numérique A/N étant destiné à convertir chaque tension mesurée par les détecteurs RF en une valeur numérique destinée à être transmise à la carte superviseur.
[9] De manière avantageuse, les antennes imprimées peuvent être disposées entre lesdits conducteurs métalliques de manière décentrée par rapport à Faxe central x de la ligne de transmission. Ce décentrage des antennes imprimées a pour effet d’augmenter le rapport signal (capté par une antenne) / bruit.
[10] De manière avantageuse, les détecteurs RF peuvent être regroupés en modules comprenant chacun 8 détecteurs RF chaînés en série et un microcontrôleur.
[11] La présente invention a également pour objet un procédé pour analyser, selon la profondeur x, un milieu complexe comprenant au moins une couche de matériau solide et/ou liquide de manière à déterminer des propriétés physiques de ladite couche de matériau solide et/ou liquide. Si le milieu complexe comporte une pluralité de couches, chaque couche doit être considérée comme un milieu continu (donc sans discontinuité brutale de ses propriétés physique au sein de la couche). Le procédé selon l’invention comprend les étapes suivantes :
- introduction dans le milieu complexe à analyser, d’un instrument selon l’invention en le plongeant dans ledit milieu complexe, la surface dudit milieu complexe définissant l’origine de l’analyse x=0;
- alimentation, à l’aide du générateur sinusoïdal, de la ligne de transmission par un signal sinusoïdal de fréquence f variant entre 2 MHz et 2 GHz, de manière à générer un champ électrique E, induisant un courant dans chacune des antennes imprimées dont la puissance est convertie en une tension continue par le détecteur RF qui lui est associé, la propagation dudit champ électrique E le long de la ligne de transmission et entre les conducteurs métalliques dudit instrument se traduisant par l’apparition d’au moins une onde stationnaire de longueur d’onde l et d’amplitude V2o(z) en fonction de l’abscisse z avec z=L-x ;
- conversion par le convertisseur analogique numérique A/N (usuellement désigné par l’acronyme en anglais ADC pour « Analog to Digital Converter ») des différentes tensions continues ainsi obtenues par les détecteurs RF en des valeurs numériques ;
- transmission des valeurs numériques ainsi obtenues à la carte superviseur, qui est programmée pour en réaliser le post-traitement et les transformer en une courbe représentant l’évolution de l’amplitude V2o(z) de fonde stationnaire dans la couche de matériau solide et/ou liquide, selon l’abscisse z, avec z=L-x (en d’autres termes, les N détecteurs RF donnent indirectement une mesure spatialement échantillonnée de V2o(z) ;
- détermination par interpolation des valeurs des profondeurs x où apparaissent des tensions minimales et des tensions maximales et de l’amplitude des valeurs maximales de V2o(z) ;
- calcul de la permittivité électrique complexe s* = r - j.o/(2.n.f. o) de ladite couche de matériau solide et/ou liquide en fonction de la profondeur x et pour chaque fréquence f de mesure ; avec o désignant la constante diélectrique du vide, r (partie réelle de la permittivité complexe s*) désignant la constante diélectrique dans ladite couche de matériau solide et/ou liquide, et s désignant la conductivité électrique s de ladite couche de matériau solide et/ou liquide,
f désignant la fréquence du signal sinusoïdal, et j désignant l’opérateur mathématique tel que j2=-l le calcul de la permittivité électrique complexe s* comprenant deux étapes :
- une première étape comprenant la détermination de la demi-longueur d’onde l/2 de l'onde stationnaire correspondant à la distance entre deux minima successifs de la courbe d’évolution de l’amplitude V20(z) de l'onde stationnaire, le calcul de la vitesse c de l'onde stationnaire et de la constante diélectrique r dans ladite couche de matériau solide et/ou liquide ; et
- une deuxième étape de calcul de l’atténuation exponentielle a de l'onde stationnaire entre deux maxima successifs de la courbe d’évolution de l’amplitude V20(z) de l'onde stationnaire, cette atténuation dépendant directement de la partie imaginaire de la permittivité électrique complexe s* de ladite couche de matériau solide et/ou liquide, ladite partie imaginaire dépendant elle-même directement de la conductivité électrique s de ladite couche de matériau solide et/ou liquide.
[12] La superposition de l’onde progressive et de l’onde régressive se traduit par l’apparition d’une onde stationnaire (son amplitude est fixe à une abscisse z donnée mais elle reste bien sûr sinusoïdale en temps).
[13] Pour une ligne de transmission avec pertes, l’origine de l’axe z=0 étant prise sur la charge, on démontre que l’expression générale complexe de cette tension stationnaire s’écrit selon l’équation (1) :
V(z) = Vi.(e z + rL.e-YZ) (1 ) avec
Vi définissant la tension imposée par le générateur de tension sinusoïdal en entrée de la ligne de transmission, considérée comme la référence des phases,
G L étant le coefficient de réflexion sur la charge, qui est sensiblement égal à 1 car la charge est un circuit ouvert, z définissant l’abscisse selon la relation z=L-x
[14] L’allure générale de l’amplitude de V(z) est alors donnée par la figure 3 [fig. 3], qui montre une courbe obtenue par la discrétisation sur N points de mesure de la formule suivante développée de l’équation (1) :
avec Vi, a (atténuation en Np/m), TL (de l’ordre de 1), b (constante de phase en rad/m) étant des paramètres qui sont fonction du milieu. La constante diélectrique effective (tenant compte de la géométrie de la ligne) peut être déduite directement de b, et la conductivité électrique déduite de a
via des formules des lignes de propagation. Notons que d exprime le fait que le dernier capteur n’est pas à l’abscisse z=0.
[15] En pratique, la période de l’ondulation observée étant égale à l/2, on en déduit directement 8r effectif pour chaque demi-période spatiale détectée et, à la suite, la constante diélectrique r connaissant la loi de correspondance entre r effectif et r après l’étalonnage de l’instrument dans quatre milieux de constante diélectrique connue (air, sable sec, billes de verre et alcool éthylique). L’enveloppe de la courbe permet également de déduire a donc de remonter à la conductivité s. Pour cela, nous mesurons les distances entre minima d’une part et la décroissance des maxima de l’amplitude d’autre part.
[16] De manière avantageuse, le procédé selon l’invention peut en outre comprendre une étape expérimentale de mesure de la température dudit milieu stratifié à analyser, pour augmenter la précision d’analyse. Cette étape pourra être par exemple réalisée à l’aide d’un profileur de température annexe.
[17] La fréquence f variant entre 2 MHz et 2 GHz est réglable, comme illustré par les modes de réalisation ci-après.
[18] Selon un premier mode de réalisation du procédé selon l’invention, le milieu à analyser est un sol humide de type de type sol agricole, ou sol contenant des déchets granulaires ou une tourbière. Dans ce mode de réalisation, le procédé selon l’invention comprend en outre une étape de calcul avec des équations analytiques du taux d’humidité à partir de de la constante diélectrique r dans la ou les couches de matériau solide et/ou liquide t suivi de l’évolution temporelle de ce taux en faisant une requête dans une base de données alimentées par les mesures de l’instrument.
[19] De préférence, le procédé selon ce mode de de réalisation, adapté pour l’analyse d’un sol humide, peut en outre comporter les étapes suivantes :
- mesure du profil de conductivité s du milieu à analyser calculé à partir de la partie imaginaire de la permittivité complexe dans la ou les couches de matériau solide ou liquide suivi de l’évolution temporelle de cette conductivité en fonction de la profondeur x en faisant une requête dans une base de données alimentées par les mesures de l’instrument,
- à partir des mesures réalisées aux étapes précédentes, on en déduit en analysant la dérive temporelle de l’humidité et de la conductivité s pour chaque fréquence de mesure et en la comparant avec des équations analytiques provenant d’une modélisation physico-chimique du milieu, le taux de matière organique (dans la ou les couches du milieu à analyser, et le taux d’intrants (N, P, K) et le taux de salinité.
[20] Selon un deuxième mode de réalisation du procédé selon l’invention, le milieu à analyser est un milieu naturel stratifié de type manteau neigeux. Dans ce mode de réalisation, le procédé selon l’invention comprend en outre les étapes suivantes :
- mesures des pertes et de la constante diélectrique du manteau neigeux autour d’une fréquence de 2 GHz par détermination respectivement des maxima et des minima de l’onde stationnaire en hautes fréquences dans la ou lesdites couches de matériau solide et/ou liquide ;
- détermination de l’amplitude du champ électrique détecté à une fréquence inférieure à 2 GHz , pour en déduire la constante diélectrique du milieu dans la ou les couches de matériau solide et/ou liquide ;
- calcul à partir des différentes valeurs déterminées aux étapes précédentes, de la proportion volumique de glace, d’eau et d’air dans la ou lesdites couches de matériau solide, pour en déduire directement la hauteur de neige et des valeurs de Teneur en Eau Liquide (TEL) et d’Equivalent en Eau de la Neige (EEN) dans la ou les couches de matériau solide et/ou liquide.
[21] La présente invention a encore pour objet l’utilisation du procédé selon l’invention déterminer si le milieu analysé (en particulier s’il s’agit d’un milieu naturel) est stratifié et comprend au moins deux couches de matériau solide et/ou liquide différentes l’une de l’autre par nature : cette détermination de T éventuelle stratification du milieu analyser est alors réalisée par observation de l’apparition d’un changement/ rupture au niveau de l’évolution de V2o(z) , de la longueur d’onde l et de l’atténuation a de l’onde stationnaire qui varient en fonction de la nature des couches de matériau solide et/ou liquide du milieu analysé. A partir d’un nombre suffisant de capteurs (dont le nombre dépend de la précision voulue sur la constante diélectrique), il est possible de déterminer si la ligne est plongée dans un milieu stratifié car au moins deux longueurs d’onde différentes seront détectées.
[22] D’autres avantages et particularités de la présente invention résulteront de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux figures annexées et aux exemples :
[23] [fïg. 1] est une représentation schématique en coupe d’un exemple d’instrument de type sonde selon l’invention ;
[24] [fïg. 2] est une représentation schématique en coupe de l’instrument de type sonde illustré sur [fïg. 1] mis en place dans un sol complexe de type sol humide ;
[25] [fïg. 3] est une représentation typique de l’évolution spatiale de l’amplitude de l’onde de tension stationnaire V20(z) dans la ligne en présence d’une conductivité non nulle ;
[26] [fig. 4] est un exemple de mesure réalisée à 1206 MHz montrant l’évolution de l’amplitude V20(z) de l'onde stationnaire dans une parcelle de terrain agricole (les points expérimentaux étant des petits carrés et la courbe modèle étant une ligne continue ) en fonction de la profondeur x ;
[27] [fig. 5] montre l’évolution du taux d’humidité d’terminée, conformément au procédé selon l’invention, à partir de deux séries de mesures à l’aide de l’instrument selon l’invention ;
[28] [fig. 6] montre l’évolution de la conductivité obtenue, conformément au procédé selon l’invention, à partir des mêmes séries de mesures que pour la figure 5 ;
[29] [fig. 7] montre l’évolution du taux d’intrants (N, P, K) dans le sol, déduit des résultats présentés sur les figures 5 et 6 ;
[30] [fig. 8] est un exemple de mesure réalisée à 585 MHz montrant l’évolution de l’amplitude V2o(z) de fonde stationnaire dans de l’air, puis dans un sol de type remblais sec, conformément à la disposition illustrée par [fig. 2] ;
[31] [fig. 9] montre l’évolution de l’amplitude de fonde stationnaire en microvolts en fonction de la profondeur x, à la fréquence f de 427 MHz, pour un sol de type manteau neigeux (exemple 3),
[32] [fig. 10] montre l’évolution de la constante diélectrique à chaque abscisse, à f=3MHz, pour le sol de type manteau neigeux de l’exemple 3 ;
[33] [fig. 11] montre l’évolution de l’amplitude de la tension réfléchie au niveau du sol dans un sable sec et humide, à l’aide d’une sonde TDR (exemple 4).
[34] Les figures [fig. 1] et [fig. 2] montrent un exemple d’instrument de mesure de type sonde selon la présente invention. [Fig. 3] est commentée dans la partie descriptive qui précède. Les figures [fig. 4] à [fig. 11] sont commentées dans les exemples là 3 et l’exemple comparatif qui suivent.
[35] Cet instrument 1 comprend :
- une ligne de transmission 3 bifilaire comprenant deux conducteurs métalliques 30, 31 parallèles et disposés en vis-à-vis symétriquement par rapport à un axe central x et étant terminée par un circuit ouvert permettant une réflexion totale de Fonde,
- un générateur sinusoïdal RF 4 pour alimenter les conducteurs métalliques 30, 31,
- une pluralité de N détecteurs RF 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58 disposés entre les conducteurs métalliques 30, 31 en étant régulièrement espacés les uns des autres,
- chaque détecteur RF 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58 étant muni d’une antenne imprimée 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, ces antennes imprimées 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68 étant de préférence disposées entre les conducteurs métalliques 30, 31 de manière décentrée par rapport à l’axe central x de la ligne de transmission 3,
- chaque détecteur RF 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58 étant apte à convertir la puissance du signal capté par l’antenne 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68 qui lui est associée en une tension continue,
- dans l’exemple de réalisation montré par les figures [fig. 1] et [fig. 2], les détecteurs RF 51, 52, 53,
54, 55, 56, 57, 58 sont regroupés en modules comprenant chacun 8 détecteurs RF (51, 52, 53, 54,
55, 56, 57, 58) chaînés et un microcontrôleur ADC/PIC 7.
[36] Ce microcontrôleur 7 comprend un convertisseur analogique numérique A/N pour convertir chaque tension mesurée par les détecteurs RF 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58 en une valeur numérique destinée à être transmise à une carte superviseur 8, qui contrôle le générateur sinusoïdal RF 4 et la pluralité de détecteurs RF 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58 et leurs antennes imprimées 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68 associées.
EXEMPLES
[37] EXEMPLE 1 : détermination à l’aide du procédé selon l’invention de l’évolution de l’amplitude V20(z) de l'onde stationnaire dans une parcelle de sable humide agricole.
[38] On cherche à déterminer, à l’aide du procédé selon l’invention, le profil en profondeur d’une parcelle de sable humide.
[39] Des analyses réalisées en 2018 par la S.ENU.R.A (station d’expérimentation nucicole de référence) à l’aide d’une sonde capacitive commerciale ENVIRON-SCAN de la société SENTEK ont montré qu’il s’agissait d’une terre sablo-limono-argileuse avec 72% en poids de sable, 20% en poids de limons et 8% en poids d’argile, cette terre étant assez caillouteuse.
[40] Le taux de matière organique MO est de 22 g/kg, et les taux d’intrants N, P et K sont lues suivants :
N = 1,2 g/kg,
P = 0,95 g/kg, et K = 0, 322 g/kg.
[41] Pour cela, on dispose l’instrument selon l’invention tel que représenté sur [fig. 1] et [fig. 2] dans la parcelle en creusant des avant-trous avec une tarière et, si nécessaire, avec un perforateur, puis en introduisant verticalement l'instrument dans les trous ainsi formés
[42] [fig. 4] montre de manière très visible une atténuation exponentielle de l'amplitude de l'onde stationnaire due à la conductivité s du milieu et une diminution graduelle avec la profondeur de la longueur d'onde guidée due à une augmentation de l'humidité avec x, ce qui est conforme avec ce qui était attendu et mesuré par une sonde capacitive.
[43] Les points de mesure sont indiqués par les carrés, le modèle issu de l'équation V20(z) et de la prise en compte du gradient d'humidité dans la variation de la constante diélectrique est indiqué en trait plein.
[44] Les points de mesure sont indiqués par les carrés, le modèle issu de l'équation V20(z) et de la prise en compte du gradient d'humidité dans la variation de la constante diélectrique est indiqué en trait plein.
[45] Deux séries de mesures similaires ont été réalisées le 26 février 2021 (date à laquelle l’instrument selon l’invention a été enfoncé dans le sol à une hauteur H de 22 cm) et le 09 mars 2021 (date à laquelle l’instrument selon l’invention a été enfoncé dans le sol à une hauteur H de 24 cm à cause de la présence de cailloux). Entre ces deux dates, il y a eu un épandage de fumier une petite pluie.
[46] A partir de la valeur de la constante diélectrique r obtenues à partir de ces deux séries de mesures, on a calculé analytiquement le taux d’humidité (désigné sur la figure 5 par l’acronyme anglais VMC pour « Volumétrie Moisture Content »), respectivement indiqués sur la figure 5 par « VMC(%) 2602 » et « VMC(%) 0903 ». En parallèle, la SENURA a mesuré à l’aide de la sonde capacitive « Environ-Sacn » de SENTEK mentionnée précédemment le taux d’humidité (représenté sur la figure 5 par « VMC(%) senura » et un point unique en forme de losange).
[47] La figure 5 montrent que les taux d’humidité calculés analytiquement conformément au procédé selon l’invention sont du même ordre de grandeur que celui mesuré par la S.E.N.U.R.A avec la sonde capacitive (de l’ordre de 30%, pour un sol saturé en eau), étant donné que la barre d’erreur et de ± 5 à 10 %.
[48] Puis, on détermine, pour ces deux séries de mesure, le profil de conductivité s du sol à partir de la partie imaginaire de la permittivité électrique complexe s* et on suit l’évolution temporelle de cette conductivité s en fonction de la profondeur x, illustrée sur la figure 6.
A partir de ces résultats présentés sur les figures 5 et 6, on en déduit, en analysant la dérive temporelle de l’humidité et de la conductivité s pour chaque fréquence de mesure et en la comparant avec des équations analytiques provenant d’une modélisation physico-chimique du milieu, le taux d’intrants (N, P, K) dans le sol, illustré sur la figure 7. Le calcul du taux d’intrants est en pratique calculé empiriquement à partir de mesures étalons à l’aide d’une loi linéaire, conformément à l’enseignement de la publication scientifique de Vidya D. Ahire et al. « Effect of Chemical Fertilizers on Dielectric Properties of Soils at Microwave Frequency », in International Journal of Scientific and Research Publications, Volume 5, Issue 5, May 2015, ISSN 2250 -3153.
[49] Entre le 26 février et le 9 mars, on constate une augmentation de la conductivité du sol qu’on peut relier à un pourcentage de NPK apporté (masse d’intrants pour un volume équivalent de 1 litre
d’eau). Sur les 22 premiers cm à partir du sol, l’apport mesuré est compris entre 0,5 et 2 g/kg, comparables aux valeurs mesurées pour les différents constituant N, P et K effectués par la S.E.N.U.R.A en juin 2018 (N = 1,2 g/kg, P = 0,95 g/kg, et K = 0, 322 g/kg). On observe par ailleurs un semblant de diffusion du fertilisant dans le sol par l’allure exponentielle de la courbe d’ajustement passant par les points de la figure 7.
[50] EXEMPLE 2 : détermination à l’aide du procédé selon l’invention de l’évolution de l’amplitude V20(z) de l'onde lorsque l'instrument est plongé pour moitié dans un milieu de type remblais saturé en eau, l'autre partie restant dans l'air.
[51] On cherche à déterminer le profil en profondeur d'un sol de type remblais saturé en eau.
Pour cela, on dispose l’instrument selon l’invention tel que représenté sur [fig. 1] dans le sol conformément à la disposition montrée par [fig. 2] et la procédure décrite dans l'exemple 1. On détermine alors, conformément au procédé selon l’invention, l’évolution de l’amplitude de l'onde stationnaire en microvolts en fonction de la profondeur x, comme illustrée par [fig. 8] à la fréquence f de 585 MHz.
[52] [fig. 8] permet de directement observer à partir des extrema une constante diélectrique effective de 1,6 sur la partie supérieure de l'instrument et de 5 sur la partie introduite dans le milieu. Ceci correspond parfaitement à de l’air sur la partie supérieure et à une humidité volumique de 25 % sur la partie immergée qui était saturée d’eau, valeur quasiment égale à celle mesurée par analyse gravimétrique sur la même parcelle (23%). On voit aussi l’interface à x=16 cm entre air et remblais, indiqué par la flèche.
[53] EXEMPLE 3 : détermination à l’aide du procédé selon l’invention de l’évolution de l’amplitude V20(z) de l'onde lorsque l'instrument est plongé dans un manteau neigeux.
[54] On cherche à déterminer le profil en profondeur d'un sol de type manteau neigeux. Pour cela, on dispose l’instrument selon l’invention tel que représenté sur [fig. 1] dans le sol conformément à la disposition montrée par [fig. 2] et la procédure décrite dans l'exemple 1.
[55] On détermine alors, conformément au procédé selon l’invention, l’évolution de l’amplitude de l'onde stationnaire en micro volts en fonction de la profondeur x, comme illustrée par [fig. 9] à la fréquence f de 427 MHz.
[56] A 3 MHz (cf. Fig. 10]) les détecteurs RF fournissent une amplitude directement proportionnelle au champ électrique qui dépend de la constante diélectrique à chaque abscisse. Fa courbe de [fig. 10] représente cette constante diélectrique en intégrant le signal sur 5 détecteurs afin de réduire l'influence du bruit de mesure.
[57] [fig. 9] et [fig. 10] pennettent ainsi de directement calculer la permittivité complexe à ces deux fréquences pour des couches d'épaisseur supérieure ou égale à 10 cm. Pour une de ces couches, on a trouvé e r = 1,52 à 427 MHz et e r = 1,6 à 3MHz. On en déduit en utilisant un modèle de loi de mélange des proportions volumiques de glace I = 29, 2 % et d'eau W = 0,5 %, ainsi qu'une densité D de 272 kg/m3.
[58] Ces résultats sont à comparer à ceux obtenus expérimentalement à l’aide d’une sonde capacitive associée à une méthode de pesage : I = 32,4 %, W = 0,6 %, densité D de 330 kg/m3.
[59] EXEMPLE 4 : (COMPARATIF) : détermination du profil d'humidité dans un sable sec et humide à l’aide la méthode de l’art antérieur de réflectométrie temporelle (TDR).
[60] On cherche à déterminer le profil en profondeur d'un sol sableux. Pour cela, on dispose l’instrument de TDR (typiquement une sonde constituée d'une ligne de transmission en trident métallique alimentée par un générateur d'impulsion) dans le sol. On détermine alors l’évolution de l’amplitude de la tension réfléchie au niveau du sol comme illustrée par [fig. I l]
[61] [fig. 9] montre clairement que plus l'humidité du milieu augmente (donnée par le paramètre VMC (acronyme désignant en anglais « Volumétrie Moisture Content » et noté ici Q en %), plus l'impulsion réfléchie est déformée par les pertes que subit l'onde progressive et régressive tout au long du trajet sur la ligne trident, ce qui ne permet pas de déterminer avec une bonne précision le profil d'humidité et de conductivité du milieu mesuré, surtout si celui-ci est stratifié.
Claims
REVENDICATIONS
[Revendication 1] Instrument (1) pour l’analyse d’un milieu complexe (2) pour en déterminer les propriétés physico-chimiques, ledit instrument comprenant :
- une ligne de transmission (3) de longueur L comprenant deux conducteurs métalliques (30, 31) parallèles plongés dans le milieu à analyser et disposés en vis-à-vis symétriquement par rapport à un axe central (x) et étant terminée par un circuit ouvert permettant une réflexion totale de l’onde,
- un générateur sinusoïdal RF (4) de fréquence f variant entre 2 MHz et 2 GHz pour alimenter lesdits conducteurs métalliques (30, 31),
- - une pluralité de détecteurs RF (51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58) disposés entre lesdits conducteurs métalliques (30, 31) en étant régulièrement espacés les uns des autres, chaque détecteur RF (51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58) étant muni d’une antenne imprimée (61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68), lesdits détecteurs RF (51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58) et leurs antennes imprimées associées (61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68) étant régulièrement répartis le long de ladite ligne de transmission (3) et distants les uns des autres chaque détecteur RF (51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58) étant apte à convertir la puissance du signal capté par l’antenne (61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68) qui lui est associée en une tension continue,
- une carte superviseur (8) pour contrôler ledit générateur sinusoïdal RF (4) et la pluralité de détecteurs RF (51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58) et leurs antennes imprimées (61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68) associées.
[Revendication 2] Instrument (1) selon la revendication 1, comprenant en outre au moins un microcontrôleur (7) comprenant un convertisseur analogique numérique A/N, ledit convertisseur analogique numérique A/N étant destiné à convertir chaque tension mesurée par les détecteurs RF (51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58) en une valeur numérique destinée à être transmise à la carte superviseur (8).
[Revendication 3] Instrument (1) selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel les antennes imprimées (61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68) sont disposées entre lesdits conducteurs métalliques (30, 31) de manière décentrée par rapport à l’axe central (x) de la ligne de transmission (3).
[Revendication 4] Instrument (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les détecteurs RF (51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58) sont regroupés en modules comprenant chacun 8 détecteurs RF (51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58) chaînés et un microcontrôleur.
[Revendication 5] Procédé pour analyser, selon la profondeur x, un milieu complexe (2) comprenant au moins une couche de matériau solide et/ou liquide (20), de manière à déterminer des propriétés physiques de ladite couche de matériau solide et/ou liquide (20), ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
- (100) introduction dans ledit milieu complexe (2) à analyser, d’un instrument (1) tel que défini selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 en le plongeant dans ledit milieu complexe (2), la surface dudit milieu complexe (2) définissant l’origine de l’analyse x=0 ;
- (110) alimenter, à l’aide dudit générateur sinusoïdal (RF4), ladite ligne de transmission (2) par un signal sinusoïdal de fréquence f variant entre 2 MHz et 2 GHz, de manière à générer un champ électrique E, induisant un courant dans chacune des antennes imprimées (61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68) dont la puissance est convertie en une tension continue par le détecteur RF (51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58) associé, la propagation dudit champ électrique E le long de la ligne de transmission (3) et entre les conducteurs métalliques (30, 31) dudit instrument (1) se traduisant par l’apparition d’au moins une onde stationnaire de longueur d’onde l et d’amplitude V20(z) en fonction de l’abscisse z avec z=L-x :
- (120) conversion par le convertisseur analogique numérique A/N des différentes tensions continues ainsi obtenues par les détecteurs RF (51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58) en des valeurs numériques ;
- (130) transmission desdites valeurs numériques ainsi obtenues à ladite carte superviseur (8) programmée pour en réaliser le post-traitement et les transformer en une courbe représentant l’évolution de l’amplitude V20(z) de l'onde stationnaire dans ladite couche de matériau solide et/ou liquide (20), selon l’abscisse z, avec z=L-x ;
- (150) détermination par interpolation des valeurs des profondeurs x où apparaissent des tensions minimales et des tensions maximales et de l’amplitude des valeurs maximales de V20(z) ;
- (170) calcul de la permittivité électrique complexe e* = r - rs/(2.p.ί.eo) de ladite couche de matériau solide et/ou liquide (20) en fonction de la profondeur x et pour chaque fréquence f de mesure, avec o désignant la constante diélectrique du vide, r (partie réelle de la permittivité complexe s*) désignant la constante diélectrique dans ladite couche de matériau solide et/ou liquide (20), et s désignant la conductivité électrique de ladite couche de matériau solide et/ou liquide (20), j désignant l’opérateur mathématique tel que j2=-l,
ledit calcul comprenant deux étapes :
(1701) une première étape comprenant la détermination de la demi-longueur d’onde l/2 de l'onde stationnaire correspondant à la distance entre deux minima successifs de la courbe d’évolution de l’amplitude V20(z) de l'onde stationnaire, le calcul de la vitesse c de l'onde stationnaire et de la constante diélectrique r dans ladite couche de matériau solide et/ou liquide (20) ;
(1702) une deuxième étape de calcul de l’atténuation exponentielle a de l'onde stationnaire entre deux maxima successifs de la courbe d’évolution de l’amplitude V20(z) de l'onde stationnaire, cette atténuation dépendant directement de la partie imaginaire de la permittivité électrique complexe s* de ladite couche de matériau solide et/ou liquide (20), ladite partie imaginaire dépendant elle-même directement de la conductivité électrique s de ladite couche de matériau solide et/ou liquide (20).
[Revendication 6] Procédé selon la revendication 5, comprenant en outre une étape (160) de mesure de la température dudit milieu stratifié (1) à analyser.
[Revendication 7] Procédé selon l’une quelconque des revendications 5 et 6, selon lequel le milieu (1) à analyser est un sol humide, ledit procédé comprenant en outre l’étape suivante :
• (180) calcul avec des équations analytiques du taux d’humidité à partir de de la constante diélectrique r dans la ou lesdites couches de matériau solide et/ou liquide (20) et suivi de l’évolution temporelle de ce taux en faisant une requête dans une base de données alimentée par les mesures de l’instrument.
[Revendication 8] Procédé selon la revendication 7, comprenant en outre les étapes suivantes :
• (190) mesure du profil de conductivité s du milieu (1) à analyser calculé à partir de la partie imaginaire de la permittivité électrique complexe s* dans la ou lesdites couches de matériau solide et/ou liquide (20) et possibilité de suivre l’évolution temporelle de cette conductivité s en fonction de la profondeur x en faisant une requête dans une base de données alimentée par les mesures de l’instrument,
• (200) à partir des mesures réalisées aux étapes (180) et (190), on en déduit en analysant la dérive temporelle de l’humidité et de la conductivité s pour chaque fréquence de mesure et en la comparant avec des équations analytiques provenant d’une modélisation physico-chimique du milieu, le taux de matière organique (MO) dans la ou les couches (20) du milieu à analyser, le taux d’intrants (N, P, K) et de salinité.
[Revendication 9] Procédé selon l’une quelconque des revendications 5 et 6, selon lequel le milieu (1) à analyser est un milieu naturel stratifié de type manteau neigeux, ledit procédé comprenant en outre l’étape suivante :
• (200) mesures des pertes et de la constante diélectrique du manteau neigeux autour d’une fréquence de 2 GHz par détermination respectivement des maxima et des minima de l’onde stationnaire en hautes fréquences (HF) dans la ou lesdites couches de matériau solide et/ou liquide (20) ;
• (210) détermination de l’amplitude du champ électrique détecté à une fréquence inférieure à 2 GHz , pour d’en déduire la constante diélectrique du milieu dans la ou lesdites couches de matériau solide et/ou liquide (20) ;
• (220) calcul à partir des différentes valeurs déterminées aux étapes (200) et (210) de la proportion volumique de glace, d’eau et d’air dans la ou lesdites couches de matériau solide (10,11), permettant d’en déduire directement la hauteur de neige et des valeurs de Teneur en Eau Liquide (TEL) et d’Equivalent en Eau de la Neige (EEN) dans la ou lesdites couches de matériau solide (10,11).
[Revendication 10] Utilisation du procédé selon l’une quelconque des revendications 5 ou 6, pour déterminer si le milieu (1) analysé est stratifié et comprend au moins deux couches de matériau solide et/ou liquide (20, 21) différentes l’une de l’autre par nature, par observation de l’apparition d’un changement au niveau de l’évolution de V2o(z), de la longueur d’onde l et de l’atténuation de l’onde stationnaire qui varient en fonction de la nature des couches de matériau solide et/ou liquide (20, 21) dudit milieu (1) analysé.
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