FR2994478A1 - Appareil et procede de mesure d'accumulation thermique - Google Patents

Abstract

Un appareil de mesure d'accumulation thermique comprend des moyens de traitement et une mémoire, des moyens pour introduire et mémoriser des paramètres de mesure, des moyens de mesure de température, et des moyens pour calculer et stocker à intervalles réguliers un cumul thermique sur la base des paramètres introduits. Application notamment à la surveillance du développement de processus biologiques, en particulier en agriculture.

Description

Domaine de l'invention La présente invention concerne d'une façon générale l'analyse et la mesure de phénomènes thermiques.

Arrière-plan de l'invention La plupart des êtres vivants, à l'exception des animaux homéothermes (à sang chaud), voient leurs cycles biologiques soumis à la température de leur environnement. Bien souvent, cette température régit la longueur des 10 cycles, le passage d'un stade à un autre, le démarrage ou l'arrêt du développement. L'observation de cette relation entre la température et le rythme biologique des êtres vivants révèle l'importance des effets de seuil : ainsi une légère modification des paramètres 15 extérieurs, ou encore l'achèvement d'un cumul, engendre un mécanisme (hormonal, etc.) qui détermine un saut qualitatif considérable et synchrone dans une population donnée (éclosion, mue, diapause, etc.). Les phénomènes les plus connus pour illustrer ce phénomène 20 sont le déterminisme du sexe par la température d'incubation des oeufs chez certains reptiles (seuil de température), mais aussi, et ces derniers exemples sont ceux qui nous intéressent, la transition d'un stade larvaire à un autre chez les insectes, la germination des graines ou encore la 25 floraison du maïs, tous ces déterminismes étant régis par l'accumulation thermique et non par la température moyenne. Les phénomènes d'accumulation thermique sont ainsi facilement modélisables en utilisant la notion de degrés-jours : un être vivant a besoin d'accumuler un certain nombre de 30 degrés-jours pour accomplir un stade biologique. Ce nombre est appelé la constante thermique.

Le développement est ainsi possible seulement entre les seuils thermiques minimal (aussi appelé zéro de développement) et maximal. Plus la température ambiante est élevée au dessus du seuil 5 thermique minimal et plus le développement biologique est rapide. La durée du développement est donc inversement proportionnelle à la température. Lorsque la température ambiante dépasse le seuil thermique maximal, le développement biologique est bloqué. 10 Ainsi le temps et la température interagissent de la façon suivante. D=K/(T-Tmin) Où D représente la durée en jours, K la constante thermique, T la température ambiante et Tmin le seuil thermique (ou zéro de 15 développement). Ces notions sont très utiles aux biologistes pour prédire les changements de stade. La constante et les seuils thermiques sont des valeurs intrinsèques à l'espèce, la population ou la lignée. 20 Ces valeurs, mesurables par l'expérience, résultent des conditions climatiques dans lesquelles l'espèce a évolué, et traduisent l'adaptation de l'espèce au climat de son milieu naturel. Ainsi, l'éclosion des oeufs des insectes, répondant à ce 25 principe, peut avoir lieu dans un intervalle de temps qui est fonction de la température. Si dans l'espèce donnée le zéro de développement embryonnaire est de 11°C, et le cumul thermique de 100 degrés-jours, la durée du cycle (de la ponte à l'éclosion, sera, en fonction de la température : 30 Pour une température moyenne de 15°C, de 100/(15-11) = 25 jours ; Pour une température moyenne de 21°C, de 100/(21-11) = 10 jours ; Pour une température moyenne de 26°C, de 100/(26-11) = 6.7 jours.

A une température donnée comme fixe correspond une durée de cycle évidente. Cependant, les variations de température, permanentes en milieu extérieur, compliquent ce problème, notamment parce que la température nocturne descend souvent en dessous du zéro de développement.

De ce fait, l'anticipation du cumul thermique est difficile et imprécise : elle nécessite un relevé régulier des températures et le calcul pour chaque notation de l'accumulation thermique associée. Des stations météo installées dans les stations d'avertissement agricole remplissent ce rôle, mais dans un périmètre très restreint, car il est vrai que la température peut varier sur une distance de quelques kilomètres seulement (microclimat, nature du couvert végétal, hygrométrie, escarpement, orientation des pentes) ; or la somme des petites différences dans les relevés de température impacte grandement le cumul thermique (surtout si la température est proche du zéro de développement). On connaît déjà par le brevet US 4 286 465 un thermomètre numérique qui enregistre périodiquement la température, tout en indiquant les températures minimales et maximales pour un intervalle de temps prédéterminé (par exemple, une période de 24 heures). Ces valeurs peuvent alors être affichées à la demande. Ce dispositif permet également d'accumuler les températures mesurées en degré-jours ; dans l'exemple décrit l'incrémentation se fait à un intervalle régulier de 8 minutes (colonne 8, ligne 21), et le dispositif comprend une mémoire pour l'accumulation de degrés-jours qui peuvent être affichés à la demande.

Le brevet US 4 914 672 décrit quant à lui un procédé pour distinguer des oeufs de poule vivants des oeufs morts en mesurant et comparant leurs températures avec des courbes-modèles préétablies.

Toutefois, on ne connaît dans l'état de l'art ou sur le marché aucun appareil capable de quantifier de façon scientifiquement et industriellement utile les cumuls thermiques.

Résumé de l'invention La présente invention vise à proposer une solution simple, économique et flexible pour mesurer et signaler des cumuls thermiques et modéliser et surveiller des phénomènes biologiques sur cette base.

On propose ainsi selon un premier aspect un appareil de mesure d'accumulation thermique, comprenant des moyens de traitement et une mémoire, des moyens pour introduire et mémoriser des paramètres de mesure, des moyens de mesure de température, et des moyens pour calculer et stocker à intervalles réguliers un cumul thermique sur la base des paramètres introduits. Optionnellement, cet appareil comprend les caractéristiques supplémentaires, prises individuellement ou en toutes combinaisons techniquement possibles : * les paramètres comprennent au moins un paramètre parmi une température seuil minimale de cumul, une température seuil maximale de cumul, un cumul thermique cible au dessus du zéro de développement, un cumul thermique cible en dessous du zéro de développement, et une fréquence de mesure de la température. * l'appareil comprend des moyens d'avertissement sensibles à des moyens de comparaison entre le cumul thermique calculé et le cumul thermique cible. * l'appareil comprend en outre des moyens de communication 5 avec un équipement distant. * les moyens de communication sont aptes à recevoir des valeurs de paramètres de mesure. * les moyens de communication sont aptes à transmettre des valeurs de cumul thermique. 10 * les moyens de communication sont aptes à transmettre des valeurs de température. * les moyens de communication sont aptes à transmettre des informations de géolocalisation. On propose également selon l'invention un procédé pour la 15 détection d'un développement biologique, comprenant les étapes suivantes : charger dans une mémoire un ensemble de paramètres propres au développement biologique à examiner, relever à intervalles réguliers la température de 20 l'environnement où se situe le développement biologique, calculer un cumul thermique sur la base des paramètres introduits. signaler le moment où un cumul thermique prédéterminé est atteint. 25 Brève description des dessins D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation préférée de 30 celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels la figure unique est un schéma-bloc d'un appareil selon l'invention.

Description détaillée d'une forme de réalisation I) Constitution de l'appareil L'appareil de mesure de cumuls thermique selon l'invention 5 comprend, en référence à la figure, une unité centrale UC dotée de façon classique d'un processeur P cadencé par une horloge H, de mémoires M et de circuits d'entrée/sortie IO. A ces circuits d'entrée-sortie sont reliés des dispositifs d'entrée DE (boutons, etc.) un afficheur AF tel qu'un écran à 10 cristaux liquides, un dispositif de signalisation lumineuse LU, un dispositif de signalisation sonore SO, ces éléments formant ensemble une interface utilisateur. Une sonde de température ST est reliée à une entrée des circuits IO. 15 L'ensemble est alimenté par la tension du secteur et/ou par des batteries rechargeables ou non, un capteur solaire pouvant assurer l'autonomie électrique. L'unité centrale est apte à relever la valeur de température délivrée par la sonde à intervalles réguliers, par 20 exemple de l'ordre de la seconde, de la minute ou de l'heure selon les applications, cette périodicité pouvant être avantageusement paramétrable. L'unité centrale est apte à mémoriser dans la mémoire M d'une part les valeurs de température relevées, et d'autre 25 part, pour chaque nouvelle valeur de température relevée, le cumul thermique atteint sur la base de ces températures sur une période donnée. Cette valeur mémorisée du cumul thermique permet à tout moment, de connaître le stade d'avancement du développement d'un processus biologique, aussi bien en degrés- 30 jours écoulés depuis le début de la mesure qu'en % de la constante thermique.

Avantageusement, l'appareil est réalisé sous forme d'un boîtier portable B, si nécessaire étanche et résistant aux environnements difficiles, recevant les éléments décrits plus haut et doté d'aménagements mécaniques de fixation, support etc. en fonction de l'application (ventouse, crochet, clip, etc.) Avantageusement, l'appareil comprend également un circuit de communication de données sans fil, par exemple selon la technologie « Bluetooth » (marque déposée), et des connecteurs pour d'autres types de sondes comme on le verra encore dans la suite. 2) Fonctionnalités de base L'unité centrale est animée par un programme possédant une fonction de paramétrage par laquelle, avant le début de l'accumulation thermique, l'utilisateur peut fixer un certain nombre de paramètres. Une liste de paramètres selon un exemple figure dans le tableau ci-dessous : Variable Unité Symbole Exemple Seuil thermique minimal °C Tmin 11.2 Seuil thermique maximal °C Tmax 31.5 Cumul thermique cible °C.j K 105 Fréquence Nbre/jour F 96 Le paramètre de fréquence détermine l'intervalle temporel de mise à jour du cumul thermique, et cette fréquence doit être choisie d'autant plus élevée que la température ambiante est fluctuante. Par exemple, en milieu extérieur, un intervalle de 15 minutes (soit 96 mesures par 24 heures) peut être satisfaisant.

La variable de cumul thermique absolu, notée M, est incrémentée selon cette fréquence par le calcul suivant effectué par l'unité centrale : M = M + SI(ET(T>Tmin;T<Tmax);T-Tmin;0)/F On comprend de cette formule que l'incrémentation a lieu seulement si la température relevée T est contenue dans un intervalle compris entre Tmin et Tmax, et que la valeur de l'incrément est l'écart entre T et Tmin divisé par F de telle manière que les unités s'expriment en degrés-jours.

L'unité centrale calcule également une valeur de cumul thermique dit normalisé, égale à la valeur de M divisée par la constante thermique K. Dans l'exemple numérique du tableau présenté plus haut, après une première mesure de la température à 25°C, l'écran 15 affichera : Pour M : 0,1 (précisément 0,14375) Pour M/K : 0,1% (précisément 0,1369%) Lorsque le cumul normalisé M/K atteint 100%, ceci est détecté par le programme animant l'unité centrale, que 20 déclenche une signalisation sonore et lumineuse. On a vu ci-dessus que la variable M s'incrémentait à chaque mesure de température comprise entre le seuil Tmin et le seuil Tmax. Le système peut également traiter une autre variable de cumul qui s'incrémente de façon opposée, que l'on 25 note N et qui répond à la formule : N = N + SI(ET(T<Tmin;T>0);Tmin - T;0)/F Dans ce cas, on comprend qu'à chaque relevé de température, le processeur incrémente donc soit M (dans le cas où la température est supérieure au seuil Tmin), soit N (dans 30 le cas où la température est inférieure au seuil T min). Avantageusement, l'unité centrale possède également une fonction d'horodatage permettant de déterminer et de mémoriser l'instant auquel le cumul de 100% (et éventuellement tout cumul intermédiaire) est atteint. 3) Options et variantes a) Le programme de l'unité centrale peut être 5 avantageusement conçu pour garder en mémoire l'ensemble des températures mesurées à chaque intervalle. Ceci permet, outre la collecte d'un historique des températures pour tout traitement ultérieur souhaité, le changement des paramètres au cours d'une mesure, pour recalculer a posteriori les valeurs 10 de M et de M/K pour chaque intervalle et optionnellement de N et de N/K), et de déclencher une signalisation sur la base d'un nouveau seuil. b) Selon une variante, on peut déporter la sonde de température, ou disposer à la fois d'une sonde de température 15 intégrée et d'un connecteur pour sonde déportée. Une telle sonde déportée, adaptée au milieu de mesure, est utile notamment pour la mesure de la température dans le sol ou en milieu aquatique. c) L'appareil peut être complété par une sonde 20 d'hygrométrie intégrée ou externe (reliée par un connecteur dédié) Le pourcentage d'humidité relative dans l'air est en effet un paramètre essentiel pour le développement de certaines espèces vivantes, et notamment les champignons responsables de maladies des cultures (oïdium, botrytis, 25 etc.). d) L'appareil selon l'invention peut avantageusement être communiquant, par exemple à l'aide d'un circuit de communication BT, de préférence sans fil et selon la norme « BlueTooth », interfacé avec l'unité centrale via les 30 circuits d'entrée/sortie IO. Dans ce cas, le programme de l'unité centrale est apte à établir une communication bidirectionnelle avec un équipement communiquant distant tel qu'un téléphone intelligent ou une tablette intelligente, ou encore un ordinateur de type quelconque. Plus précisément, l'appareil est apte à communiquer à l'équipement distant un identifiant tel que son numéro de série lors d'un processus d'initialisation de la connexion. Une fois cette communication établie, un certain nombre de fonctionnalités sont possibles, et notamment le paramétrage de l'appareil, et la collecte des informations recueillies par l'appareil. On notera que dans le cas d'une communication permanente entre l'appareil de mesure et l'équipement distant, on peut prévoir que le calcul des cumuls thermiques soit effectué au niveau de l'équipement distant.

Avantageusement, l'établissement de la communication est effectué automatiquement en réponse à la pression sur un bouton dédié de l'appareil. Le dispositif de signalisation lumineuse LU signale alors que la communication est en cours d'établissement ou établie. L'interruption de la communication s'effectue alors de préférence par une nouvelle pression sur le même bouton. En variante, il est possible d'établir la communication à partir du téléphone intelligent, l'appareil contenant alors le matériel et le logiciel permettant d'établir la communication sans avoir à intervenir sur l'appareil. Ainsi par exemple un agriculteur peut collecter les données à distance sans avoir à descendre de son véhicule. e) Le pilotage par l'équipement distant permet d'enrichir significativement les fonctionnalités disponibles, en termes notamment de programmation de l'appareil, de relevé des mesures, d'analyse des mesures et de géolocalisation, comme on va le voir dans la suite. i) Programmation : l'équipement distant réalise la prise en charge d'un appareil de mesure et permet en particulier : de l'identifier pour la première fois, de lui donner un nom autre que son numéro de série, de mémoriser sa position GPS, de le paramétrer, comme on l'a évoqué plus haut, et de le réinitialiser. Le paramétrage peut se faire soit manuellement en rentrant les quatre variables décrites plus haut, soit en appliquant un 10 réglage prédéfini déterminant un paquet de quatre variables donné, soit encore en téléchargeant des jeux de variables à partir d'une base de données en ligne accessible par l'Internet (par exemple des paramètres liés à l'incubation d'oeufs tels que Spodoptera Exigua). 15 ii) Relevé des mesures : un tel relevé est avantageusement réalisé soit automatiquement à différentes périodes (par exemple à chaque fois qu'une nouvelle mesure de température est prise, ou à l'établissement de la communication avec 20 l'équipement distant), soit en réponse à une pression sur un bouton de relevé sur l'appareil. Avantageusement, ce relevé s'accompagne de l'affichage des informations correspondantes (et plus généralement de toute information utile : date, heure, position géographique, etc.) sur le dispositif 25 d'affichage AF de l'appareil. iii) Analyses : les possibilités d'analyse d'un appareil selon l'invention sont extrêmement nombreuses et dépendent de l'application. Par exemple, pour ce qui concerne la 30 modélisation des cycles biologiques en protection des cultures : - dans le cas de la surveillance de l'évolution des parasites des cultures, l'appareil est avantageusement utilisé en combinaison avec un piège à insectes (piège à phéromones) permettant de détecter le pic de vol. A chaque relevé des 5 températures correspondra un relevé du piège, ce qui permet de déterminer a posteriori, après que les relevés aient été lancés, le moment exact du milieu du pic de vol (par exemple selon le modèle biofix). Une application dédiée embarquée sur l'équipement distant peut dans ce cas intégrer un modèle de 10 calcul basé sur les relevés du/des piège(s). Un facteur correctif peut donc être appliqué au cumul thermique en cours de calcul, pour optimiser le moment du début du calcul a posteriori. Plus précisément, selon cet exemple, l'appareil aura à 15 chaque relevé précédent mémorisé la température mini et maxi de la période, et le niveau auquel se trouvait le cumul thermique au moment de chaque relevé. Ayant déterminé a posteriori la date du pic du vol, il est possible de décider que le cumul thermique commence à être mesuré à partir du 20 moment du pic du vol. Par exemple, on prend l'hypothèse d'une mise en service l'appareil le 15 avril et d'un relevé quotidien par un opérateur avec son téléphone intelligent, en même temps que cet opérateur relève le piège à phéromones. Si les relevés de 25 piégeages montrent un pic de capture le 25 avril (date à partir de laquelle les piégeages diminuent), cette information peut être saisie sur l'appareil (ou envoyée par le téléphone intelligent) et gérée par le logiciel de l'appareil, de la façon suivante : en date du 25 avril, l'appareil affichait un 30 cumul thermique M de 35 degrés.jours, qui correspondent à une accumulation thermique depuis la date d'installation du thermo-accumulateur. On souhaite maintenant disposer des degrés.jours à compter du pic de piégeage ; le programme dans l'appareil va alors retrancher 35 degrés.jours à toutes les valeurs relevées de M. Le décompte des degrés-jours s'effectue alors en fonction d'une date précise qui correspond à un évènement biologique, même si l'appareil a été mis en service antérieurement. - en cours de calcul, un modèle prédictif simple, basé sur les températures normales, minimales et maximales saisonnières aux coordonnées GPS considérées permet d'effectuer une prévision approximative de la date et l'heure pour lesquelles le cumul de 100% sera atteint ; - le calendrier lunaire jouant un rôle sur le cycle biologique de chez certaines espèces, notamment des maladies cryptogamiques, et étant facilement disponible via l'Internet, il est possible de prendre ce calendrier en compte dans la modélisation et les prévisions (in intégrant un facteur de risque plus ou moins important par exemple) ; - de même, la photopériode peut être facilement calculée en fonction des coordonnées GPS relevées par l'équipement distant ou directement par l'appareil lorsqu'il est doté de cette fonctionnalité, notamment en cas d'usage en plein air. Un capteur de lumière peut en variante être prévu pour compléter les mesures. On notera ici que les capacités de communication 25 collaborative des terminaux intelligents modernes permettent de partager divers types d'avertissements de façon communautaire. iv) Fonctions diverses 30 - plusieurs appareils selon l'invention pouvant être dispersés en extérieur, par exemple sur une exploitation agricole, leur fonctionnalité de géolocalisation permet de les retrouver facilement ; - le partage communautaire des coordonnées GPS (y compris altitude) et des relevés de températures effectués peut 5 constituer une banque de données intéressant les scientifiques et prévisionnistes. 4) Applications Une application principale de l'appareil de la présente invention est la prévision agronomique et notamment la 10 prévision et l'estimation du développement de processus biologiques, notamment les bioagresseurs des cultures (champignons, insectes, bactéries, etc.). Il peut toutefois trouver de nombreuses autres applications : industries agro-alimentaires (rancissement de la viande, dégradation des 15 marchandises, pisciculture), stockage des denrées tels que semences et produits alimentaires, biotechnologies, laboratoires de recherche ou d'analyse, etc. On va donner ci-dessous un certain nombre des applications possibles. 20 1. Applications chez les insectes : modélisation et surveillance des stades de développement - mouches des fruits, notamment mouche de la pomme - charançon du bananier - pyrale du maïs 25 - production industrielle d'insectes 2. Applications chez les plantes : stades phénologiques et croissance - phénologie et changement climatique - détermination des degrés-jours chez les végétaux 30 (développement des fruitiers, floraison, forçage par traitement des jours courts) - pilotage des conditions de culture (aération des serres, etc.) 3. Modélisation et surveillance des maladies des plantes - tavelure du pommier - maladies de la vigne 4. Modélisation et surveillance du développement animal - développement des oeufs des espèces en danger (tortues, etc.). Bien entendu, la présente invention n'est nullement 10 limitée aux formes de réalisation décrites et représentées, mais l'homme du métier saura y apporter de nombreuses variantes et modifications. 15

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Appareil de mesure d'accumulation thermique, comprenant des moyens de traitement et une mémoire, des moyens pour introduire et mémoriser des paramètres de mesure, des moyens de mesure de température, et des moyens pour calculer et stocker à intervalles réguliers un cumul thermique sur la base des paramètres introduits.
2. 2. Appareil selon la revendication 1, dans lequel les paramètres comprennent au moins un paramètre parmi une température seuil minimale de cumul, une température seuil maximale de cumul, un cumul thermique cible et une fréquence de mesure de la température.
3. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, lequel comprend des moyens d'avertissement sensibles à des moyens de comparaison entre le cumul thermique calculé et le cumul thermique cible.
4. 4. Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, lequel comprend en outre des moyens de communication avec un équipement distant.
5. 5. Appareil selon la revendication 4, dans lequel les moyens de communication sont aptes à recevoir des valeurs de paramètres de mesure.
6. 6. Appareil selon l'une des revendications 4 et 5, dans 30 lequel les moyens de communication sont aptes à transmettre des valeurs de cumul thermique.
7. 7. Appareil selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel les moyens de communication sont aptes à transmettre des valeurs de température.
8. 8. Appareil selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel les moyens de communication sont aptes à transmettre des informations de géolocalisation.
9. 9. Procédé pour la détection d'un développement biologique, comprenant les étapes suivantes : charger dans une mémoire un ensemble de paramètres propres au développement biologique à examiner, relever à intervalles réguliers la température de l'environnement où se situe le développement biologique, calculer un cumul thermique sur la base des paramètres introduits. signaler le moment où un cumul thermique prédéterminé est atteint.
10. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel les paramètres comprennent au moins un paramètre parmi une température seuil minimale de cumul, une température seuil maximale de cumul, un cumul thermique cible et une fréquence de mesure de la température.25