WO2008006973A1 - Dispositif de mesure de propriétés électriques d'un milieu comportant de l'eau - Google Patents

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WO2008006973A1
WO2008006973A1 PCT/FR2007/001180 FR2007001180W WO2008006973A1 WO 2008006973 A1 WO2008006973 A1 WO 2008006973A1 FR 2007001180 W FR2007001180 W FR 2007001180W WO 2008006973 A1 WO2008006973 A1 WO 2008006973A1
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WO
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probe
water
comparator
measurement
voltages
Prior art date
Application number
PCT/FR2007/001180
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English (en)
Inventor
Jean-Pierre Frangi
Gilles De Rosny
Xavier Chavanne
Daniel Richard
Alain Bruere
Original Assignee
Universite Paris Diderot - Paris 7
Aoip
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Filing date
Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • 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
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/048—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance for determining moisture content of the material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials
    • G01N33/246—Earth materials for water content

Definitions

  • the invention relates to devices for studying media comprising water, such as devices for measuring soil moisture.
  • WO 00/033071 discloses a system for measuring moisture in the soil.
  • This system comprises several probes distributed in a soil to be studied. Each probe is provided with two electrodes placed close to each other and brought into contact with the soil to be studied. Each probe is connected to an electronic control circuit. From different types of measurements made by each probe and from pre-recorded soil models, the electronic control circuit determines the soil moisture.
  • This system measures moisture at points spaced from the ground, to determine areas to be watered.
  • Such a system has disadvantages.
  • the measurements of each probe are very dependent on local heterogeneities of the soil and contact between each electrode and the soil.
  • heterogeneities and moisture content can be influenced by the introduction of probes into the soil.
  • such a system requires a large number of probes to study a volume of soil of a certain extent. Moreover, such measurements are highly dependent on the probe and require tedious steps of calibration of the soil and the system.
  • the invention aims to solve one or more of these disadvantages.
  • the invention thus relates to a device for measuring the electrical properties of a medium comprising water, comprising: first and second probes able to be spaced at least 100 millimeters apart in measurement configuration in the medium comprising water, in which:
  • the first probe comprises a first conductive electrode intended to be placed in contact with the medium comprising water;
  • the second probe comprises second and third conductive electrodes intended to be placed in contact with the medium comprising water, a transconductance device transforming the intensities crossing the second and third electrodes into measurement voltages and having a local mass, a first comparator generating voltages representative of the difference between the measurement voltages and the ground voltage of the transconductance device;
  • an electrical excitation circuit able to apply a predetermined potential difference between the first electrode and the second and third electrodes; a measurement circuit determining impedances of the medium comprising water between the probes as a function of the voltages generated by the first comparator.
  • the first comparator has a high input impedance.
  • the predetermined potential difference is alternative.
  • the excitation circuit is able to apply a predetermined potential difference having a frequency greater than 10 MHz.
  • a predetermined potential difference having a frequency greater than 10 MHz.
  • a low-pass filter is connected between the transconductance device and the second and third electrodes.
  • the second probe comprises a second comparator generating a voltage representative of the difference between the voltage applied to the first electrode and the ground voltage of the transconductance device.
  • the second probe comprises a switching device selectively applying the measurement voltage of the second or the third electrode to an input of the first comparator.
  • the device comprises a connection between the output of the first comparator and the measurement circuit, and configured so that the intensity passing through this connection is less than 100 milliamps.
  • the measurement circuit is able to determine the resistances and capacitances of the medium comprising water between the probes as a function of the voltages generated by the first comparator.
  • the measuring device according to the invention can operate with several voices to measure profiles and evolutions front.
  • FIG 1 illustrates a device according to one embodiment of the invention, the two probes are inserted into the ground;
  • FIG. 2 diagrammatically illustrates a processing chain included in one of the probes;
  • FIG. 3 is a sectional view of an example of a probe structure.
  • the invention proposes a device for measuring the electrical properties of a medium comprising water.
  • This device has probes that can be spaced apart by at least 100 millimeters, advantageously at least 150, even 200 millimeters, or even 300 millimeters.
  • a potential difference is applied between an electrode of one probe and electrodes of the other probe.
  • the intensities crossing the electrodes of the other probe are converted into measurement voltages in this other probe.
  • the ground voltage of the transconductance device is subtracted from the measurement voltages. The resulting voltages allow a measurement circuit to determine impedances of the medium between the probes.
  • Such a device has the following advantages: the influence of heterogeneities and contacts of the medium with the electrodes on the measurement of impedance is reduced because of the large volume of medium measured. Despite the increase in connection lengths of the electrodes inducing an increase in parasitic impedance particularly sensitive with several measurement channels, the stability of the device and the reliability of the measurement are guaranteed due to the presence of a transconductance with subtraction of its voltage mass of the measured voltage. It is thus possible to dispense with the ground connections of the electrodes at the measurement box, and thus to avoid very different ground potentials for the measurement electrodes and thus to avoid cross-talk between the different channels. With excitation frequencies envisaged generally greater than 1 MHz, the instabilities induced by the crosstalk are substantially reduced.
  • the invention is particularly advantageous when the distance between the probes is less than the length of the connections between the probes and the measurement housing.
  • the measuring device 1 comprises a measurement box 2 intended to be connected to the probes 3 and 4.
  • the measurement box includes an electrical excitation circuit 21 which can apply a potential difference of a predetermined level between the electrode of the probe 3 and each of the electrodes of the probe 4.
  • the measurement box 2 includes a measuring circuit 22 for receiving and processing measurements provided by the probe 4.
  • the probe 4 comprises three electrodes 41 to 43 superimposed, each having a surface intended to come into electrical contact with the ground.
  • the contact surface of each electrode may in particular be formed of a cylinder of brass or stainless steel.
  • the probe 4 comprises guards 44 and 45 arranged at the axial ends of the probe and intended to concentrate the edge effects and to constrain as much as possible the field lines of the electrodes 41 to 43 to remain perpendicular to the axis of the probe 4.
  • Each electrode or guard is separated from the electrode or adjacent guard by an electrically insulating ring 47.
  • the rings 47 are for example polyfluoroethylene rings or PVC of five millimeters thick. The rings make it possible to improve the definition of the layer thicknesses studied by each electrode 41 to 43 in order to reduce the impact of contact faults between the ground and each electrode on the measurement.
  • each electrode or guard can be determined according to the rules described in the article "Numerical Modeling of a Capacitance Probe Response” published in 2001 in Soil Science Society by Messrs. De Rosny, Chanzy, Parde, Gaudu, Frangi and Laurent, to obtain desired electric field lines.
  • the height may for example be of the order of 50 millimeters.
  • the geometry of the electrodes 41 to 43 and guards 44, 45 is advantageously determined so that the radial electric field of the electrodes is invariant along the axis of the probe.
  • the probe 4 also comprises an electronic circuit 46.
  • This circuit 46 measures the current from each electrode 41 to 43.
  • the excitation voltage Vex applied to the probe 3 is also applied to a comparator 65.
  • transconductance device 61 comprising a predetermined conversion resistance.
  • the transconductance 61 generates a measurement voltage V1 corresponding to the electrode 41.
  • a switching device 62 selectively applies the measurement voltage V1 or the similar voltages provided by the electrodes 42 or 43 to an input of a comparator 66.
  • a switching device 63 applies the ground voltage Vr1 of the transconductance 61 to a respective input of the comparators 65 and 66.
  • the voltages U1 and Uex generated on the output of the comparators 65 and 66 are These voltages thus correspond to the voltages V1 and Vex corrected by the ground voltage of the transconductance 61.
  • the connections between the measurement box 2 and the probes 3 and 4 are advantageously provided so that the intensity crossing less than 15 milliamperes per channel, in order to limit disturbances on the measurements.
  • a voltage follower device 64 is advantageously connected between the switching device 63 and the comparator 65. The switching device 63 selectively applies a correction voltage to the comparator 65 simultaneously with the corresponding measurement voltage applied by the switching device 62. on the 66 comparator.
  • the overall impedance formed of resistance and capacitance in parallel can be determined from the voltage values Uex and Ui.
  • the capacitance C is deduced by extrapolating the current corresponding to Ui in phase quadrature with Uex.
  • the resistor R is deduced by extrapolating the current corresponding to Ui in phase with Uex.
  • a ratio between the values Uex and Ui, adjusted with the value of the predetermined resistance of the transconductance makes it possible to extrapolate the value of the complex impedance Z of the medium studied on a channel.
  • the switching devices 62 and 63 comprise relays controlled by a shift register.
  • the shift register can be controlled by the measuring box 2.
  • the comparators 65 and 66 have a high input impedance, typically of the order of 100 kiloOhms.
  • the measurement from each electrode passes through a low-pass circuit in order to improve the stability of the measuring device.
  • the inventors have found on a prototype that oscillations around 100 MHz saturated the operational amplifiers of the circuit 46 and strongly noised the signal. This filtering can be achieved by adding a capacity of the order of 1pF in feedback.
  • the probe 4 has substantially a cylinder shape and has an inside diameter sufficient to house all the necessary electronic circuits at the measurement electrodes.
  • the probe has for example an inner diameter of 45 mm.
  • FIG. 3 represents an example of probe 4 in sectional view along a plane passing through its axis.
  • a shaft 8 is intended to hold the probe 4 assembled.
  • the shaft 8 has a thread at each of its ends.
  • the lower thread 12 of the shaft 8 is screwed into a threaded bore formed in the guard 44.
  • the upper thread of the shaft 8 is screwed into a nut 7.
  • the tightening by the nut 7 keeps the guards 44 and 45, the electrodes 41 to 43, and the rings 47 assembled in compression against one another, A cover 48 is screwed into a thread of the guard 45 to ensure the tightness of the inside of the probe.
  • the guard 45 also has a bore 49 intended to allow the passage of connection cables between the circuit 46 and the measurement housing 2.
  • the shaft 8 further has a flat 9 against which the circuit 46 can be plated.
  • the circuit 46 can be held pressed against the flat by means of screws screwed into threaded bores 10 and 11 made in the shaft 8.
  • the excitation circuit generates an excitation voltage varying in a range of frequency value.
  • An excitation circuit capable of generating an excitation voltage at a frequency of between 1 and 30 MHz seems particularly appropriate.
  • the amplitude of the excitation voltage is advantageously between 200 and 1000 millivolts, and preferably greater than 500 millivolts.
  • the measurement circuit is programmable.
  • the measurement is automated to acquire and process the data from each electrode of the probe 4.
  • the sampling step of each channel is programmable by the user.
  • the measuring circuit acquires the voltages supplied by the probe 4 by direct digital conversion at a sampling frequency greater than 100 MHz.
  • a fast acquisition card of a digital oscilloscope or that of a control computer of the acquisition program it is possible to use a fast acquisition card of a digital oscilloscope or that of a control computer of the acquisition program.
  • the pair ( ⁇ r , ⁇ ) determined by the relationships above corresponds to effective values averaged over lengths of the order of the size of the probe, and therefore on dimensions significantly larger than the average dimension of the texture of the soil (in particular determined by a grain size generally between a few ⁇ m and a few millimeters), With a height h of 50 mm and a distance D of 150 mm, the volume examined on each channel is approximately 6 dm 3 . When the measurement is performed on a homogeneous medium, this medium is considered to be a set of elements having the same characteristics, each of which has a dimension much smaller than the spacing between the probes.
  • the determined pair ( ⁇ r , ⁇ ) therefore depends mainly on the properties of the soil: its water content, its texture, the concentration and the mobility of the ions of the water it contains.
  • the torque ( ⁇ r , ⁇ ) can be determined independently of soil models. The above properties can then be extrapolated on the basis of a soil model to be established.
  • the measuring circuit performs a digital error correction to take into account the inductances generated by the cables connecting the probes 3 and 4 to the measurement box 2, the attenuation and the phase shift introduced by the measurement chain or errors. residuals of crosstalk.
  • error correction can be established from a physical model whose parameters are set during calibrations with known capacitances and resistances placed between the probes 3 and 4.
  • the measuring device is modular: such a measuring device could in particular comprise a contact surface of the probes intended to remain embedded in the medium to be studied and an electronic part of the device able to be placed in contact with the surfaces. contact or to be separated.
  • the probes could thus be placed permanently in the environment, which limits the handling operations and guarantees the repeatability of the measurements.
  • the probes are maintained at a spacing predefined by a frame, Such a frame is advantageously provided to allow the adjustment of this spacing,
  • the use of the invention can be envisaged in particular in the following applications: the measurement of the moisture by volume of liquid, pasty or solid products, for example to determine the humidity of soils, sand or aggregates, or to monitor the setting of a concrete;
  • the measurement chain of the measuring device is organized through five levels: firstly, a) at the level of the probe, and then thereafter , b) measurement by circuit stable, at the third level c) by the analog correction of the crosstalk, then at the fourth level d) by the acquisition of the signals and finally at the fifth level, e) by the correction and the digital processing.
  • the impedances Zi are constituted by a capacitor with two-cylindrical armature stages, including the processing electronics, and under AC voltage up to 30 MHz.
  • the dielectric is then constituted by the medium studied.
  • the current-voltage conversion is carried out using a transimpedance and a known resistance, Retaion.
  • the transimpedance is referenced with respect to the local mass to avoid any ground loop.
  • a 1 pF capacity is added as a feedback to filter the high frequencies.
  • Zi is determined by the ohmic law.
  • the voltages Uex and Ui are obtained with respect to the local references of each transimpedance.
  • the different voltages Vex, Vi being measured with respect to an absolute single reference, different from the local references, these output voltages are then corrected by subtraction of the local references.
  • the subtractor can also be seen as a differential amplifier, preceded by a follower.
  • the relay system makes it possible to successively measure the voltages on each channel and for each channel to measure Uex and Ui.
  • the relays are controlled by a shift register, itself controlled by a computer program using logic signals. The same program manages the acquisition of tensions.
  • the digital program which converts the voltages into impedances also includes a parasitic effects correction module. It is based on a physical model in which the spurious effects are represented by self-inductances and capabilities. In this way, the remaining systematic errors on the voltages after analog correction and which come from the inductances of the leads of the voltages or currents on the transimpedances, the attenuation and the phase shift independent of Z introduced by the measurement chain and also inter-channel capacitive couplings are corrected. Moreover, if they are not, these errors increase with the frequency and the difference of impedances and thus currents between channels. For example, the coupling between adjacent electrodes corresponds to a capacity of 10 pF.
  • the parameters of the model are determined by 2 types of calibration: using known capacities and resistances, with known permittivity and conductivity liquids.
  • This physical model is independent of the external environment and is specific to the invention.
  • the correction of the residual crosstalk, due to the capacitive coupling and to the differences in the mass voltage between the channels, is carried out by a computer program of adjustment.
  • This program is based on a physical model of electromagnetic coupling whose parameters are determined by calibration with known electrical components. In this way, the correction of the signal by analog measurement and compensation of the local mass is sufficient for an accuracy of less than 5%, in all the situations encountered, and especially at high frequencies.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de mesure (1) de propriétés électriques d'un milieu comportant de l'eau, comprenant : -des première et deuxième sondes (3, 4) aptes à être espacées d'au moins 100 millimètres en configuration de mesure : -la première sonde (3) comprend une première électrode conductrice; -la deuxième sonde (4) comprend des deuxième et troisième électrodes (41, 42) conductrices, un dispositif de transconductance (61) transformant les intensités traversant les deuxième et troisième électrodes (41, 42) en des tensions de mesure et présentant une masse locale, un premier comparateur (66) générant des tensions représentatives de la différence entre les tensions de mesure et la tension de masse du dispositif de transconductance; -un circuit d'excitation électrique (21); -un circuit de mesure (22) déterminant des impédances du milieu comportant de l'eau entre les sondes en fonction des tensions générées par le premier comparateur.

Description

Dispositif de mesure de propriétés électriques d'un milieu comportant de l'eau
L'invention concerne les dispositifs d'étude de milieux comportant de l'eau, tels que les dispositifs de mesure d'humidité des sols.
Différents systèmes ont été développés afin de mesurer le taux d'humidité de sols. Un certain nombre de ces systèmes se basent sur la forte influence de l'humidité du sol sur sa permittivité. Il existe en effet d'importantes différences de permittivité électrique entre l'eau, les minéraux et l'air. Sur la base de mesures de permittivités du sol, de tels systèmes extrapolent un taux d'humidité du sol.
Le document WO 00/033071 décrit un système de mesure d'humidité dans le sol. Ce système comprend plusieurs sondes réparties dans un sol à étudier. Chaque sonde est munie de deux électrodes placées à proximité l'une de l'autre et mises en contact avec le sol à étudier. Chaque sonde est connectée à un circuit électronique de contrôle. A partir de différents types de mesures effectués par chaque sonde et de modèles de sol préenregistrés, le circuit électronique de contrôle détermine l'humidité du sol. Ce système permet de mesurer l'humidité en des points espacés du sol, afin de déterminer des zones cultivées devant être arrosées. Un tel système présente des inconvénients. Les mesures de chaque sonde sont très dépendantes d'hétérogénéités locales du sol et du contact entre chaque électrode et le sol. De plus, les hétérogénéités et le taux d'humidité peuvent être influencés par l'introduction des sondes dans le sol. De plus, un tel système nécessite un grand nombre de sondes pour étudier un volume de sol d'une certaine étendue. Par ailleurs, de telles mesures sont fortement dépendantes de la sonde et nécessitent de fastidieuses étapes d'étalonnage du sol et du système.
L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur un dispositif de mesure de propriétés électriques d'un milieu comportant de l'eau, comprenant : -des première et deuxième sondes aptes à être espacées d'au moins 100 millimètres en configuration de mesure dans le milieu comportant de l'eau, dans lesquelles :
-la première sonde comprend une première électrode conductrice destinée à être placée en contact avec le milieu comportant de l'eau ;
-la deuxième sonde comprend des deuxième et troisième électrodes conductrices destinées à être placées en contact avec le milieu comportant de l'eau, un dispositif de transconductance transformant les intensités traversant les deuxième et troisième électrodes en des tensions de mesure et présentant une masse locale, un premier comparateur générant des tensions représentatives de la différence entre les tensions de mesure et la tension de masse du dispositif de transconductance;
-un circuit d'excitation électrique apte à appliquer une différence de potentiel prédéterminée entre la première électrode et les deuxième et troisième électrodes ; -un circuit de mesure déterminant des impédances du milieu comportant de l'eau entre les sondes en fonction des tensions générées par le premier comparateur.
Selon une variante, le premier comparateur est à haute impédance d'entrée.
Selon une autre variante, la différence de potentiel prédéterminée est alternative.
Selon encore une variante, le circuit d'excitation est apte à appliquer une différence de potentiel prédéterminée ayant une fréquence supérieure à 10 MHz. De la sorte, les informations concernant les caractéristiques électriques du milieu étant plus sensibles à l'eau, lorsque l'on applique des hautes fréquences, on recueille plus d'informations avec moins de perturbations. C'est d'ailleurs une des caractéristiques avantageuses de la présente invention, par rapport au dispositif de l'art antérieur fonctionnant à des fréquences inférieures à 10 MHz. Selon encore une autre variante, un filtre passe-bas est connecté entre le dispositif de transconductance et les deuxième et troisième électrodes.
Selon une variante, la deuxième sonde comprend un deuxième comparateur générant une tension représentative de la différence entre la tension appliquée sur la première électrode et la tension de masse du dispositif de transconductance. Selon encore une variante, la deuxième sonde comprend un dispositif de commutation appliquant sélectivement la tension de mesure de la deuxième ou de la troisième électrode sur une entrée du premier comparateur.
Selon une autre variante, le dispositif comprend une connexion entre la sortie du premier comparateur et le circuit de mesure, et configuré de sorte que l'intensité traversant cette connexion soit inférieure à 100 milliampères.
Selon une autre variante, le circuit de mesure est apte à déterminer les résistances et les capacités du milieu comportant de l'eau entre les sondes en fonction des tensions générées par le premier comparateur.
Ainsi, les effets perturbateurs liés à l'utilisation des hautes fréquences, lesquelles présentent les avantages présentés ci-dessus, sont-ils corrigés en stabilisant le circuit et par corrections analogique et numérique.
Au surplus, le dispositif de mesure conforme à l'invention, peut fonctionner avec plusieurs voix pour mesurer des profils et des évolutions de front.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
-la figure 1 illustre un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention, dont les deux sondes sont insérées dans le sol ; -la figure 2 illustre schématiquement une chaîne de traitement incluse dans une des sondes ; -la figure 3 est une vue en coupe d'un exemple de structure de sonde.
L'invention propose un dispositif de mesure de propriétés électriques d'un milieu comportant de l'eau. Ce dispositif présente des sondes pouvant être écartées d'au moins 100 millimètres, avantageusement d'au moins 150, voire 200 millimètres, ou même 300 millimètres. Une différence de potentiel est appliquée entre une électrode d'une sonde et des électrodes de l'autre sonde. Les intensités traversant les électrodes de l'autre sonde sont transformées en tensions de mesure dans cette autre sonde. La tension de masse du dispositif de transconductance est retranchée aux tensions de mesure. Les tensions résultantes permettent à un circuit de mesure de déterminer des impédances du milieu situé entre les sondes.
Un tel dispositif présente les avantages suivants : l'influence des hétérogénéités et des contacts du milieu avec les électrodes sur la mesure d'impédance est réduite du fait de l'important volume de milieu mesuré. Malgré l'augmentation des longueurs de connexion des électrodes induisant une augmentation des impédances parasites particulièrement sensible avec plusieurs voies de mesure, la stabilité du dispositif et la fiabilité de la mesure sont garanties du fait de la présence d'une transconductance avec soustraction de sa tension de masse de la tension mesurée. On peut ainsi se passer de connexions de masse des électrodes au niveau du boîtier de mesure, et ainsi éviter des potentiels de masse très différents pour les électrodes de mesure et ainsi éviter la diaphonie entre les différentes voies. Avec des fréquences d'excitation envisagées généralement supérieures à 1 MHz, les instabilités induites par la diaphonie sont sensiblement réduites. L'invention se révèle particulièrement avantageuse lorsque la distance entre les sondes est inférieure à la longueur des connexions entre les sondes et le boîtier de mesure.
Le dispositif de mesure 1 comprend un boîtier de mesure 2 destiné à être connecté aux sondes 3 et 4. Le boîtier de mesure inclut un circuit d'excitation électrique 21 pouvant appliquer une différence de potentiel d'un niveau prédéterminé entre l'électrode de la sonde 3 et chacune des électrodes de la sonde 4. Le boîtier de mesure 2 inclut un circuit de mesure 22 destiné à recevoir et à traiter des mesures fournies par la sonde 4. La sonde 4 comprend trois électrodes 41 à 43 superposées, présentant chacune une surface destinée à entrer en contact électrique avec le sol. La surface de contact de chaque électrode peut notamment être formée d'un cylindre de laiton ou d'acier inoxydable. La sonde 4 comprend des gardes 44 et 45 disposées aux extrémités axiales de la sonde et destinées à concentrer les effets de bord et à contraindre au maximum les lignes de champ des électrodes 41 à 43 à rester perpendiculaires à l'axe de la sonde 4. Chaque électrode ou garde est séparée de l'électrode ou garde adjacente par un anneau 47 isolant électriquement, Les anneaux 47 sont par exemple des anneaux en Polyfluoroéthylène ou en PVC de cinq millimètres d'épaisseur. Les anneaux permettent d'améliorer la définition des épaisseurs de couche étudiées par chaque électrode 41 à 43 afin de réduire l'impact de défauts de contact entre le sol et chaque électrode sur la mesure.
Une hauteur optimale de chaque électrode ou garde peut être déterminée selon les règles décrites dans l'article « Numerical Modeling of a Capacitance Probe Response » publié en 2001 dans Soil Science Society par Messieurs De Rosny, Chanzy, Parde, Gaudu, Frangi et Laurent, afin d'obtenir des lignes de champ électrique souhaitée. La hauteur peut par exemple être de l'ordre de 50 millimètres, La géométrie des électrodes 41 à 43 et des gardes 44, 45 est avantageusement déterminée de sorte que le champ électrique radial des électrodes soit invariant suivant l'axe de la sonde.
La sonde 4 comprend également un circuit électronique 46. Ce circuit 46 effectue une mesure du courant issu de chaque électrode 41 à 43. La tension d'excitation Vex appliquée sur la sonde 3 est également appliquée sur un comparateur 65. Le circuit 46 présente un dispositif de transconductance 61 comprenant une résistance de conversion prédéterminée. La transconductance 61 génère une tension de mesure V1 correspondant à l'électrode 41. Un dispositif de commutation 62 applique sélectivement la tension de mesure V1 ou les tensions similaires fournies par les électrodes 42 ou 43 sur une entrée d'un comparateur 66. Simultanément à l'application de V1 sur le comparateur 66, un dispositif de commutation 63 applique la tension de masse Vr1 de la transconductance 61 sur une entrée respective des comparateurs 65 et 66. Les tensions U1 et Uex générées sur la sortie des comparateurs 65 et 66 sont appliquées au circuit de mesure 22, Ces tensions correspondent ainsi aux tensions V1 et Vex corrigées par la tension de masse de la transconductance 61, Les connexions entre le boîtier de mesure 2 et les sondes 3 et 4 sont avantageusement prévues pour que l'intensité les traversant soit inférieure à 15 milliampères par voie, afin de limiter les perturbations sur les mesures. Un dispositif suiveur de tension 64 est avantageusement connecté entre le dispositif de commutation 63 et le comparateur 65. Le dispositif de commutation 63 applique sélectivement une tension de correction sur le comparateur 65 en simultané avec la tension de mesure correspondante appliquée par le dispositif de commutation 62 sur le comparateur 66.
Pour chaque voie, on peut déterminer l'impédance globale formée d'une résistance et d'une capacité en parallèle, à partir des valeurs de tension Uex et Ui. On déduit la capacité C en extrapolant le courant correspondant à Ui en quadrature de phase avec Uex, On déduit la résistance R en extrapolant le courant correspondant à Ui en phase avec Uex. Un rapport entre les valeurs Uex et Ui, ajusté avec la valeur de la résistance prédéterminée de la transconductance permet d'extrapoler la valeur de l'impédance complexe Z du milieu étudié sur une voie.
Avantageusement, les dispositifs de commutation 62 et 63 comprennent des relais commandés par un registre à décalage. Le registre à décalage peut être commandé par le boîtier de mesure 2. Avantageusement, les comparateurs 65 et 66 présentent une haute impédance d'entrée, typiquement de l'ordre de 100 kiloOhms.
Avantageusement, la mesure provenant de chaque électrode traverse un circuit passe-bas afin d'améliorer la stabilité du dispositif de mesure. En effet, les inventeurs ont constaté sur un prototype que des oscillations autour de 100 MHz saturaient les amplificateurs opérationnels du circuit 46 et bruitaient fortement le signal. Ce filtrage peut être réalisé par l'ajout d'une capacité de l'ordre de 1pF en contre-réaction.
La sonde 4 a sensiblement une forme de cylindre et présente un diamètre intérieur suffisant pour loger l'ensemble des circuits électroniques nécessaires au niveau des électrodes de mesure. La sonde présente par exemple un diamètre intérieur de 45 mm. La figure 3 représente un exemple de sonde 4 en vue en coupe selon un plan passant par son axe. Un arbre 8 est destiné à maintenir la sonde 4 assemblée. L'arbre 8 présente un filetage à chacune de ses extrémités. Le filetage inférieur 12 de l'arbre 8 se visse dans un alésage fileté ménagé dans la garde 44. Le filetage supérieur de l'arbre 8 se visse dans un écrou 7. Le serrage par l'écrou 7 permet de maintenir les gardes 44 et 45, les électrodes 41 à 43, et les anneaux 47 assemblés en compression les uns contre les autres, Un couvercle 48 se visse dans un filetage de la garde 45 afin de garantir l'étanchéité de l'intérieur de la sonde. La garde 45 présente également un alésage 49 destiné à permettre le passage de câbles de connexion entre le circuit 46 et le boîtier de mesure 2.
L'arbre 8 présente en outre un méplat 9 contre lequel le circuit 46 peut être plaqué. Le circuit 46 peut être maintenu plaqué contre le méplat au moyen de vis vissées dans des alésages filetés 10 et 11 réalisés dans l'arbre 8.
Avantageusement, le circuit d'excitation génère une tension d'excitation variant dans une plage de valeur fréquentielle. En étudiant les différentes mesures du milieu sur toute une plage fréquentielle, la fiabilité de l'étude du milieu est accrue. Un circuit d'excitation apte à générer une tension d'excitation à une fréquence comprise entre 1 et 30 MHz semble particulièrement approprié. En pratique, en utilisant une fréquence d'excitation supérieure à 20 MHz, la permittivité de l'eau n'est plus sensible au contenu de ses ions, L'amplitude de la tension d'excitation est avantageusement comprise entre 200 et 1000 millivolts, et de préférence supérieure à 500 millivolts.
Avantageusement, le circuit de mesure est programmable. On peut notamment prévoir que la mesure soit automatisée pour acquérir et traiter les données issues de chaque électrode de la sonde 4. Avantageusement, le pas d'échantillonnage de chaque voie est programmable par l'utilisateur.
On peut prévoir que le circuit de mesure effectue l'acquisition des tensions fournies par la sonde 4 par une conversion numérique directe à une fréquence d'échantillonnage supérieure à 100 MHz. On peut notamment utiliser une carte d'acquisition rapide d'un oscilloscope numérique ou celle d'un ordinateur de pilotage du programme d'acquisition.
Afin de réduire les dimensions du matériel à transporter sur le terrain, on peut également prévoir une acquisition par mesure par pont d'impédance et détection synchrone suivie d'une conversion numérique après un échantillonnage à très basse fréquence (de l'ordre d'au moins 100Hz). On peut prévoir que le circuit de mesure échantillonne juste les tensions Uex et Ui qui sont ensuite traitées en différé sur un autre appareil.
En partant du modèle physique d'un condensateur formé par deux conducteurs cylindriques et parallèles infiniment longs, dans le cadre d'un champ quasi-statique, on peut relier la capacité C de chaque voie à εr par la relation suivante : C=h x π x εo x εr / argch (D/Φ) εo étant la permittivité absolue du vide, argch étant la fonction inverse du cosinus hyperbolique, h étant la hauteur d'une électrode de la sonde 4, D étant l'écartement entre les sondes et Φ étant le diamètre extérieur de l'électrode.
Par analogie entre les équations de conductivité et de permittivité, la résistance R peut s'exprimer en fonction de la conductivité du sol σ par la relation suivante : 1/R = h x 2πx σ/ argch (D/Φ)
Le couple (εr, σ) déterminé par les relations ci-dessus correspond à des valeurs effectives moyennées sur des longueurs de l'ordre de la taille de la sonde, et donc sur des dimensions nettement plus importantes que la dimension moyenne de la texture du sol (notamment déterminée par une taille de grains généralement comprise entre quelques μm et quelques millimètres), Avec une hauteur h de 50 mm et une distance D de 150 mm, le volume examiné sur chaque voie est approximativement de 6 dm3. Lorsque la mesure s'effectue sur un milieu homogène, ce milieu est assimilé à un ensemble d'éléments ayant les mêmes caractéristiques dont chacun a une dimension nettement inférieure à l'écartement entre les sondes. Le couple (εr, σ) déterminé dépend donc principalement des propriétés du sol : sa teneur en eau, sa texture, la concentration et la mobilité des ions de l'eau qu'il contient. Ainsi, on peut déterminer le couple (εr, σ) indépendamment de modèles de sol. Les propriétés ci- dessus peuvent ensuite être extrapolées sur la base d'un modèle de sol à établir.
Avantageusement, le circuit de mesure effectue une correction d'erreur numérique pour prendre en compte les inductances générées par les câbles connectant les sondes 3 et 4 au boîtier de mesure 2, l'atténuation et le déphasage introduits par la chaîne de mesure ou des erreurs résiduelles de diaphonie. Une telle correction d'erreur peut être établie à partir d'un modèle physique dont les paramètres sont fixés lors d'étalonnages avec des capacités et des résistances connues placées entre les sondes 3 et 4.
On peut envisager différentes variantes de l'invention. On peut notamment envisager que le dispositif de mesure soit modulaire : un tel dispositif de mesure pourrait notamment comprendre une surface de contact des sondes destinée à rester noyée dans le milieu à étudier et une partie électronique du dispositif apte à être placée en contact avec les surfaces de contact ou à en être séparée. Les sondes pourraient ainsi être placées à demeure dans le milieu, ce qui limite les opérations de manutention et garantit la répétabilité des mesures.
On peut également envisager que les sondes soient maintenues à un espacement prédéfini par un cadre, Un tel cadre est avantageusement prévu pour permettre le réglage de cet espacement,
En superposant des électrodes comme dans la sonde 4, on peut extrapoler un gradient d'humidité et un flux hydrique à l'interface sol/atmosphère. En utilisant des sondes plus longues ou en les enfonçant au niveau adéquat, on peut déterminer l'humidité précisément au niveau de racines de plantes.
L'utilisation de l'invention peut être envisagée notamment dans les applications suivantes : -la mesure de l'humidité en volume de produits liquides, pâteux ou solides, par exemple pour déterminer l'humidité de sols, de sables ou de granulats ou afin d'assurer le suivi de la prise d'un béton ;
-la gestion des apports en eau assurant une croissance optimale de végétaux ou la détermination de profondeurs d'enfouissement de graines assurant un rendement optimal ; -l'identification et le suivi de la composition ou des migrations de polluants présents dans un milieu comportant de l'eau.
Selon un mode particulier de mise en œuvre de l'invention, concernant plus spécifiquement l'étalonnage, la chaîne de mesure du dispositif de mesure est organisée à travers cinq niveaux : tout d'abord, a) au niveau de la sonde, puis ensuite, b) de la mesure par circuit stable, au troisième niveau c) par la correction analogique de la diaphonie, puis au quatrième niveau d) par l'acquisition des signaux et enfin au cinquième niveau, e) par la correction et le traitement numérique.
Ainsi au premier niveau a), les impédances Zi sont constituées par un condensateur à étages d'armatures bi-cylindriques, incluant l'électronique de traitement, et sous tension alternative jusqu'à 30 MHz. Le diélectrique est alors constitué par le milieu étudié. Au deuxième niveau b), la conversion courant-tension est réalisée à l'aide d'une transimpédance et d'une résistance connue, Rétaion. La trans-impédance est référencée par rapport à la masse locale pour éviter toute boucle de masse, Une capacité de 1 pF est ajoutée en contre-réaction pour filtrer les hautes fréquences.
Au troisième niveau c), Zi est déterminé par la loi ohmique. Ainsi, les tensions Uex et Ui sont obtenues par rapport aux références locales de chaque trans-impédance. Or en sortie, les différentes tensions Vex, Vi, étant mesurées par rapport à une référence unique absolue, différente des références locales, ces tensions de sorties sont alors corrigées par soustraction des références locales. Le soustracteur peut être vu aussi comme un amplificateur différentiel, précédé d'un suiveur.
Au quatrième niveau d), le système de relais permet de mesurer successivement les tensions sur chaque voie et pour chaque voie de mesurer Uex et Ui. Les relais sont commandés par un registre à décalage, lui-même piloté par un programme sur ordinateur à l'aide de signaux logiques. Le même programme gère l'acquisition des tensions.
Au cinquième niveau e) le programme numérique qui convertit les tensions en impédances, inclue aussi un module de correction des effets parasites. Il se base sur un modèle physique dans lequel les effets parasites sont représentés par des auto-inductances et des capacités. De la sorte, les erreurs systématiques restantes sur les tensions après correction analogique et qui proviennent des inductances des fils d'amenés des tensions ou courants sur les transimpédances, de l'atténuation et du déphasage indépendants de Z introduits par la chaîne de mesure et également des couplages capacitifs entres voies, sont corrigées. D'ailleurs, si elles ne le sont pas, ces erreurs s'accroissent avec la fréquence et la différence d'impédances et donc de courants entre voies. Ainsi par exemple, le couplage entre électrodes voisines correspond à une capacité de 10 pF.
Les paramètres du modèle sont déterminés par 2 types d'étalonnage : à l'aide de capacités et de résistances connues, avec des liquides de permittivité et de conductivité connues. Ce modèle physique est indépendant du milieu extérieur et est propre à l'invention. Ainsi, la correction de la diaphonie résiduelle, due au couplage capacitif et aux différences de tension de masse entre voies, est-elle réalisée par un programme informatique d'ajustement. Ce programme repose donc sur un modèle physique de couplages électromagnétiques dont les paramètres sont déterminés par un étalonnage avec des composants électriques connus. De la sorte, la correction du signal par mesure et compensation analogiques de la masse locale est suffisante pour une précision inférieure à 5 %, dans toutes les situations rencontrées, et notamment aux hautes fréquences.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure (1) de propriétés électriques d'un milieu comportant de l'eau, caractérisé en ce qu'il comprend : -des première et deuxième sondes (3, 4) aptes à être espacées d'au moins 100 millimètres en configuration de mesure dans le milieu comportant de l'eau, dans lesquelles :
-la première sonde (3) comprend une première électrode conductrice destinée à être placée en contact avec le milieu comportant de l'eau ;
-la deuxième sonde (4) comprend des deuxième et troisième électrodes (41, 42) conductrices destinées à être placées en contact avec le milieu comportant de l'eau, un dispositif de transconductance (61) transformant les intensités traversant les deuxième et troisième électrodes (41, 42) en des tensions de mesure et présentant une masse locale, un premier comparateur (66) générant des tensions représentatives de la différence entre les tensions de mesure et la tension de masse du dispositif de transconductance; -un circuit d'excitation électrique (21) apte à appliquer une différence de potentiel prédéterminée entre la première électrode et les deuxième et troisième électrodes ;
-un circuit de mesure (22) déterminant des impédances du milieu comportant de l'eau entre les sondes en fonction des tensions générées par le premier comparateur,
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le premier comparateur (66) est à haute impédance d'entrée,
3, Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la différence de potentiel prédéterminée est alternative,
4, Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le circuit d'excitation (21) est apte à appliquer une différence de potentiel prédéterminée ayant une fréquence supérieure à 10 MHz, , Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un filtre passe- bas connecté entre le dispositif de transconductance et les deuxième et troisième électrodes. , Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la deuxième sonde (4) comprend un deuxième comparateur (65) générant une tension représentative de la différence entre la tension appliquée sur la première électrode et la tension de masse du dispositif de transconductance.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la deuxième sonde (4) comprend un dispositif de commutation (62) appliquant sélectivement la tension de mesure de la deuxième ou de la troisième électrode sur une entrée du premier comparateur (66).
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, présentant une connexion entre la sortie du premier comparateur (66) et le circuit de mesure (22), et configuré de sorte que l'intensité traversant cette connexion soit inférieure à 100 milliampères.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit de mesure (22) est apte à déterminer les résistances et les capacités du milieu comportant de l'eau entre les sondes en fonction des tensions générées par le premier comparateur (66).
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