Lorsqu'il s'agit de choisir le capteur de teneur en eau du sol le mieux adapté à une application, il est facile d'oublier la question évidente : qu'est-ce qui est mesuré ? La réflectométrie dans le domaine temporel (capteur TDR) par rapport à la technologie des capteurs de capacité est la bonne question pour un chercheur qui étudie la permittivité diélectrique sur un large spectre de fréquences de mesure (appelé spectroscopie diélectrique). Ces données contiennent des informations importantes, comme la possibilité de mesurer la densité apparente ainsi que la teneur en eau et la conductivité électrique. Si c'est la mesure souhaitée, une seule technologie fait actuellement l'affaire : TDR. La réflectance de l'impulsion électrique qui se déplace le long des tiges conductrices contient une large gamme de fréquences. Une fois numérisées, ces fréquences peuvent être séparées par la transformée de Fourier rapide et analysées pour obtenir des informations supplémentaires.
L'objectif de la majorité des scientifiques est toutefois de surveiller simplement la teneur en eau du sol, instantanément ou au fil du temps, avec une bonne précision, ce qui signifie qu'un système de capteur TDR complexe et coûteux n'est peut-être pas nécessaire.
Les techniques des capteurs capacitifs et descapteurs TDR sont souvent regroupées parce qu'elles mesurent toutes deux la permittivité diélectrique du milieu environnant. En fait, il n'est pas rare que des personnes confondent les deux, suggérant qu'une sonde donnée mesure la teneur en eau sur la base de la technologie des capteurs TDR alors qu'elle utilise en réalité la technologie des capteurs de capacité. Vous trouverez ci-dessous une clarification de la différence entre les deux techniques.
La technique du capteur de capacité permet de déterminer la permittivité diélectrique d'un milieu en mesurant le temps de charge d'un condensateur, qui utilise ce milieu comme diélectrique. Nous définissons d'abord une relation entre le temps, t, nécessaire pour charger un condensateur à partir d'une tension de départ, Vi à une tension Vf avec une tension appliquée, Vf.
où R est la résistance en série et C la capacité. Le chargement du condensateur est illustré à la figure 1 :
Si la résistance et le rapport de tension sont maintenus constants, le temps de charge du condensateur, t, est lié à la capacité selon la formule suivante
Pour un condensateur à plaques parallèles, la capacité est fonction de la permittivité diélectrique(k) du milieu entre les plaques du condensateur et peut être calculée comme suit
où A est la surface des plaques et S la séparation entre les plaques. Comme A et S sont également des valeurs fixes, le temps de charge du condensateur est une simple fonction linéaire (idéalement) de la permittivité diélectrique du milieu environnant.
Les sondes de sol ne sont pas des condensateurs à plaques parallèles, mais la relation présentée dans l'équation 3 est valable quelle que soit la géométrie de la plaque. La réflectométrie temporelle (capteur TDR) détermine la permittivité diélectrique d'un milieu en mesurant le temps nécessaire à une onde électromagnétique pour se propager le long d'une ligne de transmission entourée par le milieu. Le temps de transit(t) d'une impulsion électromagnétique pour parcourir la longueur d'une ligne de transmission et revenir est lié à la permittivité diélectrique du milieu, k, par l'équation suivante
où L est la longueur de la ligne de transmission et c la vitesse de la lumière (3 x 108 m s dans le vide). Ainsi, la permittivité diélectrique est calculée
Par conséquent, le temps de propagation de l'onde électromagnétique le long du capteur TDR n'est qu'une fonction du carré du temps de transit et d'une valeur fixe(c/2L). Comme c et L sont respectivement une constante et une longueur fixe, les mesures des capteurs TDR sont théoriquement moins sensibles aux conditions du sol et de l'environnement que celles des capteurs capacitifs. Cependant, l'interprétation des résultats des capteurs TDR peut être une source d'erreur considérable lorsque la salinité élevée diminue la forme d'onde de la réflectance ou que la température modifie le point final.
An oscillating voltage must be applied to a TDR sensor or capacitance sensor to measure the reflection or charge time in the medium. The frequency of the oscillation is important because it is widely accepted that low frequencies (<10 MHz) are highly susceptible to changes in salinity and temperature. Because there is no limit on the possible input frequencies for either technique, it is important to verify the frequency of the soil moisture device used.
Les capteurs capacitifs fabriqués par METER utilisent des fréquences élevées pour minimiser les effets de la salinité du sol sur les relevés. Les fréquences utilisées sont cependant beaucoup plus basses que pour le TDR, typiquement de 50 à 100 MHz. La fréquence élevée des sondes capacitives "voit" toute l'eau présente dans le sol, tout en étant suffisamment élevée pour éviter la plupart des erreurs dues à la salinité du sol présentes dans les anciennes sondes capacitives. Le circuit d'un capteur capacitif peut être conçu pour résoudre des variations extrêmement faibles de la teneur en eau volumétrique, à tel point que la NASA a utilisé la technologie des capteurs capacitifs pour mesurer la teneur en eau sur Mars. Les capteurs capacitifs sont moins coûteux car ils ne nécessitent pas beaucoup de circuits, ce qui permet d'effectuer plus de mesures par dollar.
Comme un capteur TDR, un capteur de capacité est relativement facile à installer. Les broches de mesure sont généralement plus courtes que celles d'un capteur TDR, de sorte qu'il est moins difficile de les insérer dans un trou. Les capteurs capacitifs ont généralement des besoins énergétiques moindres et peuvent durer des années sur le terrain, alimentés par une petite batterie dans un enregistreur de données.
En résumé, bien que la théorie qui sous-tend les mesures soit quelque peu différente, un capteur TDR et un capteur de capacité mesurent tous deux la permittivité diélectrique pour obtenir la teneur en eau volumétrique. D'un point de vue historique, le TDR et la capacité ont tous deux été largement acceptés, bien que certains puissent percevoir une plus grande valeur dans le TDR par rapport à la capacité en raison de l'extrême différence de prix. En général, des mesures raisonnables de la teneur en eau volumétrique peuvent être obtenues à l'aide de l'une ou l'autre technique, et les erreurs de mesure sont souvent dues à de mauvaises méthodes d'installation plutôt qu'à des limitations des techniques elles-mêmes.
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