Caractéristiques du capteur limnimétrique utilisé

2.2.1 Capteur et principe de mesure

Dans une approche métrologique spatialisée basée sur de nombreux points de mesure, le choix des capteurs à mobiliser est avant tout déterminé par des considérations économiques puis pratiques. Le capteur limnimétrique capacitif utilisé dans cette expérimentation a été développé par Hervé Ayroles de l’IMFT8 pour observer des systèmes hydrauliques.

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Circuit imprimé et piles

Câble capacitif en contact avec la masse d’eau

Protection PVC avec aérations

Capteur capacitif Dispositif in situ

Crépine géotextile

Figure IV.3 : Détail du capteur capacitif utilisé et du dispositif in situ au niveau d’un ouvrage de voierie.

Il s’agit d’un appareil de mesure d’utilisation simple qui pourrait faire l’objet d’une production industrielle à un coût modéré. Même si le principe de mesure existe déjà sur le marché et ne peut donc faire l’objet d’un dépôt de brevet, cet appareil reste néanmoins un prototype. A la demande de l’IRSTEA de Montpellier

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(unité TETIS9) les dimensions de ce capteur ont été adaptées pour qu’il soit testé in situ. Le capteur est constitué d’un boitier contenant l’électronique relié à une tige qui supporte le dispositif de mesure (Figure IV.3). Cette tige est une armature métallique conductrice sur laquelle est fixé un câble capacitif. Le câble est constitué d’une armature centrale en cuivre entouré d’une gaine de téflon. Ce dispositif agit comme un condensateur cylindrique (Figure IV.4) avec ses deux armatures métalliques : la tige et le fil de cuivre, ainsi qu’un isolant : le téflon (Ayroles, Comm. Personnelle).

Figure IV.4 : Schéma du condensateur cylindrique composé d’un isolant intercalé entre deux armatures métalliques cylindriques. Avec ε permittivité de l’isolant, R1 et R2 rayons respectifs des armatures interne et externe. Source: Fabian_R [GFDL (www.gnu.org/copyleft/fdl.html) ou CC-BY-SA-3.0 (www.creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons.

Dans un condensateur la capacité électrique dépend en grande partie de la surface en regard des deux armatures conductrices séparées par l’isolant. La capacité dépend donc ici de la hauteur d’eau qui assure le contact entre la tige et la gaine de téflon. Elle suit la formule du condensateur cylindrique (Figure IV.4) :

)

ln(

2

)

(

R

R

l

l

C = πε ε

C(l) : capacité électrique en fonction de la longueur de l’armature externe déterminée dans le cas du capteur utilisé ici par le niveau d’eau. ε0 : permittivité relative du vide.

εr : permittivité de l’isolant.

R2 : Rayon de l’armature métallique externe. R1 : Rayon de l’armature métallique interne.

Dans le modèle de capteur utilisé dans cette étude, un tressage du câble capacitif est opéré pour donner de la robustesse et de la facilité de fabrication. Il existe cependant un risque d’augmenter l’inertie (gouttes sur le câble). Ce tressage est manuel, donc peut être irrégulier ou différent d’une sonde à l’autre. Chaque capteur est donc légèrement différent et l’étalonnage est propre à chaque appareil. Le système électronique, situé à l’abri de l’humidité dans le boitier métallique, mesure la fréquence de charge et décharge de la capacité sur une période d’une seconde. Cette fréquence est corrélée négativement au niveau d’eau : plus le niveau est élevé et plus la capacité électrique est élevée et donc plus la fréquence mesurée est faible. La conversion de la mesure de fréquence en

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niveau d’eau est effectuée par le biais de l’étalonnage du capteur. Celui-ci est linéaire, basé sur l’association fréquence-niveau d’eau entre deux points. Il convient de choisir ces deux points de façon à ce que l’amplitude de mesure corresponde aux niveaux moyens observables in situ.

2.2.2 Sources de dérive de la mesure de niveau d’eau

Facteurs environnementaux :

La mesure de niveau par le principe du condensateur cylindrique est influencée par les paramètres d’humidité et de température au voisinage du câble capacitif. Ces paramètres exercent une influence sur la capacité électrique. Pour de faibles niveaux d’eau mesurés, cette influence est relativement importante et peut perturber la lecture des enregistrements limnimétriques (Figure IV.5).

0 5 10 15 20 25 30 35 22/04/07 00:00 22/04/07 12:00 23/04/07 00:00 23/04/07 12:00 24/04/07 00:00 24/04/07 12:00 25/04/07 00:00 25/04/07 12:00 26/04/07 00:00 Niveau cm Température °c

Figure IV.5 : Comparaison d’une chronique limnimétrique de bas niveaux d’eau avec une chronique de température de l’air mesurée à quelques centaines de mètre de distance.

Néanmoins, les effets perturbateurs s’effacent lorsque les conditions de température et d’humidité se stabilisent par exemple au cours d’un épisode pluvieux. Ces dérives sont difficilement contrôlables car dépendantes de la localisation du capteur dans l’environnement avec par exemples des facteurs souvent dépendant de l’ensoleillement et / ou de l’humidité relative.

Gestion de l’énergie :

Les premières versions de capteurs capacitifs fournies par l’IMFT étaient caractérisées par une dérive temporelle de la mesure de niveau à cause de l’affaiblissement de la tension des piles. Des comparaisons avec un capteur piézométrique réputé fidèle ont été effectuées pour estimer l’impact de cette dérive. Sur la plupart des chroniques étudiées il apparait que cette dérive est à caractère linéaire (R² = 0,92 ; p<0,01). Dans l’exemple traité (Figure IV.6), le modèle linéaire donne une dérive de 2,2 cm par jour.

Lors de la validation des chroniques mensuelles nous avons systématiquement tenté d’estimer cette dérive pour corriger les valeurs de niveau. Par la suite les générations suivantes de capteurs produites par l’IMFT ont intégrés un algorithme de correction de la mesure capacitive en fonction de l’affaiblissement de la tension de la pile.

142 R2 = 0,9233 0 5 10 15 20 25 30 06-févr 08-févr 10-févr 12-févr 14-févr 16-févr 18-févr 20-févr D h e n tr e c a p te u rs 20 40 60 80 100 120 140 160 08-févr-07 10-févr-07 12-févr-07 14-févr-07 16-févr-07 18-févr-07 20-févr-07 N iv e a u x d 'e a u ( m m ) Capteur piezométrique Capteur capacitif A B

Figure IV.6 : Comparatif de suivi des niveaux d’eau à l’exutoire du bassin versant du Mercier par un capteur capacitif (première génération) et un capteur piézométrique Diver® (A) et écart entre les deux mesures au cours du temps (B).

Dérive temporelle :

Une dérive temporelle de l’horloge des capteurs a également été constatée. Cette dérive est généralement de 2 à 3 minutes sur un mois de mesure, elle est systématique sur la plupart des capteurs. Ramenée à une mesure de niveau, l’erreur est infime et ne pénalise pas l’interprétation des dynamiques hydrologiques enregistrées compte tenu de la nature du phénomène étudié.

2.2.3 Evaluation de la qualité des mesures limnimétriques in situ.

Pour vérifier la fiabilité des mesures enregistrées par les capteurs capacitifs disposés dans le bassin versant, des campagnes d’observation manuelle des hauteurs d’eau ont été organisées. Plusieurs mesures de niveau d’eau ont été effectuées sur plusieurs stations de mesure à l’aide d’un mètre gradué puis comparées aux mesures enregistrées à la même minute par les capteurs capacitifs. Les résultats des comparaisons entre mesures capacitives et mesures manuelles exercées sur le terrain sont synthétisés dans le Tableau IV.II.

Tableau IV.II : Résultats de la campagne in situ de contrôle de la qualité de la mesure de niveau d’eau par les capteurs capacitifs.

Nombre de stations observées 13

Nombre de mesures 53

Erreur absolue minimale (cm) 0

Erreur absolue maximale (cm) 6,8

Erreur moyenne absolue (cm) 1,6

Erreur quadratique moyenne (cm) 2,1

L’erreur moyenne de mesure est de 1,6 cm. Cette erreur est raisonnable mais problématique si l’on considère une mesure de faibles niveaux d’eau. Ceci est valable pour les stations localisées dans des talwegs amont faiblement réactifs ou sur des sections d’écoulement large où la croissance du débit se traduit par de la vitesse plutôt que par la hausse du niveau.

Sur plusieurs stations de mesure in situ, des échelles à maximum mesurant les niveaux maximums atteints par la crue à l’aide d’un ruban ont été installées pour évaluer l’aptitude du capteur capacitif à restituer le niveau d’eau maximum. Cette mesure au ruban est imprécise de l’ordre de quelques centimètres. Dans la

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plupart des cas nous n’avons pas constaté d’écart majeur dans l’ordre de grandeur des mesures effectuées par les deux systèmes.