Réflectomètres de teneur en eau CS650 vs CS616

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Submitted on 5 Jun 2020

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Réflectomètres de teneur en eau CS650 vs CS616

Guillaume Giot

To cite this version:

Guillaume Giot. Réflectomètres de teneur en eau CS650 vs CS616. J2M 2016- 14. Journées de la Mesure et de la Métrologie, Oct 2016, Blois, France. �hal-02800583�

Réflectomètres de teneur en eau

CS650 vs CS616

Contexte

Les simulations de transfert d’eau dans les sols et d’émissions de GES (notamment N₂O) par les sols sont très sensibles à la teneur en eau du sol.

Besoin d’utiliser des capteurs de teneur en eau du sol fiables (justes, fidèles) et robustes

Besoin d’une instrumentation exhaustive des parcelles

expérimentales pour caractériser le fonctionnement hydriques des sols à différentes échelles spatiales et temporelles

Il n’existe pas de capteurs de teneur en eau qui mesurent l’eau directement !

Eau contenue dans le sol

Permittivité diélectrique

Sortie électrique du

capteur

Ka

Contexte

Contact

(sol-capteur)

Teneur en eau volumique du sol () Température

Structure du sol

(masse volumique apparente)

Texture

(% sables, argiles, limons)

Conductivité électrique

Facteurs de sensibilité des capteurs

Western et al (2005) Rüdiger et al (2009)

Da > 1,5 g.cm^-3

Permittivité diélectrique du sol (Ka)

Contexte

2 réflectomètres (Campbell Scientific) pour estimer la teneur en eau du sol - CS616  très répandue et utilisée depuis ≈ 15 ans

- CS650 / CS655  commercialisées depuis 3 ans, peu de recul, peu d’études

CS655

CS650

CS616

CS655 CS650

Volume mesuré 3600 cm³ 7800 cm³ Gamme de conductivité

électrique 0 à 8 dS/m 0 à 3 dS/m Incertitude sur la

mesure de permittivité

± 3% de la lecture + 0,8

± 2% de la lecture + 0,6

Différences entre CS616 et CS650 ?

Caractéristiques

CS650 CS616

Sonde multiparamètres

, EC, T°C, Ka Teneur en eau volumique () Thermistance intégrée Pas de mesure de T°C

Sortie SDI-12

(port SDI-12 de la centrale)

1 entrée unipolaire + 1 port de contrôle (multiplexables) Teneur en eau à ± 3% Teneur en eau à ± 2,5%

Gamme de conductivité 0 à 3 dS/m

Gamme de conductivité

< 0,5 dS/m Paramètres de sortie : période (µs),

voltage ratio (VR), température Détermination de Ka et EC

=f(Ka) équation de Topp

Paramètre de sortie : Période (µs)

=f(P) équation d’étalonnage

243 € 144 €

Caractéristiques

Sonde CS616  sonde de température (107T) pour corriger l’effet de la température sur la mesure de teneur en eau Cas d’une fosse à 4 niveaux de profondeur

- 12 sondes CS616 (3 sondes par profondeur) + 4 sondes 107T + CR1000 + 1 multiplexeur AM16/32 => 4 210 €

- 12 sondes CS650 (3 sondes par profondeur) + CR1000 => 4 555 € Cas de 2 fosses à 4 niveaux de profondeur (centrale commune)

- 24 sondes CS616 + 8 sondes 107T + CR1000 + 1 multiplexeur AM16/32 => 6 222 €

- 24 sondes CS650 + CR1000 => 7 471 €

Pour info :

- 40 sondes CS650 peuvent être connectées à une CR1000 (ports C1, C3, C5, C7) - 8 sondes CS616 peuvent être connectées à une CR1000

- 48 sondes CS616 peuvent être multiplexées sur une CR1000 (avec AM16/32)

Mesure de température avec la sonde

CS650

0 5 10 15 20 25 30 35

06/05/14 11/05/14 16/05/14 21/05/14 26/05/14 31/05/14 05/06/14

Température (°C)

Suivi de la température d'une colonne de sol (CS650) au laboratoire

CS650 107T

Thermistance de la CS650

Les mesures de température avec la thermistance intégrée de la CS650 sont très

proches des mesures de température avec une thermistance 107T :

écart < 0,5°C

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

0 5 10 15 20 25

20/02/16 11/03/16 31/03/16 20/04/16 10/05/16 30/05/16 19/06/16 09/07/16 29/07/16

Température (°C)

Suivi de la température du sol - site Villamblain (-25cm)

CS650 107T Ecart 0

5 10 15 20 25 30 35

01/01/14 11/01/14 21/01/14 31/01/14 10/02/14 20/02/14 02/03/14

Température (°C)

Suivi de la température d'une colonne de sol (CS655) au laboratoire

CS655 107T

Influence de la température sur les

réflectomètres

Sensibilité des sondes à la température

CS 650

Mesure VR, P (µs) et T°C

Calcule Ka et EC (dS/m)

Calcule 

Polynôme de Topp (Topp et al., 1980)

CS 616

Mesure P (µs)

Calcule 

Equation empirique (Campbell et al., 1998)

Influence de la

température ?

Essais en chambre climatique sur colonnes de sol reconstituées

(Ø = 15 cm et h = 35cm)

Pas d’évaporation et pas de drainage

 teneur en eau constante Acquisition des données à 20 minutes

Equation empirique Ka = f(P,)

0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55

0 50 100 150 200 250 300 350

Teneur en eau volumique (m3.m-3)

Temps (heures)

sonde 3 sonde 2

20°C 10°C 5°C 30°C 20°C 30°C 21°C

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

0 10 20 30 40

Teneur en eau volumique (m3.m-3)

Température (°C)

0,231 m3.m-3 0,373 m3.m-3 0,260 m3.m-3

Sensibilité des sondes à la température

0.22 0.24 0.26 0.28 0.30 0.32 0.34 0.36 0.38

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00

Heures Teneur en eau (m3.m-3)

colonne 3 0,32 m3.m-3 5°C

15°C 25°C 15°C

15.00 17.00 19.00 21.00 23.00 25.00 27.00 29.00 31.00 33.00 35.00

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00

Température (°C)

Période (µs)

colonne 6 colonne 5 colonne 3 colonne 7 colonne 1 colonne 9 0,13 m³.m^-3

0,20 m³.m^-3 0,26 m³.m^-3

0,32 m³.m^-3 0,34 m³.m^-3 0,36 m³.m^-3

CS650 CS616

Sensibilité des sondes à la température

CS 616

Passage à une période corrigée en température par l’application d’un coefficient de correction à la période mesurée.

P_m = P_T + P_T (T_m-T)

Multitude des coefficients de correction  à déterminer pour le sol concerné

Avec

P_m : période mesurée

P_T : période corrigée à la température T T_m : température mesurée

 : coefficient de correction en µs.°C^-1

CS 650

Plus grande sensibilité à l’effet de la température.

Influence de la température sur l’électronique ≈ semblable CS 616 Influence de la température sur la permittivité diélectrique du sol :

Ka de l’eau varie en fonction de la température : Ka = 88 à 0°C Ka = 80 à 20°C Ka = 64 à 70°C

Effet de la température sur la conductivité électrique :  augmente avec T°C

K_a(σ,τ) = C0*σ³*τ² + C₁*σ²*τ² + C₂*σ*τ² + C₃*τ² + C₄*σ³*τ + C5*σ²*τ + C6*σ*τ + C7*τ + C8*σ³ + C₉*σ² + C₁₀*σ + C11

where K_a is apparent dielectric permittivity, σ is bulk electrical conductivity (dS/m), τ is period average (μS), and C1 to C₁₁ are constants

Construire son équation de correction en température sur sol spécifique

Mise en œuvre des réflectomètres

Mise en œuvre sur le terrain

CS616

• Installation des sondes avec guide spécifique (contact)

• Enregistrement de la période brute P

• Correction en température  P

• Suivi de la masse volumique (Da) et de la teneur en eau pondérale (W) au cours de la saison culturale (3 points minimun)

• Etalonnage à posteriori (à partir des mesures ponctuelles) 

ajustement linéaire entre P

et les points de teneur en eau ponctuels

Mise en œuvre sur le terrain

CS616

• Installation des sondes avec guide spécifique (contact)

• Enregistrement de la période brute P

• Correction en température  P

• Suivi de la masse volumique (Da) et de la teneur en eau pondérale (W) au cours de la saison culturale (3 points minimun)

• Etalonnage à posteriori (à partir des mesures ponctuelles) 

ajustement linéaire entre P

et les points de teneur en eau ponctuels

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

28/12/10 17/01/11 06/02/11 26/02/11 18/03/11 07/04/11 27/04/11 17/05/11 06/06/11 26/06/11

teneur en eau volumique (m3 .m-3 )

date

Suivi de la teneur en eau volumique à 15 cm

avec coefficients cons tructeur sans correction de température RMSE

= 0.036

avec étalonnage spécifique et correction de température RMSE

= 0.014

Teneur en eau volumique calculée à partir de prélèvements

CS650

• Installation des sondes avec guide spécifique (contact)

• Enregistrement des 6 paramètres (commandes aM3! en mode SDI12) : VR, P, Temperature, Ka, , 

• Suivi de la masse volumique (Da) et de la teneur en eau pondérale (W) au cours de la saison culturale (3 points)

Mise en œuvre sur le terrain

CS650

• Installation des sondes avec guide spécifique (contact)

• Enregistrement des 6 paramètres (commandes aM3! en mode SDI12) : VR, P, Temperature, Ka, , 

• Suivi de la masse volumique (Da) et de la teneur en eau pondérale (W) au cours de la saison culturale (3 points)

Mise en œuvre sur le terrain

Da ≈ 1,30 g.cm^-3

CS650

• Installation des sondes avec guide spécifique (contact)

• Enregistrement des 6 paramètres (commandes aM3! en mode SDI12) : VR, P, Temperature, Ka, , 

• Suivi de la masse volumique (Da) et de la teneur en eau pondérale (W) au cours de la saison culturale (3 points)

Mise en œuvre sur le terrain

Da ≈ 1,30 g.cm^-3 Da ≈ 1,50 g.cm^-3

CS650

Comme pour la CS616, un étalonnage à posteriori (à partir des mesures ponctuelles) est indispensable !!

 Correction de l’effet température pour atténuer les amplitudes dues aux effets de la température

 Ajustement linéaire entre les mesures de teneur en eau par la méthode gravimétrique et les mesures de teneur en eau « constructeur » de la sonde

 Attention à l’effet de la masse volumique du sol : correction d’offset au- delà de 1,50 g.cm

Mise en œuvre sur le terrain

CS650

Comme pour la CS616, un étalonnage à posteriori (à partir des mesures ponctuelles) est indispensable !!

 Correction de l’effet température pour atténuer les amplitudes dues aux effets de la température

 Ajustement linéaire entre les mesures de teneur en eau par la méthode gravimétrique et les mesures de teneur en eau « constructeur » de la sonde

 Attention à l’effet de la masse volumique du sol : correction d’offset au- delà de 1,50 g.cm

Mise en œuvre sur le terrain

Da ≈ 1,30 g.cm^-3

CS650

Comme pour la CS616, un étalonnage à posteriori (à partir des mesures ponctuelles) est indispensable !!

 Correction de l’effet température pour atténuer les amplitudes dues aux effets de la température

 Ajustement linéaire entre les mesures de teneur en eau par la méthode gravimétrique et les mesures de teneur en eau « constructeur » de la sonde

 Attention à l’effet de la masse volumique du sol : correction d’offset au- delà de 1,50 g.cm

Mise en œuvre sur le terrain

Da ≈ 1,30 g.cm^-3 Da ≈ 1,50 g.cm^-3

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

31/01/16 20/02/16 11/03/16 31/03/16 20/04/16 10/05/16 30/05/16 19/06/16 09/07/16 29/07/16 Teneur en eau volumique (m3.m-3)

Suivi teneur en eau volumique 60-80 cm (avant calibrage)

70cm_1 70cm_2 70cm_C 70cm

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

31/01/16 20/02/16 11/03/16 31/03/16 20/04/16 10/05/16 30/05/16 19/06/16 09/07/16 29/07/16 Teneur en eau volumique (m3.m-3)

Suivi teneur en eau volumique 32-50 cm (avant calibrage)

40cm_1 40cm_2 40cm_B 40 cm

Mise en œuvre sur le terrain

Site expérimental de Villamblain

Da ≈ 1,40 g.cm-3

0,5 dS.m^-1 <  < 0,8 dS.m^-1

≈ 35 % d’argile

Da ≈ 1,60 g.cm-3

 < 0,5 dS.m^-1

≈ 30 % d’argile

 L’effet de la conductivité électrique semble avoir un effet plus important que la masse volumique sur les sondes : attention dans les sols très argileux !!

 Les chroniques de teneur en eau des CS650 ≈ CS616

Mise en œuvre sur le terrain

 OK après calibrage

 CS616 ≈ CS650

 EMT de ± 0,02 m³.m^-3 est respectée

 Intérêt de la mesure de conductivité avec les CS650

Site expérimental de Villamblain

Conclusion

CS 650 CS616

Prix (/3) 1 2

Performances (/5) 3 3

Mise en œuvre (/3) 3 2

Exploitation (/4) 2 3

Entretien/maintenance (/2) 2 2

Polyvalence (/3) 3 2

Total (/20) 14 14

Match nul !

Conclusion

 Peu de différences sur les performances techniques des 2 sondes attention : effet densité et effet conductivité !

 Intérêt de la mesure de conductivité sur la CS650

 Pas d’accès à la mesure brute sur la CS650 (≈ boîte noire)

 Pour des installations « légères » (moins d’une dizaine de sondes), les CS650 sont financièrement intéressantes.

 A contrario, privilégier les CS616 (associées à un multiplexeur + des thermistances 107T) pour des sites très instrumentés  matériel évolutif et polyvalent pour un moindre prix

 Nécessité d’un étalonnage à partir de mesures gravimétriques pour les 2 sondes

Merci de votre attention