Capteur tensiométrique Dromo Capt

Exemplaire de Dromo Capt présenté au Salon Paysalia en décembre 2017 (la clef USB donne l’échelle)

Exemplaire de Dromo Capt présenté au Salon Paysalia en décembre 2017 (la clef USB donne l’échelle)Bien qu’utile à l’agriculture, la mesure tensiométrique (humidité des sols) se heurte à plusieurs problèmes.

Pour en saisir les enjeux, il faut rappeler les mécanismes hydriques des sols de surface.

Les Transferts hydriques au voisinage de la surface

L’eau utilisée par les plantes en dehors des pluies est essentiellement celle stockée dans les minuscules interstices du sol, lui-même composé de grains de petites ou très petites dimensions (pouvant atteindre quelques microns pour les argiles). Les interstices entre ces grains sont appelés pores. Ils communiquent généralement entre eux, constituants des canaux relativement longs, de diamètre variable. Leur comportement hydrique dépend du diamètre le plus petit. Il existe des pores de gros diamètre (de l’ordre de quelques dixièmes de mm à quelques centièmes de millimètre) de diamètre moyen (de quelques centièmes de mm à quelques microns) et petits (de l’ordre du micron et en dessous). A titre d’exemple les grains d’argile ont généralement des grains de l’ordre de quelques microns. C’est grâce à ce type de stockage capillaire que les plantes trouvent de l’eau dans des sols assez secs, en plein été, plusieurs semaines après les dernières pluies. Le caractère progressif de l’assèchement du sol leur permettant de réduire progressivement leur métabolisme hydrique (fermeture des stomates pour réduire l’évapotranspiration, réduction puis mise en stand-by de la croissance).

Les lois d’attraction de la matière font que les liquides sont plus attirés par un solide (plus massif) que par l’air : c’est ce qui explique l’existence du ménisque dans un verre d’eau. Ils ont donc tendance à adopter la forme qui leur offre la plus grande surface de contact possible avec un solide, c’est-à-dire un micro canal constitué de pores ouverts (c’est presque toujours le cas pour un matériau naturel) qui communiquent. En dessous de 13 µm, il est appelé capillaire. Une goutte d’eau située en surface sera attirée dans un pore de gros diamètre, mais préfèrera si elle y a accès un canal plus petit ou un capillaire qui représente pour elle l’attraction la plus forte. Pour l’en extraire, il faudra exercer sur elle une « tension de succion », qui contrecarre et surpasse cette attraction.

En d’autres termes, plus un sol est sec plus l’eau qu’il contient est localisée dans des très petits canaux. il existe donc une relation fiable et connue entre la sécheresse d’un sol et le diamètre maximal des pores dans lesquels l’eau est réfugiée. Et à nouveau une relation fiable et connue entre ce diamètre des pores les plus grands contenant encore de l’eau et la tension de succion (pression négative) que les racines des plantes devront exercer pour récupérer cette eau et l’utiliser pour leur métabolisme. L’appareil qui mesure cette tension de succion est appelé tensiomètre. La mesure qu’il effectue est la mesure la plus directement utile à un agriculteur, car elle lui permet de savoir si le stress hydrique guette la plante, ou s’il s’en approche.

Pour relier ces diverses grandeurs, le tableau ci-dessous, établi par Rowell en 1994, est universellement reconnu.

Fig 1 : Relation entre la taille des pores et la tension de succion nécessaire pour les vider de leur eau (d’après ROWELL, 1994)

Une conséquence immédiate de ce qui précède est qu’un tensiomètre qui doit pouvoir déceler le peu d’eau qui reste dans un sol sec, doit avoir lui-même des pores plus petits que le plus petit diamètre de pore contenant l’eau résiduelle. Sinon il ne la voit pas. En pratique, pour déceler le début d’un flétrissement, un tensiomètre devrait comporter des pores de 0,2 µm, et de préférence un peu en dessous pour que cette différence de diamètre attire l’eau dans le tensiomètre.

Les dispositifs actuels de mesure

En matière de capteur, on conviendra d’appeler « corps d’épreuve » un bloc d’un matériau capable de se mettre en équilibre hydrique avec le milieu à mesurer, et dont une autre caractéristique physique variera en fonction monotone de la teneur en eau de ce corps d’épreuve, la grandeur la plus simple étant une variation de résistance électrique (on parle alors de capteurs résistifs).

Les capteurs d’humidité à vocation tensiométrique possèdent un corps d’épreuve qui est : soit un morceau de terre dont on veut mesurer la teneur en eau (cas des capteurs capacitifs ou de certains capteurs hyperfréquences), soit un corps d’épreuve poreux et si possible capillaire (ayant des pores inférieurs à 13µm) dont on mesure la variation d’une grandeur fonction de la teneur en eau.

Lorsque le corps d’épreuve est un morceau du sol à mesurer, ce sol est affecté de fortes variations dimensionnelles qui perturbent les mesures.

Lorsque le corps d’épreuve est un bloc de matériau poreux, la logique industrielle (sic) dicte que ce corps soit en matériau synthétique, facile à reproduire en quantité avec des caractéristiques comparables. Ce préjugé est toutefois à l’origine des limitations de tous ces capteurs. En effet, que ce soit le béton cellulaire, le plâtre (gypse chez les anglo-saxons) ont tous des pores trop gros, en ayant approximativement toujours le même diamètre. De plus, certains ont leur corps d’épreuve entouré de sable fin qui ajoute un filtre supplémentaire dans la plage des diamètres de pores. Si certains pores peuvent approcher le micron, cela ne sert à rien si le corps d’épreuve n’a pas, lui aussi, des pores de l’ordre du micron : l’eau éventuellement attirée par un sable très fin ne pénétrera pas dans le corps d’épreuve. Et nous avons vu que l’objectif est d’avoir des pores inférieurs à 0,2 µm.

En supposant que tous les pores sont de l’ordre soient de l’ordre de 1,5 µm, on ne pourra pas déceler l’eau dans un sol dont la tension de succion dépasse 250 Cbars, ce qui est la performance maximale des meilleurs dispositifs en vente actuellement.

Par ailleurs, on peut penser que si un tel capteur n’a que des pores de petite dimension, il peut mettre plus de temps et/ou être moins précis dans la mesure des sols nettement plus humides

Le DromoCapt

La solution réside dans l’utilisation d’un corps d’épreuve ayant une multiplicité de diamètres de pores, et dont la variation de la teneur en eau est décelée par une mesure électrique qui ne dépende pas des variations dimensionnelles de l’environnement que constitue le sol.

Comportement en sols secs (au-dessus de 180 Cbars):

On compare le DromoCapt (courbe verte), avec un capteur du commerce (courbe bleue) souvent pris comme référence, en portant en ordonnées la résistance électrique en KOhms, et en abscisses la tension de succion en centibars. L’épaisseur du trait vert traduit l’absence d’hystérésis au cours de plusieurs excursions.

On remarque trois choses :

1- entre 105 et 120 Cbars, le capteur du commerce a un manque de pores conduisant l’humidité depuis le sol jusqu’au corps d’épreuve ; les mesures dans toute cette zone (et un peu autour) ont un biais

2- au-dessus de 120 Cbars, la sensibilité du capteur du commerce s’affaisse progressivement, et au-dessus de 230 Cbars, il n’y a plus du tout de pores transmettant l’humidité : le terrain est affiché en sécheresse absolue alors qu’il reste de l’eau dans des pores plus petits. Les capteurs Dromocapt ayant des pores suffisamment petits, ils continuent normalement les mesures et montrent que l’assèchement du sol se poursuit régulièrement

3- au-dessus de 250 Cbars, l’électronique utilisée, adaptée aux capteurs du commerce, décroche et ne permet plus les mesures. Avec une autre électronique on constate que les DromoCapts continuent à mesurer encore longtemps, sans l’ombre d’un décrochage. D’autres essais montrent qu’après une saturation à plus de 250Cbars, le capteur du commerce saute brusquement à la valeur 256, et reste bloqué dans cet état par une sorte de latch up dont il ne sort qu’après une réhumectation. Ce phénomène n’existe pas sur les DromoCapts comme le montre le relevé ci-dessous où le du commerce est en jaune :


Comportement en sols humides (en dessous de 100 Cbars) :

Contrairement à la configuration du capteur du commerce, dont le corps d’épreuve est caché derrière un volume de sable fin, le DromoCapt a un corps d’épreuve directement en contact avec le sol. Il est donc possible de lui donner de multiples formes et dimensions, qui permettent de l’optimiser pour chaque marché d’utilisateurs.

Nous testons actuellement une configuration pour sols humides, dont on attend une sensibilité quatre fois plus élevée que le capteur du commerce.