Voici comment fonctionne la mesure de l'humidité du sol

L'eau - une substance particulière

L'eau est la substance chimique la plus courante et très spéciale sur Terre. 70 % de la surface terrestre est couverte d'eau, et le corps humain est composé à 60 % d'eau. 97 % de l'eau se trouve dans les océans et seulement 0,001 % dans les nuages, l'air et les précipitations. Mais comme l'eau atmosphérique est renouvelée 37 fois par an, il tombe en moyenne mondiale une énorme quantité de 1 mètre de précipitations par an.

L'eau est la base de toute vie sur Terre et depuis l'Antiquité, les humains s'intéressent aux technologies pour utiliser l'eau.

Lorsqu'on s'intéresse à la mesure de l'humidité du sol, la question de la grandeur mesurée se pose rapidement. L'humidité du sol peut en effet être déterminée à la fois par la proportion volumique et par la proportion pondérale d'eau.

L'humidité volumétrique (θᵥ) est définie comme le volume d'eau divisé par le volume total du sol.

Exemple :
1 litre de terre de jardin avec 400 ml d'eau → θᵥ = 0,4 ou 40 %

L'humidité gravimétrique (θg) est définie comme le rapport de la masse d'eau à la masse totale.

Exemple :
1 litre de la terre de jardin de l'exemple ci-dessus pèse à sec par exemple 1.200 g. Si 400 g d'eau sont ajoutés, le poids total est de 1.600 g et θg=400/1.600=25 %

C'est-à-dire qu'un litre de la même terre de jardin avec 400 ml d'eau possède une humidité volumétrique de 40 %, mais une humidité gravimétrique de 25 %.

Sur une large plage d'humidité, le volume du sol reste largement constant, car l'eau remplit les pores et les interstices. Ce n'est que lorsque beaucoup d'eau a disparu et que la structure du sol s'effondre que le volume diminue également. Des fissures de dessiccation apparaissent alors. Le moment et l'étendue de ce phénomène dépendent fortement du type de sol. Dans les sols sableux, le volume change peu même en état complètement sec, car les particules sont de grande taille. Par conséquent, l'humidité volumétrique et gravimétrique varient également de manière très différente.

Suite de l'exemple : si 100 ml d'eau supplémentaires sont ajoutés, l'humidité volumétrique passe de 40 % à 50 %. L'humidité gravimétrique est maintenant de 500/1.700=env. 30 %, donc elle n'a augmenté que de 5 points de pourcentage. La différence numérique entre les valeurs mesurées volumétriques et gravimétriques du même échantillon de sol peut donc être considérable.

Les images suivantes montrent schématiquement comment l'eau remplit les espaces libres dans la terre sans modifier sensiblement le volume total du sol.

1. Gravimétrie (détermination du poids)

La méthode est simple et précise, mais néanmoins laborieuse. Il suffit d'une balance, d'un récipient résistant à la chaleur (au moins 1/2 litre), d'outils de jardinage et de patience.

Procédure : Peser le récipient, remplir le récipient avec un échantillon de sol et peser. Puis sécher l'échantillon de sol, par exemple au soleil (2-3 jours) ou au four (2-3 heures à 110°) ou au micro-ondes. Déterminer le poids après séchage.

La mesure est intéressante pour déterminer une fois les propriétés du sol comme la capacité au champ, mais pour une utilisation pratique permanente au jardin, elle est beaucoup trop laborieuse et longue.

2. Mesure résistive de l'humidité du sol

Les capteurs d'humidité du sol résistifs mesurent la résistance électrique entre deux électrodes et donc la conductivité électrique de l'environnement. Le problème est que l'eau pure est un très mauvais conducteur. Ce sont les sels dissous dans le sol qui rendent l'eau conductrice. La mesure corrèle assez bien avec la quantité d'eau dans un jardin donné, mais dépend énormément du type de sol. La mesure renseigne beaucoup plus sur la quantité de minéraux et de sels dissous dans la solution que sur la teneur absolue en eau.

De plus, de petits courants circulent, ce qui augmente la consommation d'énergie et endommage à long terme les électrodes par des dépôts. Dans une faible mesure, des métaux sont également libérés dans le sol.

En résumé, la mesure résistive de l'humidité du sol présente de nombreuses faiblesses et n'est recommandée que de manière limitée.

3. Mesure capacitive de l'humidité du sol

Pour comprendre les méthodes de mesure capacitives, une petite incursion dans la chimie de l'eau est nécessaire.

Les molécules d'eau sont petites et composées d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène. Les électrons de la molécule sont fortement attirés par l'atome d'oxygène. Par conséquent, la molécule présente, vue de l'extérieur, une zone chargée négativement autour de l'atome d'oxygène et une zone chargée positivement autour des atomes d'hydrogène. L'eau est ainsi l'exemple parfait d'un dipôle électrique. Le moment dipolaire de l'eau est responsable de nombreuses de ses propriétés uniques et vitales, telles que :

• Sa capacité à dissoudre d'autres substances polaires et des sels en tant que solvant.
• La formation d'une structure cristalline qui conduit à son point d'ébullition élevé, sa tension de surface et son effet capillaire.

Lorsque des molécules d'eau sont placées dans un environnement électriquement chargé, comme entre une plaque chargée positivement et une plaque chargée négativement (électrodes), elles s'alignent en sens opposé à la charge des plaques. Cela atténue la charge et nécessite de l'énergie. Ceci est illustré dans le schéma suivant :

La capacité de charge est spécifique au matériau et est appelée permittivité, mesurée par le nombre de permittivité. Pour l'eau, ce nombre est de 80, ce qui est nettement plus élevé que pour la plupart des autres substances. À titre de comparaison, le nombre de permittivité de l'air est de 1 et celui de la terre sèche se situe entre 3 et 10. L'eau stocke donc une très faible charge, comme une batterie. Bien sûr, l'eau ne peut pas être utilisée comme batterie, mais les effets découlant de la permittivité peuvent être mesurés par de nombreuses méthodes. Ces effets incluent le retard du signal, l'atténuation de l'amplitude, les réflexions et d'autres encore. C'est sur ces principes que reposent les méthodes de mesure capacitives. Pour la conception technique concrète, il existe une multitude de possibilités, réparties en 2 groupes.

3.1 Réflectométrie dans le domaine temporel

Les capteurs du premier groupe émettent une impulsion de signal courte et mesurent les temps de parcours du signal ou des réflexions. Cela nécessite des mesures de temps très précises. En général, on utilise la désignation anglaise TDR (Time Domain Reflectometry). Les capteurs TDR sont généralement volumineux, offrent une bonne précision de mesure, sont complexes à installer, doivent être calibrés pour le sol et sont coûteux.

3.2 Réflectométrie dans le domaine de la fréquence

Le deuxième groupe de capteurs capacitifs utilise un signal haute fréquence et mesure les variations de fréquence au contact de l'échantillon de sol. La désignation anglaise la plus courante est FDR (Frequency Domain Reflectometry). Les capteurs FDR offrent une bonne précision, ont une électronique moins complexe et sont plus faciles à manipuler que les TDR, nécessitent une calibration au sol pour de meilleurs résultats et sont moins coûteux que les TDR.

Mesure volumétrique : les capteurs capacitifs mesurent la capacité électrique et la permittivité du sol environnant.
Celle-ci est étroitement corrélée à la teneur volumétrique en eau, c’est-à-dire au rapport entre le volume d’eau et le volume total. Les capteurs "voient" ainsi tout le champ électrique – donc l’air, l’eau et les solides – comme un mélange. Par conséquent, tous les résultats de mesure dépendent également du sol. Par exemple, les sels, les engrais et l’humus augmentent la capacité de base du sol sec. Les sols lourds ont également une capacité de base plus élevée. Cela signifie qu’il ne peut y avoir de mesure d’humidité absolument correcte sans étalonnage, car l’influence du sol n’est pas négligeable.

Étalonnage : tous les capteurs capacitifs doivent être étalonnés sur le sol si l’on veut obtenir des valeurs absolues correctes de l’humidité volumétrique. En pratique, cela n’est généralement pas nécessaire, car les valeurs mesurées par un capteur sont constamment décalées "par le facteur sol". Cela doit seulement être pris en compte lors de l’interprétation des résultats et en particulier pour la gestion de l’irrigation.

Profondeur de pénétration et plage de mesure des capteurs capacitifs sont limitées à la zone entre les électrodes. Cela signifie que si l’on veut effectuer des mesures de grand volume, les capteurs deviennent rapidement grands et encombrants. L’extension spatiale est très faible, car les zones situées à quelques centimètres du capteur n’apportent plus de contribution pertinente.

Contact avec la terre : pour des mesures fiables, la surface du capteur doit être en contact avec le sol.

Influence du capteur : l’installation du capteur modifie également le flux d’eau dans le sol. Plus le capteur est grand, plus l’effet est important.

Dépendance à la température : la permittivité de l’eau est dépendante de la température – par exemple, elle est d’environ 80 à 20 °C, augmente à environ 88 à 0 °C et diminue à environ 72 à 40 °C. Cela signifie que les sols plus chauds paraissent plus secs. Cet effet est indépendant des influences de la température sur l’électronique et affecte la précision de la mesure.

Les capteurs MIYO utilisent une technologie FDR développée en interne pour mesurer l'humidité du sol. Aucune fréquence prédéfinie n'est générée, mais un circuit oscillant est simplement excité. Le sol fait partie du circuit oscillant et, en fonction de la capacité ambiante, une fréquence s'établit, qui est mesurée. Une mesure dure 30 millisecondes et plus la fréquence est basse, plus il y a d'humidité dans la terre.

La précision de la mesure dépend d'une installation correcte. La surface du capteur au pied doit être en contact avec la terre, mais sans pression excessive, car sinon les valeurs mesurées seraient trop élevées.

Voici comment procéder :

Creusez un trou d'au moins 13 cm de profondeur. Si nécessaire, il n'est pas non plus un problème d'enterrer le capteur plus profondément. Les 3 cm supérieurs doivent en tout cas dépasser de la terre, car c'est là que se trouve l'antenne. Enlevez les grosses impuretés comme le bois ou les pierres et saupoudrez légèrement une poignée de terre dans le trou creusé. Insérez le capteur. La surface du capteur doit être en contact avec la terre sans pression excessive. Remplissez le trou et tassez le sol. Arrosez le trou pour que la terre se consolide davantage. C'est fini. Dans l'app, vous voyez déjà l'humidité actuelle du sol.