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version initiale 2002
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dernière mise à jour
22 janvier 2014
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CAPTEURS CLIMATOLOGIQUES
première partie (1/3): généralités et capteurs de pluie
concepts généraux
objectifs et grandeurs mesurées
capteurs pluviométriques à auget
contraintes et principe
comptage analogique
ne pas perdre une goutte d'eau
humectation des feuilles
un réel problème
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Concepts Généraux

les objectifs

Les mesures environnementales climatologiques sont très diverses tant en ce qui concerne la nature des paramètres à mesurer que l'objectif final de la mesure. Nous allons considérer en premier lieu les divers objectifs liés à des mesures climatologiques.
Il peut s'agir :
  • d'identifier les principaux paramètres permettant à un météorologiste de faire une prédiction à court ou long terme du temps qu'il va faire. C'est généralement ce que l'on sous entend quand on parle de mesures climatologiques. On peut déjà admettre deux sous classes selon qu'il s'agit de micro ou de macro météorologie.
  • une deuxième approche concerne non les prévisions mais les statistiques de ce qui s'est réellement passé, soit pour des objectifs de connaissances des climats, avec en vue de future modélisation, soit pour des objectifs à relativement court terme beaucoup plus ponctuels mais économiquement importants : les prévisions des conséquences locales du climat, en particulier sur l'agriculture et les opérations que devront entreprendre les agriculteurs en conséquence.
  • une troisième approche concerne les problèmes de pollution atmosphérique qu'ils soient chroniques ou accidentels. La connaissance de l'ensemble des paramètres climatologiques en temps réel d'une zone géographique va permettre la prévision à court terme des déplacements de polluants et donc l'anticipation si besoin est des mesures d'urgence (plans d'évacuation par exemple en cas de pollution accidentelle sévère).
  • une quatrième approche concerne plus précisément le domaine de l'exploration médicale. Beaucoup d'outils d'aide au diagnostic fonctionnent en mode ambulatoire ou en poste fixe au domicile du patient et concernent souvent des pathologies dans lesquelles les conditions d'environnement climatologiques ont un rôle conséquent. Il convient donc de les identifier aussi bien en milieu extérieur qu'en milieu confiné.
  • enfin dans certains milieux industriels il est indispensable de contrôler l'environnement climatologique soit pour l'obtention de conditions de production optimisées, soit pour assurer le confort des opérateurs.
Il est assez intuitif que les paramètres à mesurer ne seront pas exactement les mêmes dans les divers cas précités et que pour un même paramètre sa plage de variation et les caractéristiques métrologiques demandées seront elles aussi différentes selon les cas. Il pourra en résulter des besoins différents en terme de capteurs. Certains de ces capteurs font l'objet d'un développement dans un autre chapitre et nous inviterons le lecteur à consulter ces chapitres spécifiques, d'autres vont être examinés ici. Enfin d'autres mesures ne sont pas abordées dans ce site et nous vous renvoyons au site de Jean Melounou qui présente un tour d'horizon assez large des procédés de mesure utilisés pour l'ensemble des paramètres climatologiques.

les grandeurs à mesurer

Les paramètres les plus utiles à connaitre sont : En pratique on va disposer de 4 possibilités :
  • des moyens à grande échelle consistant essentiellement en des images satellites enregistrées dans différentes bandes de fréquence (UV, visible, IR) et que nous n'examinerons pas ici.
  • des moyens ascendants : ballons sonde équipés d'un ensemble de capteurs permettant en un lieu donné d'effectuer une statistique verticale presque instantanée sur 1km ou plus des diverses grandeurs mesurées
  • des moyens fixes : stations météo d'aéroport ou d'exploitation agricole
  • des moyens mobiles : microdispositifs intégrés dans les systèmes ambulatoires (médicaux ou autres tels les téléphones mobiles)
Une analyse du concept de microstation météo étant développée par ailleurs nous n'en dirons presque rien ici et allons donc nous concentrer sur les capteurs ne faisant pas l'objet de monographies par ailleurs.

Capteurs pluviométriques

contraintes de la mesure

La pluie étant une grandeur très complexe à analyser, peu de principes de capteurs ont été imaginés. Les problèmes posés sont en effet multiples: on peut considérer deux grandes familles : les capteurs qui vont comptabiliser l'eau tombée numériquement en comptant le nombre de fois qu'un récipient étalonné est rempli pendant l'averse, et ceux de type analogique qui vont suivre en temps réel le niveau de remplissage d'un récipient ad hoc. Le premier procédé est le plus courant, le second est plus précis.

capteur numérique classique

Il repose sur un principe bien connu. L'eau de pluie est recueillie dans un entonnoir normalisé (400cm2) et s'écoule dans une cuiller qui, lorsqu'elle atteint un certain niveau de remplissage, bascule autour de son axe et se vide instantanément. Le basculement est associé à un procédé générant une impulsion de courte durée. Cette impulsion alimente un compteur numérique. Deux versions mécaniques de ce principe ont été réalisées, soit il s'agit d'une cuiller unique, soit il s'agit d'un dispositif double appelé double auget basculant.

La simple cuiller présente l'inconvénient évident de perdre de l'information pendant le basculement, en cas de forte pluie instantanée le temps de vidage est donc prolongé et la quantité d'eau tombée pendant ce temps n'est pas prise en compte. C'est pourquoi on a imaginé un dispositif double qui présente l'avantage d'éviter ce problème pendant la vidange d'un auget, c'est l'autre qui immédiatement reçoit la pluie et ainsi on ne perd pas d'information pendant cette phase et le temps de vidage complet peut être de quelques secondes (en fait tant qu'un auget est en phase de remplissage l'autre est en position vidage).


fig. pluviomètre à augets basculant (doc Précis Mécanique)

Pour les besoins de la photo l'entonnoir et le cylindre de protecion ont été enlevés. On distingue en haut l'orifice conique embase de l'entonnoir, les deux augets, et de part et d'autre, les ouvertures d'évacuation de l'eau. Chaque auget est solidaire d'un mini aimant qui va lors du basculement passer à proximité d'un contact ILS provoquant ainsi la création d'une impulsion par fermeture brève de ce contact. L'ensemble aimant/ILS se trouve en arrière des augets et donc non visible sur la figure.

comptage analogique

Le principe à auget, s'il est le plus répandu, présente cependant un inconvénient majeur inhérent à son principe : une impulsion de comptage n'est générée que lorsque l'auget est rempli. Et l'on conçoit aisément que lorsque la pluie s'arrête il y a statistiquement toutes les chances pour que l'auget en cours de remplissage ne soit que partiellement rempli et donc que cette fin de pluie ne soit pas prise en compte. Au mieux elle sera prise en compte lors de l'averse suivante ce qui, pour établir un relevé temporel de la quantité d'eau tombée, n'est pas entièrement satisfaisant. Au pire, une phase d'ensoleillement suivant celle d'averse, cette quantité d'eau sera réévaporée et définitivement perdue des statistiques. Imaginons maintenant une période de très faibles pluies de courtes durées qui ne parviennent jamais à remplir un auget avant la fin de l'averse et qui sont suivies d'éclaircies juste suffisantes pour vider l'auget par évaporation. La station climatologique n'enregistrera aucune pluie et pourtant, à la fin de la journée, la quantité d'eau tombée cumulée correspond à un réel arrosage.

Sur un site haut-normand nous avons ainsi, en comparant les capteurs analogiques et numériques, pu mettre en évidence sur un semestre, s'étendant d'avril à septembre, une erreur cumulée de près de 20% ce qui est considérable. Il est donc intéressant d'imaginer des capteurs de type continu, suivant en temps réel, la totalité du processus pluvieux, et c'est alors un procédé analogique.

principe
L'idée est la suivante : l'eau issue de l'entonnoir remplit un récipient et l'on mesure à intervalles réguliers le niveau de remplissage, ce qui peut être obtenu par divers procédés. La difficulté de ce principe résulte évidemment du fait que le récipient finit par être plein et qu'il faut le vider et c'est cette opération qui a rebuté les concepteurs de capteurs de pluie. Alors que tout chimiste de paillasse a utilisé un jour ou l'autre un système de vidange parfaitement adaptable avec un tout petit peu d'imagination à ce problème.


fig. pluviomètre à suivi permanent de niveau

Nous présentons ici le dispositif qui a été réalisé dans notre laboratoire pour le compte de l'Institut de Géographie de Rouen, au début des années 80, et qui permet, pour un coût très modeste, de suivre sans faille la quantité d'eau de pluie tombée en un lieu donné.

Un dispositif entrainé par un moteur se déplace entre deux butées fixes (A et B). Celui-ci comporte un couple d'émetteur/récepteur infrarouge. Le faisceau IR n'est transmis que s'il y a de l'eau dans le tube, on peut donc identifier avec précision le ménisque à l'interface air/eau.

Simultanément sur l'axe du moteur on dispose d'un aimant permanent multipôles qui pendant sa rotation va provoquer la fermeture ou l'ouverture d'un contact ILS et créant donc une succession d'impulsions. Une simple porte ET, dont l'une des entrées est alimentée par ce générateur d'impulsions et l'autre par le signal tout ou rien issu du récepteur IR, permet d'envoyer à un compteur un nombre d'impulsions proportionnel à la hauteur d'eau.

Lorsque l'éprouvette est pleine, elle se vide automatiquement par siphonnage. Dès que la présence d'eau est détectée à la sortie du siphon le cône de réception est commuté au dessus d'une autre éprouvette comportant le même dispositif de détection. Pour éviter l'existence lors du siphonnage de bulles d'air qui fausseraient ultérieurement la mesure un principe de double siphon est exploité. Notons que la phase de vidange d'une éprouvette s'effectue pendant le remplissage de l'autre et qu'il est très inférieur au temps minimal de remplissage correspondant à un orage absolument exceptionnel

La figure ci-dessous donne le synoptique de l'électronique associée.

Résultats obtenus :

Ce pluviomètre électronique permet de mesurer une hauteur d'eau maximale de 16mm en 10 minutes (soit presque 10 cm en une heure ce qui correspond à des niveaux de pluie absolument gigantesques) avec une précision meilleure que 0.1mm. Notons que le moteur est mis en marche une fois toutes les 10 minutes et son fonctionnement n'est alors que de 3 secondes, une fois il déplace le chariot de bas en haut et le cycle suivant il va le déplacer de haut en bas.

En cas de gel le système est automatiquement mis en veille puisque le microcontrôleur gérant l'ensemble est informé de ce phénomène par les capteurs de température de la station météo. Notons encore que le principe retenu se joue du risque de réévaporation. En effet même s'il y a eu réévaporation exceptionnelle depuis la précédente mesure dépassant 0.1mm le système enregistrera le nouveau niveau comme nouveau niveau de référence mais le logiciel associé au microcontrôleur n'enregistrera pas de "pluie négative".

humectation des feuilles

La durée d'humectation des feuilles est un paramètre important en agronomie puisqu'il conditionne le développement des maladies cryptogamiques. Pour tenter d'obtenir une information représentative de cette grandeur, un dispositif à peignes interdigités a été imaginé, avec des pistes écartées de 0.3 à 0.45 mm et une surface totale de 7 cm2.


fig. principe d'un capteur d'humectation

Le principe de fonctionnement est semblable à un interrupteur. En effet la présence de rosée ou de pluie crée un court circuit entre les deux pistes faisant ainsi basculer la tension de sortie au niveau logique 1.