Introduction

« L’agriculture de précision » ou le « greenkeeping de précision » en ce qui concerne les terrains de sports implique désormais l’utilisation d’outils technologiques complexes d’aide à la décision. Les sondes d’humidité du sol font partie de ce panel d’outils pour la bonne gestion de l’irrigation.

Ces outils souvent présentés comme « ultra-fiables » existent depuis quelques décennies et possèdent cependant divers défauts qu’il est important de connaître pour ne pas tomber dans la « dictature technologique » qui peut mener à de nombreuses erreurs d’interprétation et de décision.

Ainsi, le but de cet article est de présenter le principe de mesure de ces outils, leurs qualités mais également leurs limites à travers quelques exemples afin de prendre le recul nécessaire pour la bonne utilisation de ces outils.

Pour compléter l’article, une vidéo tirée des webinaires de Natural Grass que j’ai pu animer concernant les sondes d’humidité est disponible en cliquant sur ce lien.

Deux principales technologies capables d’estimer la teneur en eau dans les sols existent actuellement sur le marché :

  • Les méthodes basées sur la tensiométrie du sol
  • Les méthodes basées sur la permittivité diélectrique du sol qui seront décrites dans cet article

Les technologies basées sur la permittivité diélectrique regroupent deux types de méthodes : par réflectométrie temporelle ou TDR (Time Domain Reflectometry) ou les méthodes fréquentielles (FD) dont les méthodes capacitives.
Ces 2 technologies sont souvent confondues car elles mesurent toutes les deux la permittivité diélectrique du sol situé autour de la sonde pour en déduire ensuite l’humidité volumique du sol. Afin de mieux comprendre les différentes technologies et notamment leurs avantages et leurs défauts, il est donc d’abord nécessaire de revenir au concept de permittivité diélectrique.

Permittivité diélectrique

La permittivité diélectrique (unité : pF/m) est une propriété physique qui décrit la réponse du sol à un champ électrique appliqué. Pour représenter la permittivité ε d’un milieu autre que le vide, on utilise une grandeur appelée permittivité relative ou « constante diélectrique ». Cette grandeur sans unité relie la permittivité du milieu à la permittivité du vide ε01 :

    \[ \epsilon_{r} = \frac{\epsilon}{\epsilon_0} \]

Le sol étant constitué d’une matrice solide présentant des pores occupés en proportion variable par des gaz et la solution du sol, son comportement diélectrique global dépendra de l’arrangement et de la concentration volumique de chacun de ses constituants élémentaires, en particulier de l’eau. Clarke Topp, dans une publication majeure de la fin des années 70, est un des premiers scientifiques à avoir montré la forte dépendance de la permittivité diélectrique à la teneur en eau du sol2. La permittivité relative de l’eau libre (78.3 à 25°C) est en effet largement supérieure à celles des autres constituants du sol (entre 2 et 7) ou celle de l’air (1)3. C’est cette différence qui est utilisée par les différentes méthodes de mesure de la teneur en eau volumique car il existe par conséquent une relation empirique entre la teneur en eau et la permittivité diélectrique. Par exemple, la valeur de permittivité passe de 3 pour un sol très sec à 15 pour un sol moyennement sec et jusqu’à 30 pour ce même sol humide4. Outre la teneur en eau, les paramètres qui affectent la réponse électrique d’un sol et donc sa permittivité diélectrique sont sa texture5–8, sa structure, sa teneur en sels totale9,10, sa température2,11, sa densité apparente et la fréquence du champ électrique2,5,12.

Pertes électriques et permittivité complexe

Au niveau microscopique, la permittivité d’un matériau est liée à la polarisabilité électrique des molécules ou atomes constituant le matériau1. Dans un milieu diélectrique réel, il existe toujours à basses fréquences une faible conductivité liée à différents mécanismes microscopiques (défauts notamment). On parle alors de pertes diélectriques. On peut tenir compte de ces pertes en définissant une permittivité complexe relative1,8 :

    \[ \epsilon_r^* = \epsilon_r^{'}-j.(\epsilon_r^{''}+\frac{\sigma_{DC}}{2\pi.f.\epsilon_0}) \]

Où :

  • \epsilon_r^{'}est la partie réelle de la permittivité diélectrique : l’énergie stockée ou emmagasinée par le sol13. C’est une caractéristique du sol sec et de sa teneur en eau volumique14
  • \epsilon_r^{''}est la partie imaginaire ou « perte diélectrique8 » : les pertes d’énergie dissipée en chaleur ou à la conductivité du matériau13,14.
  • fla fréquence du champ électrique
  • \epsilon_0 la permittivité du vide
  • \sigma_{DC}la conductivité du milieu à la fréquence 08

Dans le cas de matériaux à conductivité électrique nulle, le facteur de dissipation électrique est égal au quotient ε”/ε’ ou aussi tangente de l’angle de perte tan δ avec δ l’angle complémentaire du déphasage entre la tension appliquée au diélectrique et le courant qui en résulte15. En pratique, il n’est pas possible de s’affranchir des pertes par conduction, dans ce cas, le facteur de dissipation électrique est égal au rapport de la partie imaginaire sur la partie réelle de la formule précédente :

    \[ tan \varphi = \frac{(\epsilon_r^{''}+\frac{\sigma_{DC}}{2\pi.f.\epsilon_0})}{\epsilon_r^{'}} \]

Les sondes mesurent la permittivité apparente qui est la somme de la permittivité réelle et de la permittivité imaginaire. La présence d’ions en quantité non négligeable dans la solution du sol (conductivité) implique naturellement une permittivité imaginaire non négligeable. Un capteur parfait devrait pouvoir dissocier les deux pour ne garder que la partie réelle largement corrélée à la teneur en eau mais il est pratiquement impossible de faire cette séparation13,16. Ainsi, la permittivité apparente mesurée par un capteur est dépendante de cette conductivité si elle est non négligeable et un biais apparaît forcément pour la mesure de la teneur en eau.

Influence de la fréquence

La formule de la permittivité complexe est intéressante car elle introduit également la notion de fréquence dont la permittivité dépend en grande partie. Un des défauts des méthodes basées sur la permittivité diélectrique repose d’ailleurs sur la dépendance de la permittivité à la fréquence utilisée par le capteur5,6,9,10,17–19. Pour une humidité volumique donnée, la permittivité est en effet plus élevée pour des fréquences plus faibles5,6. Ce phénomène appelé « dispersion diélectrique »13,20,21 ou « relaxation16 » s’accentue également avec l’augmentation de l’humidité. Ce phénomène est peu marqué pour les sols sableux à faible surface spécifique et à faible capacité d’échange cationique (C.E.C), et plus intenses pour les sols argileux pour lesquels la surface spécifique et la C.E.C sont plus élevées13,16,21.

De ce fait, plus la fréquence est élevée et plus la dispersion diélectrique est faible, plus la mesure est indépendante de la conductivité électrique du matériaux et de sa texture, et plus la mesure est fiable. On devine alors facilement que les méthodes utilisant des fréquences plus élevées auront une partie imaginaire plus faible et donc des mesures de permittivité apparentes plus réalistes et plus fiables. La plupart des études réalisées sur le sujet considèrent que l’effet de la fréquence et la dispersion sont relativement importants entre 1 et 200 Mhz22 deviennent négligeables au-delà de 500 Mhz13.

Toutes les technologies décrites dans les paragraphes suivants consistent finalement à mesurer par différentes méthodes la permittivité diélectrique du sol pour ensuite approcher la teneur en eau par le biais de relations empiriques. Ces relations empiriques sont souvent des régressions polynomiales du troisième degré du type où est la permittivité diélectrique apparente mesurée par le capteur :

    \[ \theta = a.\epsilon_a^{3}+b.\epsilon_a^{2}+c.\epsilon_a+d \]

Ce qu’il faut retenir

  • La permittivité diélectrique du sol est une propriété physique qui décrit la réponse du sol à un champ électrique appliqué.
  • Elle est largement dépendante de la teneur en eau du sol est c’est pourquoi ce paramètre est utilisé par les sondes pour estimer la teneur en eau volumique.
  • La fréquence utilisée par le capteur, la texture du sol, la température et la conductivité ont également une influence sur la mesure de teneur en eau et sont une source d’erreur potentielle.

Méthode par réflectométrie temporelle (TDR)

A la fin des années 70, Clarke Topp et deux collègues débutèrent leurs travaux avec une nouvelle technologie utilisée dans
l’industrie énergétique pour déterminer la distance jusqu’au point de rupture des câbles électriques23. Les réflectomètres temporels (ou Time Domain Reflectometers ou encore « TDR ») généraient une impulsion à temps de montée très court avec une tension donnée qui traversait le câble, se réfléchissait à son extrémité pour revenir au transmetteur. Le temps de parcours de l’impulsion permettait alors aux équipes de maintenance de réaliser les réparations au bon endroit. Le temps de parcours de l’impulsion dépendait de la distance jusqu’à la section du câble où celle-ci était réfléchie mais également de la constante diélectrique de l’environnement autour du câble23. Topp réalisa alors que l’eau avait une permittivité diélectrique élevée (78.3 à 25°C) comparée à celles des sols minéraux (4) ou celle de l’air (1). Si les câbles électriques étaient enterrés dans le sol et le temps de parcours de l’impulsion mesuré avec un réflectomètre temporel, Topp pouvait estimer la permittivité diélectrique du sol et par conséquent sa teneur en eau23. Il pouvait finalement corréler le temps mis par l’impulsion électromagnétique pour parcourir des électrodes en acier insérées dans le sol à une teneur en eau volumique du sol. A l’époque, malgré le scepticisme de ses collègues, il prouva que ses mesures étaient fiables pour de nombreux types de sols2.

Ainsi, la permittivité apparente est reliée au temps de parcours T de l’impulsion électromagnétique à temps de montée très court : haute fréquence (de l’ordre du Gigahertz) le long des électrodes de taille L selon la relation suivante24 :

    \[ \epsilon_{a}=\frac{c.T}{2.L}^{2} \]

  • c est la vitesse de la lumière

Modèle empirique reliant teneur en eau et permittivité : le modèle de Topp

Une régression polynomiale empirique a été déterminée par Topp reliant permittivité diélectrique et teneur en eau valable pour un grand nombre de sols 2 et encore largement utilisée aujourd’hui avec d’autres types de technologies (dont les capteurs capacitifs) mesurant la permittivité diélectrique des sols22 :

    \[ \theta = 4,3.10^{-6}.\epsilon_a^{3}-5,5.10^{-6}.\epsilon_a^{2}+2,92.10^{-2}.\epsilon_a-5,3.10^{-2} \]

Elle garantit normalement une précision satisfaisante de l’ordre de 1.3% selon Topp2. En supplément, Topp propose également une relation entre permittivité et teneur en eau pour des sols à forte teneur en matière organique avec lesquels la relation précédente est peu adaptée du fait de propriétés électriques différentes2:

    \[ \epsilon = -55,3.\theta^{3}+135.\theta^{2}-0,34.\theta+1,74 \]

Depuis, diverses publications virent le jour avec de nouvelles relations empiriques entre permittivité et teneur en eau adaptées à différents types de sols et pour différentes fréquences24–26. Deux types de modèles se différencient. Les modèles à 1 paramètre relient simplement la teneur en eau à la permittivité (la permittivité est l’unique paramètre). Les modèles mixtes semi-empiriques tentent d’approcher la teneur en eau par le biais de la permittivité mais également d’autres paramètres comme la densité apparente du sol ou sa porosité27.

Différentes équations empiriques reliant permittivité apparente et teneur en eau
Figure 1 : Différentes équations empiriques reliant permittivité apparente et teneur en eau. Licence : Clinique du gazon, tous droits réservés

Modèles mixtes semi-empiriques

Les modèles mixtes semi-empiriques tentent d’être « moins empiriques » en ajoutant des paramètres connus du milieu (comme la porosité). Citons le modèle polynomial de Sihvola28 :

    \[ \theta_{b}^{m} = (\phi-\theta)\epsilon_{a}^{m}+(1-\phi)\epsilon_{s}^{m}+(\theta-theta_{bw})\epsilon_{fw}^{m}+\theta_{bw}.\epsilon_{bw}^{m} \]

Où :

  • \phiest la porosité du sol
  • \epsilon_{fw}la permittivité de l’eau libre dans les pores du sol
  • \epsilon_{bw}la permittivité de l’eau liée associée à la double couche diffuse des particules de sol (DDL)
  • \theta_{bw}la teneur en eau liée aux particules de sols
  • Suivant la forme des particules de sol, le paramètre m varie entre -1 et 1

Avantages de la méthode TDR

Depuis la publication majeure de Clarke Topp et ses collègues2, les sondes TDR sont désormais largement reconnues pour leur grande précision de mesure dans de nombreux types de sols. Ces sondes sont également considérées comme les plus fiables.

Elles utilisent en effet des fréquences très élevées (souvent supérieure à 1 Ghz). La mesure de la permittivité est alors peu dépendante de la fréquence pour cette gamme de fréquence. Les pertes et la dispersion sont faibles avec permittivité imaginaire négligeable devant la permittivité réelle.

La réflectométrie temporelle à haute fréquence est par conséquent peu sensible à la conductivité électrique du milieu (jusqu’à des gammes de salinité élevées qui finissent pas « absorber » la réflexion de l’impulsion électromagnétique mais rarement rencontrées dans le sols qui nous intéressent23).

La méthode est aussi relativement peu dépendante de la texture du sol et de la température2,3.

Enfin, les électrodes utilisées sont simplement faites d’acier sans aucun composant électrique enterré ce qui les rend utiles pour des campagnes de mesures sur du long terme3,23.

Défauts de la méthode TDR

Le défaut majeur de cette technologie réside dans son coût élevé du fait des fréquences nécessaires et de la complexité des composants utilisés (réflectomètre, multiplexeur, centrale d’acquisition) nécessitent des matériaux de qualité et notamment en ce qui concerne le câble coaxial transportant le signal29. De même, l’interprétation du signal est complexe et nécessite soit l’utilisation d’un oscilloscope (courbe) soit d’un traitement complexe par circuit électronique (signal)30.

Ce coût prohibitif empêche la démocratisation de son utilisation et/ou d’une instrumentation avec un grand nombre de capteurs.

Enfin, la technologie TDR demande une alimentation électrique importante avec une utilisation souvent nécessaire de panneaux solaires et de batterie aux grandes capacités.

WCR : les TDR « low-cost »

Du fait des coût élevés des sondes TDR à haute fréquence, les fabricants ont mis au point un système basé sur la réflectométrie temporelle utilisant des fréquences plus faibles (de l’ordre de la centaine de Mhz) et intégrant l’ensemble des composants électroniques dans la tête de la sonde30. Cette technologie porte le nom de WCR pour “Water Content Reflectometry“. Ainsi, ce circuit génère et analyse directement l’impulsion électromagnétique et renvoie alors un simple signal qui correspond au temps de parcours de l’onde31.

La formule reliant le temps et la permittivité diélectrique est alors différente32,33 :

    \[ t=\frac{P}{S_f}=\frac{4.L.\sqrt{\epsilon_{a}}}{c}+2.t_d \]

Où :

  • t_dest le délai entre deux impulsions générées par la sonde
  • P est la période renvoyée par l’appareil
  • S_fest un facteur d’échelle pour faciliter la lecture du système d’acquisition32

Cette technique est à mi-chemin entre la technologie capacitive et la technologie TDR haute fréquence car elle utilise un oscillateur de fréquences comme dans la technologie capacitive mais analyse un temps de parcours de l’onde le long des électrodes.

La fréquence d’oscillation est cependant plus élevée que celles des sondes capacitives : le capteur CS616 de la société Campbell Scientific utilise en effet une fréquence de 175 Mhz32 contre des fréquences comprises entre 20 et 150 Mhz pour les sondes capacitives.

En 1998, les inventeurs de la technologie (dont Gaylon Campbell qui collabore avec les sociétés Campbell Scientific et Meter Group) admettent cependant clairement que la méthode, certes moins coûteuse est plus dépendante de la température et de la conductivité par rapport à la méthode TDR haute fréquence33.

La série des TDR de la société Spectrum intègre par exemple cette technologie.

Relation reliant période du capteur CS616 et teneur en eau par le biais de l'équation de Topp
Figure 2 : Relation reliant période du capteur CS616 et teneur en eau par le biais de l’équation de Topp. Licence : Clinique du gazon, tous droits réservés

Méthode capacitive

La méthode capacitive est également basée sur l’estimation de la permittivité diélectrique relative du sol. Cette dernière est estimée en mesurant le temps de charge d’un condensateur qui utilise le sol comme diélectrique34. Il existe ainsi une relation entre le temps t de charge du condensateur, en partant d’une tension initiale Vi jusqu’à une tension finale Vf, avec une tension appliquée Vf.

    \[ t=\frac{V-V_{f}}{V_{i}-V_{f}}=e^{-t/R.C} \]

  • Où R est la Résistance et C la capacité électrique.

Si la résistance et la tension sont maintenues constantes alors le temps de charge t du condensateur est relié à la capacité électrique selon la formule suivante :

    \[ t=-R.C.ln(\frac{V-V_{f}}{V_{i}-V_{f}}) \]

Pour un condensateur plan, la capacité électrique (en Farad) est fonction de la permittivité diélectrique (Farad/cm) du milieu entre les armatures et peut être calculée à l’aide de la formule suivante :

    \[ C=\frac{\epsilon.A}{S} \]

Où :

  • A est la surface des armatures (cm²)
  • S la distance entre les armatures (cm)

A et S étant constants, le temps de charge du condensateur est une fonction linéaire de la permittivité diélectrique du milieu compris entre les armatures. Cette dernière est ainsi déduite à l’aide de la formule suivante :

    \[ \frac{1}{\epsilon}=\frac{1}{t}\{\frac{R.A}{S}.ln(\frac{V-V_{f}}{V_{i}-V_{f}})\} \]

Les sondes des humidimètres ne sont pas exactement des condensateurs plans mais l’équation précédente reste valable quelle que soit la géométrie des armatures qui peuvent être remplacées par des électrodes métalliques insérées dans le sol.

La relation entre capacitance du sol (reliée au temps de charge du condensateur) et teneur en eau est connue depuis des années, avant même que la méthode par réflectométrie temporelle voie le jour dans les années 70. Alors pourquoi les premières méthodes capacitives ont-elles échoué là où la méthode par réflectométrie temporelle a réussi ? Tout est une question de fréquences auxquelles les mesures sont réalisées23. L’impulsion électrique envoyée avec les TDR possède une gamme de fréquences très élevée. Celle-ci s’étend généralement entre 500 Mhz et 1 Ghz. Dans cette gamme, la salinité du sol n’affecte pas ou peu la mesure et la dispersion diélectrique est faible2,23,35.

Comme les sondes TDR, les sondes capacitives utilisent une source de tension pour produire un champ électromagnétique entre deux électrodes métalliques mais au lieu de générer une impulsion qui parcourt les électrodes, des charges positives et négatives sont générées brièvement de manière alternative (oscillation). La charge stockée est mesurée et la permittivité diélectrique elle-même corrélée à la teneur en eau volumique est déduite. Les scientifiques se sont rendu compte que la rapidité à laquelle le champ électromagnétique était chargé ou déchargé (fréquence d’oscillation) influençait fortement la mesure de la permittivité.

Défauts de la méthode capacitive

Les faibles fréquences utilisées par les sondes capacitives (10 à 150 Mhz) induisent des effets forts de la salinité sur la mesure23 rendant les sondes capacitives moins précises suivant la salinité du sol et sa texture. La partie imaginaire de la permittivité a effectivement une valeur non négligeable pour cette gamme de fréquences13. Ainsi, ces sondes requièrent souvent une calibration spécifique au type de sol pour obtenir une précision optimale, l’équation générale donnée par le fabricant n’étant pas toujours satisfaisante selon le type de sol3,36.

De plus, la plupart des sondes capacitives sont particulièrement sensibles au mauvais contact entre les électrodes et le sol37 mais également à la température du sol36,38,39.

Cependant, les nouveaux capteurs capacitifs utilisent désormais des fréquences plus élevées (souvent supérieures à 50 Mhz) pour réduire ce biais sur les mesures. Ces derniers permettent désormais d’obtenir une précision de mesure acceptable3 et l’amélioration des circuits une résolution importante capable de mesurer de faibles variations d’humidité dans le sol.

Avantages de la méthode capacitive

Les capteurs capacitifs sont relativement faciles à installer. Leur consommation électrique peut être très faible et certains nécessitent de faibles tensions d’excitation pour fonctionner (seulement 3 Volts) ce qui permet d’avoir une forte autonomie avec des batteries aux capacités raisonnables.

Enfin, leur coût est relativement faible par rapport aux sondes TDR, ce qui permet d’instrumenter des sites ou terrains sans budget trop conséquent avec une densité de capteur potentiellement plus élevée.

Ce qu’il faut retenir

  • Les technologies basées sur la permittivité diélectrique du sol estiment la teneur en eau à partir d’un signal basé sur la permittivité diélectrique du sol (souvent un temps ou un signal proportionnel à un temps).
  • Plus la fréquence de l’impulsion électrique est élevée et moins la mesure est sensible à la texture du sol, la salinité et la température.
  • La technologie TDR mesure le temps de parcours d’une impulsion à haute fréquence le long des électrodes : c’est la méthode historique la plus fiable mais aussi la plus coûteuse. Elle est peu dépendante de la fréquence, de la texture, de la température et salinité.
  • La technologie WCR mesure également le temps de parcours d’ondes mais avec un oscillateur à plus basse fréquence. Cette technique est moins coûteuse mais plus sensible à la salinité/température et texture du sol.
  • La technologie capacitive consiste à mesurer un temps de charge d’un condensateur avec un oscillateur à basse fréquence. Cette technique est la moins coûteuse des trois mais aussi la plus sensible potentiellement à la salinité/température ou texture du sol.

Le type de technologie : un premier biais sur la mesure d’humidité finale

En considérant les propriétés de chaque technologie évoquée dans les paragraphes précédents, il est déjà possible de relever un premier biais sur les mesures d’humidité. En effet, chaque technologie et même chaque capteur possède sa propre manière d’estimer la permittivité diélectrique apparente (temps de charge, temps de parcours d’une onde). Ainsi, la relation empirique exacte qui relie la permittivité à la teneur en eau ou le signal de la sonde à la teneur en eau est différente pour chaque capteur. Chacun des capteurs réagira donc différemment à une variation de teneur en eau. Il est alors difficile de comparer les valeurs entre capteurs. J’irai même plus loin en disant qu’il est même risqué de réaliser ces comparaisons car ceci peut potentiellement une source d’erreur pour la bonne gestion de l’irrigation. Ainsi, à moins de calibrer parfaitement les sondes à son type de sol, il est préférable de se contenter d’un modèle de sonde et de n’utiliser que cette dernière pour le suivi de l’humidité.

Pour illustrer cette remarque, prenons le cas de l’évolution de la sonde GS3 vers la sonde TEROS 12 de la société Meter. La nouvelle sonde apporte un lot d’améliorations technologiques mais également un volume d’influence différent (1010 mL pour les Teros 11/12 et 160 mL pour la sonde GS3). Le fabricant incite ses clients par un communiqué40 à investir dans les nouvelles sondes TEROS car ce dernier a fait en sorte de rendre les mesures compatibles entre le précédent et le nouveau capteur. Dans un volume de sol à teneur en eau parfaitement homogène (ce qui est le cas lors de la procédure de calibration). Ceci est sûrement vrai et fiable. Malheureusement en réalité, l’humidité n’est pas homogène en fonction de la profondeur (ce qui est le cas dans les terrains de sports ou golfs). Dans ce cas, la différence conséquente de volume de mesure entre les deux sondes rend risquée toute comparaison entre les valeurs car celles-ci ne « prospectent » pas le même volume de sol.

Volume d’influence de la mesure : le deuxième biais de mesure

Le volume d’influence peut être considéré comme le volume dans lequel une variation d’humidité entraîne une variation de mesure du capteur. Au-delà de ce volume, une variation d’humidité n’est pas « détectée » par le capteur. Le capteur réalise donc une mesure moyenne sur ce volume.

Plus ce volume est grand et plus la mesure est représentative du milieu dans lequel elle est faite. Par conséquent, moins les biais dus à la présence d’éléments grossiers, pierres ou autres singularités sont importants. A l’inverse, si l’on cherche à connaître l’humidité sur de petites épaisseurs, celui-ci devrait être adapté à l’ordre de grandeur d’épaisseur que l’on souhaite mesurer. C’est le cas des mesures effectuées sur gazon avec une profondeur racinaire fluctuante et parfois faible et des variations d’humidité assez importantes sur de faibles épaisseurs.

Les fabricants de capteurs fournissent la plupart du temps le volume de mesure et sa géométrie. Il est utile de connaître ce volume puisqu’il permet à l’utilisateur d’avoir une idée plus précise de ce que représente la mesure par rapport à la position des racines de la plante et du profil hydrique du sol au moment de la mesure.

Volumes des capteurs d'humidité du sol de la société METER et illustration de ces volumes pour la sonde GS3
Figure 3 : Volumes des capteurs d’humidité du sol de la société METER et illustration de ces volumes pour la sonde GS3. Source : site web du groupe METER. Licence : Meter Group, tous droits réservés

Incidence du volume d’influence

En considérant le même capteur et différents volumes d’influence, les données mesurées par chaque capteur sont difficilement comparables. Le volume « sondé » par le capteur n’est effectivement pas le même et les humidités estimées ont de forte chance d’être différentes.

  • Si le même capteur utilise des broches aux longueurs différentes (ce qui est possible avec les technologies TDR et WCR comme les sondes Spectrum TDR100/300/150/350) ceci peut être une source d’information supplémentaire (différence d’humidité en fonction de la profondeur).
  • Si l’on compare deux modèles de capteurs aux volumes différents (POGO et TDR par exemple), l’existence de ce volume de mesure introduit un nouveau biais (en plus du biais technologique) qui rend difficile les comparaisons entre sondes.

Autre incidence, prenons l’exemple d’un gazon jeune avec moins de 5 cm de racines (voir figure ci-bas, gazon de gauche) et une sonde avec un volume d’influence relativement important (un cylindre de 8 cm de profondeur). Si des cycles d’irrigation longs mais peu fréquents sont effectués, il se peut que suffisamment d’humidité soit présente en profondeur mais en dehors du champ d’absorption des racines. Ainsi, la sonde indique une humidité suffisante (qui moyenne la sécheresse en surface et l’humidité en profondeur, par exemple avec le capteur TEROS 12 sur la figure suivante) alors que le gazon n’a pas accès à l’eau et souffre alors de cette sécheresse. Dans ce cas, un capteur à faible volume d’influence inséré verticalement en surface est la meilleure option (par exemple le GS3 ou le POGO dans la figure suivante). A l’inverse, sur un gazon mature (gazon de droite sur la figure), l’utilisation de ces mêmes sondes peut induire un sur-arrosage car les racines de la plante ont accès à un volume plus important et une humidité suffisante en profondeur que ces capteurs ne « détectent » pas. Dans ce cas, la sonde Teros 12 est plus adapté.

Influence du volume de mesure sur la gestion pratique de l'irrigation.
Figure 4 : Influence du volume de mesure sur la gestion pratique de l’irrigation avec l’exemple de plusieurs sondes. Licence : Clinique du gazon, tous droits réservés

Les principales sondes disponibles sur le marché du gazon

TDR100, TDR150, TDR300, TDR350 de Spectrum

Type de sonde Type de mesure Alimentation
TDR Mesure ponctuelle 4 piles AA

Ces sondes fabriquées par la société Spectrum sont probablement les plus utilisées sur le marché du gazon. Elle sont réputées fiables mais n’ont servi seulement que dans quelques études publiées41,42. Malgré tout, elles sont utilisées dans de nombreux golfs et stades à travers le monde. Ce sont des sondes « déplaçables » : les sondes sont autonomes et peuvent être déplacées sur l’ensemble du terrain/parcours pour réaliser des mesures sur différents points.

Tous les modèles de la marque intègrent le même capteur qui utilise la réflectométrie temporelle (TDR). Cependant, alors que les meilleures sondes TDR utilisent des fréquences élevées de l’ordre du Ghz avec un coût prohibitif, d’autres sondes à plus basses fréquences (entre 100 et 200 Mhz, appelées WCR pour « Water Content Reflectometry » avec oscillateur à ligne de transmission) ont vu le jour pour réduire les coûts32,41. C’est le cas de la TDR300 dont la fréquence est probablement de l’ordre de la centaine de megahertz.

Gamme de fréquence Résolution Précision Longueur des broches
100-200 Mhz ? 0.1% 3% 3.8, 7.6, 12 ou 20 cm

La sonde renvoie 3 paramètres (humidité volumique, température, conductivité électrique) pour les TDR150 et 350 ou 1 paramètre (humidité volumique) pour les TDR100 et 300. Il est également possible de lire les résultats bruts en microseconde (temps de parcours de l’onde le long des broches).

De gauche à droite : sonde TDR150, sonde TDR350 et la première version : la TDR100 utilisée par mes soins lors d’une calibration spécifique à un type de sol
Figure 5 : de gauche à droite : sonde TDR150, sonde TDR350 et la première version : la TDR100 utilisée par mes soins lors d’une calibration spécifique à un type de sol. Licence : Clinique du gazonSpectrum, tous droits réservés
Comparaison entre calibration standard (bleu) de la sonde TDR100 et calibration spécifique (substrat hybride, en orange). La sonde a tendance à surestimer la teneur en eau dans ce type de substrat et l’erreur augmente avec l’humidité (ce qui est souvent le cas).
Figure 6 : Comparaison entre calibration standard (bleu) de la sonde TDR100 et calibration spécifique (substrat hybride, en orange). La sonde a tendance à surestimer la teneur en eau dans ce type de substrat et l’erreur augmente avec l’humidité (ce qui est souvent le cas). Licence : Clinique du gazon, tous droits réservés

Qualités de la sonde

Un des gros avantages de cette sonde réside dans la possibilité d’obtenir le signal (période ou temps de parcours de l’impulsion le long des électrodes en microsecondes) ce qui donne la possibilité de calibrer la sonde à son type de sol. Il est toutefois regrettable de n’avoir aucune formule permettant d’accéder à la permittivité mesurée par l’appareil, le manuel étant trop succin et manquant d’informations précises.

Il est également possible de « recalibrer » la sonde dans de l’eau distillée ou dans l’air (signal dans l’air ou dans l’eau : les deux extrêmes de la permittivité comme expliqué précédemment).  Selon mon expérience, cela semble toutefois n’avoir que peu d’incidence sur les mesures.

De plus, même si sa fréquence reste faible par rapport aux TDR haut de gamme, elle reste toutefois supérieure à la plupart des sondes capacitives, la rendant probablement moins sensible à la salinité, texture et température du sol.

Différentes longueurs d’électrodes sont disponibles (3.8 cm, 7.6 cm, 12 cm ou 20 cm) ce qui est un avantage indéniable par rapport aux sondes capacitives : il est possible d’aller « sonder » plus ou moins en profondeur en faisant varier le volume de mesure. Ceci permet d’adapter les électrodes au type et à l’âge du gazon ou de connaître la forme générale du profil hydrique du sol. Par exemple, si la teneur en eau est lue plus élevée avec des broches plus longues, c’est que l’humidité augmente avec la profondeur. Il faut toutefois garder en tête que la mesure est une moyenne de l’humidité sur un volume et que la mesure des broches longues prend également en compte l’humidité éventuellement plus faible en surface. Pour ma part, je n’utilise que les broches de 3.8 et 7.6 cm avec une majorité d’utilisation à 3.8 cm.

Comparaison entre les broches 3 pouces et 1.5 pouces des sondes TDR et les broches de la sonde POGO Mini
Figure 7 : Comparaison entre les broches 3 pouces et 1.5 pouces des sondes TDR et les broches de la sonde POGO Mini. Licence : Clinique du gazon, tous droits réservés

Les dernières versions (TDR150, 350) intègrent une puce Bluetooth/GPS et un port USB permettant de transférer et localiser les données facilement, par rapport aux anciennes versions (TDR100, 300) où le cahier et le stylo étaient conseillés ! Une nouvelle calibration « Sable » est également disponible dans les dernières versions.

Enfin, la sonde utilise 4 piles AA avec une autonomie très longue (je change les piles 1 à 2 fois par an malgré de multiples mesures hebdomadaires) la version simple et compacte (TDR100/150) se distingue de la version « sur pied » pour éviter les maux de dos (TDR300/350).

Pour ma part, je trouve cette sonde fiable avec des mesures relativement homogènes par rapport à d’autres sondes plus sensibles à divers paramètres affichant parfois une variabilité peu représentative de la réalité sur terrains de sports.

Défauts de la sonde

Tout d’abord, la sonde a été très peu étudiée par la littérature scientifique et le fabricant communique peu sur la technologie utilisée. Ainsi, il est alors difficile de se faire une idée objective sur la fiabilité réelle de ces sondes.

La technologie WCR et Sa plus faible fréquence impliquent une dépendance plus élevée à la conductivité du sol et à la température par rapport aux TDR haut de gamme à haute fréquence33,41,43. La présence de deux calibrations suivant la texture du sol montre également une dépendance à la texture du sol, allant dans le sens d’une fréquence trop faible. Dans l’étude réalisée sur l’influence de la salinité sur les mesures de la TDR300, l’incidence sur la mesure est visible dès 0.6 mS/cm et augmente ensuite linéairement jusqu’à 2 mS/cm, limite des mesures effectuées41. Une étude de l’USGA sur l’incidence de la salinité sur les mesures de la TDR300 conclut cependant sur la fiabilité des mesures dans des sables USGA jusqu’à 5 mS/cm43.

La fréquence utilisée par la sonde n’est pas spécifiée et aucune étude ne la mentionne. La sonde CS616 de Campbell Scientific est une sonde WCR utilisant une fréquence maximale de 175 Mhz. La période retournée par la sonde varie entre 0 et 45 microsecondes32. Les TDR renvoient quant à elle des périodes comprises entre 1950 et 3500 microsecondes suivant la longueur des électrodes. Il est ainsi possible de deviner que la fréquence utilisée est inférieure à celle la sonde CS616 avec tous les défauts liés à une fréquence plus faible.

Le constructeur garantit une résolution de 0.1% et une précision de 3% avec le réglage standard pour une conductivité inférieure à 2 mS/cm.

Deux calibrations sont disponibles : le réglage standard et le réglage « Hi-Clay » qui correspond à des sols lourds avec présence d’argile non négligeable. Sur terrains de sports et greens de golfs, le réglage standard est conseillé puisque la teneur en éléments fins est rarement élevée.

Enfin, l’absence de disponibilité des sondes en « monitoring » sur centrale d’acquisition est regrettable. Ainsi, il est difficile de comparer les mesures faites sur différents points avec les mesures temporelles réalisées sur des points fixes.

Volume d’influence ou volume de mesure

Aucune information n’est disponible auprès du fabricant mais celui-ci recommande de calibrer la sonde dans l’eau en prenant un récipient de 10 cm de large et 5 cm plus bas que la longueur des électrodes. Il est ainsi possible de deviner le volume de mesure approximatif pour chaque longueur de broche :

Longueur de broche Profondeur de mesure max. Volume de mesure max.
3.8 cm 8.8 cm 0.69L
7.6 cm 12.6 cm 0.98L
12 cm 17 cm 1.2L

Ainsi, il ne suffit pas de se fier à la longueur des broches. Pour le gazon, les électrodes de 3.8 cm sont largement suffisantes car le volume d’influence suspecté descend jusqu’à 8 cm de profondeur.

POGO (sonde Hydraprobe) de Stevens Water

La sonde POGO intègre un capteur bien connu : la sonde HYDRAPROBE de la société Stevens Water disponible depuis 199714. Elle est revendue en France par la société Hydraparts.

Type de sonde Type de mesure Alimentation
Capacitive à impédance coaxiale Mesure ponctuelle Batterie Li-on rechargeable

Largement reconnue et étudiée dans le monde scientifique, cette sonde est brevetée car elle utilise une technologie unique : la réflectométrie diélectrique par impédance coaxiale44. La fréquence utilisée par la sonde est de 50 Mhz. De très nombreuses publications ont étudié les performances de la sonde sur différents types de sol45.

Fréquence Résolution Précision Longueur broches
50 Mhz 0.1% 1 à 3 (sols fins) % 5.7 cm (POGO mini)

Qualités de la sonde

L’originalité de la méthode consiste à déterminer par calcul numérique les parties réelles et imaginaire de la permittivité, permettant ainsi d’estimer la permittivité réelle et non la permittivité apparente (ou somme des deux parties). C’est la seule sonde disponible sur le marché capable de dissocier les deux parties. Selon le fabricant, ceci permet de limiter l’influence de la conductivité, de la température ou de la texture44.

La sonde renvoie 4 paramètres : permittivités réelles et imaginaires compensées par la température, température et conductivité électrique.

Le fabricant met à disposition 23 calibrations différentes suivant le type de sols, avec ou sans correction de température. Par défaut, 4 calibrations sont disponibles : sable, silt, argile et limon. Par défaut, la calibration de la sonde POGO n’est pas mentionnée et aucun réglage n’est possible à ma connaissance.

Deux études du même auteur11,46 sur les performances de la sonde confirment la faible dépendance vis-à-vis de la température (biais de 2.8% seulement sur une échelle de 5 à 45°C pour différentes teneurs en eau11).

Dans une d’entre elles46, la partie réelle de la permittivité n’est pas sensible à la conductivité jusqu’à des valeurs supérieures à 1.42 mS/cm32. L’augmentation de la conductivité à 2.77 mS/cm implique une diminution non négligeable de la permittivité réelle. La dissociation des parties réelles et imaginaire est dans ce cas un réel avantage.

Dans cette même étude réalisée sur 4 types de sol aux textures différentes, il est cependant précisé que les calibrations du fabricant diffèrent toutes des valeurs réelles mesurées46. L’utilisation de la permittivité et de l’équation de Topp2 permet d’obtenir de meilleurs résultats pour les sols sableux. L’auteur recommande d’utiliser la calibration « sable » pour les humidités inférieures à 33% et la calibration « silt » pour les teneurs en eau supérieures ou de réaliser une calibration spécifique. L’étude conclut sur la limite de la sonde par rapport à la technologie TDR : sa trop faible fréquence de 50 Mhz qui explique probablement les performances moyennes de la formule empirique de Topp pour les sols plus fins46.

La conclusion est la même pour la seconde publication portant sur 19 sols différents32. Les auteurs proposent également des équations « générales » plus précises pour les sols étudiés par rapport aux calibrations standards du fabricant. La calibration « sable » semble encore la plus proche de leur régression générale avec toutefois une surestimation des résultats pour des humidités supérieures à 25%. La précision finale obtenue est proche de la précision atteinte par les sondes TDR haute fréquence. Les auteurs évoquent enfin le potentiel de la possibilité d’estimer les parties réelles et imaginaires de la permittivité quant à d’éventuelles corrections dans le but d’augmenter la précision des mesures.

Enfin, une publication scientifique de 2000 étudie les teneurs en eau d’un mélange typique 85% de sable et 15% de tourbe utilisé sur les greens de golf14. Elle consistait à vérifier les performances de cette nouvelle sonde (à l’époque) par rapport à des mesures réelles de l’humidité et d’évaluer sa dépendance à la conductivité. Un modèle utilisant les permittivités réelles et imaginaires a ensuite été développé et confronté à une nouvelle série de mesures réelles. Une fois calibrée, la sonde permet d’obtenir une précision de 2.6% sur l’ensemble de la gamme d’humidité du substrat et jusqu’à moins de 2% entre le point de flétrissement permanent (17%) et la capacité au champ (35%). La partie réelle est indépendante de la conductivité électrique jusqu’à une concentration de 0.01 M de chlorure de potassium (KCl) équivalant à une conductivité de 1.4 mS/cm. Celle-ci augmente ensuite avec la salinité. La partie imaginaire augmente logiquement quant à elle avec la conductivité électrique. Ainsi, les performances de la sonde pour ce type de sol se rapprochent de la précision des sondes TDR14 pour des conductivités inférieures à 1.4 mS/cm. A noter que les calibrations standards n’ont pas été utilisées dans cette étude.

La version MINI est équipée d’une puce Bluetooth permettant de transférer les données directement sur une application pour smartphone et d’envoyer les données sous format tableur (*.csv). La sonde est équipée d’un bâton télescopique type bâton de randonnée. Les séries de mesures rapides peuvent ainsi être prises rapidement.

Enfin, dans la mesure où les calibrations sont connues pour les sondes POGO, il serait possible d’utiliser la sonde Hydraprobe sur des centrales d’acquisition pour des mesures temporelles et les comparer avec les valeurs mesurées avec les sondes POGO amovibles.

Défauts de la sonde

Ainsi, cette sonde permet sans doute d’obtenir des résultats à la hauteur des meilleures sondes capacitives ou WCR mais probablement en deçà des TDR haute fréquence avec les calibrations fournies par le fabricant. Malgré les revendications de ce dernier, la sonde nécessite comme les sondes capacitives ou WCR une calibration spécifique pour obtenir une précision optimale. Dans ce cas, la précision obtenue est bonne à excellente sur des substrats sableux amendés à la tourbe comme le stipule l’étude précédente14.

Une autre étude de 2013 portant sur l’étude de 13 capteurs dont des sondes capacitives, TDR et l’Hydra Probe étudie les performances de la sonde par rapport aux mesures réelles sur différents types de sol variant des sols très sableux à des sols très argileux45. Pour les sols sableux, le réglage « Loam » ou l’équation de Topp2 du fabricant est relativement précis. Pour les sols plus lourds, les réglages du fabricant surestiment l’humidité réelle. A noter également la surestimation de la permittivité pour certains types de sol11,45. Les sols à forte teneur en matière organique (supports hors sol par exemple) nécessitent également une calibration spécifique car la sonde sous-estime la vraie valeur de permittivité (et donc de teneur en eau) pour ce type de support45. C’est toutefois le cas de toutes les sondes mesurant la permittivité diélectrique.

On regrettera au final pour la sonde POGO (malgré une sonde Hydraprobe aux performances potentielles excellentes) l’absence de calibration possible avec la sonde qui délivre le résultat final de teneur en eau volumique sans possibilité d’accéder aux permittivités. Il est clair que l’utilisateur final comme l’intendant n’a pas à devoir faire ce genre de réglages mais cette absence bride totalement les qualités uniques de cette sonde et empêche d’obtenir ses performances optimales.

Volume d’influence ou volume de mesure

Le fabricant stipule un volume approximatif de mesure correspondant à un cylindre de la longueur des broches (5.7 cm) avec un diamètre de 3 cm.

Longueur de broche Diamètre du cylindre Volume de mesure max.
5.7 cm 3 cm 0.08L

Une publication étudiant ces mêmes paramètres mesure un diamètre du cylindre à 2.4 cm correspondant à un volume effectif de 0.05L. Le volume de mesure est donc relativement faible par rapport à d’autres sondes.

Sonde POGO Mini fabriquée par la société Stevens Water et distribuée en France par la société Hydraparts
Figure 8 : Sonde POGO Mini fabriquée par la société Stevens Water et distribuée en France par la société Hydraparts. Licence : Clinique du gazon, tous droits réservés

ECH2O EC-5, 5TM, 5TE, GS3 et TEROS de Meter Group (anciennement Decagon)

La société Decagon créée en 1983 par Gaylon Campbell (maintenant fusionnée avec le groupe Meter) commercialise depuis sa création des sondes d’humidité volumique du sol.

Type de sonde Type de mesure Alimentation
Capacitive Monitoring temporel Selon système d’acquisition

Une première référence majeure a été la sonde capacitive 5TE mesurant humidité volumique, température et conductivité électrique du sol avec une fréquence de 70 Mhz. Dotée d’un revêtement polyuréthane, les électrodes de cette sonde étaient cependant fragiles, rendant difficiles des utilisations autres qu’enterrées pour un monitoring temporel. 3 versions sont disponibles avec le même capteur d’humidité du sol mais des géométries différentes :

  • 5TM : mesure de l’humidité volumique et température (thermistance)
  • 5TE : mesure de l’humidité volumique, température (thermistance) et conductivité
  • EC-5 : mesure de l’humidité volumique uniquement
  • 10HS : mesure de l’humidité volumique avec volume de mesure plus élevé

En 2012, la société a mis en place sa première série de sondes robustes avec électrodes en inox et revêtement époxy : la série des GS avec notamment la GS3 permettant la mesure de l’humidité volumique, de la température (thermistance) et de la conductivité électrique du sol avec la possibilité de déplacer facilement les capteurs. La sonde utilise également une fréquence de 70 Mhz. La sensibilité du capteur à la salinité a également été revue avec une plus faible dépendance (erreur plus faible entre 5 et 9 mS/cm)47. La version GS1 ne mesure que l’humidité volumique, la GS2 l’humidité et la température (thermistance).

Après la fusion de la société avec le groupe Meter, une nouvelle version vit le jour avec la gamme Teros dont la Teros 12, l’équivalent de la sonde GS3 toujours à 70 Mhz. Le capteur Teros 10 remplace le GS1 et le Teros 11 remplace le GS2. Le fabricant revendique un nouveau procédé de calibration diminuant la variabilité entre chaque sonde pour des mesures plus fiables lorsque plusieurs capteurs sont utilisés. L’algorithme de mesure de la conductivité a également été amélioré pour une meilleure précision de la mesure40. Dans un autre communiqué, le fabricant explique que le bruit généré par le câble de la GS1 a été revu pour la Teros 10 et les broches sont plus pointues pour améliorer le contact entre les électrodes et le sol48. La société garantit une bonne compatibilité des mesures entre ses différentes générations de capteurs40,48.

Sonde Fréquence Résolution Précision Longueur broches
Teros 10/11/12 70 Mhz 0.1% 3 % (calibration standard)
1 à 2% (calibration spéc.)
5.3 cm (Teros 11/12)
GS3 70 Mhz 0.2% (0-40%)
0.1% (>40%)
3 % (calibration standard)
1 à 2% (calibration spéc.)
?
5TE/5TM 70 Mhz 0.08% 3 % (calibration standard)
1 à 2% (calibration spéc.)
?
EC-5 70 Mhz 0.1% 3 % (calibration standard)
2% (calibration spéc.)
?
Sondes Teros 11/12 fabriquées par la société Meter Group et longueur des broches
Figure 9 : Sondes Teros 11/12 fabriquées par la société Meter Group et longueur des broches. Licence : Clinique du gazon, tous droits réservés

Ces sondes renvoient différents paramètres suivant le modèle :

  • Signal brut (RAW) ou permittivité à relier à la teneur en eau volumique par les calibrations du fabricant, l’équation de Topp2 ou après calibration spécifique au type de sol (toutes les sondes)
  • Température (5TE/5TM/GS2/GS3/Teros 11/Teros 12)
  • Conductivité électrique (5TE/GS3/Teros 12)

Volume d’influence ou volume de mesure

La société METER met à disposition de fiches techniques très complètes et communique de manière précise sur chacun des volumes d’influence et leurs géométries. Le protocole de mesure du volume est le même que celui utilisé dans une publication étudiant le capteur EC-549.

Sonde Profondeur cylindre Diamètre du cylindre Volume de mesure max.
Teros 11/12 7.5 cm 9.3 cm 1.010 L
Teros 10 / GS1 7.5 cm 5.1 cm 0.430 L
GS3 9 cm 7 cm 0.160 L
5TE/5TM 11 cm 3.5 cm 0.715 L
10HS 16 cm 3.5 cm 1.320 L
EC-5 9 cm 2 cm 0.240 L
Relation entre permittivité apparente et signal du capteur TEROS 11/12 donné par le constructeur. C’est la mesure de cette valeur qui est approchée réellement par ce type de capteur, avant l’humidité volumique du sol.
Figure 10 : Relation entre permittivité apparente et signal du capteur TEROS 11/12 donné par le constructeur. C’est la mesure de cette valeur qui est approchée réellement par ce type de capteur, avant l’humidité volumique du sol. Licence : Clinique du gazon, tous droits réservés
Teros relations empiriques
Figure 11 : Différentes manières d’obtenir la teneur en eau avec la sonde TEROS à partir de la permittivité apparente du sol. 1. A partir de la permittivité apparente et l’équation de Topp, Rial ou Shapp (bleu, violet, rouge). 2. à partir du signal et les équations empiriques données par le fabricant : « Mineral » (vert) et Soilless Media (Orange). Il est aisé devoir que le résultat final en humidité est largement dépendant de cette calibration. Licence : Clinique du gazon, tous droits réservés

Qualités de cette série de capteurs

Les sondes Teros bénéficient d’une renommée importante et sont largement utilisées dans le monde sur divers types de sol et divers types de cultures. D’excellents scientifiques travaillent ou ont travaillé pour eux. De nombreuses publications scientifiques les utilisent ou ont étudié leurs performances (aussi bien les qualités que les défauts) pour divers types de sol22,45,47,50. Pour des types de sol différents, les dernières versions (GS) sont plus performantes en terme de précision que leurs aînées (5T)22,45,50. La mesure de la permittivité est également moins sensible à la conductivité électrique du sol47. Le revêtement des GS et Teros permet en effet de mieux isoler les électrodes, rendant le capteur moins sensible aux pertes et à la conductivité45. Il est ainsi possible de croire que les Teros, avec un nouvel algorithme de gestion de la conductivité (même si cette série est encore peu étudiée) sont encore plus précises et moins sensibles au type de sol et à la conductivité  que la série des GS40,48. Enfin, pour avoir utilisé régulièrement les sondes Teros, celles-ci ont une résolution très fine permettant de mesurer des faibles écarts de teneur en eau.

Dans plusieurs publications, les sondes une fois calibrées permettent d’arriver à une excellente précision proche de celle des TDR de l’ordre de 2-4%22,45,47 avec une étude qui obtient une précision inférieure à 1%.

Ces capteurs peuvent être facilement calibrés avec le signal brut (RAW) ou permittivité qu’ils renvoient et intégrés à n’importe quel système d’acquisition. La tension nécessaire à exciter le capteur est très faible (seulement 3 volts) et la consommation très faible, ce qui en fait d’excellents capteurs pour systèmes autonomes.

Défauts de cette série de capteurs

Sans surprise, ces sondes capacitives sont sensibles à la salinité avec toutefois une amélioration entre les sondes 5TE et GS322,47. Selon une de ces études22, l’influence de la salinité reste faible sur la mesure de la permittivité apparente pour des conductivités inférieures à 1.7-1.8 mS/cm pour les sondes 5TE et 10HS.

La présence de matière organique en forte quantité (>20%, ce qui peut être le cas des supports hors sol), qui augmente la présence d’eau liée avec une permittivité plus faible que l’eau libre nécessite également une calibration spécifique car les calibrations standards sous estiment largement la teneur en eau finale pour la sonde 5TE45,50.

Sur sols sableux à faible CEC et faible teneur en matières organiques, les calibrations standards et l’équation de Topp permettent d’obtenir des précisions de l’ordre de 2-5% pour la sonde 5TE avec une légère tendance à sous-estimer les valeurs de permittivité et donc de teneur en eau45.

A noter également que les calibrations réalisées par le fabricant sont faites dans un système immergé c’est-à-dire que la sonde est entièrement entourée du milieu de mesure. Lorsque celle-ci est simplement plantée dans le sol à la verticale avec présence d’air au-dessus (faible permittivité), la valeur mesurée de permittivité sous-estime la valeur réelle45. La calibration du fabricant est donc évidemment plus précise si la sonde est enterrée et il est préférable de calibrer la sonde à son type de sol pour ce type d’utilisation.

Enfin, il n’existe aucun « lecteur portable commercial » pour ce type de capteur, ce qui rend son utilisation obligatoire sur système d’acquisition. J’ai toutefois réussi à fabriquer un système simple avec microcontrôleur et écran LCD alimenté par 2 piles AA ou batterie li-ion (voir figure 12). La station GreenGo (voir figure 13) présente plusieurs stades de haut niveau en Europe est également équipée des capteurs GS3 pour les anciennes séries et des Teros 12 désormais. La station LAMI de l’INRA présente également dans plusieurs stades est équipée d’un capteur GS3.

Prototype lecture capteur Teros 11/12
Figure 12 : Prototype de lecteur portable pour les sondes Teros 10/11/12 que j’ai réalisé pour faire des mesures ponctuelles sur les terrains. Fonctionne sur pile 9V ou batterie rechargeable classique 5V. Licence : Clinique du gazon, tous droits réservés
Station GreenGo équipée d’un capteur GS3 disposée sur un terrain d'entraînement hybride.
Figure 13 : Station GreenGo équipée d’un capteur GS3 disposée sur un terrain d’entraînement hybride. Licence : Clinique du gazon, tous droits réservés

Ce qu’il faut retenir

  • Sur le marché du gazon, trois séries de capteurs basés sur la permittivité diélectrique sont utilisés
    • la série des TDR100/300/150/350 basées sur la technologie WCR de la société Spectrum
    • la sonde capacitive POGO Mini de la société Stevens Water basée sur une technologie brevetée unique
    • les sondes capacitives du groupe Meter et notamment les sondes GS et TEROS
  • Aucune de ces sondes ne se démarque vraiment des autres, elles ont toutes des avantages et des défauts qu’il faut prendre en compte lors des utilisations
  • Elles nécessitent toutes une calibration spécifique pour une précision optimale
  • Elles sont toutes plus ou moins sensibles à la salinité et à la texture du sol
  • Certaines peuvent être utilisées pour des mesures ponctuelles en étant déplacées, d’autres permettent un monitoring de l’humidité sur un point fixe

Capteurs d’humidité du sol : comparaison et limites par l’exemple sur terrains de sports hybrides

Il a été évoqué précédemment les différents biais introduits par le type de technologie des capteurs mais également par leur volume de mesure. Ces deux biais constituent les limites des capteurs d’humidité du sol basés sur la permittivité diélectrique.

Afin d’illustrer ces remarques, voici un exemple de mesures d’humidité réalisées à différentes dates avec 3 sondes, sur deux terrains de football hybride de ligue 1 et Top 14.

Méthode de mesure

Les mesures sont réalisées selon 3 transects fixes rectilignes répartis sur la longueur du terrain. La distance entre chaque mesure est constante. 21 mesures sont réalisées par ligne soit 63 mesures pour 3 lignes par terrain Ceci permet selon mon expérience d’avoir des statistiques relativement robustes à l’échelle du terrain.

Les sondes utilisées sont la sonde TDR100, la sonde POGO Mini et la sonde TEROS 12. La calibration « standard » est choisie pour la sonde TDR100. Aucun réglage n’est possible avec la sonde POGO Mini. La calibration « mineral » est utilisée pour la sonde TEROS 12 car le type de substrat mesuré contient une majorité de sables.

Les broches sont insérées verticalement et en intégralité dans le sol pour un contact parfais entre les broches et le sol. La mesure est effectuée 1 seconde après l’insertion de la sonde dans le sol.

Le choix a été fait de ne pas utiliser strictement le même emplacement pour chacune des sondes. C’est-à-dire que les mesures pour chaque sonde ont été réalisées selon les mêmes lignes mais pas sur les mêmes points. Selon mon expérience, cette méthode est fiable si le nombre de mesures est suffisamment grand ce qui est le cas ici.

Comparaison des sondes POGO Mini et TDR100

La figure 14 présente les résultats des mesures à différentes dates sous forme d’histogrammes pour une série réalisée sur un stade hybride de Ligue 1. Les abscisses représentent une plage de mesure d’humidité et les ordonnées le nombre de mesures pour chacune de ces plages relevées pour chacune des dates. Les données de la sonde POGO sont en orange et les données de la sonde TDR100 en bleu. Il est facile de remarquer que la sonde POGO mesure des humidités plus faibles en moyenne que la sonde TDR100 : l’histogramme (ou la « distribution des données ») est systématiquement décalé sur des humidités plus faibles (sur la gauche) par rapport à l’histogramme bleu de la sonde TDR100.

La figure 15 présente les mêmes résultats moyens sous forme de boîtes à moustaches. Une analyse de variance (ANOVA) a également été effectuée pour chacune des dates avec une différence statistiquement significative entre les moyennes des mesures réalisées avec chacune des deux sondes. L’écart moyen mesuré est de 4.5% et varie entre 3.4 et 5.8% selon les dates entre les deux sondes pour ce type de substrat, ce qui n’est pas négligeable.

Plusieurs interrogations sont possibles :

  • La technologie de la sonde POGO sous-estime les valeurs d’humidité pour ce type de substrat ?
  • La technologie WCR de la sonde TDR100 surestime les valeurs d’humidité pour ce même type de substrat ?
  • Le volume de mesure de la sonde TDR100 est plus élevé que celui de la sonde POGO et prospecte un volume de sol plus profond et plus humide ?

Il est difficile de répondre à ces questions sans calibration spécifique au type de sol. Toujours est-il que si l’intendant utilise l’une ou l’autre de ces sondes en période estivale, ses choix en termes de pilotage de l’irrigation peuvent être différents, suivant les seuils qu’il aura choisis pour déclencher les arrosages.

Histogrammes POGO TDR
Figure 14 : Histogramme des mesures d’humidité réalisées avec les sondes TDR100 (bleu) et POGO (orange). Il est facile de voir que la sonde POGO mesure des humidités statistiquement toujours inférieures à la sonde TDR avec un décalage systématique des 2 histogrammes. Quelle est la distribution la plus juste ? Impossible de le savoir sans calibration. Licence : Clinique du gazon, tous droits réservés
Boxplot TDR vs POGO
Figure 15 : boites à moustaches pour l’ensemble des mesures issues des histogrammes de la figure précédente. Les moyennes sont statistiquement différentes entre les deux distributions (significatif au seuil de 95% dans l’ANOVA pour chacune des dates et pour l’ensemble des dates). Licence : Clinique du gazon, tous droits réservés

Comparaison des sondes POGO et TEROS 12

Le même principe est appliqué avec les sondes POGO Mini et Teros 12 sur le même terrain hybride des mesures précédentes. La figure 16 présente les histogrammes des mesures réalisée sur ce même terrain à 3 dates différentes. La même tendance est visible entre les sondes POGO Mini et Teros 12 avec une distribution en moyenne plus élevée pour la sonde TEROS 12 (sur la droite en bleu) par rapport à la sonde POGO Mini (sur la gauche en orange).

Une analyse de variance a également été effectuée et montre encore une fois une différence significative entre les moyennes des deux sondes égale à 3% en moyenne. La différence de résultats entre les deux sondes est plus faible par rapport à celle observée entre la sonde POGO Mini et la sonde TDR100.

Histogrammes sondes POGO vs TEROS
Figure 16 : Histogrammes des mesures effectuées sur 3 dates avec les sondes TEROS 12 (bleu) et POGO Mini (orange) sur un terrain de football hybride de Ligue 1
Boîtes à moustaches comparant les mesures réalisées avec les sondes TEROS 12 et POGO Mini sur le même terrain pour 3 dates différentes
Figure 17 : Boîtes à moustaches comparant les mesures réalisées avec les sondes TEROS 12 et POGO Mini sur le même terrain pour 3 dates différentes. Licence : Clinique du gazon, tous droits réservés

Afin de visualiser la répartition spatiale des humidités sur le terrain, une interpolation a été réalisée sur les données collectées sur le terrain pour une des dates avec une pondération inverse à la distance. La figure 18 présente cette nouvelle carte. La différence entre les valeurs mesurées par les deux sondes se retrouve sur cette carte avec des valeurs en moyenne plus élevée pour la sonde TEROS 12 (ou en moyenne moins élevée pour la sonde POGO Mini). Les tendances fortes à l’échelle du terrain se retrouve mais il est possible d’observer une variance plus élevée sur pour la sonde POGO Mini avec laquelle il existe des différences parfois marquées sur des distances relativement faibles : les écarts à la moyenne sont plus nombreux ce qui se retrouve bien sur les histogrammes présentés précédemment.

Les questions évoquées pour la précédente comparaison sont toujours valables. La seule et unique manière de pouvoir trancher serait la calibration spécifique de ces sondes pour ce type de sol (données non présentées elles sont la propriété du fabricant du substrat hybride).

Il est enfin utile d’introduire un biais spécifique aux calibrations des sondes. En effet, cette calibration est en général réalisée sur un sol « homogène » c’est-à-dire que l’humidité est homogène sur le volume de sol testé, ce qui est rarement le cas dans la réalité.

Cartographie de l’humidité du terrain mesurée pour chacun des capteurs pour une date.
Figure 18 : Cartographie de l’humidité du terrain mesurée pour chacun des capteurs pour une date. Obtenue par interpolation avec une pondération inverse des distances. Licence : Clinique du gazon, tous droits réservés

Analyse des mesures point par point

Afin d’analyser les corrélations qui existent entre les mesures de chacune des sondes, une ligne de 30 mesures a été effectuée sur un autre terrain hybride. Pour chaque point, chacune des sondes est insérée verticalement dans le sol sur le même point de mesure et une mesure est réalisée.

Pour cette série, les sondes POGO Mini et TEROS 12 ont été utilisées sur un substrat plutôt trempé lors de la période hivernale. La calibration « mineral » a été utilisée pour la sonde TEROS-12. La figure 19 montre les résultats.

Les mesures effectuées sont relativement corrélées et s’étalent autour de la droite selon laquelle les teneurs en eau seraient identiques (droite orange) ce qui montre que les capteurs réagissent de manière similaire aux variations de teneurs en eau sur ce terrain. Il est possible de voir encore la légère différence entre les mesures des deux capteurs à savoir des mesures aux valeurs d’humidité plus faible pour la sonde POGO, ou plus élevées de la sonde TEROS-12 (les points se retrouvent plutôt en bas de la courbe orange). Cette différence n’est toutefois pas significative selon l’analyse de variance effectuée.

Sondes TEROS12 VS POGO sur les mêmes points
Figure 19 : Evolution de la teneur en eau mesurée par la sonde POGO Mini en fonction de la teneur en eau mesurée par la sonde TEROS-12. La ligne orange représente le cas où les teneurs en eau sont identiques (mesures parfaitement corrélées). Licence : Clinique du gazon, tous droits réservés

Un dernier biais : la présence de feutre en surface

Citons enfin un dernier biais : l’impact de la présence de feutre en surface. Selon mes observations, celui-ci a un double rôle :

  • Il augmente l’humidité localement avec une capacité de rétention élevée (la sonde surestime l’humidité moyenne).
  • Il diminue d’autre part la valeur de la permittivité apparente puisque l’eau absorbée sur la surface du feutre a une permittivité plus faible que l’eau libre de la solution du sol (la sonde sous-estime l’humidité moyenne)

Chacun de ses deux rôles varie selon la teneur en eau. Difficile de savoir au final l’impact réel sur les mesures d’humidité par les capteurs basés sur la permittivité diélectrique.

Conclusion

Au final, voici les quelques recommandations qu’il est possible de faire quant à l’utilisation des sondes d’humidité basée sur la permittivité diélectrique des sols :

  • A l’échelle d’un terrain, les sondes TDR/POGO/TEROS mesurent toutes les mêmes tendances générales et réagissent de manière efficace aux variations d’humidité.
  • Il est toutefois complexe et même risqué de comparer les valeurs des capteurs sur un même type de sol (ou sur un même type de terrain) pour piloter l’irrigation, les écarts d’une sonde à l’autre étant parfois conséquents.
  • Il est également risqué de comparer les valeurs d’humidité mesurées sur des terrains aux caractéristiques physiques différentes (granulométrie, densité apparente, teneur en matière organique) avec des modèles de sondes différents (vrai aussi avec une même sonde mais dans une moindre mesure).
  • Il est risqué de se fixer une valeur seuil d’humidité théorique si la sonde n’a pas été parfaitement calibrée et les caractéristiques de son substrat mesurées et connues.
  • Il est donc recommandé d’utiliser un seul type de capteur pour le monitoring de l’humidité des terrains de sports et golfs et de connaître les valeurs d’humidité caractéristiques de son substrat avec cette même sonde. Un prochain article évoquera ce dernier sujet pour mieux guider l’intendant dans le pilotage de l’humidité.

Enfin, pour pour compléter cet article et ajouter du contenu interactif, la présentation que j’ai animé concernant les sondes d’humidité lors des webinaires de Natural Grass est disponible ci-bas.

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