La présente invention concerne un procédé de détection de paramètres d'un milieu et un dispositif pour sa mise en oeuvre.
L'objet de la présente invention consiste donc en un procédé de détection de paramètres d'un milieu, caractérisé par le fait qu'on détermine en un point donné au moins la densité du milieu ainsi que sa teneur en eau par des mesures de permittivité de ce milieu réalisées à deux fréquences différentes.
Cette invention a pour second objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé décrit qui se distingue par le fait qu'il comporte au moins une sonde présentant deux électrodes constituant une sonde de mesure et un dispositif de commande et de mesure comportant deux oscillateurs de fréquences différentes, deux discriminateurs associés chacun à un des oscillateurs, une impédance d'équilibrage ainsi qu'un galvanomètre permettant de déterminer l'équilibrage entre les impédances de mesure et d'équilibrage.
Le procédé selon l'invention peut être utilisé notamment pour la détermination de la quantité d'eau contenue dans un milieu quel qu'il soit, pour autant que sa densité soit relativement faible, tel que la neige, le bois, la pâte à papier, le béton, etc., et pour autant que la teneur en eau dudit milieu n'excède pas 50%. Le procédé est plus particulièrement applicable à la détermination de certains paramètres physiques de la neige, notamment dans le cadre de la prévention des avalanches.
En effet actuellement la prévention des avalanches se fait généralement par le contrôle de la température de la neige, aux endroits exposés, ainsi que de l'air environnant associé à une indication relative à la résistance de la neige obtenue par des sondes de battages. Grâce à ces mesures et indications, I'opérateur déduit d'une manière incertaine et empirique les risques d'avalanches en un endroit donné. Une telle manière de faire est très approximative et laisse une marge d'appréciation beaucoup trop grande conduisant à des prévisions erronées ou imprécises.
Le dessin annexé illustre schématiquement et à titre d'exemple deux formes d'exécution du dispositif de détection selon l'inven- tion.
La fig. 1 illustre en perspective la sonde ainsi que le dispositif de mesure et de commande auquel elle est reliée.
La fig. 2 est une vue en coupe axiale à plus grande échelle de la sonde (échelle 1/1).
La fig. 3 est un schéma électrique du dispositif de détection.
Les fig. 4 et 5 illustrent des abaques permettant à l'aide de la permittivité d'établir la densité de la neige puis la teneur en eau de cette neige.
La fig. 4 est une courbe d (f) de ±' OÙ d est la densité réelle du milieu. La fig. 5 illustre un réseau W (quantité d'eau) (f) de ±" donnant la quantité d'eau pour différentes valeurs de la densité d.
La fig. 6 illustre une application d'analyse de la neige à six profondeurs différentes pouvant équiper une station fixe de mesure automatique.
Un procédé selon la présente invention consiste entre autres à mesurer en un point donné la température de l'air ambiant, et d'une part la température de la neige en au moins une profondeur de la couche et à mesurer d'autre part, aux mêmes points où l'on a pris la température de la neige, la permittivité de cette neige à deux fréquences différentes.
Grâce à ces mesures de permittivité de la neige effectuées à deux fréquences différentes, par exemple à 2 et 20 MHz, il est possible de déduire la densité de la neige, ainsi que sa teneur en eau.
En effet, la densité de la neige peut se déduire de la formule:
d=0,46 (±'-1)
±' étant la permittivité de la neige mesurée à une fréquence de 2MHz.
En pratique cette relation peut s'exprimer graphiquement sous forme d'une courbe indiquant la densité d en fonction de la valeur de la permittivité ±' (voir fig. 4).
La teneur en eau est fonction du rapport de la valeur de la permittivité ±" mesurée à 20 MHz et de la permittivité ±'. Cette fonction peut également être exprimée graphiquement par une courbe donnant en fonction du rapport ±''/±' la quantité d'eau par unité de volume de la neige mesurée ou le pourcentage d'eau dans cette neige.
Ce procédé est très utile pour faire des analyses statistiques de la qualité de la neige, mais l'application particulière de ce procédé à la prévention des avalanches est particulièrement remarquable.
Il est possible en effet de choisir des abaques, comme celui illustré aux fig. 4 et 5 permettant de déterminer le risque ou le danger d'avalanches en fonction de la température de la neige, de sa densité et de sa teneur en eau.
Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé décrit comporte au moins une sonde 1 et un dispositif de commande et de mesure 2.
La sonde I destinée à être enfoncée dans une couche de neige comporte deux électrodes 3, 4, cylindriques, concentriques formant une impédance de mesure, dans ce cas une capacité de mesure.
Cette sonde comporte encore un détecteur de température 5.
La forme de la sonde est arrondie pour permettre une intégration des lignes de champ électrique. Les armatures ou électrodes sont isolées pour éviter toute erreur due à la résistivité du milieu.
Le bord d'entrée de la sonde est taillé en biseau pour éviter toute compression ou déformation de la neige lors de l'introduction de la sonde dans une couche de neige.
Enfin, cette sonde présente dans sa partie supérieure un boîtier étanche 6 recevant tout ou partie des composants et circuits électroniques du dispositif de commande et de mesure. Un câble 7 relie cette sonde au dispositif de commande et de mesure. Un tube métallique dans lequel passe le câble est fixé à la sonde et permet de l'enfoncer dans la neige.
Cette sonde telle que décrite est capacitive mais il est possible de concevoir un autre type de sonde à caractère selfique, I'âme du système étant un circuit oscillant. Ces caractéristiques ne sont pas limitatives et il est possible d'aboutir au même résultat par tous systèmes de mesure de fréquence à relaxation et utilisant un condensateur ou une self comme élément de mesure.
Le schéma de la fig. 3 indique dans sa partie supérieure les éléments logés dans le boîtier 2 du dispositif de commande et de mesure et dans sa partie inférieure les éléments incorporés dans le boîtier 6 de la sonde 1.
La mesure de la température de la neige s'effectue à 1/10 de
degré centigrade près à l'aide d'une thermistance constituant le
détecteur de température S monté en série avec un potentiomètre 7 gradué de + 1 à -159C. Cette thermistance S et ce potentiomètre sont montés dans l'une des branches d'un pont de mesure comprenant des résistances R1, R2 et R3.
Lors de la mesure de la température, un galvanomètre G est
branché entre les points de jonction des résistances R1, R2 et R3, 7. L'opérateur agit alors sur le potentiomètre 7 pour réta
blir l'équilibre du pont, soit annuler le courant passant par le galvanomètre G. De par la position de ce potentiomètre 7, on
obtient une lecture directe de la température de la neige détectée par la thermistance 5.
La mesure de la densité de la neige s'obtient par une mesure
capacitive. La capacité de mesure Cm formée par les deux élec
trodes 3, 4 est branchée en parallèle avec une capacité d'équili
brage Ce variable qui peut être commandée soit manuellement
soit à l'aide d'un moteur M à partir du boîtier de commande 2. Le
sens de rotation du moteur peut être sélectionné à l'aide d'un
inverseur I. Ce moteur M entraîne également un potentiomètre P2
alimenté par une tension stabilisée ajustée par la résistance Rh2.
La tension aux bornes du potentiomètre P2 est mesurée par un
voltmètre V qui est gradué directement en permittivité r.
Pour cette mesure de la densité de la neige on branche ces
capacités Ce et Cm sur un premier oscillateur OSCI d'une fré quence de 2 MHz, tandis que le discriminateur Dl correspondant est branché sur le galvanomètre de zéro G.
La variation de la capacité de mesure Cm, due à une modification du diélectrique formé par la neige est compensée par la mise en marche du moteur M qui entraîne le condensateur d'équilibrage Ce en rotation. On ramène ainsi la fréquence à 2 MHz, fréquence de travail du discriminateur Dl. L'équilibre est réalisé lorsque le galvanomètre G indique zéro. A ce moment le potentiomètre P2 a pris une position correspondant à cet équilibre et détermine une tension aux bornes du voltmètre V dont l'échelle est graduée en valeurs de permittivité de 1 à 7. De par la relation d= 0,46 (±'-1) il est possible d'en déduire la densité de la neige.
Pour la mesure de la teneur en eau de la neige on répète la mesure de la permittivité, mais en utilisant un second oscillateur OCS 2 et son discriminateur associé D2 ajusté à une fréquence de 20 MHz soit à une fréquence dix fois plus élevée que celle du premier oscillateur. Le choix d'un oscillateur et de son dicriminateur s'opère à l'aide d'un sélecteur S agissant sur divers contacts du circuit et sur différents relais. Cette sélection pourrait également être manuelle à l'aide d'interrupteurs.
Si la mesure de la permittivité E" à la fréquence de 20 MHz a la même valeur que la mesure de la permittivité ±' à la fréquence de 2 MHz, on est en présence d'une neige sèche et la densité est donnée par la solution précitée.
Si r' diffère de ±" avec r" > ±', on est en présence d'une neige mouillée présentant une certaine quantité d'eau.
La quantité d'eau est d'autant plus importante que la différence entre r' et r" est grande.
Le rapport ±"/±' exprime une quantité d'eau par unité de volume. Un abaque donnant le pourcentage d'eau en fonction du rapport ±"/±' permet de déterminer rapidement la teneur en eau de la neige.
II faut noter que le choix des fréquences de travail n'est pas critique, elles doivent être toutefois suffisamment différentes pour obtenir une différence assez grande entre ±' et ±".
Une des particularités du dispositif électronique décrit réside dans le fait que les mesures sont toujours effectuées aux fréquences préalablement choisies. En effet les déviations en fréquences des oscillateurs dues à la température sont compensées par les transistors TI, T2.
Ayant déterminé ±' et ±", il est possible à l'aide des abaques des fig. 4 et 5 données à titre d'exemple de déterminer la teneur en eau de la neige et donc d'apprécier par cette valeur, la densité de la neige et sa température, le risque d'avalanches.
En effet connaissant r' I'abaque de la fig. 4 permet de déterminer la densité du milieu et de la quantité d'eau qu'elle renferme.
Ayant ainsi déterminé la densité d du milieu et connaissant la valeur r" de celui-ci, I'abaque de la fig. 5 permet de déterminer, à un facteur constant prés, la masse d'eau par unité de volume contenue dans le milieu étudié. On tient compte de ce facteur de proportionalité lors de l'étalonnage de l'appareil.
Il est évident que le dispositif décrit peut être utilisé pour déterminer la teneur en eau d'autres milieux que la neige mouillée, toutefois cette utilisation particulière est très importante car elle permet de mieux apprécier les risques d'avalanches.
La fig. 6 illustre une station de mesure automatique fixe pour analyse de neige sur un plan vertical. Cette station comporte un socle 8 portant un mât 9 servant lui-même de support à plusieurs détecteurs I disposés de façon équidistante à différents niveaux en dessous et au-dessus du manteau neigeux.
Pour une analyse sur un plan horizontal et à une profondeur donnée, les détecteurs sont reliés par câble à la boîte de sélection située dans le socle 8. Un dispositif sélecteur est associé aux détecteurs pour permettre une analyse séquentielle des paramètres mesurés par chaque détecteur. Les mesures de température et de permittivité r' et ±" peuvent être télécommandées par une antenne 10 assurant la commande à distance de l'installation et la transmission des mesures effectuées à un centre de calcul ou d'enregistrement.
The present invention relates to a method for detecting parameters of a medium and a device for its implementation.
The object of the present invention therefore consists of a method for detecting parameters of a medium, characterized in that at a given point at least the density of the medium as well as its water content is determined by permittivity measurements. of this medium carried out at two different frequencies.
A second object of the invention is a device for implementing the method described which is distinguished by the fact that it comprises at least one probe having two electrodes constituting a measurement probe and a control and measurement device comprising two oscillators of different frequencies, two discriminators each associated with one of the oscillators, a balancing impedance and a galvanometer making it possible to determine the balancing between the measurement and balancing impedances.
The method according to the invention can be used in particular for determining the quantity of water contained in any medium, provided that its density is relatively low, such as snow, wood, pulp. , concrete, etc., and provided that the water content of said medium does not exceed 50%. The method is more particularly applicable to the determination of certain physical parameters of snow, in particular in the context of avalanche prevention.
Currently, avalanche prevention is generally carried out by controlling the temperature of the snow, in exposed places, as well as of the surrounding air associated with an indication relating to the resistance of the snow obtained by threshing probes. Thanks to these measurements and indications, the operator deduces in an uncertain and empirical way the risks of avalanches in a given place. Such a procedure is very approximate and leaves a margin of appreciation that is far too large leading to erroneous or imprecise forecasts.
The appended drawing illustrates schematically and by way of example two embodiments of the detection device according to the invention.
Fig. 1 illustrates in perspective the probe as well as the measuring and control device to which it is connected.
Fig. 2 is a view in axial section on a larger scale of the probe (scale 1/1).
Fig. 3 is an electrical diagram of the detection device.
Figs. 4 and 5 illustrate charts making it possible, using the permittivity, to establish the density of the snow and then the water content of this snow.
Fig. 4 is a curve d (f) of ± 'where d is the real density of the medium. Fig. 5 illustrates a network W (quantity of water) (f) of ± "giving the quantity of water for different values of the density d.
Fig. 6 illustrates an application for analyzing snow at six different depths which can be fitted to a fixed automatic measurement station.
A method according to the present invention consists, among other things, in measuring the temperature of the ambient air at a given point, and on the one hand the temperature of the snow in at least one depth of the layer and, on the other hand, in measuring at same points where we took the temperature of the snow, the permittivity of this snow at two different frequencies.
Thanks to these measurements of the permittivity of the snow carried out at two different frequencies, for example at 2 and 20 MHz, it is possible to deduce the density of the snow, as well as its water content.
Indeed, the density of snow can be deduced from the formula:
d = 0.46 (± '-1)
± 'being the permittivity of snow measured at a frequency of 2 MHz.
In practice, this relationship can be expressed graphically in the form of a curve indicating the density d as a function of the value of the permittivity ± '(see fig. 4).
The water content is a function of the ratio of the value of the permittivity ± "measured at 20 MHz and of the permittivity ± '. This function can also be expressed graphically by a curve giving as a function of the ratio ±" / ± "the quantity of water per unit volume of measured snow or the percentage of water in that snow.
This method is very useful for making statistical analyzes of snow quality, but the particular application of this method to the prevention of avalanches is particularly remarkable.
It is indeed possible to choose charts, such as the one illustrated in fig. 4 and 5 to determine the risk or danger of avalanches as a function of the temperature of the snow, its density and its water content.
The device for implementing the method described comprises at least one probe 1 and a control and measurement device 2.
The probe I intended to be driven into a layer of snow comprises two electrodes 3, 4, cylindrical, concentric forming a measurement impedance, in this case a measurement capacitor.
This probe also includes a temperature detector 5.
The shape of the probe is rounded to allow integration of the electric field lines. The armatures or electrodes are insulated to avoid any error due to the resistivity of the medium.
The entry edge of the probe is bevelled to avoid any compression or deformation of the snow when the probe is introduced into a layer of snow.
Finally, this probe has in its upper part a sealed housing 6 receiving all or part of the components and electronic circuits of the control and measurement device. A cable 7 connects this probe to the control and measurement device. A metal tube through which the cable passes is attached to the probe and allows it to be driven into the snow.
This probe as described is capacitive but it is possible to design another type of inductive probe, the core of the system being an oscillating circuit. These characteristics are not limiting and it is possible to achieve the same result by all relaxation frequency measurement systems using a capacitor or an inductor as measuring element.
The diagram in fig. 3 indicates in its upper part the elements housed in the housing 2 of the control and measuring device and in its lower part the elements incorporated in the housing 6 of the probe 1.
The snow temperature is measured at 1/10 of
degree centigrade with a thermistor constituting the
temperature detector S mounted in series with a potentiometer 7 graduated from + 1 to -159C. This thermistor S and this potentiometer are mounted in one of the branches of a measuring bridge comprising resistors R1, R2 and R3.
When measuring temperature, a galvanometer G is
connected between the junction points of resistors R1, R2 and R3, 7. The operator then acts on potentiometer 7 for reset
bling the balance of the bridge, or canceling the current passing through the galvanometer G. By the position of this potentiometer 7, we
gets a direct reading of the snow temperature detected by thermistor 5.
The snow density measurement is obtained by measuring
capacitive. The measuring capacity Cm formed by the two elec
trodes 3, 4 is connected in parallel with a balancing capacity
brage This variable which can be controlled either manually
either using an M motor from control unit 2. The
direction of motor rotation can be selected using a
inverter I. This motor M also drives a potentiometer P2
supplied by a stabilized voltage adjusted by resistor Rh2.
The voltage across potentiometer P2 is measured by a
voltmeter V which is directly graduated in permittivity r.
For this measurement of the density of the snow we connect these
capacities Ce and Cm on a first oscillator OSCI with a frequency of 2 MHz, while the corresponding discriminator Dl is connected to the zero G galvanometer.
The variation in the measurement capacitance Cm, due to a modification of the dielectric formed by the snow, is compensated for by starting the motor M which drives the balancing capacitor Ce in rotation. The frequency is thus reduced to 2 MHz, the working frequency of the discriminator D1. Equilibrium is achieved when the galvanometer G indicates zero. At this moment the potentiometer P2 has taken a position corresponding to this equilibrium and determines a voltage across the terminals of the voltmeter V, the scale of which is graduated in permittivity values from 1 to 7. From the relation d = 0.46 (± ' -1) it is possible to deduce the density of the snow.
For the measurement of the water content of the snow, the measurement of the permittivity is repeated, but by using a second oscillator OCS 2 and its associated discriminator D2 adjusted to a frequency of 20 MHz, i.e. at a frequency ten times higher than that of the first oscillator. The choice of an oscillator and its dicriminator is made using a selector S acting on various contacts of the circuit and on various relays. This selection could also be manual using switches.
If the measurement of the permittivity E "at the frequency of 20 MHz has the same value as the measurement of the permittivity ± 'at the frequency of 2 MHz, we are in the presence of dry snow and the density is given by the solution above.
If r 'differs by ± "with r"> ±', we are in the presence of wet snow with a certain quantity of water.
The greater the difference between r 'and r ", the greater the quantity of water.
The ratio ± "/ ± 'expresses a quantity of water per unit of volume. An abacus giving the percentage of water as a function of the ratio ±" / ±' makes it possible to quickly determine the water content of the snow.
It should be noted that the choice of the working frequencies is not critical, they must however be sufficiently different to obtain a sufficiently large difference between ± 'and ± ".
One of the peculiarities of the electronic device described lies in the fact that the measurements are always carried out at the frequencies previously chosen. In fact, the frequency deviations of the oscillators due to the temperature are compensated for by the transistors TI, T2.
Having determined ± 'and ± ", it is possible with the aid of the graphs of fig. 4 and 5 given by way of example to determine the water content of the snow and therefore to assess by this value, the density of snow. snow and its temperature, the risk of avalanches.
In fact, knowing the abacus of FIG. 4 makes it possible to determine the density of the medium and the quantity of water it contains.
Having thus determined the density d of the medium and knowing the value r "of the latter, the abacus of fig. 5 makes it possible to determine, to a constant factor, the mass of water per unit of volume contained in the medium. This proportionality factor is taken into account when calibrating the device.
It is obvious that the device described can be used to determine the water content of media other than wet snow, however this particular use is very important because it makes it possible to better assess the risks of avalanches.
Fig. 6 illustrates a fixed automatic measuring station for snow analysis on a vertical plane. This station comprises a base 8 carrying a mast 9 itself serving as a support for several detectors I arranged equidistantly at different levels below and above the snowpack.
For an analysis on a horizontal plane and at a given depth, the detectors are connected by cable to the selection box located in the base 8. A selector device is associated with the detectors to allow a sequential analysis of the parameters measured by each detector. The temperature and permittivity measurements r 'and ± "can be remotely controlled by an antenna 10 ensuring the remote control of the installation and the transmission of the measurements carried out to a computing or recording center.