Méthode simple de mesure de l’humidité et du pH du sol avec compensation de température

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Cet article explique comment mesurer l’humidité et le pH du sol, et utiliser les valeurs obtenues pour, par exemple, optimiser la croissance des plantes.

Le circuit représenté sur la figure 1 est une solution complète, très précise, basse consommation et fonctionnant sous un seul rail d’alimentation permettant de mesurer l’humidité et le pH du sol tout en incluant une compensation de la mesure liée à la variation de température. Les valeurs produites par chacun des capteurs analogiques des trois sections de mesure indépendantes sont numérisées par un convertisseur analogique-numérique (CAN), puis transférées vers un microcontrôleur chargé d’effectuer le traitement du signal. Le convertisseur analogique-numérique ?-? 24 bits AD7124 d’Analog Devices Inc. (ADI), circuit analogique faible bruit totalement intégré destiné aux applications de haute précision, est un exemple de solution parfaitement adaptée. Ses entrées peuvent se configurer en mode différentiel ou unipolaire/pseudo-différentiel. En outre, le circuit AD7124 possède un étage d’amplification programmable pour un interfaçage direct aux signaux de faible amplitude.

Figure 1. Circuit simplifié permettant de mesurer l’humidité, le pH et la température du sol.

Mesure du pH

Comme un capteur de pH possède généralement une sortie haute impédance (1 G? environ) et ne peut donc pas attaquer directement les entrées du convertisseur analogique-numérique, un amplificateur opérationnel de précision est également nécessaire pour servir de tampon en sortie de capteur. Toujours du fait de la haute impédance du capteur, un ampli op ayant un très faible courant de fuite sur les entrées est important pour minimiser les erreurs de d’offset. Dans ce projet, on utilise l’amplificateur opérationnel ADA4661-2 rail-to-rail. La sortie du capteur de pH est bipolaire et délivre un signal maximal de ±414 mV. Il est possible d’utiliser le générateur d’offset interne du circuit AD7124 pour fixer la tension en mode commun de ses entrées à AVDD/2, ce qui donne AVDD/2 ± 414 mV en sortie du capteur.

Les caractéristiques de bruit des composants ont également un effet sur la résolution du système de mesure. Le bruit effectif du circuit AD7124 (mode full power, gain = 1, débit de données en sortie = 25 SPS) est VNOISE, EFF = 570 nV, d’où une valeur crête-à-crête de VNOISE, PP = 3,76 ?V (6,6 × VNOISE, EFF). La composante en bruit du circuit ADA4661-2, VNOISE, PP = 3 ?V, vient s’y ajouter, avec un niveau de bruit total de VNOISE, PP, TOTAL = 4,8 ?V. Avec une plage de tension d’entrée maximale de 6,6 V du convertisseur analogique-numérique, nous obtenons une résolution sans-bruit de :

Mesure de l’humidité du sol

Les capteurs de mesure de l’humidité du sol les plus courants aujourd’hui sont souvent capacitifs et mesurent la teneur en eau grâce à la constante diélectrique. L’eau ayant une constante diélectrique bien supérieure aux autres constituants du sol, il est possible de mesurer un changement de la teneur en eau grâce au changement de capacité. Le circuit représenté sur la figure utilise un capteur à trois fils (alimentation, masse, tension de sortie). Pour minimiser la consommation d’énergie, le capteur est en veille la plupart du temps et n’est activé via VSENSOR que si une mesure est nécessaire.

Concernant les caractéristiques de bruit, on obtient une résolution sans-bruit supérieure à celle de la mesure du pH, car le capteur est directement connecté au convertisseur analogique-numérique :

Mesure de température

Du fait de l’enrobage des électrodes et du vieillissement, les caractéristiques d’un capteur de pH évoluent au fil du temps. Pour conserver une précision maximale, il est essentiel d’étalonner régulièrement le dispositif. Le processus consiste à effectuer des mesures fréquentes avec des liquides connus et de les comparer avec les valeurs de pH figurant dans les tables de référence NIST pour les températures correspondantes, qui doivent être incorporées dans le logiciel. La mesure de température est effectuée à l’aide d’un capteur de température résistif (RTD) à trois fils, comme l’indique la figure 2. Grâce à la source de courant programmable du circuit AD7124, le capteur RTD peut se connecter directement au convertisseur analogique-numérique (IOUT1, IOUT2).

Figure 2. Circuit de mesure de température RTD (capteur de température résistif)

Conclusion

Grâce aux circuits présentés, il est relativement facile de mesurer l’humidité et le pH du sol. Du fait de l’influence forte de la température sur le capteur de pH, il est indispensable de la compenser par une mesure supplémentaire de température.

Thomas Brand – Analog Devices Inc.
Source: Zellercom.com



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