Les capteurs :

L’hygromètre rapide Campbell KH20

Le KH20 est un hygromètre extrêmement sensible conçu pour la mesure des fluctuations rapides (jusqu’à 100Hz) de vapeur d’eau atmosphérique. Il est composé d’un émetteur, d’un récepteur et d’un boîtier électronique qui gère l’alimentation (12V continu) de l’émetteur et le signal de mesure. Il ne mesure pas des concentrations absolues en gramme d’eau par mètre cube (g.m-3) ; c’est pourquoi il doit être associé à un autre capteur d’humidité qui mesure une concentration moyenne. Le KH20 doit être au maximum protégé contre la précipitation ; c’est pour cela qu’il est installé dans un plan parallèle au sol afin que l’eau ne stagne pas sur les détecteurs (contrairement à l’illustration).

Principe de mesure

Le KH20 nécessite une alimentation en 12V continu afin d’alimenter le boîtier électronique, la lampe krypton qui se trouve dans la partie émetteur. Cette tension 12V permet, par le biais de condensateurs en série qui sont dans le boîtier, de créer une tension d’alimentation de 900V pour l’émetteur. La source d’énergie (émetteur) est un tube de krypton incandescent à faible pression. L’émission depuis le tube de krypton sort principalement à 123,58 nm (80% de l’émission) ; celle-ci est fortement atténuée par la vapeur d’eau et faiblement par l’oxygène, alors que l’absorption par d’autres gaz est assez faible à cette longueur d’onde. L’autre composante de l’émission est à 116,49nm (20% de l’émission) : celle-ci est essentiellement atténuée par l’oxygène. La mesure prend en compte l’absorption de la première raie et compense l’absorption de l’oxygène avec la deuxième raie. La mesure d’humidité repose donc sur le rapport de la puissance reçue à la puissance émise. La tension de sortie est directement proportionnelle à l’humidité absolue présente dans l’air.

Le radiomètre Kipp & Zonen CNR1-PT100

Ce radiomètre CNR1 est prévu pour l’analyse du rayonnement global et infrarouge ascendant et descendant. Sa principale utilisation est la mesure du rayonnement total (global + infrarouge). Ce radiomètre possède quatre principaux atouts : Mesure des quatre composantes de rayonnements séparément en millivolts. Mesure de la température du radiomètre avec une Pt100 en degré celsius. Un chauffage intégré pour supprimer la buée du matin présente sur les pyranomètres. Robuste et pratiquement exempt d’entretien.

Principe de mesure

Le rayonnement global est mesuré par deux pyranomètres (CM3) : un pointant vers le ciel et l'autre pointant vers le sol pour mesurer le rayonnement global réfléchi. De même, le rayonnement Infra-Rouge est mesuré par deux pyrgéomètres (CG3) qui pointent vers le ciel et vers le sol. Les CM3 sont conçus de façon à mesurer la totalité de l’énergie solaire reçue dans un champ de 2π stéradians au-dessus (ou au-dessous) d’eux ; les CG3 aussi pointent soit vers le ciel ,soit vers le sol pour capter leurs rayonnements respectifs. Le radiomètre possède un capteur de niveau pour le positionner le plus horizontal possible afin d’éviter les erreurs de réponse directionnelle des capteurs. En effet, d’après le constructeur, la réponse se dégrade avec le cosinus de l’angle d’incidence.

La sonde Pt100 est une résistance qui varie en fonction de la température, d’où pour connaître la température à un instant donné il suffit de mesurer sa résistance et de la convertir en température à l’aide de sa fonction de transfert. La méthode envisagée de mesure de la Pt100 est la mesure « 4 fils » sachant que la Pt100 est relié au datalogger CR23X. Cette procédure permet d’éliminer de la mesure la résistance des conducteurs qui relient la résistance à la station Campbell : cette méthode est indispensable pour avoir une valeur de résistance aussi juste que possible pour n’introduire aucune erreur systématique sur la valeur de température. La connexion entre la Pt100 et la centrale CR23X ainsi que l’extraction de la température sont décrites dans le paragraphe concernant les mesures de la CR23X. Avec ces cinq capteurs, il est possible de calculer différents paramètres de rayonnements, tels que le rayonnement net, l’albédo, la température de surface qui se trouvent dans la partie concernant le CNR1.

L’anémomètre sonique Metek USA-1

L’anémomètre sonique METEK USA-1 est un capteur de très grande rapidité et précision pour la mesure du vent ou de flux d’air en 3D et de la température. Les mesures se font sans pièces en mouvement ce qui, contrairement aux autres capteurs, évite toutes erreurs dues aux contraintes exercées par le vent. Il est nécessaire d’orienter cet instrument vers le nord pour que le calcul de la direction du vent soit fiable. L’USA-1 nous fournit en sortie les trois composantes du vent u, v, w ainsi que la température TMetek (qui est obtenue à partir de la vélocité du son) sous format numérique via une liaison RS232.

Principe de mesure

Des impulsions ultrasoniques de courtes durées (5ms) sont échangées sur trois directions différentes grâce à des sondes acoustiques qui peuvent être émetteur ou récepteur. Le système mesure pour chacune des trois directions le temps de propagation du train d’impulsions (35KHz) puis détermine les trois composantes du vent correspondantes (u, v, w) et la température ambiante. A partir de ces composantes, la vitesse et la direction du vent peuvent être calculées. La vitesse du son ne dépend pas seulement de la température mais aussi de l’humidité. Par conséquent, la mesure de température représente la température corrigée par l’humidité. Du fait que le capteur ne possède aucune pièce en mouvement, ce dernier ne présente aucun facteur de vieillissement ou d’imprécision de mesure due aux contraintes mécaniques telles que des faiblesses de roulement à billes.

Il est possible de calculer la célérité du son cson d’après : IMAGE 1,4 = Cp/Cv = γ est le coefficient adiabatique, 287 J.K-1 représente Cp-Cv. Le Metek communique avec le PC via une liaison série RS 232 à une vitesse de 9600 bauds avec un câble de 12m fourni. Or l'anémomètre, une fois le mât déployé, se trouve à plus de 20 m du PC. Il a donc été nécessaire de passer à une liaison RS 485 pour couvrir la distance sans pertes du signal, et donc d'utiliser des convertisseurs.

Convertisseurs utilisés : Conversion RS 232 --> RS 485 : module ADAM 4520. Conversion RS 485 --> RS 232 : module ROLINE IC-48551.

Voici un module ADAM 4520 qui permet la conversion RS232 en RS485. L’avantage de ce module est qu’il transporte le signal de manière différentielle (2 voies), alors que la RS232 l’achemine de façon unipolaire (1 voie). En conséquence, les éventuels parasites qui peuvent s’ajouter au signal le long du câble de 20m sont éliminés par la RS485 par la soustraction des deux voies alors qu’avec la RS232, les parasites resteraient superposés au signal de sortie.

I.4 Le capteur d’humidité relative et de température Vaisala HMP45

Ce capteur se caractérise par une excellente stabilité à très long terme et une faible consommation en énergie ; il est donc destiné aux applications dans l’industrie et la recherche scientifique. La mesure d’humidité est effectuée par le capteur d’humidité HUMICAP de chez VAISALA, un des capteurs les plus fiables à ce jour (il possède une hystérésis négligeable). Il est résistant aux poussières et possède une grande tolérance aux agents chimiques extérieurs. Le HMP45 a un diamètre de 24 mm et une longueur de 240 mm et est installé dans un abri USR1.

Les deux tensions (température et taux d’humidité) sont des tensions unipolaires.

Le capteur de pression atmosphérique Vaisala PTB101B

Le capteur de pression atmosphérique PTB101B est logé dans un boîtier galvanisé en cuivre, couplé avec une valve d’entrée pour l’équilibre des pressions. Le PTB101B utilise la sonde capacitive de pression en silicium développé par VAISALA. Il est indispensable de placer ce capteur dans un coffret hermétique pour le protéger de la condensation. Il est constitué de deux pièces de silicium, avec une pièce agissant en tant que membrane sensible à la pression et l’autre pièce en tant que partie rigide.

La centrale d’acquisition Campbell CR23X

Campbell Scientific fabrique des centrales de mesure ou datalogger, des systèmes d'acquisition de données, des systèmes de mesure et de commandes employés dans le monde entier pour la recherche et l'industrie. Leur instrumentation est connue pour sa flexibilité, ses mesures de précision, et sa fiabilité même dans les environnements difficiles ou dans des conditions extrêmes. Les centrales de mesure forment le cœur des stations météorologiques, des systèmes de contrôle de l'environnement et de l'instrumentation de surveillance des ouvrages d'art, avec de multiples options pour l'enregistrement et la récupération des données, ces différentes options de communications permettent d'afficher ou d'archiver les données choisies. Ce datalogger peut fonctionner dans tout type d’environnement climatique puisque sa température de fonctionnement est comprise entre –25 et +50°C ; il nécessite une alimentation de 12V et une pile de sauvegarde peut-être incluse au dos de celui-ci. La CR23X possède sa propre horloge interne qui est indispensable pour dater chaque mesure (il est important de coordonner cette horloge avec l’horloge du PC d’acquisition).

La CR23X est un datalogger qui peut-être programmé pour mesurer, enregistrer et stocker directement les données des capteurs directement sur les 24 voies unipolaires (ou 12 voies différentielles) avec 15 bits de résolution sur cinq étendues de mesures (de 10mV à 5000mV). La CR23X possède 1 million de points de données de mémoire et 16 koctets de mémoire pour stocker les programmes.

I.1 Communication avec la CR23X

L’utilisateur de la CR23X peut communiquer avec elle grâce au clavier et à l’écran LCD à 2 lignes, ou grâce à un moyen de télécommunication relié à un terminal ou à un ordinateur. La façon habituelle de programmer la CR23X consiste à connecter la centrale à un PC windows grâce à une liaison RS232 et à utiliser Loggernet, le logiciel de support de Campbell Scientific. Ce logiciel comporte un éditeur de programme (EDLOG), un menu de communication avec la centrale, une possibilité de récupération des données par télécommunication. Le port RS232 de la centrale possède une isolation optique qui évite les problèmes de boucle de masse qui peuvent dégrader la précision de la mesure unipolaire dans les systèmes avec plusieurs points de connexion de masse. La CR23X communique avec le PC d’acquisition avec la trame suivante : 1 bit de départ, 8 bits de données, pas de parité et 1 bit d’arrêt.

I.2 Programmation de la CR23X

La CR23X doit être programmée avant de pouvoir effectuer une quelconque mesure. Pour cela, il faut utiliser un logiciel propre à la CR23X qui se nomme Loggernet 2.1 compatible avec Windows. Un programme est un groupe d’instructions entrées dans une table de programme. A cette table de programme, on attribue un intervalle d’exécution, qui définit la fréquence d’exécution de cette table. Au cours de l’exécution de la table, les instructions sont exécutées en séquence, du début à la fin. Après exécution de la table, la CR23X attend la fin de l’intervalle d’exécution, puis exécute à nouveau la table depuis le début. L’intervalle d’exécution de la table correspond à la période de scrutation des capteurs et est fixé en secondes. Il peut varier dans la gamme [0,01 ; 6553]. Avec les deux fréquences de scrutation des capteurs qui me sont demandées (0,1 et 10Hz), je dois utiliser les deux tables. Pour la station météorologique, deux fréquences de scrutation des paramètres sont envisagées : f1 = 10Hz (période 0,1s) pour les données de l’humidité de l’hygromètre à krypton KH20. f2 = 0,1Hz (période 10s) pour les paramètres d’humidité et de température (HMP45), de pression (PTB101B), de rayonnements (CNR1) et de tension d’alimentation de la station.

Instructions utilisées pour la programmation

Pour programmer la CR23X, il faut saisir des instructions, dans la partie EDLOG de LOGGERNET, dans les tables de programmation. Ces instructions sont identifiées par des numéros et possèdent des paramètres spécifiques. Les instructions d’E/S de 1 à 29 et 100 à 118 contrôlent les bornes d’entrée/sortie servant aux mesures des capteurs en introduisant des facteurs multiplicatifs et des offsets. Les instructions de traitement de 30 à 68 effectuent des calculs à partir des valeurs de la mémoire d’entrée et stockent les données dans la mémoire. Les instructions de sauvegarde de 69 à 82 sont les seules instructions qui stockent des données en mémoire finale. Les valeurs de la mémoire d’entrée sont traitées en ligne afin d’obtenir des moyennes, des extremums et autres… Les instructions 83 à 98 sont utilisées pour des décisions logiques et des états conditionnels. Elles peuvent conditionner des indicateurs, comparer des valeurs ou des temps, exécuter des boucles, appeler des sous-programmes.

Bilan d’énergie

Selon le premier principe de la thermodynamique les pertes et les gains d’un système s’équilibrent. Le bilan d’énergie à la surface suit la loi de conservation de l’énergie. Une partie de l’énergie nette qui arrive à la surface sert à réchauffer le sol par conduction, une autre à l ‘évaporation de l’eau, une autre à modifier l’atmosphère par convection. Le bilan d’énergie des surfaces s’exprime par : Rn = H + LE + G

Rn : Rayonnement net (W.m-2)
G : Quantité d’énergie utilisée pour la conduction de la chaleur dans le sol (W.m-2).
La conduction est un phénomène de transmission de chaleur dans un corps ou entre corps en contact de proche en proche, sans déplacement de matière et sans modification des particules du ou des corps en présence.
H : Flux de chaleur sensible (W.m-2). Celui-ci équivaut au transfert de chaleur par convection entre la surface et l’air.
LE : Flux de chaleur latente (W.m-2). Ce flux correspond à une quantité d’eau évaporée par unité de temps convertie en énergie.

Calculer les paramètres du bilan d'énergie

Le but est de calculer trois paramètres de l’équation du bilan (Rn, H et LE) pour ensuite déduire la part de G dans ce bilan. Il faut noter qu’aucun instrument de mesure ne peut quantifier cette grandeur physique. Le rayonnement net Rn est donné par le radiomètre de la station. Pour les autres paramètres, il faut parfois combiner des données de différents instruments d’où l’importance de la coordination des mesures. Notation employées : La barre sur une variable représente la moyenne de celle-ci. L’apostrophe représente la covariance d’une variable, c’est-à-dire l’écart de la variable par rapport à la moyenne, autrement dit c’est la fluctuation.

Calculer le rayonnement net Rn

CM3 représente les pyranomètres qui mesurent les rayonnements ascendant et descendant dans le domaine visible et proche Infra Rouge (300 < λ < 2800nm). CG3 représente les pyrgeomètres qui mesurent les rayonnements ascendant et descendant dans le domaine Infra Rouge thermique (5 < λ < 42μm).

Calculer le flux de chaleur sensible H

Avec ρair : Densité de l’air,
Cp : Capacité calorifique de l’air,
W’ : Fluctuation des composantes du vent,
T’ : Fluctuation de la température.

Calculer le flux de chaleur latente L'energie

Avec ρair : Densité de l’air,
L : Chaleur latente,
W’ : Fluctuation des composantes du vent,
q’ : Fluctuation de l’humidité absolue.
Il est nécessaire que les données W, T et q soient des données rapides, c’est pour cela que qu’elles seront échantillonnées à 10Hz. W et T seront fournies par l’anémomètre, q sera fournie par l’hygromètre rapide.

Quelques notions en météorologie

L’Humidité relative

Pour estimer la concentration en eau d’un air, nous utilisons le capteur HMP45 qui fournit la valeur d’humidité relative U (%) qui est comprise entre 0 et 100%. Humidité relative :
e(Td) : Pression partielle en hPa de vapeur d’eau dans l’air. Td est la température du point de rosée. ew (T) : Pression de vapeur saturante en hPa. La pression de vapeur saturante en eau est la pression à laquelle la vapeur d’eau est en équilibre avec sa phase liquide ou solide. Elle dépend de la température. La pression de vapeur saturante en eau est la pression partielle de la vapeur d’eau à partir de laquelle une partie de l’eau passe sous forme liquide. On dit aussi que c’est la pression maximale de sa vapeur « sèche » (c’est-à-dire sans phase liquide). Si la pression partielle de la vapeur dépasse la pression de vapeur saturante, il y a donc liquéfaction ou condensation (formation de gouttes d’eau ou de glace si il y a une température négative). Ci-dessous se trouve l’allure de la variation de cette pression de vapeur saturante en fonction de la température d’après la loi de Clausius-Clapeyron :

On constate que plus la température augmente et plus de vapeur d’eau peut être présente dans l’air sans formation de condensation.

Humidité spécifique q et rapport de mélange r

L’humidité spécifique q, exprimée en gramme d’eau par gramme d’air humide, exprime le rapport de masse d’eau dans l’air à la masse d’air humide. Une autre grandeur voisine peut-être aussi définie c’est le rapport de mélange r, exprimée en gramme d’eau par gramme d’air sec, qui constitue le rapport de masse d’eau dans l’air à la masse d’air sec (on retire la pression partielle en hPa de vapeur d’eau à la pression atmosphérique). q et r est sans dimension. Il est possible de calculer ces quantités avec les formules ci-dessous :

La différence moyenne entre r et q est en moyenne de 10-4 alors que q et r sont de l’ordre de 10-2.

Température virtuelle Tv

La température virtuelle TV est la température que l’air sec doit atteindre pour qu’il ait la même masse volumique que celle de l'air humide à la même pression atmosphérique. L’air atmosphérique est de l’air humide : il est composé d’air sec ainsi que de vapeur d’eau. Si je prends un volume d’air humide à la température T et à la pression P, plus le volume d’air est humide, plus la différence entre T et TV sera grande.
En conséquence, TV comprend une grandeur représentant l’humidité présente dans l’air qui est le rapport de mélange r.

Humidité absolue qa et ra

L’humidité absolue qa est définie pour l’air humide comme sa concentration (ou densité) en vapeur d’eau.
L’humidité absolue est le produit du rapport de mélange q et de la masse volumique de l’air ρair.
Voici la formule pour calculer la masse volumique ou densité de l’air ρair.
ù P est la pression atmosphérique exprimée en Pascal (Pa), r’ étant une constante (r’ = Cp – Cv = 287 J.K-1) et Tv la température virtuelle.
Cp : Chaleur massique à pression constante
Cv : Chaleur massique à volume constant

Rayonnement

Rayonnement Global RG :
Différence du rayonnement visible descendant (provenant du soleil + rayonnement diffus par l’atmosphère) et du rayonnement visible montant.
Net RN :
Différence entre les rayonnements (global et Infra Rouge) dirigés vers le bas et vers le haut : flux résultant du rayonnement solaire.
Albédo A :
Rapport du rayonnement réfléchi au rayonnement incident, A est compris entre 0 et 1.

Température d’un corps noir :
Tout corps émet un rayonnement, quelque soit sa température (sauf à 0°K). Un corps qui reçoit un rayonnement, en réfléchit généralement une partie, en diffuse une autre dans toutes les directions et absorbe le reste. Le rayonnement absorbé est transformé en chaleur et la température du corps tend alors à augmenter. On appelle « corps noir », un corps « théorique » qui absorbe intégralement tout le rayonnement qu‘il reçoit ; donc il ne réfléchit absolument rien. Un corps noir émet également un rayonnement selon la loi de Stefan qui dépend de sa température. Sa puissance et sa la longueur d‘onde sont dépendantes de sa température. Loi de Stéfan : E = S x s x T4
E : puissance émise par le rayonnement (W)
S : surface émissive (m²)
s :constante de Stefan-Boltzman, s = 5,67.10-8 W.m-2.K-4
T : température du corps noir
Sur terre (température de surface = 288°K soit 15°C en moyenne), l‘essentiel de ce rayonnement se situe dans l‘infrarouge.

Heure UTC

Les heures d'observation et de prévision courantes en météorologie sont des heures UTC.
L'heure UTC est un repère de temps basé sur les secondes et maintenu par le Bureau International des Poids et Mesures (BIPM). Pour la plupart des utilisations courantes, l'UTC est équivalent à l'heure et la date solaire au méridien de départ (Méridien de Greenwich), connu sous le nom de GMT.
En pratique : il est 12h00 UTC, quelle heure est-il en France ?