Les tissus végétaux absorbent et radient de l’énergie. Par conséquent, la température des organes est différente de la température de l’air. Du fait que le débourrement est controlé par les changements de température au printemps, je présente ici comment fabriquer des thermocouples de type T, ainsi quel’interface Arduino qui permet de quantifier la différence de température entre l’air et les bourgeons.
La liste des composants utilisés dans ce projet est décrite à la fin de ce billet.
Thermocouple de type T
Un thermocouple est un couple de matériaux formant une jonction électrique dont le potentiel varie en fonction de la température. Un thermocouple de type T est composé de deux fils de cuivre et de constantin. Il possède une grande stabilité et précision ainsi qu’une bonne répétabilité de mesure sur une plage de température variant de -200 à 200 °C. Cependant, des jonctions thermocouple supplémentaires se forment dans un circuit au niveau des connections. Par conséquent, la température mesurée par le thermocouple est relative et directement dépendante de la température de ces autres jonctions, appelées aussi jonction de référence ou jonction froide.
Les thermocouples commerciaux sont entièrement en cuivre et constantin. Cependant, le constantin est un alliage coûteux, et il est difficile de trouver des thermocouples pour moins de 15€ / pièce et de plus de 2m de longueur. Je décris ici les différentes étapes afin de créer des capteurs peu coûteux, pouvant faire plus de 5 m de long et permettant de mesurer à la fois la température des bourgeons et de l’air environnant:
- Environ 10 cm de thermocouple de type T (0.2 mm de diamètre) sont soudés à un cable en cuivre de 5 m.
- L’extrémité des fils de constantin et de cuivre sont dénudés et enroulés l’un avec l’autre. Le point de contact entre les deux fils est le thermocouple, c’est à dire le point de mesure de la température.
- Une thermistance de 10kΩ est positionée à côté de la jonction entre le cable de cuivre de 5m et le thermocoule, il s’agit de la jonction froide. Le thermistance est elle aussi reliée à un cable de cuivre de 5m et servira à mesurer la température de référence, qui s’avère être aussi la température de l’air ambiant. Le tout est maintenu par une gaine thermorétractable.
- Une gaine thermorétractable blanche est ajoutée et enrobe le thermocouple et la thermistance afin de jouer le rôle de bouclier anti-radiation.
- Enfin, l’extrémité du thermocouple est enrobée de colle cyanoacrylate (superglue). Cela permet d’assurer le contact entre les deux fils, d’empécher leur oxidation et de renforcer le thermocouple qui est très fragile. Normalement, il est d’usage de protéger le thermocouple à l’aide d’un capuchon en métal, par exemple en l’insérant dans une aiquille chirurgical. Cependant, les bourgons étant parfois très petit, même les aiguilles chirurgicales sont trop large pour notre application.
Des connecteurs JST sont sertis à l’autre extrémité du cable dans le but de faciliter la connection à l’Arduino.
Thermocouple Shield
La température de l’air et des bourgeons est mesurée à l’aide d’un microcontrôleur Arduino Nano R3. Du fait que les thermocouples de type T ont une sensibilité allant de 17 and 58 µV/°C, la température des bourgeons ne peut pas être mesurée directement avec l’Arduino qui possède une sensibilité de 5V / 1024 bits –> 0.49 mV. Nous utiliserons donc un amplificateur, le module MAX 31856. Ce module possède une amplification de gain par 8x ou 32x. J’ai couplé le module MAX 31856 à un module à 8-relays 5V, ce qui permet d’utiliser 4 capteurs de température (air + bourgeon) avec seulement un ampli. Les données sont enregistrées au format .csv sur une carte micro SD de 4Gb toutes les 15 min. L’acquisition est contrôlée par une horloge RTC-DS3231 permettant de mettre en veille l’Arduino entre chaque mesure. Tout le système est alimenté par 5 piles rechargeables AA (1.5V, 2800mAh).
Ce premier prototype a été conçu pour être facilement reproductible. Cependant l’utilisation d’un relay induit de nombreuses connections parasites qui réduisent la précision du thermocouple. Une meilleure version utilisant des transistors NPN à la place des relays et l’intégration de l’amplificateur MAX31856 directement dans le circuit devrait améliorer la précision des mesures.
Le code Arduino, les schémas EAGLE et le script R permettant de convertir les données voltage en temperature sont hébergés sur Github. Note: Il faut installer cette version modifiée de la librairie Adafruit_MAX31856 dans le but d’utiliser les thermocouples en mode Voltage Gain.
Installation des thermocouples sur les bourgeons
Le système est installée dans une enceinte étanche. Les thermocouples sont très fragiles et difficiles à monter sur les branches. J’ai pré-percé les bourgeons avec une aiguille afin d’insérer les thermocouples, et j’ai ensuite scellé le thermocouple avec de la super glue. Enfin, les cables sont attachés aux branches à l’aide de colliers serrage.
Les thermocouples sont installés sans recouvrir les bourgeons et sur la face Nord des branches pour limiter la quantité de radiation atteignant les capteurs.
Traitement des données & premier resultats
Seul les données brutes (voltage) seront enregistrées sur la carte SD. Les données de voltage doivent ensuite être converties en Temperature. Pour cela nous utilisons une table de calibration pour les données issues du thermocouples et l’équation de Steinhart-Hart pour la température issue de la thermistance. J’ai écrit un script R permettant de combiner automatiquement les données semi-horaire et de les convertir en température.
Composants:
- Arduino Nano R3 (clone) : 1.5 € (Aliexpress)
- 5V (or 3.3V) 8-relays module: 3 € (Aliexpress)
- RTC DS3231 module: 0.9 € (Aliexpress)
- microSD module: 0.3 € (Aliexpress)
- 4Gb microSD card: 2€ (Amazon)
- MAX31856 module: 6.5 € (Aliexpress)
- Thermistance 10kΩ: 1.2€ (Conrad)
- 10 m T-type cable thermocouple: 13€ (~ 100 thermocouples -> 0.13€/sensor) (Farnell)
- 100 m cable 2 paires torsadées : 61€ (~50 thermocouples -> 1€/sensor) (Farnell) Des cables RJ45 recyclés fonctionnent très bien et peuvent être trouvés gratuitement.
- Connecteur JST et à vis: ~ 0.05 €/unit (Aliexpress)
- 1 10 x 10 cm plaque de cuivre PCB: 0.2€
- piles : 5€
- Enceinte étanche: 5 €
Coût total: ~ 25/30 € pour 4 thermocouples de type T + temperature de l’air en utilisant des clones de l’arduino et des modules. Le coût total devrait atteindre environ 100 € en utilisant les modules originaux (sûrement plus robuste).
Côût d’une installation pour 4 capteurs (= 8 entrées, air + bud temperature) > 1600€ (CR1000X datalogger – 1500€ + 4*5m thermocouple- 60 € + CFM100 compact flash module)
Références: