Capteur de CO2 innovant pour la santé du sol en hiver

Les niveaux de dioxyde de carbone (CO2) sous le sol sont super importants pour la santé des plantes, surtout pour les herbes dans les régions plus froides où la glace peut recouvrir le sol en hiver. Quand la glace se forme, le CO2 peut s'accumuler et devenir dangereux, ce qui peut entraîner la mort de l'herbe pendant l'hiver. Malheureusement, il n'y a pas assez d'infos disponibles sur ce problème parce qu'il n'existe pas beaucoup de Capteurs fiables utilisables dans ces environnements. La plupart des capteurs de CO2 disponibles ne sont pas suffisamment robustes pour résister aux conditions hivernales difficiles. Les seules options actuelles sont des échantillonneurs automatiques coûteux ou un échantillonnage manuel, qui est à la fois cher et gourmand en main-d'œuvre.

Pour y remédier, on a pris un type courant de capteur de CO2 et l'a modifié pour qu'il résiste au froid et aux conditions glaciales. Ce nouveau capteur est conçu pour permettre une mesure continue et automatique des niveaux de CO2 sous la surface, ce qui pourrait nous aider à mieux comprendre comment les conditions hivernales affectent l'herbe.

#Aperçu du capteur

L'herbe est essentielle pour l'agriculture durable car elle aide à réduire l'érosion du sol et la perte d'eau. Le changement climatique a rendu la gestion efficace des prairies encore plus pressante. Cependant, ces herbes font face à de nombreux défis, notamment le risque de gel hivernal, qui est quand l'herbe ne peut pas survivre à l'hiver. Les raisons du gel hivernal ne sont pas complètement comprises mais pourraient inclure de faibles niveaux d'oxygène dans le sol, des changements rapides de température et des niveaux toxiques de CO2.

Les changements de température peuvent être surveillés efficacement avec les méthodes existantes. Cependant, le suivi du CO2 est plus difficile. Deux gaz importants dans cette situation sont le CO2 et l'oxygène (O2). Bien que des capteurs O2 soient disponibles dans le commerce, les capteurs de CO2 adaptés à un usage souterrain sont limités.

La méthode la plus courante pour mesurer le CO2 est appelée spectroscopie. Cette technique utilise la lumière pour voir combien d'un gaz spécifique est présent. Pour le CO2, une approche populaire s'appelle Non-Dispersive Infrared (NDIR). Dans cette méthode, une longueur d'onde spécifique de lumière infrarouge passe à travers un échantillon de gaz, et l'absorption de cette lumière indique la concentration de CO2.

Bien que le concept soit simple, sa mise en œuvre pose des défis. Les capteurs NDIR de haute qualité sont souvent trop gros pour être placés sous terre sans équipement supplémentaire, ce qui en fait des systèmes coûteux qui coûtent généralement plus de 5000 $. Une alternative est de collecter manuellement des échantillons de gaz et de les tester en laboratoire. Cette méthode est moins chère mais nécessite toujours qu'une personne se rende sur chaque site, ce qui limite la fréquence des échantillonnages.

Pour mieux surveiller les problèmes liés au gel hivernal, on a décidé de créer un capteur NDIR CO2 robuste, compact et abordable qui peut être placé directement dans le sol. Bien que notre principal objectif soit de surveiller l'herbe, ce type de capteur pourrait également être utile pour diverses applications, comme surveiller le stockage des grains et la qualité de l'air.

#Détails de conception

Le design de ce capteur a subi plusieurs rounds de tests sur le terrain pendant plusieurs saisons. Après avoir évalué les résultats, on a apporté des ajustements pour améliorer les performances. La version finale, connue sous le nom de Hedorah-NDIR v2, utilise un capteur NDIR Sensirion SCD30.

Au début, on a utilisé un capteur de CO2 moins cher qui estimait les niveaux de CO2 en fonction d'autres gaz. Cependant, ce capteur s'est avéré inefficace pour détecter les niveaux de CO2 dans le sol. Donc, on est passé au SCD30, qui mesure directement la concentration de CO2.

Un problème courant avec les capteurs enterrés est les dommages causés par les animaux. Avec le temps, on a remarqué que les fils exposés étaient souvent endommagés par des rongeurs. Pour y remédier, on a conçu notre capteur avec un câble amovible afin que les fils endommagés puissent être facilement remplacés sans avoir besoin de techniciens qualifiés pour les réparations.

Le capteur SCD30 se connecte à un circuit imprimé sur mesure, qui garde l'appareil en sécurité et facilite la communication. On a aussi créé un boîtier robuste pour le capteur afin de le protéger des dommages mécaniques et de l'humidité, tout en permettant au gaz de passer. Ce boîtier utilise des évents spéciaux pour laisser entrer le gaz tout en gardant l'eau dehors.

#Processus de fabrication

Pour produire le capteur en grande quantité à un prix abordable, on a opté pour l'impression 3D. Cette méthode nous permet de créer facilement des boîtiers adaptés aux dimensions du capteur. On a choisi le Selective Laser Sintering (SLS) pour sa capacité à produire des impressions solides et étanches. Bien que le SLS soit plus coûteux que d'autres méthodes d'impression 3D, il offre le meilleur équilibre entre durabilité et précision.

Le design final se compose de deux parties principales : un corps qui tient le capteur et les évents, et un couvercle qui scelle tout à l'intérieur. Le couvercle est fixé au corps à l'aide de vis, garantissant un joint étanche. On a également ajouté des évents au corps qui permettent l'échange de gaz sans laisser entrer d'humidité.

#Caractéristiques clés

Les caractéristiques clés de la conception du capteur incluent :

• Coût bas : Le capteur est abordable, permettant un déploiement large.
• Durabilité : Conçu pour résister à des conditions difficiles, même sous l'eau.
• Facilité d'assemblage : La conception permet un assemblage et une réparation faciles par des travailleurs moins qualifiés.
• Large gamme de mesure : Le capteur peut mesurer des niveaux de CO2 de 0 à 40 000 parties par million (ppm), ce qui est plus large que de nombreux capteurs disponibles.

Malgré l'existence d'autres capteurs de CO2, aucun ne fournit le niveau de robustesse requis pour notre application, surtout lorsqu'ils sont enterrés.

#Instructions de construction

Avant d'assembler le capteur, le circuit imprimé et toutes les pièces nécessaires doivent être assemblés. Après avoir vérifié que le circuit est complet, vous pouvez commencer le processus d'assemblage :

1. Insérez le connecteur principal dans le circuit imprimé.
2. Soudez les connexions.
3. Placez le capteur sur le circuit et fixez-le avec des vis.
4. Fixez le couvercle et scellez-le fermement avec des vis.
5. Installez les évents dans le boîtier.

#Fonctionnement du capteur

Une fois le capteur assemblé, il peut être connecté à un enregistreur de données qui collecte les données. Vous devez programmer correctement l'enregistreur pour vous assurer qu'il communique correctement avec le capteur.

#Installation

Lors de l'installation du capteur dans le sol, procédez comme suit :

1. Choisissez un endroit juste en dessous de la surface du sol.
2. Utilisez un outil spécial pour créer des trous dans le sol.
3. Placez le capteur dans le trou avec un minimum de perturbation du sol environnant.
4. Remplissez le trou avec le sol retiré.

#Validation du capteur

L'utilisation principale du capteur de CO2 est de surveiller les niveaux sous l'herbe, surtout pendant l'hiver. L'objectif est de voir comment le CO2 affecte la survie de l'herbe. Ces capteurs ont été utilisés dans des conditions difficiles pendant plusieurs années et continuent de fournir des données fiables.

Pour les tests, on a surveillé les niveaux de CO2 pendant une saison hivernale. Les lectures ont montré une plage normale de fluctuations, ce qui indique que les capteurs fonctionnent bien. Ils ont enregistré des niveaux de CO2 allant de niveaux atmosphériques presque normaux jusqu'à des concentrations très élevées sans aucun problème.

Les caractéristiques de conception qui se démarquent incluent son coût bas, sa petite taille, son remplacement de câble facile et sa construction robuste. Ces aspects ont permis aux capteurs de bien fonctionner dans des conditions hivernales.

#Tests en laboratoire

Pour évaluer le temps de réponse du capteur, on a effectué des tests en laboratoire dans un environnement contrôlé. On a mesuré la rapidité avec laquelle le capteur réagit aux changements de niveaux de CO2. Les tests ont montré que le capteur a une constante de temps d'environ 7 minutes, ce qui signifie qu'il faut environ 35 minutes pour se stabiliser après un changement. Ce temps de réponse est acceptable pour notre usage prévu.

De plus, on a vérifié la performance stable avant et après la mesure pour confirmer l'exactitude des lectures. Les résultats ont montré que l'erreur du capteur est dans des limites acceptables.

#Conclusion

Le développement de ce capteur de CO2 représente un progrès significatif dans le domaine de la surveillance de la santé des sols. Avec son design robuste et sa production à coût abordable, ce capteur promet une meilleure gestion des prairies et potentiellement d'autres applications. En fournissant des données continues sur les niveaux de CO2 dans le sol, on peut obtenir des insights sur les facteurs affectant la santé des plantes, surtout pendant les durs mois d'hiver.