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En météorologie, les précipitations désignent la hauteur d'eau qui tombe sur une surface horizontale pendant une période donnée, en l'absence d'infiltration, d'évaporation ou de ruissellement. L'unité de mesure est le millimètre par heure (mm/h).

Conformément aux directives d'observation météorologique au sol utilisées par les autorités météorologiques, en cas de précipitations, les stations météorologiques doivent effectuer des relevés toutes les six heures. Selon la quantité et l'intensité des précipitations, on distingue les pluies faibles, modérées, fortes, orages, orages violents et orages exceptionnels.

La mesure des précipitations et leur analyse statistique sont essentielles à l'observation météorologique. L'obtention de données pluviométriques précises et actualisées est particulièrement importante pour la prévention et l'atténuation des risques naturels tels que les inondations et les sécheresses, ainsi que des risques géologiques secondaires comme les coulées de débris, les chutes de pierres et les glissements de terrain. Les données pluviométriques sont étroitement liées à la production, au développement des infrastructures et à la vie quotidienne ; elles jouent un rôle majeur dans l'observation météorologique, les mesures hydrologiques, l'aménagement hydraulique, l'hydroélectricité, les transports, la surveillance environnementale, l'irrigation agricole, la conservation des sols et de l'eau, la prévention des inondations et la gestion des urgences, les communications par micro-ondes et le génie civil.

Parmi les petits pluviomètres couramment utilisés sur le marché, les principales technologies de mesure comprennent les pluviomètres à augets basculants, piézoélectriques, radars miniatures et optiques. Leurs principes de fonctionnement, leurs avantages et leurs limites sont résumés ci-dessous.

1. Pluviomètre à augets basculants

1.1 Principe de mesure

Le principe de fonctionnement d'un pluviomètre à augets basculants est relativement simple. Comme illustré, l'eau de pluie s'écoule d'abord par un entonnoir de collecte dans un petit auget basculant. Lorsque le niveau d'eau atteint un seuil prédéfini, l'auget bascule et l'eau se vide. Chaque basculement actionne un interrupteur, ferme le circuit et envoie un signal impulsionnel à l'enregistreur de données. Ce dernier enregistre chaque impulsion, et la répétition de ce processus permet de mesurer et d'enregistrer l'épisode pluvieux.

Figure 1. Schéma de principe d'un pluviomètre à augets basculants. Image source :

Après des décennies de développement, les pluviomètres à augets basculants bénéficient de méthodes d'ingénierie éprouvées et d'un principe de mesure bien établi. Il existe aujourd'hui des pluviomètres sans fil à double capteur, dont l'unité de mesure est installée à l'extérieur et l'unité d'affichage/de sortie à l'intérieur, permettant ainsi au personnel de consulter les données pluviométriques depuis l'intérieur du bâtiment.

1.2 Avantages et inconvénients

Avantages : Le pluviomètre à augets basculants utilise une configuration à un ou deux augets et fournit généralement des signaux de sortie numériques ou à découpage. Comparé aux autres pluviomètres à pesée traditionnels, il offre un degré d’automatisation relativement élevé, une bonne rapidité de mesure, un faible coût et une large gamme d’applications.

Inconvénients : La capacité d’un pluviomètre à augets basculants est limitée. En cas de fortes précipitations, l’erreur de mesure augmente, ce qui rend ce type de pluviomètre moins adapté à la mesure précise des pluies extrêmes. De plus, sa structure mécanique relativement complexe est exposée aux intempéries pendant de longues périodes et peut subir des dommages tels que la corrosion, le vieillissement et l’accumulation de sédiments. Ces conditions augmentent la résistance mécanique et peuvent affecter la précision des mesures. L’installation exige également une grande précision de nivellement. Une installation incorrecte peut accroître les erreurs de mesure et réduire la durée de vie des pièces mobiles internes.

Un pluviomètre à augets basculants mesure principalement les précipitations cumulées et leur intensité à l'échelle macroscopique, avec un certain délai de réponse. Il est peu adapté à la surveillance des caractéristiques microscopiques des précipitations, telles que la taille des gouttes, leur vitesse et le nombre de particules. L'entonnoir d'entrée d'eau étant relativement étroit, il peut facilement se boucher. En hiver, le givrage doit être évité, ce qui nécessite souvent un chauffage. Des inspections, un entretien et une maintenance manuels fréquents peuvent donc s'avérer nécessaires pour garantir son bon fonctionnement.

2. Pluviomètre piézoélectrique

Figure 2. Pluviomètre piézoélectrique. Source de l'image :

2.1 Principe de mesure

Une méthode de mesure des précipitations basée sur la mesure dynamique détermine indirectement la taille des gouttes de pluie en mesurant la force d'impact générée lorsque des gouttes de pluie de différentes tailles frappent la surface de détection.

Comme illustré sur la figure 1(a), un capteur piézoélectrique permet d'estimer indirectement le diamètre des gouttes de pluie en mesurant leur quantité de mouvement lors de leur chute. Le capteur de pluie se compose d'un boîtier métallique et d'un capteur piézoélectrique fixé à l'intérieur. Lorsqu'une goutte de pluie frappe le boîtier, elle provoque une légère vibration mécanique. Sous l'effet de cette contrainte, le capteur piézoélectrique génère une différence de potentiel entre ses électrodes et produit un signal électrique. Plus la force d'impact est importante, plus l'amplitude de la vibration et celle de la tension de sortie sont élevées. En mesurant ce signal piézoélectrique, on peut estimer la force d'impact et la quantité de mouvement de la goutte. Connaissant la vitesse de la goutte, on peut ensuite calculer son diamètre.

Figure 3. Principe de mesure piézoélectrique. Image source :

2.2 Avantages et inconvénients

Avantages : Cet équipement est simple et facile à intégrer, et offre une précision de mesure relativement élevée. Il permet de mesurer non seulement les précipitations cumulées et l’intensité des pluies à l’échelle macroscopique, mais aussi les processus de précipitation à l’échelle microscopique, tels que la taille des gouttes et leur vitesse de chute. Les instruments de mesure des précipitations piézoélectriques présentent une faible consommation d’énergie, un faible coût, des dimensions et un poids réduits, une excellente réactivité et un haut degré d’automatisation, ce qui leur confère un large potentiel d’application.

Inconvénients : Il est difficile de maintenir une précision de mesure élevée simultanément en cas de fortes pluies, de pluies faibles et pour l’étude détaillée des caractéristiques microscopiques des précipitations. La sensibilité limitée du capteur peut rendre difficile la mesure précise de très petites gouttes de pluie. En cas de fortes précipitations, les signaux de deux gouttes arrivant à un court intervalle peuvent se chevaucher, introduisant des erreurs de mesure. Le système peut également être sensible à des facteurs externes tels que des vents violents, des vibrations et la foudre, susceptibles d’entraîner des erreurs d’interprétation et de mesure.

3. Pluviomètre radar miniature

Figure 4. Pluviomètre radar miniature. Source de l'image :

3.1 Principe de détection

Les cibles principales détectées par le radar miniature sont les gouttes de pluie, dont le diamètre varie de quelques dizaines de micromètres à quelques millimètres. Lorsque les gouttes de pluie interagissent avec les ondes électromagnétiques à haute fréquence émises par le radar miniature, elles diffusent ces ondes et produisent des signaux réfléchis. L'échantillonnage et le traitement de ces signaux réfléchis permettent d'obtenir des informations telles que la vitesse radiale, l'intensité de l'écho et la distribution radiale, rendant ainsi possible la détection des précipitations et leur analyse quantitative.

Le radar miniature utilise généralement la technologie FMCW (onde continue modulée en fréquence). Une onde continue dont la fréquence augmente linéairement est émise dans l'air. Lorsqu'elle rencontre une goutte de pluie, une partie de son énergie électromagnétique est absorbée et diffusée, créant une différence entre les signaux émis et reçus. Après réception de l'onde réfléchie, le radar compare sa phase avec celle du signal émis afin de déterminer le décalage ou la différence de fréquence. L'analyse de cette différence de fréquence permet de calculer la vitesse radiale de la goutte de pluie.

Le radar peut également calculer la puissance de l'écho reçu pour obtenir l'intensité des précipitations. Afin d'obtenir des estimations plus précises de la vitesse radiale et de la puissance de l'écho, les systèmes radar peuvent utiliser la transmission multifréquence et la réception multicanal pour améliorer la sensibilité et la résolution du signal. De plus, la technologie TDMA (accès multiple par répartition dans le temps) peut être utilisée pour coordonner les signaux provenant de plusieurs unités radar et améliorer la précision de l'estimation de la vitesse radiale et de la puissance de l'écho.

3.2 Avantages et inconvénients

Avantages : Cet équipement, relativement simple et facile à intégrer, offre une excellente précision de mesure. Il mesure les précipitations cumulées et leur intensité à l’échelle macroscopique, tout en capturant des informations microscopiques telles que la taille des gouttes et leur vitesse de chute. Ce radar miniature peut également détecter d’autres phénomènes météorologiques comme la neige et la grêle. Sa faible consommation d’énergie, son faible coût, sa taille et son poids réduits, sa mesure en temps réel et son haut degré d’automatisation lui confèrent un large potentiel d’application.

Inconvénients : La mesure précise des très petites gouttes de pluie est difficile. Avec les capacités techniques actuelles, le système peut généralement mesurer les gouttes de pluie d’un diamètre supérieur à 0,25 mm, ce qui limite sa capacité à caractériser précisément la bruine ou les pluies très faibles. En cas de fortes précipitations, deux signaux de gouttes de pluie collectés à un court intervalle peuvent se chevaucher, introduisant des erreurs de mesure. Les interférences dues au vent peuvent également accroître ces erreurs.

4. Pluviomètre optique

Lors des précipitations, les hydrométéores perturbent la propagation normale de la lumière de détection. Les instruments qui identifient les précipitations par des principes optiques observent la pluie grâce à un détecteur qui capte les informations relatives aux particules de précipitation contenues dans cette lumière. Selon la méthode de reconnaissance, la détection optique se divise en deux grandes approches : l’atténuation de l’intensité lumineuse et la diffusion de la lumière. Ces approches correspondent respectivement aux disdromètres et aux capteurs de visibilité/pluie à diffusion avant.

4.1 Disdromètre

Un disdromètre exploite le principe de l'atténuation de l'intensité lumineuse. Il détecte l'atténuation du faisceau de mesure causée par les particules de précipitation et mesure la vitesse de chute et la taille de ces particules. Un faisceau lumineux parallèle, émis par la source, sert de faisceau de détection. Ce faisceau, fin et large, traverse la zone de détection où tombent les particules de précipitation, puis est focalisé sur le récepteur.

Lorsque des particules de précipitations traversent la zone de détection, elles obstruent partiellement le faisceau lumineux, ce qui provoque une atténuation du signal du détecteur et la génération d'un signal impulsionnel. L'amplitude de cette atténuation est liée à la taille des particules, tandis que leur vitesse de chute est liée au temps de passage dans la zone d'échantillonnage. En mesurant le signal impulsionnel généré par les particules dans la zone de détection et le temps de passage dans cette zone, il est possible de déterminer la taille des particules et leur vitesse de chute.

Figure 5. Principe de mesure de l'atténuation optique. Image source :

Comme illustré sur la figure (a), une particule bloque partiellement le faisceau lumineux, générant un signal impulsionnel à la sortie du détecteur (b). La largeur et l'amplitude de cette impulsion permettent de déterminer le temps t nécessaire à la particule pour traverser la zone d'échantillonnage, ainsi que l'amplitude maximale U_max. Après conversion, amplification et filtrage du signal (c), l'impulsion décroissante est traitée par un algorithme afin d'obtenir le diamètre effectif d et la vitesse v de la particule.

4.2 Pluviomètre à dispersion

La méthode de diffusion optique mesure les particules de précipitation en exploitant leur diffusion de la lumière visible ou proche infrarouge. Elle repose principalement sur les théories de la diffraction de la lumière et de la diffusion de Mie. En pratique, un faisceau laser collimaté et élargi illumine le champ de particules à analyser. Lorsqu'il frappe une particule, la lumière est diffusée. Un ou deux récepteurs collectent le signal diffusé par les particules de précipitation, produisant des signaux numériques correspondant à la distribution granulométrique. Après optimisation et traitement, on obtient la distribution granulométrique des particules en chute libre dans la zone de détection.

Figure 6. Principe de mesure de la diffusion optique. Image source :

D’après ces deux théories de la diffusion optique, les principes de mesure s’appliquent généralement aux particules de précipitation relativement petites. Lorsque la taille des particules augmente, l’analyse basée sur la diffusion optique doit être combinée à l’optique géométrique.

4.3 Avantages et inconvénients

Avantages : Les pluviomètres optiques, également appelés capteurs de phénomènes météorologiques en temps réel, se caractérisent par un haut degré d’intégration, permettant une surveillance relativement précise des processus microscopiques liés aux précipitations, tels que la taille des gouttes et leur vitesse de chute. Légers, faciles à installer et hautement automatisés, ces appareils présentent un coût de maintenance relativement faible. Ils peuvent également identifier d’autres conditions météorologiques comme le brouillard et la brume, et reconnaître sept types de précipitations : pluie, pluie verglaçante, bruine, grésil, neige et grêle.

Inconvénients : Le principal inconvénient des pluviomètres optiques réside dans leur coût élevé, ce qui rend leur adoption et leur déploiement à grande échelle plus difficiles.

5. Analyse comparative des avantages et des inconvénients

5.1 Mesure macroscopique vs. Mesure microscopique

Pluviomètre à augets basculants : performant pour les mesures macroscopiques, peu performant pour les mesures microscopiques.

Le compromis est clair : sa structure simple, sa grande fiabilité dans des conditions de pluie conventionnelles, sa grande précision et sa large applicabilité se font au détriment de la capacité à surveiller les caractéristiques physiques microscopiques des précipitations, notamment la taille, la vitesse et la distribution granulométrique des gouttes de pluie.

Dans cette dimension, la conception à augets basculants constitue un compromis direct avec les trois autres technologies : choisir une solution éprouvée et de haute précision pour un déploiement à grande échelle signifie renoncer à des informations détaillées sur la microphysique des précipitations.

Capteurs piézoélectriques, radars miniatures et pluviomètres optiques : capables de mesures macroscopiques et microscopiques.

Tous trois peuvent fournir des informations microscopiques, mais ils continuent de faire des compromis différents dans d'autres dimensions.

5.2 Structure mécanique vs. détection électronique/optique

Benne basculante (structure mécanique) :

Compromis : La structure mécanique présente des inconvénients inhérents, notamment une sensibilité à la corrosion, à l’accumulation de sédiments, à l’usure des pièces mobiles et la nécessité d’inspections, d’un entretien et d’une maintenance manuels réguliers. C’est l’une des différences fondamentales entre les jauges à augets basculants et les trois autres technologies, qui sont des systèmes de détection statiques.

Piézoélectrique, radar miniature et optique (détection électronique/optique) :

Compromis : Ces technologies, dépourvues de pièces mobiles, permettent de réduire les besoins de maintenance et offrent ainsi une meilleure résistance à l’usure et une stabilité accrue à long terme. Toutefois, cet avantage s’accompagne d’inconvénients tels qu’une précision de mesure moindre dans certaines conditions, un coût plus élevé et une plus grande complexité électronique.

5.3 Immunité aux interférences vs. précision de mesure et contenu informationnel

Seau à pourboires :

Il est relativement insensible aux interférences électromagnétiques et à la taille des gouttes de pluie, mais est fortement affecté par des facteurs naturels externes tels que les feuilles, les sédiments, les éclaboussures dues au vent, l'évaporation et autres influences similaires.

Radar piézoélectrique et miniature :

Ces technologies partagent une faiblesse très similaire : leur sensibilité aux vents forts. Toutes deux reposent sur des principes dynamiques — la mesure de l’impact des gouttes de pluie ou la réflexion des ondes électromagnétiques —, de sorte que le vent peut modifier la vitesse et la trajectoire de chute des gouttes de pluie et introduire directement une erreur de mesure.

Cela crée un compromis : choisir une méthode capable de mesurer la vitesse et la taille des gouttes de pluie implique également d'accepter une plus grande sensibilité aux interférences du vent.

pluviomètre optique :

Son trajet optique peut être affecté par les vibrations dues aux vents forts et par la contamination des surfaces optiques, notamment par la poussière ou les gouttelettes d'eau. Cependant, il n'est généralement pas directement affecté par les variations de la dynamique des gouttes de pluie causées par le vent.

Cela crée un compromis plus complexe : l’approche optique offre théoriquement des mesures plus précises et plus riches en informations, mais elle nécessite un environnement d’exploitation plus propre et a un coût d’équipement plus élevé.

5.4 Coût et maturité technologique

Seau à pourboires :

Compromis entre maturité et coût : cette technologie, la plus aboutie, offre une grande précision, un faible coût et une large diffusion. En contrepartie, elle nécessite un niveau relativement élevé de maintenance manuelle pendant son fonctionnement.

Radar piézoélectrique / miniature :

Ces technologies occupent une position intermédiaire, cherchant un équilibre entre coût, fonctionnalité et performance.

Optique:

Compromis entre performance et coût : les systèmes optiques offrent des capacités avancées de surveillance microscopique et de reconnaissance de multiples phénomènes météorologiques, mais cela a un coût d’équipement très élevé.

5.5 Tableau comparatif récapitulatif

6. Conclusion

Les avantages et les inconvénients de ces pluviomètres ne sont pas isolés. Ils constituent plutôt un compromis technologique classique :

1. À une extrémité se trouve le pluviomètre à augets basculants : peu coûteux, très fiable, mais avec des informations limitées.

2. À l'autre extrémité se trouve le pluviomètre optique : plus coûteux, mais riche en informations microscopiques sur les précipitations.

3. Au centre se trouvent les pluviomètres piézoélectriques et les pluviomètres radar miniatures. Ils tentent de concilier coût, fonctionnalité et performance, en recourant à un coût modéré et à un certain niveau de complexité technique pour parvenir à détecter des phénomènes pluviométriques microscopiques, tout en introduisant de nouveaux défis tels que la sensibilité au vent.

Par conséquent, les pluviomètres à augets basculants, piézoélectriques, radars miniatures et optiques présentent chacun leurs propres avantages et limitations et conviennent à différents scénarios de surveillance des précipitations. Choisir un pluviomètre revient essentiellement à adapter la technologie de mesure au contexte d'application, au budget et à la précision de mesure requise. En d'autres termes, il s'agit de déterminer les limitations que vous êtes prêt à accepter en échange des avantages les plus importants pour votre application. Il n'existe pas de pluviomètre « idéal », seulement celui qui répond le mieux à vos besoins.

7. Pertinence pour les solutions de surveillance météorologique et environnementale de HONGYUV

Pour la surveillance météorologique de terrain, la mesure des précipitations est rarement la seule exigence. Les données pluviométriques sont souvent combinées à la température, l'humidité, la vitesse et la direction du vent, la pression atmosphérique, la visibilité, le rayonnement et d'autres paramètres environnementaux afin d'obtenir une connaissance complète de la situation.

HONGYUV Technology se spécialise dans la recherche et le développement ainsi que dans la fabrication indépendante d'instruments de surveillance météorologique et environnementale. Son portefeuille de produits comprend des stations météorologiques automatiques, des stations météorologiques intégrées, des stations météorologiques mobiles et portables, des anémomètres à ultrasons, des capteurs de visibilité, des équipements de surveillance de l'état des routes et d'autres produits de détection environnementale. Le site web de l'entreprise met également en avant des applications dans les domaines de la surveillance météorologique et environnementale, des transports, de l'agriculture, de l'énergie et de la recherche.

Pour une station météorologique intégrée, le choix de la technologie de détection des précipitations doit donc être évalué en tenant compte de l'environnement de déploiement, de l'intensité des précipitations attendue, de la résolution temporelle requise, des conditions de maintenance, de la disponibilité de l'énergie, de l'architecture de communication et des besoins globaux en données de l'application.

En matière de surveillance des conditions routières et météorologiques, par exemple, les mesures de précipitations peuvent être combinées aux données de visibilité et d'état des routes pour faciliter la surveillance des épisodes de faible visibilité, du verglas, des accumulations d'eau, de la neige et autres risques liés aux conditions météorologiques. Dans les applications agricoles et hydrométéorologiques, les mesures de précipitations peuvent compléter d'autres paramètres météorologiques pour faciliter l'irrigation, la gestion des ressources en eau, la surveillance des crues et l'observation sur le terrain.

HONGYUV propose également des services OEM/ODM et des produits personnalisés. Pour les projets aux exigences d'intégration spécifiques, le capteur de précipitations peut être considéré comme un module au sein d'un système de détection météorologique plus vaste, permettant ainsi d'adapter la configuration globale, les interfaces, les communications, l'alimentation et les fonctions spécifiques à l'application aux besoins de déploiement du client.

8. Guide pratique de sélection

Le guide simplifié suivant peut être utilisé pour choisir un petit pluviomètre pour une application particulière :

• Choisissez un pluviomètre à augets basculants lorsque le faible coût, la technologie éprouvée, la mesure simple des précipitations cumulées et le déploiement à grande échelle sont les principales priorités.

• Envisagez un pluviomètre piézoélectrique lorsque l'intégration compacte, la faible consommation d'énergie, la réponse en temps réel et la mesure des gouttes de pluie à l'échelle microscopique sont importantes.

• Envisagez un pluviomètre radar miniature lorsque la détection des précipitations sans contact, la conception compacte, la faible consommation d'énergie et la détection de phénomènes de précipitations supplémentaires sont importantes.

• Choisissez un pluviomètre optique lorsque la microphysique détaillée des précipitations et la reconnaissance de multiples phénomènes météorologiques justifient un coût d'équipement plus élevé et des exigences plus strictes en matière de propreté des surfaces optiques.

• Pour les projets de stations météorologiques automatiques intégrées, évaluez le pluviomètre en tenant compte des autres modules de détection et des exigences environnementales et système réelles plutôt que de le sélectionner comme un composant autonome.

9. Ressource HONGYUV associée

Sujets connexes : pluviomètre, collecteur d’eau de pluie, pluviomètre piézoélectrique et pluviomètre radar
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