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Techniques de normalisation d'un pluviomètre à augets : améliorations et calibrage du modèle WS2300-16


Présentation du pluviomètre électronique WS2300-16 d'origine

Le pluviomètre WS2300-16 est équipé d'un système à augets :

Il s'agit d'un système de balance qui effectue un mouvement lorsqu'il atteint une certaine quantité d'eau, l'autre parti de la balance prend alors le relais. Chaque fois que la balance se vide, un capteur détecte le mouvement et le comptabilise au niveau de la station météo.
D'après les caractéristiques du pluviomètre WS2300-16, un mouvement de balancier correspond à 0.518mm d'eau réellement tombée.


Les défauts du pluviomètre d'origine

L'utilisation du WS2300-16 pour des relevés sérieux pose plusieurs problèmes :
  • La surface exposée à la pluie est trop faible

    La surface exposée à la pluie représente un rectangle de 55x125mm, soit une surface de 68,75 cm², alors que les normes météorologiques de l'OMM (Organisation Météorologique Mondiale) préconise une surface minimum nécessaire de 200cm² pour que la mesure soit la plus représentative possible des précipitations.

  • La résolution du pluviomètre est trop faible

    Le mouvement de balancier s'effectue que lorsque le niveau théorique de 0.518mm de pluie est réellement tombé. C'est problématique, car si il pleut très faiblement toute une demi-journée avec une quantité d'eau comprise entre 0.4 et 0.5mm, le pluviomètre ne le détectera pas !

  • Le calibrage mécanique est impossible

    Il arrive pendant l'usinage qu'il se produise de légers dérèglements et que le balancier ne corresponde pas exactement à ce pour quoi il est destiné, c'est-à-dire effectué un mouvement lorsqu'un certain poids est atteint des 2 côtés. Ce volume théorique est de 3,56mL, donc 3,56g par mouvement (6875*0.518/1000), si la bascule ne s'effectue pas des 2 côté lorsque ce poids est atteint, alors à la longue des erreurs importantes de volume d'eau peuvent remontées. Sur des stations semi-professionnelles comme la Vantage Pro 2, il est possible d'effectuer un calibrage mécanique pour ajuster les dérèglements, mais ce n'est pas possible sur la WS23xx. En revanche, en connaissant un éventuellement défaut, on peut ajuster les valeurs renvoyées par le pluviomètre en effectuant une correction logicielle, c'est pour cette raison qu'il est toujours important de vérifier le calibrage du pluviomètre.

Modifications, améliorations et calibrage du WS2300-16 pour effectuer des mesures fiables suivant les recommandations de l'Organisation Météorologique Mondiale.

  • Modification de la surface de réception pluviométrique

    On peut très simplement adapter la surface de réception pluviométrique de la WS2300-16, il suffit de créer un adaptateur qui respectera certaines règles pour que les mesures de volumétrie de l'eau restent précises.
    Cet adaptateur peut avoir une forme de captage rectangulaire ou circulaire, l'important est de respecter ces quelques règles :
    - Il faut connaître très précisément les dimensions de captage (forme régulière), cette aire de réception pluviométrique doit être au minimum de 200cm².
    - Il faut que l'adaptateur ait des arrêtes relativement fines pour éviter au maximum les éclaboussures aléatoires lorsqu'une goutte tombe à la limite du réceptacle.
    - Il faut que les arrêtes intérieures de l'adaptateur aient une forte pente pour éviter les éclaboussures des gouttes qui tombent dans le pluviomètre vers l'extérieur.
    - Il faut que la pente soit suffisamment importante (pas forcément régulière) jusqu'à l'entonnoir de sortie de l'adaptateur pour que les gouttes ne restent pas bloquées sur la paroi sans tomber.
    - Tout comme le WS2300-16, l'adaptateur doit être bien à niveau à l'horizontal.

    Ensuite il s'agit de fabriquer cet adaptateur et de l'attacher de manière stable sur le pluviomètre (ne pas oublier qu'il doit pouvoir contenir/soutenir plusieurs centimètres de neige et résister aux rafales de vent sans bouger).

    Pour mon adaptateur, j'ai choisi un entonnoir de 186mm de diamètre utile (annoncé 200mm² lors de l'achat), lisse et qui correspond aux caractéristiques de pente nécessaire, on peut trouver ce genre d'entonnoir dans les magasins de bricolage et grandes surfaces (surtout utilisé pour la manipulation des hydrocarbures), au besoin il faut découper un peu le bout de l'entonnoir pour ne pas qu'il butte lors de l'installation. Pour que le dispositif tienne bien en place à l'horizontal en obstruant la surface d'origine du WS2300-16, j'ai découpé un "rail pour câble électrique" en plastique aux dimensions (mais n'importe quel morceau de plastique aux dimensions et plat fera l'affaire).
    Il suffit ensuite de faire une fente aux dimensions de sortie de l'entonnoir au centre du morceau de plastique, vérifier que l'entonnoir soit bien à l'horizontal, puis coller l'entonnoir avec de la colle forte (spéciale plastique rigide), une fois sec, si la structure semble résistante, il ne reste plus qu'à rajouter un peu de silicone pour s'assurer que l'eau ne coulera pas de la plaque vers la fente de l'entonnoir, et le tour est joué.
    Pour le système d'attache de l'adaptateur au pluviomètre, plusieurs possibilités, pour ma part j'ai ajouté des attaches aux 4 coins de ma plaque de plastique qui me permettront de l'attacher au pluviomètre.



  • Calibrage initial théorique de la WS2300-16 avec la nouvelle surface de captage

    Le calibrage est la partie la plus importante : on a modifié considérablement la surface de captage, les informations renvoyés par la station météo sont donc désormais faux ! Pour profiter de cette nouvelle résolution de la lecture pluviométrique, il faut calculer à quel volume réel d'eau correspond un mouvement de balancier avec la modification :

    On sait qu'à l'origine pour une aire de 6875mm², on a un mouvement de balancier de 3.561mL correspondant à une hauteur réelle de précipitations de 0.518mm. On prenant en compte la nouvelle surface de captage de 186mm de diamètre, on peut trouver facilement à combien correspond ce même basculement :

    Nouvelle aire de captage = (186/2)²*pi = 27172mm²
    Mesure réelle en mm pour 1 mouvement = (3.561*1000)/27172 = 0.131mm

    Avec la nouvelle aire de captage, un mouvement de balancier correspond désormais à 0.131mm au lieu de 0.518mm, la résolution devient tout à fait acceptable. Il faudra donc en théorie convertir toute les données de précipitation de la station par un coefficient de 0.253 (0.131/0.518).


  • Calibrage initial réel de la WS2300-16 avec la nouvelle surface de captage

    Le calibrage théorique nous permet d'obtenir un coefficient fiable à la seule condition que les caractéristiques d'usinage correspondent exactement à ce qui est annoncé dans les caractéristiques de la station, c'est-à-dire qu'un mouvement de balancier correspond réellement à 3.561ml d'eau. Ce calibrage se fait en 3 étapes :

    • S'assurer que le mouvement des augets de chaque côté soit équilibré

      Il s'agit d'une étape optionnelle, car même si l'équilibre n'est pas symétrique, la nouvelle résolution du pluviomètre amplifie le nombre de mouvements et permet donc d'avoir une moyenne fiable sur le mouvement du balancier, aussi bien d'un côté que de l'autre. Cependant, il est intéressant de l'effectuer si c'est possible pour se rendre compte de ce problème. Il faut pour ça une pipette de laboratoire ou de pharmacie bien marquée et précise, le basculement doit s'opéré après avoir versé entre 3.5 et 3.6ml d'eau, on répétera l'opération plusieurs fois de chaque côté. Si un côté bascule toujours plus vite que l'autre, alors il y a possiblement un problème d'usinage, il faut bien vérifier que le pluviomètre soit à l'horizontal et que rien ne gêne le basculement.
      Si les basculements n'interviennent pas entre 3.5 et 3.6mL, ce n'est pas si grave, ça peut venir du matériel de mesure, mais dans tous les cas, on peut corriger ce problème, c'est le but de l'étape 2.


    • Déterminer le plus précisément possible la quantité d'eau réellement nécessaire au basculement

      On sait que théoriquement un basculement se fera avec un volume de 3.561ml, soit 3,561g. Pour complètement valider le calibrage du pluviomètre, on veut vérifier ce volume en faisant une expérience simple : on va verser au goutte à goutte dans notre pluviomètre un volume d'eau relativement important qu'on aura précisément mesuré avant, et on va vérifier que le nombre de basculement à la fin de l'expérience corresponde à celui attendu.
      Pour déterminer un volume d'eau de manière précise sans disposé de jauges de laboratoire, le meilleur moyen est de disposer d'une balance culinaire (fiable) qui mesure au gramme près : on prend un récipient léger qu'on pèse à vide, puis on le rempli d'eau jusqu'à une hauteur raisonnable, le poids de la différence nous donne le volume d'eau, dans mon cas :

      Poids du récipient vide = 6g
      Poids du récipient avec l'eau = 438g
      Volume de l'eau = 438-6 = 432ml

      J'ai doublement vérifié mes valeurs avec une seconde balance culinaire, le volume correspond au gramme près. Pour le système de goutte à goutte, il suffit de faire une minuscule ouverture dans un morceau de plastique souple et de l'attacher au bout de l'entonnoir avec un élastique. Attention de bien tester avant, c'est un système de goutte à goutte, si le débit est trop rapide l'expérience pourrait être faussée.



      Avant de commencer l'expérience, on va calculer par rapport à la valeur théorique de 3.561ml par basculement, le nombre idéal de basculement qu'on devrait obtenir :

      Soit 432/3.561 = 121.3 => on devrait obtenir 121 basculements, soit une mesure de précipitations indiquée par la station de 62.7mm (121*0.518).

      Pour commencer l'expérience, bien remettre l'entonnoir équipé de son système de goutte à goutte à l'horizontal, remettre le compteur de pluie de la station à 0, et vider le récipient contenant l'eau dans l'entonnoir, selon la quantité d'eau l'expérience va durer plus ou moins longtemps, pour ma part, ça a duré environ 1 heure.
      Les résultats sont édifiants : 62.7mm ! L'expérience en condition réelle rejoint le calcul théorique, la capacité de basculement d'origine est exactement celle annoncée.
      Si cette quantité d'eau était réellement tombée dans le captage modifié, on aurait multiplié la valeur de 62.7mm par le coefficient trouvé plus tôt de 0.253, il serait donc réellement tombé 15.9mm pour 121 basculements.

      Si les résultats de l'expérience rejoignent ceux du calcul théorique, alors vous avez votre coefficient de correction, pour ma station il s'agit de 0.253.

      Si les résultats de l'expérience divergent fortement des résultats théorique, il faut vous assurer que la balance que vous utilisez fonctionne correctement, et si c'est le cas, refaire l'expérience avec des volumes d'eau différents, vous devriez trouver des résultats proportionnels selon la quantité d'eau, si ces résultats sont différents de ceux de la théorie, c'est que le basculement ne se produit pas exactement à 3.561ml, il suffit donc de recalculer ce seuil de bascule selon les quantités d'eau et le nombre de basculement effectué.



    • Suivi du calibrage dans le temps et ajustements

      Le calibrage que l'on a effectué précédemment part du principe que l'on connait parfaitement la surface de captage et que les rejaillissements d'eau soient inexistants. Or malgré toutes les précautions prises, on a pu sous-estimer ou surestimer légèrement le volume d'eau entrant. Selon l'OMM, on peut tolérer une erreur de 0.5% sur le calcul de l'aire de captage, mais une erreur plus importante peut entrainer des précipitations systématiquement sous-évaluées ou le contraire, ce qui à la longue peut fausser la pluviométrique de manière conséquente.
      Une façon simple de se rendre compte de ce genre de problème est de comparer sur le même site avec un pluviomètre précis à lecture directe (SPIEA ou tout autre pluviomètre à haute résolution et calibré) sur plusieurs mois. Si vous optez pour le SPIEA, il s'agira de la référence puisque ce pluviomètre est homologué par Météo-France, la différence entre les relevés du SPIEA et du WS2300-16 modifié devront toujours être proches et aléatoires (parfois au-dessus, parfois en dessous), sinon cela signifie qu'il y a un problème avec le volume réellement récolté et celui calculé, dans ce cas, on peut réajuster le coefficient correcteur en s'alignant sur les relevés du SPIEA en faisant la moyenne des différences.
      Si vous optez pour une autre solution que le SPIEA, vous devrez toujours garder à l'esprit que le pluviomètre à lecture directe peut potentiellement avoir une erreur de calibration, mais même dans ce cas-là, si les différences entre les relevés de ce pluviomètre et le WS2300-16 sont aléatoirement supérieures ou inférieures, alors c'est qu'il n'y a probablement pas de problèmes d'estimation de la surface de captage.

Le respect des normes de positionnement

Attention, tout ce travail de calibrage pour s'approcher des normes et ne sert à rien si le pluviomètre n'est pas lui-même placé dans un environnement qui correspond aux normes ! Il doit être éloigné de 2 fois la hauteur des obstacles qui l'entourent et placé en hauteur à environ 1m50. Toujours en position bien horizontale et stable (penser à ce qui peut se produire : chutes de neige importantes, oiseaux pouvant se poser en bordure, fort vent, etc)