Calibration of thermal conductivity sensors with consideration of hysteresis


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Abstract

A thermal conductivity sensor monitors soil suction by measuring the changes in thermal conductivity of the porous tip. The thermal conductivity of the porous tip is a direct function of its water content. It has long been recognized that the suction versus water content relationship of a porous material exhibits hysteresis of various magnitudes between wetting and drying processes. The sensor output may correspond to various suction values of the sensor porous tip, depending on the wetting or drying state of the porous tip. The current calibration procedure, however, represents only one of the drying processes of the sensor porous tip. A laboratory testing program was carried out to better understand the hysteretic properties of the sensor output voltage versus the suction and to further improve the calibration procedure. The output of the sensor was monitored as the sensor porous tip was subjected to various drying and wetting processes. The test results indicate an error of 30%–70% for suctions higher than 100 kPa if the hysteretic effects of the porous tip are not considered in data interpretation. Based on the laboratory testing results, a revised calibration procedure was proposed that takes into consideration the capillary hysteretic effects.RésuméUn capteur de conductivité thermique mesure la succion du sol en mesurant les changements dans la conductivité thermique de la pointe poreuse. La conductivité thermique de la pointe poreuse est une fonction directe de sa teneur en eau. Il est connu depuis longtemps que la relation succion versus teneur en eau d'un matériau poreux présente une hystérèse de différentes grandeurs entre les processus de mouillage et de séchage. La sortie du capteur peut correspondre à diverses valeurs de succion de la pointe poreuse, dépendant de l'état de séchage ou de mouillage de la pointe poreuse. Cependant, la procédure de calibrage ne représente qu'un des processus de séchage de la pointe poreuse du capteur. On a réalisé un programme d'essais en laboratoire afin de mieux comprendre les propriétés d'hystérèse du voltage de sortie du capteur en fonction de la succion et d'améliorer encore plus la procédure de calibrage. Les données du capteur ont été mesurées alors que la pointe poreuse du capteur a été soumise à divers processus de séchage et mouillage. Les résultats d'essais indiquent une erreur de 30% à 70% pour des succions plus élevées que 100 kPa si les effets d'hystérèse de la pointe poreuse ne sont pas pris en considération dans l'interprétation des données. En partant des résultats des essais en laboratoire, on a proposé une procédure révisée de calibrage qui tient compte des effets de l'hystérèse de la capillarité.

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