Brevet FR2137053A1 — publié le 19721229

l'invention concerne un procédé de détermination du taux d'humidité d'un matériau pulvérulent diélectrique, au moyen d'un signal d'énergie électromagnétique de fréquence comprise dans la bande des hyperfréquences ; elle concerne également un dispositif de mesure du taux dXhumidité appelé à mettre en oeuvre ledit procédé dé. I1 existe, actuellement, plusieurs procédés permettant de mesurer le taux d'humidité d'un matériau pulvérulent ; un premier procédé consiste à mesurer la résistivité du matériau qui est une fonction décroissante du taux d'humidité de ce dernier ; cette mesure ponctuelle ne peut se faire qu'en discontinu et astreint à pret- lever un échantillon du matériau, ce qui la rend peu pratique. Un autre procédé consiste à former avec le matériau une pile au moyen d'électrodes à courant constant et à mesurer la - sistance interne de cette pile, laquelle est fonction du taux d'hu- midité du matériau ; cette mesure est assez imprécise, la précision étant de l'ordre de 5 à 6 % et, comme précédemment, ne peut être effectuée en continu. Il existe également une méthode consistant à mélanger le matériau avec une poudre de carbure et à mesurer le volume d'acétylène dégagé : on conçoit aisément que les manipulations exigées par cette méthode la rendent peu courante et peu pratique dans la plupart des cas. Un autre procédé de mesure du taux d'humidité consiste à envoyer un faisceau neutronique sur le matériau et, en mesurant l'absorption, à en déduire la teneur en eau, qui est une fonction croissante de l'absorption. Cette méthode est très précise (précision de l'ordre de 1/1000ème) mais elle est extrêmement dangereuse car elle conduit à manipuler une source radio-active ; de plus, elle est de mise en oeuvre délicate et coûteuse. Son application est limitée à des cas très particuliers où 1 ton recherche une grande précision qui, dans la plupart des cas courants n'est pas nécessaire. Citons, affin, une autre méthode par absorption qui con- siste à émettre un signal hyperfréquence d'anergie électromagnéti- que à travers le matériau et, au moyen d'un capteur situé du côté opposé à I 'émi;sion, à déterminer le coefficient d'absorption qui, pour un matériau donné, permet de déduire la teneur en eau de celui-ci.Cette méthode est d'application difficile en continu mais, surtout, présente, l'inconvénient dtastreindre à une définition très précise de l'épaisseur à travers laquelle le faisceau hyperfréquence est transmis car, bien entendu, l'absorption est fonction de cette épaisseur et des valeurs significatives du coefficient d'absorption ne peuvent être obtenues qu'en travaillant sur des épaisseurs égales. Cet inconvénient a rendu les appareils fonctionnant selon cette méthode pratiquement inutilisables et a conduit à abandonner celle-ci. la présente invention vise à pallier les inconvénients ci-dessus mentionnés ; elle se propose d'indiquer un procédé de détermination du taux d'humidité d'un matériau pulvérulent, suscep- tible d'être mis en oeuvre en continu avec une précision dtenviron 1/100ème du maximum de l'échelle et qui permet d'effectuer de façon pratique et sans danger des mesures indépendantes de l'épaisseur du matériau. L'invention vise également à fournir un appareil robuste, de mise en oeuvre simple et d'un cout relativement modeste. Le procédé selon l'invention utilise des signaux d'énergie électromagnétique de fréquence comprise dans la bande des hy periréquences ; il consiste à émettre avec une amplitude constante le signal sur la surface du matériau à travers un diélectrique de faible coefficient de perte, à recueillir le signal réfléchi, à retrancher de celui-ci un signal d'amplitude égale à celle d'un signal provenant d'une réflexion sur le matSolau sec, à injecter le signal obtenu dans un détecteur appelé à fournir une grandeur électrique de sortie fonction de l'amplitude dudit signal et, enfin, à exploiter cette grandeur de sortie rapportée à une valeur maximale correspondant au taux d'humidité du matériau saturé d'eau pour lequel il y a réflexion totale du signal d'incidence. Ùes expérimentations ont démontré que le coefficient de réflexion d'un matériau pour des signaux hyperfréauence est une fonction croissante de la teneur en eau de ce matériau . ce coeffi- cient croit depuis une faible valeur corres-pondant à la réflexion sur le matériau sec jusqu'à l'unité correspondant à la réflexion sur le matériau saturé d'eau qui engendre une réflexion totale du signal hyperfréquence incident.Par conséquent, le procédé selon l'invention permet de déterminer tres facilement en une zone donnée, le taux d'humidité du matériau pulvérulent quelle que sort la configuration de ce matériau et, notamment l'épaisseur de celui ci. La puissance nécessaire est très faible (de l'ordre de quelques dizaines de illiwatts) et le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre absolument sans aucun danger car on sait que les hy- perfréquences dans cet ordre de puissance ne présentent aucun risque. Ce procédé peut être appliqué en continu sur un matériau qui défile : il suffit pour cela d'apprêteur la surface du matériau, sur laquelle s'effectuera la réflexion. L'exploitation de la grandeur de sortie du détecteur peut consister à envoyer celle-ci dans un appareil de mesure étalonné directement en taux d'humidité ; cet appareil est étalonné en se référant à l'amplitude connue et constante du signal incident qui, après réflexion totale, correspond au taux d'humidité du matériau saturé d'eau. @ L' 'exploitation de la grandeur de sortie du détecteur peut également consister à moduler au moyen d'un circuit de linéarisation, un courant analogique destiné à commander une régulation du taux d'humidité du matériau. Ainsi, si dans l'application considé rée le matériau doit présenter un taux d'humidité optimum, cette régulation permettra avec une bonne précision d'aligner constamment le taux d'humidité réel sur ce taux d'humidité optimum. Le diélectrique précité peut être constitué par le milieu ambiant,- en particulier, par de l'air : le signal électromagnétique incident est alors émis à une distance prédéterminée de la surface du natériau, Iaq'uel'le, est aplanie dans la zone d1incidence. Cette méthode est, en particulier, très pratique pour un matériau qui défile sur un tapis roulant.Le diélectrique osut également être constitué par un matériau rigide contre la, surface externe duquel est -plaqué le matériau pulvérulent Par ailleurs, llopération consistant à retrancher du si gnal réfléchi un signal d'amplitude égale à celle d'un signal provenant dune réflexion sur un matériau sec, peut être réalisée au moyen d'une impédance réglable, tarée à une valeur adaptée dépendant de la nature du matériau ; cette opération peut également être réalisée en engendrant sur un échantillon de matériau sec un signal identique au signal incident, en, recueillant le signal réfléchi par cet échantillon et en retranchant ce dernier signal du signal réfléchi par e matériau pulvérulent dont, le taux d'humidité est à déterminer. De la sorte le targe est-il effectué de façon naturel- le et simple, sans qu'il soit besoin de connaître la valeur du coefficient de réflexion des matériaux secs. L'invention s'étend, en outre, à un dispositif permettant de mesurer le taux d'humidité d'un matériau pulvérulent diélectri que et susceptible de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus indiqué; ce dispositif -comprend un générateur d'énergie électromagnétique d'amplitude constante connue et de fréquence comprise dans la bande des hyperfréquences. Selon l'invention, ce dispositif est doté d'un "té magique" adapté à la fréquence du générateur. Rappelons brièvement aucun té magique est un instrument bien connu des spécialistes en hyperfréquence, qui comprend quatre guides d'onde convergents : un guide d'onde désigné par la lettre S (somme), un guide d'onde A (différence) et deux guides d'onde collatéraux. Ces tés magiques ont la propriété de diviser l'énergie hyperfréquence se propageant dans le guide d'onde somme en deux faisceaux en phase et d'amplitude égale, qui sont, chacun, transmis aux deux guides d'onde collatéraux ; dans le cas où aucune énergie de retour ne se propage dans ces guides d'onde collatéraux, le gui -de d'onde # ne reçoit aucun signal et se présente donc comme parfaitement désaccouplé des autres guides d'onde.Au contraire, si une énergie de retour est transmise en phase par les guides d'onde collatéraux, le guide d'onde A reçoit un signal dont l'amplitude est égale à la différence des amplitudes des signaux de retour transmis par les guides d'ondes collatéraux : le guide d'onde S est désaccouplé des trois autres guides d'onde à l'égard d'e ces énergies de retour. Ces propriétés bien connues du té magique étant exposées, on ne s'étendra pas plus sur ces instruments. Dans le dispositif selon l'invention, le guide d'onde S du té magique est accouplé au générateur hyperfréquence, le guide d'onde # à un détecteur appelé à injecter dans un appareil de mesu- re électrique convenablement étalonné une grandeur, par exemple une tension, fonction dé l'amplitude du signal transmit par le guide d'onde A , un des guides d'onde collatéraux à une charge à coeffi cient de réflexion déterminé, enfin l'autre guide d'onde collatéral à un organe d'exploration du matériau, dont la fonction est d'émettre les signaux transmis par ce guide d'onde et de capter les signaux réfléchis et de les transmettre à celui-ci. Un tel appareil de structure simple est d'un coût relativement réduit ; sa maintenance est à la portée d'un personnel non spécialisé. Selon un premier mode de réalisation, le guide d'onde collatéral correspondant est accouplé à l'organe d'exploration par l'intermédiaire d'une impédance réglable, tarée à une valeur adaptée dépendant de la nature du matériau de façon à retrancher du signal réfléchi un signal d'amplitude égale à celle d'un signal provenant d'une réflexion sur le matériau sec. L'autre guide d'onde collatéral est alors accouplé à une charge de coefficient de réflexion nulo De signal transmis au guide d'onde b est donc le signal provenant du guide d'onde collatéral accouplé à l'organe d'exploration, ce signal étant comme on l'a su dépouillé de sa composante due à la réflexion sur le matériau sec. On obtient, donc, un signal de réflexion engendré uniquement par l'eau contenue dans le matériau. Selon un autre mode de réalisation, le guide collatéral correspondant est directement accouplé à l'organe d'exploration, cependant que l'autre guide d'onde collatéral est accouplé à une charge dont le coefficient de réflexion est choisi égal à celui du matériau pulvérulent sec ; cette charge peut, en particulier, titre constituée par un échantillon du matériau sec. Dans le guide-d'onde a il apparat donc un signal, constitué par la différence entre le signal réfléchi par le matériau pulvérulent humide et celui qui est émis par l'échantillon de ce même matériau sec.Ce mode de réalisation peut permettre de simplifier les opérations de tarage préalables nécessaires à chaque changement de la nature du matériau dont le taux d'humiditd est à déterminer. Par ailleurs, le générateur utilisé dans ce dispositif est, de préférence un générateur à effet "Gunn" émettant dans la bande X (8,2 à 12,4 GHz) les frdquences de cette bande X s'avèrent être des fréquences optimales car, choisir une fréquence plus basse reviendrait à accroître l'encombrement du té magique et à réduire l'amplitude du phénomène de réflexion qui se trouve d'autant plus marquée que la fréquence est grande, cependant que choisir, une frequence plus importante astreindrait à équiper le dispositif de géné- rateurs tels que générateurs à klystron, lesquels exigent un appareillage d'alimentation extrêmement encombrant et coûteux. Au contraire, dans la bande X un générateur par effet, "Gunn" de quelques dizaines ds. milliwatts peut être alimenté par une simple pile. L'invention s'étend à deux applications particulières du dispositi-f ci-dessus décrit Selon l'une de ces applications, le dispositif est utilisé pour mesurer le taux d'humidité d'un materiau pulvérulent défilant sur des moyens de transfert ; le dispositif est alors disposé en aval de moyens de nivellement à une cote constante de la surface du matériau, son organe d'exploration étant situé à une distance déterminée connue -ie la surface nivelée. Comme on l'a déià dit au suJet du procédé, c'est, alors, le milieu am- biant qui constitue le diélectrique à travers lequel sont émis les signaux hyperfréquence. Selon l'autre application visée, le dispositif sert à mesurer le taux d'humidité d'un matériau pulvérulent stocké dans un silo ; ltorgane d'exploration est, dans ce cas, disposé dans un fourreau intérieur que comporte la paroi du silo, cet organe émettant à travers une fenêtre en un matériau rigide diélectrique de faible coefficient de perte, fendre située à l'extrémité interne dudit fourreau. L'invention ayant été exposée dans sa forme générale, la description qui suit, en référence au dessin annexé, permettra de mieux en saisir les caractéristiques, buts et avantages ; sur ce dessin : - la figure 1 représente, schématiquement, un mode de réalisation bu dispositif selon l'invention ; - -la figure 2 est un diagramme sur lequel est portée pour le sable la courbe des variations de la tension détectée à la sortie du dispositif en fonction du taux d'humidité enfin, les figures 5 et -4 sont des schémas présentant les deux applications ci-dessus mentionnées. Sur la figure 1 on aperçoit à l'intérieur d'un cercle tracé en pointillés, un té magique représenté schématiquement de la façon dont les spécialistes hyperfréquences ont l'habitude de le faire. On ne reviendra pas sur les propriétés de ce té magique qui est constitué par quatre guides d'onde convergeant vers un adaptateur d'impédance. Dans l'exemple décrit, le guide d'onde S (somme) est accouplé à un générateur d'hyperfréquence de quelques dizaines de milliwatts de puissance ; ce générateur émet en bande X un signal d'amplitude stabilisée connue. Un des guides d'onde collatéraux O2 du té magique est accouplé à une charge adaptée Ca dont le coeffi- cient de réflexion est égal à O-. L'autre guidé d'onde collatéral Cl est accouplé à un organe d'exploration Ex constitué en l'exemple par un tronçon de guide d'onde fermé à son extrémité par une fenêtre diélectrique en un matériau à coefficient de perte négligeable. Sur le trajet de propagation des signaux du guide d'onde CI est inaérée une impédance réglable non réciproque Ai, susceptible d'être fixée à une valeur fonction de la nature du matériau pulvérulent considéré : pour un matériau donné cette impédance est réglée de façon à éliminer du signal réfléchi se propageant dans le guide d'onde Cl, (vers la gauche) la composante correspondant à une réfle l'on sur le matériau sec. Par ailleurs, le guide d'onde a est accouplé à un détecteur hyperfréquence D qui fournit à sa sortie une tension continue proportionnelle à l'amplitude du signal hyperfréquence qu'il reçoit. Cette tension continue est envoyée dans un appareil de mesure M, par exemple un galvanomètre, qui peut être directement étalonné en taux d'humidité. Comme on l'aperçoit en effet sur la figure 2, représentant, à titre d'exemple pour du sable, la courbe de cette tension détectée en fonction du taux d'humidité de la valeur de la tension détectée correspondant à une valeur déterminée de coefficient de réflexion, il est possible de déduire le taux d'humidité du,maté- riau pulvérulent. On a représenté sur la figure 3 un matériau pulvérulent transporté par un tapis roulant 1 ; la surface supérieure de ce matériau est nivelée par une palette 2, à l'aval de laquelle est disposé un dispositif de mesure 3 selon l'invention. L'organe d'exploration 4 de ce dispositif est situé à une distance -d- connue de la surface de la matière pulvérulente et émet les signaux hyperfréquen- ce à travers cette couche d'air vers cette matière pulvérulente. On peut, ainsi, mesurer de façon continue et pratique, le taux d'humi- dité de la matière qui défile sur le tapis 1. La figure 4 représente un silo rempli d'une matière pulvérulente ; ce silo comprend un fourreau 5 à l'extrémité duquel est disposée une fenêtre 6 en un matériau rigide diélectrique. L'organe d'exploration 7 qui est un simple tronçon de guide d'onde émet des signaux hyperfréquence à travers cette fendre 6 ; l'amplitude des signaux réfléchis sur la surface du matériau en contact avec cette fenêtre permet, à' chaque instant, de connaître le taux d'humidité de ce matériau. L'invention ayant maintenant été exposée et son intérêt justifié sur des exemples, la demanderesse s'en réserve l'exclusivi- té pendant toute la durée du brevet sans limitation autre que celle des termes des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1 - Procédé de détermination du taux d'humidité d'un matériau-pulvé- rulent diélectrique, au moyen d'un signal d'énergie dlectromagnéti- que de fréquence comprise dans la bande des hyperfréquences, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à émettre avec une amplitude constante le signal sur la surface du matériau à travers un diélectrique de faible coefficient de perte, à recueillir le signal réfléchi, à retrancher de celui-ci un signal d'amplitude égale à celle d'un signal provenant d'une réflexion sur le matériau sec, à injecter le signal obtenu dans un détecteur appelé à fournir une grandeur électrique de sortie fonction de l'amplitude dudit signal et à exploiter cette grandeur de sortie rapportée à une valeur maximale correspondant au taux d'humidité du matériau saturé d'eau, pour lequel il y a réflexion totale du signal d'incidence. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'em- iloitation de la grandeur de sortie du détecteur consiste à envoyer celle-ci dans un appareil de mesure étalonné directement en taux d'humidité. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ex- ploitation de la grandeur de sortie du détecteur consiste à moduler au moyen d'un circuit de linéarisation un courant analogique, deeti- né à commander une régulation du taux d'humidité du matériau consi degré. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le signal électromagnétique incident est émis à une distance prédéterminée de la surface du matériau laquelle est aplanie dans la zone d'incidence, le diélectrique étant constitué par le milieu ambiant, en particulier par de l'air. 5 - Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, 'caractérisé en ce que l'opération consistant à retrancher du signal réfléchi un signal correspondant à une réflexion sur le matériau sec, est réåli- sée en engendrant sur un échantillon de matériau sec un signal identique au signal incident, en recueillant le signal réfléchi par cet échantillon et en retranchant ce 'dernier- aignal du signal 'réfléchi par le matériau pulvérulent dont le taux d'humidité est à déterminer. 6 - Dispositif permettant de mesurer le taux d'humidité d'ut matériau pulvérulent diélectrique, comprenant un générateur d'énergie électromagnétique d'amplitude constante connue et de fréquence con- prise dans la bande des hyperfréquences, ledit dispositif étant ca ractérisé en ce qu'il est doté d'un té magique" adapté à la fréquence du générateur et comprenant quatre guides d'onde, un guide d'onde S (somme), un guide d'onde # (différence) et deux guides d'onde collatéraux, le guide d'onde S étant accouplé au générateur hyperfréquence, le guide d'onde # à un détecteur appelé à injecter dans un appareil de mesure électrique convenablement étalonné une grandeur- électrique fonction de l'amplitude du signal transmis par ledit guide d'onde d, un des guides d'onde collatéraux à une charge à coefficient de réflexion déterminé, enfin l'autre guide d'onde collatéral à un organe d'exploration du matériau, dont la fonction est émettre les signaux transmis par ce guide d'onde et de capter les signaux réfléchis et de les transmettre à celui-ci. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le guide d'onde collatéral correspondant est accouplé à l'organe d'ex- ploration par l'intermédiaire d'une impédance réglable, tarée à une valeur adaptée dépendant de la nature du matériau de façon à retrancher du signal réfléchi un signal d'amplitude égale à celle d'un signal provenant d'une réflexion sur le matériau sec, cependant que vautre guide d'onde collatéral est accouplé d une charge de coefficient de réflexion nul. 8. - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le guide sonde collatéral correspondant est accouplé à une charge dont le coefficient de réflexion est égal à celui du matériau pulvérulent sec, cette charge étant notamment constituée par un échantillon de ce matériau sec. 9 - Dispositif selon l'une des revendications 6, 7 ou 8, caractérisé en ce que le générateur utilisé est un générateur à effet "Gunn", émettant dans la bande X (8,2 à 12,4 GHz), 10- Application d'un dispositif selon l'une des revendications 6, 7, 8 ou 9, à la mesure du taux d'humidité d'un matériau pulvérulent défilant sur des moyens de transfert, ladite application étant caractérisée en ce que le dispositif est disposé en aval de moyens de nivellement à une cote constante de la surface du matériau l'organe d'exploration dudit dispositif étant situé à une distance déterminée connue de la surface nivelée. 11- Application d'un dispositif selon l'une des revendications 6, 7, 8 ou 9, à la mesure du taux d'humidité d'un matériau pulvérulent stocké dans un silo, ladite application étant caractérisée en ce que l'organe d'exploration du dispositif est disposé dans un fourreau intérieur que comporte la paroi du silo, ledit organe émettant à travers une fenêtre en un matériau rigide diélectrique de faible coefficient de perte, située à l'extrémité interne dudit fourreau.