Brevet FR2341868A1 — publié le 19770916

La présente invention concerne un dispositif de nesure de nertes diélectriques. Un tel dispositif est utilisé par exemple pour connaître les pertes diélectriques d'un matériau nouveau que l'on envisage d'utiliser comne isolant dans un câble électrique de télécomrmnication. Un échantillon de ce matériau est réalisé sous la forme d'un disque plat qui est place entre deux électrodes de maniere a réaliser un condensateur qui constitue une partie d'un circuit électrique résonnant a une fréquence de 30 MUz par exemple. Les caractéristiques électriques de ce circuit étant connues par ailleurs, la mesure de son coefficient de surtension q permet de connaître les pertes diélectriques de l'échantillon : ces pertes sont souvent faibles et il y a intérêt a les mesurer avec précision. I1 y a surtout interét à ce que la mesure soit fidèle de manière à permettre des mesures comparatives sures. On utilise classiquement pour cela deux condensateurs réglables. L'un d'eux, qui sera appelé ci-apres capacité prinicpale, est celui entre des électrodes duquel l'échantillon est placé.L'une de ces électrodes peut être rapprochée ou éloignée de l'autre, de manière a permettre d'une part de rendre leur distance entre électrodes égale a l'épaisseur de l'échantillon, et d'autre part de faire des opérations successives sur le circuit avec une meme valeur de la capacité de ce condensateur, une opération étant faite avec l'échantillon et l'autre sans lui. La variation de la distance entre électrodes permet alors de compenser la différence de constante diélectrique entre l'échantillon et l'air qui le remplace entre les électrodes.La connexion électrique de l'elec- trode mobile avec le reste du circuit est classiquement assurée par l'intermediaire d'un soufflet métallique a déformation élastique dont la résistance électrique et l'inductance sont faibles et pratiquement invariables. L'autre condensateur réglable sera appelé ci-après capacité auxiliaire. I1 est connecté en parallèle avec la capacité principale et permet de faire varier la capacité totale du circuit résonnant sans toucher a la capacité principale. Il est réalisé de maniere a permettre de connaître avec précision une faible variation de sa capacité. Il est généralement constitué par une armature cylindrique creuse fixe dans l'axe de laquelle pénètre plus ou moins une électrode mobile en forme d'aiguille.La connexion électrique de l'électrode mobile est assurée par un contact glissant. Compte tenu de l'espace disponible et des fréquences utilisées, il n'est en effet pas possible d'assurer ce contact par un soufflet sans introduire dans le circuit une inductance gênante. De tels dispositifs connus présentent le grave inconvénient que les mesures qu'ils permettent sont peu reproductibles, ce qui rend difficile de comparer deux matériaux analogues pour savoir lequel présente les nertes diélectriques les plus faibles. La presente invention a pour but la réalisation d'un dispositif de mesure de pertes diclectriques permettant d'effectuer des mesures avec une fidélité et une precision améliorée. Elle a pour objet un dispositif de mesure de pertes diélectriques comportant - une inductance - un capacite prinicpale connectée en parallèle avec cette inductance de manière à constituer un circuit résonnant, cette capacité principale étant formée par deux électrodes en regard dont la distance est réglable - des moyens pour introduire entre ces électrodes un échantillon d'un matériau dont les pertes diélectrique doivent être mesurées - une capacité auxiliaire réglable connectée en parallèle avec cette inductance et cette capacité principale de manière à modifier la fréquence propre dudit circuit résonnant et a permettre de la régler - des moyens pour injecter dans ledit circuit résonnant une force électromotrice alternative d'amplitude et de fréquence constante de manière à y engendrer des oscillations électriques dont l'amplitude dépend des caractéristiques électriques des éléments constituant ce circuit - des moyens pour mesurer l'amplitude des oscillations électriques dans ledit circuit résonnant caractérise par le fait que ladite capacité secondaire comporte une diode semiconductrice polarisée en inverse, des moyens de réglage étant prévus pour régler la tension de polarisation de cette diode de manière à régler sa capacité. L'inventeur aen effet trouvé qu'une source inportante d'erreur, variable d'une mesure à une autre provenait des variations aléatoires de la résistance électrique du contact glissant assurant la connexion de l'électrode mobile de la capacité auxiliaire. L'utilisation pour réaliser cette capacité, d'une diode semiconductrice polarisée sous une tension inverse réglable par exemple, du type connu sous le nom de "varicap" permet d'éviter d'employer un tel contact glissant. I1 est à remarquer que l'utilisation de telles diodes était connue pour la réalisation de capacités réglables en général, mais qu' il était admis que seuls des condensateurs à électrode mobile et à réalisation mécanique soignée pouvaient permettre d'obtenir une bonne précision dans la mesure de pertes diélectriques. A l'aide des figures schématiques 1 à 3 ci-jointes, on va décrire ci-après à titre non limitatif un mode de mise en oeuvre de l'invention. Les éléments qui se correspondent sur plusieurs de ces figures y sont désignés par les mêmes signes de référence. La figure I représente un schéma du circuit électrique d'un dispositif de mesure de pertes diélectriques d'un type connu. La figure 2 représente un schéma du circuit électrique d'un dispositif de mesure de pertes diélectriques selon l'invention. La figure 3 représente une vue en coupe d'un dispositif selon l'invention. On va tout d'abord rappeler à l'aide de la figure 1, une méttode classique de la mesure des pertes diélectriques d'un échantillon. Cette méthode est encore employée selon l'invention. Elle consiste à mesurer deux fois le coefficient de surtension d'un circuit résonnant, une premiere fois en présence du matériau étudié, une deuxieme fois en son absence. On utilise un dispositif de mesure D constitué par une inductance invariable L connectée en parallèle avec un condensateur principal CP et avec un condensateur auxiliaire CA. Le condensateur principal CP est constitué de deux électrodes circulaires parallèles dont la distance est rendue réglable grâce à un soufflet métallique S.Le condensateur auxiliaire CA est construit de manière à ce que de faibles variations de sa capacité puissent être mesurées avec précision. L'inductance L présente une résistance parasite RL représentée en série. Le condensateur auxiliaire CA présente lui aussi une résistance parasite qui est connectée au moins partiellement en série avec lui mais qui sera prise en compte ci-dessous sous la forme d'une résistance équivalente RA connectée en parallèle.La valeur de cette résistance équivalente R & tient également compte de la résistance parasite du condensateur CF. Un échantillon d'un matériau N dont les pertes diélectriques doivent être mesurées peut; être disposé entre les électrodes du condensateur principal CF. Ses pertes diélectriques sont alors prises en compte sous la forme d'une résistance équivalente RP connectée en parallèle sur le condensateur CF. Un générateur de courant alternatif sinusoidal G alimente une bobine B couplée a l'inductance L de manière a injecter dans cette inductance une force électromotrice d'amplitude constante E et de pulsation P également constante. On sait que la pulsation d'un signal alternatif sinusoldal est généralement représentée par la lettre grecque oméga. Un voltmètre U permet de mesurer la tension U apparaissant aux bornes du circuit résonnant constitué par l'inductance L et les condensateurs CP et CA. Un condensateur de compensation réglable CC de capacité appelée également ici CC est connecté en parallele avec les condensateurs CP et CA et permet de conserver un même domaine de réglage pour le condensateur CA lorsqu'on étudie des échantillons d'épaisseurs diverses M entraînant des valeurs divers de la capacité du condensateur CP. Dans une première étape on place un échantillon du matériau M entre les électrodes du condensateur principal CP et on serre ces électrodes sur ce matériau avec une pression prédéterminée. On met le générateur G en fonctionnement et on regle le condensateur auxiliaire CA pour obtenir une valeur maximale Ul de la tension U correspondant à la résonnance du circuit. On note alors cette valeur U1 ainsi que la valeur CAO de la capacité du condensateur CA. Le coefficient de surtension Q1 du circuit vérifie alors la relation U1 = Q1.E. Dans une deuxième étape on enlève l'échantillon du matériau M sans modifier le réglage du condensateur CA puis on rapproche les électrodes du condensateur CP de manière à retrouver la résonnance du circuit, ctest- -dire que l'on revient à la valeur précédente de la capacité de ce condensateur. Ce rapprochement des électrodes est rendu nécessaire par la différence des constantes diélectriques du matériau M et de l'air. On note alors la valeur CP de cette capacité et la valeur U2 de la tension U à la résonnance.Le coefficient de surtension du circuit vérifie alors la relation U2 = Q2.E. Compte tenu du fait que la tension injectée E peut être constante mais ne peut pas être mesurée avec une précision suffisante on utilise ensuite une troisième étape de mesure de Q2. Pour cela on fait varier la capacité du condensateur CA pour obtenir deux valeurs CAI et CA2 situées de part et d'autre de la valeur CAO et telles que la tension U qui valait U2 soit divisée par la racine carrée de 2. On sait alors que On sait aussi que LP2 (CP + CC + CAO) - I On peut à partir de ces équations calculer la tangente de l'angle de pertes d du matériau qui est définie par l'expression : L'angle de pertes d est souvent désigné par la lettre grecque delta. Il convient de faire encore certains calculs pour tenir compte d'éléments qui n'ont pas été mentionnés ci-dessus par souci de simplification. Il faut tenir compte notamnent des et de la capacité des parties périphériques du condensateur principal CP. Le matériau étudié occupe en effet seulement la partie centrale de ce condensateur de maniere à ce que ce matériau soit tout entier placé dans un champ électrique uniforme. Selon la présente invention, et conformément au schéma de la figure 2 la capacité auxiliaire est constituée non par un condensateur réglable unique CA mais par un condensateur C connecté en série avec une diode semiconductrice VC polarisée sous une tension continue inverse. Cette tension est réglable, ce qui permet de régler la capacité de la diode VC. Elle est fournie par une source K associée à un diviseur potentiométrique P. Le rôle du condensateur CR est d'assurer une isolation pour le courant continu entre d'une part les éléments L et CP et d'autre part la source K. Un filtre F empêche le courant alternatif circulant dans le circuit résonnant L, CP, de passer a travers la source K et le diviseur P.C'est lors de la troisième étape précédemment mentionnée que l'on fait varier la capacité auxiliaire constitutée par l'ensemble VC, CB, en agissant sur le diviseur potentiométrique P. On évite ainsi dtintro- duire une résistance de contact aléatoire dans le circuit résonnant L, CP. Conformément à la figure 3 le dispositif de mesure à une structure générale cylindrique coaxiale d'axe vertical. Il comporte un corps creux 2 métallique cylindrique d'axe vertical ce corps contient un condensateur principal CP constitué d'une électrode circulaire fixe CP2 placée au-dessous d'une électrode mobile de même forme CPI.L'électrode CP2 est fixée mécaniquement au corps 2 et isolée électriquement de celui-ci par l'intermédiaire d'une rondelle de silice 4 reposant coaxialement sur le bord d'une ouverture circulaire 5 Dercée dans le fond du corps 2. Un condensateur de compensatron CC est constitué par une aiguille 6 passant par une ouverture percée dans la paroi latérale du corps 2 et pénétrant horizontalement et radialement dans l'axe d'un trou creusé radialement dans la paroi latérale de l'électrode CP2. Cette aiguille est guidée par un roulement à billes linéaire 8 et poussée par un dispositif ? vis micrométrique 10 agissant contre un ressort comprimé 12. L'électrode mobile CPI est connectée électriquement au corps 2 par un soufflet métallique élastique S dont la forme générale est celle d'une couronne circulaire dans un plan horizontal. Cette électrode est solidaire d'une tige 16 guidée dans l'axe du corps 2 par un roulement à billes linéaire 18. Un levier 20 permet d'exercer une pression réglable vers le bas sur la tige 16 par l'intermédiaire d'un étrier 22. Ceci permet d'appliquer une pression prédéterminée convenable sur l'échantillon M placé entre les électrodes CPI et CP2 lors de la première étape de la mesure. Le déplacement de cette électrode est mesuré par un comparateur 24 et il est arrête par une butée micrométrique réglable 26 coopérant avec l'étrier 22 lors de la deuxième étape de la mesure. L'electrode fixe CP2 est connectée, électriquement à l'intérieur du corps 2 à un boîtier 28 qui est par ailleurs fixe et connecté électriquement à la paroi latérale de ce corps. Ce boîtier contient la diode à capacité variable VC et le condensateur reglable CB représentés sur la figure 2. I1 est connecté à une borne 30 isolée du corps 2 et permettent d'amener la tension de polarisation de la diode VC. La source de tension S n'est pas représentée sur la figure 3. L'électrode fixe CP2 est connectée, à travers un orifice axial de la rondelle 4 a une première extrémité d'une boucle métallique ouverte constituant l'inductance 1 et contenue dans une enceinte métallique cylindrique 32 situee au-dessous du corps 2 et connectée electriquement a celui-ci. La deuxième extrémité de l'inductance L est connectée électriquement et fixée à la paroi de cette enceinte. Au voisinage de cette deuxieme extrémité la boucle constituant l'inductance L est entourée par la bobine B; dans enceinte 32.Cette bobine est alimenté, à Laide d'un conducteur 34 traversant l'enceinte 32, par un générateur de courant alternatif non représenté sur la figure 3 La boucle constituant l'inductance L est entourée, au voisinage de sa première extrémité, par une bobine de mesure 38 qui peut être raccordée au voltmètre représenté en U sur la figure 2, mais non sur la figure 3. La boucle L a, au voisinage de sa première extrémité, la forme d'une tige métallique rectiligne dans l'axe du corps 2. Le diamètre de cette tige, ainsi que ceux de l'ouverture 5, de la paroi interieure du corps 2, des électrodes CPI et CP2, sont choisis de manière conserver une impédance constante à une ligne coaxiale dont le conducteur axial est constitué par cette tige et l'électrode CP2, et dont le blindage est constitué par le corps 2. A son extrémité supérieure cette ligne est fermée par le soufflet S. A son extrémité inférieure elle s 'ouvre sur l'espace intérieur à l'enceinte 32 dont les dimensions sont choisies suffisamment grandes pour rendre négligeables les capacites parasites crées entre l'inductance L et la paroi de cette enceinte. Ces dispositions facilient le calcul des capait s parasites à prendre en compte lors des mesures de pertes diélectriques de ltechantillon qui est placé entre les électrodes CFî et CP2. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de mesure de pertes diélectriques comportant - une inductance (L) - un capacite prinicpale (CP) connectée en parallèle avec cette inductance de manière à constituer un circuit résonnant, cette capacité principale étant formee par deux electrodes (CPI, CP2) en regard dont la distance est réglable - des moyens pour introduire entre ces électrodes un échantillon d'un matériau dont les pertes diélectrique doivent titre mesurées - une capacité auxiliaire (CA) réglable connectée en parallèle avec cette inductance (L) et cette capacité principale (LP) de manière à modifier la fréquence propre dudit circuit résonnant et à permettre de la régler - des moyens (G, B) pour injecter dans ledit circuit résonnant (L, C, P, C, A) une force électromotrice alternative d'amplitude et de fréquence constante de manière à y engendrer des oscillations électriques dont ltamplitude dépend des caractéristiques électriques des éléments constituant ce circuit - des moyens (38, U) pour mesurer l'amplitude des oscillations électriques dans ledit circuit résonnant (L, CP, CA) caractérisé par le fait que ladite capacité secondaire (CA) comporte une diode semiconductrice (VC) polarisée en inverse, des moyens de réglage (P) étant prévus pour régler la tension de polarisation de cette diode de manière à régler sa capacité. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite capacité auxiliaire (CA) est constituée par ladite diode à capacité variable (VC) en série avec une capacité d'isolement (cl), la tension fournie à l'aide desdits moyens de réglage (P) étant appliquée seulement aux bornes de cette diode à capacité variable COC).