Brevet FR2675586A1 — publié le 19921023

La présente invention concerne un dispositif pour l'estimation, à température élevée, des caractéristiques électromagnétiques d'un matériau diélectrique ou magné- tique, essentiellement sa permittivité et/ou sa perméabi- lité relatives. La connaissance de ces caractéristiques électromagnéti- ques est particulièrement importante dans le domaine aéronautique ou spatial, car de telles caractéristiques déterminent le comportement électromagnétique du maté- riau Par exemple, une telle connaissance permet de juger de la réponse radar d'un aéronef ou de la trans- mission de signaux à travers le fuselage Ainsi, pour caractériser le comportement électromagnétique d'un tel matériau, il est nécessaire de connaître lesdites caractéristiques électromagnétiques. Par exemple, par le document ALTA FREQUENZA, vol 36, n 8, août 1967, pages 757-764, Milan, IT; G. FRANCESCHETTI: "A complete analysis of the reflection and transmission methods for measuring the complex20 permeability and permittivity of materials at microwaves", on connaît une méthode pour déterminer les caractéristiques électromagnétiques d'un matériau, à partir d'échantillons de celui-ci introduits dans un appareil électromagnétique tel qu'une ligne coaxiale ou25 un guide d'ondes Les mesures peuvent être effectuées à la température ambiante ou bien à température élevée (jusqu'à 2000 C), comme cela est indiqué dans le document MICROWAVE JOURNAL, février 1991, pages 67 et suivantes; Rick L MOORE, Anita MAC DONALD et H Ross30 MOROZ: "Permittivity of Fiber-Polymer Composites: A study to determine the effects of the environmnent". Dans le cas o les mesures sont effectuées à température élevée, il est nécessaire de disposer ledit appareil électromagnétique dans un four Il en résulte alors des difficultés de chargement et de déchargement des échan- tillons dudit matériau dans ledit appareil électroma- gnétique. La présente invention a pour objet un dispositif pour l'estimation, à température élevée, des caractéristiques d'un matériau diélectrique ou magnétique, permettant un10 chargement et un déchargement aisés desdits échantil- lons. A cette fin, selon l'invention, le dispositif pour l'estimation, à température élevée, des caractéristiques électromagnétiques d'un matériau, comportant -un four; un appareil électromagnétique de mesure, disposé au moins en partie dans ledit four et comportant, dans cette dernière partie, un logement pour une pièce échantillon d'épaisseur uniforme façonnée dans ledit matériau, cette pièce échantillon étant telle que, lorsqu'elle est disposée dans ledit logement, sa périphérie extérieure épouse la surface intérieure dudit appareil électromagnétique de mesure; des moyens pour appliquer audit appareil électroma- gnétique de mesure une onde électromagnétique à hyperfréquence incidente; et des moyens pour recueillir l'onde électromagnétique transmise par ladite pièce échantillon; est remarquable en ce que ledit appareil électromagné- tique de mesure est un guide d'ondes disposé verticale- ment et en ce que ledit logement est prévu à l'extrémité inférieure ouverte dudit guide d'ondes. Ainsi, il est possible d'introduire ladite pièce échan- tillon dans le guide d'ondes par un simple mouvement d'élévation et de l'en extraire en laissant agir la pesanteur Une telle extraction naturelle est permise par le fait que la dilatation du guide d'ondes (réalisé en un métal tel que le molybdène ou le tungstène) est généralement supérieure à celle de la pièce échantillon dont on mesure les caractéristiques électromagnétiques. Eventuellement, dans la mesure de celles-ci, on fait intervenir un terme correctif tenant compte du jeu apparaissant entre le contour de ladite pièce échantil- lon et la paroi interne dudit guide d'ondes On remar- quera que, puisque l'appareil électromagnétique est un guide d'ondes donc une enveloppe tubulaire creuse, la mise en place et l'extraction de la pièce échantillon sont facilitées, puisqu'il n'existe pas d'âme centrale, comme ce serait le cas avec une ligne coaxiale Il résulte également du choix d'un guide d'ondes comme appareil électromagnétique que la répartition de la chaleur dans la pièce échantillon est particulièrement bonne et homogène, et meilleure que celle qui serait obtenue avec une ligne coaxiale, dont l'âme centrale perturbe une telle répartition de chaleur en la rendant hétérogène à l'intérieur de ladite pièce échantillon. De préférence, le dispositif selon l'invention comporte de plus une plaquette électromagnétiquement conductrice s'appliquant contre l'extrémité inférieure ouverte dudit guide d'ondes et susceptible de supporter ladite pièce échantillon pendant les mesures Ainsi, ladite plaquette forme un court-circuit pour ledit guide d'ondes. Afin que les mesures soient aussi précises que possible, l'extrémité inférieure ouverte du guide d'ondes est extérieurement biseautée Ainsi, la surface de contact entre le guide d'ondes et ladite plaquette est réduite et l'application de cette dernière contre le guide d'ondes est améliorée. Avantageusement, ladite plaquette est guidée en coulis- sement vertical par rapport au guide d'ondes Il est5 avantageux qu'un tel coulissement s'effectue sous l'action d'un vérin ou analogue. Pour mettre en place la pièce échantillon dans son logement, il est avantageux de prévoir des moyens supportant temporairement ladite pièce échantillon et10 centrés par rapport à la surface extérieure dudit guide d'ondes Ainsi, il est possible d'introduire facilement ladite pièce échantillon dans son logement et, ladite plaquette étant élevée en une position proche de la position d'obturation dudit guide d'ondes, d'éliminer15 lesdits moyens de support en déposant ladite pièce échantillon sur ladite plaquette, celle-ci restant engagée dans son logement. Afin d'éviter toute pollution de la pièce échantillon pendant les mesures, on prévoit un four de type élec-20 trique permettant de plus d'obtenir une large gamme de températures Celui-ci peut, selon une particularité de l'invention, comporter une enceinte thermique enfermant une enveloppe chauffante, mobile verticalement entre une position rétractée, pour laquelle elle dégage l'extré-25 mité inférieure dudit guide d'ondes pour permettre la mise en place et l'extraction de la pièce échantillon et une position saillante, pour laquelle elle entoure ladite extrémité inférieure dudit guide d'ondes Cette position saillante correspond notamment à la position de30 chauffage, de sorte que la pièce échantillon se trouve entourée alors par ladite enveloppe chauffante, ce qui permet un chauffage particulièrement efficace et homo- gène Pour déplacer verticalement ladite enveloppe chauffante, on prévoit des moyens moteurs, tels qu'un vérin ou analogue Il est avantageux que lesdits moyens moteurs, pendant les mesures, pressent ladite plaquette contre l'extrémité inférieure dudit guide d'ondes. De préférence, la pression desdits moyens moteurs sur ladite plaquette s'exerce par l'intermédiaire d'une tige mobile verticalement associée à un capteur de pression. Ainsi, pendant la mesure, la pression de la plaquette contre le guide d'ondes peut être maintenue constante, bien que la malléabilité du guide d'ondes varie avec la température Grâce à une telle particularité, la préci- sion des mesures est encore améliorée. Pour améliorer encore plus l'homogénéité de la réparti- tion de la pression exercée par la plaquette contre l'extrémité ouverte du guide d'ondes, ladite tige presse ladite plaquette par l'intermédiaire d'une rotule prenant appui approximativement au centre de ladite plaquette. Selon encore une autre particularité de la présente invention, on prévoit un système de pelle et de pous- soir, actionnable depuis l'extérieur du four et permet- tant d'évacuer la pièce échantillon de ladite plaquette, lorsque celle- ci est écartée dudit guide d'ondes Cette particularité permet un mode opératoire particulièrement avantageux du dispositif conforme à l'invention On sait en effet que les mesures des caractéristiques électromagnétiques d'une pièce échantillon nécessite des mesures identiques à vide (sans ladite pièce échantillon) et avec ladite pièce échantillon, lesdites caractéristiques étant déduites de la comparaison desdites mesures Grâce au système de pelle et de poussoir et en commençant les mesures relatives à l'échantillon, il est possible d'effectuer les mesures à vide sans ouvrir le four et sans avoir à recommencer un cycle de montée en température Ainsi, avec un seul cycle de montée en température, on peut effectuer les mesures relatives à la pièce échantillon, puis les mesures à vide Le temps total des mesures est donc considérablement raccourci. De façon connue, le dispositif peut comporter de plus des appareils et détecteurs auxiliaires tels que:. pompe à vide pour effectuer le vide à l'intérieur dudit four et réduire ainsi des pollutions de la pièce échantillon; réservoirs de gaz neutre, pour effectuer le balayage du four; dispositif de refroidissement de l'enceinte du four capteur de température; jauge à vide, etc Pour piloter ces différents appareils et détecteurs auxiliaires, ainsi que le vérin de coulissement vertical de la plaquette et lesdits moyens moteurs, il est avantageux de prévoir une première calculatrice Une seconde calculatrice peut être prévue pour commander ledit appareil électromagnétique et effectuer les mesures relatives à celui-ci. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments sem- blables. La figure 1 est le schéma synoptique, au repos, du dispositif conforme à la présente invention, le four y30 étant représenté en coupe. Les figures 2 A à 2 E sont des coupes verticales de l'extrémité inférieure du guide d'ondes, illustrant la mise en place d'une pièce échantillon dans ledit guide d'ondes, dans un plan perpendiculaire à celui de la figure 1. La figure 3 est une coupe horizontale, selon la ligne III-III de la figure 2 A. La figure 4 est un schéma synoptique semblable à celui de la figure 1, le four étant dans une phase de chauffa-10 ge. Les figures 5 A et 5 B sont des coupes verticales de l'extrémité inférieure du guide d'ondes, illustrant l'élimination de ladite pièce échantillon, le plan des figures 5 A et 5 B étant perpendiculaire à celui des15 figures 2 A à 2 E. Le dispositif conforme à la présente invention, montré schématiquement sur la figure 1, comporte une enceinte thermique à double paroi 1, parcourue par un fluide de refroidissement traversant un système de refroidissement20 2 A la partie supérieure de l'enceinte thermique 1 est disposé un guide d'ondes vertical 3, traversant ladite enceinte de façon étanche La partie supérieure 3 A dudit guide d'ondes, extérieure à l'enceinte thermique 1, est reliée à un analyseur de réseau 4 et à une calculatrice25 5 par l'intermédiaire d'un câble coaxial 6 L'ensemble 4- 5-6 forme le dispositif d'alimentation du guide d'ondes 3 en ondes électromagnétiques et le dispositif d'analyse des ondes électromagnétiques parcourant ledit guide d'ondes 3. La partie inférieure 3 B du guide d'ondes 3, intérieure à l'enceinte thermique 1, est ouverte et peut être obturée par une plaquette 7, susceptible de venir s'appliquer contre les bords 8 de l'ouverture inférieure 9 du guide d'ondes 3 (voir la figure 2 E) Pour assurer l'uniformité du contact entre la plaquette 7 et les bords 8 de5 l'ouverture 9, ces dernières sont extérieurement biseautées (en 10). Le guide d'ondes 3 peut par exemple être réalisé en tôle de molybdène ou de tungstène Sur les figures, le guide d'ondes 3 est représenté avec une section rectangulaire. Comme le montrent plus en détail les figures 2 A et 2 E (dont le plan est perpendiculaire au plan de la figure 1), la plaquette 7 est suspendue à des tiges 11 par rapport auxquelles elle peut coulisser, lesdites tiges 11 coulissant elles-même dans des paliers de coulissement 12, fixés sur la paroi extérieure du guide d'ondes 3 La plaquette 7, retenue sur les tiges 11 par des butées 11 A, est susceptible d'être poussée vers le haut par une tige 13 en coulissant le long desdites tiges 11, pour venir s'appliquer contre l'ouverture20 inférieure 9 de ce dernier. Les tiges de suspension 11 peuvent coulisser dans les paliers 12 sous l'action d'un vérin 14, par exemple de type pneumatique La tige de support 13 est logée, à la manière d'un piston, dans un cylindre 15 prévu à l'ex-25 trémité de la tige de piston 16 d'un vérin 17, par exemple électrique Le vérin 17 est disposé à la partie inférieure de l'enceinte thermique 1, à l'extérieur de celle-ci Sa tige 16 traverse ladite enceinte de façon étanche et est disposée verticalement, en regard du guide d'ondes 3. La tige 13 est susceptible de prendre appui sous la plaquette 7, au voisinage de son centre, par l'intermédiaire d'une rotule 18 Ainsi, l'uniformité du contact entre la plaquette 7 et les bords 8 de l'ouverture 9 peut encore être améliorée, en profitant du jeu inévitable des tiges 11 dans les paliers 12 et dans la plaquette 7. Sur la tige 16 du vérin 17, est fixée une enveloppe cylindrique coaxiale 19, dont la paroi porte des résistances électriques 20. Le dispositif de la figure 1 comporte de plus une alimentation électrique 21; un dispositif de pompage 22 pour faire le vide dans l'enceinte 1; un dispositif 23 pour introduire un gaz neutre dans l'enceinte 1, par l'intermédiaire d'une électrovanne 24; une jauge à vide 25 et un thermocouple 26 pour mesurer le vide et la température à l'intérieur de l'enceinte 1; et une unité de commande et de contrôle de four 27, pilotée par une calculatrice 28. Par ailleurs, un détecteur de pression 29 est disposé entre le fond du cylindre 15 et la tige 13, tandis qu'une pelle 30 et un poussoir 31 sont respectivement solidaires de barres de commande 32 et 33, traversant25 l'enceinte 1 de façon étanche. Dans la phase initiale d'un cycle de mesure, le dispo- sitif conforme à l'invention se trouve dans l'état représenté sur la figure 1, c'est-à-dire que: la plaquette 7 est écartée de l'extrémité inférieure 3 B du guide d'ondes 3, suspendue à celui-ci par les tiges 11 et les butées 1 l A; la tige 16 du vérin 17 est rétractée, de sorte que la plaquette 7 se trouve à l'extérieur de l'enveloppe 19, au-dessus de celle-ci; le système de pelle 30 et de poussoir 31 est rétracté latéralement. Dans cet état initial, l'ouverture inférieure 9 du guide d'ondes 3 est donc dégagée et on peut y introduire une pièce échantillon 34 du matériau à étudier, de la façon illustrée par les figures 2 A à 2 E et 3 Le plan des10 figures 2 A à 2 E est perpendiculaire à celui de la figure 1 et, pour des raisons de simplicité de dessin, les tiges 11 et les paliers 12 n'ont pas été représentés sur les figures 2 B à 2 E. Pour mettre en place la pièce échantillon 34 dans l'ouverture 9, prévue à la partie inférieure du guide d'ondes 3, l'enceinte 1 étant ouverte, on utilise une équerre 35, susceptible de prendre appui sur deux faces extérieures consécutives dudit guide d'ondes 3, par exemple par l'intermédiaire de vis de réglage 36 A la20 partie inférieure de ladite équerre 35, le dièdre de celle-ci est partiellement obturé par une lame mince 37 comportant l'empreinte 38 de la pièce échantillon 34. Ainsi, la pièce échantillon 34 peut être disposée de façon précise sur la lame mince 37 grâce à l'empreinte25 38 et ladite lame mince 37 peut être disposée de façon précise, entre l'ouverture inférieure 9 du guide d'ondes 3 et la plaquette 7, grâce aux vis de réglage 36. Comme le montre la figure 2 A, grâce à l'équerre 35 et à la lame mince 37, la pièce échantillon 34 peut être30 disposée juste en regard de l'ouverture inférieure 9, mais au-dessus de la plaquette 7. il Par suite, en coulissant (flèche Fl) l'équerre 35 vers le haut tout en maintenant le contact entre celle-ci et la paroi extérieure du guide d'ondes 3, il est possible d'introduire avec précision la pièce échantillon 34 à5 l'intérieur de l'ouverture inférieure 9 du guide d'ondes 3, jusqu'à ce que la lame mince 37 vienne en appui contre le bord 8 de ladite ouverture 9 (figure 2 B) Dans cette position, on commande le vérin 14 pour qu'il tire les tiges 11 vers le haut (flèche F 2), jusqu'à ce que la10 plaquette 7 vienne juste au-dessous de la lame mince 37, sans la presser (figures 2 C) On peut alors retirer latéralement l'équerre 35 et la lame mince 37 (flèche F 3), la pièce échantillon 34 restant à l'intérieur de l'ouverture 9, mais reposant maintenant sur la plaquette15 7 (figure 2 D) Enfin, le vérin 17 est actionné, de sorte que sa tige 16 se déplace verticalement vers le haut (flèche F 4) entraînant la tige 13 dans son mouvement ascendant et que la rotule 18 vient presser la plaquette 7 contre le bord 8 de l'ouverture 9 (figure 2 E) Au cours de la montée de la tige 16, l'enveloppe chauffante 19, solidaire de celle-ci, est venue se placer autour de- l'extrémité inférieure 3 B du guide d'ondes 3 (figure 4). Après avoir refermé l'enceinte 1, on peut alors procé- der, de façon connue et sous la dépendance de la25 calculatrice 28 et de l'unité de commande 27, à la mise sous vide et à la montée en température de l'enceinte 1. La température de mesure désirée étant atteinte et maintenue, on effectue alors, sous la dépendance de la calculatrice 5 et de l'analyseur 4, les mesures30 concernant la pièce échantillon 34. On remarquera que, grâce au détecteur de pression 29, on peut asservir le vérin 17 pour que la pression exercée par la plaquette 7 sur le bord inférieur 8 du guide d'ondes 3 soit constante. Lorsque les mesures nécessaires ont été effectuées, sans ouvrir l'enceinte 1, on commande le vérin 17, puis le vérin 14, à l'abaissement Par suite, l'enveloppe chauf- fante 19 et la plaquette 7 s'abaissent; la pièce5 échantillon 34 sort de l'ouverture 9 du guide d'ondes en restant supportée par ladite plaquette 7 Lorsque celle-ci atteint un niveau prédéterminé, le système de pelle 30 et de poussoir 31 est actionné par les tiges 32 et 33 pour se rapprocher (flèches F 5 et F 6) de la pièce10 échantillon 34 (figure 5 A) Le rapprochement continuant, le poussoir 31 peut éjecter la pièce échantillon 34 dans la pelle 30 (figure 5 B) Par commande des tiges 32 et 33 en sens inverse (flèches F 7 et F 8), on peut rétracter latéralement la pelle 30 et le poussoir 31, pour dégager15 à nouveau la partie centrale de l'enceinte 1. On commande alors de nouveau les vérins 14 et 17 à l'élévation pour reprendre les positions relatives des figures 2 E et 4, mais sans pièce échantillon 34 Il est alors possible de procéder aux mesures à vide, à partir20 desquelles on pourra déterminer, par comparaison avec les mesures précédentes, les caractéristiques électroma- gnétiques du matériau de la pièce échantillon 34. Dans la description ci-dessus, on n'a décrit que ce qui concerne la présente invention, sans apporter de détail25 au fonctionnement de la pompe à vide 22, du dispositif de balayage de gaz neutre 23,24 et du dispositif de chauffage et de régulation en température, qui est de la connaissance de l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 Dispositif pour l'estimation, à température élevée, des caractéristiques électromagnétiques d'un matériau, comportant: un four ( 1,19,20); un appareil électromagnétique de mesure ( 3), disposé au moins en partie dans ledit four et comportant, dans cette dernière partie, un logement ( 9) pour une pièce échantillon ( 34) d'épaisseur uniforme façonnée dans ledit matériau, cette pièce échantillon ( 34) étant telle que, lorsqu'elle est disposée dans ledit loge- ment ( 9), sa périphérie extérieure épouse la surface intérieure dudit appareil électromagnétique de mesu- re; des moyens ( 4,5,6) pour appliquer audit appareil électromagnétique de mesure ( 3) une onde électroma- gnétique à hyperfréquence incidente; et des moyens ( 4,5,6) pour recueillir l'onde électroma- gnétique transmise par ladite pièce échantillon ( 34); caractérisé en ce que ledit appareil électromagnétique de mesure est un guide d'ondes ( 3) disposé verticalement et en ce que ledit logement ( 9) est prévu à l'extrémité inférieure ouverte ( 3 B) dudit guide d'ondes ( 3). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une plaquette ( 7) électromagnétiquement conductrice s'appliquant contre l'extrémité inférieure ouverte dudit guide d'ondes ( 3) et susceptible de supporter ladite pièce échantillon ( 34) pendant les mesures. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'extrémité inférieure ouverte dudit guide d'ondes est extérieurement biseautée (en ). 4 Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ladite plaquette ( 7) est guidée en coulissement vertical ( 11,12) par rapport au guide d'ondes ( 3). 5 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit coulissement vertical de la plaquette ( 7) s'effectue sous l'action d'un vérin ou analogue ( 14). 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens ( 35,36,37) supportant temporairement ladite pièce échantillon ( 34) et centrés par rapport à la surface extérieure dudit -guide d'ondes ( 3). 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit four est électrique. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit four comporte une enceinte thermique ( 1) enfermant une enveloppe chauffante ( 19,20), mobile verticalement entre une position rétractée, pour laquelle elle dégage l'extrémité inférieure dudit guide d'ondes ( 3) pour permettre la mise en place et l'ex- traction de ladite pièce échantillon ( 34) et une posi-25 tion saillante, pour laquelle elle entoure ladite extrémité inférieure dudit guide d'ondes. 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens moteurs ( 16,17) pour déplacer verticalement ladite enveloppe chauffante ( 19,20). Dispositif selon les revendications 2 et 9, caractérisé en ce que lesdits moyens moteurs ( 16,17), pendant les mesures, pressent ladite plaquette ( 7) contre l'extrémité inférieure dudit guide d'ondes ( 3). 11 Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la pression desdits moyens moteurs ( 16,17) sur ladite plaquette ( 7) s'exerce par l'inter- médiaire d'une tige ( 13) mobile verticalement associée à un capteur de pression. 12 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite tige ( 13) presse ladite plaquette ( 7) par l'intermédiaire d'une rotule ( 18) prenant appui approximativement au centre de ladite plaquette ( 7). 13 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte un système de pelle ( 30) et de poussoir ( 31), actionnable depuis l'extérieur du four et permettant d'éliminer la pièce échantillon ( 34) de ladite plaquette, lorsque celle-ci est écartée dudit guide d'ondes. 14 Dispositif selon les revendications 5 et 9, compor- tant des appareils et détecteurs auxiliaires ( 2,22,23, 24,25,26), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de calcul ( 27) pour piloter lesdits appareils et détecteurs auxiliaires ainsi que ledit vérin ( 14) et lesdits moyens moteurs ( 16,17). Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de calcul ( 4,5) pour piloter ledit appareil électromagnétique ( 3).