Brevet FR2707396A1 — publié le 19950113

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETECTION DE DEFAUTS D'HOMOGENEITE DANS UNE BANDE OU FEUILLE MINCE EN MATERIAU DIELECTRIQUE La présente invention a trait à la détection de la présence dans une bande ou feuille mince en matériau diélectrique d'une inhomogéneité, d'ordre quantitatif, telle qu'un défaut de grammage ou d'ordre qualitatif, telle que la présence d'un corps étranger notamment un corps métallique ou de l'eau. Le but de l'invention est de permettre le contrôle de l'homogénéité de bandes ou feuilles minces en matériau diélectrique, telles que par exemple des bandes destinées à10 constituer des séparateurs électroporeux pour éléments de piles ou d'accumulateurs électriques, en vue de l'élimination de la bande, feuille ou partie de bande ou feuille, présentant des défauts supérieurs aux normes de tolérance fixées par le cahier des charges imposé. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de détection de défauts d'homogénéité dans une bande ou feuille mince en matériau diélectrique, notamment des défauts de grammage ou la présence de corps métalliques ou d'eau, caractérisé en ce qu'il consiste à faire défiler la bande ou feuille successivement dans deux champs identiques d'ondes électromagnétiques hyperfréquences stationnaires, d'axes parallèles et décalés axialement d'un quart de la longueur des ondes, le plan de la bande ou feuille dans la zone de défilement étant sensiblement confondu avec le plan défini par les axes des deux champs d'ondes, et à détecter, au cours du défilement, les éventuelles variations des deux champs électriques, engendrées par lesdits défauts d'homogénéité de ladite bande ou feuille. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, caractérisé en ce qu'il est constitué de deux cavités résonantes parallélépipèdiques, identiques, agencées de manière que leurs grandes faces latérales soient communes en étant décalées axialement d'une distance égale à un quart de la longueur d'onde dans les cavités, l'une des extrémités des cavités comportant un iris10 communiquant par un guide d'onde approprié à une même source d'ondes hyperfréquences, cependant que l'autre extrémité des cavités comporte un iris en regard duquel est disposé un détecteur de variation du champ électrique, les deux détecteurs étant reliés à des moyens appropriés de traitement15 et exploitation des signaux délivrés par lesdits détecteurs, les cavités comportant par ailleurs, sur les grandes faces latérales susdites, des fentes identiques en regard pour le passage de la bande ou feuille à contrôler, situées dans un plan sensiblement confondu avec le plan défini par les axes20 longitudinaux des cavités et de moyens aptes à faire défiler ladite bande ou feuille dans lesdites fentes en regard. De préférence, les cavités fonctionnent en mode TEon, n étant un nombre impair, et les dimensions des fentes correspondent aux dimensions, en section, de la bande ou feuille à contrôler. Avantageusement, les iris, qui ne sont pas obligatoirement identiques, sont réglables par exemple à l'aide de tiges d'adaptation. Les signaux de sortie des deux détecteurs sont éventuellement décalés dans le temps à des fins de superposition pour leur traitement ultérieur. Le résultat du traitement des signaux est un affichage et un enregistrement éventuel des variations des champs électriques dans les deux cavités. Afin de réduire les dimensions des cavités, on peut éventuellement garnir complètement ces dernières d'un matériau diélectrique non absorbant, tel que du Téflon, muni, en regard des fentes des cavités, d'un passage de section appropriée à celle de la bande ou feuille à contrôler. Un tel dispositif permet de déceler dans une bande ou feuille, par exemple de papier à fibres non-tissées, des défauts locaux de grammage se traduisant par des variations parfaitement identifiables et mesurables, après étalonnage du 5 dispositif, des signaux délivrés par les détecteurs affectés aux deux cavités dont le décalage axial d'un quart de longueur d'onde à essentiellement pour objectif de permettre le contrôle de bande ou feuille dont la largeur peut être bien supérieure à la longueur d'onde dans les cavités. Ce décalage10 produit un décalage des deux champs électriques assurant que la bande, sur toute sa largeur, traverse un champ de variation d'amplitude suffisante. Ce même dispositif est également apte à déceler des variations locales d'humidité dans une telle bande ou feuille ou encore la présence de particules métalliques, même très fines, laquelle engendre des pics bien identifiables dans les courbes de variation du champ électrique obtenues à partir des signaux des détecteurs associés aux deux cavités. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de modes de réalisation du dispositif de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement et en regard des dessins annexes sur lesquels: Figure 1 représente schématiquement en perspective deux cavités résonantes décalées axialement, d'un dispositif selon l'invention; - Figure 2 est une vue en élévation schématique d'un dispositif selon l'invention; - Figure 3 illustre l'agencement mutuel dans l'espace des champs d'ondes stationnaires à variation sinusoïdale dans les deux cavités, tel que peut le voir la bande traversant les cavités; - Figures 4a,4b,4c et 4d représentent respectivement des courbes de bruit de fond d'un dispositif selon l'invention, de détection d'une variation de grammage d'une bande de papier non-tissé, de détection de deux particules métalliques et de détection d'une variation locale du taux d'humidité. Sur la figure 1, on a représenté deux cavités résonantes C1 et C2, parallélépipèdiques, identiques, agencées de manière 4 que leurs grandes faces latérales soient communes en étant décalées axialement d'une distance d. Chaque cavité C1,C2 présente une section rectangulaire de hauteur a de 10 mm, de largeur b (grande face latérale) de 22,6 mm et une longueur de 83 mm, les dimensions ci-dessus, données à titre d'exemple uniquement, étant prises à l'intérieur des cavités. Dans l'axe longitudinal de chaque cavité sont ménagés, à l'extrémité amont (côté source d'ondes électromagnétiques hyperfréquences), un iris d'entrée Ie et, à l'extrémité aval, un iris de sortie Is. Les iris sont de forme circulaire, rectangulaire, carrée ou autre et les iris de sortie ne sont pas obligatoirement identiques aux iris d'entrée. Une telle structure de cavité est bien connue et n'a pas besoin d'être15 décrite plus en détail. Conformément à l'invention, des fentes sont ménagées dans les grandes faces latérales des cavités C1,C2, en sorte de ménager dans les parties de cavité en recouvrement un passage orthogonal au plan desdites grandes faces latérales. Sur la20 figure 1 on n'a représenté par souci de clarté que la fente 1 ménagée dans la grande face latérale supérieure 2 de la cavité C1 et la fente 3 ménagée dans la grande face latérale inférieure de la cavité C2, les faces en contact des cavités étant bien entendu munies d'une fente. Toutes les fentes sont identiques, superposées et situées dans le plan défini par les deux axes longitudinaux A des cavités Cl,C2. Les extrémités des fentes (1,3) sont de préférence effilées et leur section correspond à celle par exemple de la bande B à contrôler.30 L'emplacement des fentes dans la partie de l'ensemble commune aux deux cavités n'est pas critique comme on le verra plus loin. Les dimensions des cavités C1,C2 et des iris IeIs sont déterminées de manière à créer à l'intérieur des cavités un régime d'ondes stationnaires à partir d'une onde progressive commune, symbolisée en 4 sur la figure 2, provenant d'une source (non représentée) d'ondes électromagnétiques du domaine des hyperfréquences. La source est par exemple un klystron ou source solide suivi d'un isolateur, émettant une onde de40 fréquence 9676 MHz. L'onde progressive 4 est guidée par un guide d'onde 5, puis un conduit commun 6 canalisant l'onde vers les deux iris Ie des cavités C1,C2. Les iris, en particulier d'entrée Ie, sont de préférence réglables, par exemple à la manière connue, à l'aide de tiges d'adaptation, afin d'ajuster le régime stationnaire des ondes en fonction du volume du matériau en cours de contrôle à l'intérieur de l'ensemble résonant C1,C2, l'objectif étant d'obtenir la résonance optimale, laquelle procurera la10 meilleure sensibilité. Sur la figure 3 on a représenté schématiquement en traits pleins en S1 un régime d'ondes stationnaires établi dans la cavité C1 et caractérisé par deux noeuds de vibration intermédiaires entre les iris d'entrée et de sortie IeIs et15 en tiretés en S2 le régime d'ondes stationnaires homologue établi dans la cavité 2 Le décalage axial d entre les deux cavités C1,C2 est calculé de façon à être égal au quart de la longueur d'onde du système stationnaire (g/4).20 Ainsi, lorsque la bande B est engagée dans l'alignement de fentes (1,3) des cavités, chaque point pris transversalement à l'axe longitudinal de la bande est assuré de traverser, soit dans la cavité C1, soit dans la cavité C2, une partie de champ d'ondes stationnaires (S1 ou S2) d'amplitude maximale ou25 voisine de l'amplitude maximale. Cette particularité est indépendante de la largeur 1 de la bande B qui n'est pas bien entendu nécessairement égale à une demi-longueur d'onde comme représenté sur la figure 3. De même, l'emplacement des fentes 1,3 n'est pas nécessairement déterminé de manière que l'un des bords de la bande B coïncide avec un noeud de vibration. Plus précisément, le décalage d est égal à g/4, c'est-à- dire à environ 42 mm pour une source d'ondes à 9676 MHz, suivant l'équation: 2 bX xa =I xg (2bVI2-x Xg _X dans laquelle: Àg est la longueur d'onde dans le guide (cavités C1,C2) plein d'un matériau de perméabilité p et de permittivité s, X est la longueur d'onde en espace libre et dans le vide, b est la largeur de la section interne de la cavité (C1,C2). De préférence, la source d'ondes hyperfréquences crée dans les cavités le mode TEon, n étant un nombre impair. Avantageusement, le paramètre a (hauteur) de chaque cavité sera substantiellement inférieur au paramètre b (largeur) et l'iris de sortie Is sera le plus petit possible tout en permettant d'avoir un signal de sortie suffisant sans trop amortir la cavité. L'iris de sortie Is n'est pas forcément identique à l'iris d'entrée Ie- En regard de chaque iris de sortie Is est disposé (figure 2) un détecteur de variation de champ électrique 7, par exemple un bolomètre ou une diode détectrice à cristal de silicium. Les sorties des détecteurs 7 sont reliées à un circuit 8 de traitement des signaux, lui-même relié à un dispositif 9 de visualisation et/ou d'enregistrement des signaux de variations de champ électrique. Du fait que les signaux délivrés par les deux détecteurs 7 sont décalés dans le temps, un défaut local de la bande B passant nécessairement dans le champ de la cavité C1 avant20 celui de la cavité C2, le circuit de traitement du signal 8 peut comporter une ligne à retard pour recaler et superposer les signaux des deux détecteurs 7. Les fentes 1,3 sont de dimensions juste suffisantes pour le passage de la bande B ou tout autre matériau en feuille, par exemple 40 mm x 2 mm. Sur les figures 4a à 4d on a illustré diverses courbes de variation du champ électrique dans les cavités ClC2 lors du passage d'une bande de papier support électroporeux destiné à la réalisation de piles ou accumulateurs.30 La figure 4a illustre un simple signal de bruit de fond, les cavités C1,C2 demeurant vides. La figure 4b est relative à la détection d'un défaut de grammage et plus particulièrement d'une réduction localisée de la quantité de matière lors du passage de la zone concernée de35 la bande B dans les deux cavités, les signaux de sortie des deux détecteurs 7 étant superposés. La partie 10 de la courbe représentée a trait à une section de la bande présentant des variations locales de grammage mineures entrant dans une plage de tolérance déterminée. La partie 11 de la courbe illustre une chute substantielle de l'amplitude du champ électrique dans les cavités, indicatrice d'une réduction du volume de la section de bande présente dans le champ électrique des cavités. 5 La partie 12 de la courbe indique le retour à une zone de la bande présentant des variations de grammage entrant dans les tolérances admises. La bande B défile dans les cavités Cl,C2 de préférence à vitesse constante. Préalablement au passage de la bande est effectué un étalonnage du dispositif en faisant défiler dans les cavités ClC2 une bande étalon munie de découpes pré-déterminées correspondant à des réductions de volume bien définies et donc de grammage déterminées. On peut ainsi définir une plage de15 variation d'amplitude du signal de détection correspondant à une plage de variation de grammage tolérée, comme illustré par les lignes Tp (tolérance en plus) et TM (tolérance en moins), à partir de laquelle on pourra repérer aisément les variations non tolérables, en plus ou en moins (comme illustré en 11), du grammage de la bande. Connaissant la vitesse de défilement de la bande, le dispositif peut facilement être muni d'un moyen de marquage sur la bande de la section indésirable. L'étendue (suivant l'axe de coordonnée horizontale) de la partie 11 de la courbe25 permet également d'apprécier la longueur de la section défectueuse de la bande. Si les deux signaux émanant des détecteurs 7 ne sont pas superposés, on peut même éventuellement situer approxima- tivement dans quelle partie, transversalement à la bande B, se30 situe le défaut, si l'un des détecteurs 7 est beaucoup plus sollicité que l'autre. Par exemple, si un défaut se trouve au milieu de la bande B (figure 3), il va traverser le champ S1 au niveau d'un ventre de vibration, puis le champ S2 au niveau d'un noeud de35 vibration, ce qui va se traduire par une variation importante du signal du détecteur 7 de la cavité C1 et une variation quasi nulle du signal de l'autre détecteur 7. La figure 4c illustre la présence dans la bande B de deux inclusions métalliques se traduisant par deux pics 13 et 14 négatifs, d'amplitudes inégales, correspondant à deux métaux 8 de nature différente. La nature métallique des inclusions modifie brutalement le champ électrique, les métaux étant conducteurs électriques. Là également, un étalonnage permet de discriminer la nature de l'inclusion, ainsi que sa taille (son 5 poids). La figure 4d illustre une variation brutale du champ électrique (pic négatif 15) due à la présence locale dans la bande B d'une quantité d'eau, correspondant dans l'exemple de la figure 4d à une gouttelette déposée sur la bande avant son10 passage dans les fentes 1,3. Le pic 15 n'a pas la même allure (moins acéré et moins important) que les pics 13,14 et peut ainsi être distingué. Si la zone "mouillée" de la bande B est plus étendue, on pourra obtenir une courbe ressemblant à celle de la figure 4b. Une analyse plus fine des signaux émanant des détecteurs 7 permet de distinguer la nature des variations du champ électrique, puisqu'une variation de grammage (volume) de la bande B a une incidence sur la fréquence du signal détecté, alors qu'une variation d'humidité entraîne une variation de la20 permittivité de la zone mouillée de la bande, ayant des effets sur l'amplitude du signal détecté. La bande ne doit cependant pas être trop mouillée, au risque de ne pas avoir de cavités résonant suffisamment. La fréquence de la source d'ondes hyperfréquences peut être modifiée à des fins d'adaptation au matériau à contrôler (nature, épaisseur et largeur de la bande ou feuille). La fréquence de 9676 MHz donnée plus haut en exemple n'est pas limitative et peut varier dans de larges mesures. Afin de réduire les dimensions des cavités Cl,C2, on peut, à la manière connue, remplir totalement ces cavités d'un matériau diélectrique n'absorbant pas les ondes électromagnétiques, du Téflon par exemple, auquel cas les blocs de Téflon disposés dans les cavités C1, C2 sont percés de passages de section rectangulaire en correspondance et en35 alignement avec les fentes 1,3. Un tel agencement a par ailleurs comme autre intérêt de faciliter le glissement de la bande ou feuille et de guider celle-ci lors de la traversée des cavités résonantes. Le nombre de noeuds de vibration (deux dans l'exemple de la figure 3) intermédiaires entres les iris IeIs dans les 9 cavités peut bien entendu être différent, supérieur ou inférieur en pouvant même être réduit à zéro. La largeur de la bande ou feuille à contrôler peut être quelconque, il suffit de construire les cavités ClC2 en conséquence. L'invention s'applique à la détection de défauts d'homogénéité dans un matériau diélectrique sous forme de bande ou de feuille, souple ou rigide, ces défauts pouvant être de diverses natures, notamment des défauts de volume ou de poids, ou la présence de corps étrangers modifiant la permittivité du milieu, tels qu'un métal ou un liquide conducteur de l'électricité. Enfin, l'invention n'est évidemment pas limitée aux modes de réalisation représentés et décrits ci-dessus, mais en couvre au contraire toutes les variantes, notamment en ce qui concerne les nature, forme et dimensions des cavités ClC2, des iris IeIS, des moyens de détection (7) des variations de champ électrique, ainsi que les moyens de traitement et exploitation des signaux de détection. R E V E N D I C A T IONS 1. Procédé de détection de défauts d'homogénéité dans une bande ou feuille mince en matériau diélectrique, notamment des défauts de grammage ou la présence de corps métalliques ou d'eau, caractérisé en ce qu'il consiste à faire défiler la 5 bande (B) ou feuille successivement dans deux champs identiques (SlS2) d'ondes électromagnétiques hyperfréquences stationnaires, d'axes (A) parallèles et décalés axialement d'un quart de la longueur des ondes, le plan de la bande ou feuille dans la zone de défilement étant sensiblement confondu avec le plan défini par les axes des deux champs d'ondes (SlS2), et à détecter, au cours du défilement, les éventuelles variations des deux champs électriques, engendrées par lesdits défauts d'homogénéité de ladite bande (B) ou feuille. 2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué de deux cavités résonantes (Cl, C2), parallélépipèdiques, identiques, agencées de manière que leurs grandes faces latérales soient communes en étant décalées axialement d'une distance (d) égale20 à un quart de la longueur d'onde dans les cavités, l'une des extrémités des cavités comportant un iris (Ie) communiquant par un guide d'onde approprié (5,6) à une même source d'ondes hyperfréquences, cependant que l'autre extrémité des cavités comporte un iris (Is) en regard duquel est disposé un25 détecteur (7) de variation du champ électrique, les deux détecteurs étant reliés à des moyens appropriés (8,9) de traitement et exploitation des signaux délivrés par lesdits détecteurs (7), les cavités (Cl,C2) comportant par ailleurs, sur les grandes faces latérales susdites, des fentes30 identiques en regard (1,3) pour le passage de la bande (B) ou feuille à contrôler, situées dans un plan sensiblement confondu avec le plan défini par les axes longitudinaux (A) des cavités (ClC2) et de moyens aptes à faire défiler ladite bande ou feuille dans lesdites fentes en regard (1,3). il 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la distance (d) de décalage axial des cavités (C1,C2) est égale à Xg /4 suivant l'équation: Xg= 2bX Xg v (2bWi) 2 - i2 dans laquelle: Àg est la longueur d'onde dans le guide (C1,C2) plein d'un matériau de perméabilité V et de permittivité c, X est la longueur d'onde en espace libre et dans le vide,10 b est la largeur de la section interne de la cavité (C1,C2). 4. Dispositif suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les cavités (C1,C2) fonctionnent en mode TEon, n étant un nombre impair. 5. Dispositif suivant l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les dimensions des fentes (1,3) correspondent aux dimensions, en section, de la bande (B) ou feuille à contrôler. 6. Dispositif suivant l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les iris d'entrée (Ie) et éventuellement de sortie (Is), sont réglables. 7. Dispositif suivant l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement des signaux de sortie des détecteurs (7) sont agencés de manière à superposer dans le temps les signaux des deux détecteurs.25 8. Dispositif suivant l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que les cavités (C1, C2) sont remplies d'un matériau diélectrique non absorbant muni de passages appropriés pour le défilement de la bande (B) ou feuille dans les fentes (1,3) desdites cavités.30 9. Dispositif suivant l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que lesdits moyens d'exploitation des signaux sont des moyens de visualisation et enregistrement (9) - 10. Dispositif suivant l'une des revendications 2 à 9 caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens, reliés auxdits moyens d'exploitation des signaux, de repérage sur la bande (B) ou feuille des sections présentant un défaut.