Brevet FR2833080A1 — publié le 20030606

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de détermination de la teneur en eau d'un matériau à l'aide d'ondes électromagnétiques, en particulier pour des matériaux minéraux ou des mixtures organiques. Le matériau étant considéré comme étant constitué d'un ensemble de granulat, d'air et d'eau, il est connu de mesurer la teneur en eau Wv% en laboratoire, à partir de prélèvements d'échantillons de matériau effectués sur le site du chantier, en procédant à la mesure de la constante diélectrique E ; du matériau, en particulier à partir de la formule suivante : 1 a=-. ===w j-Veau" (1+), 100 Vseauce qui revient à--= a'Ve+ yw-'M' 100 Eg représente la constante diélectrique du granulat où Seau représente la constante diélectrique de l'eau, eau = 78 Yd représente la masse volumique sèche du matériau ys représente la masse volumique spécifique du granulat La constante diélectrique e'représente la partie réelle de la constante diélectrique relative er =e'+ je". Ainsi, en utilisant, par exemple, un diélectromètre, on en déduit la teneur en eau W% du matériau prélevé. Cependant, ce genre de mesures ne se fait généralement qu'en laboratoire. Or, la teneur en eau est une caractéristique qui permet de contrôler le matériau, en particulier lors de la réalisation de couches de chaussées et il est donc particulièrement intéressant de mettre en oeuvre un contrôle de la valeur de la teneur en eau du matériau directement sur le chantier. Un premier objet de la présente invention est de fournir un procédé qui permette de déterminer, préférentiellement en continu, la teneur en eau d'un matériau sur site. Cet objet est atteint grâce au fait que le procédé comprend les étapes suivantes : - on applique une onde électromagnétique dans ledit matériau, - on mesure le temps de propagation d'une onde électromagnétique de surface entre deux points de manière à déterminer la vitesse de propagation de ladite onde électromagnétique de surface dans ledit matériau, - on calcule la constante diélectrique dudit matériau à partir de ladite vitesse de propagation, - on détermine la masse volumique sèche du matériau et, -on calcule la teneur en eau dudit matériau à partir de ladite constante diélectrique et de ladite masse volumique sèche. Lors d'une transmission d'une onde, l'onde suit différents parcours dans un matériau. L'onde peut soit être réfléchie directement vers l'émetteur, soit se réfléchir à une interface avec un autre matériau, soit se propager au ras de la surface. Ce dernier type de propagation donne lieu à des ondes que l'on appelle ondes de surface. La partie réelle 'de la constante diélectrique relative Er'appelée pour toute la suite, constante diélectrique, est reliée à la vitesse V de propagation des ondes électromagnétiques dans le matériau par la relation : c V =-r= (c étant la vitesse de la lumière dans l'air) ~E-7 Alors que la constante diélectrique t : au de l'eau est importante (soixante-dix huit à 25 C), la constante diélectrique t'des matériaux secs varie à peine entre deux et six, pour les matériaux les plus courants. De ce fait, au niveau d'un mélange eau-matériau, la contribution de l'eau sera donc dominante. Ainsi, à partir de la mesure du temps de propagation d'une onde de surface dans le matériau entre deux points, on en déduit sa vitesse, qui permet avec la connaissance des caractéristiques des granulats (e'g et yg) et de la mesure de la masse volumique sèche des granulats, de déterminer la teneur en eau du matériau. Avantageusement, on réalise les différentes étapes de propagation de ladite onde, de mesure dudit temps de propagation et de calcul de ladite constante diélectrique en continu, de manière à déterminer, en continu, la teneur en eau dudit matériau. Pour faciliter la mise en oeuvre du procédé en continu, on choisit préférentiellement de déduire l'origine des temps de détection des signaux réfléchis par les deux antennes. Cela permet de réaliser la mesure grâce à un écartement constant entre les deux antennes. De manière à suppléer un manque de connaissance de l'origine réelle des temps, on mesure avantageusement le temps de propagation en choisissant différents écartements entres lesdits points. On effectuera de préférence, trois mesures de temps de propagation, en choisissant trois écartements différents entre les deux points de mesure. Avantageusement, pour le type de contrôle envisagé, l'écartement entre les points est compris entre 30 cm et 60 cm et la bande passante de l'onde électromagnétique est comprise entre 200 MHz et 1,2 GHz. Cette configuration permet de discerner sans ambiguïté l'onde de surface qui, pour la bande de fréquences choisie, se propage généralement dans les dix premiers centimètres en dessous de la surface, de l'onde réfléchie, par une interface entre deux couches de matériaux de nature différente, par exemple. Des fréquences inférieures à 200 MHz pourraient être envisagées pour des analyses plus profondes sous la surface. Un deuxième objet de la présente invention est de proposer un dispositif qui permette de déterminer, préférentiellement en continu, la teneur en eau directement sur le site du chantier. Cet objet est atteint grâce au fait que le dispositif comporte : - une antenne émettrice disposée à la surface dudit matériau destinée à appliquer une onde électromagnétique dans ledit matériau, - une antenne réceptrice disposée à la surface dudit matériau et écartée de ladite antenne émettrice d'un écartement destinée à capter une onde électromagnétique de surface, - des moyens pour déterminer la masse volumique sèche dudit matériau, - des moyens pour mesurer le temps de parcours de ladite onde électromagnétique de surface à l'intérieur dudit matériau entre ladite antenne émettrice et ladite antenne réceptrice et, - des moyens de traitement pour déterminer la teneur en eau dudit matériau à partir dudit temps de parcours et de ladite masse volumique sèche du matériau. L'émission d'une onde électromagnétique d'une antenne émettrice directement posée sur la surface du matériau à analyser donne naissance à plusieurs ondes qui se propagent au sein du matériau à analyser et qui peuvent être captées en surface. En particulier, une onde de surface va se propager dans le matériau au ras de la surface et va être captée par une antenne réceptrice posée sur la surface du matériau. Des moyens de traitement du temps de parcours permettent d'en déduire la constante diélectrique F-'* du matériau. Des moyens de traitement de la constante diélectrique E'du matériau et de la masse volumique sèche du matériau permettent de déterminer la teneur en eau Wv%. Sachant que les ondes électromagnétiques émises par l'antenne émettrice se propagent aussi dans l'air, elles peuvent être captées par l'antenne réceptrice, sans même avoir transité à l'intérieur du matériau. La réception de telles ondes perturbe évidemment le traitement du temps de parcours et donc la détermination de la teneur en eau. Pour supprimer toute réception de ces ondes électromagnétiques parasites , les antennes émettrice et réceptrice sont avantageusement chacune recouvertes d'un blindage et/ou d'un matériau absorbant avantageusement chargé avec du graphite. Lorsque l'on s'intéresse uniquement à l'onde de surface, pour s'assurer de la mesure du temps de propagation de l'onde de surface et non pas de celui d'une onde réfléchie, le dispositif peut comporter, en outre, une plaque séparatrice disposée entre lesdites antennes émettrice et réceptrice. Selon la profondeur d'enfoncement de cette plaque dans le matériau à analyser, l'onde de surface n'est plus captée. Il est donc possible de discerner sans erreur, la réception des ondes réfléchies de celle des ondes de surface, en utilisant des moyens pour mesurer le temps de parcours qui comportent un analyseur de réseau. Pour obtenir une bande passante de 200 MHz à 1,2 GHz, il est avantageux de choisir des antennes émettrice et réceptrice parmi des antennes centrées sur 500 MHz. Ce dispositif est particulièrement intéressant pour des contrôles en continu, par exemple pour un matériau en réalisation dans des centrales de fabrication, ou la mise en place des couches de chaussées. Dans ce cas, il est préférable d'avoir un mouvement relatif entre le dispositif de mesure et le matériau à analyser. Dans le premier exemple précité, le matériau défile préférentiellement sur une bande transporteuse devant des antennes fixes, tandis que dans le second exemple précité, le dispositif est avantageusement disposé sur un véhicule tracté et se déplace préférentiellement à la même vitesse que celle du matériau en cours de fabrication, soit environ entre 3 Km. h-1 et 5 Km. h-1. Ainsi, avantageusement, on réalise un déplacement relatif entre le matériau et les antennes émettrice et réceptrice, de manière à effectuer des mesures en continu. Toutefois, lors de mesures statiques, les antennes émettrice et réceptrice peuvent aussi être enfoncées directement dans le sol à analyser. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'un dispositif simplifié montrant les différents chemins parcourus par une onde transmise dans un matériau, - la figure 2 est une vue en coupe d'un dispositif expérimental selon l'invention et, - la figure 3 est une représentation des signaux transmis par le matériau dans lequel des ondes électromagnétiques sont envoyées. La figure 1 montre de manière simplifiée, les différents chemins de parcours d'une onde électromagnétique transmise par une antenne émettrice 10 placée à la surface 11 d'un matériau 12 à analyser. La transmission dans l'air n'est pas représentée. Les ondes électromagnétiques émises sont préférentiellement de bande passante comprise entre 200 MHz et 1,2 GHz. L'onde électromagnétique pénétrant dans le matériau 12 peut être directement réfléchie par le matériau 12 vers l'antenne émettrice 10 en suivant le chemin 14 le plus court ou au contraire pénétrer dans toute la profondeur du matériau 12 selon un chemin 16. Lorsque le matériau 12 présente une interface 18 avec un matériau 20 de nature différente, l'onde pénètre à la fois dans le matériau 20 selon un chemin 22 et est réfléchie par l'interface vers la surface selon un chemin 24. Un dernier mode de propagation possible pour l'onde émise par l'antenne 10 donne lieu à ce que l'on appelle une onde de surface 26. Cette onde de surface 26 suit un chemin 26 sensiblement parallèle à la surface 11 juste en sous-couche dans le matériau 12. Toutes ces ondes, en particulier les ondes réfléchies 24 et les ondes de surface 26, peuvent être captées par une antenne réceptrice 28 placée sur la surface 11 du matériau 12. Le dispositif 30 représenté sur la figure 2 permet de déterminer la teneur en eau en étant certain de dissocier la réception d'une onde de surface 26 de celle d'une onde réfléchie 24. L'antenne émettrice 10 et l'antenne réceptrice 28 sont toutes deux placées à la surface 11 du matériau 12 à analyser séparées l'une de l'autre d'un écartement e. Cet écartement e est compris entre 30 cm et 60 cm, préférentiellement égal à 45 cm pour éviter les atténuations trop importantes de l'onde de surface 26. Les antennes 10, respectivement 28, ont une fréquence centrale de 500 MHz et sont chacune recouvertes par un blindage constitué d'une mousse absorbante 32, respectivement 34, chargée en graphite. Cette mousse 32,34 permet d'éviter l'émission/réception des ondes transmises par l'antenne émettrice 10 dans l'air en évitant les couplages aériens entre les deux antennes 10 et 28 et les protège des réflexions parasites de l'environnement. Ainsi, l'antenne de réception 28 ne capte que les ondes ayant pénétré dans le matériau 12. Comme nous l'expliquerons en détails par la suite, une plaque séparatrice 36 disposée entre les deux antennes 10 et 28 permet de mettre en évidence l'onde de surface 26. En effet, le signal transmis par le matériau 12 comporte à la fois les ondes de surface 26 et les ondes réfléchies 24 (lorsqu'elles existent, notamment dans le cas d'une interface 18 avec un matériau 20 de composition différente, par exemple). La figure 3 représente l'amplitude du signal temporel enregistré, par exemple, par un analyseur de réseau (non représenté). On observe un premier pic 38 correspondant à l'onde de surface 26 et un deuxième pic 40 correspondant à l'onde réfléchie 24. Des lobes 42 sont aussi visibles sur ce spectre de part et d'autre des deux pics 38 et 40. Ces lobes 42 correspondent aux lobes secondaires. L'onde de surface 26 est bien représentée par le premier pic 38 qui apparaît, puisque le chemin parcouru par cette onde de surface 26 est plus court que dans le cas de l'onde réfléchie 24. En cas de doute quant à l'interprétation du spectre, en particulier, lorsque le premier pic 38 ne présente pas une amplitude très différente de celle du deuxième pic 40, comme représenté sur la figure 3, il suffit de faire pénétrer suffisamment dans le matériau 12, la plaque séparatrice 36 (figure 2) pour faire disparaître l'onde de surface 26 qui ne peut plus se propager jusqu'à l'antenne réceptrice 28, entraînant de fait la disparition sur le spectre du pic 38 lui correspondant. En effet, il suffit de repérer le pic qui aura disparu, puisque c'est celui qui correspond à l'onde de surface 26 et ensuite réitérer l'expérience en enlevant la plaque séparatrice 36 pour faire réapparaître le pic correspondant à l'onde de surface 26 qui peut à nouveau se propager dans le matériau 12. Des moyens de mesure 44 du temps de parcours de l'onde de surface 26 comprennent des moyens d'émission 44A reliés à l'antenne d'émission 10 et des moyens de réception 44B reliés à l'antenne réceptrice 28. Les moyens de mesure 44 comportent par exemple un tel analyseur de réseau ou bien un système analogique. En l'absence d'une parfaite connaissance de l'origine des temps ou de la localisation des points d'émission et de réception, la mesure du temps T de parcours de l'onde de surface 26 est répétée à plusieurs reprises, de préférence trois fois, à des écartements e d'antennes 10 et 28 différents. Dans ce cas, on ne dispose pas d'une mesure continue de la teneur en eau. L'utilisation d'un analyseur de réseau permet d'afficher simultanément le signal transmis par le matériau 12 en même temps que la réflexion de chacune des antennes 10 et 28. De cette manière, nous pouvons réaliser une mesure en continu. Ces différents temps de parcours T de l'onde de surface 26 fonction de l'écartement e des antennes 10 et 28, permettent de déterminer la constante diélectrique F-'* du matériau 12 à analyser à partir de la formule : Des moyens 46 permettent par ailleurs de déterminer la masse volumique sèche yd du matériau 12, préférentiellement par un contrôle par gammamétrie indiquant la masse volumique humide yh et d'après la formule suivante : où Wp% représente la masse volumique sèche du matériau. Des essais de laboratoire effectués sur des échantillons de matériaux divers (sables siliceux, limons, graves siliceuses, graves calcaires, etc. ) ont permis de déterminer une constante diélectrique E'g des granulats et une masse spécifique des granulats lys communes à cet ensemble de matériaux. Ainsi, en choisissant préférentiellement 3,72 comme valeur de la constante diélectrique E'g et 2,66 comme valeur de la masse spécifique 5, la détermination de la teneur en eau du matériau 12 se fait à l'aide de la formule suivante : a=12. 768 W % = aVe-p. y-8 avec- [3 = 4. 458 déterminées en laboratoire 8=12. 768 soit Wv =12, 768. VfF-4, 458. yd-12, 768 Les deux formules précitées sont implémentées dans des moyens de traitement 48 pour déterminer directement sur le site, la teneur en eau Wv% du matériau 12, à partir de la constante diélectrique E' (fonction de la vitesse de propagation V de l'onde de surface 26) et de la masse volumique sèche du matériau 12. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination de la teneur en eau (W%) d'un matériau (12) à l'aide d'ondes électromagnétiques, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - on applique une onde électromagnétique dans ledit matériau (12), - on mesure le temps de propagation (T) d'une onde électromagnétique de surface (26) entre deux points (10,28) de manière à déterminer la vitesse de propagation (V) de ladite onde électromagnétique de surface (26) dans ledit matériau (12), - calcule la constante diélectrique (') dudit matériau (12) à partir de ladite vitesse de propagation (V), - on détermine la masse volumique sèche (yd) du matériau (12) et, - on calcule la teneur en eau (Wv%) dudit matériau (12) à partir de ladite constante diélectrique (') et de ladite masse volumique sèche (yd). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on réalise les différentes étapes de propagation de ladite onde, de mesure dudit temps de propagation (T) et de calcul de ladite constante diélectrique (e') en continu, de manière à déterminer, en continu, la teneur en eau (W%) dudit matériau (12). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on mesure ledit temps de propagation (T) en choisissant différents écartements (e) entres lesdits points (10,28). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écartement (e) entre lesdits points (10,28) est compris entre 30 cm et 60 cm. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bande passante de ladite onde électromagnétique est comprise entre 200 MHz et 1,2 GHz. 6. Dispositif de détermination de la teneur en eau (Wv%) d'un matériau (12) à l'aide d'ondes électromagnétiques, caractérisé en ce qu'il comporte : - une antenne émettrice (10) disposée à la surface (11) dudit matériau (12) destinée à appliquer une onde électromagnétique (16 ; 24 ; 26) dans ledit matériau (12), - une antenne réceptrice (28) disposée à la surface (11) dudit matériau (12) et écartée de ladite antenne émettrice (10) d'un écartement (e) destinée à capter une onde électromagnétique de surface (26), - des moyens (46) pour déterminer la masse volumique sèche ('Yd) dudit matériau (12), - des moyens (44) pour mesurer le temps de parcours (T) de ladite onde électromagnétique de surface (26) à l'intérieur dudit matériau (12) entre ladite antenne émettrice (10) et ladite antenne réceptrice (28) et, - des moyens de traitement (48) pour déterminer la teneur en eau (W%) dudit matériau (12) à partir dudit temps de parcours (T) et de ladite masse volumique sèche (yd) dudit matériau (12). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites antennes émettrice (10) et réceptrice (28) sont chacune recouvertes d'un blindage. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que lesdites antennes émettrice (10) et réceptrice (28) sont chacune recouvertes d'un matériau absorbant (32 ; 34). 9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit matériau absorbant (32 ; 34) est chargé avec du graphite. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une plaque séparatrice (36) disposée entre lesdites antennes émettrice (10) et réceptrice (28). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que lesdites antennes émettrice (10) et réceptrice (28) sont des antennes 500 MHz. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que l'on réalise un déplacement relatif entre ledit matériau (12) et lesdites antennes émettrice (10) et réceptrice (28), de manière à effectuer des mesures en continu.