Brevet FR2884612A1 — publié le 20061020

et son contenu, représentative des caractéristiques diélectriques complexes du récipient et de son contenu, et - des moyens aptes à fournir une information liée à l'impédance complexe mesurée et en conséquence à la nature du contenu dudit 5 récipient. Dans le cadre de la présente invention, on entend par au moins plusieurs fréquences un nombre de fréquences supérieur à 1. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, les moyens aptes à fournir une information liée à l'impédance complexe mesurée et en conséquence à la nature du contenu dudit récipient, comprennent des moyens aptes à comparer l'impédance complexe mesurée avec des valeurs de référence prédéterminées pour la même plage de fréquences et à générer une alarme, lorsque l'impédance complexe mesurée s'écarte des valeurs de référence. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, les moyens aptes à fournir une information liée à l'impédance complexe mesurée comprennent des moyens aptes à indiquer la nature ainsi détectée du contenu du récipient ou au moins la famille de ce contenu. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels: - la figure 1 représente une vue schématique en perspective d'un 25 dispositif d'analyse conforme à un premier mode de réalisation de la présente invention, - la figure 2 représente une vue schématique sous forme de blocs fonctionnels des éléments essentiels composant ce dispositif, - la figure 3 représente la partie réelle et la partie imaginaire de l'impédance complexe mesurée dans le cas d'une charge composée d'eau, sur une large plage de fréquences, - les figures 4 et 5 représentent deux vues schématiques en perspective de variantes du dispositif représenté sur la figure 1, - les figures 6, 7, 8 et 9 représentent quatre variantes de réalisation de capteurs électromagnétiques émetteurs/récepteurs conformes à la présente invention, et - les figures 10a, 10b et 10c représentent une cinquième variante de réalisation, tandis que les figures lia et llb représentent une sixième variante de réalisation, de capteurs électromagnétiques émetteurs/récepteurs conformes à la présente invention. La présente invention repose essentiellement sur l'approche suivante. Les matériaux diélectriques présentent quatre polarisations de base: électronique, ionique, de dipôle et migrationnelle. Chaque type de polarisation est caractérisé par un temps de mise en place, appelé temps de montée. Si le champ électromagnétique d'excitation a une pulsation supérieure à l'inverse du temps de montée, la polarisation ne peut pas se réaliser. Par conséquent, la polarisation est présente uniquement aux fréquences inférieures à celles de coupure et est absente aux fréquences supérieures. Dans la zone de transition, on assiste à un phénomène de perte d'énergie dans le diélectrique dû à la rotation des molécules déphasées vis à vis du champ d'excitation. Les temps de montée pour la polarisation électronique sont de 10-14 à 1015 s, c'est-à-dire dans le domaine optique. Une telle gamme de fréquences est difficilement exploitable à l'échelle industrielle car les bouteilles à examiner peuvent être fréquemment partiellement ou complètement opaques. La polarisation ionique a des temps de montée compris entre 10-13 et 1014 s, très proche des temps de relaxation électronique. Elle est donc également difficilement exploitable. La polarisation de dipôle est caractéristique des diélectriques polaires (comme par exemple l'eau). La polarisation de dipôle, au contraire des polarisations électroniques et ioniques, qui sont sans inertie, persiste pour un certain temps après l'extinction d'une excitation. La polarisation de dipôle diminue avec une loi exponentielle et une constante de temps, appelée temps de relaxation, comprise entre 10-6 et 10"11 s, c'est-à-dire dans le domaine des fréquences radio. Les ondes électromagnétiques ayant ces fréquences peuvent traverser le verre, la matière plastique et d'autres matériaux diélectriques. La Demanderesse a ainsi déterminé que les ondes électromagnétiques peuvent être utilisées pour l'examen du contenu de bouteilles ou récipients équivalents. La polarisation migrationnelle est présente dans certains diélectriques, en particulier dans les matériaux hétérogènes, qui contiennent des impuretés. Dans ce cas, les charges se déplacent très lentement et le temps de montée peut être de plusieurs secondes, minutes, voire parfois heures. Ce type de polarisation par conséquent n'est mesurable qu'à très basse fréquence. L'eau qui est un liquide polaire, et par conséquent les liquides à base d'eau, présentent un temps de relaxation de l'ordre de 10-11 s à température ambiante, correspondant à une fréquence d'environ 16 GHz. La mesure de la constante diélectrique complexe à fréquence plus basse que celle de relaxation montre une partie réelle élevée et des pertes limitées (eau distillée) comme l'illustre la figure 3 annexée. Les hydrocarbures saturés CnH(2n+2) sont des molécules non polaires ou avec un moment de dipôle électrique très bas, par conséquent, ils ne présentent pas un phénomène de polarisation de dipôle et la valeur de la partie réelle de la constante diélectrique est basse (constante diélectrique relative de l'ordre de 2). Les pertes dans les hydrocarbures sont négligeables jusqu'à des fréquences très élevées. Si une molécule d'hydrocarbure perd sa symétrie comme, par exemple, dans le cas de l'alcool éthylique ou méthylique, on assiste à la parution d'un moment de dipôle électrique et, par conséquent, à une constante supérieure à celle obtenue dans le cas des hydrocarbures, et à un phénomène de résonance à la fréquence de relaxation dipolaire. Les phénomènes physiques décrits ci-dessus sont connus depuis la fin des années 30 (voire par exemple Peter Debye Nobel Lecture, 1936). Cependant, ils n'ont pas jusqu'ici été mis en oeuvre pour l'analyse efficace du contenu de récipients. On a représenté sur la figure 1, le boîtier d'un dispositif d'analyse conforme à la présente invention. La géométrie générale de ce boîtier peut faire l'objet de nombreuses variantes de réalisation et ne sera donc pas décrite dans le détail par la suite. De préférence, ce boîtier comprend un carter 10 métallique pour former un blindage autour du capteur électromagnétique conforme à la 10 présente invention vis à vis de l'environnement extérieur. De préférence, ce carter définie une cavité 20 dont la partie inférieure 22 présente une concavité dirigée vers le haut, conçue pour recevoir un récipient à analyser et garantir un positionnement précis de ce dernier par rapport aux moyens émetteurs/récepteurs de champ électromagnétique conformes à l'invention. Plus précisément encore, de préférence, dans le cadre de la présente invention, la cavité 20 précitée est formée d'un canal de section droite constante dont les génératrices sont inclinées vers le bas en éloignement de la face avant ouverte 12 par laquelle un récipient est introduit. La face arrière de cette cavité ou canal 20 est de préférence fermée pour éviter que le récipient analysé ne glisse sur le fond 22. La section droite du canal 20 peut faire l'objet de nombreuses variantes. On a représenté sur la figure 1, une première variante selon laquelle le canal 20 possède une section droite en forme de trou de serrure comprenant une partie centrale cylindrique prolongée par deux excroissances diamétralement opposées de contour globalement rectangulaire. On a représenté sur la figure 4, une variante de réalisation selon laquelle le canal 20 présente une section droite circulaire. On a représenté sur la figure 5 annexée, une autre variante de réalisation selon laquelle le canal 20 possède une section droite carrée, voire rectangulaire, dont les diagonales sont respectivement verticale et horizontale de sorte qu'une arête coïncide avec le point le plus bas du canal 20. Comme on le voit sur les figures 1, 4 et 5 annexées, le boîtier 10 comporte en outre de préférence un pupitre de contrôle 30 équipé d'un clavier de saisie et/ou de programmation, d'un afficheur et de moyens de signalisation (lumineux et/ou sonore) de présence réseau et d'alarme. A cet égard, l'invention n'est bien entendu pas limitée aux modes de réalisation particuliers représentés sur les figures annexées. De préférence, la cavité 20 est enrobée par un revêtement de protection plastique. Comme on l'a illustré sur la figure 2 sur laquelle on a schématisé sous la référence R un récipient à analyser et sur laquelle on retrouve le fond 22 de la cavité 20, de préférence le capteur ou les capteurs électromagnétiques destiné(s) à mesurer les caractéristiques diélectriques complexes de la bouteille R et de son contenu sont placés autour de la cavité 20. Ces moyens émetteurs/récepteurs de champ électromagnétique, sont formés de préférence d'un ou plusieurs transducteurs (antennes) 40 relié(s), par l'intermédiaire d'un réseau de connexion 54, d'un réseau électromagnétique de mesure 56 et de bus 57, 58, à un générateur 50, conçus pour émettre une onde électromagnétique. Typiquement le générateur 50 est adapté pour couvrir la plage de fréquences allant de quelques Hz, par exemple 5Hz à qqs GHz, par exemple 20 ou 50 GHz. Le générateur 50 est mis en oeuvre, soit manuellement par un opérateur lorsque celui-ci introduit un récipient R dans le canal 20, soit automatiquement sous l'effet d'un capteur 52 conçu pour détecter la présence d'un récipient R dans le canal 20. Les moyens 50 sont conçus par ailleurs pour mesurer l'impédance complexe des moyens émetteurs 40 influencés par la charge constituée par le récipient R et son contenu, représentative des caractéristiques diélectriques complexes de ce récipient R et de son contenu. Plus précisément, les moyens 50 sont conçus pour mesurer cette impédance complexe à plusieurs fréquences échantillonnées sur la plage d'excitation précitée de quelques Hz à plusieurs GHz. Typiquement, les moyens 50 opèrent ainsi sur un nombre de fréquences compris entre 10 et 50, avantageusement sur une trentaine de fréquences. Par ailleurs, les moyens 50 sont adaptés pour fournir une information liée à l'impédance complexe mesurée et à la nature du contenu du récipient détecté en conséquence. De préférence, ces moyens 50 sont adaptés pour comparer l'impédance complexe ainsi mesurée avec des valeurs de référence 10 prédéterminées pour la même plage de fréquences et à générer une alarme lorsque l'impédance complexe mesurée s'écarte des valeurs de référence. On a représenté sur la figure 2, une mémoire 60 couplée aux moyens d'analyse 50 par un bus de communication 62, et dans laquelle peuvent être mémorisées les valeurs de référence prédéterminées sur la plage de fréquence de travail. On a par ailleurs représenté sur la même figure 2 sous la référence 70, des moyens d'alarme, présents de préférence sur le pupitre de contrôle 30, reliés aux moyens 50 par un bus de communication 72 et adaptés pour générer une alarme sonore et/ou visuelle, lorsque l'impédance complexe mesurée s'écarte des valeurs de référence. En variante, les valeurs de référence peuvent être calculées par les moyens 50 et non pas contenues dans une mémoire 60. Par ailleurs, selon une autre variante, les moyens 70 peuvent être adaptés pour indiquer directement la nature du contenu du récipient R ou au moins la famille de ce contenu à la place de ou en complément des moyens d'alarme précités. Les moyens 40 émetteurs/récepteurs de champ électromagnétique peuvent faire l'objet de nombreux modes de 30 réalisation. La figure 6 illustre un premier mode de réalisation dans lequel ces moyens 40 sont formés d'un simple bobinage 42 formant émetteur et récepteur, relié par un réseau 54 à deux fils aux moyens 56. La figure 7 illustre un second mode de réalisation dans lequel les moyens 40 sont formés de deux bobinages 43, 44 formant respectivement, et le cas échéant alternativement, émetteur et récepteur, reliés par un réseau 54 à quatre fils aux moyens 56. La figure 8 illustre un troisième mode de réalisation dans lequel les moyens 40 sont formés de deux armatures 45, 46 d'une capacité entourant la cavité 20 destinée à recevoir le récipient R et reliés par un réseau 54 à deux fils aux moyens 56. La figure 9 illustre une variante de la figure 8 dans laquelle les 10 moyens 40 comprennent deux capacités composées de quatre armatures 45, 46, 47, 48, reliées par un réseau 54 à quatre fils aux moyens 56 et formant respectivement, et le cas échéant alternativement, émetteur et récepteur. Les figures 10a, 10b, 10c représentent une autre variante de réalisation selon laquelle les moyens 40 sont formés de lignes de transmission. Typiquement, ces lignes de transmission opèrent dans le domaine des microondes. Elles peuvent être formées de lignes bifilaires ou de guides d'ondes à fentes. Par ailleurs, dans le cadre de la présente invention, comme illustré sur les figures lia et lib, on peut utiliser des capteurs mettant en oeuvre simultanément un transducteur inductif 42 et un transducteur capacitif 45, 46. Cette disposition permet de déceler que la croissance de la partie réelle de la constante diélectrique complexe est due à une armature métallique interne au récipient et non à un ou des liquides ayant des propriétés particulières. Cette disposition permet ainsi de déceler la présence d'écrans métalliques susceptibles de former blindage perturbant la mesure. Le capteur inductif 42 alimenté par une source de courant alternatif produira, dans ce cas, des courants de Foucault dans la partie métallique. Ces courants seront mesurés par le dispositif de traitement. Et la comparaison des signaux provenant du transducteur de champ électrique 45, 46 et du transducteur de champ magnétique 42 permet une détection satisfaisante. Bien entendu, le nombre de moyens composant les émetteurs et/ou récepteurs n'est aucunement limité et peut être supérieur à ceux illustrés sur les figures annexées. L'homme de l'art comprendra à la lecture de la description 5 détaillée qui précède, que la présente invention propose ainsi un capteur électromagnétique à balayage de fréquences élevées qui permet de mesurer les caractéristiques diélectriques de la bouteille R et de son contenu. Une fois que l'objet R à analyser est positionné dans la cavité 20, le générateur 50 est activé, soit manuellement, soit automatiquement, et l'impédance complexe du réseau formé par le circuit d'émission/réception 40 influencée par le récipient R et son contenu est mesurée. L'impédance mesurée qui dépend du circuit de transmission/réception et de la charge, représentée par la bouteille examinée, est composée par une partie réelle, liée aux pertes (conductibilité) dans l'objet R analysé et d'une partie imaginaire, liée aux caractéristiques diélectriques. La mesure de l'impédance est effectuée à différentes fréquences 20 dans la plage déterminée. Tous les liquides comestibles à base d'eau, comme des boissons sans alcool, le vin et les liqueurs sont bien identifiables par leurs caractéristiques diélectriques polaires, avec une constante diélectrique élevée et des pertes situées entre un minimum et une valeur prédéterminée. Une valeur différente de celle typique des liquides comestibles sera par conséquent détectée et provoquera une alarme acoustique et/ou visuelle, plus le cas échéant des messages éventuels sur l'afficheur, ou encore, selon la variante retenue, directement l'indication de la nature du contenu détecté. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits mais s'étend à toute variante conforme à son esprit. On notera par ailleurs que, dans le cadre de la présente invention, les capteurs 40 sont de préférence adaptés pour couvrir au moins une partie substantielle des récipients, voire la totalité de ceux-ci. Ceci garantit un haut niveau de sécurité dans l'analyse, puisque ceci permet d'analyser l'intégralité du contenu des récipients et non pas seulement une partie de ceux-ci. Lorsqu'il est prévu un seul transducteur, celui-ci est simultanément ou successivement émetteur et récepteur. Lorsqu'il est prévu plusieurs transducteurs, toutes les 10 combinaisons sont possibles, c'est-à-dire que ces transducteurs peuvent être simultanément ou successivement émetteur et/ou récepteur. 11 REVENDICATIONS 1. Dispositif d'analyse de la composition du contenu d'un récipient comprenant: - des moyens (40) émetteurs/récepteurs d'un champ électromagnétique à au moins plusieurs fréquences comprises dans une plage de fréquences déterminée, - des moyens (22) support d'un récipient (R) dont le contenu doit être analysé, adaptés pour assurer un positionnement précis relatif entre les 10 moyens émetteurs/récepteurs (40) et le récipient (R), - des moyens (50) aptes à mesurer l'impédance complexe des moyens émetteurs/récepteurs influencée par la charge constituée par le récipient (R) et son contenu, représentative des caractéristiques diélectriques complexes du récipient et de son contenu, et - des moyens (50) aptes à fournir une information liée à l'impédance complexe mesurée et en conséquence à la nature du contenu dudit récipient. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens (50) aptes à fournir une information comprennent des moyens aptes à comparer l'impédance complexe mesurée avec des valeurs de référence prédéterminées pour la même plage de fréquences et à générer une alarme lorsque l'impédance complexe mesurée s'écarte des valeurs de référence. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que les moyens (50) aptes à fournir une information liée à l'impédance complexe mesurée comprennent des moyens (70) aptes à indiquer la nature ainsi détectée du contenu du récipient ou au moins la famille de ce contenu. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les moyens (40) émetteurs/récepteurs d'un champ électromagnétique sont adaptés pour balayer la plage de fréquences allant de quelques Hz à quelques GHz. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les moyens (50) aptes à mesurer l'impédance complexe sont adaptés pour mesurer celle-ci sur une pluralité de fréquences échantillonnées sur la plage couverte par les moyens émetteurs/récepteurs. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 prise en combinaison avec la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens aptes à comparer l'impédance complexe mesurée sont adaptés pour comparer celle-ci avec des valeurs de référence contenues dans une mémoire (60). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il comprend un capteur (52) adapté pour détecter la mise en place d'un récipient (R) dans les moyens supports (22). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens à actionnement manuel adaptés pour initier la mise en service des moyens (40) émetteurs/récepteurs d'un champ électromagnétique. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'il est placé dans un carter (10) métallique. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que les moyens supports (20) définissent une concavité (22) dirigée vers le haut. 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que les moyens supports comprennent une cavité (20) dont la section droite est globalement constante définie par des génératrices inclinées vers le bas en éloignement de la face avant ouverte du boîtier. 12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que les moyens (40) émetteurs/récepteurs d'un champ électromagnétique sont de type inductif. 13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que les moyens (40) émetteurs/récepteurs d'un champ électromagnétique sont de type capacitif. 14. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que les moyens (40) émetteurs/récepteurs d'un champ électromagnétique sont constitués par des lignes de transmission. 15. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que les moyens (40) émetteurs/récepteurs mettent en oeuvre simultanément un transducteur inductif (42) et un transducteur capacitif (45, 46), notamment pour la détection de parties métalliques dans le récipient.