Brevet FR2951827A1 — publié le 20110429

JMRHOLDING1.FRD Sonde immersible dans un matériau L'invention concerne les sondes immersibles dans des matériaux. Lorsqu'un matériau est coulé puis séché, il est important de déterminer le moment à partir duquel un ouvrage dans lequel il est utilisé est suffisamment solidifié. En effet, avant de retirer les coffrages, il faut s'assurer que le matériau a atteint un état de stabilité suffisant. C'est particulièrement le cas dans le domaine de la construction. Dans ce domaine, des durées empiriques sont appliquées, avec des coefficients de sécurité appropriés. Ces durées sont souvent combinées à des mesures locales de température. Cependant, ces méthodes ne donnent pas pleinement satisfaction, car elles sont 15 nettement supérieures à la durée optimale de séchage. L'invention vient améliorer la situation. A cet effet, l'invention propose une sonde immersible dans un matériau, qui comprend 20 un capteur agencé pour former un élément électrique avec un matériau dans lequel il est immergé, la capacité dudit élément électrique étant reliée à la permittivité du matériau. La sonde comprend également un circuit de mesure relié au capteur et adapté pour mesurer une grandeur représentative de la capacité dudit élément électrique. 25 En effet, la Demanderesse a découvert que l'état de séchage d'un matériau peut être déterminé à partir de la mesure de sa permittivité. Ainsi, l'invention permet de déterminer avec précision le moment optimal pour retirer les coffrages sans prendre de risques quant à l'intégrité de l'ouvrage. 1 30 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, tirée d'exemples donnés à titre illustratif et non limitatif, tirés des dessins sur lesquels : - la figure 1 représente une vue schématique d'une sonde selon l'invention dans une configuration de mesure expérimentale, - la figure 2 représente une vue schématique en coupe longitudinale de la sonde de la figure 1, - la figure 3 représente une vue schématique des lignes de champs électrique au niveau du capteur de la figure 2 lorsque qu'il est parcouru par un courant, - la figure 4 représente une vue développée de la surface externe du capteur de la figure 3, - la figure 5 représente un mode de réalisation en variante du transducteur du capteur de la figure 3, - la figure 6 représente une vue schématique du circuit de mesure de la sonde des figures 1 et 2, et - la figure 7 représente un schéma électrique équivalent de l'oscillateur de la figure 6. Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. En outre, la description détaillée est augmentée de l'annexe A, qui donne la formulation de certaines formules mathématiques mises en oeuvre dans le cadre de l'invention. Cette Annexe est mise à part dans un but de clarification, et pour faciliter les renvois. Elle est partie intégrante de la description, et pourra donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. La figure 1 représente une vue schématique d'un montage dans lequel une sonde 2 est immergée dans un bac 4 rempli d'un béton 6. Un câble 8 relie la sonde 2 à une interface comprenant un compteur électronique (non représenté) et un convertisseur analogue numérique (CAN) 10, et les sorties du30 compteur et du CAN 10 sont elles-mêmes reliées par un câble 12 à un ordinateur 14. Dans l'exemple décrit ici, le câble 12 peut par exemple être un câble de type USB relié à un port d'entrée d'un ordinateur 14. Ainsi, lorsque la sonde 2 est alimentée, elle émet des signaux analogiques convertis numériquement par le compteur numérique ou par le CAN 10 et analysés par un logiciel sur l'ordinateur 14 pour en tirer la permittivité du béton 6. La figure 2 représente une vue schématique en coupe de la sonde de la figure 1. Comme on peut le voir sur cette figure, la sonde 2 comprend un circuit électronique de mesure 20 et un capteur 22. Le capteur 22 est dans l'exemple décrit ici un cylindre 24 autour duquel sont enroulés des fils électriques 26 qui vont jouer le rôle de fils couplés. 15 Le circuit électronique de mesure 20 est logé dans un boîtier 28 servant à le protéger du béton 6. Dans l'exemple décrit ici, le boîtier 28 et le capteur 22 sont fixés l'un à l'autre par une vis 30. Pour cela, le cylindre 24 est réalisé plein et en matière PVC (polychlorure de 20 vinyle), tout comme le boîtier 28. Dans d'autres modes de réalisation, le cylindre 24 et le boîtier 28 peuvent être réalisés dans des matériaux électriquement inertes autres que le PVC qui pourront avantageusement avoir la même densité que le béton. Par matériau électriquement inerte, on entend l'ensemble des matériaux qui ne réagissent pas ou très peu avec le champ électrique issu des fils 26. On peut également prévoir d'autres moyens de solidarisation du capteur 22 et du 30 boîtier 28. 25 La figure 3 représente schématiquement les lignes de champs électriques à l'extérieur du cylindre 24 lorsque la sonde 2 est parcourue par un courant. Comme on peut le voir sur cette figure, les fils 26 sont protégés par une gaine 32 et les lignes de champ électrique sont référencées 34 pour les lignes de champ en pointillés, et 36 pour les lignes de champ en traits pleins. La figure 4 représente une vue développée d'une section du capteur 22 sur un pas d'enroulement des fils 26 mis à plat, référencés respectivement A et B. En tenant compte du fait que la portion représentée sur la figure 5 présente une hauteur égale à pi fois le diamètre Phi du cylindre 24 et une largeur égale à deux fois l'écartement D entre les fils A et B de diamètre d, on peut déduire que la longueur totale de lignes bifilaires est donnée selon la formule (10) de l'annexe A. On peut ainsi en déduire que, lorsque cette section de fil est plongée dans un milieu de permittivité apparente Epsilon r, la capacité de cette ligne bifilaire est définie par la formule (20) de l'annexe A. 20 D'autre part, comme le pas d'écartement des fils est réalisé faible par rapport à l'épaisseur de la gaine, il est possible de négliger un facteur de corrélation définissant la permittivité apparente Epsilon r, en la simplifiant conformément à l'équation (30) de l'annexe A. 25 Il en ressort que la permittivité apparente de l'ensemble capteur 22 et béton 6 est égale à la moyenne de la permittivité du cylindre 24 d'une part, et du béton 6 d'autre part. Il est alors possible d'écrire la valeur de la capacité du capteur 22 conformément à la formule (40) de l'annexe A. 15 30 On voit donc que la mesure de la capacité du capteur 22 immergée dans le béton permet de déterminer la permittivité du béton 6, comme toutes les autres variables de l'équation (40) sont fixées. Comme on le verra par la suite, la capacité du capteur 22 peut être mesurée directement, ou indirectement par la détermination d'une fréquence qui lui est reliée. Au vu de ce qui précède, il apparaît que 1"observation de cette capacité ou de cette fréquence permet d'observer l'évolution de la permittivité du béton. Or la Demanderesse a observé que la permittivité du béton 6 est caractéristique de son état de séchage. En effet, lorsque le béton est coulé, la présence d'eau libre donne une forte permittivité 15 au mélange, c'est-à-dire que Epsilon béton est élevé. Ensuite, lorsque l'eau se lie aux autres composants chimiques du mélange et évolue vers le béton stabilisé, la permittivité diminue progressivement, pour évoluer vers une valeur environ égale à 5. Ainsi, la surveillance de l'évolution de la permittivité du béton 6 vers la valeur asymptotique de 5 permet de déterminer le moment à partir duquel celui-ci est suffisamment sec. 25 La valeur asymptotique de 5 est liée à l'exemple décrit. D'une manière générale, cette valeur asymptotique peut évoluer dans la plage [4 ; 6] en fonction du matériau considéré lorsque c'est un béton. La figure 5 représente une variante de réalisation de la partie transductrice du 30 capteur 22. 20 Dans cette variante, les fils 26 ont été remplacés par un circuit imprimé flexible sur lesquels sont gravées des pistes conductrices. Ce circuit imprimé est ensuite enroulé autour du cylindre 24 pour former le capteur 22. Un vernis de protection permettra alors de protéger les pistes de l'agressivité chimique du béton. Pour graver ces pistes, il est possible de graver une capacité interdigitée directement comme c'est le cas sur la figure 6. En variante, on peut choisir de graver des pistes inclinées le long du circuit imprimé. Dans encore une autre variante de réalisation, on utilise des pistes de cuivre collées sur un support souple et protégées par un vernis La figure 6 représente un schéma électrique du circuit de mesure 20 de la sonde 2. Le circuit 20 comprend trois fils d'entrée 40, 42 et 44 et deux fils de sortie 46 et 48. Le fil 40 est un fil d'alimentation, le fil 42 un fil de commutation, le fil 44 un fil de masse, le fil 44 un fil de sortie de mesure de fréquence et le fil 48 un fil de sortie de 20 mesure de température. Les fils 40 à 48 sont tous contenus dans le câble 8. Le fil 40 porte une tension à trois volts (3V) qui sert à alimenter la sonde 2. A l'entrée 25 du circuit 20, le fil 40 est relié à un régulateur 50 qui assure la constance de la tension à trois volts, indépendamment de la température. La sortie du régulateur 50 est reliée respectivement à un capteur de température 52 et à un oscillateur 54. Le capteur de température 52 fournit un témoin de température qui permet de valider les mesures de permittivité. Ce capteur de température 52 est lui-même relié au fil 48 pour 30 retourner un signal représentatif de la température mesurée. L'oscillateur 54 est pour sa part relié à ses bornes au capteur 22 par l'intermédiaire des fils 26. L'élément référencé 56 représente l'impédance équivalente du capteur 22 plongé dans le béton 6. Les éléments participent à la définition de cette impédance sont : - la capacité directe longitudinale à travers le film de la gaine, c'est-à-dire parallèlement à l'axe du cylindre, - la capacité de la gaine entre un des fils électriques et le béton, la capacité de la gaine entre un des fils électriques et le PVC, la capacité donnée par la permittivité du PVC, - la capacité équivalente du béton, et - la résistance du béton. Les travaux de la Demanderesse ont permis d'établir un schéma simplifié équivalent à cette impédance. Dans ce schéma, une capacité 58 est en parallèle avec une résistance 59 qui sont caractéristiques du béton. La capacité 58 et la résistance 59 sont en série avec une capacité 60 caractéristique de la gaine entre les fils électriques et le béton. Enfin, l'ensemble capacités 58 et 60 et résistance 59 est en parallèle avec une capacité 61 parasite caractéristique des autres éléments décrits ci-dessus. L'oscillateur 54 est un oscillateur RC qui permet de déterminer une fréquence d'oscillation liée à la valeur de la capacité 58, de la résistance 59, de la capacité 60, et de la capacité 61. Un signal représentatif de cette fréquence de résonance est envoyé par l'intermédiaire du fil 46 vers l'ordinateur 14. Dans l'exemple décrit ici, l'oscillateur 54 est un oscillateur à circuit RC avec comparateur à hystérésis, dont le fonctionnement va maintenant être explicité avec la figure 7. Dans d'autres réalisations, on pourrait utiliser un oscillateur à T ponté ou à pont de Wien. La figure 7 représente un schéma de l'oscillateur 54 aux bornes duquel est l'élément électrique 56. Les formules (50) et (52) de l'Annexe A décrivent les formules qui servent de base à la 10 détermination de la fréquence caractéristique de l'oscillateur. La formule (50) est valable pour la période de temps [0 ; T/2], et la formule (52) est valable pour la période de temps [T/2 ; T]. Les formules (54) et (56) de l'Annexe A définissent les paramètres a et b, dans 15 lesquelles : - r est le quotient de la valeur de la résistance R2 par la valeur de la résistance R1 et est donc connu comme paramètre de l'oscillateur, - Ra est une valeur de résistance connue comme paramètre de l'oscillateur, - Cb est la valeur de la capacité 58, 20 - Rb est la valeur de la résistance 59, - Cg est la valeur de la capacité 60, et - Cp est la valeur de la capacité 61. Pour calculer les valeurs inconnues, il faut résoudre une équation dite transcendante. 25 Cette équation peut être tirée des formules (50) et (52), et est exprimée par la formule (58) de l'Annexe A. Plus précisément, la formule (58) résulte de la résolution des équations (50) et (52) à la condition limite T/2. Une fois l'équation transcendante résolue, on obtient la valeur de T, qui correspond à 30 l'inverse de la fréquence de l'oscillateur 54. La résolution peut être numérique, c'est-à-dire que l'on trouve une solution numérique qui approche la solution idéale à un degré de précision choisi. La résolution peut également être absolue, c'est-à-dire que l'on détermine une fonction 5 qui résout l'équation transcendante lorsque les paramètres rendent cela possible, et la solution idéale est calculée à partir de cette fonction. La résolution peut encore comprendre un appel à une table de recherche (look-up table en anglais ou LUT), qui comprend un ensemble de valeurs-solutions correspondant à 10 des jeux de paramètres possibles. Dans les formules (50) à (58), seules la capacité Cb et la résistance Rb du béton sont des paramètres qui changent avec le séchage du béton, comme on l'a vu précédemment. La résolution de l'équation transcendante donne donc une fréquence dont l'évolution est 15 directement reliée à celle de la capacité du béton. Comme on peut le voir sur la figure 6, le circuit 20 comporte en outre une capacité 62 commutable au moyen d'un commutateur 64 relié au fil de masse 44 et commandé par le fil de commutation 42. La capacité 62 permet de tenir compte de la conductivité du 20 béton 6 dans le calcul de la capacité 58. En effet, la conductivité introduit une composante imaginaire dans la permittivité du béton. Dans ces conditions, la capacité 58 mesurée n'est plus uniquement liée à la permittivité du béton, mais également à sa conductivité. La conductivité du béton introduit donc une dérive dans la fréquence mesurée par l'oscillateur 54. La capacité commutable 62 permet, grâce à sa valeur prédéterminée, de corriger cette dérive. 30 En effet, en activant puis en désactivant la capacité commutable 62, on peut obtenir deux fréquences de résonance distinctes, et dont la comparaison permet de déterminer la capacité observée liée à la permittivité du béton et la résistance liée à sa conductivité. 25 La capacité commutable 62 permet également de servir d'élément de calibration du montage, ce qui permet de surveiller le vieillissement du capteur. Pour ces applications, on peut réaliser plusieurs mesures : dans le béton et à l'air libre, 5 en commutant ou pas la capacité 62. Cette redondance de mesures permet de déterminer tous les paramètres de l'équation transcendante. Pour résumer, le circuit 20 comprend donc en un bloc de régulation d'alimentation 50 qui alimente d'une part un capteur de température 52 témoin, et d'autre part un 10 oscillateur 54 qui permet de caractériser la capacité du béton dans lequel est plongé le capteur 22, ainsi qu'une capacité commutable 62 qui sert à améliorer la mesure en étant couplée aux bornes de l'oscillateur 54 avec le capteur 22 pour restituer la conductivité du béton 6. 15 Dans un mode de réalisation simplifié, le câble 8 ne comporte que les fils 40, 44, 46 et 48, le fil de commutation 42, la capacité de commutation 62 et le commutateur 64 étant omis. Dans un autre mode de réalisation encore plus simplifié, le régulateur de tension 50, le 20 capteur de température 52 ainsi que le fil 48 sont également omis. Il ne reste alors que les fils 40, 44 et 46 ainsi que l'oscillateur 54 aux bornes duquel est connecté le capteur 22 immergé dans le béton 6. 25 Dans l'exemple décrit ici, la Demanderesse a démontré que la permittivité du béton, qui est directement reliée à son état de séchage, est également directement reliée à la capacité mesurée du capteur 22 immergé. Dès lors, il n'est pas nécessaire de calculer la permittivité du béton pour déterminer le 30 séchage. En fait, il suffit de suivre l'évolution de la fréquence mesurée par l'oscillateur 54, et de signaler le fait que celle-ci n'évolue plus ou peu. Il reste néanmoins possible de calculer la permittivité du béton. Ces calculs sont alors réalisés par un ordinateur auquel la sonde est reliée. Cependant, il serait possible de faire ces calculs directement au sein de la sonde, que ce soit par le biais d'un calculateur ou l'utilisation d'une table de recherche (LUT). Dans ce cas, le câble 8 permettrait de remonter directement la valeur de la permittivité du béton. On pourrait également envisager que le câble 8 soit relié à un émetteur, de type sonore ou lumineux par exemple, qui permettrait d'indiquer que le béton est sec. Dans l'exemple décrit ici, la sonde est alimentée en énergie par un câble. Cependant, la sonde pourrait intégrer une batterie (par exemple une pile bouton ou autre) propre à alimenter. Cette batterie pourrait être logée dans le boîtier 28 par exemple avec le circuit de mesure 20. Dans ce mode de réalisation, le câble 8 peut alors être supprimé, et les données de température et de fréquence peuvent être envoyées au CAN ou à l'ordinateur par ondes radios, un émetteur radio étant alors intégré à la sonde. 20 Bien que le mode de réalisation ait été décrit en référence au béton, il va de soi que l'invention est compatible avec d'autres matériaux amenés : - soit à former des complexes stables en passant par une phase hétérogène, qui n'est pas forcément partiellement ionique, par exemple lorsqu'un liquide diélectrique se combine chimiquement à des particules solides, de manière active, c'est-à-dire avec 25 changement des produits lors de la réaction, ou passive, c'est-à-dire avec formation d'hydrates par exemple, - soit à être des mélanges restant hétérogènes dans le temps, c'est-à-dire sans réactions chimiques de transformation des éléments, où un liquide, qui n'est pas forcément limité à l'eau, s'évapore au cours du temps, comme le bois aggloméré, ou un 30 sol irrigué qui sèche. 15 En outre, le cylindre pourrait être réalisée en d'autres formes qu'un cylindre, par exemple sous la forme d'un profilé de section carrée ou rectangulaire. Il serait alors nécessaire d'ajuster de manière mineure la formule (10) pour tenir compte de cette nouvelle section. La présente utilise la notion de permittivité de manière générique. Cependant, il faut comprendre que la sonde de l'invention permet de mesurer la permittivité complexe du béton. 10 On cherche bien à caractériser la permittivité complexe, car les variations de conductivité (liées à la partie imaginaire) peuvent être plus significatives dans certains cas que les variations de permittivité réelle. Cela est réalisé notamment par l'utilisation de la capacité commutable couplée au 15 capteur qui transforme la permittivité et ses variations en signal fréquentiel. Il serait néanmoins possible de se restreindre à une vue globale de la permittivité, c'est-à-dire réelle et imaginaire, moyennant des approximations.5 ANNEXE A (10) ir.Eo = Er cash - 7 * ID (20) cy,,.ter,nu (30) (40) b (50) (52) cp.c'q) 2 (54) a = b= (56) _ + b2 cs.4 T + 2r . r e 0 (58) -4a+ e ùe bT er Revendications1. Sonde immersible dans un matériau, caractérisée en ce qu'elle comprend un capteur (22) agencé pour former un élément électrique (56) avec un matériau (6) dans lequel il est immergé, la capacité (58) dudit élément électrique (56) étant reliée à la permittivité du matériau (6), et un circuit de mesure (20) relié au capteur (22) et adapté pour mesurer une grandeur représentative de la capacité (58) dudit élément électrique (56). 2. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capteur (22) comprend un cylindre (24) en matière électriquement inerte, autour duquel sont enroulés deux fils électriques couplés (26) reliés audit circuit de mesure (20). 3. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capteur (22) comprend un cylindre (24) en matière électriquement inerte, autour duquel est enroulée une capacité interdigitée. 4. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capteur (22) comprend un cylindre (24) en matière inerte électriquement, autour duquel est enroulée une bande souple sur laquelle est collée une piste de cuivre. 5. Sonde selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que le cylindre (24) est un cylindre plein en polychlorure de vinyle. 6. Sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le circuit de mesure (20) comporte un oscillateur à résistance et capacité (54) agencé pour mesurer la capacité (58) du capteur (22). 7. Sonde selon la revendication 4, caractérisée en ce que le circuit de mesure (20) comprend une capacité (62) pouvant être branchée en parallèle avec le capteur 25 (22) de manière commutable. 8. Installation comprenant une sonde immersible selon l'une des revendications précédentes, reliée à un ordinateur propre à tirer une permittivité d'un matériau dans lequel est immergée la sonde en fonctionnement, à partir de la mesure de capacité du capteur réalisée par la sonde. 30 9. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un convertisseur analogique-numérique relié d'une part à la sonde et d'autre part 14 à l'ordinateur, et agencé pour convertir les signaux de la sonde en signaux numériques. 10. Procédé de mesure de l'évolution d'un matériau caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a. immerger une sonde de mesure de capacité dans un matériau à surveiller, b. tirer de cette mesure une permittivité du matériau, c. surveiller l'évolution de la mesure de l'étape (b) jusqu'à atteindre une valeur limite.