Brevet FR2974415A1 — publié le 20121026

DISPOSITIF MICRO-ONDE POUR LA MESURE SANS CONTACT DU TAUX D'HUMIDITE DANS UN MATERIAU ET PROCEDE ASSOCIE La présente invention est relative à un dispositif de réflectométrie micro-onde pour effectuer des mesures sans contact du taux d'humidité d'un matériau, notamment les céréales, les fruits séchés, les panneaux de bois, la biomasse ou les plaquettes de bois déchiquetés utilisés comme combustible dans les chaudières à bois pour la fourniture de chaleur ou d'électricité. L'invention couvre aussi un procédé de fonctionnement dudit dispositif. Dans de nombreux procédés industriels et à différentes étapes, le taux d'humidité d'un 10 produit fini ou d'un produit intermédiaire doit être mesuré afin de vérifier que ledit produit présente les propriétés attendues et de garantir la qualité dudit produit. Par exemple, dans l'agroalimentaire, la mesure du taux d'humidité permet de garantir une longue durée de conservation de certaines substances alimentaires, pour maîtriser les conditions de stockage des céréales, pour préserver certaines qualités intrinsèques des 15 produits ou plus généralement pour respecter certaines règlementations ou contraintes liées à la commercialisation. Dans le domaine particulier du bois-énergie, utilisé pour produire chaleur ou électricité, l'énergie disponible dans une masse de bois donnée (PCI : Pouvoir Calorifique Inférieur) dépend directement du taux d'humidité du bois déchiqueté, lequel taux varie fortement en 20 fonction des conditions de fabrication ou de stockage. Cette donnée qui concerne l'énergie disponible est fondamentale pour fixer les conditions de vente ou d'achat et pour optimiser le rendement des chaudières à bois. Différentes techniques de mesure des taux d'humidité ont été développées en fonction des domaines d'applications. 25 Ainsi, un premier dispositif dit « dessiccateur » de mesure de taux d'humidité de l'art antérieur comporte de moyens de chauffage, à technologie halogène ou micro-onde de puissance, et des moyens de pesage. Un échantillon du produit à mesurer est pesé avant et après une étape de chauffage. En calculant la différence entre ces deux pesées, on obtient la masse évaporée et donc le taux 30 d'humidité. Cependant, ce principe ne donne pas de bonnes mesures quant à la précision puisque le chauffage des échantillons et l'évaporation d'eau sont mal contrôlés. La méthode de référence dans le domaine du bois-énergie est une mesure dite en étuve. Selon la spécification technique CEN/TS 14774, le minimum à tester est de 300 g ; cependant il est recommandé de tester une masse supérieure à 500 g, voire 1 à 2 kg lorsque la granulométrie est supérieure à 100 mm. La spécification technique CEN/TS 14774 propose une méthode de référence et une méthode simplifiée : La méthode de référence et la méthode simplifiée sont des méthodes par déshydratation en étuve à une température comprise entre 103 et 107°C. Elles nécessitent de posséder une balance de précision (0,1 g), pour peser le combustible avant et après élimination de l'eau. La durée de la déshydratation est de 24 heures. Cette méthode implique des contraintes lourdes et un délai d'au moins 24 h avant d'avoir la valeur du taux d'humidité. Des méthodes alternatives sont plus rapides mais très imprécises, de 5 à 10 points de différence par rapport à la valeur obtenue par la méthode de référence. Pour des mesures de taux d'humidité par des méthodes alternatives, trois techniques micro-ondes sont généralement utilisées : mesure de transmission entre cornets, dispositifs résonnants ou dispositifs résistifs ou capacitifs. Les méthodes dites résistives ou capacitives fonctionnent à des fréquences plus faibles et elles ne sont pas adaptées aux granulométries du matériau à mesurer. Elles nécessitent de définir des étalonnages spécifiques en fonction de chaque type de matériau. Le brevet US6147503 décrit un dispositif de mesure en transmission, ainsi que le moyen de calculer le taux d'humidité et la densité d'un milieu granulaire. Ce brevet et les publications de A. Kraszewski ont toutefois l'intérêt de montrer qu'il existe des procédés de mesure indépendants de la densité du milieu granulaire à analyser, densité toujours difficile à connaître. La plupart des dispositifs de mesure des taux d'humidité utilisent des résonateurs (voir par exemple les brevets EP0908718-A1, WO2007/147950-A1 et WO2009/071047-A2). Différentes configurations de résonateur sont présentées et les fonctions indépendantes de la densité définies par A. Kraszewski sont utilisées pour déterminer le taux d'humidité de milieux granulaires. Néanmoins ces dispositifs utilisent un analyseur de réseaux, appareil disponible dans un laboratoire de recherche mais pas pour une utilisation dans le monde industriel car trop couteux et nécessitant une installation lourde en matériel. Le brevet européen EP0971227-A1 décrit un dispositif de mesure utilisant un réflectomètre dans le domaine temporel pour des mesures sur des poudres ou liquides agroalimentaires, la cellule de mesure étant constituée d'un résonateur en lignes micro-rubans ou coplanaires. Les milieux granulaires, dont les précédents dispositifs mesurent le taux d'humidité, sont soit des poudres agroalimentaires soit des grains de petites dimensions (quelques millimètres, blé ou riz essentiellement). Dans le cas du bois-énergie, les plaquettes de bois déchiqueté ont des dimensions de l'ordre de quelques centimètres à 10 centimètres ou plus, toutes dimensions mélangées. La spécification technique CEN/TS 14961 définit les classes de granulométrie dans le bois-énergie. Les dispositifs précédemment cités ne sont pas adaptés à de telles granulométries. Les dispositifs de mesure des taux d'humidité de l'art antérieur s'appliquent à des milieux composés de grains petits (maïs, blé ou riz) de dimension inférieure au centimètre et de forme souvent homogène. Les plaquettes utilisées dans le bois-énergie ont des granulométries variables : par exemple la classe P100 selon CEN/TS 14961 sera composée de plus de 80 % en poids de plaquettes de dimension supérieure à 4,3 mm et inférieure à 100mm, de moins de 5% de plaquettes de dimension inférieure à 4,3 mm et de moins de 1% de plaquettes de dimension supérieure à 200 mm. Ces plaquettes sont obtenues par déchiquetage de tronc et de branches. Elles ont des formes parallélépipédiques très allongées. Le mélange résultant est très fortement hétérogène ; mais du fait de la production des plaquettes il présente un caractère pseudo-fractal (auto-similarité sur un intervalle métrique assez faible). Il en résulte qu'on obtient un compactage assez dense, de l'ordre de 50%, et une surface assez régulière. Le critère de Rayleigh définit une condition pour qu'une surface rugueuse puisse être considérée comme plane vis à vis d'une onde de longueur d'onde 1. En effet, la surface est considérée comme plane si (a costP)/X (0,25 x Px)2, Px est la classe de granulométrie selon CEN/TS 14961. Ces limites établies, la présente invention vise à pallier les inconvénients des différents dispositifs de l'art antérieur présentés en proposant un dispositif de mesure du taux d'humidité d'un matériau par une technique de réflectométrie micro-onde. La mesure est faite sans contact et elle est instantanée, précise et sans danger. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de mesure sans contact du taux d'humidité dans un matériau, ledit dispositif comprenant une source micro-onde de fréquence respectant les conditions données plus haut. Ladite source micro-onde est reliée par un guide coaxial à un réseau d'antennes plaquées constitué de façon à rayonner un faisceau de section carré de côté défini par 0,25 x Px (en cm) par exemple. L'antenne sera placée assez près du matériau à mesurer, à une distance de l'ordre de la longueur d'onde 1 par exemple, pour que le faisceau rayonné ne diverge pas et que l'onde réfléchie soit entièrement récupérée par l'antenne. Ladite onde réfléchie captée par l'antenne est dirigée par un dispositif tel que coupleur directif ou circulateur vers un moyen de détection, par exemple une diode Schottky ou tunnel. Lesdits moyens de détection sont reliés à des moyens de traitement du signal. En complément un té hybride et un commutateur DPDT (Double Pole Double Throw), ou deux SPST (Single Pole Single Throw) seront introduits entre l'antenne et le coupleur directif ou le circulateur pour automatiser la prise de mesure comme il sera expliqué ci-dessous. Un des principaux avantages de l'invention est de permettre une mesure indépendante de la densité de l'échantillon, ce qui permet d'adapter le dispositif de mesure selon l'invention à de nombreuses applications industrielles notamment. L'invention propose un dispositif de mesure sans contact du taux d'humidité H dans un matériau (X), ledit dispositif comprenant au moins une antenne couplée à une source de rayonnement micro-onde de fréquence comprise entre 1 et 10 GHz et à des moyens de détection d'un signal de sortie dépendant du taux d'humidité d'un échantillon placé dans le faisceau rayonné par l'antenne. Lesdits moyens de détection sont reliés à des moyens de traitements du signal et des moyens de traitement des données notamment un micro-processeur contenant l'étalonnage du dispositif de mesure. L'échantillon à analyser est placé sous une antenne à une distance de l'ordre de la longueur d'onde rayonnée. Le dispositif de mesure sans contact du taux d'humidité H dans un matériau (X), selon l'invention, comporte des caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : le matériau à analyser est placé dans un bac sur une plaque métallique. le matériau à analyser défile en dessous de l'antenne, sur un convoyeur constitué d'un tapis métallique ou d'une autre matière avec un étalonnage adapté. un commutateur de type DPDT ou deux SPDT et un logiciel approprié permettent une mesure du taux d'humidité sans intervention de l'utilisateur. l'antenne est une antenne réseau de côté 0,25 fois Px ou tout autre type d'antenne ayant un gain supérieur à 15dB. Px représente la classe de granulométrie. un détecteur est conservé et le circulateur est remplacé par un isolateur. Dans ce cas, le logiciel de traitement des données doit contenir une condition sur la valeur du signal de sortie S'/SO. les moyens de traitement comprennent au moins des moyens d'alimentation, un microprocesseur, des moyens de mémorisation et des moyens d'affichage, transformant lesdits signaux de sortie S et S' à partir d'une fonction établie par étalonnage en un résultat affiché correspondant à une mesure du taux d'humidité (H) de l'échantillon il comprend des moyens de communication sous forme d'une liaison filaire, d'un port USB, d'une liaison sans fil par ondes radio, infrarouge ou autre. D'autres caractéristiques et avantages ressortent de la description qui va suivre, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation sous forme d'un diagramme d'un dispositif de mesure selon l'invention, - la figure 2 est une représentation sous forme d'un diagramme de la gestion des commutateurs selon l'invention, - la figure 3 est un graphique de comparaison entre des mesures du taux d'humidité effectuées avec un dispositif de référence et un dispositif selon l'invention, et - la figure 4 est une représentation en élévation d'un dispositif du taux d'humidité selon l'invention. L'invention est maintenant décrite selon un mode de réalisation préféré mais non limitatif du dispositif micro-ondes de mesure selon l'invention. Ainsi, tel que représenté en figure 1, un dispositif de mesure sans contact du taux d'humidité dans un matériau, notamment des plaquettes du bois-énergie, selon l'invention comprend au moins une antenne 5 couplée à une source micro-onde 1 et à des moyens de détection 4 et 4' du signal de sortie dépendant du taux d'humidité H de l'échantillon 7 placé soit sur un convoyeur, soit dans un bac en PE ou PVC sur une plaque métallique 10. L'onde réfléchie par l'échantillon 7 placé sous l'antenne 5 est réabsorbée par cette antenne et dirigée vers les détecteurs 4 et 4' par le moyen d'un coupleur directif ou d'un circulateur 2. Le commutateur DPDT 3 (ou deux SPST) permet de diriger l'onde issue de la source 1 soit vers l'antenne 5 pour la mesure, soit vers un court-circuit 6 pour une mesure de référence, et vers un té hybride dans l'autre sens. L'ensemble de ces composants 1, 2, 3, 4, 4', 5, et 6 constitue donc le circuit micro-onde 9. Les détecteurs 4 et 4' transforment l'énergie de l'onde réfléchie en tensions continues qui sont transmises à des moyens de traitement 8. Le rôle de ces moyens de traitement 8 est de fournir les tensions d'alimentation des composants tels que la source micro-onde 1 et le commutateur 3, de comparer la tension détectée à une fonction d'étalonnage et d'afficher le résultat qui est le taux d'humidité recherché. Ces données peuvent être également transmises à un système de supervision si le dispositif de mesure est intégré dans une chaîne industrielle. Plus précisément, la source micro-onde 1 est un VCO (Oscillateur Contrôlé par Varactor) dont la fréquence F est choisie en fonction de la granulométrie du milieu à mesurer de façon à satisfaire à la condition 1, décrite plus haut. De préférence, l'antenne 5 est une antenne plaquée directive de surface carrée satisfaisant à la condition 2 décrite plus haut ce qui implique par exemple un gain supérieur à 15 dB dans le cas d'une granulométrie P100. Dans un mode de réalisation perfectionné de l'invention destiné à effectuer des mesures soit en statique ou en continu du taux d'humidité sur des séries d'échantillon, l'échantillon 7 peut être placé sur un convoyeur ou dans un bac selon le mode de fonctionnement choisi. L'épaisseur sera le plus souvent imposée par des contraintes extérieures, elle devra être maintenue constante au cours de la mesure. La surface devra être aussi plane que possible compte-tenu de la granulométrie. Dans ces conditions, le milieu à mesurer étant par nature hétérogène et aléatoire, les fluctuations propres dans l'organisation des particules du matériau conduisent à des fluctuations de mesure supérieures à celle induites par des variations d'épaisseur. Dans un dispositif selon le mode de fonctionnement choisi, on obtiendra un fonctionnement optimum pour une épaisseur de matériau à déterminer en fonction de la position de l'antenne. Le commutateur DPDT (ou deux SPST) 3 dirige l'onde provenant de la source micro-onde 1 soit vers l'antenne 5, soit vers le court-circuit 6 pour une mesure de référence qui sera utilisée par le dispositif de traitement de signal 8 pour normaliser la mesure. Dans certains cas dépendants de l'épaisseur et du taux d'humidité de l'échantillon 7 à mesurer, des déterminations multiples peuvent exister (une même mesure de la tension détectée S correspond à deux taux d'humidité différents), un choix peut être fait en utilisant un commutateur DPDT (ou deux SPST) 3 et un té hybride 12 selon la figure 1 pour lever l'indétermination par une estimation de la phase de l'onde réfléchie obtenue en comparant les signaux S' et S" détectés par les détecteurs 4 et 4' et transmis au dispositif de traitement par les câbles 11 et 11'. L'onde réfléchie par l'échantillon 7 à mesurer est renvoyée sur les détecteurs 4 et 4' par un té hybride 12 et un composant notamment un circulateur 2, ou un coupleur directif. De préférence, les détecteurs 4 et 4' sont des diodes Schottky ou tunnel qui transforment la puissance micro-onde en tensions continues proportionnelles à cette puissance reçue. Lesdites tensions constituent les signaux de sortie S et S' du circuit micro-onde. Les signaux de sortie détectés S et S' sont transmis par l'intermédiaire des câbles 11 et 11' vers des moyens de traitement 8. Enfin, lesdits moyens de traitement 8 comprennent au moins des moyens d'alimentation, un microprocesseur, des moyens de mémorisation et des moyens d'affichage, notamment un écran tactile ou alphanumérique (LEDs ou LCD), pour la transformation des signaux S et S' en un résultat affiché correspondant à la mesure du taux d'humidité H de l'échantillon 7. Le résultat affiché est obtenu à partir d'une fonction analytique établie par étalonnage et définissant la relation entre le taux d'humidité H de l'échantillon 7, les signaux mesurés S et S' et le signal de référence So, obtenu lorsque le commutateur 3 oriente l'onde vers le court-circuit 6. Un procédé de fonctionnement préféré, mais non limitatif, du dispositif 14 de mesure selon l'invention est maintenant décrit. Une première étape dudit procédé de fonctionnement consiste à étalonner le dispositif 14 de mesure en définissant la relation, appelée fonction d'étalonnage, propre à chaque dispositif 14 de mesure entre le taux d'humidité H de l'échantillon 7, les signaux mesurés S' et S" et le signal de référence So. Cet étalonnage est réalisé avec un lot d'échantillons étalons ayant des taux d'humidité différents. Les taux d'humidité différents desdits échantillons étalons sont mesurés avec la méthode de référence en étuve. Ensuite, la mesure de référence So et les signaux mesurés S' et S" pour chaque échantillon étalon sont reliés aux taux d'humidité de référence pour établir la fonction d'étalonnage g propre audit dispositif 14 de mesure. Avantageusement, l'étalonnage dudit dispositif 14 de mesure effectué avec des échantillons étalons d'un matériau, notamment les plaquettes de bois-énergie, reste valable pour différentes essences et origines de bois. Ladite fonction d'étalonnage g est ensuite implémentée dans le microprocesseur des moyens de traitement 8 pour exploiter le signal mesuré S, cette formule étant telle que : H (en %) = (S'/So, S"/So) Ensuite le dispositif 14 de mesure peut être utilisé pour effectuer une mesure du taux d'humidité H d'un échantillon 7 d'un matériau granulaire. Suivant le procédé de fonctionnement du dispositif 14 de mesure selon l'invention, les différentes étapes de mesure dudit échantillon 7 consistent à : - effectuer et enregistrer la mesure de référence So, (voir figure 2 gestion des commutateurs au cours des mesures), - effectuer les mesures S' et S" avec l'échantillon 7, - reporter ces mesures So, S' et S" dans la formule d'étalonnage l pour déterminer et afficher le taux d'humidité H de l'échantillon 7 de matériau granulaire. Ces différentes actions sont gérées par le microprocesseur, l'utilisateur n'intervient pas au cours de ces mesures. Le dispositif 14 de mesure selon l'invention comprend aussi des moyens de communication 13, notamment avec un ordinateur ou un système de supervision, sous forme d'une liaison filaire, d'un port USB, d'une liaison sans fil par ondes radio, infrarouge ou autre. Ces moyens de communication 13 permettent à l'utilisateur d'assurer une traçabilité des différents lots de produits testés, ou bien d'effectuer une configuration ou une mise à jour du dispositif 14 de mesure, et notamment des paramètres de calcul et d'étalonnage des dispositif 14 de mesure. Bien entendu, la présente invention couvre aussi les différentes variantes du circuit micro-onde 9 et des moyens de traitement 8, notamment le remplacement du commutateur DPDT par deux commutateurs SPST, les différents procédés d'utilisation dudit dispositif de traitement 8 et les différentes applications pouvant être imaginées à partir de l'invention telle qu'elle vient d'être décrite. En particulier, le cas où dans la gamme de mesure souhaitée, il n'existe pas de déterminations multiples et où le dispositif peut être simplifié en supprimant le té hybride 12, le commutateur 3 et le détecteur 4'. Des tests comparatifs ont été faits entre des mesures du taux d'humidité effectuées avec un dispositif de référence et un dispositif de mesure 14 selon l'invention, les résultats sont donnés sur la figure 3. L'étude statistique de ces mesures montre que les mesures par le dispositif de mesure 14 selon l'invention sont aussi fiables que les mesures de référence et que le dispositif de mesure 14 selon l'invention est juste. REVENDICATIONS1. Dispositif (14) de mesure sans contact du taux d'humidité H dans un matériau (X), ledit dispositif comprenant au moins une antenne (5) couplée à une source de rayonnement micro-onde de fréquence comprise entre 1 et 10 GHz (1) et à des moyens de détection (4 et 4') d'un signal de sortie dépendant du taux d'humidité d'un échantillon placé dans le faisceau rayonné par l'antenne, lesdits moyens de détection étant reliés à des moyens de traitement (8) notamment un micro-processeur contenant l'étalonnage du dispositif (14) de mesure, l'échantillon à analyser (7) étant placé sous l'antenne (5) à une distance de l'ordre de la longueur d'onde rayonnée. 2. Dispositif (14) de mesure sans contact du taux d'humidité H dans un matériau (X) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau à analyser est placé dans un bac sur une plaque métallique (10). 3. Dispositif (14) de mesure sans contact du taux d'humidité H dans un matériau (X) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau à analyser défile en dessous de l'antenne, sur un convoyeur constitué d'un tapis métallique avec un étalonnage adapté. 4. Dispositif (14) de mesure selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce qu'un commutateur (3) DPDT ou deux SPDT et un logiciel approprié permettent une mesure du taux d'humidité sans intervention de l'utilisateur. 5. Dispositif (14) de mesure sans contact du taux d'humidité H dans un matériau (X) selon la revendication 2 ou la revendication 3 en combinaison avec la revendication 4, caractérisé en ce que l'antenne (5) est une antenne réseau de côté 0,25 fois Px ou tout autre type d'antenne ayant un gain supérieur à 15dB, Px représentant la classe de granulométrie. 6. Dispositif (14) de mesure sans contact du taux d'humidité H dans un matériau (X) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un circulateur (2).35 7. Dispositif (14) de mesure sans contact du taux d'humidité H dans un matériau (X) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un isolateur. 8. Dispositif (14) de mesure sans contact du taux d'humidité H dans un matériau (X) selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement (8) comprennent au moins des moyens d'alimentation, un microprocesseur, des moyens de mémorisation et des moyens d'affichage, transformant lesdits signaux S et S' à partir d'une fonction établie par étalonnage en un résultat affiché correspondant à une mesure du taux d'humidité (H) de l'échantillon (7). 9. Dispositif (14) de mesure sans contact du taux d'humidité H dans un matériau (X) selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de communication (13) sous forme d'une liaison filaire, d'un port USB, d'une liaison sans fil par ondes radio ou d'une liaison sans fil par infrarouge.