Brevet FR3036493A1 — publié le 20161125

SUPPORT DE CÂBLE POUR LA MESURE, DANS UNE SOLUTION ÉLECTROLYTIQUE, D'UNE PROPRIÉTÉ DIÉLECTRIQUE DE SA GAINE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte au domaine de la mesure de propriétés diélectriques d'une gaine isolante d'un câble électrique. L'invention se rapporte plus particulièrement à un support de câble utilisable au cours d'une telle mesure. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans les systèmes électriques, de nombreuses liaisons électriques, qu'elles véhiculent de la puissance ou des données, sont généralement assurées par des câbles monofilaires ou multifilaires composés d'une âme conductrice (monobrins ou multibrins) enveloppée d'une gaine isolante souvent multicouche. Cette gaine isolante sert à protéger l'âme conductrice de la chaleur, des fluides chimiques et des vibrations et est constituée de diverses bases polymères (PVC, polypropylène, polyéthylène, polymères fluorés entre autres). En fonction des applications auxquelles elle est destinée, l'âme conductrice est enveloppée d'une gaine isolante plus ou moins résistante à la température et/ou aux efforts mécaniques. Compte tenu de l'omniprésence des réseaux de câbles dans des domaines aussi variés que l'aéronautique, l'automobile et les télécommunications, il est important, d'une part, de pouvoir prédire les performances de ces câbles et de vérifier leurs conformités, et d'autre part de pouvoir optimiser leur conception. C'est pourquoi il est nécessaire d'établir des modèles de câbles les plus précis possible. La description d'une ligne dans sa totalité résulte de l'association de n quadripôles identiques agencés selon le schéma illustré dans la figure 1. Cette description est issue de la théorie des lignes de transmission décrivant un formalisme de calcul de tensions d'entrée et de sortie (V et V+dV) et de courants d'entrée et de sortie (I et l+d1) au 3036493 2 sein d'un réseau de câbles électriques terminé par des charges et parcourus par un signal. Elle provient d'une déclinaison des équations de Maxwell et permet de modéliser un réseau de câblage (allant d'un simple câble à un réseau de harnais de câbles). Ainsi, la modélisation du système de câblage rend notamment 5 indispensable la connaissance de la valeur exacte de la capacité C des différents câbles. Les valeurs des composantes de la matrice de capacité dépendent des propriétés physiques des matériaux employés (comme la permittivité diélectrique des matériaux isolants notée er) et de leurs géométries (d1, d2). Ces valeurs sont liées par l'équation 1 suivante : 10 27r £0 er l' C= In (équation 1) où C est la capacité mesurée ; eo est la permittivité diélectrique du vide, telle que eo= 8,85.10-12 F.m-1 ; er est la permittivité diélectrique relative que l'on cherche à déterminer ; d2 est le diamètre du câble fini ; 15 d1 est le diamètre de l'âme conductrice du câble ; /' est la distance de couplage entre l'électrode et la câble. Même si les différents diamètres sont fournis par les constructeurs de câbles et sont facilement mesurables, la permittivité relative, quant à elle, n'est jamais spécifiée. En effet, les procédés de fabrication des câbles ne sont pas divulgués et chaque 20 gaine isolante peut être formée de plusieurs couches de diélectriques différents. Or, une variation de la valeur de la permittivité relative peut engendrer des erreurs dans le modèle de câble. Ainsi, il est nécessaire de pouvoir mesurer de manière fiable cette valeur. Or, il n'existe à l'heure actuelle aucune solution simple et peu coûteuse 25 pour déterminer la permittivité et/ou la perméabilité d'une gaine isolante de câble. Une première méthode connue consiste à mesurer la capacité d'un câble 1 entre son âme conductrice 2 et une couche conductrice disposée à même sa gaine isolante 3, pour ensuite en déduire sa permittivité. Cette couche conductrice peut être, 3036493 3 par exemple, une couche d'un liquide électrolytique 4. Dans ce cas, la mesure est obtenue en plongeant une extrémité d'une portion du câble échantillon et une extrémité d'une électrode 6 dans le liquide 4 versé dans un récipient 5 et en mesurant la capacité entre l'extrémité de la portion de câble et l'extrémité de l'électrode laissées hors du liquide à 5 l'aide d'une sonde de mesure 7 (figure 2). Les principales difficultés de cette méthode sont qu'il est nécessaire de maintenir le câble le plus parallèle possible à l'électrode, que la partie dénudée sur laquelle on place la sonde de mesure soit la plus proche possible de la surface du liquide et que rien n'interfère dans la mesure (aucune pièce conductrice ou isolante ne doit être présente entre l'électrode et le câble). Comme représenté dans la 10 figure 2, le câble est ici maintenu dans la solution électrolytique à l'aide d'une pince crocodile 8 fixée à une potence 9. Au final, comme il est très difficile de maintenir le câble parallèle à l'électrode sur toute sa longueur, cette méthode ne permet d'obtenir qu'une capacité très approximative, la distance entre l'électrode et la portion de câble immergée étant rarement constante sur toute la distance. 15 Il est également possible de remplacer le liquide électrolytique par un bain de mercure, le mercure ayant d'excellentes propriétés conductrices. Outre les inconvénients cités ci-dessus, cette deuxième méthode est déconseillée car le mercure est un produit dangereux pour la santé et son utilisation est très réglementée et souvent interdite. 20 Une troisième méthode connue consiste à utiliser une cavité qui sert à mesurer une capacité, pour ensuite déduire la permittivité. Le principe est d'emprisonner la portion de câble échantillon entre deux plaques métalliques sur lesquelles est appliquée une différence de potentiel. Un courant passe dans l'échantillon et une mesure de capacité peut s'effectuer. L'inconvénient de cette méthode réside dans la nécessité de 25 disposer d'une surface circulaire suffisamment grande (entre 3 et 6 cm de diamètre) afin de pouvoir avoir une valeur précise de la permittivité, ce qui engendre une augmentation du coût de l'équipement de mesure. En outre, cette méthode est difficilement applicable aux câbles de petits diamètres (supérieurs à une gauge 4 selon le système « American Wire Gauge »), ce qui est le cas de la plupart des câbles. 3036493 4 EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour but de proposer un support de câble qui permette de réaliser une mesure d'une propriété diélectrique de la gaine du câble, de préférence une mesure de la permittivité ou de la perméabilité de la gaine, de manière simple et peu 5 couteuse ; le support de câble permet en outre une reproductibilité de la mesure. Pour ce faire, l'invention a pour objet un support de câble pour la mesure d'au moins une propriété diélectrique de la gaine dudit câble, le câble étant destiné à être placé, lors de cette mesure, dans une solution électrolytique contenue dans un récipient, dans une position sensiblement parallèle par rapport à une électrode 10 également disposée dans la solution, ledit support étant caractérisé en ce qu'il comporte : - au moins un premier et un deuxième élément de fixation adaptés pour fixer le câble en au moins deux emplacements selon sa direction longitudinale ; - un système d'alignement adapté pour positionner le premier et le 15 deuxième élément de fixation de manière à ce que le câble soit positionné parallèle à l'électrode lorsque le support de câble est placé dans le récipient pour la mesure. Le système d'alignement peut comprendre une armature ayant une zone de logement destinée à accueillir et positionner l'électrode, ladite zone de logement définissant un plan d'électrode vis-à-vis duquel le câble doit être positionné sensiblement 20 parallèle. Il est bien entendu possible de prévoir un système d'alignement dont l'armature ne comporte pas de logement pour l'électrode, ladite armature étant dans ce cas configurée pour présenter un positionnement prédéfini dans le récipient vis-à-vis d'une électrode positionnée dans ce même récipient. Lorsque le système d'alignement comprend une armature (ayant ou non 25 une zone de logement destinée à accueillir l'électrode), le premier et le deuxième élément de fixation sont, avantageusement, chacun montés mobiles en translation par rapport à l'armature de manière à permettre un réglage de la distance entre le câble et l'électrode. Dans ce cas, le système d'alignement comprend, de préférence, pour chacun du premier et du deuxième élément de fixation au moins un rail de guidage, et préférentiellement deux rails de guidage, le long duquel ledit élément de fixation se 3036493 5 déplace en translation. Avantageusement, le système d'alignement comporte au moins un premier et un deuxième coulisseau solidaire avec respectivement le premier et le deuxième élément de fixation et agencé coulissant sur le rail de guidage correspondant respectivement au premier et au deuxième élément de fixation. 5 De préférence, chacun des premier et deuxième éléments de fixation est un corps comprenant au moins une première encoche pour fixer le câble en un emplacement selon sa direction longitudinale, ladite encoche étant aménagée dans ledit corps de manière à être en regard de l'électrode lors de la mesure. Avantageusement, chacun des premier et deuxième éléments de 10 fixation est un corps comprenant au moins une deuxième encoche présentant au moins une dimension différente de la première encoche pour autoriser la fixation d'un câble de dimension autre que celui pouvant être fixé par la première encoche, le système d'alignement autorisant un placement du premier et deuxième élément de fixation de manière à positionner la deuxième encoche en regard de l'électrode lors de la mesure. 15 Le support objet de l'invention permet de maintenir tout câble, quel que soit ses dimensions (en particulier son diamètre, pour les câbles cylindriques), essentiellement parallèle à une électrode dans un liquide électrolytique. Pour cela, on choisira des éléments de fixation ayant une encoche aux dimensions adéquates. En ayant plusieurs encoches de différentes dimensions sur un même élément de fixation, cela 20 présente l'avantage de pouvoir utiliser le même élément de fixation pour fixer des câbles de diamètres différents. Le système d'alignement peut comporter un organe de maintien adapté pour permettre un placement stable du support de câble sur le récipient lors de la mesure. Avantageusement, l'organe de maintien est une mâchoire de fixation destinée à 25 être en appui radial contre une paroi du récipient. De préférence, le support de câble comprend un troisième élément de fixation, les premier, deuxième et troisième éléments de fixation étant de préférence disposés à équidistance les uns des autres. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux 30 à la lecture du complément de description qui suit et qui se réfère aux figures annexées. 3036493 6 Bien entendu, ce complément de description n'est donné qu'a titre d'illustration de l'invention et ne constitue en aucun cas une limitation de celle-ci. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 représente un schéma équivalent d'un élément de ligne de 5 transmission dX avec pertes. La figure 2 illustre un montage selon l'art antérieur pour mesurer la permittivité d'un câble. La figure 3 représente, selon une vue en perspective, des pièces du support de câble objet de l'invention. 10 La figure 4 est une photographie montrant des pièces du support de câble objet de l'invention, montées ensemble et maintenant un câble en place. La figure 5 représente, selon une vue en perspective (et pour certaines pièces, selon une vue éclatée), le support de câble selon un mode de réalisation particulier de l'invention. 15 La figure 6 représente un montage permettant une mesure de la permittivité d'un câble utilisant le support de câble objet de l'invention. La figure 7 est une courbe représentant les résultats de mesure de permittivité en fonction de la fréquence. La figure 8 regroupe plusieurs courbes de la capacité en fonction de la 20 fréquence d'un câble de gauge 12, les courbes étant respectivement obtenues par mesure, pour l'une, et par simulation, pour les deux autres. EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PARTICULIER Dans la figure 3 sont représentées : un élément de fixation 11, qui est ici un corps plan de forme hexagonale muni d'un trou central 23, et de deux encoches 20 et 25 21 de diamètres différents réalisées sur deux bords opposés ; un coulisseau 18, muni d'une protubérance 24 destinée à coopérer avec le trou 23 de l'élément de fixation pour maintenir l'élément de fixation et le coulisseau solidaire ; un élément en forme de U qui va servir de rail de guidage 17 pour le coulisseau 18. 3036493 7 Le rail de guidage 17 et le coulisseau 18 sont des pièces appartenant au système d'alignement 14, qui comprend également une armature 15. La forme hexagonale des éléments de fixation permet de les glisser entre les deux branches des éléments en forme de U servant de rails de guidage 17 et 5 ainsi de bloquer un éventuel mouvement de translation dans une direction perpendiculaire à la direction longitudinale des deux branches. Le seul mouvement de translation possible des éléments de fixation est obtenu en faisant glisser les coulisseaux dans la direction longitudinale de ces deux branches. Les extrémités des branches de l'élément en forme de U, qui sert de rail 10 de guidage 17, sont équipées d'éléments d'accroche 25 destinés à coopérer avec des éléments d'accroche complémentaires 26 situés sur l'armature 15. Ces éléments d'accroches 25 et les éléments d'accroche complémentaires peuvent par exemple être des éléments mâles et femelles destinés à s'emboiter les uns dans les autres. Dans la figure 4 est représenté un câble 1 ayant une âme conductrice 2 15 (partie noire) entourée d'une gaine isolante 3 (partie blanche), maintenu droit en étant fixé par trois éléments de fixation 11, 12, 13 disposés en trois emplacements équidistants le long du câble. Le câble est fixé en étant pris dans l'encoche 20 des éléments de fixation 11, 12, 13. Les trois éléments de fixation 11, 12, 13 sont disposés chacun sur un coulisseau 18, 19 qui est glissé sur les deux branches d'une pièce en forme de U formant 20 un rail de guidage 17. La distance entre le câble et l'électrode 6 est réglée en faisant coulisser en translation les coulisseaux sur les rails de guidage 17. Il est à noter que les éléments de fixation ayant ici deux encoches 20, 21 de diamètres différents, on a disposé les éléments de fixation dans les coulisseaux, eux-mêmes glissés dans leurs rails de guidage 17 respectifs afin que l'encoche choisie soit en 25 regard de l'électrode. De cette manière, au cours de la mesure, il n'y aura rien d'autre que la solution électrolytique entre l'électrode et la gaine de l'électrode. Comme représenté dans la figure 5, les rails de guidage 17 sont ensuite raccordés à l'armature 15, qui comporte une zone de logement 16 destiné à accueillir et positionner l'électrode 6, qui est de préférence une électrode plane, par exemple une 30 bande de cuivre. On précise que dans la figure 5, le câble n'a pas été représenté, par souci 3036493 8 de simplification ; il est cependant préférable d'installer le câble sur les éléments de fixation 11, 12, 13, comme représenté dans la figure 4, avant de raccorder les rails de guidage 17 à l'armature 15. Dans la figure 5 est également représenté un organe de maintien 22 qui 5 est monté solidaire de l'armature 15 ; il s'agit ici d'une mâchoire de fixation réalisée en deux parties amovibles 22' et 22", qui va venir se poser sur le haut du récipient et l'enserrer. Dans la figure 6 est représenté un montage permettant d'obtenir la mesure de la permittivité de la gaine d'un câble et utilisant le support de câble selon 10 l'invention. Le support de câble selon l'invention permet d'assurer un maintien du câble dans une position verticale parallèle à l'électrode dans une solution électrolytique 4, laissant hors de la solution juste la partie nécessaire de l'âme conductrice du câble pour effectuer les mesures, sans interférer entre l'électrode et le câble. Un analyseur d'impédance relie l'électrode et l'âme conductrice du câble, permettant ainsi de mesurer 15 la capacité du câble et déduire la permittivité de sa gaine. Dans ce mode de réalisation particulier, les différentes pièces du support de câble selon l'invention sont des éléments rigides réalisés en un matériau électriquement isolant tel que du plastique ou une résine. Il peut par exemple s'agir de pièce en ABS (acrylonitrile butadiène styrène). 20 Des mesures préliminaires ont été réalisées en laboratoire sur une portion de câble échantillon de gauge 12 pour en caractériser l'isolant sur une large plage fréquentielle en vue de contrôler sa compatibilité électromagnétique (CEM). Nous avons pour cela utilisé le support de câble tel que représenté dans la figure 6 ; nous avons utilisé comme solution électrolytique de l'eau salée (NaCI+H20) à 25 8%. Les résultats ainsi obtenus de la permittivité diélectrique relative en fonction de la fréquence sont représentés dans courbe de la figure 7. En ayant connaissance de la permittivité de la gaine du câble, on peut alors déduire la capacité du câble en appliquant l'équation 1, ce qui va nous permettre 30 d'obtenir les résultats de la courbe 2 dans la figure 8 ci-après. 3036493 9 La figure 8 représente la capacité de cet échantillon de gauge 12 en fonction de la fréquence selon que les résultats sont obtenus en étant mesurés (courbe 1), en étant simulés avec les résultats de la permittivité relative mesurée (courbe 2) ou en étant simulés en considérant que la permittivité est constante en fonction de la 5 fréquence (courbe 3). Pour obtenir les résultats de la courbe 3, on simule le câble de gauge 12 plongé dans la solution électrolytique par un câble de gauge 12 recouvert d'un blindage parfait et dont la gaine a une permittivité de valeur connue et constante. Dans la courbe 3, nous avons pris pour la gaine du câble de gauge 12 une permittivité relative égale à 2 10 (ce qui est le cas, par exemple, d'une gaine en matériau plein en PTFE). Pour la courbe 3, on constate ainsi que la capacité simulée reste constante. Les résultats de la courbe 1 et de la courbe 2 sont quant à eux très similaires : on observe un comportement identique, mis à part un décalage positif de la courbe 2 par rapport à la courbe 1 qui est dû à la nature propre des matériaux qui 15 composent l'âme des conducteurs. En comparant les résultats obtenus pour la courbe 2 et pour la courbe 3, on observe l'intérêt qu'il y a à intégrer, dans la simulation, la mesure de la permittivité relative, cette permittivité pouvant évoluer en fonction de la fréquence. On constate par ailleurs, à partir des résultats de la figure 7, ainsi que des résultats obtenus pour les courbes 1 et 2 de la figure 8, qu'il y a une évolution stable 20 de la permittivité relative et de la capacité sur la bande de fréquences allant de 1kHz à 1MHz. On peut néanmoins retrouver le comportement fréquentiel avec des mesures de capacité (figure 8). A partir des résultats obtenus pour cet échantillon (courbe 2), on peut ensuite déduire un modèle de la capacité du câble qui utilise une mesure de la 25 permittivité relative de la gaine isolante en fonction de la fréquence. REVENDICATIONS1. Support de câble (10) pour la mesure d'au moins une propriété diélectrique de la gaine (3) dudit câble (1), le câble étant destiné à être placé, lors de cette mesure, dans une solution électrolytique (4) contenue dans un récipient (5), dans une position sensiblement parallèle par rapport à une électrode (6) également disposée dans la solution, ledit support de câble étant caractérisé en ce qu'il comporte : - au moins un premier (11) et un deuxième (12) élément de fixation adaptés pour fixer le câble en au moins deux emplacements selon sa direction longitudinale ; - un système d'alignement (14) adapté pour positionner le premier (11) et le deuxième (12) élément de fixation de manière à ce que le câble (1) soit positionné parallèle à l'électrode (6) lorsque le support de câble (10) est placé dans le récipient pour la mesure. 2. Support de câble selon la revendication 1, dans lequel le système d'alignement (14) comprend une armature (15) ayant une zone de logement (16) destinée à accueillir et positionner l'électrode (6), ladite zone de logement définissant un plan d'électrode vis-à-vis duquel le câble doit être positionné sensiblement parallèle. 3. Support de câble selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le système d'alignement (14) comprenant une armature (15), le premier (11) et le deuxième (12) élément de fixation sont chacun montés mobiles en translation par rapport à l'armature (15) de manière à permettre un réglage de la distance entre le câble (1) et l'électrode (6). 4. Support de câble selon la revendication 3, dans lequel le système d'alignement (14) comprend pour chacun du premier (11) et du deuxième (12) élément de fixation au moins un rail guidage (17), et préférentiellement deux rails de guidage, le long duquel ledit élément de fixation (11; 12) se déplace en translation. 3036493 11 5. Support de câble selon la revendication 4, dans lequel le système d'alignement (14) comporte au moins un premier (18) et un deuxième (19) coulisseau solidaire avec respectivement le premier (11) et le deuxième (12) élément de fixation et agencé coulissant sur le rail de guidage (17) correspondant respectivement au premier et 5 au deuxième élément de fixation. 6. Support de câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel chacun des premier (11) et deuxième (12) éléments de fixation est un corps comprenant au moins une première encoche (20) pour fixer le câble en un emplacement 10 selon sa direction longitudinale, ladite première encoche étant aménagée dans ledit corps de manière à être en regard de l'électrode lors de la mesure. 7. Support de câble selon la revendication 6, dans lequel chacun des premier et deuxième éléments de fixation est un corps comprenant au moins une 15 deuxième encoche (21) présentant au moins une dimension différente de la première encoche (20) pour autoriser la fixation d'un câble de dimension autre que celui pouvant être fixé par la première encoche, le système d'alignement (14) autorisant un placement du premier (11) et deuxième (12) élément de fixation de manière à positionner la deuxième encoche en regard de l'électrode lors de la mesure. 20 8. Support de câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le système d'alignement comporte un organe de maintien (22) adapté pour permettre un placement stable du support de câble sur le récipient (5) lors de la mesure. 25 9. Support de câble selon la revendication 8, dans lequel l'organe de maintien est une mâchoire de fixation destinée à être en appui radial contre une paroi du récipient. 10. Support de câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant un troisième élément de fixation (13), les premier (11), deuxième (12) et 3036493 12 troisième (13) éléments de fixation étant de préférence disposés à équidistance les uns des autres.