Brevet FR3035967A1 — publié le 20161111

DISPOSITIF POUR MESURER L'ACTrVITE DE L'EAU D'ECHANTILLONS SOLIDES OU LIQUIDES La présente invention concerne un dispositif de mesure d'activité de l'eau d'échantillons solides ou liquides par la technologie du miroir 5 refroidi. L'activité de l'eau est étroitement liée à une mesure d'humidité relative dans un milieu confiné autour d'un échantillon humide, solide ou liquide. Ce dispositif connu sous le nom d'awmètre, peut donc aussi être appelé, hygromètre à condensation, hygromètre à miroir, ou encore hygromètre à mesure de température de point de rosée. 10 Ce principe de mesure utilisant un miroir refroidi est employé principalement dans deux familles de dispositifs: -Dispositifs permettant de mesurer la température de point de rosée de gaz. -Dispositifs permettant de mesurer l'activité de l'eau d'échantillons 15 solides ou liquides. L'invention concerne uniquement les dispositifs permettant de mesurer l'activité de l'eau d'échantillons solides ou liquides, au moyen d'un miroir refroidi. Le principe général de mesure d'hygrométrie par miroir refroidi employé 20 dans le dispositif appartient au domaine public, il a été inventé par John Frederic Daniell en 1827. Le concept, appelé activité de l'eau, représente l'état hydrique d'un produit à humidité intermédiaire. L'influence de l'activité de l'eau sur le développement microbiologique au sein d'un produit alimentaire, 25 a été démontrée en 1953 par W.J. Scott. Le dispositif de mesure d'activité de l'eau par miroir refroidi est connu pour être plus précis que les autres technologies de mesure de l'activité de l'eau d'échantillons, mais présente comme inconvénient connu sa sensibilité à la contamination. 30 Un dispositif de mesure d'activité de l'eau par miroir refroidi est connu comme comportant un système de brassage d'air interne à la chambre de mesure, pour accélérer l'établissement d'un équilibre thermodynamique. Le système de brassage d'air du dispositif présente comme principaux 35 inconvénients: -De favoriser l'encrassement du dispositif, notamment pour des mesures d'échantillons pulvérulents. -Un nettoyage délicat en raison de la difficulté à nettoyer les pales 3035967 2 ou éléments mobiles du système de brassage d'air. -Une fiabilité à long terme diminuée par la présence d'éléments mobiles internes au dispositif. Le but de l'invention est de fournir un dispositif de mesure d'activité de l'eau d'échantillons solides ou liquides par la technologie du miroir refroidi remédiant aux inconvénients évoqués, qui ne comporte pas de système de brassage d'air interne au dispositif, mais qui conserve les qualités intrinsèques connues de l'art antérieur. L'objet de l'invention est de pallier à l'absence de système de brassage d'air interne, donc de permettre un temps d'équilibre thermodynamique et une précision de mesure qualitativement équivalente à un dispositif de mesure d'activité de l'eau par miroir refroidi muni d'un système de brassage d'air interne. Le temps, d'obtention d'un équilibre thermodynamique satisfaisant, sera d'autant plus court que le volume de la chambre est réduit, que la chambre permet une libre circulation de l'air humide contenu, que la distance entre la surface de l'échantillon et le miroir refroidi est faible, et que la surface d'échange entre le produit à mesurer et l'air humide contenu est importante. Le temps d'obtention d'un équilibre thermodynamique satisfaisant obtenu naturellement par augmentation d'entropie, doit permettre une mesure de l'activité de l'eau d'un échantillon conforme aux standards de précision connus de l'art antérieur, en moins de 5 minutes. Pour supprimer la nécessité d'un système de brassage d'air interne, 25 l'invention définit un axe d'optimisation relatif au dimensionnement de la chambre de mesure et un autre axe d'optimisation relatif à la disposition interne des éléments du dispositif: -Le volume de la chambre de mesure doit être réduit au maximum. -La distance entre le miroir refroidi et la surface de l'échantillon 30 doit être réduite. On détermine que celle-ci doit être inférieure à 10 mm. -Aucun obstacle ne doit être présent entre la surface de l'échantillon et le miroir refroidi. -On évitera tout élément susceptible de créer un cloisonnement pouvant 35 ralentir l'équilibre thermodynamique de la chambre de mesure dans son ensemble. -On limitera au strict minimum l'utilisation de matériaux aux propriétés d'absorption d'eau non nulles, comme par exemple des polymères, en contact direct avec l'air à l'intérieur de la chambre de 3035967 3 mesure, qui pourraient nuire également à un équilibre thermodynamique rapide. L'invention repose sur l'utilisation de deux miroirs secondaires, situés de part et d'autre du miroir refroidi. Lesdits miroirs 5 secondaires permettent de déporter le faisceau de mesure de quantité de rosée, rosée qui est formée au centre du miroir refroidi. Ces miroirs secondaires ont pour but, de pouvoir approcher autant que possible le miroir refroidi de la surface de l'échantillon, de limiter le volume de la chambre, ainsi que de maintenir, parallèlement et face 10 à face, le miroir refroidi et la surface de l'échantillon mesuré. Ces miroirs sont usinés dans le corps même du capteur, ce qui permet une meilleure uniformité de la chambre de mesure sur un plan thermodynamique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la 15 lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels: -La figure 1 est une représentation schématique vue de dessous du dispositif selon un mode de réalisation de l'invention. -La figure 2 est une représentation schématique en coupe du dispositif 20 selon un mode de réalisation de l'invention. En référence à ces figures et selon un mode de réalisation de l'invention, le corps du capteur (1), constitué de matériaux chimiquement neutres et non absorbants comme par exemple de l'acier inoxydable, sert de support aux différents éléments mis en oeuvre dans le dispositif. Le corps du capteur (1) constitue une chambre hermétique (2) autour de l'échantillon à mesurer (3). Le corps du capteur (1) intègre deux miroirs secondaires (4 et 5) permettant de défléchir un faisceau étroit de photons (6) que nous appellerons faisceau. Ce faisceau (6) est émis par un émetteur de photons (7), constitué d'une diode électroluminescente ou d'une diode laser. Ce faisceau (6) est défléchi par un premier miroir secondaire (4) en direction du miroir refroidi (8). L'angle d'incidence du faisceau (6) sur le miroir refroidi (8) est compris entre 60° et 89°. Le miroir refroidi (8), autrement appelé miroir principal, est 35 constitué de matériaux réfléchissants ou semi-réfléchissants. Le miroir refroidi (8) est couplé avec un module thermoélectrique (9), autrement appelé module Peltier, permettant de modifier la température dudit 3035967 4 miroir refroidi (8). La température du miroir refroidi (8) est mesurée par une sonde de température (10) située entre la face conventionnellement appelée face froide du module thermoélectrique (9) et le miroir refroidi (8). L'ensemble, constitué du module thermoélectrique (9), de la sonde de température (10) et du miroir refroidi (8), est assemblé au moyen d'un liant thermo-conducteur, comme par exemple de la colle thermoconductrice ou de la graisse thermo-conductrice, non représenté sur les figures. 10 Le faisceau (6) est défléchi par le miroir refroidi (8) en direction du second miroir secondaire (5). Le second miroir secondaire (5) défléchit à son tour le faisceau (6) en direction du récepteur de photons (11) autrement appelé photo-détecteur. Le signal de sortie du photo-détecteur (11) est proportionnel à 15 l'intensité du faisceau (6) reçue par le photo-détecteur (11). Un détecteur de température infrarouge (12) autrement appelé thermopile, mesure la température de surface de l'échantillon (3), l'échantillon à mesurer (3) étant placé dans un récipient (13) circulaire d'un diamètre approximatif de 40 mm, permettant de le 20 contenir. Les matériaux de tous les éléments (1, 4, 5, 7, 8, 11, 13) en contact avec l'air contenu dans la chambre de mesure (2) sont choisis pour leur neutralité chimique, et pour leur absence ou très faible capacité d'absorption d'eau. 25 L'herméticité de la chambre de mesure (2) étant un critère déterminant dans l'obtention d'un équilibre thermodynamique satisfaisant, il est nécessaire d'utiliser des techniques pour assurer l'étanchéité entre les différents éléments (1, 7, 8, 11, 12) constituant la chambre de mesure, comme par exemple, des joints d'étanchéité. Ceux-ci ne sont pas 30 représentés sur les figures. Il existe un effet néfaste, lié au rapprochement du miroir refroidi (8) de la surface de l'échantillon (3). Un refroidissement du miroir refroidi (8), entraîne un refroidissement de la température de surface de l'échantillon (3) par convection et rayonnement. Ce refroidissement est pris en compte par le détecteur de température infrarouge (12) dont est équipé le dispositif, mais il convient de le limiter autant que possible. 3035967 5 Pour éviter qu'un gradient de température important se forme à la surface de l'échantillon (3), gradient qui pourrait nuire à la qualité des mesures, la solution retenue est de diminuer la surface refroidie (14) du miroir refroidi (8). 5 La diminution de la surface refroidie (14) du miroir refroidi (8) constitue un 3eme axe d'optimisation du dispositif. La surface refroidie (14) dépend de plusieurs facteurs comme par exemple de la surface de contact du liant thermo-conducteur avec le miroir refroidi (8), de la conduction thermique et de l'épaisseur du 10 miroir refroidi (8). Par besoin de simplification on considère la surface refroidie (14) comme étant la surface délimitée par une ligne isotherme située à la moyenne de la température du point central du miroir refroidi (8) et de la température du corps du capteur (1). Cette surface peut être mesurée par exemple à l'aide d'une caméra thermique. 15 On détermine qu'une surface refroidie (14) de 25 mm2, constitue une limite au delà de laquelle l'effet par propagation thermique du miroir refroidi (8) sur la surface de l'échantillon (3) est trop important pour permettre une précision de mesure conforme à celle connue de l'art antérieur. La précision de mesure considérée a été établie sur la base 20 d'une erreur maximum de mesure de l'activité de l'eau de plus ou moins 0,003 sur une gamme d'échantillons de référence dont l'activité de l'eau est connue et est comprise entre 0,113 et 1,000. Selon un mode de réalisation de l'invention, le déroulement d'une mesure d'activité de l'eau, peut être décomposé en trois étapes: 25 1- Un échantillon à mesurer (3), appelé aussi produit humide est placé dans un récipient (13), ce récipient (13) est placé à l'intérieur de la chambre de mesure hermétique (2), un équilibre thermodynamique entre l'échantillon (3) et l'air confiné dans la chambre de mesure (2) va s'établir progressivement. 30 Le miroir refroidi (8) est maintenu à une température supérieure ou égale à la température de surface de l'échantillon (3), de manière à ce que le miroir refroidi (8) ne comporte pas de rosée à sa surface. Une mesure d'intensité du faisceau (6) est alors réalisée. Cette mesure d'intensité du faisceau (6) servira de référence à la détection de 35 présence de rosée, et ultérieurement à l'évaluation de la quantité de rosée, autrement appelée masse de rosée, située sur une zone restreinte autour du centre du miroir refroidi (8). 2- Le miroir principal (8) est ensuite refroidi par l'application 3035967 6 progressive d'un courant électrique aux bornes du module thermoélectrique (9), jusqu'à l'apparition de rosée au centre du miroir principal (8). L'apparition de rosée provoque une dispersion d'une partie du faisceau (6) réfléchi par le miroir refroidi (8). Un affaiblissement de l'intensité du faisceau (6) reçue par le photo-détecteur (11) engendre un affaiblissement du signal de sortie de celui-ci . La présence de rosée est détectée par un seuil programmable, d'affaiblissement du signal de sortie du photo-détecteur (11). 3- La masse de rosée est évaluée par la proportion d'affaiblissement du 10 signal de sortie du photo-détecteur (11). La masse de rosée, qui doit être constituée d'une fine épaisseur de gouttelettes de rosée, est régulée à une valeur de consigne de manière à ce que cette masse de rosée soit stable durant tout le processus de mesure. La température du miroir refroidi (8), lors de la présence d'une masse 15 de rosée stable et après obtention d'un équilibre thermodynamique satisfaisant, est appelée température de point de rosée. Les mesures, de température de point de rosée et de température de surface de l'échantillon (3) permettent de déterminer précisément l'activité de l'eau de l'échantillon (3). 20 La valeur de l'activité de l'eau est appelée Aw, elle est calculée à partir de l'équation: Aw(T) = P(T) / PO(T) Où P représente la pression partielle de vapeur d'un produit humide à la température T. La température T est mesurée par le détecteur de 25 température infrarouge (12). Cette pression partielle est égale, ou tend à être égale, à la pression de vapeur saturante de l'eau pure à la température du point de rosée en milieu confiné et équilibré. La température du point de rosée est mesurée par la sonde de température (10). 30 Où PO représente la pression de vapeur saturante de l'eau pure à la température T. Les données de pression de vapeur saturante de l'eau pure en fonction de la température sont issues de valeurs publiées par A. Wexler en 1976 selon l'EIPT-68 et corrigées par D. Sonntag selon l'EIT-90. 35 La mesure est terminée lorsque la mesure d'activité de l'eau est considérée comme stable au regard d'un critère de stabilité programmable. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à faire 3035967 des mesures d'activité de l'eau pour l'industrie agroalimentaire, pharmaceutique et cosmétique. La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais l'homme du métier saura y apporter toute 5 variante conforme à son esprit. REVENDICATIONS1- Dispositif pour mesurer l'activité de l'eau d'échantillons solides ou liquides par la technologie du miroir refroidi caractérisé en ce qu'il est constitué d'une chambre de mesure hermétique (2) d'un volume 5 réduit dans laquelle est introduit un échantillon (3), d'un miroir refroidi (8) sur lequel est réfléchi en son centre un faisceau de photons (6) avec un angle d'incidence élevé par l'intermédiaire de deux miroirs secondaires (4 et 5) situés de part et d'autre dudit miroir refroidi (8), ce qui permet au dispositif de ne pas nécessiter de 10 système de brassage d'air. 2- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le miroir refroidi (8) est situé face à la surface de l'échantillon mesuré (3) et en est distant de moins de 10 mm. 3- Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2 15 caractérisé par un angle d'incidence du faisceau de photon (6) sur le miroir refroidi (8) compris entre 60° et 89°. 4- Dispositif selon une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la surface refroidie (14) du miroir refroidi (8), délimitée par une ligne isotherme située à la moyenne de la température 20 du point central du miroir refroidi (8) et de la température du corps du capteur (1), est inférieure à une surface de 25 mm2. 5- Dispositif selon une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les miroirs secondaires (4 et 5) sont usinés dans le corps du capteur (1) et ne constituent pas des éléments dissociables 25 dudit corps du capteur (1).