Brevet FR3059425A1 — publié le 20180601

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif de mesure de la conductivité électrique d'un film hydrophile (membranes échangeuses d'ions, textiles échangeurs d'ions, films poreux,...). ETAT DE LA TECHNIQUE Il a été réalisé dans l'état de l'art - des cellules au mercure dont les inconvénients sont nombreux : la dangerosité du mercure ; l'erreur sur les mesures qui sont faussées par la résistance de contact mercure-film ; le caractère destructif des essais puisque le support est contaminé par le mercure et que la taille de l'échantillon doit être réduite, le film est en dehors de ses conditions d'utilisation puisqu'il faut le faire sortir de sa solution et le sécher un peu. - des pinces à deux électrodes fixes ayant l'inconvénient d'être limitées à des mesures à des concentrations voisines des 0.1 Mole par litre alors que la majorité des applications des films se font à des concentrations de l'ordre de 1 Mole par litre. - des cellules à bras coulissants dont les inconvénients sont : la non reproductibilité de la pression de serrage ; le fait que l'échantillon soit en dehors de sa solution d'équilibrage ; mesures limitées à des concentrations faibles. EXPOSE DE L'INVENTION Un but de l'invention est de permettre des mesures précises de conductivité électrique d'un film hydrophile sans contact électrode-film, dans le milieu naturel du film. L'adaptation de la distance inter-électrodes permet d'avoir une très large gamme de mesures possible : différentes nature de l'électrolyte, de concentration dans la solution, de nature du solvant et de température du milieu. La pince permet d'effectuer des mesures précises de la conductivité électrique de différents supports se présentant sous forme de films hydrophiles, souvent des 3059425 2 membranes échangeuse d'ions, en équilibre avec une solution d'un électrolyte à une concentration donnée. Il s'agit d'une mesure qui se fait en deux étapes : mesure avec film hydrophile entre les mors de la pince, et mesure sans film hydrophile. Plus précisément, la présente invention est un dispositif de mesure de la conductivité électrique d'un film hydrophile, ayant la forme d'une pince qui comporte : - deux bras, chaque bras comprenant : une extrémité arrière et une extrémité avant 10 avec un mors, des moyens de guidage et d'alignement situés entre l'extrémité arrière et l'extrémité avant et présentant des premiers moyens de guidage et d'alignement d'un premier bras étant logés dans des seconds moyens de guidage et d'alignement d'un second bras; - un axe de rotation, autour duquel sont articulés les deux bras, l'axe de rotation étant 15 disposé dans les parties de guidage et d'alignement des deux bras - un ressort de rappel reliant les extrémités arrières des bras et situé à distance de l'axe de rotation, le ressort de rappel étant destiné à maintenir en contact, en position fermée du dispositif de mesure: les mors entre eux, et les premiers moyens de guidage et d'alignement et les seconds moyens de guidage et d'alignement entre eux; 20 - deux porte-électrode, les mors présentant chacun un logement glissière recevant chacun un porte-électrode coulissant - le porte-électrode étant déplaçable par translation dans le logement glissière, et présentant une extrémité extérieure par laquelle sort un fil électrique destiné à être relié à un conductimètre, et une extrémité intérieure sur laquelle est fixée une électrode 25 connectée au fil électrique; chaque électrode étant destinée à se situer dans le logement glissière en regard et à distance du film hydrophile tenu entre les mors, une colonne de solution étant présente dans deux volumes situés entre les électrodes et le film hydrophile, chaque volume étant réglable en fonction de la position du porte-électrode dans le logement glissière ; 30 - un moyen de fixation de chaque porte-électrode dans chaque logement glissière. 3059425 Les mors présentent chacun un décrochement, le décrochement, le logement glissière et les moyens de guidage et d'alignement étant agencés pour que les électrodes soient parallèles l'une à l'autre et soient parallèles au film hydrophile en position fermée du dispositif de mesure. 5 DESCRIPTION DES FIGURES D'autres objectifs, caractéristiques et avantages sortiront de la description détaillée 10 qui suit en référence aux dessins donnés à titre illustratif et non limitatif parmi lesquels : la figure 1 représente une vue de face longitudinale de la pince ; la figure 2 représente une vue éclatée de face longitudinale de la pince la figure 3a représente une vue de droite selon l'axe D-D d'un premier bras ayant des premiers moyens de guidage et d'alignement destinés à être logés 15 dans des seconds moyens de guidage et d'alignement d'un second bras représentés sur la figue 3b ; la figure 3b représente une vue de gauche selon l'axe G-G du second bras; la figure 3c représente une vue de dessous d'un mors qui reçoit un porte électrode et le moyen de fixation du porte-électrode, cette vue montrant le trou 20 de réception du moyen de fixation et le canal fluidique . DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 25 La présente invention concerne un dispositif de mesure de la conductivité électrique d'un film hydrophile F, ayant la forme d'une pince 1. Cette pince 1 ressemble dans la forme à une pince à linge et comprend : -deux bras 2A, 2B rigides, chaque bras comprenant : une extrémité arrière 3 et une 30 extrémité avant 4 avec un mors 5A, 5B, des moyens de guidage et d'alignement situés entre l'extrémité arrière 3 et l'extrémité avant 4 et présentant des seconds moyens de 3059425 4 guidage et d'alignement 6B (ou butée) d'un second bras 2B étant logés dans des premiers moyens de guidage et d'alignement 6A (ou butée) d'un premier bras 2A; - un axe de rotation 7, autour duquel sont articulés les deux bras 2A, 2B, l'axe de rotation 7 étant disposé dans les parties de guidage et d'alignement des deux bras 2A, 5 2B. Les bras sont ici identiques et ont la même longeur. Les mors 5A, 5B sont ici identifiques. 10 Par simplification, on définit un axe longitudinal X de la pince 1, qui est orienté dans le sens de la longeur de la pince 1. Le terme longitudinal s'applique à tout élément dont la direction est suivant X. 15 L'axe de rotation 7 est sensiblement situé au milieu de la pince 1 sur l'axe longitudinal X. L'axe de rotation est ici constitué d'un système vis écrou, la vis passant dans des trous circulaires situés dans les moyens de guidage et d'alignement. 20 Un ressort de rappel 8 relie les extrémités arrières des bras et se situe à distance de l'axe de rotation 7, le ressort de rappel 8 étant destiné à maintenir en contact entre eux, en position fermée du dispositif de mesure: -les mors 5A, 5B, 25 -les premiers moyens de guidage et d'alignement 6A et les seconds moyens de guidage et d'alignement 6B. Un logement glissière 9A, 9B est réalisé dans chaque mors 5A, 5B . 3059425 Un porte-électrode 10A, 10B coulissant est disposé dans chaque logement glissière 9A, 9B, chaque porte électrode étant déplaçable en translation dans le logement glissière 9A, 9B. 5 A l'extrémité du porte-électrode 10A, 10B est fixé une électrode 11A, 11B reliée par un fil électrique à un conductimètre. La forme des porte-électrode 10A, 10B épouse la forme des logements glissières. 10 Un moyen de fixation 12A, 12B permet de fixer le porte-électrode 10A, 10B dans le logement glissière 9A, 9B. Il s'agit d'une vis filetée insérée dans un trou fileté, qui empêche la translation du porte-électrodes dans le logement glissière. 15 Ainsi, chaque porte-électrode 10A, 10B est destiné à se situer en regard et à distance du film hydrophile F tenu entre les mors 5A, 5B, la solution étant présente dans des volumes 13A, 13B situés entre les électrodes 11A, 11B et le film hydrophile, les volumes 13A, 13B étant réglables en fonction de la position du porte-électrode 10A, 10B dans le logement glissière 9A, 9B. 20 Avantageusement, les deux volumes 13A, 13B entre les électrodes 11A, 11B et le film F doivent être sensiblement identiques. La tolérance est de 10%. La somme des deux volumes 13A, 13B constitue la colonne de solution. 25 Avantageusement, les mors 5A, 5B présentent chacun un décrochement 14A, 14B. Le décrochement 14A, 14B, le logement glissière 9A, 9B et les moyens de guidage et d'alignement étant agencés pour que les électrodes 11A, 11B soient parallèles l'une à l'autre en position fermée du dispositif de mesure. 30 3059425 6 La distance entre l'axe de rotation 7 et les décrochements 14A, 14B des mors 5A, 5B doit être grande pour assurer un parallélisme des électrodes 11A, 11B. Dans la situation la plus défavorable (épaisseur de film hydrophile de 1 mm), ce qui est très rare (souvent les membranes font entre 0,15 et 0,45 mm), l'erreur engendrée est 5 de 1,25 °A. Le ressort de rappel 8 est choisi pour avoir une pression sensiblement la même quelle que soit la nature du film hydrophile dans la mesure où celui-ci reste fin (par exemple moins de 1 mm d'épaisseur). 10 La raideur du ressort est choisie pour ne pas aplanir la film hydrophile quand la pince 1 est positionnée en position fermée sur la membrane. Les premiers moyens de guidage et d'alignement 6A sont consitués d'une partie femelle longitudinale disposée sur le premier bras 2A, et les seconds moyens de 15 guidage et d'alignement sont consitués d'une partie mâle longitudinale disposée sur le second bras 2B et destinée à être logée dans la partie femelle longitudinale. Les moyens de guidage et d'alignement présentent une partie avant T et une partie arrière S par rapport à l'axe de rotation 7, suivant l'axe longitudinal X. 20 La partie femelle longitudinale présente une section transversale à un axe longitudinal du premier bras 2A en forme de U, qui est sur la partie avant T de section constante, et qui diminue en biseau sur la partie arrière S pour permettre l'ouverture du dispositif. 25 La partie mâle longitudinale sur la partie avant T est un parallélépipède rectangle perpendiculaire au second bras 2B, qui épouse la forme du logement en U en position fermée, et sur la partie arrière S qui est en biseau pour permettre l'ouverture du dispositif. 30 Ce guidage mâle-femelle est plus long et plus épais qu'un guidage par glissement d'une partie sur une autre. Ceci permet d'améliorer la répétabilité des mesures puisque 3059425 7 l'alignement des deux volumes 13A et 13B est devenu quasi-parfait et très répétable. Aussi, la solidité de la pince 1 est améliorée puisque les déformations de cisaillement sont devenues très faibles et l'axe de rotation 7 est devenu plus solide avec des parties de guidage assez épaisses. 5 Avantageusement, le dispositif comporte un canal fluidique 15A, 15B à une extrémité intérieure de chaque mors 5A, 5B et relié au logement glissière 9A, 9B afin de permettre, d'une part, l'échappement des bulles de gaz qui se forment dans la colonne de solution, entre les électrodes 11A, 11B et la membrane, et d'autre part, le 10 renouvellement de la solution d'électrolyte dans la colonne de solution. Ce canal fluidique 15A, 15B permet d'améliorer la précision des mesures aux faibles concentrations. Ce canal peut être réalisé vertical quand la pince 1 est tenue verticalement. 15 Le porte -électrode comporte un canal de passage 16A, 16B du fil électrique sur une surface supérieure. Ce canal du passage permet au fil électrique, qui relie l'électrode de mesure 11A, 11B 20 au conductimètre, de sortir à la verticale ou en biais, avec un coude bien protégé par une résine dans le porte électrode. La largeur de la pince 1 se trouve réduite de 1 à 2 cm par rapport à une réalisation où le porte -électrode comporterait un canal de passage du fil électrique sur une surface arrière. Le risque de rupture du fil est par ailleurs nettement réduit. 25 Ainsi, la malléabilité de la pince 1 et sa durabilité sont nettement améliorées. Le fil sort perpendiculairement à ce porte-électrode 10A, 10B, très proche de son extrémité arrière 3. 30 Le porte-électrode 10A, 10B a un corps cylindrique qui épouse la forme cylindrique du logement glissière 9A, 9B. 3059425 Les bras présentent en position fermée du dispositif une surface d'ouverture 17 entre une extrémité avant des moyens de guidage et d'alignement et le décrochement 14A, 14B, dont la taille est supérieure à plusieurs cm2 voire dizaine de cm2 ; par exemple 5 égale à 14 cm2. Les bras et mors 5A, 5B sont avantageusement transparents. Avantageusement, le moyen de fixation 12A, 12B du porte- électrode est agencé dans 10 le mors 5A, 5B pour permettre d'avoir une distance entre les électrodes 11A, 11B qui varie entre 0 mm à 3 cm. Les porte-électrode 10A, 10B sont choisis pour être mobiles l'un par rapport à l'autre dans les mors 5A, 5B, de telle sorte que leur distance soit variable et que les électrodes 15 11A, 11B, par exemple en platine, restent toujours parallèles, ce qui permet d'adapter les mesures à différentes concentrations et/ou natures de l'électrolyte. Par exemple, la pince 1 de mesure de conductivité électrique sans contact et à distance inter-électrodes 11A, 11B variable est constituée de 20 * Deux bras 2A, 2B en plexiglass (transparents), assez longs (par exemple 20 cm) et rigides. Chaque bras comprend un 'décrochement 14A, 14B de 5,5 mm et un trou de diamètre 13.0 mm permettant l'insertion d'un porte-électrode 10A, 10B cylindrique de diamètre 12,8 mm. Chaque électrode est en platine, d'une aire A égale à 1,00 cm2, est fixée à son porte-électrode 10A, 10B est soudée à un cable électrique externe 25 permettant sa connexion à un appareil électrique (source, multimètre,...). L'épaisseur de chaque électrode n'a pas beaucoup d'importance, mais il est souhaitable qu'il soit dans l'intervalle 0,1 à 0,5 mm. Les bras de la pince 1 permettent de voir à travers pour contrôler l'état du support et sa position, et d'avoir un accès facile à plusieurs points du support à contrôler, même si le support membrane est sous forme d'une feuille de 30 grande taille. Il suffit d'enrouler la feuille et la mettre dans la surface d'ouverture 17. 3059425 Les deux porte-électrodes 10A, 10B mobiles qui permettent d'avoir une distance inter-électrodes 11A, 11B modifiable, et donc adaptable à la fois à la nature et la concentration de la solution et à la nature du support. L'idée est d'avoir une différence de conductance Gs - Ga assez importante pour réduire les incertitudes de mesures. Avec des électrodes 11A, 11B fixes, on ne peut mesurer que dans le domaine des faibles concentrations (moins de 0,01 M) ou, au contraire, que dans le domaine des fortes concentrations (plus de 0,1 M). La pince 1 permet d'effectuer des mesures précises de la conductivité électrique de 10 différents supports se présentant sous forme de films hydrophiles, souvent des membranes échangeuse d'ions, en équilibre avec une solution d'un électrolyte à une concentration donnée. Il s'agit d'une mesure qui se fait en deux étapes : mesure avec film hydrophile entre les 15 mors de la pince 1, et mesure sans film hydrophile. Ainsi, les incertitudes liées aux erreurs systématiques sont réduites. La conductance du film hydrophile est donnée par : Gm = Gs*Ga/(Gs-Ga), avec Ga étant la conductance mesurée avec le film entre les mors de la pince 1, et Gs étant la 20 conductance mesurée sans le film entre les mors de la pince 1. La détermination de l'épaisseur em selon la norme NF X 45-200 et la connaissance de l'aire A commune aux deux électrodes 11A, 11B permet de déterminer la conductivité km du film : km=em*Gm/A. 25 Cette mesure se fait sans contact entre les électrodes 11A, 11B et le film F, ce qui fait que les résistances de contact sont nulles. Les longs bras de la pince 1 permettent de mesurer avec précision les conductivités des films dont l'épaisseur peut atteindre 1 mm. 30 3059425 10 La pince 1 permet de mesurer aussi bien des conductivités électriques de film hydrophile avec des colonnes de solution à faible concentration qu'avec des colonnes de solution à forte concentration, la distance inter-électrodes 11A, 11B étant plus faible à faible concentration qu'à forte concentration de la colonne de solution. La pince 1 permet d'avoir une précision de l'ordre du 1% pour les concentrations inférieures à 0,1 Mole par litre, et de l'ordre de 3 % pour des concentrations de l'ordre de 1 Mole par litre. 10 Si la concentration de l'électrolyte est élevée (?,_ 0,1 M) ; l'effet de la distance D électrode 11A,11B -film hydrophile F n'est pas trop important. Ici D peut varier de 0,5 mm à 1,5 cm sans incidence sur les mesures. Si la concentration est faible 0,01 M); l'effet de D est majeur. Il faut que D soit proche de 0,2 cm. 15 Cette pince 1 permet de mesurer des conductivités en courant alternatif ou continu, en laboratoire ou sur site, sur des petits échantillons ou sur des grandes feuilles de taille industrielle (A3 ou A0). 20 La spécificité de la pince 1 réside dans : * la mesure sans contact : pas de contamination du support par du mercure, pas de résistance de contact ; * la mesure avec 2 électrodes 11A, 11B : le dispositif est plus simple à mettre en place et à utiliser qu'un dispositif à 4 électrodes ; 25 * la mesure en courant alternatif à différentes fréquences, ou à courant continu ; le contrôle non destructif : accessibilité à différents points du support sans découpage ; * la portabilité de l'appareil qui permet un contrôle sur site de production ou de maintenance sans être obligé de déplacer le film (membrane) au laboratoire ; 30 * l'adaptation facile à quasiment tout type de support mince (moins de 1 mm d'épaisseur) et à tout type de solution (nature et concentration de l'électrolyte), ce qui 3059425 11 permet de faire des mesures de conductivité dans les conditions réelles de fonctionnement du support mince. Les mesures proprement dites ne nécessitent que 1 cm2 de membrane. Grâce à l'utilisation de la pince 1, l'échantillon de film hydrophile peut avoir différentes tailles, de quelques cm2 à quelques m2. L'utilisateur n'est pas obligé de couper un morceau de film hydrophile pour faire la mesure, comme c'est le cas pour les techniques de l'état de l'art. 10 Il est possible de faire des mesures à différents endroits de la membrane. Si on est à proximité des bords, il suffit de pincer les bords du film entre les mors, sinon, il faut enrouler la feuille de film hydrophile et mettre le 'rouleau' entre les deux bras 2A, 2B dans la surface d'ouverture 17. 15 La pince 1 permet de mesurer d'une manière non destructive, sur site ou en laboratoire, la valeur de la conductivité du film hydrophile neuf ou usagé (différents stades de sa durée de vie) au sein de son milieu de travail (eau, lactosérum, vins, jus,...). La mesure peut être réalisée sur un film intégré dans un système. Il est seulement nécessaire d'avoir accès à la partie à contrôler. Ceci nécessite une ouverture partielle du module 20 (par exemple que le haut pour accéder à la film hydrophile voulue : souvent c'est un empilement de quelques dizaines, voire une centaine, de membranes) sans démontage total. 25 REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure de la conductivité électrique d'un film hydrophile (F), ayant la forme d'une pince (1) qui comporte : - deux bras (2A, 2B) ; chaque bras comprenant : une extrémité arrière (3) et une extrémité avant (4) avec un mors (5A, 5B), des moyens de guidage et d'alignement (6A, 6B) situés entre l'extrémité arrière (3) et l'extrémité avant (4) ; des seconds moyens de guidage et d'alignement (6B) d'un second bras (2B) étant logés dans des premiers moyens de guidage et d'alignement (6A) d'un premier bras (2A); - un axe de rotation (7), autour duquel sont articulés les deux bras (2A, 2B), l'axe de rotation (7) étant disposé dans les parties de guidage et d'alignement des deux bras (2A, 2B) - un ressort de rappel (8) reliant les extrémités arrières des bras et situé à distance de l'axe de rotation (7), le ressort de rappel (8) étant destiné à maintenir en contact, en position fermée du dispositif de mesure: les mors (5A, 5B) entre eux, et les premiers moyens de guidage et d'alignement (6A) et les seconds moyens de guidage et d'alignement (6B) entre eux; - deux porte-électrode (10A, 10B), les mors (5A, 5B) présentant chacun un logement glissière (9A, 9B) recevant chacun un porte-électrode (10A, 10B) coulissant ; - le porte-électrode (10A, 10B) étant déplaçable par translation dans le logement glissière (9A, 9B), et présentant une extrémité extérieure par laquelle sort un fil électrique destiné à être relié à un conductimètre, et une extrémité intérieure sur laquelle est fixée une électrode (11A, 11B) connectée au fil électrique; chaque électrode (11A, 11B) étant destinée à être située dans le logement glissière (9A, 9B) en regard et à distance du film hydrophile (F) destiné à être tenu entre les mors (5A, 5B), une colonne de solution étant présente dans deux volumes (13A, 13B) situés entre les électrodes (11A, 11B) et le film hydrophile (F), chaque volume étant réglable en fonction de la position du porte-électrode (10A, 10B) dans le logement glissière (9A, 9B) ; - un moyen de fixation (12A, 12B) de chaque porte-électrode 10A, 10B dans chaque logement glissière 9A, 9B. 3059425 13 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, dans lequel les mors (5A, 5B) présentent chacun un décrochement (14A, 14B), le décrochement (14A, 14B), le logement glissière (9A, 9B) et les moyens de guidage et d'alignement étant agencés pour que les électrodes (11A, 11B) soient parallèles l'une à l'autre et soient parallèles au film hydrophile en position fermée du dispositif de mesure. 3. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel les premiers moyens de guidage et d'alignement (6A) sont consitués d'une partie femelle longitudinale disposée sur le premier bras (2A), et les seconds moyens de guidage et 10 d'alignement (6B) sont consitués d'une partie mâle longitudinale disposée sur le second bras (2B) et destinée à être logée dans la partie femelle longitudinale. 4. Dispositif de mesure selon la revendication 3, dans lequel : - les moyens de guidage et d'alignement présentent une partie avant (T) et une partie 15 arrière (S) par rapport à l'axe de rotation (7), - la partie femelle longitudinale présente une section transversale à un axe longitudinal du premier bras (2A) en forme de U, qui est sur la partie avant (T) de section constante, et qui diminue en biseau sur la partie arrière (S) pour permettre l'ouverture du dispositif, - la partie mâle longitudinale sur la partie avant (T) est un parallélépipède rectangle 20 perpendiculaire au second bras (2B), qui épouse la forme du logement glissière (9A, 9B) en U en position fermée, et sur la partie arrière (S) qui est en biseau pour permettre l'ouverture du dispositif. 5. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la forme des 25 porte-électrode (10A, 10B) épouse la forme des logements glissières (9A, 9B). 6. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le dispositif comporte un canal fluidique (15A, 15B) longitudinal à une extrémité proximale de chaque mors (5A, 5B), et relié au logement glissière (9A, 9B) afin de permettre, d'une 30 part, l'échappement des bulles de gaz qui se forment dans la colonne de solution entre 3059425 14 les électrodes (11A, 11B) et le film (F), et d'autre part, le renouvellement de la solution d'électrolyte dans la colonne de solution. 7. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le porte - 5 électrode (10A, 10B) comporte un canal de passage (16A, 16B) du fil électrique sur une surface supérieure. 8. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le porte-électrode (10A, 10B) a un corps cylindrique qui épouse la forme cylindrique du 10 logement glissière (9A, 9B). 9. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 2 à 8, dans lequel les bras présentent en position fermée du dispositif une surface d'ouverture (17) entre une extrémité de la partie avant (T) des moyens de guidage et d'alignement et le 15 décrochement (14A, 14B), dont la taille est supérieure à une dizaine de cm2 10. Dispositif de mesure selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les bras sont transparents. 20 11. Dispositif de mesure selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le moyen de fixation (12A, 12B) du porte- électrode est agencé dans le mors (5A, 5B) pour permettre d'avoir une distance entre les électrodes 11A, 11B qui varie entre lmm à 3 cm. 25 12. Dispositif de mesure selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le porte-électrode (10A, 10B) présente dans son volume intérieur le fil électrique, un matériau de remplissage étanche, une soudure entre le fil électrique et l'électrode. 30