FR2785682A1 - Cellule universelle de conductimetrie et/ou d'impedance - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une cellule universelle (1, 1') d'impédance et/ ou de conductimétrie pour la mesure statique ou en flux des propriétés électriques telles que résistivité, permittivité diélectrique de substances solides liquides ou pulvérulentes soit en mode continu, soit en mode alternatif pour des fréquences variant de 10-3 à 10+9 Hertz, pouvant être montée à l'intérieur d'une enceinte thermique et soumise à des températures variant de - 273degreC à + 200degreC comprenant deux électrodes (4, 5) métalliques compatibles avec les connecteurs (6) d'un pont d'impédance classique (7) et maintenues parallèles entre elles grâce à un corps (2) pour déterminer une cavité (3) où est placée la substance à analyser est remarquable en ce que le corps (2) de la cellule (1) est un tube non nécessairement cylindrique d'épaisseur e constante et un matériau résistif sur une hauteur H adaptée aux mesures de la substance, à chaque extrémité duquel s'emboîte une électrode (4); selon une variante préférée, le corps (2) est un cylindre creux, avantageusement transparent et muni de tubulures (10, 11) radiales pour la mesure de substances liquides ou pulvérulentes en flux.

Description

CELLULE UNIVERSELLE DE CONDUCTIMETRIE ET/OU D'IMPEDANCE
L'invention concerne une cellule de conductimétrie et/ou d'impédance destinée à la mesure de propriétés électriques de matériaux solides et homogènes ou bien de substances liquides ou pulvérulentes, mesure effectuée soit en statique soit en flux sur des ponts d'impédance très classiques dans une large gamme de fréquences et/ou de températures.

On sait aujourd'hui caractériser avec précision un produit ou une substance en utilisant par exemple des techniques de spectroscopie mécanique permettant d'isoler l'instant exact d'un changement de propriété mécanique ou encore la spectroscopie diélectrique permettant une caractérisation plus fine notamment par un balayage plus vaste en fréquence.

Dans cette dernière catégorie, la mesure des propriétés électriques d'un matériau solide et homogène se fait classiquement par application d'une tension sur ce matériau muni de deux ou quatre connecteurs ; ces mesures peuvent d'ailleurs se faire à des températures et des pressions variables en utilisant des courants continus ou alternatifs qui sont modulables en fréquence, en intensité et en tension. En revanche, le problème se pose lorsqu'on veut mesurer des propriétés électriques de substances ne pouvant tre directement connectées sur un dispositif de mesure ; c'est évidemment le cas des liquides et des produits pulvérulents, tels que du pain, du sucre, des lessives, des poudres, etc... Pour ces produits, on utilise déjà des cellules de conductimétrie et/ou d'impédance fonctionnant finalement comme des condensateurs électriques dont l'électrolyte serait remplacé par la substance liquide ou pulvérulente que l'on souhaite analyser ; pour cela on a déjà proposé des cellules comprenant deux plaques métalliques conductrices servant d'électrodes reliées à des connecteurs électriques branchés sur un pont de conductimétrie ou d'impédance classique du type HEWLETT PACKARD@ ou encore SOLARTRON@. Ces deux plaques sont disposées en vis à vis dans une enceinte aux dimensions connues, maintenues à bonne distance grâce à un calage en un matériau résistif connu.

On imagine bien que la capacité diélectrique mesurable de tels ensembles est extrmement faible, c'est pourquoi depuis de très nombreuses années on s'attachait à élaborer des cellules de grandes dimensions afin d'augmenter leur capacité diélectrique et donc la précision de mesure ; pour obtenir de plus grande capacité encore, on utilisait des techniques souvent sophistiquées pour diminuer les distances entre lames compliquant fortement les mmes cellules ; en outre, une telle configuration géométrique se prte mal à l'expérimentation de nombreuses substances telles que par exemples les pulvérulents dont le volume est incompatible avec les distances entre lames ; de mme il était quasiment impossible de caractériser des produits coûteux ou en très faible quantité dans la mesure où il était nécessaire d'en disposer suffisamment sur les lames pour obtenir une mesure. On comprend aussi qu'en raison de leur taille ces cellules limitent les à haute fréquence et il était impossible de fonctionner en mode alternatif sur une très large gamme de fréquences par exemple 10-3 à 10+9 Hertz.

Autant de raisons qui ont conduit à élaborer des dispositifs complexes et adaptés à des applications très particulières ne nécessitant aucune exploration large tant en fréquence qu'en température. C'est par exemple le cas du brevet européen EP 0.281.602 qui propose un dispositif pour la détermination de la biomasse d'une culture. La cellule qui est décrite dans ce document est totalement spécifique de cette application particulière et reste entièrement liée à l'appareil de mesure tout aussi spécifique qui lui est associé. Cet ensemble ne peut donc tre utilisé de manière universelle pour la mesure d'un quelconque produit qui ne serait pas un fluide de suspension et des cellules. Il a encore été proposé dans le brevet européen EP 29793 un appareillage complexe pour le contrôle des séances d'hémodialyse, il s'agit encore d'un système global comprenant deux électrodes et un appareillage de mesures en fréquence qui ne saurait tre utilisable autrement que dans cette application. Ce dispositif s'avère donc totalement inutilisable pour des recherches expérimentales ou industrielles en dehors du contrôle de séances d'hémodialyse. Dans le brevet EP 417.796 il est proposé la mesure d'impédance d'un fluide en dynamique ; la géométrie particulière de la cellule proposée dans ce document antérieur est en tout point liée à la nature particulière du fluide considéré (sang humain) compliquée d'un système de recalibration prenant en compte la vitesse d'écoulement du sang ainsi que sa fluidité permettant d'affiner la mesure.

Aucune des solutions antérieures ne permet d'effectuer des mesures diélectriques de liquides sur une large gamme de fréquences (de 10-3 Hertz à 109 Hertz) en utilisant une seule et mme cellule d'impédance.

A cet effet et conformément à l'objet essentiel de l'invention, il est proposé une cellule universelle de conductimétrie et/ou d'impédance pour la mesure statique ou en flux des propriétés électriques telles que résistivité, permittivité diélectrique, de substances solides, liquides ou pulvérulentes soit en mode continu soit en mode alternatif pour des fréquences variant de 10-3 à 109 Hertz, pouvant tre montée à l'intérieur d'une enceinte thermique et soumise à des températures variant de-273 C à +200 C, comprenant deux électrodes métalliques compatibles avec les connecteurs d'un pont d'impédance classique et maintenues parallèles entre elles grâce à un corps de cellule pour déterminer une cavité où est placée la substance à analyser ; cette cellule est remarquable en ce que le corps de la cellule est un tube non nécessairement cylindrique d'épaisseur constante et en un matériau résistif sur une hauteur adaptée aux mesures de la substance, à chaque extrémité duquel s'emboîte une électrode en forme de couvercle métallique au contour avantageusement égal à la dimension extérieure du tube, dont la face interne de contact, en regard avec l'autre électrode, comporte à cet effet un amoindrissement périmétrique sur une bande de largeur égale à l'épaisseur du tube procurant une saillie venant s'emboîter juste à l'intérieur dudit tube sur une hauteur suffisante pour assurer la tenue mécanique de l'électrode.

On comprend bien tous les avantages déterminants d'une telle cellule qui permet par exemple de mesurer les propriétés électriques de substances ne pouvant tre directement mesurées au moyen d'électrodes. En effet, la cellule peut aussi bien contenir des liquides isolants ou très résistifs tels que l'eau déionisée, des produits organiques ultra purs, des polymères fondus, etc... ou encore conducteurs, tels que l'eau potable, les liquides physiologiques, etc... ainsi que des produits pulvérulents tels que du pain, du sucre, de la lessive, des poudres, etc...

Cette cellule peut tre facilement rendue compatible avec tous les connecteurs des ponts d'impédance classique qui sont largement disponibles sur le marché (pont HEWLETT PACKARD@, SOLARTRONO...). Dans la mesure où elle peut tre très facilement miniaturisée ; on a pu la faire fonctionner en mode alternatif pour des fréquences variant de 10-3 à 109
Hertz sans le moindre problème ; par sa constitution rudimentaire, il est possible d'exposer la cellule à des températures pouvant variant de-273 C à +200 C en utilisant par exemple des métaux tels que le laiton pour les électrodes et le TEFLON @ pour le tube constituant le corps de la cellule comme il sera détaillé plus bas.

Sous réserve d'adaptation tout à fait à la portée de l'homme du métier normalement habile, il est parfaitement aisé de régler la hauteur du corps de la cellule ce qui permet d'affiner la mesure des propriétés de la substance en fonction de ses caractères isolants. On peut ainsi faire varier la distance entre électrodes depuis une valeur minimale raisonnable d'environ lmm jusqu'à plusieurs mètres si nécessaire.

Accessoirement, la miniaturisation de la cellule lui assurant d'tre compatible avec les ponts hautes fréquences comme il a été dit, présente un avantage tout à fait décisif lorsque le produit à analyser est rare ou bien d'un coût élevé. En effet, il est possible suivant une configuration préférée de la cellule de n'utiliser que 3 mm3 de produit. Accessoirement encore, on comprend bien que le coût de fabrication de cette cellule puisse tre réduit à un point tel qu'elle entre dans la catégorie des produits consommables et mme jetables le cas échéant, après utilisation par exemple avec des produits contaminants.

Ceci est extrmement avantageux puisque son application peut tre élargie à de nombreux domaines comme le médical, le biomédical ou 1'agro-alimentaire.

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux encore de la description qui va tre donnée de plusieurs variantes de cellules conformes à l'invention, donnée à titre d'exemples non limitatifs en référence aux dessins sur lesquels :
-la figure 1 est une vue schématique d'un banc de mesure diélectrique montrant une cellule conforme à l'invention connectée à un pont d'impédance,
-la figure 2 représente une variante de cellule pour la mesure des propriétés diélectriques d'une substance en statique, selon une vue en élévation et en coupe dans un plan vertical de symétrie (figure 2~) et selon une vue de dessus (figure 2k)
-la figure 3 représente une variante de cellule pour la mesure des propriétés diélectriques d'une substance en dynamique selon une vue en élévation et en coupe dans le plan vertical de symétrie passant par l'axe des tubulures d'entrée et de sortie de la cellule (figure 3a), et selon un autre plan de symétrie verticale à 90 du premier (figure 3b) et une vue de dessus (figure 3c.).

Conformément à la figure 1, la cellule qui comporte à titre principal un corps 2 constituant la paroi latérale de la cavité 3 recevant les substances ou matériaux (non représentés) dont on cherche à mesurer les propriétés diélectriques, obturée à ses deux extrémités par des électrodes supérieure et inférieure, respectivement 4 et 5, est reliée par des connecteurs électriques 6 à un appareil de mesure 7 et plus spécialement à un pont de conductimétrie s'il s'agit de mesurer la résistivité du matériau ou de la substance, à un impédance-mètre s'il s'agit d'une mesure en courant alternatif dont, par ailleurs, on peut faire varier la fréquence continûment entre 10-3 Hertz et 109 Hertz.

En référence à la figure 2 il sera maintenant décrit une première variante de cellule destinée à la mesure de propriétés électriques de substance fluides ou pulvérulentes ou de matériaux solides et homogènes disposés à demeure dans la cavité 3.

Suivant une exécution préférée, cette cellule 1 est constituée d'un corps tubulaire 2 qui est en fait un cylindre creux d'épaisseur constante, de diamètre intérieur égal à d et de diamètre extérieur égale à D, sa hauteur H qui doit tre impérativement la mme sur toutes les génératrices intérieures et extérieures du cylindre creux est choisie en fonction des mesures particulières que l'on veut entreprendre sur la substance ou le matériau ; le corps 2 est avantageusement obtenu en tronçonnant un tube en une matière telle que du TEFLON @, par des coupes radiales précises pour obtenir la hauteur H voulue.

Aux deux extrémités du tronçon ainsi obtenu, sont disposées les électrodes 4,5 (figure 2~) ; ces deux électrodes qui sont naturellement identiques ont une forme générale de deux disques superposés et concentriques 41,42 ; 51, 52, le plus grand 41,51 ayant un diamètre égal à D, c'est-à-dire le diamètre extérieur du corps tubulaire 2, et le plus petit 42,52, un diamètre égal à d, c'est-à-dire au diamètre interne du corps tubulaire 2.

Chaque électrode peut tre avantageusement obtenue par usinage d'un bloc massif de laiton, le petit disque 42,52 procurant alors une saillie destinée à s'emboîter aux extrémités du corps 2 sur une hauteur h suffisante pour assurer une bonne tenue mécanique.

Les faces internes en regard 43,53 de chaque électrode 4,5 qui constituent en fait les deux plaques d'un condensateur doivent tre rigoureusement parallèles pour obtenir une précision suffisante dans les mesures ; on peut atteindre facilement une précision de l'ordre du pourcent pour des mesures de l'ordre du picofarad.

Il va de soi que les disques extérieurs 41,51 assurant le contact avec les connecteurs 6 des ponts de mesure 7 doivent tre usinés de manière précise et notamment sur leur partie annulaire périmétrique venant reposer sur les champs supérieur et inférieur du corps 2 afin d'assurer un parallélisme rigoureux des faces en regard 43,53.

Selon une exécution plus luxueuse encore, on procédera à un chromage de chaque électrode qui pourra tre éventuellement recouverte d'une couche mince d'or ou de platine afin d'éviter les problèmes de corrosion.

On remarquera qu'une telle exécution est particulièrement peu onéreuse en raison des matériaux utilisés d'une part et d'une très grande facilité de construction d'autre part ; au surplus, la paroi très mince du corps tubulaire 2 offre l'avantage inattendu de pouvoir facilement introduire dans la cavité 3 des produits soit très contaminants soit très fragiles au moyen d'une simple seringue qui traverse aisément la paroi en TEFLON@. Selon une caractéristique secondaire de l'invention, cette paroi est réalisée en un matériau transparent et à tout le moins translucide, permettant de visualiser physiquement le produit à analyser dans toutes ses phases de mesure.

A titre expérimental, il a été mis au point une cellule particulière dont la géométrie s'est avérée optimale dans le cadre de la caractérisation d'un grand nombre de produits en statique.

Cette cellule 1 se caractérise en ce que le corps 2 est un tube cylindrique de TEFLON@ dont l'épaisseur e est égale à lmm et la hauteur à 5mm ; les diamètres D et interne ~ sont respectivement égaux à 8mm et 6mm et la hauteur de la cavité 3 correspondante à la distance entre les faces de contact 43,45 des électrodes 4 et 5 est de 2mm.

Une telle cellule a permis de mettre au point par exemple un sucre fondant à haute température mais résistant à des températures proches du corps humain. Une caractérisation a été effectuée par étude des courbes de relaxation a et ss du sucre grâce à la cellule d'impédance précédemment détaillée. Suite aux nombreux essais qui ont été menés dans ces conditions, on a pu obtenir des résultats directement corrélables aux autres courbes classiquement obtenues par les méthodes de viscosité et de spectroscopie mécanique. Cette caractérisation remplaçant très avantageusement les études de viscosité qui devaient tre étudiées après la température de fusion pour des fréquences allant de 10 à 1011 Hertz d'une part ainsi que les changements de propriétés mécaniques grâce à la spectroscopie mécanique entre 10-7 et 103 Hertz, a été rendue possible grâce à la cellule d'impédance conforme à l'invention susceptible de fonctionner avec des fréquences variant de 10-3 à 109 Hertz.

D'autres expérimentations ont d'ailleurs été réalisées sur du pain (matériel pulvérulent), de la lessive ou encore sur différents liquides tels que de l'eau, de l'ADN en solution, ou encore des solutions de LiCl, le beurre de cacao, le sang et autres liquides biologiques.

En référence aux figures 3, il sera maintenant décrit une deuxième variante de cellule 1'conforme à l'invention permettant la mesure de propriétés électriques de substances ou de liquides circulant en flux continu.

Comme représenté sur la figure 3a, la cellule 1'est constituée de manière tout à fait identique à la première variante ; en effet, cette cellule 1'comporte un corps cylindrique creux 2 tronçonné à la bonne hauteur H et obturé aux deux extrémités par des électrodes 4,5 enfermant entre leurs faces en regard, une cavité 3 dans laquelle les substances ou les liquides pourront transiter comme il sera dit plus loin.

Dans cette variante, on a prévu deux percements radiaux 8 et 9 du corps 2 permettant de recevoir respectivement une tubulure d'entrée 10 et de sortie 11 ; ces tubulures 10 et 11 sont connectées à la substance ou au liquide dont on veut mesurer en flux continu les propriétés diélectriques.

De manière avantageuse, les deux tubulures 10 et 11 sont diamétralement opposées par rapport au corps 2 c'està-dire que leurs axes sont alignés comme montré sur les figures 3. Il va de soi que toutes autres configurations dans lesquelles les tubulures 10 et 11 ne seraient pas diamétralement opposées ou encore alignées pour toutes raisons par exemple mécaniques liées à la mesure particulière, ne sortiraient pas du cadre de l'invention.

Il est évident qu'une telle cellule 1 bénéficiera, tout comme dans la variante précédente, de tous les avantages largement décrits dès lors que le corps 2 sera réalisé en un matériau translucide ou transparent tel que le TEFLON@ sur lequel les deux tubulures 10 et 11 seront rapportées de manière tout à fait connue de l'homme du métier ; les électrodes 4,5 seront également obtenues dans du laiton massif avantageusement chromé et éventuellement recouvertes d'une couche mince d'or ou de platine.

Il va également de soi que toute autre configuration géométrique du corps tubulaire 2 qui ne serait pas cylindrique constituerait une variante beaucoup plus onéreuse mais pour autant ne sortirait pas du cadre de l'invention cet effet, et dans des cas très particuliers, la cellule 1,1'conforme à l'invention pourrait tre du type tronconique ou en forme de diabolo et plus généralement obtenue à partir de tubes tronc pyramidales. Bien entendu, dans tous ces cas, seule la distance entre électrodes, qui sont par conséquent différentes, et leur surface en regard détermineront la qualité et la précision de la mesure diélectrique du condensateur ainsi obtenu.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1-Cellule universelle (1,1t) d'impédance et/ou de conductimétrie pour la mesure statique ou en flux des propriétés électriques telles que résistivité, permittivité diélectrique de substances solides liquides ou pulvérulentes soit en mode continu, soit en mode alternatif pour des fréquences variant de 10-3 à 10+9 Hertz, pouvant tre montée à l'intérieur d'une enceinte thermique et soumise à des températures variant de-273 C à +200 C comprenant deux électrodes (4, 5) métalliques compatibles avec les connecteurs (6) d'un pont d'impédance classique (7) et maintenues parallèles entre elles grâce à un corps (2) pour déterminer une cavité (3) où est placée la substance à analyser, caractérisé en ce que le corps (2) de la cellule (1) est un tube non nécessairement cylindrique d'épaisseur constante et un matériau résistif sur une hauteur H adaptée aux mesures de la substance, à chaque extrémité duquel s'emboîte une électrode (4), en forme de couvercle métallique au contour avantageusement égal à la dimension extérieure du tube, dont la face interne dite de contact (43,53), en regard avec l'autre électrode (5), comporte à cet effet un amoindrissement périmétrique sur une bande de largeur égale à l'épaisseur e du tube procurant une saillie venant s'emboîter juste à l'intérieur dudit tube sur une hauteur h suffisante pour assurer la tenue mécanique de l'électrode.

2-Cellule universelle (1,1') selon la revendication 1 caractérisée en ce que les deux électrodes sont identiques et par exemple obtenues dans du laiton massif, avantageusement chroméee et éventuellement recouvertes d'une couche mince d'or ou de platine.

3-Cellule universelle (1,1') selon la revendication précédente caractérisée en ce que le corps (2) est un cylindre creux de diamètre intérieur égal à d et d'un diamètre extérieur égal à D et les électrodes (4,5) ont la forme générale de deux disques (41,42 ; 51,52) superposés et concentriques, le plus grand ayant un diamètre égal à D et le plus petit correspondant à la partie en saillie de chaque électrode venant s'emboîter aux extrémités du cylindre creux ayant un diamètre égal ad.

4-Cellule universelle (1,1') d'impédance selon la revendication 3 caractérisée en ce que le tube cylindrique du corps (2) a une épaisseur e égale à 1 mm, une hauteur égale à 5 mm et de diamètre D et d respectivement égaux à 8 et 6 mm et en ce que la hauteur de la cavité c'est-à-dire la distance entre les faces de contact (43,53) des électrodes (4,5) est de 2 mm.

5-Cellule universelle (1') selon l'une quelconque des revendications précédentes pour la mesure des propriétés électriques de substances liquides ou pulvérulentes dynamiques en flux continu caractérisée en ce qu'on prévoit de percer la paroi du corps (2) de la cellule (1') suivant deux radiales avantageusement opposées pour le montage respectif d'une tubulure d'entrée (10) et d'une tubulure de sortie (11) acheminant le flux de substance.

6-Cellule universelle (1') selon la revendication précédente caractérisée en ce que les deux tubulures (10,11) sont alignées et disposées à une hauteur quelconque sur le corps (2).

7-Cellule universelle (1,1') d'impédance selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le matériau résistif du corps (2) est apte à tre aisément perforé par l'aiguille d'une seringue à injecter, par exemple du TEFLON@, avantageusement transparent et au moins translucide.