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WO1996032633A1 - Dispositif de mesure du taux d'humidite d'un materiau granulaire - Google Patents

Dispositif de mesure du taux d'humidite d'un materiau granulaire Download PDF

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Publication number
WO1996032633A1
WO1996032633A1 PCT/FR1996/000567 FR9600567W WO9632633A1 WO 1996032633 A1 WO1996032633 A1 WO 1996032633A1 FR 9600567 W FR9600567 W FR 9600567W WO 9632633 A1 WO9632633 A1 WO 9632633A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
horn
sample holder
frame
axis
microwaves
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR1996/000567
Other languages
English (en)
Inventor
Jean-Claude Peuch
Samir Trabelsi
Henri Baudrand
Michel Rongieres
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Original Assignee
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institut National Polytechnique de Toulouse INPT filed Critical Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Publication of WO1996032633A1 publication Critical patent/WO1996032633A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • G01N22/04—Investigating moisture content

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring the moisture content of a material. It applies in particular but not exclusively to measure the moisture content of agricultural products in the form of grains or seeds.
  • humidity is meant any parameter providing an image of the quantity of water contained in a given quantity of materials; this humidity can in particular be expressed by the ratio of the weight of water contained in a sample of material to the total weight of the material and of water. The humidity levels indicated below are represented by this report.
  • US Pat. No. 5,039,947 describes a new measurement method consisting in irradiating the material to be studied by means of microwaves, in measuring the energy dissipated in the material, and in deducing therefrom the humidity level of that -this.
  • this document was not followed by a practical realization allowing to carry out measurements on site.
  • This lack of development probably stems, on the one hand, from the very severe constraints to which a measuring device which works on site in the agricultural sector is subject: aggressive agents present in the environment (dust, chemical agents), electromagnetic disturbances of the environment, vibrations in on-board mode, ... on the other hand, development difficulties coming from the very principle of microwave measurement (risks of parasitic reflections). These factors lead to significant disturbances in the measurements and a lack of reproducibility of the measurements when they are carried out outside a laboratory.
  • the present invention proposes to provide a device for measuring humidity by microwave, which is capable of performing non-destructive measurements in a hostile environment, in particular on an agricultural site, and provides a good quality of measurement (precision, sensitivity). independent of disturbances linked to on-site implementation.
  • the device targeted by the invention for measuring the moisture content of a material comprises a frame extending along an axis XX ', a sample holder, disposed in the frame along a plane substantially orthogonal to axis XX 'and adapted to contain a predetermined thickness of the material to be studied, a microwave emission system of wavelength ⁇ Q predetermined, arranged opposite the sample holder to irradiate the sample, a system for receiving the radiation passing through the sample, arranged opposite the sample holder opposite the emission system and adapted to deliver an electrical signal representative of the power of the radiation received, and processing means, arranged to receive the electrical signal from the reception system and a signal representative of the power transmitted and adapted to deliver an exploitable signal representative of the moisture content of the material; according to the present invention, the device is characterized in that :
  • the emission system includes:
  • a metal emission horn in the shape of a pyramid trunk extending substantially along the axis XX ', said horn having a small base connected by a microwave chain to a microwave source and a large base located opposite the door -sample, said large base being closed by a plate substantially transparent to microwaves separated from the axial plane (pp ') of the sample holder by a distance Dj substantially between 1.70 A Q and 3 A Q , said horn d emission having an opening angle ⁇ - in the plane of the electric field E
  • an anti-echo chamber arranged between the emission horn and the sample holder and comprising, on the one hand, side walls absorbing with respect to the microwaves, distant from the axis XX 'by a distance ( ⁇ -j, ⁇ * ⁇ ) at least equal to 4 A Q , on the other hand, inclined absorbent panels with respect to microwaves, connecting the large base of the emission horn to the side walls and rising towards the latter to form with them an acute angle ( ⁇ -
  • the sample holder is made of a material substantially transparent to microwaves and comprises a cavity of thickness -e- of value greater than AQ / 2 and less than AQ for the placement of the material to be studied,
  • said cavity being surrounded by a peripheral wall that absorbs microwaves
  • said cavity being equipped with a removable closure cover substantially transparent with respect to microwaves.
  • positioning means being associated with the frame and with the sample holder in order to make the latter removable and allow it to be arranged so that the axis YY 'of its cavity substantially coincides with the axis XX' of the device,
  • reception system includes:
  • a metallic reception horn in the shape of a pyramid trunk extending substantially along the axis XX ', said horn having a small base connected by a microwave chain to a microwave probe adapted to the wavelength A Q and a large base located opposite the sample holder, said large base being closed by a plate substantially transparent to microwaves separated from the sample holder by a distance D2 substantially between AQ and 2.5 ⁇ o, said receiving horn having in the plane of the electric field E an opening angle 02 substantially between 20 ° and 35 ° and a height h * 2 between its large base and its small base substantially between 8 A Q and 10 AQ,.
  • an anti-echo chamber arranged between the receiving horn and the sample holder and comprising, on the one hand, absorbent side walls with respect to microwaves, distant from the axis XX 'by a distance ( ⁇ 2 , ⁇ '2) at least equal to 4 AQ, on the other hand, inclined absorbent panels with respect to microwaves, connecting the large base of the receiving horn to the side walls and rising towards the latter to form with these an acute angle (62, ⁇ '2) between 29 ° and 55 °.
  • this wavelength A Q undergoes variations in the guides, horns and other organs, the guided wavelength A n in these organs being greater than the wavelength A Q emitted by the source.
  • the guided wavelength A n in these organs being greater than the wavelength A Q emitted by the source.
  • the emission horn, the associated microwave chain and the source of the emission system are mechanically assembled so as to form a unit in one piece carried by the frame by means of mechanical damping means,
  • the reception horn, the associated microwave chain and the reception system probe are mechanically assembled so as to form a unit in one piece carried by the frame by means of mechanical damping means.
  • the transmitting horn and receiving horn can in particular have a rectangular cross section suitable for working in TEQI fundamental mode at the level of the small base and in TE (free propagation) mode at the level of the large base, with a progressive evolution of 'one mode to another along the cornet.
  • the frame of the device then preferably has the general shape of a rectangular parallelepiped closed on its faces, the space between said frame and the transmission horn as well as the space between said frame and the reception horn being at least partially lined with a block of synthetic connecting material capable of acting as a mechanical damper.
  • the measuring device combines a plurality of characteristics which allow it to work in a hostile environment under difficult conditions, while providing precise and faithful measurements.
  • the stray reflections are reduced to a minimum and trapped so as to prevent them from disturbing the measurements; external electromagnetic interference is stopped so that it cannot reach the measurement area; aggressive environmental agents cannot penetrate into the microwave transmission or reception system which are protected from disturbance or deterioration; in addition, in on-board mode, the vibrations which are essentially of the very low frequency type are mechanically attenuated and absorbed and the fragile organs (microwave source, probe, etc.) are protected.
  • the frame comprises:
  • the processing means delivering the exploitable electrical signal representative of the moisture content of the material are of a type known per se. These means preferably include means for storing calibration curves establishing, by the nature of the materials to be studied, correspondences between the values of the humidity rate and the values of the attenuation of the power received by the reception in relation to the power transmitted by the transmission system.
  • the wavelength A Q of the microwaves used can be advantageously chosen in a range between 2.4 cm and 3.6 cm corresponding to frequencies between 8.2 and 12.4 GHz; in particular one can use a wavelength AQ substantially equal to 3.17 cm corresponding to a frequency 9.45 GHz. This choice increases the sensitivity of the device due to the proximity of this frequency with the Debye resonant frequency.
  • FIG. 1 is an overall perspective view of the device with partial cutaway, the sample holder and its cover being extracted and located opposite the introduction light
  • FIG. 2 is a block diagram showing the microwave chain of the device and its electronic processing means
  • FIG. 3 is an axial section of the device through a plane A, the sample holder being removed,
  • FIG. 4 is a partial axial section similar to that of FIG. 3 with the sample holder in place but empty,
  • FIG. 5 is an axial section of the device through a plane B perpendicular to the plane A, the sample holder being arranged opposite its insertion light,
  • FIG. 6 is a detailed view of the upper fixing member of the reception system on the frame, which member fulfills a mechanical damping function
  • - Figure 7 is a schematic perspective view of the reception cone (or the emission cone which is similar)
  • - Figure 8 is a detail view of a connecting flange used to fix two successive members of the chain microwave.
  • the humidity measurement device shown by way of example in the figures comprises a frame 1 in the general shape of an elongated parallelepiped extending along an axis XX ', in the vertical example.
  • This frame consists of four walls parallel to the axis XX ': two side walls 1a, 1b, a front wall 1c and a rear wall Id.
  • the front wall 1c has an inclined upper part in which the control means are integrated or device control.
  • the frame is also closed by an upper wall 1 f and a lower wall 1e.
  • This frame can be made of reinforced resin (fiberglass or other) or any other suitable electrically insulating material; if necessary, reinforcing members may be provided in particular at the edges.
  • the device comprises a microwave emission system -Se- supplied by electrical supply means 2, a reception system -Sr-, power measurement means 3 comprising a Nanowattmeter and connected to the electrical supply means 2 and processing means -T- of the signal from the measuring means 3.
  • a sample holder P Between the emission system Se and the reception system Sr is disposed a sample holder P through which the radiation passes.
  • the source of the emission system Se comprises a Gunn 4 diode oscillator set to the frequency corresponding to the wavelength AQ, in the example 9.45 GHz frequency corresponding to AQ - 3.17 cm.
  • This oscillator is connected via a conventional microwave chain (isolator 5, transition guide 6, calibrated attenuator 7, transition guide 8) to a quadrupole frequency filter 9 of the type with 3 adaptation plungers (stubs), which is set to ensure unloaded (in the absence of sample) unidirectional guidance of guided microwave waves corresponding to the emission wavelength AQ (absence of reflected waves).
  • This filter is connected to a transmission horn 10 in the form of pyramid trunk of rectangular cross section.
  • This transmission horn 10 which is similar to the reception horn shown diagrammatically in perspective in FIG. 7, is made of aluminum alloy "Alpax" (registered trademark) and structured to work in TE Q mode -
  • between large base and small base is in the example equal to 31.2 cm or 9.84 A Q.
  • the opening angle ⁇ ⁇ of the horn in the plane of the electric field E is equal to 26 ° (FIG. 5), however that the opening angle ⁇ 'i in the perpendicular plane (plane containing the largest component of the magnetic field H) is greater than the angle ⁇ -
  • the emission horn 10, the microwave chain 5-9 and the source 4 are mechanically assembled to form a unit in one piece which is carried by the frame 1 by means, on the one hand, of legs 13 provided damping blocks 14 of the "Silent Block” type, on the other hand, a damping block 15 constituted by a synthetic bonding material such as extruded polystyrene, disposed between the horn 10 and the faces 1a, 1b, 1c and 1d of the frame.
  • damping block 15 constituted by a synthetic bonding material such as extruded polystyrene
  • the elements of the microwave chain called to guide the microwaves are assembled by means of flanges such as 11 (FIGS. 7 and 8) with the interposition of a conductive seal 16 (rubber seal charged to be electrically conductive). ).
  • An external bead 17 of rubber or elastomer of the "Rubson" type guarantees absolute sealing.
  • an anti-echo chamber comprising absorbent side walls with respect to microwaves such as 18 and inclined absorbent panels such as 19.
  • These walls made of absorbent panels are in particular produced made of carbon-filled foam (for example "Ecosorb type AN73" material (registered trademark).
  • the side walls 18 are glued to the inside of the walls of the frame 1 and have external faces, on the frame side, which have reflective properties with respect to microwaves, so as to at least partially reflect the electromagnetic disturbances from the medium. surrounding in the microwave range (the non-reflected fraction being absorbed by the absorbent material).
  • the absorbent side walls 18 are at a distance ⁇ -) or ⁇ " ⁇ from the axis XX 'at least equal to 4 AQ, or 12.7 cm.
  • of the two absorbent walls bonded to the front 1c and rear 1d faces of the frame is approximately 14 cm
  • the distance ⁇ ' ⁇ of the two absorbent walls bonded to the lateral faces la, 1b of the frame is approximately 17 cm.
  • the inclined panels 19 which connect these absorbent walls to the large base of the horn 10 tilt towards said walls; in the axial plane B, these inclined panels form with these walls an acute angle ⁇ -
  • the horn 10 is positioned so that its distance D-
  • the reception system consists of symmetrical elements which will not be described again: reception horn 20 and anti-echo chamber and its lateral absorbent walls and panels absorbent inclined. Parameters of relative distances and angles these elements (assigned to index 2) are in the example substantially equal to those of the corresponding elements of the emission system.
  • the reception horn 20 is connected by a conventional microwave transmission chain (adaptation quadrupole 21, coaxial transition waveguide 22, SMA-N type adapters with diameter 23) to a probe 24 of the diode probe type, which delivers to the measuring means 3 an electrical signal representative of the power of the radiation received.
  • a conventional microwave transmission chain adaptation quadrupole 21, coaxial transition waveguide 22, SMA-N type adapters with diameter 23
  • the reception horn 20 the elements of the microwave chain 21-23 and the probe 24 of the reception system form an assembly which is fixed to the frame, on the one hand, by an arm 25 associated with a damping block 26, of the "Silent Block” type, on the other hand, by a damping block 27 providing the connection between the horn 20 and the frame 1.
  • the elements of the microwave chain are assembled together by means of flanges fitted with seals.
  • This cavity called to come to center on the axis XX 'of the frame when the sample holder is in place, is intended to receive the material to be studied.
  • the cavity 29 is surrounded by a peripheral wall 30 which absorbs microwaves.
  • a cover 31 in the same material as the frame 28 closes the latter and gives it a uniform thickness.
  • the frame 1 is internally provided with slides 32 which make it possible to place the sample holder in the frame in the manner of a drawer.
  • a light 33 formed in the front face of the frame allows the introduction of the sample holder.
  • Positioning stops realize at the end of introduction a setting of the sample holder in the position where the axis YY 'of its cavity substantially coincides with the axis XX' of the frame.
  • these stops are constituted by shoulders 34 which the frame forms to come into abutment against the edges of the insertion opening 33 of the frame.
  • the processing means T conventionally comprise data transmission means 35 which are adapted to make them compatible with a processing unit 36 which calculates the humidity level and controls its display on display means 37
  • the processing unit 36 comprises calculation means and means for storing calibration curves establishing, by the nature of the materials to be studied, correspondences between the values of the humidity rate and the values of the attenuation of the power received by the reception system with respect to the power transmitted by the transmission system.
  • the device described makes it possible to carry out precise and faithful measurements on site of the moisture content of a material, in particular agrifood materials such as grains or cereal seeds.
  • the humidity is deduced from the value of the measured power attenuation, from the calibration curves.
  • a prior vacuum measurement eliminates the influence of the sample holder and the low attenuation of the radiation generated by it.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de mesure du taux d'humidité d'un matériau, en particulier de produits agricoles se présentant sous forme de grains ou graines. Ce dispositif comprend un porte-échantillon doté d'une cavité (29) pour la mise en place du matériau à étudier, un système d'émission de micro-ondes comprenant un cornet métallique d'émission (10) et une chambre anti-écho, et un système de réception du rayonnement traversant l'échantillon comprenant un cornet métallique de réception (20) et une chambre anti-écho. Le système d'émission et le système de réception forment chacun un ensemble d'un seul tenant porté par un bâti (1) par l'entremise de moyens d'amortissement mécanique. Le dispositif de mesure conforme à l'invention permet d'effectuer des mesures d'humidité non destructives en milieu hostile notamment sur sites agricoles, et fournit une bonne qualité de mesure (précision, sensibilité), indépendante des perturbations liées à la mise en ÷uvre sur site.

Description

DISPOSITIF DE MESURE DU TAUX D'HUMIDITE D'UN MATERIAU GRANULAIRE
L'invention concerne un dispositif de mesure du taux d'humidité d'un matériau. Elle s'applique en particulier mais non exclusivement pour mesurer le taux d'humidité de produits agricoles se présentant sous forme de grains ou graines. Par "taux d'humidité", on entend tout paramètre fournissant une image de la quantité d'eau contenue dans une quantité donnée de matériaux ; ce taux d'humidité peut en particulier être exprimé par le rapport du poids d'eau contenue dans un échantillon de matériau au poids total du matériau et de l'eau. Les taux d'humidité indiqués dans la suite sont représentés par ce rapport.
Dans le secteur agricole, plusieurs dispositifs sont disponibles sur le marché pour mesurer l'humidité d'un matériau granulaire. Ces dispositifs répertoriés ci-après fonctionnent selon des principes différents mais ont tous leurs inconvénients propres :
- mesure en étuve (mise en oeuvre longue, lourde et onéreuse),
- mesure au moyen d'un rayonnement haute fréquence (précision dépendant de l'humidité du milieu et devenant très mauvaise au-delà de 25 %),
- mesure au moyen d'un rayonnement infra¬ rouge (équipements coûteux et fragiles, ne fournissant que des mesures de surface), - mesure en RMN (équipement très lourd et très coûteux, fragile, utilisable uniquement en laboratoire) .
Par ailleurs, le brevet US 5.039.947 décrit un nouveau procédé de mesure consistant à irradier le matériau à étudier au moyen de micro-ondes, à mesurer l'énergie dissipée dans le matériau, et à en déduire le taux d'humidité de celui-ci. Toutefois, à la connaissance des inventeurs, ce document n'a pas été suivi d'une réalisation pratique permettant d'effectuer des mesures sur site. Cette absence de développement provient probablement, d'une part, des contraintes très sévères auxquelles est soumis un dispositif de mesure qui travaille sur site dans le domaine agricole : agents agressifs présents dans le milieu (poussières, agents chimiques), perturbations électromagnétiques de l'environnement, vibrations en mode embarqué,... d'autre part, des difficultés de mise au point provenant du principe même de mesure par micro-ondes (risques de réflexions parasites). Ces facteurs entraînent des perturbations importantes des mesures et un défaut de reproductibilité de celles-ci lorsqu'elles sont effectuées en dehors d'un laboratoire.
La présente invention se propose de fournir un dispositif de mesure d'humidité par micro-ondes, qui soit capable d'effectuer des mesures non destructives en milieu hostile, notamment sur site agricole, et fournissent une bonne qualité de mesure (précision, sensibilité) indépendante des perturbations liées à une mise en oeuvre sur site.
A cet effet, le dispositif visé par l'invention pour mesurer le taux d'humidité d'un matériau comprend un bâti s'étendant le long d'un axe XX', un porte- échantillon, disposé dans le bâti selon un plan sensiblement orthogonal à l'axe XX' et adapté pour contenir une épaisseur prédéterminée du matériau à étudier, un système d'émission de micro-ondes de longueur d'onde ÀQ prédéterminée, agencé en regard du porte-échantillon pour irradier l'échantillon, un système de réception du rayonnement traversant l'échantillon, agencé en regard du porte-échantillon à l'opposé du système d'émission et adapté pour délivrer un signal électrique représentatif de la puissance du rayonnement reçu, et des moyens de traitement, agencés pour recevoir le signal électrique issu du système de réception et un signal représentatif de la puissance émise et adaptés pour délivrer un signal exploitable représentatif du taux d'humidité du matériau ; selon la présente invention, le dispositif se caractérise en ce que :
(a) le système d'émission comprend :
. un cornet métallique d'émission en forme de tronc de pyramide s'étendant sensiblement selon l'axe XX', ledit cornet ayant une petite base raccordée par une chaîne hyperfréquence à une source de micro-ondes et une grande base située en regard du porte-échantillon, ladite grande base étant fermée par une plaque sensiblement transparente aux micro-ondes séparée du plan axial (pp') du porte-échantillon d'une distance D-j sensiblement comprise entre 1,70 AQ et 3 A Q , ledit cornet d'émission ayant dans le plan du champ électrique E un angle d'ouverture α-| sensiblement compris entre 20° et 35°, et une hauteur H-j entre sa grande base et sa petite base sensiblement comprise entre 8 A Q et 10 A Q ,
. une chambre anti-écho, agencée entre le cornet d'émission et le porte-échantillon et comportant, d'une part, des parois latérales absorbantes à l'égard des micro-ondes, distantes de l'axe XX' d'une distance (Δ-j, Δ*ι) au moins égale à 4 AQ , d'autre part, des panneaux inclinés absorbants à l'égard des micro-ondes, reliant la grande base du cornet d'émission aux parois latérales et se relevant vers ces dernières pour former avec celles-ci un angle aigu (β-| ou β'-|) compris entre 29° et 55°,
(b) le porte-échantillon est constitué en une matière sensiblement transparente aux micro-ondes et comprend une cavité d'épaisseur -e- de valeur supérieure à AQ/2 et inférieure à AQ pour la mise en place du matériau à étudier,
. ladite cavité s'étendant autour d'un axe YY' sur une surface au moins égale à celle d'un cercle de diamètre Dp = 3 AQ ,
. ladite cavité étant entourée d'une paroi périphérique absorbante à l'égard des micro-ondes,
. ladite cavité étant équipée d'un couvercle d'obturation amovible sensiblement transparent à l'égard des micro-ondes. . des moyens de positionnement étant associés au bâti et au porte-échantillon en vue de rendre ce dernier amovible et permettre de le disposer de sorte que l'axe YY' de sa cavité coïncide sensiblement avec l'axe XX' du dispositif,
(c) le système de réception comprend :
. un cornet métallique de réception en forme de tronc de pyramide s'étendant sensiblement selon l'axe XX', ledit cornet ayant une petite base raccordée par une chaîne hyperfrequence à une sonde hyperfrequence adaptée à la longueur d'onde AQ et une grande base située en regard du porte-échantillon, ladite grande base étant fermée par une plaque sensiblement transparente aux micro¬ ondes séparée du porte-échantillon d'une distance D2 sensiblement comprise entre AQ et 2,5 λo, ledit cornet de réception ayant dans le plan du champ électrique E un angle d'ouverture 02 sensiblement compris entre 20° et 35° et une hauteur h*2 entre sa grande base et sa petite base sensiblement comprise entre 8 AQ et 10 AQ , . une chambre anti-écho agencée entre le cornet de réception et le porte-échantillon et comportant, d'une part, des parois latérales absorbantes à l'égard des micro-ondes, distantes de l'axe XX' d'une distance (Δ2, Δ'2) au moins égale à 4 AQ , d'autre part, des panneaux inclinés absorbants à l'égard des micro-ondes, reliant la grande base du cornet de réception aux parois latérales et se relevant vers ces dernières pour former avec celles-ci un angle aigu (62, β'2) compris entre 29° et 55°. II convient de souligner que, pour simplifier la description du dispositif, on n'a évoqué que la longueur d'onde AQ de la source, longueur d'onde qui sert de référence aux divers paramètres du dispositif. On sait qu-e cette longueur d'onde AQ subit des variations dans les guides, cornets et autres organes, la longueur d'onde guidée An dans ces organes étant supérieure à la longueur d'onde AQ émise par la source. Dans la suite, dans un but de simplification, on se référera également et uniquement à la longueur d'onde AQ .
Selon d'autres caractéristiques avantageuses du dispositif :
- le cornet d'émission, la chaîne hyperfrequence associée et la source du système d'émission sont mécaniquement assemblés de façon à former un ensemble d'un seul tenant porté par le bâti par l'entremise de moyens d'amortissement mécanique,
- le cornet de réception, la chaîne hyperfrequence associée et la sonde de système de réception sont mécaniquement assemblés de façon à former un ensemble d'un seul tenant porté par le bâti par l'entremise de moyens d'amortissement mécanique.
Le cornet d'émission et cornet de réception peuvent en particulier présenter une section transversale rectangulaire adaptée pour travailler en mode fondamental TEQI au niveau de la petite base et en mode TE (propagation libre) au niveau de la grande base, avec une évolution progressive d'un mode à l'autre le long du cornet. Le bâti du dispositif présente alors de préférence la forme générale d'un parallélépipède rectangle fermé sur ses faces, l'espace compris entre ledit bâti et le cornet d'émission de même que l'espace compris entre ledit bâti et le cornet de réception étant au moins partiellement garnis d'un bloc de matière synthétique de liaison apte à faire fonction d'amortisseur mécanique.
Ainsi, le dispositif de mesure conforme à l'invention combine une pluralité de caractéristiques qui lui permettent de travailler en milieu hostile dans des conditions difficiles, tout en fournissant des mesures précises et fidèles. Comme on le comprendra mieux plus loin, les réflexions parasites sont réduites au minimum et piégées de façon à éviter qu'elles ne perturbent les mesures ; les perturbations électromagnétiques externes sont stoppées de façon à ne pouvoir parvenir dans la zone de mesure ; les agents agressifs de l'environnement ne peuvent pénétrer dans le système d'émission ou le système de réception hyperfréquences qui sont à l'abri de déréglage ou détérioration ; en outre, en mode embarqué, les vibrations qui sont essentiellement de type très basse fréquence sont mécaniquement atténuées et absorbées et les organes fragiles (source hyperfrequence, sonde...) sont protégés.
Selon un mode de réalisation préféré, le bâti comporte :
- sur une face frontale, une lumière d'introduction du porte-échantillon, - intérieurement, des glissières pour la mise en place dudit porte-échantillon à la manière d'un tiroir,
- des butées de positionnement prévues pour caler ledit porte-échantillon dans la position où l'axe YY' de sa cavité coïncide sensiblement avec l'axe XX' du dispositif.
Il est ainsi facile, même dans une situation où la mise en oeuvre est délicate, de placer convenablement l'échantillon par rapport aux systèmes d'émission et de réception afin d'écarter les risques d'erreur. Il est à noter que compte tenu de la structure du dispositif (dimensions de l'échantillon, ouverture du faisceau micro-ondes,...), le positionnement transversal de l'échantillon n'a pas besoin d'être très précis. Les moyens de traitement délivrant le signal électrique exploitable représentatif du taux d'humidité du matériau sont de type connu en soi. Ces moyens comprennent, de préférence, des moyens de mémorisation de courbes d'étalonnage établissant, par nature de matériaux à étudier, des correspondances entre les valeurs du taux d'humidité et les valeurs de l'atténuation de la puissance reçue par le système de réception par rapport à la puissance émise par le système d'émission. La longueur d'onde AQ des micro-ondes utilisées peut être avantageusement choisie dans une plage comprise entre 2,4 cm et 3,6 cm correspondant à des fréquences comprises entre 8,2 et 12,4 GHz ; en particulier on peut utiliser une longueur d'onde AQ sensiblement égale à 3,17 cm correspondant à une fréquence 9,45 GHz. Ce choix augmente la sensibilité du dispositif en raison de la proximité de cette fréquence avec la fréquence de résonance de Debye.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention se dégageront de la description qui suit, en référence aux dessins annexés, lesquels présentent à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation de l'invention ; sur ces dessins :
- la figure 1 est une vue en perspective d'ensemble du dispositif avec arraché partiel, le porte- échantillon et son couvercle étant extraits et situés en regard de la lumière d'introduction, - la figure 2 est un schéma synoptique montrant la chaîne hyperfrequence du dispositif et ses moyens électroniques de traitement,
- la figure 3 est une coupe axiale du dispositif par un plan A, le porte-échantillon étant retiré,
- la figure 4 est une coupe axiale partielle similaire à celle de la figure 3 avec le porte- échantillon en place mais vide,
- la figure 5 est une coupe axiale du dispositif par un plan B perpendiculaire au plan A, le porte-échantillon étant disposé en regard de sa lumière d' introduction,
- la figure 6 est une vue de détail de l'organe de fixation supérieur du système de réception sur le bâti, organe qui remplit une fonction d'amortissement mécanique,
- la figure 7 est une vue schématique en perspective du cône de réception (ou du cône d'émission qui est similaire), - la figure 8 est une vue de détail d'une bride de liaison servant à fixer deux organes successifs de la chaîne hyperfrequence.
Le dispositif de mesure du taux d'humidité représenté à titre d'exemple aux figures comprend un bâti 1 en forme générale de parallélépipède allongé s'étendant le long d'un axe XX', en l'exemple vertical. Ce bâti est constitué de quatre parois parallèles à l'axe XX' : deux parois latérales 1a, 1b, une paroi frontale 1c et une paroi arrière Id. La paroi frontale 1c comporte une partie haute inclinée dans laquelle sont intégrés les moyens de commande ou de contrôle du dispositif. Le bâti est par ailleurs fermé par une paroi supérieure 1 f et une paroi inférieure 1e. Ce bâti peut être réalisé en résine armée (fibre de verre ou autre) ou en toute autre matière appropriée électriquement isolante ; le cas échéant, des membrures de renfort peuvent être prévues notamment au niveau des arêtes. Comme l'illustre le schéma synoptique 2, le dispositif comprend un système d'émission de micro¬ ondes -Se- alimenté par des moyens d'alimentation électrique 2, un système de réception -Sr-, des moyens de mesure de puissance 3 comportant un Nanowattmètre et reliés aux moyens d'alimentation électrique 2 et des moyens de traitement -T- du signal issu des moyens de mesure 3.
Entre le système d'émission Se et le système de réception Sr est disposé un porte-échantillon P traversé par le rayonnement. Chacun de ces ensembles est décrit ci-après en détail.
La source du système d'émission Se comprend un oscillateur à diode Gunn 4 calé sur la fréquence correspondant à la longueur d'onde AQ , en l'exemple fréquence de 9,45 GHz correspondant à A Q - 3,17 cm. Cet oscillateur est relié par l'entremise d'une chaîne hyperfrequence classique (isolateur 5, guide de transition 6, atténuateur calibré 7, guide de transition 8) à un filtre fréquentiel quadripôle 9 du type à 3 plongeurs d'adaptation (stubs), qui est réglé pour assurer à vide (en l'absence d'échantillon) un guidage unidirectionnel des ondes hyperfréquences guidées correspondant à la longueur d'onde d'émission A Q (absence d'ondes réfléchies). Ce filtre est relié à un cornet d'émission 10 en forme de tronc de pyramide de section transversale rectangulaire.
Ce cornet d'émission 10, qui est similaire au cornet de réception schématisé en perspective à la figure 7, est réalisé en alliage d'aluminium "Alpax" (marque déposée) et structuré pour travailler en mode TEQ-| sur sa petite base et en mode TEM (propagation libre) sur sa grande base. Il présente une petite base raccordée par une bride 11 au guide d'onde de sortie du filtre 9 et une grande base fermée par une plaque 12 en polystyrène extrudé. La hauteur H-| entre grande base et petite base est en l'exemple égale à 31,2 cm soit 9,84 AQ . L'angle d'ouverture α^ du cornet dans le plan du champ électrique E (en l'exemple plan vertical B passant par les médiatrices des faces frontale le et arrière 1d du bâti) est égal à 26° (figure 5), cependant que l'angle d'ouverture α'i dans le plan perpendiculaire (plan contenant la composante la plus grande du champ magnétique H) est supérieur a l'angle α-| et en l'exemple égal à 34°.
Le cornet d'émission 10, la chaîne hyperfrequence 5-9 et la source 4 sont mécaniquement assemblés pour former un ensemble d'un seul tenant qui est porté par le bâti 1 par l'entremise, d'une part, de pattes 13 pourvues de blocs d'amortissement 14 du type "Silent Block", d'autre part, d'un bloc d'amortissement 15 constitué par une matière synthétique de liaison telle que polystyrène extrudé, disposé entre le cornet 10 et les faces 1a, 1b, 1c et 1d du bâti. Ces moyens permettent de maintenir le système d'émission dans le bâti avec une fonction d'amortissement mécanique assurant une absorption des vibrations basse fréquence.
Les éléments de la chaîne hyperfrequence appelés à guider les micro-ondes sont assemblés au moyen de brides telles que 11 (figures 7 et 8) avec interposition d'un joint d'étanchéité conducteur 16 (joint caoutchoutique chargé pour être conducteur sur le plan électrique). Un bourrelet externe 17 de caoutchouc ou élastomère du type "Rubson" garantit une étanchéité absolue.
Par ailleurs, entre le porte-échantillon P et la plaque 12 de fermeture du cornet 10 est agencée une chambre anti-écho comportant des parois latérales absorbantes à l'égard des micro-ondes telles que 18 et des panneaux inclinés absorbants tels que 19. Ces parois en panneaux absorbants sont en particulier réalisées en mousse chargée de carbone (par exemple matériau "Ecosorb type AN73" (marque déposée).
Les parois latérales 18 sont collées à l'intérieur des parois du bâti 1 et possèdent des faces externes, côté bâti, qui présentent des propriétés réfléchissantes à l'égard des micro-ondes, de façon à renvoyer au moins partiellement les perturbations électromagnétiques du milieu environnant dans la gamme des hyperfréquences (la fraction non réfléchie étant absorbée par la matière absorbante).
Les parois latérales absorbantes 18 sont à une distance Δ-) ou Δ«ι de l'axe XX' au moins égale à 4 AQ , soit 12,7 cm. En l'exemple, la distance Δ-| des deux parois absorbantes collées aux faces frontale 1c et arrière 1d du bâti est d'environ 14 cm, cependant que la distance Δ'τ des deux parois absorbantes collées aux faces latérales la, 1b du bâti est d'environ 17 cm.
En outre, les panneaux inclinés 19 qui relient ces parois absorbantes à la grande base du cornet 10 s'inclinent vers lesdites parois ; dans le plan axial B, ces panneaux inclinés forment avec ces parois un angle aigu β-| égal à environ 35° ; dans le plan axial A, les panneaux inclinés forment avec ces parois un angle aigu β'i égal à environ 35°. En outre, le cornet 10 est positionné de sorte que sa distance D-| par rapport au plan axial pp' du porte-échantillon soit égal à 1,73 AQ , soit 5,5 cm.
A l'opposé du système d'émission par rapport au porte-échantillon, le système de réception est constitué d'éléments symétriques qui ne seront pas décrits à nouveau : cornet de réception 20 et chambre anti-écho et ses parois absorbantes latérales et panneaux inclinés absorbants. Les paramètres de distances et angles relatifs à ces éléments (affectés de l'indice 2) sont en l'exemple sensiblement égaux à ceux des éléments correspondants du système d'émission.
Le cornet de réception 20 est relié par une chaîne hyperfrequence de transmission classique (quadripôle d'adaptation 21, guide d'onde coaxial de transition 22, adaptateurs de type SMA-N de diamètre 23) à une sonde 24 du type sonde à diode, qui délivre vers les moyens de mesure 3 un signal électrique représentatif de la puissance du rayonnement reçu.
De la même façon que pour le système d'émission, le cornet de réception 20, les éléments de la chaîne hyperfrequence 21-23 et la sonde 24 du système de réception forment un ensemble qui est fixé au bâti, d'une part, par un bras 25 associé à un bloc d'amortissement 26, du type "Silent Block", d'autre part, par un bloc d'amortissement 27 réalisant la liaison entre le cornet 20 et le bâti 1.
Comme précédemment, les éléments de la chaîne hyperfrequence sont assemblés entre eux au moyen de brides munies d'étanchéités.
Le porte-échantillon P est constitué par un châssis 28 en polystyrène extrudé (figure 1), délimitant une cavité centrale 29 d'épaisseur e = 0,95 AQ , soit 3 cm. Cette cavité, appelée à venir se centrer sur l'axe XX' du bâti lorsque le porte-échantillon est en place, est destinée à recevoir le matériau à étudier. Cette cavité s'étend autour de son axe YY' sur une surface au moins égale à celle d'un cercle de diamètre Dp = 3ΛQ. En l'exemple, elle présente une forme rectangulaire de grand côté égal à 7,9 AQ , soit 25 cm et de petit côté égal à 7,3 ΛQ/ soit 23 cm. Ce dimensionnement associé aux angles d'ouvertures du pinceau hyperfrequence issu du cornet d'émission garantit que la totalité du pinceau traverse le matériau de l'échantillon sans réflexions ni effets de bord parasites notables. Pour réduire les éventuelles perturbations en bordure, la cavité 29 est entourée d'une paroi périphérique 30 absorbante à l'égard des micro-ondes. 96 32633 PC17FR96/00567
1 2
Un couvercle 31 dans la même matière que le châssis 28 ferme ce dernier et lui confère une épaisseur uniforme.
Le bâti 1 est doté intérieurement de glissières 32 qui permettent de mettre en place le porte- échantillon dans le bâti à la manière d'un tiroir. Une lumière 33 ménagée dans la face frontale du bâti permet l'introduction du porte-échantillon. Des butées de positionnement réalisent en fin d'introduction un calage du porte-échantillon dans la position où l'axe YY' de sa cavité coïncide sensiblement avec l'axe XX' du bâti. En l'exemple ces butées sont constituées par des épaulements 34 que forme le châssis pour venir en butée contre les bords de la lumière d'introduction 33 du bâti. Par ailleurs, les moyens de traitement T comprennent de façon classique des moyens de transmission des données 35 qui sont adaptés pour les rendre compatibles avec une unité de traitement 36 qui calcule le taux d'humidité et commande son affichage sur des moyens d'affichage 37. L'unité de traitement 36 comprend des moyens de calcul et des moyens de mémorisation de courbes d'étalonnage établissant, par nature de matériaux à étudier, des correspondances entre les valeurs du taux d'humidité et les valeurs de l'atténuation de la puissance reçue par le système de réception par rapport à la puissance émise par le système d'émission.
Le dispositif décrit permet d'effectuer sur site des mesures précises et fidèles du taux d'humidité d'un matériau, en particulier matériaux agro-alimentaires tels que grains ou graines de céréales. Le taux d'humidité est déduit de la valeur de l'atténuation de puissance mesurée, à partir des courbes d'étalonnage. Une mesure préalable à vide permet de supprimer l'influence du porte- échantillon et de la faible atténuation du rayonnement engendrée par celui-ci.
Des expérimentations ont permis de mettre en évidence que le dispositif ci-dessus décrit, disposé en environnement poussiéreux, sur un support soumis à des vibrations basses fréquences (simulant celles d'un moteur de matériel agricole) permet d'effectuer des mesures avec une précision significative de l'ordre de 1 % dans une plage d'humidité allant de 3 % à 70 % ; les essais ont été mis en oeuvre en utilisant comme matériau des graines de maïs.

Claims

REVENDICATIONS 1/ - Dispositif de mesure du taux d'humidité d'un matériau, comprenant un bâti (1) s'étendant le long d'un axe XX', un porte-échantillon (P), disposé dans le bâti selon un plan sensiblement orthogonal à l'axe XX' et adapté pour contenir une épaisseur prédéterminée du matériau à étudier, un système (Se) d'émission de micro¬ ondes de longueur d'onde AQ prédéterminée, agencé en regard du porte-échantillon pour irradier l'échantillon, un système (Sr) de réception du rayonnement traversant l'échantillon, agencé en regard du porte-échantillon à l'opposé du système d'émission et adapté pour délivrer un signal électrique représentatif de la puissance du rayonnement reçu, et des moyens de traitement (T), agencés pour recevoir le signal électrique issu du système de réception et un signal représentatif de la puissance émise et adaptés pour délivrer un signal exploitable représentatif du taux d'humidité du matériau, ledit dispositif étant caractérisé en ce que : (a) le système d'émission (Se) comprend :
. un cornet métallique d'émission (10) en forme de tronc de pyramide s'étendant sensiblement selon l'axe XX', ledit cornet ayant une petite base raccordée par une chaîne hyperfrequence (5-9) à une source de micro-ondes (4) et une grande base située en regard du porte- échantillon, ladite grande base étant fermée par une plaque (12) sensiblement transparente aux micro-ondes séparée du plan axial (pp' ) du porte-échantillon d'une distance D-| sensiblement comprise entre 1,70 A Q et 3 A Q , ledit cornet d'émission ayant dans le plan du champ électrique E un angle d'ouverture α-| sensiblement compris entre 20° et 35°, et une hauteur H-j entre sa grande base et sa petite base sensiblement comprise entre 8 AQ et 10 AQ ,
. une chambre anti-écho, agencée entre le cornet d'émission (10) et le porte-échantillon (P) et comportant, d'une part, des parois latérales absorbantes à l'égard des micro-ondes (18), distantes de l'axe XX' d'une distance (Δ-| , Δ*--) au moins égale à 4 AQ , d'autre part, des panneaux inclinés (19) absorbants à l'égard des micro¬ ondes, reliant la grande base du cornet d'émission aux parois latérales et s'inclinant vers ces dernières pour former avec celles-ci un angle aigu (β-| ou β'-]) compris entre 29° et 55°,
(b) le porte-échantillon (P) est constitué en une matière sensiblement transparente aux micro-ondes et comprend une cavité (29) d'épaisseur -e- de valeur supérieure à AQ/2 et inférieure à AQ pour la mise en place du matériau à étudier,
. ladite cavité s'étendant autour d'un axe YY' sur une surface au moins égale à celle d'un cercle de diamètre Dp = 3 AQ ,
. ladite cavité étant entourée d'une paroi périphérique (30) absorbante à l'égard des micro¬ ondes,
. ladite cavité étant équipée d'un couvercle d'obturation amovible (31), sensiblement transparent à l'égard des micro-ondes, . des moyens de positionnement (32, 34) étant associés au bâti et au porte-échantillon en vue de rendre ce dernier amovible et permettre de le disposer de sorte que l'axe YY' de sa cavité coïncide sensiblement avec l'axe XX' du dispositif, (c) le système de réception (Sr) comprend :
. un cornet métallique de réception (20) en forme de tronc de pyramide s'étendant sensiblement selon l'axe XX', ledit cornet ayant une petite base raccordée par une chaîne hyperfrequence (21-23) à une sonde hyperfrequence (24) adaptée à la longueur d'onde AQ et une grande base située en regard du porte-échantillon, ladite grande base étant fermée par une plaque sensiblement transparente aux micro-ondes séparée du porte-échantillon d'une distance D2 sensiblement comprise entre AQ et 2,5 AQ , ledit cornet de réception ayant dans le plan du champ électrique E un angle d'ouverture 02 sensiblement compris entre 20° et 35° et une hauteur H2 entre sa grande base et sa petite base sensiblement comprise entre 8 AQ et 10 AQ , . une chambre anti-écho agencée entre le cornet de réception (20) et le porte-échantillon (P) et comportant, d'une part, des parois latérales absorbantes à l'égard des micro-ondes, distantes de l'axe XX' d'une distance (Δ2, '2) au moins égale à 4 AQ , d'autre part, des panneaux inclinés absorbants à l'égard des micro-ondes, reliant la grande base du cornet de réception aux parois latérales et se relevant vers ces dernières pour former avec celles-ci un angle aigu ( G>2 > &' 2) compris entre 29° et 55°.
2/ - Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cornet d'émission (10) et le cornet de réception (20) présentent une section transversale rectangulaire adaptée pour travailler en mode TEQ-| au niveau de sa petite base et en propagation libre mode TEM au niveau de sa grande base, l'angle d'ouverture α-| (ou 02) du cornet dans le plan du champ électrique E étant inférieur à l'angle d'ouverture α'i (ou α'2) du cornet dans le plan perpendiculaire, cet angle d'ouverture α' •] (ou α'2) étant sensiblement compris entre 30° et 40°.
3/ - Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que :
- le cornet d'émission (10), la chaîne hyperfrequence associée (5-9) et la source (4) du système d'émission sont mécaniquement assemblés de façon à former un ensemble d'un seul tenant porté par le bâti (1) par l'entremise de moyens d'amortissement mécanique (14, 15),
- le cornet de réception (20), la chaîne hyperfrequence associée (21-23) et la sonde (24) de système de réception sont mécaniquement assemblés de façon à former un ensemble d'un seul tenant porté par le bâti (1) par l'entremise de moyens d'amortissement mécanique (26, 27).
4/ - Dispositif de mesure selon la revendication 3, dans lequel le bâti (1) présente la forme générale d'un parallélépipède rectangle allongé fermé sur ses faces, l'espace compris entre ledit bâti et le cornet d'émission de même que l'espace compris entre ledit bâti et le cornet de réception étant au moins partiellement garnis au moyen d'un bloc de matière synthétique de liaison (15, 27) apte à faire fonction d'amortisseur mécanique.
5/ - Dispositif de mesure selon la revendication 4, caractérisé en ce que le bâti (1) comporte :
- sur une face frontale (10), une lumière (33) d'introduction du porte-échantillon,
- intérieurement, des glissières (32) pour la mise en place dudit porte-échantillon à la manière d'un tiroir,
- des butées de positionnement (34) prévues pour caler ledit porte-échantillon dans la position où l'axe YY' de sa cavité coïncide sensiblement avec l'axe XX' du dispositif. 6/ - Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, dans lequel les parois latérales absorbantes des chambres anti-échos (18) possèdent des faces externes, côté bâti, présentant des propriétés réfléchissantes à l'égard des micro-ondes. 7/ - Dispositif de mesure selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, dans le système d'émission comme dans le système de réception, le cornet et les éléments de la chaîne hyperfrequence associée sont fixés par des brides (11) avec interposition de joints d'étanchéité conducteurs (16) et des bourrelets d'étanchéité (17).
8/ - Dispositif de mesure selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la source de micro¬ ondes (4) comprend un oscillateur à diode Gunn, associé à un filtre frequentiel quadripole (5) à trois plongeurs d'adaptation ("stubs").
9/ - Dispositif de mesure selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la sonde hyperfrequence (24) comprend une sonde à diode associée à un guide d'onde coaxial de transition (22).
10/ - Dispositif de mesure selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de traitement (T) comprennent des moyens de mémorisation de courbes d'étalonnage établissant, par nature de matériaux à étudier, des correspondances entre les valeurs du taux d'humidité et les valeurs de l'atténuation de la puissance reçue par le système de réception par rapport à la puissance émise par le système d'émission.
11/ - Dispositif de mesure selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le système d'émission et le système de réception sont adaptés sur une fréquence sensiblement égale à 9,45 GHz correspondant à une longueur d'onde AQ = 3,17 cm.
12/ - Application du dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 11, pour mesurer le taux d'humidité de produits agricoles se présentant sous forme de grains ou graines.
PCT/FR1996/000567 1995-04-13 1996-04-12 Dispositif de mesure du taux d'humidite d'un materiau granulaire Ceased WO1996032633A1 (fr)

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