FR2727759A1 - Dispositif de mesure capacitive - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de mesure capacitive. Il comporte un condensateur de mesure avec une électrode de mesure (3) écartée d'une contre-électrode (8); un courant de mesure (IC) est amené à l'électrode de mesure (3) et la tension de condensateur (UC) est mesurée et évaluée; au moins une paroi latérale (18) délimite l'espace de mesure, et l'électrode de mesure (3) est entourée par des électrodes de protection et/ou des électrodes auxiliaires (13, 6N, 6NA), suivant chacune en continu le potentiel de l'électrode de mesure (3), de manière à compenser les courants de fuite vers ces électrodes (13, 6N, 6NA). Le dispositif se caractérise essentiellement en ce que, dans la région de l'espace de mesure, la paroi latérale (18) est recouverte pratiquement complètement par d'autres électrodes auxiliaires (61 - 6N; 61A - 6NA), chacune raccordée à son circuit (17) de régulation du potentiel, de façon à minimiser le passage d'un courant dans les électrodes auxiliaires (61 - 6N; 61A - 6NA).
Description
Dispositif de mesure capacitive.
L'invention concerne un dispositif de mesure capacitive, comportant un condensateur de mesure et une électrode de mesure qui est disposée à distance d'une contre-électrode, et dans lequel, en vue de la mesure, un matériau diélectrique à mesurer est placé ou est transporté en continu entre lesdites électrodes, un courant de mesure variant dans le temps est amené à l'électrode de mesure et la tension du condensateur, qui dépend de la capacité, est mesurée et évaluée, dans lequel sur le côté d'un espace de mesure fourni entre lesdites électrodes, qui est éventuellement un canal d'écoulement de matériau à mesurer, au moins une paroi latérale est disposée de manière à délimiter l'espace de mesure, et l'électrode de mesure est entourée par plusieurs électrodes de protection en anneau15 et/ou par plusieurs électrodes auxiliaires écartées d'elle à intervalles et recouvrant au moins partiellement la paroi latérale, et qui suivent chacune en continu le potentiel de
l'électrode de mesure par l'intermédiaire d'un circuit de regulation du potentiel, de manière à compenser ainsi20 largement les courants de fuite vers ces électrodes.
L'utilisation du principe de mesure capacitif, en particulier pour la détermination sans contact d'épaisseurs, d'épaisseurs de couches, de distances, d'états de remplissage, a une grande importance dans la25 pratique des techniques de mesure et a trouvé une large diffusion. Son grand avantage réside surtout en ce que, pour autant que l'on n'utilise pour la construction des détecteur que des matériaux appropriés, résistant à la température, aucune restriction fondamentale n'est imposée aux détecteurs par les températures ambiantes. Un avantage lié à l'utilisation du principe capacitif est que l'établissement du champ électrique dans le volume de mesure proprement dit du détecteur peut être décrit physiquement de manière claire, autrement dit qu'il existe une relation, qui peut être décrite sous la forme de lignes caractéristiques, entre la capacité du détecteur, les dimensions géométriques du volume de mesure et les propriétés diélectriques des matériaux qui se trouvent dans
le volume de mesure.
La forme fondamentale de tous ces détecteurs capacitifs est en général assimilable à celle d'un condensateur à plaques. Si un diélectrique homogène, par exemple de l'air, est présent entre l'électrode de mesure et la contre-électrode, si l'on néglige la capacité du champ dispersé, et donc pour un condensateur à plaques idéalisé, on obtient la relation simple que sa capacité correspond au produit de la constante diélectrique absolue,
de la constante diélectrique relative et de la surface d'électrode, divisé par la distance entre les électrodes.
Cependant, aux bords des électrodes, le champ se développe en realité de manière inhomogène, ce qui a pour conséquence une capacité dispersée qui, dans le cas d'un25 condensateur à plaques rectangulaires, se superpose par addition à la capacité de mesure de la région homogène du champ, suivant une relation très non-linéaire et difficile à calculer. Dans une très large mesure, la forme de ce champ dispersé dépend également de la présence éventuelle d'autres objets électriquement conducteurs au voisinage du condensateur de mesure, qui suivant leur position et leur forme géométrique exercent sur la capacité dispersée une influence supplémentaire compliquée et impossible à représenter. Pour éliminer l'influence de ces capacités35 dispersées sur les résultats de mesure, qui est très indésirable du point de vue de la technique de mesure, il est connu et habituel d'équiper les détecteurs d'électrodes supplémentaires de protection en anneau, dont la tension est ajustée avec précision par un adaptateur d'impédance, jusqu'à une petite valeur négligeable par rapport à celle existant sur l'électrode de mesure, c'est-à-dire à une tension de mesure appliquée aux électrodes de champ. Habituellement, l'électrode de protection en anneau entoure complètement l'électrode de mesure le long de son bord extérieur et sur sa face dorsale. Sa tension par rapport au potentiel de la contre-électrode est maintenue pratiquement au potentiel de l'électrode de mesure par un amplificateur monté en suiveur de tension et qui présente une amplification à vide très élevée. Le circuit impose que la tension de mesure disponible pour la suite du traitement du signal soit exactement égale à la tension de l'électrode de protection en anneau, et la tension d'erreur par rapport à
l'électrode de mesure est extrêmement faible par rapport à-
la tension aux bornes du condensateur de mesure.
Entre l'électrode de mesure et l'électrode de protection en anneau, il ne se forme ainsi aucun champ électrique. C'est uniquement entre l'électrode de protection en anneau et la contre-électrode que se forme encore un champ dispersé, dont la grandeur et la forme ne présentent cependant plus aucune influence sur la grandeur de la tension de mesure qui se forme sur l'électrode de25 mesure sous l'action d'un courant de charge. Cette tension de mesure n'est donc plus qu'exclusivement une fonction
d'un courant de charge s'écoulant dans la capacité de mesure, et elle se calcule de manière connue à partir de l'intégrale du courant de charge sur le temps, divisée par30 la capacité de mesure.
Le principe de l'anneau de protection décrit ci-dessus pose des problèmes considérables si, à cause des spécifications, le volume de mesure s'étend en pratique sur une section transversale de mesure relativement grande. De35 tels cas se posent par exemple lorsqu'il faut déterminer un écoulement massique (masse/unité de temps) d'un matériau à mesurer, qui est constitué de l'assemblage de particules individuelles plus ou moins petites (par exemple des céréales, du fourrage haché, des poussières) et est transporté le long d'un canal de transport par entraînement pneumatique, par gravité ou par inertie massique. Ce canal de transport se trouve normalement au potentiel de la masse et est réalisé en un matériau métallique, de sorte que les limites de la section transversale de transport constituent en chaque endroit du parcours de transport des surfaces équipotentielles. Si l'on utilise plus ou moins inchangé l'agencement à anneaux de protection connu dans une telle gaine de transport qui forme la limite extérieure de la section transversale de transport et qui, à cause de sa mise à la masse, constitue également en même temps la contre-électrode, on obtient un champ électrique largement15 inhomogène pour la réalisation de la capacité de mesure, pour lequel l'équation simple du condensateur à plaques idéalisé n'a plus aucune validité. En particulier, à cause de cette inhomogénéité du champ de mesure, la contribution que fournit une particule du courant de transport à la20 modification de la capacité de mesure dépend dans une forte mesure de l'endroit de la section transversale de transport ou elle traverse le volume de mesure. A proximité de l'électrode de mesure, a cause de la forte concentration du champ, elle se distinguera par une grande influence sur la25 modification de la capacité. Par contre, à de grandes distances de l'électrode de mesure, à cause de la faible densité du champ, elle ne fournira qu'une très petite contribution. Comme, pour déterminer un écoulement massique avec une qualité élevée, chaque particule de la masse30 traversant la section transversale de mesure devrait fournir la même contribution à la mesure, quel que soit l'endroit de son passage, pour permettre d'obtenir une valeur moyenne sans problème de toutes les contributions à la modification de la capacité, les agencements connus ne35 conviennent que dans une mesure très imprécise aux spécifications posées. L'agencement connu n'est utilisable, en dépit de l'inhomogénéité du champ de mesure, que lorsque le courant transporté est concentré par des dispositions connues appropriées (par exemple par des forces centrifuges ou des plaques de guidage) en une couche homogène et mince par rapport à l'étendue de mesure, de sorte que la totalité de l'écoulement massique soit guidée à proximité immédiate de l'électrode de mesure sous la forme d'une couche à
empilement dense.
Mais, lorsque les particules de l'écoulement massique ne sont pas transportées à travers la section transversale de mesure comme indiqué plus haut, sous la forme de particules individuelles sans aucun contact physique avec des particules voisines, mais se rassemblent en unités agglomérées plus grosses, et entrent ainsi mutuellement en contact étroit et électriquement conducteur, les relations sont très compliquées et impossibles à représenter. Au voisinage proche de ces agrégats en grumeaux, il faut s'attendre à de très fortes distorsions des lignes du champ, qui sont d'autant plus importantes que la conductivité électrique des particules individuelles est20 élevée. En particulier pour des matériaux organiques très humides, par exemple du fourrage haché, cette conductivité ohmique a pour effet que les particules individuelles ne peuvent plus être décrites comme un diélectrique présentant une constante diélectrique réelle, mais que les particules25 individuelles provoquent également encore des pertes ohmiques dans un champ électrique alternatif. Les propriétés d'un matériau constitué de telles particules doivent ainsi être décrites par une constante diélectrique complexe.30 Par conséquent, lors de l'alimentation du condensateur de mesure par l'application d'un courant alternatif de forme appropriée entre l'électrode de mesure et la contre- électrode, il ne se forme pas uniquement un courant réactif purement capacitif mais également un courant actif de perte ohmique. Il apparaît immédiatement à l'évidence que le rapport et la valeur de ce courant réactif et de ce courant actif dépendent d'une manière extrêmement compliquée des valeurs de la constante diélectrique réelle et de la constante diélectrique complexe, mais en outre également de la géométrie, des propriétés d'agglomération et des positions des agrégats de matière agglomérée traversant la section transversale de mesure. En particulier, il est habituellement inévitable que le courant de matière comportant des particules individuelles se déplace le long des surfaces des parois latérales du boîtier ainsi que le long des électrodes allongées de protection en anneau, et entrent en contact électriquement conducteur étroit avec celles-ci. Des parties du courant de charge de l'intervalle de mesure sont ainsi largement dissipées perpendiculairement à la direction de mesure par les surfaces du boîtier et de l'électrode de protection en anneau, suivant la distribution locale du potentiel dans la section transversale d'écoulement, ou des fractions supplémentaires de courant sont également introduites dans le volume de mesure par ces parois.20 DE-42 27 922 A1 fait connaître un dispositif pour mesurer un écoulement massique qui est dévié sur une paroi d'une gaine de transport, en particulier d'une moissonneuse, a la sortie d'un élévateur, de sorte qu'il forme dans un condensateur de mesure de débit disposé à cet25 endroit un diélectrique en couches de vitesses homogènes. La première armature de condensateur du condensateur de mesure de débit est située du côté de l'écoulement massique, et la deuxième armature du condensateur est disposée à distance de l'écoulement massique. La première30 armature de condensateur est alors entourée par une électrode de protection qui est maintenue par un adaptateur d'impédance au même potentiel que l'armature de condensateur entourée. La seconde armature du condensateur est formée par une paroi de la gaine de transport qui est35 située en face de la première armature de condensateur, et par des régions latérales de la paroi de la gaine de transport. L'écoulement massique est guidé à travers le condensateur de mesure de débit de telle sorte qu'il forme un diélectrique en couches présentant une distribution approximativement homogène des vitesses, et il est guidé à travers un second condensateur de mesure qui est toujours complètement rempli. La capacité de ces deux condensateurs est calculée avec le même dispositif de mesure pour former un rapport de capacités. La mesure continue de la valeur absolue d'un écoulement de grains dans des moissonneuses présente de considérables avantages lorsque l'on utilise la10 valeur de mesure pour la régulation et la surveillance du fonctionnement de la machine, en particulier de la vitesse d'avancement, de l'entraînement du tamis et de la hauteur de coupe. Elle permet en outre la tenue d'un cadastre des récoltes qui constitue une base pour un travail et une15 fertilisation systématiques du sol s'étendant sur plusieurs années, et adaptés chaque fois aux valeurs du sol et de son rendement. Dans ce dispositif, pour la premiere armature du condensateur de mesure de débit, il est prévu en plus de l'électrode de protection une seconde électrode qui peut20 être reliée électriquement par l'intermédiaire d'un commutateur soit à l'électrode de protection soit à la seconde armature du condensateur. Grâce à cela, la distribution du champ peut être adaptée chaque fois au degré de remplissage du condensateur, par commutation de la25 seconde électrode de protection, et la densité des lignes du champ électrique régnant entre les électrodes du champ peut être rendue sensiblement homogène par pas successifs. En outre, dans DE-43 18 447 est décrit un dispositif de mesure capacitive tel que défini au début et comportant deux électrodes de champ parallèles, avec deux armatures d'électrode de protection qui entourent à intervalles et à une certaine distance la première électrode de champ, la première étant alimentée au potentiel de la première électrode de champ, par l'intermédiaire d'un adaptateur d'impédance, et la seconde recevant par l'intermédiaire d'un autre adaptateur d'impédance un potentiel intermédiaire qui est situé entre celui de la première et celui de la seconde électrode de champ. Le potentiel intermédiaire est en l'occurrence contrôlé par un circuit de compensation, de telle sorte que des courants de fuite dû à une couche d'humidité, apparaissant éventuellement entre les électrodes de compensation et la seconde électrode de champ, sont évacués, et qu'un courant de fuite ne perturbe pas le courant de mesure sur la première électrode de champ, de sorte que l'on peut utiliser des
électrodes non isolées et qui résistent à l'abrasion.
L'homogénéité imposée du champ de mesure capacitive n'est cependant offerte que dans une région partielle, de sorte qu'il faut entreprendre une homogénéisation et une mise en
couches du produit à mesurer.
L'objet de l'invention est d'améliorer le dispositif défini au début, de manière à toujours former de manière aussi complète que possible une distribution homogène du champ entre les électrodes de champ, indépendamment de la distribution de la matière dans l'espace de mesure et des composantes actives et réactives de la matière, et
indépendamment d'écoulements non systématiques de courant le long des parois.
La solution réside en ce que, dans la région de l'espace de mesure, la paroi latérale est recouverte pratiquement complètement par d'autres électrodes25 auxiliaires, qui sont distribuées en forme de bandes parallèles à l'électrode de mesure ou distribuées en forme
de grille bidimensionnelle, et chacune des électrodes auxiliaires est raccordée par son circuit de régulation du potentiel de telle sorte que le passage d'un courant soit30 minimisé dans les électrodes auxiliaires.
Dans des configurations avantageuses, chacune des électrodes auxiliaires est entourée par une étroite électrode de protection propre à elle, qui reçoit sous une résistance relativement faible le potentiel de l'électrode auxiliaire associée, par l'intermédiaire d'un suiveur de potentiel de protection; le suiveur de potentiel de protection est un adaptateur d'impédance à haut facteur d'amplification monté en rétroaction, et dont l'entrée est reliée à l'électrode auxiliaire associée; plusieurs des circuits de régulation du potentiel et éventuellement des suiveurs de potentiel de protection associés sont intégrés dans un circuit monolithique; du circuit monolithique ne sortent que les sorties des circuits de régulation du potentiel et éventuellement celles des suiveurs de potentiel de protection; une électrode de protection en anneau entoure l'électrode de mesure et est disposée dans le même plan que celle-ci; l'électrode de protection en anneau et les électrodes auxiliaires et éventuellement les électrodes de protection sont éventuellement intégrées dans une matière synthétique ou une colle fortement isolante et résistant à l'abrasion en isolant ainsi l'espace de mesure en formant des bandes isolantes jointives, et des raccordements partant des électrodes auxiliaires et éventuellement des électrodes de protection sont passés à travers un blindage relié à la contre-électrode et se poursuivent vers les circuits de régulation du potentiel et éventuellement vers les suiveurs de potentiel de protection; les électrodes auxiliaires et éventuellement les électrodes de protection sont constituées d'une tôle d'acier allié; la matière synthétique ou la colle et les bandes d'isolation sont constitués de polyester renforcé de25 fibres de verre; la tension de condensateur est évaluée en phase par rapport au courant de mesure variable dans le temps dans un dispositif d'évaluation, et la valeur du courant de déplacement et du courant ohmique de perte sont ainsi déterminées, les valeurs ainsi saisies étant30 associées dans un corrélateur à des propriétés connues de la matière et aux quantités de matière; la propriété de la matière définie dans le corrélateur est la teneur en humidité de la matière, en particulier du produit d'une récolte.35 Selon des solutions préférées, l'invention concerne un dispositif de mesure capacitive, comportant un condensateur de mesure avec une électrode de mesure qui est disposée à distance d'une contre- électrode, et dans lequel en vue de la mesure, un matériau diélectrique à mesurer est placé ou transporté en continu entre lesdites électrodes, un courant de mesure variant dans le temps est amené à l'électrode de mesure et la tension de condensateur, qui dépend de la capacité, est mesurée et évaluée, dans lequel sur le côté d'un espace de mesure fourni entre lesdites électrodes, qui est éventuellement un canal d'écoulement pour le matériau à mesurer, au moins une paroi latérale est disposée de manière à délimiter l'espace de mesure, et l'électrode de mesure est entourée par plusieurs électrodes de protection en anneau et/ou par plusieurs electrodes auxiliaires écartées d'elle à intervalles et recouvrant au moins partiellement la paroi latérale, ces électrodes suivant chacune en continu le potentiel de l'électrode de mesure par l'intermédiaire d'un circuit de régulation du potentiel, de manière à compenser ainsi largement les courants de fuite vers ces electrodes, caractérisé en ce que dans la région de l'espace de mesure, la paroi latérale est recouverte pratiquement complètement par d'autres électrodes auxiliaires qui sont distribuées en forme de bandes parallèles à l'électrode de mesure ou distribuées en forme de grille bidimensionnelle, et chacune des électrodes auxiliaires est raccordée à son circuit de régulation du potentiel, de façon à minimiser le passage d'un courant dans les électrodes auxiliaires; chacun des circuits de régulation du potentiel est constitué d'un amplificateur de régulation du potentiel dont la sortie est raccordée à l'électrode auxiliaire par l'intermédiaire d'une résistance30 de rétroaction de forte valeur ohmique, et dont les deux entrées sont raccordées respectivement à l'une et à l'autre
borne de la résistance de rétroaction; l'amplificateur de régulation du potentiel présente au moins un facteur d'amplification d'un million et en ce que la résistance de35 rétroaction vaut au moins 1 M Ohm.
La figure 1 représente une coupe transversale dans un dispositif de mesure d'un premier type, l1 La figure 2 représente une coupe transversale dans un dispositif de mesure d'un second type, et La figure 3 représente une coupe transversale dans un
dispositif de mesure d'un troisième type.
En figure 1 est représentée une section transversale dans un canal d'écoulement massique. Dans la direction de mesure, les parois latérales (18) du canal d'écoulement sont recouvertes sur toute leur étendue par des électrodes auxiliaires (61 - 6N) en forme de bande, qui sont constituées d'un conducteur métallique résistant à l'abrasion, par exemple une t6le d'acier inoxydable, et sont de préférence collées par une colle (2) électriquement isolante sur les parois latérales (18). Ces électrodes (61 - 6N) en forme de bande sont isolées électriquement l'une de l'autre par de minces bandes isolantes, de préférence constituées du matériau de la colle (2), et elles se développent parallèlement à l'axe du canal d'écoulement et s'étendent sur une longueur qui est de préférence légèrement plus grande que la dimension de l'électrode de mesure (3) avec l'électrode de protection en anneau (13), dans la direction de l'axe central du canal
d'écoulement (1).
Chacune de ces électrodes auxiliaires (61 - 6N) est raccordée à un circuit électronique de régulation du potentiel (17) dont la tâche est d'ajuster le potentiel de l'électrode auxiliaire associée de telle sorte que, globalement, celle-ci ne prélève pas de courant du volume de mesure, ni n'y délivre du courant. Si l'on prend une valeur très petite pour la largeur de ces électrodes30 auxiliaires (61 - 6N), c'est- à-dire si pour des dimensions prédéterminées du canal d'écoulement on augmente le nombre (N) des électrodes auxiliaires, cette disposition permet d'obtenir qu'indépendamment de la forme et de la configuration du champ électrique dans le volume de mesure,35 qui découle de la distribution irrégulière à travers la section transversale de mesure, de particules (7) de matière ou d'agrégats (41-45) de celle-ci, il ne s'échange par les parois latérales (18) et les électrodes auxiliaires (61 - 6N) aucun courant transversal perpendiculaire à la direction d'écoulement du courant de matière et perpendiculaire à la liaison directe entre l'électrode de mesure et la contre-électrode (3, 8). La conséquence directe est ainsi que, malgré toutes les distorsions imaginables du champ, en résultante seules des fractions de courant peuvent circuler entre l'électrode de mesure et la contre-électrode (3, 8), de sorte que même dans le cas d'une distribution très irrégulière des particules ou des agrégats du matériau qui s'écoule, on obtient un champ
électrique quasi homogene.
Selon l'invention, on peut obtenir une autre amélioration de ce contrôle du potentiel des parois latérales en divisant encore chacune des électrodes auxiliaires (61 - 6N), indiquées tout d'abord comme étant en bande continue, en M électrodes individuelles dans la direction d'écoulement. Selon l'invention, chacune de ces M électrodes auxiliaires individuelles est alors équipée d'un circuit électronique de régulation du potentiel (17) de même type. Grâce à cette disposition on obtient que, même dans le cas de distributions du champ qui sont variables dans la direction de l'écoulement de la matière, suite à une distribution inhomogène de la matière dans le volume de mesure, l'homogénéisation du champ recherchée est également optimisée dans la région de chaque bord, dans la
direction reliant l'électrode de mesure et la contre-
électrode. Globalement, on en arrive ici sur le plan électronique à un agencement en forme de matrice de circuits individuels de régulation du potentiel de structure absolument identique, et d'un nombre total
n = N. M, qui peut être réalisé sans problème en recourant aux procédés et possibilités de fabrication de la micro-électronique aujourd'hui possibles, sous un très35 faible encombrement et avec un prix de réalisation réduit, sous la forme d'un circuit intégré.
Le montage des circuits de régulation du potentiel (17) selon l'invention s'effectue avantageusement suivant le schéma indiqué en figure 1. Les amplificateurs opérationnels (15) présentent une amplification très élevée de la tension à vide, qui est avantageusement supérieure à un million. La résistance de rétroaction (R) est chaque fois une résistance ohmique, pas nécessairement indépendante du réglage, qui réalise la rétroaction du circuit de régulation. Les électrodes auxiliaires (61 - 6N) sont agencées sous la forme d'électrodes de paroi; leur potentiel est contrôlé par les circuits (17) de régulation du potentiel de telle sorte que les courants (Ia) pénétrant ou sortant de ces électrodes soient aussi faibles que possible. A titre d'exemple pour toutes les électrodes auxiliaires, on a donné du côté droit de l'électrode auxiliaire (6N) une représentation du matériau à mesurer (7, 41 - 45), sous la forme d'un diélectrique présentant des pertes, dans lequel les résistances de perte (R1, R2) sont définies individuellement à l'emplacement de l'électrode auxiliaire (6N), par l'influence des pertes ohmiques instantanées du produit à mesurer. Les capacités partielles (Cl, C2) sont définies de même par ce matériau à mesurer dans ces conditions. Ces quatre impédances reçoivent toutes la tension de condensateur (UC). Pour que le potentiel (R1, C1; R2, C2) de l'électrode auxiliaire (6N) soit chaque fois déterminé sans équivoque par le diviseur de tension affecté de pertes et constitué de ces quatre impédances, il faut uniquement que le courant (Ia) s'écoulant dans l'électrode auxiliaire (6N) soit maintenu infiniment petit. Même dans le cas d'un potentiel30 d'électrodes de paroi relativement élevé, pour des amplifications à vide très élevées et une grande résistance de rétroaction (R) (par exemple au moins 1 M Ohm), le courant (Ia) peut chaque fois être maintenu assez petit dans l'électrode auxiliaire pour qu'il n'ait plus aucune35 influence sur la distribution du potentiel imposée par l'écoulement massique (matériau à mesurer) dans le volume de mesure. Même lorsqu'il apparaît des comportements non stationnaires, c'est-à-dire lorsque la tension de condensateur (UC) est une tension alternative de forme sinusoïdale ou en dents de scie, le circuit de régulation du potentiel fonctionne sans problème, mais le courant de paroi (Ia) n'est simplement plus en phase avec la tension
de condensateur (UC).
Un autre avantage du circuit réside en ce que, même pour une augmentation du potentiel de par exemple 10 volts, pour un facteur d'amplification d'un million et une résistance de rétroaction de 1 M Ohm, la puissance que doit délivrer l'amplificateur opérationnel (15) prend seulement une valeur de 0,1 microwatt. Cela signifie que, même dans le cas de l'utilisation préférée de matrices d'électrodes auxiliaires, les besoins en puissance restent dans la plage de quelques milliwatts malgré un nombre assez grand d'électrodes auxiliaires, et qu'il est ainsi possible d'atteindre une densité élevée d'intégration pour un
circuit réalisé par micro-électronique.
La figure 2 montre comment les dispositions selon l'invention agissent sur la distribution du champ dans une section transversale à travers un canal d'écoulement dans lequel plusieurs agrégats en forme de grumeaux (41 - 45) de matière à transporter traversent le volume de mesure dans une disposition locale aléatoire. Les électrodes de paroi (61 - 6N) avec leurraccordements (9) sont alors amenées automatiquement par les circuits électroniques (17) de regulation du potentiel non représentés ici en détail mais décrits précédemment, à un potentiel tel qu'aucun courant latéral (Ia), capacitif ou ohmique, n'est dissipé par30 l'intermédiaire de ces électrodes auxiliaires. Comme, grâce à ces dispositions, aucun courant de déplacement ne peut être évacué latéralement, même dans le voisinage immédiat de l'électrode de mesure (3) (le potentiel des électrodes auxiliaires (61 - 6N) suit en pratique le potentiel de35 l'électrode de mesure (3)), grace à leur électronique de contrôle associée, ces électrodes auxiliaires assurent en pratique la fonction de l'électrode de protection en anneau (13) antérieure, qui est encore représentée séparément en figure 1. Cela présente l'avantage que l'électrode de mesure (3) recouvre maintenant la totalité de la largeur de la section transversale du canal de transport, et que c'est ainsi la totalité de la section transversale de mesure qui est concernée par la mesure de l'écoulement de matière,
jusque dans ses derniers recoins.
En figure 2, lors de la construction qualitative du tracé des lignes de champ dans la section transversale de mesure, on a fait l'hypothèse que les particules agglomérées de matière (41 - 45) présentent toutes une constante diélectrique relative qui est plus grande que 1, de sorte qu'à l'intérieur de ces particules règne une densité de lignes de champ beaucoup plus petite que dans l'espace d'air environnant. On reconnaît qu'il se produit de très considérables distorsions du champ par rapport à une distribution strictement homogène du champ lorsque ces perturbations sont apportées dans le volume de mesure par de la matière agglomeree. Cependant comme, grâce au contrôle décrit du potentiel de paroi, aucun courant de déplacement ne pénètre ou ne sort par les deux parois latérales (18) recouvertes des électrodes auxiliaires (61 - 6N), et donc n'est perdu ou ne vient s'ajouter, l'ensemble du courant de déplacement sortant de l'électrode
de mesure (3) atteint avec toute son intensité la contre-
électrode (8) opposée qui, pour des raisons de simplification est constituée directement du matériau de la paroi du caisson mis à la masse du canal de transport. A partir de cette représentation qualitative, il apparaît30 également directement que de cette manière, à chaque élément de volume de l'ensemble du volume de mesure est assuree une valorisation approximativement équilibrée de sa rétroaction sur le courant de déplacement (IC) global traversant le volume de mesure. On obtient également des35 relations tout à fait analogues lorsque l'on représente les agglomérats de matière non plus comme de diélectriques idéaux, mais avec une certaine conductivité ohmique interne, ce qui entraîne qu'à l'intérieur de ces agglomérats de matière (41 - 45), des courants de perte ohmique circulent en plus des courants de déplacement représentés en figure 2. Ces courants de perte ohmique assurent que les lignes résultantes du champ présentent en ces endroits des déphasages plus ou moins importants par rapport aux courants de déplacement purement capacitifs dans l'espace d'air. On peut également tenir compte de ces relations par l'application d'une constante diélectrique complexe à la matière. En tous cas, les courants de perte mentionnés dans les agglomérats de matière (41 - 45) assurent que la tension de mesure (UC) apparaissant sur l'électrode de mesure (3) présente par rapport au courant de mesure (IC), c'est-à-dire le courant alternatif d'alimentation, un déphasage qui dépend fonctionnellement
de ces pertes.
Par l'intermédiaire d'un traitement sélectif en phase, basé sur la phase du courant de mesure (IC), du signal de la tension de mesure (UM) qui apparaît à la sortie de l'adaptateur d'impédance de mesure (16) et qui correspond largement à la tension de condensateur (UC), il est donc possible de décomposer la partie réactive et la partie active de cette tension de mesure (UM) en ses composantes, et d'ainsi faire des déductions sur la composition de la25 matière, par exemple constituée d'une masse sèche présentant une conduction purement diélectrique, et d'une partie humide présentant une conduction principalement ohmique. L'amplificateur opérationnel (16) assure la conversion d'impédance et, ainsi que représenté en figure 1, il est monté en suiveur de tension. Par conséquent, jusqu'à la tension d'entrée très petite et tout à fait négligeable de l'amplificateur (16), la tension du signal (UM) est toujours exactement égale à la tension de condensateur (UC)35 aux bornes de l'électrode de mesure (3). Pour rendre l'influence du câble de raccordement entre l'électrode de mesure (3) et l'entrée positive de l'amplificateur (16) insensible vis-à-vis d'effets capacitifs exercés par des objets conducteurs disposés dans l'environnement (insensibilité à la main), cette liaison est de manière connue entourée par un blindage (20) qui est relié à l'entrée négative de l'amplificateur (16) et assure qu'entre le blindage (20) et le conducteur de mesure (10) n'apparaît jamais à l'entrée de l'amplificateur (16) que la chute de tension négligeable déjà décrite. En cas de besoin, il peut également être avantageux de raccorder directement les électrodes auxiliaires (6N) voisines de l'électrode de mesure (3) à l'entrée négative de l'amplificateur de mesure (16), au lieu de les raccorder à une électronique propre de contrôle de potentiel (17); ces électrodes auxiliaires (6N) assurent alors de la même manière la fonction de l'électrode de protection en anneau (13) encore disposée en figure 1 dans le plan de l'électrode de mesure (3), sans ainsi réduire encore davantage le volume de mesure détecté par l'électrode de
mesure (3).
La fiabilité du contrôle du potentiel de paroi par des électrodes auxiliaires (61 - 6N) finement divisées n'est cependant obtenue sans problème que lorsqu'entre deux électrodes auxiliaires voisines il existe chaque fois une isolation électrique sans problème. Si ce n'est pas le cas, entre les deux électrodes voisines circulera un courant d'équilibrage qui est proportionnel à la différence de potentiel entre les deux électrodes auxiliaires mais est inversement proportionnel à la résistance de l'isolation qui les sépare. Lorsque de tels courants de défaut30 d'isolation apparaissent, le circuit (17) de régulation du potentiel représenté est mis hors d'état de remplir correctement sa fonction. En fonctionnement pratique, de tels défauts d'isolation ne peuvent cependant pas être évités avec certitude en de nombreux endroits et lieux d'utilisation. Il est ainsi possible que de l'humidité se dépose sous la forme d'un film sur l'ensemble des parois du canal de transport, et donc sur les parois latérales (18) présentant des électrodes auxiliaires (61 6N). De tels dépôts d'humidité présentent en règle générale une valeur du pH éloignée de la neutralité, et ils sont donc électrolytiquement conducteurs dans une mesure plus ou moins importante. Dans ces circonstances, des défauts d'isolation encore beaucoup plus importants pourraient apparaître lorsque de petites quantités du produit à transporter se séparent et se déposent sur les parois pour y adhérer. L'effet de ce type de couche recouvrant les électrodes auxiliaires pourrait être comparé directement à des dépôts humides, parce qu'en général on peut partir de l'hypothèse que les matériaux transportés présentent
également une conductivité électrique.
Pour éliminer de telles perturbations et sensibilités aux pannes, selon l'invention, voir figure 3, chaque électrode auxiliaire (61, 62) est entourée en forme d'anneau par une électrode de protection (11A, 11B) isolée vis-a-vis d'elle. Chacune de ces électrodes de protection (11A, 11B) est ajustée en permanence et pratiquement sans retard, par l'amplificateur opérationnel monté en suiveur de potentiel de protection (12A, 12B), au potentiel auquel l'électrode auxiliaire (61, 62) entourée est contrôlée par son circuit associé (17) de régulation du potentiel. A25 cause de l'extrême petitesse de la différence de potentiel entre l'électrode auxiliaire entourée et l'électrode de protection qui l'entoure, et qui se situe dans l'ordre de grandeur de 1-2 iV, même en cas d'un pontage de relativement faible résistance de l'interstice d'isolation30 situé entre l'électrode de protection (11A) et l'électrode auxiliaire (61), aucun courant d'équilibrage ne peut circuler dans une couche conductrice, de sorte que la couche ne provoque plus de perturbations. Ainsi qu'on peut cependant le voir en figure 3, dans l'agencement d'électrodes auxiliaires et d'électrodes de protection selon l'invention, deux électrodes de protection (11A) et (11B) maintenues à un potentiel différent sont chaque fois situées l'une à côté de l'autre, en étant séparées l'une de l'autre uniquement par une étroite bande isolante de séparation (5). Si en cet endroit un pont électriquement conducteur est créé par un dépôt d'humidité ou de matière, il circule un courant d'équilibrage qui correspond à la différence de potentiel entre les électrodes de protection (11A) et (11B) voisines et la valeur de la conductivité ohmique perturbante de la partie de la couche qui provoque le pontage. Ce courant d'équilibrage doit être appliqué en partie par les suiveurs associés de potentiels de protection (12A, 12B); il n'a en pratique aucune influence sur la distribution du champ ou sur l'aspect géométrique des lignes du champ des courants
de déplacement dans le volume de mesure.
A l'aide de ces dispositions selon l'invention, il est donc possible, même dans toutes ces conditions adverses décrites, d'obtenir dans le volume de mesure l'homogénéisation du champ que l'on recherche, même lorsqu'à cause de conditions de travail très défavorables des dépôts d'humidité ou de matière se forment sur les surfaces (18) des parois latérales dont le potentiel est contrôlé. Ainsi, selon l'invention, le contrôle de l'aspect du champ de déplacement électrostatique et du champ de déplacement électrique fournit un condensateur à plaques qui apparaît être largement plan, constitué d'une électrode de mesure (3) isolée et d'une contre-électrode (8) sensiblement de même taille, diamétralement opposée à la premiere, qui peut être mise à la masse et consister en une30 partie d'un caisson métallique global entourant le volume de mesure, de telle sorte que tous les courants de déplacement quittant l'électrode de mesure (3) et les courants de conduction aboutissent complètement et exclusivement dans la contre-électrode (8), indépendamment35 de distorsions du champ créées par de la matière (7, 14) résidant dans le volume de mesure, et ne circulent pas en partie dans les parois latérales (18) du caisson périphérique ou ne circulent plus de là dans des composants, grâce au fait que les parois latérales (18) sont garnies d'un grand nombre N d'électrodes auxiliaires (61 - 6N; 61A - 6NA) distribuées transversalement par rapport à la direction du champ, qui sont isolées l'une par rapport à l'autre et vis-à-vis de la paroi latérale (18) et qui sont branchées chacune sur un circuit de régulation du potentiel de telle sorte que le passage d'un courant soit
minimisé dans les électrodes auxiliaires.
Dans un mode de réalisation préféré, chacune des électrodes auxiliaires (61 - 6N) est configurée en forme de bande qui s'étend dans la direction de l'axe du caisson entourant le volume de mesure, sur une longueur qui est au moins égale ou qui est légèrement supérieure à la longueur que présente dans cette direction l'électrode de mesure (3), éventuellement avec une électrode (13) de protection
en anneau qui l'entoure.
Dans un autre mode de réalisation, les électrodes auxiliaires en forme de bande sont chacune encore divisée en tout en M électrodes auxiliaires partielles qui sont isolées électriquement l'une de l'autre. De cette manière, sur chaque surface de paroi (18), on obtient un agencement en forme de matrice comptant en tout N.M électrodes auxiliaires partielles. Chacune de ces électrodes auxiliaires partielles présente un raccordement d'électrodes propre. Sur chaque raccordement d'électrodes est branché un circuit électronique de régulation (17) qui régule avec précision le potentiel de l'électrode auxiliaire associée au potentiel que le champ prendrait30 dans le volume de mesure dans le cas d'une alimentation constante en matière, et si les parois latérales (18) étaient constituées d'un matériau idéalement non conducteur mais qui également ne se charge pas statiquement. Cette situation idéale est caractérisée en ce qu'aucune35 composante de courant d'équilibrage ne peut circuler entre le volume de mesure et les parois latérales (18). Selon l'invention, c'est précisément cet état qui est créé par les circuits électroniques de régulation du potentiel chaque fois raccordés aux électrodes auxiliaires, et qui sont conçus pour qu'entre chaque électrode auxiliaire raccordée et le volume de mesure ne se produise aucun transport de courant. Dans un autre mode de réalisation avantageux, on empêche l'influence perturbatrice apparaissant dans des conditions d'utilisation défavorables par le dépôt de couches de matière ou d'humidité, diélectriquement ou ohmiquement conductrices, sur les parois latérales présentant les électrodes auxiliaires, par le fait que
chaque électrode auxiliaire individuelle est entourée par sa propre électrode de protection (11lA, 11B), et que leur potentiel suit sans retard le potentiel de l'électrode15 auxiliaire associée, à l'aide d'un amplificateur opérationnel branché comme suiveur de potentiel (12A, 12B).
Ces suiveurs de potentiel (12A, 12B) fournissent les courants d'équilibrage ohmiques ou diélectriques qui circulent entre deux électrodes de protection (11A, 11B)20 voisines a cause de la différence de potentiel.
Selon l'invention, les circuits (17) de régulation du potentiel, avec les suiveurs de potentiel (12A, 12B) des électrodes de protection (11A, 11B), pour toutes les électrodes auxiliaires (61 - 6N) sont créés sur un support par un procédé de fabrication micro-électronique commun et configurés sous la forme d'une plaquette de micro- électronique. La fabrication mécanique, pour le reste coûteuse, des électrodes auxiliaires (61 - 6N), et éventuellement aussi des électrodes de protection (11A, 11B) associées est avantageusement réalisée par un procédé d'attaque photolithographique, dans lequel on utilise comme matériau de départ un matériau isolant fortement résistant à l'abrasion, qui sert de matériau porteur, par exemple du35 polyester renforcé de fibres de verre, qui est recouvert par une feuille métallique d'épaisseur suffisante, également en un métal très résistant à l'abrasion, par exemple de l'acier allié. Après l'attaque chimique des électrodes auxiliaires et des électrodes de protection, pour obtenir une surface lisse optimale tournée vers le volume de mesure, l'ensemble de l'agencement d'électrode est pressé à chaud dans le matériau porteur lorsque le matériau porteur n'a pas encore complètement durci, jusqu'a ce que les interstices entre les électrodes soient completement remplis par le matériau porteur isolant et que se forment des bandes isolantes (5) jointives.10 Avantageusement, la valeur de la partie capacitive et celle de la partie ohmique du courant de mesure traversant le volume de mesure sont calculées séparément en utilisant un circuit (A) d'évaluation du signal selon la figure 1, qui transforme la tension de mesure (UC) sélectivement sur15 le plan de la phase, en fonction de la phase (P) du courant de mesure (IC), en le courant capacitif de déplacement (IV) et le courant ohmique de perte (IO) traversant le volume de mesure suivant des champs de lignes caractéristiques bidimensionnelles. La teneur en matière sèche (Q) et la20 teneur en eau (F) du fluide dans le volume de mesure sont calculées à partir de là par une corrélation (K), ou des
rapports d'autres composants du mélange d'un mélange à deux composants et la teneur totale en matière sont ainsi déterminés à partir des différentes proprietés électriques25 des composants.
L'avantage décisif par rapport aux dispositifs connus est la totale indépendance du résultat de la mesure vis-à-
vis de la disposition de la matière dans l'espace de mesure. L'évaluation de deux phases nouvellement possible30 par l'élimination des influences de l'humidité sur la zone des parois rend en outre inutile l'utilisation d'un
condensateur de mesure de comparaison pour une détermination séparée de la teneur en humidité, qui était toujours présent dans les dispositifs habituels.
Claims (13)
1. Dispositif de mesure capacitive, comportant un condensateur de mesure avec une électrode de mesure (3) qui est disposée à distance d'une contre-électrode (8), et dans lequel en vue de la mesure, un matériau diélectrique à mesurer est placé ou transporté en continu entre lesdites électrodes (3, 8), un courant de mesure (IC) variant dans le temps est amené a l'électrode de mesure (3) et la tension de condensateur (UC), qui dépend de la capacité, est mesurée et évaluée, dans lequel sur le côté d'un espace de mesure fourni entre lesdites électrodes (3, 8), qui est eventuellement un canal d'écoulement (1) pour le matériau à mesurer, au moins une paroi latérale (18) est disposée de manière à délimiter l'espace de mesure, et l'électrode de mesure (3) est entourée par plusieurs électrodes de protection en anneau et/ou par plusieurs électrodes auxiliaires (13, 6N, 6NA) écartées d'elle à intervalles et recouvrant au moins partiellement la paroi latérale (18), ces électrodes suivant chacune en continu le potentiel de20 l'électrode de mesure (3) par l'intermédiaire d'un circuit (17) de régulation du potentiel, de manière à compenser ainsi largement les courants de fuite vers ces électrodes (13, 6N, 6NA), caractérisé en ce que dans la région de l'espace de mesure, la paroi latérale (18) est recouverte pratiquement complètement par d'autres électrodes auxiliaires (61 - 6N; 61A - 6NA) qui sont distribuées en forme de bandes parallèles à l'électrode de mesure (3) ou distribuées en forme de grille bidimensionnelle, et chacune des électrodes auxiliaires est raccordée à son circuit (17)30 de régulation du potentiel, de façon à minimiser le passage d'un courant dans les électrodes auxiliaires (61 6N;
61A - 6NA).
2. Dispositif de mesure capacitive selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des circuits (17) de régulation du potentiel est constitué d'un amplificateur (15) de régulation du potentiel dont la sortie est raccordée à l'électrode auxiliaire (6N) par l'intermédiaire d'une résistance de rétroaction (R) de forte valeur ohmique, et dont les deux entrées sont raccordées respectivement à l'une et à l'autre borne de la
résistance de rétroaction (R).
3. Circuit de mesure capacitive selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'amplificateur (15) de régulation du potentiel présente au moins un facteur d'amplification d'un million et en ce que la résistance de rétroaction (R)
vaut au moins 1 M Ohm.
4. Circuit de mesure capacitive selon l'une des
revendications précédentes, caractérisé en ce que chacune
des électrodes auxiliaires (61 - 61N; 61A - 6NA) est entourée par une étroite électrode de protection (11A, 11B) propre à elle, qui reçoit sous une résistance relativement faible le potentiel de l'électrode auxiliaire associée (61 - 6N; 61A - 6NA), par l'intermédiaire d'un suiveur de
potentiel de protection (12A, 12B).
5. Dispositif de mesure capacitive selon la revendication 4, caractérisé en ce que le suiveur de potentiel de protection (12A, 12B) est un adaptateur d'impédance à haut facteur d'amplification monté en rétroaction, et dont l'entrée est reliée à l'électrode auxiliaire (61 6N; 61A - 6NA) associée.
6. Dispositif de mesure capacitive selon l'une des
revendications précédentes, caractérisé en ce que plusieurs des circuits (17) de régulation du potentiel et
eventuellement des suiveurs de potentiel de protection (12A, 12B) associés sont intégrés dans un circuit monolithique.
7. Dispositif de mesure capacitive selon la revendication 6, caractérisé en ce que du circuit
monolithique ne sortent que les sorties des circuits (17) de régulation du potentiel et éventuellement celles des suiveurs de potentiel de protection (12A, 12B).35
8. Dispositif de mesure capacitive selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une
électrode (13) de protection en anneau entoure l'électrode
de mesure (3) et est disposée dans le même plan que celle-
ci.
9. Dispositif de mesure capacitive selon l'une des
revendications précédentes, caractérisé en ce
qu'éventuellement l'électrode (13) de protection en anneau et les électrodes auxiliaires (61 - 6N; 61A - 6NA) et éventuellement les électrodes de protection (12A, 12B) sont intégrées dans une matière synthétique ou une colle (2) fortement isolante et résistant à l'abrasion en isolant ainsi l'espace de mesure en formant des bandes isolantes (5) jointives, et des raccordements (9) partant des électrodes auxiliaires (61 - 6NA) et éventuellement des électrodes de protection (12A, 12B) sont passés à travers un blindage relié à la contre-électrode (8) et se poursuivent vers les circuits (17) de régulation du potentiel et éventuellement vers les suiveurs de potentiel
de protection (12A, 12B).
10. Dispositif de mesure capacitive selon la revendication 9, caractérisé en ce que les électrodes auxiliaires (61 - 6N; 61A - 6NA) et éventuellement les électrodes de protection (12A, 12B) sont constituées d'une
tôle d'acier allié.
11. Dispositif de mesure capacitive selon la revendication 9, caractérisé en ce que la matière
synthétique ou la colle (2) et les bandes d'isolation (5) sont constitués de polyester renforcé de fibres de verre.
12. Dispositif de mesure capacitive selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la
tension de condensateur (UC) est évaluée en phase par30 rapport au courant de mesure (IC) variable dans le temps dans un dispositif d'évaluation (A), et la valeur du courant de déplacement (IV) et du courant ohmique de perte (IO) sont ainsi déterminées, les valeurs (IV, IO) ainsi saisies étant associées dans un corrélateur (K) à des
propriétés connues (F) de la matière et aux quantités (Q) de matière.
13. Dispositif de mesure capacitive selon la revendication 12, caractérisé en ce que la propriété (F) de la matière définie dans le corrélateur (K) est la teneur en humidité de la matière, en particulier du produit d'une récolte.
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