Dispositifs de mesure de constantes diélectriques dans les matériaux humides : vers une meilleure traçabilité de la mesure de l'humidité des solides

Measurement devices of dielectric constants in wet materials : towards a better traceability of the measurement of the moisture in solids

• Auteur / Autrice : Mohamed Wajdi Ben Ayoub
• Direction : Pierre Sabouroux, Eric Georgin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Instrumentation
• Date : Soutenance le 17/07/2018
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Fresnel (Marseille, France) - Centre technique des industries aérauliques et thermiques (Orsay, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Marc Himbert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Essam Heggy, Hugues Giovannini, Jean-François Rochas, Luc Erard, Catherine Poirier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Damienne Bajon, Jocelyn Paré

Mots clés

Mots clés contrôlés

Teneur en eau

Solides

Capteurs piézoélectriques

Diélectriques

Poids et mesures

Mots clés libres

Permittivité diélectrique complexe

Teneur en eau

Liaisons d’eau

Fréquence de relaxation

Cellule capacitive

Ligne de propagation coaxiale

Matériaux solides.

Complex dielectric permittivity

Water content

Water bonds

Relaxation frequency

Capacitive cell

Coaxial propagation line

Solid materials.

Résumé

Au niveau industriel, les capteurs électriques de mesure de la teneur en eau dans les solides sont généralement mono fréquentiel. La fréquence de fonctionnement est choisie arbitrairement. Par contre, la sensibilité de la teneur en eau dépend du type de matériau et des liaisons d’eau existantes. D’une part, la fréquence de relaxation diélectrique de l’eau à l’état liquide est située dans la bande des Micro-ondes. D’autre part, la fréquence de relaxation diélectrique de l’eau liée dépend du matériau mais elle est dans la bande des Radiofréquences. En se basant sur cette hypothèse, le but de cette thèse consiste à analyser la sensibilité fréquentielle vis-à-vis les liaisons d’eau dans les solides en utilisant comme un paramètre intermédiaire la permittivité diélectrique complexe. La première partie du travail a eu pour objectif de valider deux cellules de mesure de type capacitive et coaxiale développées au CETIAT pour mesurer les caractéristiques diélectriques. Les deux cellules de mesure ont été validées pour mesurer la permittivité diélectrique complexe des liquides, solides et des produits humides dans la bande [1 MHz – 2 GHz] et une comparaison avec l’outil EpsiMu® développé par l’Institut Fresnel a été réalisée.En deuxième phase, nous étudions expérimentalement des matériaux humides en couplant la caractérisation électromagnétique avec la méthode thermo-coulométrique qui permet de mesurer et de distinguer sélectivement les liaisons d’eau existante dans un solide.À l’issue de cette phase, une étude paramétrique sur les spectres diélectriques complexes a été réalisée pour identifier des sensibilités par rapport aux fractions d’eau existantes.

This thesis is part of a European research project called METfnet (Metrology for Moisture in Solids).In industry, the electrical sensors for measuring the water content in the solids are generally mono-frequency and the operating frequency is chosen arbitrarily.The sensitivity to the water content depends on the type of material and the existing water bounds. On the one hand, the dielectric relaxation frequency of water in the liquid state is located in the microwave band. On the other hand, the dielectric relaxation frequency of the bound water depends on the material, but it is known that it’s situated in the radio frequency band.Based on this hypothesis, the aim of this thesis is to analyze the frequency sensitivity with respect to water bonds in solids by using as an intermediate parameter the complex dielectric permittivity.In the first phase of the work, we validate metrologically two instruments: capacitive and coaxial, both of them are developed at CETIAT for measuring the dielectric constant. The two measuring cells were validated to measure the complex dielectric permittivity of liquids, solids and wet products in the [1 MHz - 2 GHz] band and a comparison with the EpsiMu® tool developed by the Fresnel Institute was carried out. In the second phase, we experimentally study wet materials by coupling electromagnetic characterization with the thermo-coulometric method, which selectively measures and distinguishes existing water bounding forms in a solid.At the end of this phase, a parametric study on the complex dielectric spectrum was carried out to lead to the identification of sensitivities with respect to the existing water fractions.