FR3131628A1

FR3131628A1 - Dispositif de caractérisation d’un milieu par spectroscopie capacitive

Info

Publication number: FR3131628A1
Application number: FR2114736A
Authority: FR
Inventors: Pierre Thibault
Original assignee: Universite Grenoble Alpes
Current assignee: Universite Grenoble Alpes
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2023-07-07
Anticipated expiration: 2041-12-31
Also published as: WO2023126303A1; FR3131628B1

Abstract

Dispositif de caractérisation d’un milieu par spectroscopie capacitive L’invention concerne en premier lieu un dispositif de caractérisation d’un milieu MUT par spectroscopie capacitive et s’applique, selon ses différents aspects, à des milieux au moins partiellement conducteurs. Par exemple, la conductivité du milieu à caractériser peut être déduite de la mesure de la capacité électrique équivalente CX et/ou de la conductance équivalente GX, par l’intermédiaire d’une modélisation du comportement électrique du milieu à caractériser reliant lesdites mesures à la fois à la permittivité diélectrique complexe du milieu à caractériser et aux surfaces d’électrodes mises en jeu. Figure pour l’abrégé : Fig. 16

Description

Dispositif de caractérisation d’un milieu par spectroscopie capacitive

L’invention se rapporte au domaine technique des dispositifs et systèmes de caractérisation d’un milieu par spectroscopie capacitive.

L’invention trouve notamment son application pour mesurer la qualité d’un milieu partiellement conducteur électriquement ou le niveau d’un tel milieu (par exemple la hauteur) lorsque mis dans un contenant, par exemple de type réservoir ou de type conduit. Un contenant de type réservoir peut être un réservoir fixe utilisé dans un procédé industriel (bioréacteur, cuve alimentaire) ou un réservoir mobile appartenant à un appareil de transport mobile (e.g. automobile, aéronef, bateau). Un contenant de type conduit peut être une canalisation (e.g. un tuyau) par laquelle s’écoule le milieu étudié et les ions ou éventuelles particules suspendues qu’il transporte.

La mesure de qualité et/ou de niveau d’un milieu partiellement conducteur électriquement est un enjeu important en termes de sécurité et sur le plan économique, par exemple pour suivre la qualité d’une eau destinée à la consommation, ou l’évolution d’un procédé dans un process industriel (bioréacteur pour multiplication de cellules, concentration en levure, …), ou encore pour prévenir des pannes par manque d’alimentation en carburant ou en raison d’un carburant frelaté, ou encore anticiper les besoins en réapprovisionnement d’un réservoir pour la mise en œuvre d’un procédé industriel.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Un système de caractérisation d’un milieu diélectrique par spectroscopie capacitive connu de l’état de la technique, notamment du document X. Hu et al., « Planar capacitive sensors – designs and applications », Sensor Review, vol. 30, n°1, pp. 24-39, 2010 (ci-après D1), comporte (cf. de D1) :

une électrode d’excitation et une électrode de mesure, recouvertes d’un film isolant, et formant un condensateur ;
une électrode de masse, définissant un potentiel électrique de référence, en contact direct avec le milieu étudié.

Un tel système de l’état de la technique n’est pas entièrement satisfaisant dans la mesure où, pour un milieu partiellement électriquement conducteur à une fréquence d’excitation considérée, il existe un chemin pour des courants électriques non seulement entre l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure, mais aussi des courants électriques entre l’électrode d’excitation et l’électrode de référence (le cas échéant à travers le film isolant, en contournant le système latéralement, « the higher the values of permittivity or conductivity, the more the field lines are drawn to the grounded boundary », D1, p. 30). Or, de tels courants électriques entre l’électrode d’excitation et l’électrode de référence sont ignorés dans l’interprétation des valeurs mesurées de la capacité électrique et de la conductance du milieu étudié, ce qui peut conduire à des caractérisations erronées du milieu.

Un autre système de caractérisation d’un milieu diélectrique par spectroscopie capacitive est connu du document de brevet US 8,393,209 B2. Dans ce système, les condensateurs plans interdigités ne fonctionnent que parce que les courants vers la masse augmentent proportionnellement au niveau du liquide lorsque le liquide est non conducteur : on peut ainsi s’en affranchir à l’aide d’un étalonnage basé sur deux situations connues (réservoir plein/vide par exemple), mais aussi en utilisant un condensateur en partie basse toujours immergé. Lorsque le milieu est partiellement conducteur, ceci n’est plus vrai puisque tous les couplages vers la masse contribuent. L’on comprend qu’un tel système est dès lors inopérant, ou à tout le moins insatisfaisant, pour caractériser un milieu partiellement conducteur électriquement par spectroscopie capacitive, comme par exemple, dans le cas limite d’électrodes étroites et hautes, éloignées les unes des autres et disposées le long des parois verticales d’un réservoir renfermant un liquide conducteur.

RESUME

L’invention vise à remédier en tout ou partie aux inconvénients précités.

L’invention vise plus particulièrement à remédier à l’inconvénient selon lequel la caractérisation d’un milieu partiellement conducteur électriquement par spectroscopie capacitive à l’aide des systèmes de l’art antérieur est le plus souvent affectée par les perturbations liées aux courants de fuites inconstants et variables au sein du milieu et au couplage avec l’extérieur (opérateur chargé électrostatiquement, conducteurs à certains potentiels, etc.) ; la mesure est alors non reproductible et/ou susceptible d’être perturbée.

A cet effet, un premier aspect de l’invention concerne un dispositif de caractérisation d’un milieu MUT par spectroscopie capacitive, comprenant :

une électrode d’excitation et une électrode de mesure, présentant chacune une géométrie déterminée et destinées à être agencées entre elles de sorte à former un condensateur,
une électrode de référence présentant une géométrie déterminée et définissant un potentiel électrique de référence V_g,
une électronique de commande configurée pour appliquer un potentiel électrique V_dà l’électrode d’excitation, et
un circuit électronique de mesure possédant une masse virtuelle V₀connectée directement à l’électrode de mesure ;

Le dispositif de caractérisation étant tel que :

Les électrodes d’excitation, de mesure et de référence sont destinées à être agencées entre elles et relativement au milieu MUT destiné à être caractérisé selon un agencement tel que :
- L’électronique de commande soit configurée pour faire varier dans le temps le potentiel électrique V_dà l’électrode d’excitation avec une pulsation ω choisie de sorte que le milieu MUT destiné à être caractérisé soit au moins partiellement électriquement conducteur, ou de façon plus limitative partiellement électriquement conducteur,
- Les électrodes d’excitation et de mesure soient agencées pour autoriser un premier courant électrique, noté i₁-i_g, à circuler entre elles via le milieu MUT, et
- Les électrodes d’excitation et de référence soient agencées pour autoriser un deuxième courant électrique, noté i_g, à circuler entre elles via le milieu MUT ;

De sorte qu’au moins l’un parmi les couplages capacitifs suivants soit créé :

Un couplage capacitif C_dmentre l’électrode d’excitation et le milieu MUT,
Un couplage capacitif C_msentre l’électrode de mesure et le milieu MUT, et
Un couplage capacitif C_mgentre l’électrode de référence et le milieu MUT ;

Le dispositif de caractérisation étant de plus tel que :

Le circuit électronique de mesure est configuré pour mesurer des grandeurs physiques représentatives d’un courant, noté i₃, provenant de l’électrode d’excitation et parvenant à l’électrode de mesure ;

Et tel qu’il comprend en outre :

une unité de calcul configurée pour calculer au moins l’une parmi une valeur de capacité électrique équivalente, notée C_X, et une valeur de conductance équivalente, notée G_X, entre les électrodes d’excitation et de mesure, au moins à partir des grandeurs physiques mesurées par le circuit électronique de mesure ; et
une unité de traitement configurée pour traiter chaque valeur qui, parmi les valeurs de la capacité électrique équivalente C_Xet de la conductance équivalente G_X, a été calculée par l’unité de calcul, pour déterminer au moins l’une parmi une valeur de capacitance C_mdu milieu MUT vers l’électrode de mesure et une valeur de capacitance C_mmdu milieu MUT vers l’électrode de référence et/ou au moins l’une parmi une valeur de conductance G_m du milieu MUT vers l’électrode de mesure et une valeur de conductance G_mmdu milieu MUT vers l’électrode de référence, en résolvant un système à au moins une équation construit sur une modélisation du comportement électrique d’un système de caractérisation comprenant au moins le dispositif de caractérisation, chaque équation reliant entre elles :
- l’une déterminée des valeurs qui, parmi les valeurs de la capacité électrique équivalente C_Xet de la conductance équivalente G_X, a été calculée par l’unité de calcul,
- au moins celle qui parmi la capacitance C_mdu milieu MUT vers l’électrode de mesure et la capacitance C_mmdu milieu MUT vers l’électrode de référence est à déterminer,
- au moins la valeur la plus élevée parmi une valeur du couplage capacitif C_dmcréé entre l’électrode d’excitation et le milieu MUT, une valeur du couplage capacitif C_mscréé entre l’électrode de mesure et le milieu MUT et une valeur du couplage capacitif C_mgcréé entre l’électrode de référence et le milieu MUT,
- une valeur de pulsation ω du potentiel électrique V_dà l’électrode d’excitation, et
- une conductivité du milieu MUT à caractériser.

au moins l’un parmi le dispositif de caractérisation et le système de caractérisation ayant préalablement été étalonné pour lesdites géométries déterminées des électrodes et ledit agencement.

L’invention selon ses différents aspects s’applique ainsi avantageusement à des milieux au moins partiellement conducteurs, ou du moins partiellement conducteurs, ce qui s’exprime, comme explicité plus bas, à travers leur permittivité diélectrique complexe où est la conductivité du milieu MUT étudié et est la pulsation du signal appliqué sur le milieu étudié.

Au moins un couplage capacitif créé entre deux électrodes parmi les électrodes de référence, de mesure et d’excitation étant significatif, au moins l’un parmi le premier courant électrique i₁-i_get le deuxième courant électrique noté i_gdépend des propriétés du milieu et est suffisamment significatif pour influer sur les valeurs de la capacité électrique équivalente C_Xet de la conductance équivalente G_Xmesurées par le circuit électronique de mesure. Cette influence étant modélisée, l’unité de traitement permet d’en tenir compte pour obtenir une caractérisation plus fiable du milieu MUT étudié par rapport à l’état de la technique, lorsque le milieu est au moins partiellement conducteur électriquement à la pulsation ω du potentiel électrique à l’électrode d’excitation.

Il est en outre tenu compte de la géométrie des électrodes par l’unité de traitement via l’étalonnage préalable du dispositif ou du système de caractérisation. Il est d’ailleurs à noter que la modélisation du comportement électrique du système de caractérisation, et le cas échéant son étalonnage, peut être du ressort d’un algorithme d’intelligence artificielle, sur la base par exemple d’une modélisation initiale des plus simples. De la sorte, il est envisageable que le dispositif de caractérisation selon le premier aspect de l’invention soit rendu, de façon relativement aisée, opérant y compris lorsqu’agencé sur un réservoir de forme et/ou de dimensions variables, par exemple de façon flexible.

Ainsi, un tel dispositif selon le premier aspect de l’invention permet de relier de manière prédictible un agencement et des géométries d’électrodes à des mesures de capacité électrique équivalente C_Xet/ou de conductance équivalente G_X, selon un algorithme déterministe, et le cas échéant évolutionnaire.

Par ailleurs, et avantageusement, en prévoyant un couplage capacitif significatif entre l’électrode de référence et le milieu à caractériser, par exemple en revêtant l’électrode de référence d’un matériau diélectrique, de sorte que l’électrode de référence ne soit pas en contact conducteur direct avec le milieu étudié, le dispositif selon le premier aspect de l’invention permet de s’affranchir d’une résistance de transfert de charge entre le milieu étudié et l’électrode de référence ; la modélisation notamment s’en trouve simplifiée. Toutefois, et notamment grâce à l’usage d’une intelligence artificielle, le dispositif de caractérisation selon le premier aspect de l’invention pourrait en alternative être adapté pour prendre en compte l’existence d’une telle résistance de transfert de charge, par exemple du fait de l’absence d’un revêtement diélectrique sur l’électrode de référence.

L’invention selon son premier aspect peut ainsi permettre, lorsque sont déterminées les valeurs de la capacitance C_mdu milieu MUT vers l’électrode de mesure et de capacitance C_mmdu milieu MUT vers l’électrode de référence ou équivalemment les valeurs de conductance G_m du milieu MUT vers l’électrode de mesure et de conductance G_mmdu milieu MUT vers l’électrode de référence, de déterminer la conductivité du milieu MUT étudié qui peut être déduite indirectement de la mesure de la capacité complexe , cette dernière dépendant à la fois de la permittivité diélectrique complexe , mais aussi des surfaces formant les condensateurs. La capacité complexe est en effet celle à laquelle sont confrontés des modèles électriques équivalents, définis notamment par la capacité électrique équivalente C_Xet la conductance équivalente G_X, susceptibles de décrire les phénomènes en jeu, et pouvant s’exprimer en particulier sous la forme d’une équation ou d’un système d’équations à résoudre.

En alternative ou en complément, l’invention selon son premier aspect peut permettre, lorsque sont déterminées au moins la valeur de la capacitance C_mdu milieu MUT vers l’électrode de mesure ou équivalemment la valeur de conductance G_m du milieu MUT vers l’électrode de mesure à partir de l’une au moins des valeurs de la capacité électrique équivalente C_Xet de la conductance équivalente G_X, de déterminer un niveau du milieu MUT étudié, par exemple lorsque le milieu est contenu dans un récipient sur lequel le dispositif selon le premier aspect de l’invention est agencé.

Selon un exemple, ladite au moins une équation dudit système peut en outre être fonction d’une valeur de capacité mutuelle C_dsentre l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure.

Selon un autre exemple, l’unité de traitement peut en outre être configurée pour déterminer des valeurs représentatives de la permittivité diélectrique complexe du milieu MUT, en fonction de chacune parmi la valeur de capacitance C_mdu milieu MUT vers l’électrode de mesure et la valeur de capacitance C_mmdu milieu MUT vers l’électrode de référence ayant été déterminée et/ou en fonction de chacune parmi la valeur de conductance G_m du milieu MUT vers l’électrode de mesure et la valeur de conductance G_mmdu milieu MUT vers l’électrode de référence ayant été déterminée, à partir des valeurs de la capacité électrique équivalente C_Xet de la conductance équivalente G_X.

Le dispositif selon cet exemple permet d’accéder à la permittivité diélectrique complexe dans le cas le plus général, où interviennent tant les courants entre électrodes d’excitation et de mesure qu’entre électrodes d’excitation et de référence. Cette situation permet d’accéder à des dépendances de qui sont plus complexes que celle donnée par la formule : , ce qui est le cas par exemple de milieux avec des cellules biologiques uniformément réparties, ou des suspensions de particules condutcrices, etc.

Selon un autre exemple, l’unité de traitement est en outre configurée pour déterminer, en fonction d’au moins l’une parmi la valeur de capacitance C_mdu milieu MUT vers l’électrode de mesure et la valeur de capacitance C_mmdu milieu MUT vers l’électrode de référence ayant été déterminée et/ou en fonction d’au moins l’une parmi la valeur de conductance G_mdu milieu MUT vers l’électrode de mesure et la valeur de conductance G_mmdu milieu MUT vers l’électrode de référence ayant été déterminée à partir de l’une au moins des valeurs de la capacité électrique équivalente C_Xet de la conductance équivalente G_X, au moins une valeur représentative d’une surface de contact entre :

au moins une des électrodes d’excitation, de mesure et de référence, en particulier l’électrode de mesure, et
le milieu MUT.

Ainsi, un avantage procuré est d’autoriser la mesure d’un niveau du milieu MUT étudié, par exemple lorsque le milieu est contenu dans un récipient sur lequel le dispositif selon le premier aspect de l’invention est agencé.

Selon un autre exemple, l’électrode de référence est revêtue d’un matériau diélectrique de sorte à créer le couplage capacitif C_mgentre l’électrode de référence et le milieu MUT ; et l’unité de traitement est configurée pour traiter chaque valeur qui, parmi les valeurs de la capacité électrique équivalente C_Xet de la conductance équivalente G_X, a été calculée par l’unité de calcul, au moins en fonction de la valeur du couplage capacitif C_mg entre l’électrode de référence et le milieu MUT créé par revêtement, par le matériau diélectrique, de l’électrode de référence.

L’on s’affranchit ainsi avantageusement d’une potentielle résistance de transfert de charge entre le milieu étudié et l’électrode de référence qui viendrait perturber les mesures.

Selon un autre exemple, l’une au moins parmi l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure peut être revêtue d’un matériau diélectrique, de sorte à créer, respectivement, le couplage capacitif C_dmentre l’électrode d’excitation et le milieu MUT et le couplage capacitif C_msentre l’électrode de mesure et le milieu MUT ; et l’unité de traitement est configurée pour traiter chaque valeur qui, parmi les valeurs de la capacité électrique équivalente C_Xet de la conductance équivalente G_X, a été calculée par l’unité de calcul, au moins en fonction de la valeur de chaque couplage capacitif qui, parmi le couplage capacitif C_dmentre l’électrode d’excitation et le milieu MUT et le couplage capacitif C_msentre l’électrode de mesure et le milieu MUT, a été créé par revêtement, par le matériau diélectrique, de l’une correspondante parmi l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure.

L’on s’affranchit ainsi avantageusement d’une potentielle résistance de transfert de charge entre le milieu étudié et l’électrode revêtue, qui viendrait perturber les mesures et les mesures. L’on s’affranchit ainsi également de l’influence de phénomènes d’usure, notamment par oxydation, des électrodes d’excitation et de mesure ; les mesures sont mieux maîtrisées, et leur reproductibilité est encore améliorée.

Comme mentionné plus haut, l’invention selon ses différents aspects s’applique avantageusement à des milieux au moins partiellement conducteurs, ou du moins partiellement conducteurs, ce qui s’exprime, de la façon exposée ci-dessous, à travers leur permittivité diélectrique complexe où est la conductivité du milieu MUT étudié et est la pulsation du signal appliqué sur le milieu étudié, avec , où est la fréquence du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation.

Définitions

Par « au moins partiellement conducteur électriquement », on entend que le milieu vérifie , ou de préférence , où et sont respectivement la partie réelle et la partie imaginaire de la permittivité diélectrique complexe du milieu étudié, pour une pulsation ω du potentiel électrique à l’électrode d’excitation. Cette limitation exclut donc les milieux MUT parfaitement diélectriques, voire les milieux pouvant être, en bonne approximation, considérés comme tels, à la fréquence du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation. A titre d’exemples non limitatifs, pour une fréquence d’excitation comprise entre 0,1 Hz à 10 MHz, un milieu au moins partiellement conducteur électriquement peut présenter une conductivité électrique supérieure ou égale à 1 µS/cm, de préférence supérieure ou égale à 10 µS/cm, plus préférentiellement supérieure ou égale à 10²µS/cm. Un tel milieu est donc non purement diélectrique ; il peut comprendre un ou plusieurs liquides et/ou des éléments solides sous forme dispersée ou séparés par des membranes.
Par « partiellement conducteur électriquement », on entend que le milieu vérifie , où et sont respectivement la partie réelle et la partie imaginaire de la permittivité diélectrique complexe du milieu étudié, pour une pulsation du potentiel électrique à l’électrode d’excitation. A titre d’exemples non limitatifs, pour une fréquence d’excitation comprise entre 0,1 Hz à 10 MHz, un milieu partiellement conducteur électriquement peut présenter une conductivité électrique supérieure ou égale à 1 mS/cm, de préférence supérieure ou égale à 1 S/cm, plus préférentiellement supérieure ou égale à 10 S/cm. Cette limitation exclut donc à la fois les milieux MUT parfaitement diélectriques, voire les milieux pouvant être, en bonne approximation, considérés comme tels, et les milieux MUT parfaitement conducteurs, voire les milieux pouvant être, en bonne approximation, considérés comme tels, à la fréquence du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation. Ceci peut s’exprimer de façon plus large qu’avec un symbole presque égal ( ) de la façon suivante. En définissant une valeur particulière , un milieu « partiellement conducteur électriquement » est un milieu dont la conductivité vérifie la relation d’ordre suivante :

Par milieu ou matériau « diélectrique » ou pouvant être, en bonne approximation, considéré comme tel, on entend que le milieu ou matériau vérifie , ou de préférence , où ε’ et ε’’(ω) sont respectivement la partie réelle et la partie imaginaire de la permittivité diélectrique complexe du matériau, quelle que soit la pulsation ω du potentiel électrique à l’électrode d’excitation, et en particulier pour une fréquence d’excitation comprise entre 0,1 Hz à 10 MHz. A titre d’exemples non limitatifs, pour une fréquence d’excitation comprise entre 0,1 Hz à 10 MHz, un milieu ou matériau diélectrique peut présenter une conductivité électrique strictement inférieure à 1 µS/cm.
Par des grandeurs physiques ou une valeur « représentative(s) » d’un paramètre, on entend que lesdites grandeurs physiques ou ladite valeur permettent de remonter, directement ou indirectement, au paramètre concerné, et plus particulièrement à une valeur du paramètre concerné.
Par « blindage », on entend que les lignes de champ électrique sont confinées pour l’essentiel (par exemple à mieux que 1% près, de préférence à mieux que 1‰ près) dans le volume délimité par le contenant et son enveloppe.

Il ressort de ce qui précède que le milieu MUT destiné à être caractérisé est plus particulièrement partiellement conducteur électriquement sur un intervalle de fréquence d’excitation [ telle que , avec définissant la pulsation du système de mesure par la relation . Plutôt que de considérer un intervalle de fréquence, il pourrait équivalemment être considéré un intervalle de conductivité électrique , par exemple tel que défini par la relation d’ordre donnée ci-dessus. Ces approches peuvent être considérées comme équivalentes entre elles. Dans la pratique, l’homme du métier pourra préférer adapter la gamme de fréquence de mesure au milieu MUT à caractériser.

Notons que la permittivité diélectrique complexe intervient à la fois :

dans la formule de calcul de la conductivité du milieu entre électrodes d’excitation et de mesure :

étant l’admittance du milieu MUT, qui est destiné à être caractérisé, entre l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure, et

dans la formule de calcul de la conductivité du milieu entre électrodes d’excitation et de référence :

étant l’admittance du milieu MUT, qui est destiné à être caractérisé, entre l’électrode d’excitation et l’électrode de référence,
où et sont des quantités homogènes à des longueurs liées à la géométrie du milieu à caractériser.

Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après d’autres caractéristiques optionnelles du premier aspect de l’invention qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement.

Selon des caractéristiques optionnelles du premier aspect de l’invention :

l’une au moins parmi l’électrode d’excitation, l’électrode de mesure et l’électrode de référence est revêtue d’un matériau diélectrique, de préférence chacune est revêtue d’un matériau diélectrique ; et/ou
le condensateur formé par l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure est un condensateur à géométrie plane ; Ce type de condensateurs, pour lesquels les champs de fuite contribuent majoritairement au(x) signal(aux) utile(s) à la caractérisation, sont par construction facilement perturbés par des couplages capacitifs avec le milieu à caractériser ou avec l’environnement ; le dispositif selon le premier aspect de l’invention est donc particulièrement avantageux pour ce type de condensateurs à géométrie plane.

Définition

Par « revêtue d’un matériau diélectrique », on entend que l’une au moins parmi l’électrode d’excitation, l’électrode de mesure et l’électrode de référence peut être recouverte directement d’un matériau diélectrique, par exemple via un film diélectrique, ou peut être environnée (entourée, enveloppée) par un matériau diélectrique, par exemple lorsque l’une au moins parmi l’électrode d’excitation, l’électrode de mesure et l’électrode de référence est à l’intérieur d’une paroi diélectrique d’un contenant du milieu étudié.

Lorsque l’une au moins parmi l’électrode d’excitation, l’électrode de mesure et l’électrode de référence est revêtue d’un matériau diélectrique, un avantage procuré est de s’affranchir d’une résistance de transfert de charge entre le milieu étudié et celle(s) des trois électrodes (excitation, mesure, et référence) qui est revêtue, de même que limiter les effets de polarisation. Le matériau diélectrique revêtant l’une au moins des trois électrodes permet d’éviter un contact direct entre celle(s) des trois électrodes qui est revêtue et le milieu étudié, de sorte que toute réaction liée à l’électrochimie des électrodes est absente, et par là-même permet de préserver la stérilité du milieu étudié, ce qui constitue un enjeu important, par exemple pour la caractérisation d’un milieu cellulaire.

Il peut être tenu compte des couplages capacitifs créés entre l’électrode d’excitation et l’électrode de référence, et/ou entre l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure, par l’unité de traitement afin de ‘corriger’ les valeurs de C_Xet/ou de G_Xcalculées par l’unité de calcul. En d’autres termes, le système d’équations à au moins une équation permet de considérer de telles valeurs de C_Xet/ou de G_Xqui traitées par l’unité de traitement permettent de tenir compte d’un courant électrique circulant entre l’électrode d’excitation et l’électrode de référence et/ou entre l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure et, par là-même, permettent de caractériser de façon plus fiable encore le milieu MUT étudié.

Selon une autre caractéristique optionnelle du premier aspect de l’invention, l’agencement de l’électrode d’excitation par rapport à l’électrode de référence est en outre tel qu’une variation de la capacité mutuelle entre l’électrode d’excitation et l’électrode de référence, notée , vérifie : où est une valeur représentative de la capacité mutuelle entre l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure.

Selon une autre caractéristique optionnelle du premier aspect de l’invention, alternative ou combinable avec la caractéristique optionnelle précédente, l’agencement de l’électrode de mesure par rapport à l’électrode de référence est en outre tel que la variation de la capacité mutuelle entre l’électrode de mesure et l’électrode de référence, notée , vérifie : où est une valeur représentative de la capacité mutuelle entre l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure.

Définition

Par « capacité mutuelle » (ou « transcapacitance » en langue anglaise) d’un couple d’électrodes, on entend la capacité électrique entre les électrodes du couple, c'est-à-dire le rapport entre la quantité de charges électriques portée par une électrode et la différence de potentiels entre les deux électrodes.

Un effet technique procuré par vérification conjointe des deux dernières caractéristiques optionnelles introduites ci-dessus, relatives aux valeurs des variations de capacités mutuelles et par rapport à la valeur représentative de la capacité mutuelle entre l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure, ces variations étant par exemple liées aux changements de niveau et/ou de qualité du milieu étudié, est d’engendrer des courants électriques vers l’électrode de référence et vers l’électrode de mesure qui sont comparables entre eux, au moins en intensité, en présence du milieu MUT étudié. L’avantage technique qui en résulte consiste au moins en ce que les grandeurs physiques mesurées par le circuit électronique de mesure ont des dynamiques similaires. Il est dès lors rendu possible de caractériser le milieu étudié, non seulement lorsque celui-ci modifie la capacité mutuelle entre l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure, mais aussi lorsque le milieu modifie substantiellement la capacité mutuelle entre l’électrode d’excitation et l’électrode de référence, par exemple en raison de leur agencement respectif (forme, position).

Selon une autre caractéristique optionnelle du premier aspect de l’invention, le circuit électronique de mesure comporte un amplificateur opérationnel, monté en inverseur, et comprenant :

une entrée non-inverseuse, reliée à l’électrode de référence,
une entrée inverseuse, reliée à l’électrode de mesure,
une sortie, où les grandeurs physiques sont mesurées,
une boucle de rétroaction, reliant la sortie à l’entrée inverseuse.

Ainsi, un avantage procuré est d’obtenir aisément une masse virtuelle permettant de mettre virtuellement, à la masse, l’électrode de mesure. L’électrode d’excitation et l’électrode de mesure sont donc mises au même potentiel électrique de référence, bien que séparées par une grande impédance.

Selon la caractéristique optionnelle précédente du premier aspect de l’invention :

la boucle de rétroaction peut comprendre un régulateur, de préférence de type Proportionnel-Intégral, configuré pour que l’amplificateur opérationnel fonctionne en régime linéaire. Ainsi, un avantage procuré est d’éviter une saturation de l’amplificateur opérationnel ; et/ou
le circuit électronique de mesure peut être configuré pour mesurer une amplitude de tension en phase V_Iet une amplitude de tension en quadrature V_Qen sortie de l’amplificateur opérationnel, lesdites grandeurs physiques comprenant, voire étant constituées de, l’amplitude de tension en phase V_Iet l’amplitude de tension en quadrature V_Q;
la capacité électrique équivalente C_Xpeut être calculée par l’unité de calcul selon la formule suivante :

où :

est une capacité électrique prédéterminée, appartenant à la boucle de rétroaction de l’amplificateur opérationnel,
V_Iest une amplitude de la tension en phase mesurée à la sortie de l’amplificateur opérationnel, et
V_Qest une amplitude de la tension en quadrature mesurée à la sortie de l’amplificateur opérationnel ;
la conductance équivalente G_Xpeut être calculée par l’unité de calcul selon la formule suivante :

où :

est une capacité électrique prédéterminée, appartenant à la boucle de rétroaction de l’amplificateur opérationnel,
est une amplitude de la tension en phase mesurée à la sortie de l’amplificateur opérationnel,
est une amplitude de la tension en quadrature mesurée à la sortie de l’amplificateur opérationnel,
est le potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation,
est la fréquence du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation telle que , où est la pulsation du potentiel électrique à l’électrode d’excitation, et
est une constante liée à la forme du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation.

Définition

Par « tension en phase et tension en quadrature », on entend la décomposition (démodulation) de la différence de potentiel électrique entre la sortie de l’amplificateur opérationnel et l’électrode de référence, évaluée par rapport à la différence de potentiel électrique entre l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure dont la phase peut servir de référence.

Définition

Par « prédéterminée », on entend que la valeur de la capacité électrique est déterminée à la construction ou sélectionnable parmi une gamme de valeurs (par exemple 47 pF ou 237 pF), de manière à ajuster une constante de temps pour la boucle de rétroaction.

Selon une autre caractéristique optionnelle du premier aspect de l’invention, le circuit électronique de mesure est configuré pour mesurer les grandeurs physiques représentatives du premier courant électrique par une méthode de type « trois fils » ou « quatre fils ».

Ainsi, un avantage procuré est de s’affranchir de capacités parasites entre :

d’une part, l’électrode d’excitation et l’électrode de référence ;
d’autre part, l’électrode de mesure et l’électrode de référence.

Selon une autre caractéristique optionnelle du premier aspect de l’invention, le condensateur formé par l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure peut être sélectionné parmi un condensateur à plaques parallèles, un condensateur à électrodes interdigitées et un condensateur à cylindres coaxiaux.

Selon une autre caractéristique optionnelle du premier aspect de l’invention, l’électronique de commande peut être configurée pour appliquer un potentiel électrique à l’électrode d’excitation selon une fréquence fixe choisie de sorte que le milieu destiné à être caractérisé soit au moins partiellement électriquement conducteur, voire partiellement conducteur électriquement, à ladite fréquence fixe.

Ainsi, un avantage procuré est d’autoriser la mesure d’un niveau du milieu étudié.

Selon une autre caractéristique optionnelle du premier aspect de l’invention, l’électronique de commande peut être configurée pour faire varier la pulsation du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation 1 sur une partie au moins d’un intervalle sur lequel le milieu MUT destiné à être caractérisé est au moins partiellement conducteur électriquement, ladite variation consistant le cas échéant en un balayage dudit intervalle et ledit intervalle correspondant de préférence à une bande de fréquence comprise entre 0,1 Hz et 10 MHz.

Ainsi, un avantage procuré est d’autoriser la mesure de qualité du milieu étudié, par exemple les espèces contenues et leurs proportions dans le milieu étudié.

Selon une autre caractéristique optionnelle du premier aspect de l’invention, le dispositif de caractérisation peut comprendre en outre un interrupteur et une électrode de contrôle dont le potentiel est alternativement laissé flottant ou relié à l’électronique de commande par l’interrupteur.

Selon une autre caractéristique optionnelle du premier aspect de l’invention, le dispositif de caractérisation peut comprendre en outre un commutateur agencé entre les électrodes de mesure et de référence.

Un deuxième aspect de l’invention concerne un système de caractérisation comprenant au moins un dispositif de caractérisation tel qu’introduit ci-dessus, et le cas échéant un contenant, préférentiellement de type réservoir ou de type conduit, destiné à recevoir un milieu MUT à caractériser.

Définition

Par « contenant », on entend tout support permettant de contenir le milieu étudié.

Selon une caractéristique optionnelle du deuxième aspect de l’invention, le contenant comporte :

une paroi, agencée pour séparer le milieu étudié d’un milieu extérieur, la paroi comprenant :
- une surface interne, orientée vers le milieu étudié, revêtue d’un film diélectrique ;
- une surface externe, opposée à la surface interne, et orientée vers le milieu extérieur ;
un boîtier étanche, réalisé dans un matériau diélectrique, et s’étendant à l’intérieur du contenant, le boîtier étanche étant destiné à être immergé dans le milieu étudié ;

le dispositif de caractérisation selon un mode de réalisation du premier aspect de l’invention étant agencé à l’intérieur du boîtier étanche de sorte que l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure génèrent un champ électrique à l’intérieur du contenant.

Définition

Par « étanche », on entend que le boîtier est adapté pour que le milieu étudié ne puisse pénétrer à l’intérieur.

Selon une autre caractéristique optionnelle du deuxième aspect de l’invention, le contenant comporte :

une paroi, agencée pour séparer le milieu étudié d’un milieu extérieur, et réalisée dans un matériau diélectrique, la paroi comprenant :
- une surface interne, orientée vers le milieu étudié ;
- une surface externe, opposée à la surface interne, et orientée vers le milieu extérieur ;
un boîtier, réalisé dans un matériau diélectrique, et s’étendant sur la surface externe ;

le dispositif de caractérisation selon un mode de réalisation du premier aspect de l’invention étant agencé à l’intérieur du boîtier de sorte que l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure génèrent un champ électrique à l’intérieur du contenant.

une paroi, agencée pour séparer le milieu étudié d’un milieu extérieur, et réalisée dans un matériau diélectrique ;
au moins une cavité fermée, formée à l’intérieur de la paroi ;

le dispositif de caractérisation selon un mode de réalisation du premier aspect de l’invention étant agencé à l’intérieur de la cavité fermée de sorte que l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure génèrent un champ électrique à l’intérieur du contenant.

Définition

Le terme « paroi » peut inclure la présence d’une pluralité de couches en son sein, pour un contenant de type multicouche (e.g. réservoir multicouche, tube multicouche). La cavité fermée est préférentiellement formée entre deux couches adjacentes.

Ainsi, un avantage procuré est de protéger le dispositif grâce à une telle paroi creuse, munie d’au moins une cavité fermée. Le dispositif, agencé à l’intérieur de la cavité fermée, se retrouve à la fois protégé du milieu extérieur et du milieu étudié. Le dispositif effectue les mesures à distance du milieu étudié en générant un champ électrique à l’intérieur du contenant.

Un autre aspect de l’invention concerne un procédé d’étalonnage d’un dispositif de caractérisation selon le premier aspect de l’invention ou d’un système de caractérisation selon le deuxième aspect de l’invention.

Selon une caractéristique optionnelle, le procédé d’étalonnage peut comprendre une étape consistant à faire varier la pulsation du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation sur une partie au moins d’un intervalle sur lequel le milieu MUT destiné être caractérisé est au moins partiellement conducteur électriquement.

Un autre aspect de l’invention concerne un procédé de caractérisation d’un milieu MUT mettant en œuvre un dispositif de caractérisation selon le premier aspect de l’invention ou un système de caractérisation selon le deuxième aspect de l’invention.

Selon une caractéristique optionnelle, le procédé de caractérisation peut comprendre une étape consistant à faire varier la pulsation du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation sur une partie au moins d’un intervalle sur lequel le milieu MUT destiné être caractérisé est au moins partiellement conducteur électriquement.

Selon une autre caractéristique optionnelle du procédé de caractérisation, le milieu MUT destiné à être caractérisé peut être choisi parmi :

un milieu cellulaire ;
un liquide partiellement conducteur électriquement, et par exemple alimentaire, tel qu’un lait entier ou demi-écrémé ;
un électrolyte ;
un milieu aqueux complexe ; et
un mélange eau/Adblue®.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :

La est une vue schématique partielle en perspective d’un dispositif selon un premier mode de réalisation du premier aspect de l’invention, dans lequel les électrodes d’excitation, de mesure et de référence sont recouvertes d’un film diélectrique protecteur et sont destinées à être immergées dans le milieu à caractériser.

La est une vue schématique partielle en perspective d’un dispositif selon un deuxième mode de réalisation du premier aspect de l’invention, dans lequel les électrodes d’excitation, de mesure et de référence sont recouvertes d’un film diélectrique protecteur et équipent une paroi d’un contenant destiné à contenir le milieu à caractériser.

La est une vue schématique partielle en perspective d’un dispositif selon un troisième mode de réalisation du premier aspect de l’invention dans lequel l’électrode de référence est agencée sous un contenant du milieu MUT à caractériser, à l’extérieur d’une paroi en un matériau diélectrique séparant le milieu à caractériser de son environnement.

La est une vue schématique partielle en perspective d’un dispositif selon un quatrième mode de réalisation du premier aspect de l’invention dans lequel l’électrode de référence est agencée sur le côté d’un contenant du milieu MUT à caractériser, à l’intérieur d’une paroi en un matériau diélectrique séparant le milieu à caractériser de son environnement.

La est une vue schématique partielle en perspective d’un dispositif selon un cinquième mode de réalisation du premier aspect de l’invention dans lequel l’électrode de référence est agencée au centre d’un contenant du milieu MUT à caractériser ; un matériau diélectrique recouvrant l’électrode de référence n’y est pas représenté par souci de lisibilité.

La est une vue schématique partielle en perspective d’un dispositif selon un sixième mode de réalisation du premier aspect de l’invention dans lequel l’électrode de référence est agencée sur le côté d’un contenant du milieu MUT à caractériser, à l’extérieur d’une paroi en un matériau diélectrique séparant le milieu à caractériser de son environnement.

La est une vue schématique partielle en perspective d’un dispositif selon un septième mode de réalisation du premier aspect de l’invention pour la caractérisation du murissement d’un fruit ; le matériau diélectrique recouvrant l’électrode de référence n’y est pas représenté par souci de lisibilité.

La est une vue schématique partielle en perspective d’un dispositif selon un huitième mode de réalisation du premier aspect de l’invention pour la caractérisation d’une partie au moins d’un corps humain, et par exemple pour la caractérisation d’états de cellules dudit corps humain ; le matériau diélectrique recouvrant l’électrode de référence n’y est pas représenté par souci de lisibilité.

Les figures 9A à 9C sont des vues schématiques partielles en coupe d’un dispositif selon d’autres modes de réalisation du premier aspect de l’invention, illustrant différents agencements des électrodes d’excitation, de mesure et de référence relativement au milieu MUT à caractériser, et relativement à un plan de masse PM optionnel ; le matériau diélectrique recouvrant l’électrode de référence n’est pas représenté par souci de lisibilité.

La est une vue schématique partielle en coupe d’un dispositif selon un autre mode de réalisation du premier aspect de l’invention, illustrant l’influence de l’épaisseur du matériau diélectrique séparant les électrodes d’excitation, de mesure et de référence du milieu MUT.

La est une vue schématique partielle en perspective d’un système de caractérisation selon un premier mode de réalisation du deuxième aspect de l’invention ; l’électrode de référence n’y est pas représentée par souci de lisibilité.

La est une vue schématique partielle en perspective d’un système de caractérisation selon un deuxième mode de réalisation du deuxième aspect de l’invention ; l’électrode de référence n’y est pas représentée par souci de lisibilité.

La est une vue schématique partielle de côté d’un système de caractérisation selon un troisième mode de réalisation du deuxième aspect de l’invention ; l’électrode de référence n’y est pas représentée par souci de lisibilité.

La est un schéma électronique illustrant notamment un circuit électronique de mesure d’un dispositif selon un mode de réalisation du premier aspect de l’invention.

La est un schéma électrique d’un exemple de modélisation du comportement d’un système de caractérisation selon un mode de réalisation du deuxième aspect de l’invention dans lequel le milieu à caractériser est contenu dans un réservoir possédant des parois diélectriques.

La est un schéma électrique d’un exemple de modélisation du comportement d’un système de caractérisation selon un autre mode de réalisation du deuxième aspect de l’invention dans lequel le milieu à caractériser est toujours contenu dans un réservoir possédant des parois diélectriques, mais où le réservoir est représenté schématiquement contrairement à l’illustration de la , et dans lequel le dispositif de caractérisation comprend en outre une électrode de contrôle additionnelle dont le potentiel peut être laissé flottant ou relié à l’électronique de mesure par un interrupteur.

La est un graphique représentant les résultats de la caractérisation par spectroscopie capacitive en fréquence d’un volume d’eau déminéralisée à l’aide d’un système de caractérisation selon un mode de réalisation du deuxième aspect de l’invention, les symboles « + » représentant les mesures de capacité équivalente pour différentes fréquences de mesure obtenues avec une électrode de contrôle imposant, au volume d’eau déminéralisée, un potentiel relié à la masse, les cercles « ○ » représentant les mesures de capacité équivalente pour différentes fréquences de mesure sans électrode de contrôle, la courbe continue ajustant étroitement une partie significative des mesures de capacité équivalente constituant une modélisation de l’évolution de la capacité équivalente C_Xen fonction de la fréquence de mesure, et la courbe continue restante constituant une modélisation de l’évolution de la conductance équivalente G_Xen fonction de la fréquence de mesure, chaque courbe ayant été obtenue en considérant une modélisation du comportement électrique du système de caractérisation comportant une mise en parallèle de la capacité équivalente C_Xet de la conductance équivalente G_X(une telle mise en parallèle étant par ailleurs représentée sur la ).

Les figures 18A et 18B représentent des vues schématiques partielles en perspective d’un système de caractérisation selon un mode de réalisation du deuxième aspect de l’invention, le système tel que représenté sur la étant dans une configuration d’étalonnage, tandis que le système tel que représenté sur la étant dans une configuration de mesure du niveau du milieu MUT dans le réservoir ; les plans de masse PM servant d’écran vis-à-vis de l’extérieur n’y sont pas représentés par souci de lisibilité.

La est un schéma électrique d’un exemple de modélisation du comportement d’un système de caractérisation tel qu’illustré sur la , dans lequel le milieu à caractériser est contenu dans un réservoir possédant des parois diélectriques, dans lequel la caractérisation du milieu MUT consiste à en déterminer le niveau dans le réservoir et dans lequel le milieu MUT est fluide et électriquement conducteur à la fréquence de mesure considérée.

La figure 20A représente un graphique montrant deux courbes obtenues par simulation numérique dont la courbe supérieure, représentée par des symboles « », est à lire sur l’ordonnée référencée et illustre l’évolution de la capacité équivalente C_Xen fonction du niveau du milieu MUT dans le réservoir, lorsque le système de caractérisation est dans la configuration d’étalonnage représentée sur la figure 18A, et la courbe inférieure, représentée par des symboles « », est à lire sur l’ordonnée référencée et illustre l’évolution de la capacité équivalente C_Xen fonction du niveau du milieu MUT dans le réservoir, lorsque le système de caractérisation est dans la configuration de mesure représentée sur la .

La figure 20B représente un graphique montrant l’évolution du rapport entre les deux courbes du graphique de la , en fonction du niveau du milieu MUT dans le réservoir.

Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

Les éléments identiques ou assurant la même fonction porteront les mêmes références pour les différents modes de réalisation, par souci de simplification.

Afin d’éviter que la mesure de capacité (ou impédance) du milieu à caractériser ne soit affectée par les perturbations liées au couplage du dispositif de caractérisation, voire également du milieu, avec l’environnement, les systèmes de caractérisation avancés de type impédancemètres sont conçus pour intégrer un troisième conducteur mis à la masse (appelée aussi « ground » en anglais) de sorte à permettre un blindage de la mesure entre les électrodes d’excitation et de mesure. Dans ce cas, le potentiel de l’électrode de mesure est mis virtuellement à la masse par asservissement à travers un système de grande impédance, tel qu’un amplificateur opérationnel. Ceci est particulièrement utile pour des électrodes à géométrie plane pour lesquelles les champs de fuite contribuent majoritairement au signal utile, et sont donc par construction facilement perturbés par des couplages avec l’extérieur.

Dans de telles configurations, la mesure de la capacité mutuelle entre les électrodes d’excitation et de mesure n’est plus univoquement liée à , d’où des interprétations ad-hoc (par soustraction de situations plein/vide, etc.) et souvent non justifiées qui limitent les prédictions des observations.

Pour pallier cela, la solution apportée par le présent dispositif de caractérisation permet par exemple d’accéder à la permittivité diélectrique complexe sur la base de la mesure de la capacité complexe et de la géométrie et l’agencement des différents éléments du dispositif de caractérisation mis en œuvre.

Ainsi, le premier aspect de l’invention concerne un dispositif de caractérisation 0 d’un milieu MUT par spectroscopie capacitive.

En référence à chacune des figures 1 à 13, le dispositif de caractérisation 0 comprend une électrode d’excitation 1 et une électrode de mesure 2. Chacune de ces électrodes présente une géométrie déterminée, par exemple telles qu’illustrées sur la . Les électrodes d’excitation 1 et de mesure 2 sont destinées à être agencées entre elles de sorte à former un condensateur 12.

En référence à chacune des figures 2 à 10A, le dispositif de caractérisation 0 comprend en outre une électrode de référence 3 présentant une géométrie déterminée et définissant un potentiel électrique de référence V_g.

Le dispositif de caractérisation 0 comprend également, comme illustré sur les figures 11 à 13, une électronique de commande 5 configurée pour appliquer un potentiel électrique V_dà l’électrode d’excitation 1, et, en référence à la , un circuit électronique de mesure 50 possédant une masse virtuelle V₀connectée, de préférence directement, à l’électrode de mesure 2.

Si le dispositif de caractérisation 0 selon le premier aspect de l’invention se distingue des dispositifs de caractérisation existants, c’est en ce que les électrodes d’excitation, de mesure et de référence 1, 2 et 3 qu’il comprend sont ici destinées à être agencées entre elles et relativement au milieu MUT destiné à être caractérisé selon un agencement tel que :

d’une part, l’électronique de commande 5 est configurée pour faire varier dans le temps le potentiel électrique V_dà l’électrode d’excitation 1 avec une pulsation ω choisie de sorte que le milieu MUT destiné à être caractérisé soit au moins partiellement électriquement conducteur,
d’autre part, en référence à la , les électrodes d’excitation et de mesure 1 et 2 sont agencées pour autoriser un premier courant électrique, noté i₁-i_g, à circuler entre elles via le milieu MUT, et les électrodes d’excitation et de référence 1 et 3 sont agencées pour autoriser un deuxième courant électrique, noté i_g, à circuler entre elles via le milieu MUT.

De la sorte, en référence à l’une quelconque des figures 15, 16 et 19, au moins l’un parmi les couplages capacitifs suivants est créé :

Un couplage capacitif C_dmentre l’électrode d’excitation 1 et le milieu MUT,
Un couplage capacitif C_msentre l’électrode de mesure 2 et le milieu MUT, et
Un couplage capacitif C_mgentre l’électrode de référence 3 et le milieu MUT ;

qui n’est pas négligeable, mais au contraire significatif.

Notons ici qu’un tel couplage capacitif peut être lié à au moins l’un parmi le fait que l’électrode considérée est revêtue d’un matériau diélectrique et le fait que l’électrode considérée est intégrée dans la paroi 60 diélectrique d’un contenant 6 du milieu à caractériser, comme cela est notamment illustré aux figures 11 à 13.

Un tel agencement a pour conséquence qu’un courant, noté i₃, provenant de l’électrode d’excitation 1 et parvenant à l’électrode de mesure 2, et par exemple tel qu’illustré sur la , constitue un signal utile qui, s’il est fortement perturbé par les champs de fuite, l’est de façon contrôlée, en particulier par celui ou ceux qui, parmi les couplages capacitifs ci-dessus énoncés, est le plus élevé ou sont les plus élevés.

Ainsi, dès lors que le circuit électronique de mesure 50 est configuré pour mesurer des grandeurs physiques représentatives du courant i₃, une unité de calcul 51 du dispositif de caractérisation 0 peut avantageusement être configurée pour calculer, à partir de ces grandeurs physiques, une valeur de capacité électrique équivalente, notée C_X, et/ou une valeur de conductance équivalente, notée G_X, entre les électrodes d’excitation et de mesure 1 et 2, qui définissent un modèle électrique équivalent prenant naturellement en compte l’influence du milieu MUT au moins partiellement conducteur électriquement.

Dès lors que ledit modèle électrique équivalent est défini quantitativement par des valeurs dites équivalentes, ici de capacité électrique équivalente C_Xet de conductance équivalente G_X, et que ces valeurs équivalentes sont impliquées dans une équation ou un système d’équations construit sur une modélisation du comportement d’un système de caractérisation 10 comprenant au moins le dispositif de caractérisation 0, une unité de traitement 52 du dispositif de caractérisation 0 peut avantageusement être configurée pour traiter chaque valeur équivalente ayant été calculée par l’unité de calcul 51, pour déterminer :

au moins l’une parmi une valeur de capacitance C_mdu milieu MUT vers l’électrode de mesure 2 et une valeur de capacitance C_mmdu milieu MUT vers l’électrode de référence 3, et/ou
au moins l’une parmi une valeur de conductance G_m du milieu MUT vers l’électrode de mesure 2 et une valeur de conductance G_mmdu milieu MUT vers l’électrode de référence 3,

en résolvant l’équation ou le système d’équations traduisant la modélisation choisie du comportement du système de caractérisation 10.

À titre d’exemple, trois modélisations différentes entre elles, référencées 1000, 1100 et 1200, sont illustrées sur les figures 15, 16 et 19.

De préférence, chaque équation relie entre elles au moins :

l’une des valeurs équivalentes ayant été calculée,
la capacitance C_mdu milieu MUT vers l’électrode de mesure 2 et la capacitance C_mmdu milieu MUT vers l’électrode de référence 3,
la valeur du couplage capacitif C_dmcréé entre l’électrode d’excitation 1 et le milieu MUT, la valeur du couplage capacitif C_mscréé entre l’électrode de mesure 2 et le milieu MUT et la valeur du couplage capacitif C_mgcréé entre l’électrode de référence 3 et le milieu MUT,
une pulsation ω du potentiel électrique V_dà l’électrode d’excitation 1, et
la conductivité du milieu MUT à caractériser.

Comme précédemment annoncé, la illustre une modélisation possible d’un système de caractérisation 10 selon le deuxième aspect de l’invention. Selon cette modélisation, les parois 60 d’un contenant 6 du milieu MUT à caractériser sont représentés sous la forme de condensateurs de capacités notés C_dmpour la paroi séparant l’électrode d’excitation 1 du milieu MUT, C_mspour la paroi séparant l’électrode de mesure 2 du milieu MUT et C_mgpour la paroi séparant l’électrode de référence du milieu MUT. Notons que chacune de ces capacités est liée à l’une correspondante parmi autant d’admittances, notées Y_dm, Y_mset Y_mg, respectivement. Notons par ailleurs qu’un procédé d’étalonnage du dispositif de caractérisation 0 selon le deuxième aspect de l’invention ou du système de caractérisation 10 selon le deuxième aspect de l’invention aura pour principal objectif de déterminer au moins l’une de préférence chacune, de ces capacités C_dm, C_mset C_mg.

Par ailleurs, toujours en référence à la , l’influence du milieu MUT au moins partiellement conducteur électriquement sur le signal utile i₃peut être représentée sous la forme de deux couples d’une capacité et d’une conductance mises en parallèle entre elles. Un premier couple de ces deux couples, identifié par l’indice « mm », traduit l’influence du milieu MUT entre l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de référence 3, et le second de ces deux couples, identifié par l’indice « m », traduit l’influence du milieu entre l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2. Notons que chacune de ses représentations peut être associée à une admittance, notée Y_mmpour le premier couple susmentionné et notée Y_mpour le second couple.

On comprend dès lors que la modélisation proposée en peut être traduite en une ou plusieurs équations liant entre elles différentes grandeurs physiques illustrées sur la à l’une au moins, de préférence à chacune, parmi de la capacité équivalente C_Xet de la conductance équivalente G_Xtelles qu’illustrées sur la . Une telle mise en équation(s) sera développée plus bas.

Electrode d’excitation et électrode de mesure

Notons ici que le dispositif de caractérisation 0 selon le premier aspect de tension n’est pas limité à un exemplaire de chacune des trois électrodes susmentionnées, mais peut comporter une pluralité de couples d’électrodes d’excitation 1 et de mesure 2, chaque couple d’électrodes d’excitation 1 et de mesure 2 formant un condensateur. Par exemple, le dispositif de caractérisation 0 peut présenter deux électrodes de mesure telle qu’illustré sur la .

L’électrode d’excitation 1 et/ou l’électrode de mesure 2 peuvent avantageusement être revêtues d’un matériau diélectrique 4, de sorte qu’un couplage capacitif soit créé entre l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2, lorsque le milieu étudié MUT est au moins partiellement électriquement conducteur.

Le matériau diélectrique 4 peut être réalisé sous la forme d’un film diélectrique (comme illustré aux figures 1 et 2), pouvant présenter une épaisseur de préférence comprise entre 100 nm et 10 µm. A titre d’exemples non limitatifs, le matériau diélectrique 4 est de préférence sélectionné parmi un polyimide, un polytétrafluoroéthylène et une résine thermodurcissable.

L’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2 peuvent être de différentes formes telles que planaires (comme illustré aux figures 3 et 4), courbées (comme illustré aux figures 5 et 6), interdigitées (comme illustré aux figures 1, 2, 7), etc.

Lorsque l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2 sont recouvertes d’un film diélectrique, l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2 peuvent être immergées dans le milieu étudié MUT (comme illustré aux figures 3, 5 et 6).

L’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2, recouvertes d’un film diélectrique, peuvent également être à distance du milieu étudié (comme illustré aux figures 4 et 11 à 13).

L’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2 peuvent être dépourvues d’un film diélectrique les recouvrant directement. L’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2 peuvent alors, en alternative, être environnées (entourées, enveloppées) par un matériau diélectrique ; par exemple, l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2 sont à l’intérieur d’une paroi 60 diélectrique d’un contenant 6 du milieu MUT étudié.

L’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2 peuvent être réalisées dans un matériau métallique, de préférence sélectionné parmi le cuivre Cu, l’argent Ag, l’or Au et l’aluminium Al. En alternative, l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2 peuvent être réalisées dans un matériau plastique (e.g. un polyphtalamide) dans lequel ont été incorporées des charges conductrices, telles que des fibres de carbone, afin de rendre l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2 électriquement conductrices.

Le dispositif de caractérisation peut comporter un plan de masse PM (comme illustré aux figures 1 et 2) agencé relativement aux électrodes d’excitation 1 et de mesure 2. Le plan de masse PM peut assurer une fonction de blindage électromagnétique et/ou permettre une mise à la masse commune des électrodes du dispositif de caractérisation 0.

Le plan de masse PM est avantageusement séparé de l’électrode d’excitation 1 et de l’électrode de mesure 2 par une couche diélectrique 40 (comme illustré aux figures 1 et 2). Une telle couche diélectrique 40 permet d’isoler électriquement entre elles les électrodes d’excitation 1 et de mesure 2 et le plan de masse PM de manière à éviter de les mettre en court-circuit.

La couche diélectrique 40 peut être réalisée dans un matériau diélectrique sélectionné parmi un polyimide et un polytétrafluoroéthylène.

Le plan de masse PM peut être une plaque réalisée dans un matériau métallique. Le matériau métallique est de préférence sélectionné parmi le cuivre Cu, l’argent Ag, l’or Au et l’aluminium Al. Cependant, le plan de masse PM peut être réalisée dans un matériau plastique (e.g. un polyphtalamide) dans lequel ont été incorporées des charges conductrices, telles que des fibres de carbone, afin de rendre le plan de masse PM électriquement conducteur.

A titre d’exemple non limitatif, et en référence aux figures 15 et 19, l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2 peuvent être agencées de sorte qu’une valeur de capacité mutuelle C_dsentre l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2 soit comprise entre 15 pF et 25 pF, de préférence entre 18 pF et 22 pF.

Le condensateur formé par l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2 est avantageusement sélectionné parmi un condensateur à plaques parallèles, un condensateur à électrodes interdigitées et un condensateur à cylindres coaxiaux. Le condensateur formé par l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2 peut également être un condensateur à électrodes coplanaires.

Electrode de référence

Le dispositif de caractérisation 0 peut comporter une pluralité d’électrodes de référence 3.

L’électrode de référence 3 peut être une plaque réalisée dans un matériau métallique. Le matériau métallique est de préférence sélectionné parmi le cuivre Cu, l’argent Ag, l’or Au et l’aluminium Al. En alternative, l’électrode de référence 3 peut être réalisée dans un matériau plastique (e.g. un polyphtalamide) dans lequel ont été incorporées des charges conductrices, telles que des fibres de carbone, afin de rendre l’électrode de référence 3 électriquement conductrice.

L’électrode de référence 3 peut assurer une fonction de blindage électromagnétique.

L’électrode de référence 3 peut être revêtue d’un matériau diélectrique 4. Le matériau diélectrique 4 peut être réalisé sous la forme d’un film diélectrique (comme illustré aux figures 1 et 2), pouvant présenter une épaisseur de préférence comprise entre 100 nm et 10 µm. A titre d’exemples non limitatifs, le matériau diélectrique 4 est de préférence sélectionné parmi un polyimide, un polytétrafluoroéthylène et une résine thermodurcissable.

Lorsque l’électrode de référence 3 est recouverte d’un film diélectrique, l’électrode de référence 3 peut être immergée dans le milieu étudié MUT (comme illustré à la ).

L’électrode de référence 3, recouverte d’un film diélectrique, peut également être à distance du milieu étudié MUT (comme illustré aux figures 3 et 4).

L’électrode de référence 3 peut être dépourvue d’un film diélectrique la recouvrant directement. L’électrode de référence 3 peut alors être environnée (entourée, enveloppée) par un matériau diélectrique, par exemple lorsque l’électrode de référence 3 est à l’intérieur d’une paroi 60 diélectrique d’un contenant 6 du milieu étudié MUT.

Notons ici que différents agencements relatifs des électrodes d’excitation 1, de mesure 2 et de référence 3 sont illustrés sur les figures 9A, 9B et 9C. Ces différentes illustrations ne sont pas davantage détaillées ici, mais sont donnés à titre illustratif et non limitatif, de sorte à mettre en exergue la large variété d’agencements envisageables. Remarquons, tout de même, que chacune de ces figures fait apparaître un plan de masse PM et un agencement possible de ce plan de masse PM par rapport aux électrodes 1, 2 et 3 du dispositif de caractérisation 0 selon le premier aspect de l’invention.

Electronique de commande

L’électronique de commande 5 est avantageusement configurée pour :

appliquer une différence de potentiel électrique entre l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2, et
moduler, par exemple périodiquement, l’amplitude de la différence de potentiel électrique.

En référence à la , l’électronique de commande 5 peut comprendre un circuit électronique de mesure 50 configuré pour mesurer une amplitude de tension en phase V_Iet une amplitude de tension en quadrature V_Qà la sortie d’un amplificateur opérationnel 500.

Plus particulièrement, et comme illustré à la , le circuit électronique de mesure 50 peut avantageusement comprendre un amplificateur opérationnel 500, monté en inverseur, et comprenant :

une entrée non-inverseuse (notée « + »), reliée à l’électrode de référence 3,
une entrée inverseuse (notée « - »), reliée à l’électrode de mesure 2,
une sortie, où les grandeurs physiques sont mesurées,
une boucle de rétroaction 501, reliant la sortie à l’entrée inverseuse.

La boucle de rétroaction 501 (ou « feedback loop » en anglais) peut avantageusement comprendre un régulateur 502, de préférence de type Proportionnel-Intégral, configuré pour que l’amplificateur opérationnel 500 fonctionne en régime linéaire. Le régulateur 502 peut appartenir à une première branche de la boucle de rétroaction 501.

Le circuit électronique de mesure 50 est avantageusement configuré pour mesurer les grandeurs physiques représentatives du courant i₃provenant de l’électrode d’excitation 1 et parvenant à l’électrode de mesure 2 par une méthode de type trois fils ou quatre fils.

L’amplitude de tension en phase V_Iet l’amplitude de tension en quadrature V_Qsont avantageusement les grandeurs physiques représentatives du premier courant électrique déjà mentionnées plus haut. Les signaux de la tension en phase V_Iet de la tension en quadrature V_Qpeuvent avantageusement être filtrés par un filtre passe-bas.

L’électronique de commande 5 est avantageusement configurée pour appliquer un potentiel électrique à l’électrode d’excitation 1 selon une fréquence donnée, telle que , où est la pulsation du potentiel électrique appliqué à l'électrode d'excitation.

Selon un mode de réalisation, l’électronique de commande 5 est configurée pour appliquer un potentiel électrique à l’électrode d’excitation 1 selon une fréquence fixe choisie de sorte que le milieu étudié MUT soit au moins partiellement électriquement conducteur à ladite fréquence fixe.

Si l’on note la permittivité diélectrique complexe du milieu MUT étudié, étant la pulsation du potentiel électrique à l’électrode d’excitation 1, on peut avoir où et sont respectivement la partie réelle et la partie imaginaire de la permittivité diélectrique complexe du milieu MUT étudié. La partie imaginaire peut s’écrire où σ est la conductivité du milieu MUT étudié. La fréquence fixe, notée , peut être choisie de sorte que , ou équivalemment avec , autrement dit de sorte que le milieu à caractériser soit au moins partiellement conducteur électriquement.

L’électrode d’excitation 1, l’électrode de mesure 2, et l’électrode de référence 3 peuvent alors être agencées de sorte que le dispositif de caractérisation 0 caractérise un niveau du milieu étudié MUT. Par exemple, en référence à la , l’électrode de référence 3 et l’électrode de mesure 2 peuvent être agencées à côté ou en face de l’électrode d’excitation 1, l’électrode de référence 3 étant agencée au-dessous de l’électrode de mesure 2, le niveau du milieu étudié MUT étant défini relativement à un plan séparant une partie inférieure 101 du réception 6 comprenant l’électrode de référence 3 et une partie supérieure 102 du réception 6 comprenant l’électrode de mesure 2.

Plus particulièrement, la permittivité diélectrique complexe intervenant à la fois :

dans la formule de calcul de la conductivité du milieu MUT entre électrodes d’excitation 1 et de mesure 2 :

étant l’admittance du milieu MUT à caractériser entre l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure, et

étant l’admittance du milieu MUT à caractériser entre l’électrode d’excitation et l’électrode de référence,
où et sont des quantités homogènes à des longueurs liées à la géométrie du milieu MUT à caractériser, la détermination de la permittivité diélectrique complexe du milieu MUT peut servir à suivre l’évolution du contenu d’un récipient, en termes de nature chimique, de concentration ionique, ou de croissance cellulaire, à titre d’exemples non exhaustifs.

Notons ici que, en notant, comme précédemment, la fréquence telle que , il est possible de distinguer deux régimes :

où le milieu MUT étudié est au moins partiellement conducteur électriquement, et où les couplages capacitifs entre l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de référence 3, et entre l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2, sont effectifs ; et
où le milieu MUT étudié est isolant, avec des courants électriques entre l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de référence 3, et entre l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2, via le milieu MUT qui sont négligeables.

Dans le régime où , il est possible de montrer les relations suivantes : Où :

est la permittivité diélectrique du vide,
est l’épaisseur du matériau diélectrique 4 recouvrant l’électrode d’excitation 1, l’électrode de mesure 2 et l’électrode de référence 3 (cf. figures 10A et 10B),
est la permittivité relative du précédent matériau diélectrique 4,
et sont respectivement la surface de l’électrode d’excitation 1 et de l’électrode de référence 3 (cf. ).

est la largeur du milieu étudié MUT (cf. ),
est la permittivité relative du milieu étudié MUT,
est la surface du milieu étudié (cf. ).

peut également être égale à une constante, non liée à la présence du milieu étudié MUT.

Il ressort de la note qui précède que la géométrie des différents éléments du dispositif de caractérisation 0 ou du système de caractérisation 10, et notamment du ou des éventuels revêtements diélectriques, peuvent également être mis en équation et intervenir, directement ou indirectement, le cas échéant après étalonnage du dispositif de caractérisation 0 ou du système de caractérisation 10, dans l’équation ou le système d’équation à résoudre.

Notons également ici que, comme l’illustrent les figures 7 et 8, le dispositif de caractérisation 0 selon le premier aspect de l’invention trouve également à s’appliquer à la caractérisation de milieux non fluides, par exemple solides, tels que des aliments (une pomme dans l’exemple illustré sur la ) ou tout ou partie d’un corps humain ou animal (le bras d’un être humain dans l’exemple illustré sur la ), notamment pour une mesure de bio-impédance.

L’électronique de commande 5 peut être configurée pour appliquer à l’électrode d’excitation un potentiel électrique variable en fréquence sur un intervalle de fréquence d’excitation telle que , avec définissant la pulsation du système de mesure par la relation , de sorte que, sur cet intervalle de fréquence, le milieu MUT à caractériser est partiellement conducteur électriquement, par exemple en vérifiant la relation d’ordre suivante : , où et est la conductivité du milieu à caractériser, étant la partie réelle de la permittivité diélectrique complexe du milieu MUT à caractériser.

L’électrode de référence 3 peut alors être avantageusement agencée par rapport à l’électrode d’excitation 1 de sorte que, sur l’intervalle de fréquence d’excitation [ , une variation de la capacité mutuelle entre l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de référence 3, notée , vérifie : où, comme déjà mentionné plus haut, est une valeur de la capacité mutuelle entre l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2.

La forme de l’électrode de référence 3, la forme de l’électrode d’excitation 1 et leur position relative permet de modifier la valeur de la capacité mutuelle entre l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de référence 3.

De même, la forme de l’électrode d’excitation 1, la forme de l’électrode de mesure 2 et leur position relative permet de modifier la valeur de la capacité mutuelle entre l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2.

L’on s’assure ainsi avantageusement que la capacité mutuelle entre l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de référence 3 n’est pas négligeable et en particulier doit être prise en compte dans la modélisation.

En alternative ou en complément, l’électrode de référence 3 est avantageusement agencée par rapport à l’électrode de mesure 2 de sorte que, sur l’intervalle de fréquence d’excitation [ , la variation de la capacité mutuelle entre l’électrode de mesure 2 et l’électrode de référence 3, cette variation étant notée , vérifie : où, comme déjà mentionné plus haut, est une valeur de la capacité mutuelle entre l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2.

La forme de l’électrode de référence 3, la forme de l’électrode de mesure 2 et leur position relative permet de modifier la valeur de la capacité mutuelle entre l’électrode de mesure et l’électrode de référence.

L’on s’assure ainsi avantageusement que la capacité mutuelle entre l’électrode de mesure 2 et l’électrode de référence 3 n’est pas négligeable et en particulier doit être prise en compte dans la modélisation.

L’une et/ou l’autre des deux variations ci-dessus peut ainsi avantageusement être limitée. Lorsqu’elles sont toutes deux limitées, l’on s’assure qu’à la fois :

le premier courant électrique i₁-i_gdestiné à circuler entre les électrodes d’excitation 1 et de mesure 2 via le milieu MUT, et
le deuxième courant électrique i_gdestiné à circuler entre les électrodes d’excitation 1 et de référence 3 via le milieu MUT,

soient significatifs.

L’électronique de commande 5 peut avantageusement comprendre en outre un module de communication sans-fil, de préférence choisi parmi les technologies Bluetooth®, Bluetooth® à basse énergie (connue sous l’acronyme BLE), RFID, Wifi, LoRa® et Sigfox.

L’électronique de commande 5 comporte avantageusement un microcontrôleur. Comme nous le verrons ci-après, le microcontrôleur de l’électronique de commande 5 peut être configuré pour assurer en outre les fonctions de l’unité de calcul 51 et de l’unité de traitement 52.

L’électronique de commande 5 est avantageusement montée sur une carte de circuit imprimé PCB, comme illustré aux figures 11 à 13. La carte de circuit imprimé PCB peut comporter des pistes électriquement conductrices formant l’électrode d’excitation 1 et/ou l’électrode de mesure 2.

Unité de calcul

En référence aux figures 11 à 13, l’unité de calcul 51, ou calculateur, peut avantageusement être intégrée à l’électronique de commande 5. L’unité de calcul 51 peut comprendre ou être constituée du processeur du microcontrôleur de l’électronique de commande 5.

Les valeurs de capacité électrique équivalente et de conductance équivalente peuvent être calculées par l’unité de calcul 51 selon les formules suivantes : où :

est une capacité électrique prédéterminée, appartenant à la boucle de rétroaction 501 de l’amplificateur opérationnel 500,
est l’amplitude de la tension en phase mesurée à la sortie de l’amplificateur opérationnel 500,
est l’amplitude de la tension en quadrature mesurée à la sortie de l’amplificateur opérationnel 500,
est l’amplitude du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation 1,
est la fréquence du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation 1, et
est une constante liée à la forme du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation 1.

A titre d’exemple, lorsque le potentiel électrique appliqué est de forme carrée. Le potentiel électrique appliqué peut également être de forme rectangulaire ou de forme sinusoïdale. A titre d’exemples non limitatifs, peut être égale à 47 pF ou égale à 237 pF. peut appartenir à une branche de la boucle de rétroaction 501 parallèle à la branche de ladite boucle sur laquelle est agencé le régulateur 502.

On privilégiera un potentiel électrique de forme carrée pour une fréquence comprise entre 10 kHz et 300 kHz. On privilégiera un potentiel électrique de forme sinusoïdale pour une fréquence comprise entre 0,1 Hz et 100 kHz.

Unité de traitement

En référence aux figures 11 à 13, l’unité de traitement 52 peut avantageusement être intégrée à l’électronique de commande 5. L’unité de traitement 52 peut comprendre ou être constituée du processeur du microcontrôleur.

Comme déjà mentionné plus haut, l’unité de traitement 52 du dispositif de caractérisation 0 peut être configurée pour traiter les valeurs équivalentes calculées par l’unité de calcul 51, afin de déterminer :

une valeur de capacitance C_mdu milieu MUT vers l’électrode de mesure 2 et/ou une valeur de capacitance C_mmdu milieu MUT vers l’électrode de référence 3, et/ou
une valeur de conductance G_m du milieu MUT vers l’électrode de mesure 2 et/ou une valeur de conductance G_mmdu milieu MUT vers l’électrode de référence 3,

en résolvant une équation ou un système d’équations traduisant la modélisation choisie du comportement du système de caractérisation 10.

Modèle électrique

Le modèle électrique qui sous-tend l’algorithme de traitement est mieux compris sur la base de la et en complément de la .

Le modèle décrit ci-dessous en référence aux figures 15 et 16 fait astucieusement intervenir les différentes admittances « Y » à modéliser ou modélisables, de préférence aux différentes impédances « Z » correspondantes. En effet, les admittances étant proportionnelles aux permittivités diélectriques, et non à leur inverse, il est ainsi plus immédiat de faire le lien entre le modèle tel qu’illustré sur les figures susmentionnées et tel que décrit ci-dessous, notamment avec l’usage qui peut en être fait et qui consiste par exemple à extraire du modèle la conductivité électrique du milieu MUT à caractériser, cette dernière définissant notamment la partie imaginaire de la permittivité diélectrique complexe du milieu MUT étudié.

La figure 15 fait en outre apparaître des courants injectés par exemple par couplage(s) capacitif(s) entre des électrodes isolées du milieu MUT à caractériser par un diélectrique. Les différents couplages à modéliser ou modélisable y sont notés , et .

Il est notable que, l’électrode de mesure 2 étant virtuellement à la masse, le courant est relié au courant d’excitation par la relation où est le courant vers l’électrode de référence 3. Ainsi, les courants qui traversent le milieu MUT à caractériser peuvent être dirigés vers l’électrode de référence 3 et/ou vers l’électrode de mesure 2. Il est alors au cœur de l’invention de tirer parti du fait que les courants et dépendent de la permittivité complexe du milieu d’étude, de sorte que les capacitances du milieu MUT vers l’électrode de mesure 2 et du milieu MUT vers l’électrode de référence 3, ainsi que les conductances vers l’électrode de mesure 2 et vers l’électrode de référence 3, sont proportionnelles à la permittivité complexe du milieu d’étude et y sont reliées par des facteurs liés aux géométries des électrodes et à leur agencement relatif.

Il vient ainsi que, sur la base des notations de la figure 15, la capacité équivalente telle que calculée par l’unité de calcul 51 sur la base des grandeurs physiques mesurées par le circuit électronique de mesure 50, peut par ailleurs être considérée comme vérifiant la relation suivante : ou encore

Alors que la conductance équivalente telle que calculée par l’unité de calcul 51 sur la base des grandeurs physiques mesurées par le circuit électronique de mesure 50, peut par ailleurs être considérée comme vérifiant la relation suivante : ou encore

Où la notation désigne l’admittance équivalente aux deux admittances et en série, de sorte que et où , étant comme l’illustre la figure 15 relatif aux admittances des courants de fuites vers l’électrode de mesure 2 et étant comme l’illustre la relatif aux admittances des courants vers l’électrode de référence 3, et où : où et où et

Une telle approche a été utilisée pour modéliser le résultat présenté sur la qui est une mesure en fréquence à l’aide de condensateurs dont les électrodes interdigitées sont revêtues d’un film polyimide d’un volume d’eau déminéralisée, avec et sans électrode de contrôle 8, telle qu’illustrée sur la , et dont une description est donnée par le document de brevet US 2020/0340844 A1 incorporé ici par référence.

Sur la , les symboles « + » représentent les mesures de capacité équivalente C_Xpour différentes fréquences de mesure obtenues avec une électrode de contrôle 8 imposant, au volume d’eau déminéralisée, un potentiel relié à la masse. Les cercles « ○ » représentent les mesures de capacité équivalente C_Xpour différentes fréquences de mesure, sans électrode de contrôle. On observe, pour les fréquences inférieures à 300 Hz, une dispersion croissante des mesures correspondant à un moyennage moindre de celles-ci dû à un temps d’acquisition laissé constant sur l’ensemble de la gamme de fréquence.

On observe que, dans un régime dit de basses fréquences sensiblement inférieures à 1000 Hz, auxquelles l’eau déminéralisée possède un caractère conducteur électrique, la valeur de C_Xdevient une constante non nulle liée à la nature des matériaux diélectriques recouvrant les électrodes d’excitation 1 et de référence 3, alors que cette valeur tend vers 0 lorsque les courants se font pour l’essentiel vers l’électrode de contrôle 8.

On observe sur la que s’ensuit un régime transitoire pour des fréquences sensiblement comprises entre 1000 Hz et 100 000Hz, puis un régime relativement stable pour des fréquences supérieures 1 MHz. Le régime transitoire est remarquable en ce qu’il est indicatif d’un fluide partiellement conducteur électriquement, alors que le régime à haute fréquence est celui où le caractère diélectrique de l’eau distillée domine.

La courbe continue 100 ajustant étroitement une partie significative, par exemple sélectionnée selon certains critères, notamment pour n’ajuster que les mesures éloignées de celles obtenues avec électrode de contrôle 8 dans le premier régime de fréquence susmentionné, peut être obtenue de façon connue. Cette courbe continue 100 peut alors constituer une modélisation de l’évolution de la capacité équivalente C_Xen fonction de la fréquence de mesure sur l’intervalle considéré.

La courbe continue 200 est par exemple déductible de la courbe continue 100 de sorte à représenter l’évolution de la conductance équivalente G_Xen fonction de la fréquence de mesure. En alternative à une telle déduction, la courbe continue 200 peut être déterminée de la même façon que la courbe continue 100, sur la base d’un ajustement de mesures de la conductance équivalente G_Xsur l’intervalle de fréquence considéré. La courbe continue 200 peut alors constituer une modélisation de l’évolution de la conductance équivalente G_Xen fonction de la fréquence de mesure sur l’intervalle considéré.

Il ressort de ce qui précède que les modélisations que constituent les courbes 100 et 200 contiennent une même information, en ce sens qu’elles portent chacune une information complémentaire de celle portée par l’autre ; elles peuvent ainsi avoir un rôle d’égale importance. L’on pourra préféré suivant les as d’espèces bénéficier des informations portées par chacune des deux courbes déterminées, séparément l’une de l’autre, ou par déduction l’une de l’autre, ou se contenter de l’information portée par l’une quelconque ou choisie des deux.

Notons que les courbes 100 et 200 ont été obtenues en considérant une modélisation du comportement électrique du système de caractérisation 10 comportant une mise en parallèle de la capacité équivalente C_Xet de la conductance équivalente G_Xde la façon illustrée sur la .

Notons que, en alternative au modèle illustré sur la et décrit ci-dessus, un autre modèle, illustré sur la , vient en considérant que le milieu MUT à caractériser est électriquement conducteur ; cet autre modèle peut à juste titre être considéré comme une simplification du modèle plus général illustré sur la .

Comme cela apparaîtra de façon plus évidente notamment au vu de la description des figures 18A, 18B, 19, 20A et 20B, une clé de l’approche exploitée par la présente invention se trouve dans le fait que les quantités et , ou encore et , ne diffèrent entre elles que par les aspects géométriques (forme et dimensions des électrodes, agencement relatif sur un éventuel récipient, par exemple aux parois plus ou moins diélectriques). Ceci apparaît clairement sur la figure 16 qui fait apparaître au travers des deux ‘branches’ référencées et des « chemins » de courants qui dépendent, selon l’illustration proposée, de l’agencement des électrodes sur les parois 60 du récipient. De la même façon que décrite précédemment relativement aux modélisations de la capacité équivalente C_Xet de la conductance équivalente G_X, l’on comprend que les modélisations des deux ‘branches’ susmentionnées vont être complémentaires l’une de l’autre et porteuses d’une information de même richesse.

C’est là un constat surprenant identifié par l’inventeur, et sur l’exploitation duquel repose le cas échéant en partie la solution présentement proposée selon ses différents aspects.

Implémentation

Il pourra être appliqué tout algorithme, éventuellement avec une logique d’intelligence artificielle et de fonctions d’apprentissage, permettant d’associer les valeurs traitées de C_Xet de G_Xà un milieu MUT étudié, le cas échéant le dispositif de caractérisation 0 ou le système de caractérisation 10 ayant préalablement été étalonné, en absence et/ou en présence du milieu MUT étudié ou d’un milieu MUT de propriétés connues constituant un milieu de référence pour le milieu MUT à caractériser.

Une représentation graphique pourra aussi être produite, par exemple sous forme d’évolution des quantités ε’ et ε’’ en fonction de la fréquence de mesure, ou alternativement sous forme d’évolution d’une de ces quantités en fonction de l’autre dans une représentation Cole-Cole.

Comme nous le verrons plus bas, la fournit un autre exemple d’une telle représentation graphique.

Contenant

Un deuxième aspect de l’invention concerne un système de caractérisation 10 comprenant un dispositif de caractérisation 0 selon le premier aspect de l’invention et le cas échéant un contenant 6. Ce dernier est alors préférentiellement de type réservoir (Cf. figures 11 et 13) ou de type conduit (Cf. ), destiné à recevoir un milieu étudié MUT.

Le système de caractérisation 10 est ainsi constitué par l’agencement du dispositif de caractérisation 0 relativement au contenant 6.

En référence aux figures 11 et 12, le contenant 6 peut comporter :

une paroi 60, agencée pour séparer le milieu étudié MUT d’un milieu extérieur, la paroi 60 comprenant :
- une surface interne 600, orientée vers le milieu étudié, revêtue le cas échéant d’un film diélectrique ;
- une surface externe 601, opposée à la surface interne 600, et orientée vers le milieu extérieur ; et
un boîtier étanche (non illustré), réalisé dans un matériau diélectrique, et s’étendant à l’intérieur du contenant 6, le boîtier étanche étant destiné à être immergé dans le milieu étudié MUT ;

le dispositif de caractérisation 0 étant agencé à l’intérieur du boîtier étanche de sorte que l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2 génèrent un champ électrique à l’intérieur du contenant 6.

En alternative ou en complément, le contenant 6 peut comporter :

une paroi 60, agencée pour séparer le milieu étudié MUT d’un milieu extérieur, et réalisée dans un matériau diélectrique, la paroi 60 comprenant :
- une surface interne 600, orientée vers le milieu étudié MUT ;
- une surface externe 601, opposée à la surface interne 600, et orientée vers le milieu extérieur ; et
un boîtier (non illustré), réalisé dans un matériau diélectrique, et s’étendant sur la surface externe 601 ;

le dispositif de caractérisation 0 étant agencé à l’intérieur du boîtier de sorte que l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2 génèrent un champ électrique à l’intérieur du contenant 6.

Le matériau diélectrique dans lequel est réalisée la paroi 60 est de préférence un matériau plastique ou un matériau composite. A titre d’exemples non limitatifs, le matériau plastique peut être le polyéthylène ; le matériau composite peut être un matériau pré-imprégné, comprenant une matrice (ou résine) imprégnant un renfort. La résine peut être une résine thermodurcissable ou une résine thermoplastique.

En référence à la , le contenant 6 peut comporter :

une paroi 60, agencée pour séparer le milieu étudié d’un milieu extérieur, et réalisée dans un matériau diélectrique ; et
au moins une cavité fermée, formée à l’intérieur de la paroi 60 ; le dispositif étant agencé à l’intérieur de la cavité fermée de sorte que l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2 génèrent un champ électrique à l’intérieur du contenant 6.

La paroi 60 comprend :

une surface interne 600, orientée vers le milieu étudié MUT ; et
une surface externe 601, opposée à la surface interne 600, et orientée vers le milieu extérieur.

La ou les cavités fermées s’étendent entre la surface interne 600 et la surface externe 601 de la paroi 60.

Lorsque l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2 sont interdigitées et présentent une période spatiale, notée , l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2 sont avantageusement séparées de la surface interne 600 de la paroi 60 par une distance, notée , de sorte que .

Quel que soit le mode considéré parmi les modes de réalisation décrits ci-dessus du contenant 6, ce dernier peut comprendre en outre une étiquette de radio-identification (non illustrée) agencée à l’intérieur de la cavité fermée. A titre d’exemple non limitatif, l’étiquette de radio-identification peut être une étiquette RFID (« Radio Frequency IDentification » en langue anglaise).

Le contenant 6 peut par ailleurs avantageusement comprendre un dispositif de récupération d’énergie 7 (comme illustré aux figures 11 à 13) configuré pour récupérer une énergie provenant d’une source S, de manière à alimenter électriquement l’électronique de commande 5.

La source S peut être une source externe située dans le milieu extérieur. La source S externe peut émettre des ondes radioélectriques. La source S externe est avantageusement sélectionnée parmi :

un ordiphone (comme illustré à la ), le cas échéant muni d’un module de communication en champ proche (NFC pour «Near Field Communication» en langue anglaise),
une antenne émettant un signal de type Bluetooth® à basse énergie (BLE pour « Bluetooth® Low Energy » en langue anglaise), ou un signal Wifi à 2,4 GHz ou à 5 GHz.

Il est à noter qu’un logement peut être prévu sur le contenant 6 afin de recevoir à demeure la source S externe. En alternative, la source S peut être agencée à l’intérieur de la cavité fermée ou à l’intérieur du contenant 6.

Le dispositif de récupération d’énergie 7 est relié électriquement au microcontrôleur de l’électronique 5 de commande. L’énergie est avantageusement choisie parmi une énergie électromagnétique, une énergie mécanique et une énergie thermique. A titre d’exemples non limitatifs, la source S peut être un générateur à induction, un générateur thermoélectrique ou un système piézoélectrique.

Le contenant 6 peut en outre comprendre avantageusement des moyens de stockage (non illustrés) pour stocker l’énergie récupérée par le dispositif de récupération d’énergie 7. A titre d’exemples non limitatifs, les moyens de stockage peuvent comporter une batterie ou un supercondensateur (par exemple à base de carbone).

Etalonnage

Selon un autre de ses aspects, déjà mentionné plus haut, l’invention concerne un procédé d’étalonnage d’un dispositif de caractérisation 0 ou d’un système de caractérisation 10 selon les deux premiers aspects de l’invention.

Un tel étalonnage peut être basé sur deux situations connues, par exemple en absence et/ou en présence du milieu MUT étudié, et plus particulièrement en présence d’un réservoir 6 plein et d’un réservoir 6 vide, le mot « vide » au sens courant faisant référence à l’air ou gaz dont le permittivité relative est suffisamment porche de 1 ou connue.

En alternative ou en complément, un tel étalonnage peut reposer sur la présence, voire l’absence, d’un milieu MUT de propriétés connues constituant un milieu de référence pour le milieu MUT à caractériser.

En alternative ou en complément, un tel étalonnage peut comprendre une étape consistant à faire varier la pulsation du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation 1 sur une partie au moins d’un intervalle de pulsation d’excitation sur lequel le milieu MUT à caractériser est au moins partiellement conducteur électriquement.

En alternative ou en complément, un tel étalonnage peut reposer sur une caractérisation du dispositif de caractérisation 0 ou du système de caractérisation 10 selon les deux premiers aspects de l’invention en imposant à l’électrode d’excitation l’au moins parmi une fréquence d’excitation à laquelle le milieu MUT à caractériser est conducteur électriquement et une fréquence d’excitation à laquelle le milieu MUT à caractériser est diélectrique, voire l’une puis l’autre de telles fréquences.

Applications

Selon un autre de ses aspects, déjà mentionné plus haut, l’invention concerne un procédé de caractérisation d’un milieu MUT mettant en œuvre un dispositif de caractérisation 0 ou un système de caractérisation 10 selon les deux premiers aspects de l’invention. L’invention concerne également l’utilisation du dispositif de caractérisation 0 ou du système de caractérisation 10 pour caractériser un milieu MUT.

En référence aux figures 18A et 18B, un exemple d’application est décrit ci-dessous, à titre non limitatif, pour une caractérisation d’un niveau de certains milieux MUT essentiellement conducteurs (e.g. solutions aqueuses à basse fréquence ) dont le comportement électrique peut être modélisé de la façon illustrée sur la .

Dans ce cas, le dispositif de caractérisation 0 peut comprendre en outre un commutateur agencé entre les électrodes de mesure 2 et de référence 3 de sorte à réaliser successivement les deux mesures et selon des configurations respectives représentées sur les figures 18A et 18B, alors que les surfaces et extension des électrodes sont définies, et sont disposées préférentiellement à l’extérieur du récipient 6 renfermant le milieu MUT.

La simulation numérique des valeurs de capacité et telles qu’attendues et observées dans la présente situation donnent respectivement les évolutions 400 et 300 illustrées sur le graphique de la .

Il est revendiqué que, dans ce cas, le rapport est proportionnel à la hauteur de fluide, dès lors que son niveau dépasse celui 101 de la référence basse et que les électrodes ont même largeur. Ceci est clairement illustré par la simulation numérique présentée sur la figure 20B, montrant l’évolution du rapport en fonction du niveau du milieu MUT dans le contenant 6.

Il en va de même si la configuration fait intervenir une électrode de mesure 2 étendue et deux électrodes d’excitation 1 commutables vers la masse.

A titre d’autres exemples non limitatifs, on peut citer comme applications spécifiques :

la caractérisation d’un milieu MUT cellulaire, par exemple dans un bioréacteur et/ou en termes de sa concentration en cellules ;
la qualité d’un liquide MUT partiellement conducteur électriquement, et par exemple alimentaire, tel qu’un lait entier ou demi-écrémé ;
l’état d’un électrolyte MUT, par exemple dans une batterie ;
la caractérisation d’un milieu aqueux complexe MUT, par exemple dans un débourbeur de station d’épuration, en particulier en termes de sa concentration en boue(s) ; et
la qualité d’un mélange eau/Adblue® MUT, par exemple dans un réservoir.

L’invention trouve ainsi à s’appliquer non seulement à des milieux fluides MUT, mais également à une variété de milieux complexes MUT comme :

Des milieux aqueux avec différentes concentrations ioniques d’espèces étrangères ;
Des milieux biologiques (cellules et fluides extracellulaires) ;
Des suspensions (cellules, bactéries, lipides, levures, …) ; et
Des gels (alimentaires, batteries, …).

De tels milieux pouvant jouer un rôle particulier pour la biochimie et l’électrochimie, l’on comprend que l’invention trouve des applications particulièrement avantageuses dans ces domaines techniques.

Dans le cas du corps humain, la mesure que permet l’invention est appelée bio-impédance et son utilisation permet notamment d’accéder, sous certaines hypothèses, à la masse graisseuse.

Pour illustrer les exemples d’application susmentionnés, développons ci-dessous le cas d’un milieu MUT étudié constitué d’un milieu aqueux complexe, de ceux que l’on trouve par exemple dans un débourbeur de station d’épuration. Il est possible alors de distinguer trois régimes :

les fréquences les plus basses ( ) qui permettent de caractériser en particulier la présence de particules colloïdales donnant lieu à des doubles couches électriques,
les fréquences intermédiaires ( ) qui permettent de caractériser la conductivité du milieu étudié MUT,
les hautes fréquences ( ) qui permettent de caractériser la réponse diélectrique des différentes espèces présentes dans le milieu étudié MUT.

Il apparaît ainsi que le dispositif de caractérisation 0 peut permettre, en alternative ou en complément à d’autres applications, telle que celle consistant à caractériser un niveau du milieu MUT dans son récipient, d’évaluer des propriétés d’intérêt du milieu MUT étudié traversé par le champ électrique généré par l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2, et par là-même permet de renseigner sur des aspects essentiels du milieu MUT étudié, tels que sa composition, par réponse en fréquence.

Par ailleurs, le procédé de caractérisation d’un milieu MUT mettant en œuvre un dispositif de caractérisation 0 ou un système de caractérisation 10 selon les deux premiers aspects de l’invention peut comprendre une étape consistant à faire varier la pulsation du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation 1 sur une partie au moins d’un intervalle sur lequel le milieu MUT destiné être caractérisé ou à caractériser est au moins partiellement conducteur électriquement.

L’invention ne se limite pas aux modes de réalisation exposés et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par les revendications. L’homme du métier est mis à même de considérer leurs combinaisons techniquement opérantes, et de leur substituer des équivalents.

Claims

Dispositif de caractérisation (0) d’un milieu MUT par spectroscopie capacitive, comprenant :
une électrode d’excitation (1) et une électrode de mesure (2), présentant chacune une géométrie déterminée et destinées à être agencées entre elles de sorte à former un condensateur (12),

une électrode de référence (3) présentant une géométrie déterminée et définissant un potentiel électrique de référence V_g,

une électronique de commande (5) configurée pour appliquer un potentiel électrique V_dà l’électrode d’excitation (1), et

un circuit électronique de mesure (50) possédant une masse virtuelle V₀connectée directement à l’électrode de mesure (2) ;
Le dispositif de caractérisation (0) étant caractérisé en ce que :
Les électrodes d’excitation, de mesure et de référence (1, 2 et 3) sont destinées à être agencées entre elles et relativement au milieu MUT destiné à être caractérisé selon un agencement tel que :

L’électronique de commande (5) soit configurée pour faire varier dans le temps le potentiel électrique V_dà l’électrode d’excitation (1) avec une pulsation ω choisie de sorte que le milieu MUT destiné à être caractérisé soit au moins partiellement électriquement conducteur,

Les électrodes d’excitation et de mesure (1 et 2) soient agencées pour autoriser un premier courant électrique, noté i₁-i_g, à circuler entre elles via le milieu MUT, et

Les électrodes d’excitation et de référence (1 et 3) soient agencées pour autoriser un deuxième courant électrique, noté i_g, à circuler entre elles via le milieu MUT ;
De sorte qu’au moins l’un parmi les couplages capacitifs suivants soit créé :
Un couplage capacitif C_dmentre l’électrode d’excitation (1) et le milieu MUT,

Un couplage capacitif C_msentre l’électrode de mesure (2) et le milieu MUT, et

Un couplage capacitif C_mgentre l’électrode de référence (3) et le milieu MUT ;
Le dispositif de caractérisation (0) étant de plus caractérisé en ce que :
Le circuit électronique de mesure (50) est configuré pour mesurer des grandeurs physiques représentatives d’un courant, noté i₃, provenant de l’électrode d’excitation (1) et parvenant à l’électrode de mesure (2) ;
Et en ce qu’il comprend en outre :
une unité de calcul (51) configurée pour calculer au moins l’une parmi une valeur de capacité électrique équivalente, notée C_X, et une valeur de conductance équivalente, notée G_X, entre les électrodes d’excitation et de mesure (1 et 2), au moins à partir des grandeurs physiques mesurées par le circuit électronique de mesure ; et

une unité de traitement (52) configurée pour traiter chaque valeur qui, parmi les valeurs de la capacité électrique équivalente C_Xet de la conductance équivalente G_X, a été calculée par l’unité de calcul (51), pour déterminer au moins l’une parmi une valeur de capacitance C_mdu milieu MUT vers l’électrode de mesure (2) et une valeur de capacitance C_mmdu milieu MUT vers l’électrode de référence (3) et/ou au moins l’une parmi une valeur de conductance G_m du milieu MUT vers l’électrode de mesure (2) et une valeur de conductance G_mmdu milieu MUT vers l’électrode de référence (3), en résolvant un système à au moins une équation construit sur une modélisation (1000, 1100, 1200) du comportement électrique d’un système de caractérisation (10) comprenant au moins le dispositif de caractérisation (0), chaque équation reliant entre elles :

l’une déterminée des valeurs qui, parmi les valeurs de la capacité électrique équivalente C_Xet de la conductance équivalente G_X, a été calculée par l’unité de calcul (51),

au moins celle qui parmi la capacitance C_mdu milieu MUT vers l’électrode de mesure (2) et la capacitance C_mmdu milieu MUT vers l’électrode de référence (3) est à déterminer,

au moins la valeur la plus élevée parmi une valeur du couplage capacitif C_dmcréé entre l’électrode d’excitation (1) et le milieu MUT, une valeur du couplage capacitif C_mscréé entre l’électrode de mesure (2) et le milieu MUT et une valeur du couplage capacitif C_mgcréé entre l’électrode de référence (3) et le milieu MUT,

une valeur de pulsation ω du potentiel électrique V_dà l’électrode d’excitation (1), et

une conductivité du milieu MUT à caractériser,
au moins l’un parmi le dispositif de caractérisation (0) et le système de caractérisation (10) ayant préalablement été étalonné pour lesdites géométries déterminées des électrodes (1, 2 et 3) et ledit agencement.
Dispositif de caractérisation (0) selon la revendication précédente, dans lequel ladite au moins une équation dudit système peut en outre être fonction d’une valeur de capacité mutuelle C_dsentre l’électrode d’excitation (1) et l’électrode de mesure (2).
Dispositif de caractérisation (0) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’unité de traitement (52) est en outre configurée pour déterminer, en fonction de chacune parmi la valeur de capacitance C_mdu milieu MUT vers l’électrode de mesure (2) et la valeur de capacitance C_mmdu milieu MUT vers l’électrode de référence (3) ayant été déterminée, voire le cas échéant en fonction de chacune parmi la valeur de conductance G_m du milieu MUT vers l’électrode de mesure (2) et la valeur de conductance G_mmdu milieu MUT vers l’électrode de référence (3) ayant été déterminée, des valeurs représentatives de la permittivité diélectrique complexe du milieu MUT.
Dispositif de caractérisation (0) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’unité de traitement (52) est en outre configurée pour déterminer, en fonction de chacune parmi la valeur de capacitance C_mdu milieu MUT vers l’électrode de mesure (2) et la valeur de capacitance C_mmdu milieu MUT vers l’électrode de référence (3) ayant été déterminée, voire le cas échéant en fonction de chacune parmi la valeur de conductance G_m du milieu MUT vers l’électrode de mesure (2) et la valeur de conductance G_mmdu milieu MUT vers l’électrode de référence (3) ayant été déterminée, au moins une valeur représentative d’une surface de contact entre :
au moins une des électrodes d’excitation, de mesure et de référence (1, 2 et 3), en particulier l’électrode de mesure (2), et

le milieu MUT.
Dispositif de caractérisation (0) selon l’une quelconque des revendications précédentes :
l’électrode de référence (3) est revêtue d’un matériau diélectrique (4) de sorte à créer le couplage capacitif C_mgentre l’électrode de référence (3) et le milieu MUT ; et

l’unité de traitement est configurée pour traiter chaque valeur qui, parmi les valeurs de la capacité électrique équivalente C_Xet de la conductance équivalente G_X, a été calculée par l’unité de calcul (51), au moins en fonction de la valeur du couplage capacitif C_mgentre l’électrode de référence (3) et le milieu MUT créé par revêtement, par le matériau diélectrique (4), de l’électrode de référence (3).
Dispositif de caractérisation (0) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
l’une au moins parmi l’électrode d’excitation (1) et l’électrode de mesure (2) est revêtue d’un matériau diélectrique (4), de sorte à créer, respectivement, le couplage capacitif C_dmentre l’électrode d’excitation (1) et le milieu MUT et le couplage capacitif C_msentre l’électrode de mesure (2) et le milieu MUT ;

l’unité de traitement est configurée pour traiter chaque valeur qui, parmi les valeurs de la capacité électrique équivalente C_Xet de la conductance équivalente G_X, a été calculée par l’unité de calcul (51), au moins en fonction de la valeur de chaque couplage capacitif qui, parmi le couplage capacitif C_dmentre l’électrode d’excitation (1) et le milieu MUT et le couplage capacitif C_msentre l’électrode de mesure (2) et le milieu MUT, a été créé par revêtement, par le matériau diélectrique (4), de l’une correspondante parmi l’électrode d’excitation (1) et l’électrode de mesure (2).
Dispositif de caractérisation (0) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’agencement de l’électrode d’excitation (1) par rapport à l’électrode de référence (3) est en outre tel qu’une variation de la capacité mutuelle entre l’électrode d’excitation (1) et l’électrode de référence (3), notée ΔC_dg, vérifie :

où C_dsest une valeur représentative de la capacité mutuelle entre l’électrode d’excitation (1) et l’électrode de mesure (2).
Dispositif de caractérisation (0) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’agencement de l’électrode de mesure (2) par rapport à l’électrode de référence (3) est en outre tel que la variation de la capacité mutuelle entre l’électrode de mesure (2) et l’électrode de référence (3), notée ΔC_sg, vérifie :

où C_dsest une valeur représentative de la capacité mutuelle entre l’électrode d’excitation (1) et l’électrode de mesure (2).
Dispositif de caractérisation (0) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le circuit électronique de mesure (50) comporte un amplificateur opérationnel (500), monté en inverseur, et comprenant :
une entrée non-inverseuse, reliée à l’électrode de référence (3),

une entrée inverseuse, reliée à l’électrode de mesure (2),

une sortie, où les grandeurs physiques sont mesurées, et

une boucle de rétroaction (501), reliant la sortie à l’entrée inverseuse.
Dispositif de caractérisation (0) selon la revendication précédente, dans lequel la boucle de rétroaction (501) comporte un régulateur (502), de préférence de type Proportionnel-Intégral, configuré pour que l’amplificateur opérationnel (500) fonctionne en régime linéaire.
Dispositif de caractérisation (0) selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel le circuit électronique de mesure (50) est configuré pour mesurer une amplitude de tension en phase V_Iet une amplitude de tension en quadrature V_Qen sortie de l’amplificateur opérationnel (500), lesdites grandeurs physiques comprenant, voire étant constituées de, l’amplitude de tension en phase V_Iet l’amplitude de tension en quadrature V_Q.
Dispositif de caractérisation (0) selon l’une quelconque des trois revendications précédentes, dans lequel la capacité électrique équivalente est calculée par l’unité de calcul (51) selon la formule suivante :

où :
est une capacité électrique prédéterminée, appartenant à la boucle de rétroaction (501) de l’amplificateur opérationnel (500),

est une amplitude de la tension en phase mesurée à la sortie de l’amplificateur opérationnel (500), et

est une amplitude de la tension en quadrature mesurée à la sortie de l’amplificateur opérationnel (500).
Dispositif de caractérisation (0) selon l’une quelconque des quatre revendications précédentes, dans lequel la conductance équivalente est calculée par l’unité de calcul (51) selon la formule suivante :

où :
est une capacité électrique prédéterminée, appartenant à la boucle de rétroaction (501) de l’amplificateur opérationnel (500),

est une amplitude de la tension en phase mesurée à la sortie de l’amplificateur opérationnel (500),

est une amplitude de la tension en quadrature mesurée à la sortie de l’amplificateur opérationnel (500),

est le potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation (1),

est la fréquence du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation (1) telle que , où est la pulsation du potentiel électrique à l’électrode d’excitation (1), et

est une constante liée à la forme du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation (1).
Dispositif de caractérisation (0) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le condensateur formé par l’électrode d’excitation (1) et l’électrode de mesure (2) est sélectionné parmi un condensateur à plaques parallèles, un condensateur à électrodes interdigitées, un condensateur à cylindres coaxiaux.
Dispositif de caractérisation (0) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’électronique de commande (5) est configurée pour appliquer un potentiel électrique à l’électrode d’excitation (1) selon une fréquence fixe choisie de sorte que le milieu (MUT) destiné à être caractérisé est électriquement conducteur à ladite fréquence fixe.
Dispositif de caractérisation (0) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’électronique de commande (5) est configurée pour faire varier la pulsation du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation 1 sur une partie au moins d’un intervalle sur lequel le milieu MUT destiné à être caractérisé est au moins partiellement conducteur électriquement, ladite variation consistant le cas échéant en un balayage du dit intervalle et ledit intervalle correspondant de préférence à une bande de fréquence comprise entre 0,1 Hz et 10 MHz.
Dispositif de caractérisation (0) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un interrupteur et une électrode de contrôle (8) dont le potentiel est alternativement laissé flottant ou relié à l’électronique de commande (5) par l’interrupteur.
Dispositif de caractérisation (0) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un commutateur agencé entre les électrodes de mesure (2) et de référence (3).
Système de caractérisation (10) comprenant au moins un dispositif de caractérisation (0) selon l’une quelconque des revendications précédentes et un contenant (6), préférentiellement de type réservoir ou de type conduit, destiné à recevoir un milieu MUT à caractériser.
Système de caractérisation (10) selon la revendication précédente, dans lequel le contenant (6) comprend :
une paroi (60), agencée pour séparer le milieu étudié MUT d’un milieu extérieur, la paroi (60) comprenant :

une surface interne (600), orientée vers le milieu étudié MUT, le cas échéant revêtue d’un film diélectrique ;

une surface externe (601), opposée à la surface interne (600), et orientée vers le milieu extérieur ;

un boîtier étanche, réalisé dans un matériau diélectrique, et s’étendant à l’intérieur du contenant (6), le boîtier étanche étant destiné à être immergé dans le milieu étudié MUT ;
le dispositif de caractérisation (0) étant agencé à l’intérieur du boîtier étanche de sorte que l’électrode d’excitation (1) et l’électrode de mesure (2) génèrent un champ électrique à l’intérieur du contenant (6).
Système de caractérisation (10) selon la revendication 19, dans lequel le contenant (6) comprend :
une paroi (60), agencée pour séparer le milieu étudié MUT d’un milieu extérieur, et réalisée dans un matériau diélectrique, la paroi (60) comprenant :

une surface interne (600), orientée vers le milieu étudié MUT ;

une surface externe (601), opposée à la surface interne (600), et orientée vers le milieu extérieur ;

un boîtier, réalisé dans un matériau diélectrique, et s’étendant sur la surface externe (601) ;
le dispositif de caractérisation (0) étant agencé à l’intérieur du boîtier de sorte que l’électrode d’excitation (1) et l’électrode de mesure (2) génèrent un champ électrique à l’intérieur du contenant (6).
Système de caractérisation (10) selon la revendication 19, dans lequel le contenant (6) comprend :
une paroi (60), agencée pour séparer le milieu étudié MUT d’un milieu extérieur, et réalisée dans un matériau diélectrique ;

au moins une cavité fermée, formée à l’intérieur de la paroi (60) ;
le dispositif de caractérisation (0) étant agencé à l’intérieur de la cavité fermée de sorte que l’électrode d’excitation (1) et l’électrode de mesure (2) génèrent un champ électrique à l’intérieur du contenant (6).
Procédé d’étalonnage d’un dispositif de caractérisation (0) selon l’une quelconque des revendications 1 à 18 ou d’un système de caractérisation (10) selon l’une quelconque des revendications 19 à 22.
Procédé d’étalonnage selon la revendication précédente, comprenant une étape consistant à faire varier la pulsation du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation (1) sur une partie au moins d’un intervalle sur lequel le milieu MUT destiné être caractérisé est au moins partiellement conducteur électriquement.
Procédé de caractérisation d’un milieu MUT mettant en œuvre un dispositif de caractérisation (0) selon l’une quelconque des revendications 1 à 18 ou un système de caractérisation (10) selon l’une quelconque des revendications 19 à 22.
Procédé de caractérisation selon la revendication précédente, comprenant une étape consistant à faire varier la pulsation du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation (1) sur une partie au moins d’un intervalle sur lequel le milieu MUT destiné être caractérisé est au moins partiellement conducteur électriquement.
Procédé de caractérisation selon l’une quelconque des deux revendications précédentes, dans lequel le milieu MUT destiné à être caractérisé est choisi parmi :
un milieu cellulaire ;

un liquide partiellement conducteur électriquement, et par exemple alimentaire, tel qu’un lait entier ou demi-écrémé ;

un électrolyte ;

un milieu aqueux complexe ; et

un mélange eau/Adblue®.