WO2023126303A1 - Dispositif de caractérisation d'un milieu par spectroscopie capacitive - Google Patents

Dispositif de caractérisation d'un milieu par spectroscopie capacitive Download PDF

Info

Publication number
WO2023126303A1
WO2023126303A1 PCT/EP2022/087480 EP2022087480W WO2023126303A1 WO 2023126303 A1 WO2023126303 A1 WO 2023126303A1 EP 2022087480 W EP2022087480 W EP 2022087480W WO 2023126303 A1 WO2023126303 A1 WO 2023126303A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
medium
mut
electrode
measurement
excitation
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/087480
Other languages
English (en)
Inventor
Pierre Thibault
Original Assignee
Universite Grenoble Alpes
Centre National De La Recherche Scientifique
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universite Grenoble Alpes, Centre National De La Recherche Scientifique filed Critical Universite Grenoble Alpes
Publication of WO2023126303A1 publication Critical patent/WO2023126303A1/fr

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/26—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields
    • G01F23/263—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors
    • G01F23/266—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors measuring circuits therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/26—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields
    • G01F23/263—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors
    • G01F23/268—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields by measuring variations in capacitance of capacitors mounting arrangements of probes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/80—Arrangements for signal processing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F25/00—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume
    • G01F25/20—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of apparatus for measuring liquid level

Definitions

  • the invention relates to the technical field of devices and systems for characterizing a medium by capacitive spectroscopy.
  • a tank-type container can be a fixed tank used in an industrial process (bioreactor, food tank) or a mobile tank belonging to a mobile transport device (e.g. automobile, aircraft, boat).
  • a duct-type container can be a pipe (e.g. a pipe) through which the studied medium and the ions or any suspended particles that it carries flow.
  • Measuring the quality and/or level of a partially electrically conductive medium is an important issue in terms of safety and from an economic point of view, for example to monitor the quality of water intended for consumption, or the evolution of process in an industrial process (bioreactor for cell multiplication, yeast concentration, etc.), or to prevent breakdowns due to lack of fuel supply or due to adulterated fuel, or even to anticipate the replenishment needs of a reservoir for the implementation of an industrial process.
  • a system for characterizing a dielectric medium by capacitive spectroscopy known from the state of the art, in particular from the document X. Hu et al., “Planar capacitive sensors - designs and applications”, Sensor Review, vol. 30, no.1, pp. 24-39, 2010 (hereafter D1), comprises (cf. figure 7 of D1):
  • the invention aims to remedy all or part of the aforementioned drawbacks.
  • the invention aims more particularly to remedy the drawback according to which the characterization of a partially electrically conductive medium by capacitive spectroscopy using the systems of the prior art is most often affected by disturbances linked to leakage currents. inconstant and variable within the environment and during coupling with the outside (electrostatically charged operator, conductors at certain potentials, etc.); the measurement is then not reproducible and/or likely to be disturbed.
  • a first aspect of the invention relates to a device for characterizing a MUT medium by capacitive spectroscopy, comprising: an excitation electrode and a measurement electrode, each having a determined geometry and intended to be arranged between them so as to form a capacitor, a reference electrode having a determined geometry and defining a reference electric potential V g , control electronics configured to apply an electric potential Vd to the excitation electrode, and an electronic measurement circuit having a virtual ground Vo connected directly to the measuring electrode;
  • the excitation, measurement and reference electrodes are intended to be arranged between them and relative to the MUT medium intended to be characterized according to an arrangement such that: o
  • the control electronics are configured to vary the electric potential over time Vd at the excitation electrode with a pulsation ⁇ chosen so that the MUT medium intended to be characterized is at least partially electrically conductive, or more restrictively partially electrically conductive, o
  • the excitation and measurement electrodes are arranged to allow a first electric current, denoted i 1 -i g , to flow between them via the medium MUT, and o
  • the excitation and reference electrodes are arranged to allow a second electric current, denoted i g , to flow between them via the MUT medium;
  • the electronic measurement circuit is configured to measure physical quantities representative of a current, denoted i 3 , coming from the excitation electrode and reaching the measurement electrode;
  • a calculation unit configured to calculate at least one of an equivalent electrical capacitance value, denoted C x , and an equivalent conductance value, denoted G x , between the excitation electrodes and measurement, at least from the physical quantities measured by the electronic measurement circuit; and a processing unit configured to process each value which, among the values of the equivalent electrical capacitance C x and of the equivalent conductance G x , has been calculated by the calculation unit, to determine at least one of a value of capacitance C m from the MUT medium to the measurement electrode and a capacitance value C mm from the MUT medium to the reference electrode and/or at least one of a conductance value G m from the MUT medium to the measuring electrode and a conductance value G mm of the medium MUT towards the reference electrode, by solving a system with at least one equation built on a modeling of the electrical behavior of a characterization system comprising at least the characterization device, each equation linking together: o one determined of the values which, among the values of the equivalent
  • the invention according to its various aspects thus applies advantageously to media that are at least partially conductive, or at least partially conductive, which is expressed, as explained below, through their complex dielectric permittivity where a is the conductivity of the medium MUT studied and ⁇ is the pulsation of the signal applied to the studied medium.
  • the processing unit makes it possible to take it into account in order to obtain a more reliable characterization of the MUT medium studied compared to the state of the art, when the medium is at least partially electrically conductive at the pulsation ⁇ of the electric potential at the excitation electrode.
  • the geometry of the electrodes is also taken into account by the processing unit via the prior calibration of the device or the characterization system.
  • the modeling of the electrical behavior of the characterization system, and if necessary its calibration may be the responsibility of an artificial intelligence algorithm, based for example on an initial modeling of the most simple.
  • the characterization device according to the first aspect of the invention be rendered, in a relatively easy manner, operating including when arranged on a tank of variable shape and/or dimensions, for example in a manner flexible.
  • such a device makes it possible to predictably link an arrangement and geometries of electrodes to measurements of equivalent electrical capacitance C x and/or of equivalent conductance G x , according to a deterministic algorithm, and where appropriate evolutionary.
  • the device according to the first aspect of the invention makes it possible to overcome a charge transfer resistance between the medium studied and the reference electrode; modeling in particular is simplified.
  • the characterization device according to the first aspect of the invention could alternatively be adapted to take into account the existence of such a charge transfer resistance, for example due to the absence of a dielectric coating on the reference electrode.
  • the invention can thus allow, when the values of the capacitance C m of the MUT medium towards the measurement electrode and of the capacitance C mm of the MUT medium towards the reference electrode or equivalently the conductance values G m of the MUT medium to the measurement electrode and conductance Gmm of the MUT medium to the reference electrode, to determine the conductivity ⁇ of the MUT medium studied which can be indirectly deduced from the measurement of the complex capacitance C*( ⁇ ) , the latter depending both on the complex dielectric permittivity ⁇ *( ⁇ ) , but also on the surfaces forming the capacitors.
  • the complex capacitance C*( ⁇ ) is in fact that with which equivalent electrical models are confronted, defined in particular by the equivalent electrical capacitance C x and the equivalent conductance G x , capable of describing the phenomena involved, and which can be expressed in particular in the form of an equation or a system of equations to be solved.
  • the invention according to its first aspect can allow, when at least the value of the capacitance C m of the MUT medium towards the measurement electrode or equivalently the conductance value G m of the MUT medium towards the measuring electrode from at least one of the values of the equivalent electrical capacitance C x and of the equivalent conductance G x , to determine a level of the medium MUT studied, for example when the medium is contained in a container on which the device according to the first aspect of the invention is arranged.
  • said at least one equation of said system can also be a function of a mutual capacitance value C ds between the excitation electrode and the measurement electrode.
  • the processing unit can also be configured to determine values representative of the complex dielectric permittivity ⁇ *( ⁇ ) of the MUT medium, as a function of each of the capacitance value C m of the MUT medium towards l measuring electrode and the capacitance value C mm of the medium MUT towards the reference electrode having been determined and/or depending on each of the conductance value G m of the medium MUT towards the measuring electrode and the value of conductance Gmm of the MUT medium towards the reference electrode having been determined, at from the values of the equivalent electrical capacitance C x and of the equivalent conductance G x .
  • the device according to this example makes it possible to access the complex dielectric permittivity ⁇ *( ⁇ ) in the most general case, where the currents intervene both between excitation and measurement electrodes and between excitation and reference electrodes.
  • This situation makes it possible to access dependencies of ⁇ *( ⁇ ) which are more complex than that given by the formula: s' + ⁇ , which is the case for example of media with uniformly distributed biological cells, or suspensions conductive particles, etc.
  • the processing unit is further configured to determine, as a function of at least one of the capacitance value C m of the medium MUT towards the measurement electrode and the capacitance value C mm of the MUT medium towards the reference electrode having been determined and/or depending on at least one of the conductance value G m of the MUT medium towards the measurement electrode and the conductance value Gmm of the MUT medium towards the the reference electrode having been determined from at least one of the values of the equivalent electrical capacitance C x and of the equivalent conductance G x , at least one value representative of a contact surface between: at least one of the electrodes excitation, measurement and reference, in particular the measurement electrode, and the medium MUT.
  • an advantage obtained is to authorize the measurement of a level of the medium MUT studied, for example when the medium is contained in a container on which the device according to the first aspect of the invention is arranged.
  • the reference electrode is coated with a dielectric material so as to create the capacitive coupling C mg between the reference electrode and the medium MUT; and the processing unit is configured to process each value which, among the values of the equivalent electric capacitance C x and of the equivalent conductance G x , has been calculated by the calculation unit, at least as a function of the value of the capacitive coupling C mg between the reference electrode and the MUT medium created by coating, with the dielectric material, of the reference electrode.
  • At least one of the excitation electrode and the measurement electrode can be coated with a dielectric material, so as to create, respectively, the capacitive coupling C dm between the electrode of excitation and medium MUT and coupling capacitive C ms between the measuring electrode and the medium MUT; and the processing unit is configured to process each value which, among the values of the equivalent electrical capacitance C x and of the equivalent conductance G x , has been calculated by the calculation unit, at least as a function of the value of each capacitive coupling which, among the capacitive coupling C dm between the excitation electrode and the MUT medium and the capacitive coupling C ms between the measurement electrode and the MUT medium, has been created by coating, by the dielectric material, of a corresponding one of the excitation electrode and the measuring electrode.
  • the invention according to its various aspects applies advantageously to media that are at least partially conductive, or at least partially conductive, which is expressed, as explained below, through their complex dielectric permittivity.
  • At least partially electrically conductive it is meant that the medium verifies are respectively the real part and the imaginary part of the complex dielectric permittivity of the studied medium, for a pulsation ⁇ of the electric potential at the excitation electrode.
  • This limitation therefore excludes perfectly dielectric MUT media, or even media that can be, to a good approximation, considered as such, at the frequency f of the electric potential V d applied to the excitation electrode.
  • an at least partially electrically conductive medium may have an electrical conductivity greater than or equal to 1 pS/cm, preferably greater than or equal to 10 pS/cm, more preferably greater than or equal to 10 2 pS/cm.
  • Such a medium is therefore not purely dielectric; it can comprise one or more liquids and/or solid elements in dispersed form or separated by membranes.
  • partially electrically conductive we mean that the medium verifies ⁇ ”( ⁇ ) ⁇ where ⁇ ' and ⁇ ”( ⁇ ) are respectively the real part and the imaginary part of the complex dielectric permittivity of the studied medium, for a pulsation ⁇ of the electric potential at the excitation electrode.
  • a partially electrically conductive medium may have an electrical conductivity greater than or equal to 1 mS/cm, preferably greater than or equal to 1 S/cm, more preferably greater than or equal to 10 S/cm.
  • dielectric medium or material or which can be, in good approximation, considered as such, it is meant that the medium or material verifies or preference where ⁇ ' and ⁇ ”( ⁇ ) are respectively the real part and the part imaginary of the complex dielectric permittivity of the material, whatever the pulsation ⁇ of the electric potential at the excitation electrode, and in particular for an excitation frequency between 0.1 Hz and 10 MHz.
  • a medium or dielectric material may have an electrical conductivity strictly less than 1 ⁇ S/cm.
  • shielding we mean that the electric field lines are essentially confined (for example to better than 1%, preferably to better than 1%o close) in the volume delimited by the container and its envelope .
  • the MUT medium intended to be characterized is more particularly partially electrically conductive over an excitation frequency interval [f] such as defining the pulsation M of the system of measurement by the relationship Rather than considering a frequency interval, it could equivalently be considered an interval of electrical conductivity ⁇ , for example as defined by the order relation given above. These approaches can be considered equivalent to each other. In practice, those skilled in the art may prefer to adapt the measurement frequency range to the MUT medium to be characterized.
  • the complex dielectric permittivity ⁇ *( ⁇ ) is involved both: in the formula for calculating the conductivity of the medium between excitation and measurement electrodes: being the admittance of the medium MUT, which is intended to be characterized, between the excitation electrode and the measurement electrode, and in the formula for calculating the conductivity of the medium between excitation and reference electrodes: being the admittance of the medium MUT, which is intended to be characterized, between the excitation electrode and the reference electrode, are homogeneous quantities at lengths related to the geometry of the medium to characterize.
  • the excitation electrode, the measurement electrode and the reference electrode is coated with a dielectric material, preferably each is coated with a dielectric material;
  • the capacitor formed by the excitation electrode and the measuring electrode is a flat geometry capacitor;
  • the excitation electrode, the measuring electrode and the reference electrode can be directly covered with a dielectric material, for example via a dielectric film, or can be surrounded (surrounded, enveloped) by a dielectric material, for example when at least one of the excitation electrode, the measurement electrode and the reference electrode is inside a dielectric wall of a container of the studied medium.
  • an advantage obtained is to overcome a charge transfer resistance between the studied medium and which one(s) of the three electrodes (excitation, measurement, and reference) is coated, as well as limiting the effects of polarization.
  • the dielectric material coating at least one of the three electrodes makes it possible to avoid direct contact between that (s) of the three electrodes which is coated and the medium studied, so that any reaction linked to the electrochemistry of the electrodes is absent, and thereby makes it possible to preserve the sterility of the medium studied, which constitutes an important issue, for example for the characterization of a cellular medium.
  • the capacitive couplings created between the excitation electrode and the reference electrode, and/or between the excitation electrode and the measurement electrode can be taken into account by the processing unit in order to correct 'the values of C x and/or of G x calculated by the calculation unit.
  • the system of equations with at least one equation makes it possible to consider such values of C x and/or of G x which processed by the processing unit make it possible to take account of an electric current flowing between the excitation electrode and the reference electrode and/or between the excitation electrode and the measurement electrode and, thereby, make it possible to characterize the studied MUT medium even more reliably.
  • the arrangement of the excitation electrode with respect to the reference electrode is furthermore such that a variation of the mutual capacitance between the excitation electrode and the reference electrode, denoted ⁇ C dg , verifies: where C ds is a value representative of the mutual capacitance between the excitation electrode and the measurement electrode.
  • the arrangement of the measurement electrode with respect to the reference electrode is furthermore such that the variation of the mutual capacitance between the measurement electrode and the reference electrode, denoted ⁇ C sg , verifies: where C ds is a value representative of the mutual capacitance between the excitation electrode and the measurement electrode.
  • mutant capacitance or “transcapacitance” in English
  • electrical capacitance between the electrodes of the pair that is to say the ratio between the quantity of electrical charges carried by an electrode and the potential difference between the two electrodes.
  • a technical effect provided by joint verification of the last two optional characteristics introduced above, relating to the values of the mutual capacitance variations ⁇ C dg and ⁇ C sg with respect to the value C ds representative of the mutual capacitance between the excitation electrode and the measurement electrode, these variations being for example linked to changes in level and/or quality of the medium studied, is to generate electric currents towards the reference electrode and towards the measurement electrode which are comparable to each other, at least in intensity, in the presence of the studied MUT medium.
  • the resulting technical advantage consists at least in that the physical quantities measured by the electronic measurement circuit have similar dynamics.
  • the electronic measurement circuit comprises an operational amplifier, mounted as an inverter, and comprising:
  • an advantage obtained is to easily obtain a virtual ground allowing the measurement electrode to be virtually grounded.
  • the excitation electrode and the measurement electrode are therefore placed at the same reference electrical potential, although separated by a large impedance.
  • the feedback loop can comprise a regulator, preferably of the Proportional-Integral type, configured so that the operational amplifier operates in a linear regime.
  • the electronic measurement circuit can be configured to measure an in-phase voltage amplitude V I and a quadrature voltage amplitude VQ at the output of the operational amplifier, said physical quantities comprising, or even consisting of, the amplitude in-phase voltage V I and the quadrature voltage amplitude VQ;
  • the equivalent electrical capacity C x can be calculated by the calculation unit according to the following formula: where: o C fb is a predetermined electrical capacitance, belonging to the feedback loop of the operational amplifier, o V I is an amplitude of the in-phase voltage measured at the output of the operational amplifier, and o V Q is a amplitude of the quadrature voltage measured at the output of the operational amplifier;
  • the equivalent conductance G x can be calculated by the calculation unit according to
  • in-phase voltage and quadrature voltage is meant the decomposition (demodulation) of the electric potential difference between the output of the operational amplifier and the reference electrode, evaluated with respect to the electric potential difference between the excitation electrode and the measurement electrode, the phase of which can serve as a reference.
  • predetermined we mean that the value of the electric capacitance C fb is determined during construction or can be selected from a range of values (for example 47 pF or 237 pF), so as to adjust a time constant for the control loop. feedback.
  • the electronic measurement circuit is configured to measure the physical quantities representative of the first electric current by a “three-wire” or “four-wire” type method.
  • the capacitor formed by the excitation electrode and the measurement electrode can be selected from a parallel plate capacitor, an interdigitated electrode capacitor and a coaxial cylinder capacitor. .
  • control electronics can be configured to apply an electric potential to the excitation electrode according to a fixed frequency chosen so that the medium intended to be characterized is at least partially electrically conductive, or even partially electrically conductive, at said fixed frequency.
  • an advantage obtained is to authorize the measurement of a level of the medium studied.
  • control electronics can be configured to vary the pulsation M of the electric potential applied to the excitation electrode 1 over at least part of an interval over which the medium MUT intended to be characterized is at least partially electrically conductive, said variation consisting if necessary of a sweeping of said interval and said interval preferably corresponding to a frequency band comprised between 0.1 Hz and 10 MHz.
  • the characterization device can also comprise a switch and a control electrode whose potential is alternately left floating or connected to the control electronics by the switch.
  • the characterization device may further comprise a switch arranged between the measurement and reference electrodes.
  • a second aspect of the invention relates to a characterization system comprising at least one characterization device as introduced above, and where appropriate a container, preferably of the reservoir type or of the conduit type, intended to receive a MUT medium to characterize.
  • the container comprises:
  • a wall arranged to separate the medium studied from an external medium, the wall comprising: an internal surface, oriented towards the medium studied, coated with a dielectric film; an external surface, opposite to the internal surface, and oriented towards the external environment;
  • the characterization device according to an embodiment of the first aspect of the invention being arranged inside the sealed casing so that the excitation electrode and the measuring electrode generate an electric field inside the container .
  • the container comprises:
  • a wall arranged to separate the studied medium from an external medium, and made of a dielectric material, the wall comprising: an internal surface, oriented towards the studied medium; an external surface, opposite to the internal surface, and oriented towards the external environment; - a casing, made of a dielectric material, and extending over the outer surface, the characterization device according to an embodiment of the first aspect of the invention being arranged inside the casing so that the electrode of excitation and the measuring electrode generate an electric field inside the container.
  • the container comprises:
  • - a wall arranged to separate the studied environment from an external environment, and made of a dielectric material
  • the characterization device according to an embodiment of the first aspect of the invention being arranged inside the closed cavity so that the excitation electrode and the measurement electrode generate an electric field inside the container.
  • the term "wall” can include the presence of a plurality of layers within it, for a container of the multilayer type (e.g. multilayer tank, multilayer tube).
  • the closed cavity is preferably formed between two adjacent layers.
  • an advantage obtained is to protect the device thanks to such a hollow wall, provided with at least one closed cavity.
  • the device, arranged inside the closed cavity is both protected from the external environment and from the studied environment.
  • the device performs measurements remotely from the environment under study by generating an electric field inside the container.
  • Another aspect of the invention relates to a method for calibrating a characterization device according to the first aspect of the invention or a characterization system according to the second aspect of the invention.
  • the calibration method may comprise a step consisting in varying the pulsation ⁇ of the electric potential applied to the excitation electrode over at least part of an interval over which the medium MUT intended to be characterized is at least partially electrically conductive.
  • Another aspect of the invention relates to a method for characterizing a MUT medium implementing a characterization device according to the first aspect of the invention or a characterization system according to the second aspect of the invention.
  • the characterization method can comprise a step consisting in varying the pulsation ⁇ of the electric potential applied to the excitation electrode over at least part of an interval over which the MUT medium intended to be characterized is at least partially electrically conductive.
  • the MUT medium intended to be characterized can be chosen from: a cellular medium; a partially electrically conductive liquid, and for example food, such as whole or semi-skimmed milk; an electrolyte; a complex aqueous medium; and a water/Adblue® mixture.
  • Another aspect of the invention relates to a conductivity meter (or conductivity meter) comprising a characterization system according to the second aspect of the invention, in which a quantity is determined to deduce a characteristic frequency proportional to the conductivity of the medium MUT contained in the container.
  • the quantity tan( ⁇ ) has a universal form as a function of the quantity or approaches it so as to be able to be modeled and to be able to deduce therefrom the conductivity of the medium MUT.
  • FIG. 1 is a partial schematic perspective view of a device according to a first embodiment of the first aspect of the invention, in which the excitation, measurement and reference electrodes are covered with a protective dielectric film and are intended to be immersed in the medium to be characterised.
  • Figure 2 is a partial schematic perspective view of a device according to a second embodiment of the first aspect of the invention, in which the excitation, measurement and reference electrodes are covered with a dielectric film protector and equip a wall of a container intended to contain the medium to be characterized.
  • FIG. 3 is a partial schematic perspective view of a device according to a third embodiment of the first aspect of the invention in which the reference electrode is arranged under a container of the MUT medium to be characterized, outside of it. a wall made of a dielectric material separating the medium to be characterized from its environment.
  • FIG. 4 is a partial schematic perspective view of a device according to a fourth embodiment of the first aspect of the invention in which the reference electrode is arranged on the side of a container of the MUT medium to be characterized, at inside a wall made of a dielectric material separating the medium to be characterized from its environment.
  • FIG. 5 is a partial schematic perspective view of a device according to a fifth embodiment of the first aspect of the invention in which the reference electrode is arranged in the center of a container of the MUT medium to be characterized; a dielectric material covering the reference electrode is not represented there for the sake of readability.
  • FIG. 6 is a partial schematic perspective view of a device according to a sixth embodiment of the first aspect of the invention in which the reference electrode is arranged on the side of a container of the MUT medium to be characterized, at the exterior of a wall made of a dielectric material separating the medium to be characterized from its environment.
  • Figure 7 is a partial schematic perspective view of a device according to a seventh embodiment of the first aspect of the invention for characterizing the ripening of a fruit; the dielectric material covering the reference electrode is not represented there for the sake of readability.
  • FIG. 8 is a partial schematic perspective view of a device according to an eighth embodiment of the first aspect of the invention for the characterization of at least part of a human body, and for example for the characterization of states of cells of said human body; the dielectric material covering the reference electrode is not represented there for the sake of readability.
  • Figures 9A to 9C are partial cross-sectional schematic views of a device according to other embodiments of the first aspect of the invention, illustrating different arrangements of the excitation, measurement and reference electrodes relative to the MUT medium at characterize, and relative to an optional PM ground plane; the material dielectric covering the reference electrode is not shown for the sake of readability.
  • FIG. 10A is a partial schematic sectional view of a device according to another embodiment of the first aspect of the invention, illustrating the influence of the thickness of the dielectric material separating the excitation, measurement and middle reference MUT.
  • FIG. 11 is a partial schematic perspective view of a characterization system according to a first embodiment of the second aspect of the invention; the reference electrode is not represented there for the sake of readability.
  • Figure 12 is a partial schematic perspective view of a characterization system according to a second embodiment of the second aspect of the invention; the reference electrode is not represented there for the sake of readability.
  • Figure 13 is a partial schematic side view of a characterization system according to a third embodiment of the second aspect of the invention; the reference electrode is not represented there for the sake of readability.
  • FIG. 14 is an electronic diagram illustrating in particular an electronic measurement circuit of a device according to an embodiment of the first aspect of the invention.
  • FIG. 15 is an electrical diagram of an example of modeling the behavior of a characterization system according to an embodiment of the second aspect of the invention in which the medium to be characterized is contained in a reservoir having dielectric walls.
  • FIG. 16 is an electrical diagram of an example of modeling the behavior of a characterization system according to another embodiment of the second aspect of the invention in which the medium to be characterized is still contained in a reservoir having dielectric walls , but where the tank is represented schematically contrary to the illustration of FIG. 15, and in which the characterization device also comprises an additional control electrode whose potential can be left floating or connected to the measurement electronics by a switch.
  • FIG. 17 is a graph representing the results of the characterization by frequency capacitive spectroscopy of a volume of demineralized water using a characterization system according to an embodiment of the second aspect of the invention, the symbols "+” representing the equivalent capacitance measurements for different measurement frequencies obtained with an imposing control electrode, at the volume of demineralized water, a potential connected to ground, the "o" circles representing the equivalent capacitance measurements for different frequencies measurement without a control electrode, the continuous curve closely adjusting a significant part of the measurements of equivalent capacitance constituting a modeling of the evolution of the equivalent capacitance C x as a function of the measurement frequency, and the remaining continuous curve constituting a modeling of the evolution of the equivalent conductance G x as a function of the measurement frequency , each curve having been obtained by considering a modeling of the electrical behavior of the characterization system comprising a paralleling of the equivalent capacitance C x and of the equivalent conductance G x (such a paralleling being moreover represented in FIG. 14) .
  • Figures 18A and 18B show partial schematic perspective views of a characterization system according to an embodiment of the second aspect of the invention, the system as shown in Figure 18a being in a calibration configuration, while the system as represented in FIG. 18b being in a configuration for measuring the level of the medium MUT in the reservoir; the ground planes PM serving as a screen vis-à-vis the outside are not represented there for the sake of readability.
  • FIG. 19 is an electrical diagram of an example of modeling the behavior of a characterization system as illustrated in FIG. 18b, in which the medium to be characterized is contained in a reservoir having dielectric walls, in which the characterization of the MUT medium consists in determining its level in the reservoir and in which the MUT medium is fluid and electrically conductive at the measurement frequency considered.
  • FIG. 20A represents a graph showing two curves obtained by digital simulation, the upper curve of which, represented by the symbols “—-. » is to be read on the ordinate referenced C ref and illustrates the evolution of the equivalent capacity C x as a function of the level of the medium MUT in the tank, when the characterization system is in the calibration configuration represented in the figure 18A, and the lower curve, represented by symbols "-", is to be read on the ordinate referenced Ci and illustrates the evolution of the equivalent capacity C x as a function of the level of the medium MUT in the tank, when the system of characterization is in the measurement configuration shown in Figure 18B.
  • FIG. 20B represents a graph showing the evolution of the C 1 /C ref ratio between the two curves of the graph of FIG. 20A, as a function of the level of the MUT medium in the reservoir.
  • FIG. 21 represents the evolution of a quantity - tan S as a function of frequency for a tank having polyethylene walls 1 mm thick equipped with sets of measuring electrodes of the characterization device according to the first aspect of the invention.
  • the various curves formed of discrete symbols are the measurements corresponding to increasing conductivities of the water contained in the tank, obtained by dilution of water with a conductivity of 404 pS/cm in deionized water with a conductivity of 1 pS/cm.
  • the continuous curves come from the model described in the invention.
  • Figure 22 makes it possible to compare the conductivities obtained from a characteristic point (here the point of inflection with a positive slope under conditions similar to Fig. 21) with the conductivities obtained by direct measurement in the MUT medium by a commercial device .
  • the solution provided by the present characterization device makes it possible, for example, to access the complex dielectric permittivity ⁇ * ( ⁇ ) on the basis of the measurement of the complex capacitance C*( ⁇ ) and of the geometry and l arrangement of the different elements of the characterization device used.
  • the first aspect of the invention relates to a characterization device 0 of a MUT medium by capacitive spectroscopy.
  • the characterization device 0 comprises an excitation electrode 1 and a measurement electrode 2. Each of these electrodes has a determined geometry, for example as illustrated in Figure 1.
  • the excitation 1 and measurement 2 electrodes are intended to be arranged between them so as to form a capacitor 12.
  • characterization device 0 further comprises a reference electrode 3 having a determined geometry and defining a reference electric potential V g .
  • Characterization device 0 also comprises, as illustrated in FIGS. 11 to 13, control electronics 5 configured to apply an electric potential V d to excitation electrode 1, and, with reference to FIG. 14, a circuit measurement electronics 50 having a virtual ground Vo connected, preferably directly, to measurement electrode 2.
  • the characterization device 0 differs from existing characterization devices, it is in that the excitation, measurement and reference electrodes 1, 2 and 3 that it comprises are here intended to be arranged between them and relative to the medium MUT intended to be characterized according to an arrangement such that: o on the one hand, the control electronics 5 is configured to vary the electric potential Vd at the electrode d over time excitation 1 with a pulsation ⁇ chosen so that the medium MUT intended to be characterized is at least partially electrically conductive, o on the other hand, with reference to FIG.
  • the excitation and measurement electrodes 1 and 2 are arranged to allow a first electric current, denoted i 1 -i g , to flow between them via the medium MUT, and the excitation and reference electrodes 1 and 3 are arranged to allow a second electric current, denoted i g , to circulate between them via the MUT medium.
  • Such a capacitive coupling can be linked to at least one of the fact that the electrode in question is coated with a dielectric material and the fact that the electrode in question is integrated into the dielectric wall 60 of a containing 6 of the medium to be characterised, as shown in particular in FIGS. 11 to 13.
  • a current denoted i 3
  • i 3 a current, coming from the excitation electrode 1 and reaching the measurement electrode 2, and for example as illustrated in FIG. 15, constitutes a useful signal which, if it is strongly disturbed by the leakage fields, is so in a controlled manner, in particular by the one or those which, among the capacitive couplings stated above, is the highest or are the highest.
  • a calculation unit 51 of the characterization device 0 can advantageously be configured to calculate, from these physical quantities, a value of equivalent electrical capacitance, denoted C x , and/or an equivalent conductance value, denoted G x , between the excitation and measurement electrodes 1 and 2, which define an equivalent electrical model naturally taking into account the influence of the medium MUT at least partially electrically conductive.
  • a processing unit 52 of the characterization device 0 can advantageously be configured to process each equivalent value having been calculated by the calculation unit 51, to determine : at least one of a capacitance value C m of the medium MUT towards the measurement electrode 2 and a capacitance value C mm of the medium MUT towards the reference electrode 3, and/or at least one of a conductance value G m of the medium MUT towards the measurement electrode 2 and a conductance value G mm of the medium MUT towards the reference electrode 3, by solving the equation or the system of equations translating the chosen modeling of the characterization system behavior 10.
  • each equation links together at least: o one of the equivalent values having been calculated, o the capacitance C m of the medium MUT towards the measurement electrode 2 and the capacitance C mm of the medium MUT towards the electrode of reference 3, o the value of the capacitive coupling C dm created between the excitation electrode 1 and the medium MUT, the value of the capacitive coupling C ms created between the measurement electrode 2 and the medium MUT and the value of the capacitive coupling C mg created between the reference electrode 3 and the medium MUT, o a pulsation ⁇ of the electric potential V d at the excitation electrode 1, and o the conductivity ⁇ of the medium MUT to be characterised.
  • FIG. 15 illustrates a possible modeling of a characterization system 10 according to the second aspect of the invention.
  • the walls 60 of a container 6 of the MUT medium to be characterized are represented in the form of capacitance capacitors denoted C dm for the wall separating the excitation electrode 1 from the MUT medium, C ms for the wall separating the measuring electrode 2 from the MUT medium and C mg for the wall separating the reference electrode from the MUT medium.
  • each of these capacitances is linked to a corresponding one among as many admittances, denoted Ydm, Y ms and Y mg , respectively.
  • a method for calibrating the characterization device 0 according to the second aspect of the invention or the characterization system 10 according to the second aspect of the invention will have the main objective of determining at least one preferably each of these capacities C dm , C ms and C mg .
  • the influence of the at least partially electrically conductive medium MUT on the useful signal i 3 can be represented in the form of two pairs of a capacitance and a conductance placed in parallel between they.
  • a first pair of these two pairs, identified by the index "mm” reflects the influence of the medium MUT between the excitation electrode 1 and the reference electrode 3, and the second of these two pairs, identified by the subscript "m", translates the influence of the medium between the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2.
  • each of its representations can be associated with an admittance, denoted Y mm for the first couple mentioned above and denoted Y m for the second pair.
  • the characterization device 0 is not limited to one example of each of the three aforementioned electrodes, but may comprise a plurality of pairs of excitation 1 and measurement 2 electrodes, each pair of excitation 1 and measurement 2 electrodes forming a capacitor.
  • the characterization device 0 can have two measurement electrodes as illustrated in FIG. 9C.
  • the excitation electrode 1 and/or the measurement electrode 2 can advantageously be coated with a dielectric material 4, so that a capacitive coupling is created between the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2, when the studied medium MUT is at least partially electrically conductive.
  • the dielectric material 4 may be produced in the form of a dielectric film (as illustrated in FIGS. 1 and 2), which may have a thickness preferably comprised between 100 nm and 10 ⁇ m.
  • the dielectric material 4 is preferably selected from a polyimide, a polytetrafluoroethylene and a thermosetting resin.
  • the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2 can be of different shapes such as planar (as shown in Figures 3 and 4), curved (as shown in Figures 5 and 6), interdigitated (as shown in Figures 1 , 2, 7), etc.
  • the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2 are covered with a dielectric film, the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2 can be immersed in the studied medium MUT (as illustrated in the figures 3, 5 and 6).
  • the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2, covered with a dielectric film, can also be at a distance from the studied medium (as illustrated in figures 4 and 11 to 13).
  • the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2 may not have a dielectric film covering them directly.
  • the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2 can then, alternatively, be surrounded (surrounded, enveloped) by a dielectric material; for example, the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2 are inside a dielectric wall 60 of a container 6 of the studied MUT medium.
  • the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2 can be made of a metallic material, preferably selected from copper Cu, silver Ag, gold Au and aluminum Al.
  • the excitation electrode 1 and measurement electrode 2 can be made of a plastic material (e.g. a polyphthalamide) in which conductive fillers, such as carbon fibers, have been incorporated in order to make excitation electrode 1 and the measuring electrode 2 electrically conductive.
  • the characterization device can comprise a ground plane PM (as illustrated in FIGS. 1 and 2) arranged relative to the excitation 1 and measurement 2 electrodes.
  • the ground plane PM can perform an electromagnetic shielding function and/or allow common grounding of the electrodes of the characterization device 0.
  • the ground plane PM is advantageously separated from the excitation electrode 1 and from the measurement electrode 2 by a dielectric layer 40 (as illustrated in FIGS. 1 and 2).
  • a dielectric layer 40 makes it possible to electrically insulate between them the excitation 1 and measurement 2 electrodes and the ground plane PM so as to avoid short-circuiting them.
  • the dielectric layer 40 can be made of a dielectric material selected from polyimide and polytetrafluoroethylene.
  • the ground plane PM can be a plate made of a metallic material.
  • the metallic material is preferably selected from copper Cu, silver Ag, gold Au and aluminum Al.
  • the ground plane PM can be made of a plastic material (e.g. a polyphthalamide) in which were incorporated conductive fillers, such as carbon fibers, to make the ground plane PM electrically conductive.
  • the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2 can be arranged so that a mutual capacitance value C ds between the electrode d excitation 1 and measuring electrode 2 is between 15 pF and 25 pF, preferably between 18 pF and 22 pF.
  • the capacitor formed by the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2 is advantageously selected from a capacitor with parallel plates, a capacitor with interdigitated electrodes and a capacitor with coaxial cylinders.
  • the capacitor formed by the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2 can also be a capacitor with coplanar electrodes.
  • the characterization device 0 can comprise a plurality of reference electrodes 3.
  • the reference electrode 3 can be a plate made of a metallic material.
  • the metallic material is preferably selected from copper Cu, silver Ag, gold Au and aluminum Al.
  • the reference electrode 3 can be made of a plastic material (e.g. a polyphthalamide) in which have been incorporated conductive fillers, such as carbon fibers, to make the reference electrode 3 electrically conductive.
  • the reference electrode 3 can perform an electromagnetic shielding function.
  • the reference electrode 3 can be coated with a dielectric material 4.
  • the dielectric material 4 can be produced in the form of a dielectric film (as illustrated in Figures 1 and 2), which may have a thickness preferably between 100 nm and 10 ⁇ m.
  • the dielectric material 4 is preferably selected from a polyimide, a polytetrafluoroethylene and a thermosetting resin.
  • the reference electrode 3 When the reference electrode 3 is covered with a dielectric film, the reference electrode 3 can be immersed in the studied medium MUT (as shown in Figure 5).
  • the reference electrode 3, covered with a dielectric film, can also be at a distance from the studied medium MUT (as illustrated in FIGS. 3 and 4).
  • the reference electrode 3 may be devoid of a dielectric film covering it directly.
  • the reference electrode 3 can then be surrounded (surrounded, enveloped) by a dielectric material, for example when the reference electrode 3 is inside a dielectric wall 60 of a container 6 of the studied medium MUT.
  • FIGS. 9A, 9B and 9C different relative arrangements of the excitation 1, measurement 2 and reference 3 electrodes are illustrated in FIGS. 9A, 9B and 9C. These different illustrations are not further detailed here, but are given for illustrative and non-limiting purposes, so as to highlight the wide variety of possible layouts. Note, all the same, that each of these figures shows a ground plane PM and a possible arrangement of this ground plane PM with respect to the electrodes 1, 2 and 3 of the characterization device 0 according to the first aspect of the invention. .
  • the control electronics 5 is advantageously configured to: apply an electric potential difference between the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2, and modulate, for example periodically, the amplitude of the electric potential difference.
  • control electronics 5 may include an electronic measurement circuit 50 configured to measure an in-phase voltage amplitude V I and a quadrature voltage amplitude V Q at the output of an operational amplifier 500 .
  • the electronic measurement circuit 50 can advantageously comprise an operational amplifier 500, mounted as an inverter, and comprising:
  • the feedback loop 501 (or “feedback loop” in English) can advantageously comprise a regulator 502, preferably of the Proportional-Integral type, configured so that the operational amplifier 500 operates in linear mode.
  • Regulator 502 may belong to a first branch of feedback loop 501.
  • the electronic measurement circuit 50 is advantageously configured to measure the physical quantities representative of the current i 3 coming from the excitation electrode 1 and arriving at the measurement electrode 2 by a method of the three-wire or four-wire type.
  • the in-phase voltage amplitude V I and the quadrature voltage amplitude VQ are advantageously the physical quantities representative of the first electric current already mentioned above.
  • the in-phase voltage V I and quadrature voltage VQ signals can advantageously be filtered by a low-pass filter.
  • the control electronics 5 is advantageously configured to apply an electric potential to the excitation electrode 1 according to a given frequency f, such that f where a) is the pulsation of the electric potential applied to the excitation electrode.
  • control electronics 5 is configured to apply an electric potential to the excitation electrode 1 according to a fixed frequency chosen so that the studied medium MUT is at least partially electrically conductive at said fixed frequency.
  • ⁇ *( ⁇ ) the complex dielectric permittivity of the medium MUT studied, ⁇ being the pulsation of the electric potential at the excitation electrode 1 , we can have / ) are respectively the real part and the imaginary part of the complex dielectric permittivity of the studied MUT medium.
  • the imaginary part can be written as the conductivity of the studied MUT medium.
  • the fixed frequency, denoted / can be chosen so that > 0, or equivalent in other words so that the medium to be characterized is at least partially electrically conductive.
  • the excitation electrode 1, the measurement electrode 2, and the reference electrode 3 can then be arranged so that the characterization device 0 characterizes a level of the studied medium MUT.
  • the reference electrode 3 and the measurement electrode 2 can be arranged beside or opposite the excitation electrode 1, the reference electrode 3 being arranged above below the measurement electrode 2, the level of the studied medium MUT being defined relative to a plane separating a lower part 101 of the receiver 6 comprising the electrode of reference 3 and an upper part 102 of the receiver 6 comprising the measuring electrode 2.
  • the studied MUT medium is at least partially electrically conductive, and where the capacitive couplings between the excitation electrode 1 and the reference electrode 3, and between the excitation electrode 1 and the measuring electrode 2, are effective;
  • - ⁇ 0 is the dielectric permittivity of vacuum
  • - d 1 is the thickness of the dielectric material 4 covering the excitation electrode 1, the measurement electrode 2 and the reference electrode 3 (cf. FIGS. 10A)
  • S - S d and S g are respectively the surface of the excitation electrode 1 and of the reference electrode 3 (cf. FIG. 10A).
  • C dg can also be equal to a constant, unrelated to the presence of the studied medium MUT.
  • the characterization device 0 can also be applied to the characterization of non-fluid media, for example solid media, such as food. (an apple in the example illustrated in FIG. 7) or all or part of a human or animal body (the arm of a human being in the example illustrated in FIG. 8), in particular for a measurement of bio- impedance.
  • the control electronics 5 can be configured to apply to the excitation electrode a frequency-variable electric potential over an excitation frequency interval [f] such that with f defining the pulsation of the measurement system M by the relation so that, over this frequency interval, the medium MUT to be characterized is partially electrically conductive, for example by verifying the following order relation: is the conductivity of the medium to be characterized, ⁇ ' being the real part of the complex dielectric permittivity of the medium MUT to be characterized.
  • the reference electrode 3 can then be advantageously arranged with respect to the excitation electrode 1 so that, over the excitation frequency interval [f], a variation of the mutual capacitance between the electrode of excitation 1 and reference electrode 3, denoted ⁇ C dg , verifies: where, as already mentioned above, C ds is a value of the mutual capacitance between the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2.
  • the shape of the reference electrode 3, the shape of the excitation electrode 1 and their relative position makes it possible to modify the value of the mutual capacitance C dg between the excitation electrode 1 and the reference electrode 3 .
  • the shape of the excitation electrode 1, the shape of the measurement electrode 2 and their relative position makes it possible to modify the value of the mutual capacitance C ds between the excitation electrode 1 and the electrode of measurement 2.
  • the reference electrode 3 is advantageously arranged with respect to the measurement electrode 2 so that, over the excitation frequency interval [f], the variation in the mutual capacitance C sg between the measuring electrode 2 and the reference electrode 3, 'this variation being denoted ⁇ C sg , verifies: where, as already mentioned above, C ds is a value of the mutual capacitance between the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2.
  • the shape of the reference electrode 3, the shape of the measurement electrode 2 and their relative position makes it possible to modify the value of the mutual capacitance C sg between the measurement electrode 2 and the reference electrode 3.
  • One and/or the other of the two above variations can thus advantageously be limited. When they are both limited, it is ensured that both: the first electric current i 1 -i g intended to flow between the excitation 1 and measurement 2 electrodes via the medium MUT, and the second electric current i g intended to flow between the excitation 1 and reference 3 electrodes via the medium MUT, are significant.
  • the control electronics 5 can advantageously further comprise a wireless communication module, preferably chosen from Bluetooth®, low-energy Bluetooth® (known by the acronym BLE), RFID, Wifi, LoRa® and Sigfox technologies. .
  • a wireless communication module preferably chosen from Bluetooth®, low-energy Bluetooth® (known by the acronym BLE), RFID, Wifi, LoRa® and Sigfox technologies. .
  • the control electronics 5 advantageously includes a microcontroller. As we will see below, the microcontroller of the control electronics 5 can be configured to also ensure the functions of the calculation unit 51 and of the processing unit 52.
  • the control electronics 5 is advantageously mounted on a printed circuit board PCB, as illustrated in FIGS. 11 to 13.
  • the printed circuit board PCB may comprise electrically conductive tracks forming the excitation electrode 1 and/or the measuring electrode 2.
  • calculation unit 51 can advantageously be integrated into the control electronics 5.
  • the calculation unit 51 can comprise or consist of the processor of the microcontroller of the electronics of command 5.
  • the equivalent electrical capacitance C x and equivalent conductance G x values can be calculated by the calculation unit 51 according to the following formulas: Or :
  • - C fb is a predetermined electric capacitance, belonging to the feedback loop 501 of the operational amplifier 500,
  • V f is the amplitude of the in-phase voltage measured at the output of the operational amplifier 500
  • V Q is the amplitude of the quadrature voltage measured at the output of the operational amplifier 500
  • V d is the amplitude of the electric potential applied to the excitation electrode 1 ,
  • - f is the frequency of the electric potential applied to the excitation electrode 1
  • - A is a constant related to the shape of the electric potential applied to the excitation electrode 1.
  • A 8 when the applied electric potential is square-shaped.
  • the applied electric potential can also be rectangular or sinusoidal.
  • C fb can be equal to 47 pF or equal to 237 pF.
  • C fb can belong to a branch of feedback loop 501 parallel to the branch of said loop on which regulator 502 is arranged.
  • a square-shaped electric potential will be preferred for a frequency between 10 kHz and 300 kHz.
  • a sinusoidal electric potential will be preferred for a frequency between 0.1 Hz and 100 kHz.
  • the processing unit 52 can advantageously be integrated into the control electronics 5.
  • the processing unit 52 can comprise or consist of the processor of the microcontroller.
  • the processing unit 52 of the characterization device 0 can be configured to process the equivalent values calculated by the calculation unit 51 , in order to determine: a capacitance value C m from the medium MUT towards the measuring electrode 2 and/or a capacitance value C mm from the medium MUT to the reference electrode 3, and/or a conductance value G m from the medium MUT to the measuring electrode 2 and/or a conductance value G mm from the MUT medium to the reference electrode 3, by solving an equation or a system of equations translating the chosen modeling of the behavior of the characterization system 10.
  • the model described below with reference to FIGS. 15 and 16 cleverly involves the different admittances “Y” to be modeled or that can be modeled, preferably to the different corresponding impedances “Z”.
  • the admittances being proportional to the dielectric permittivities, and not to their inverse, it is thus more immediate to make the link between the model as illustrated in the aforementioned figures and as described below, in particular with the use which can be made of it and which consists for example in extracting from the model the electrical conductivity ⁇ of the MUT medium to be characterized, the latter defining in particular the imaginary part of the complex dielectric permittivity ⁇ *( ⁇ ) of the medium MUT studied.
  • FIG. 15 also shows currents injected for example by capacitive coupling(s) between electrodes isolated from the medium MUT to be characterized by a dielectric.
  • the various couplings to be modeled or modeled are noted there C dm , C ms and C mg .
  • the currents which cross the medium MUT to be characterized can be directed towards the reference electrode 3 and/or towards the measurement electrode 2.
  • the currents i 1 - i g and i g depend on the complex permittivity ⁇ *( ⁇ ) of the medium under study, so that the capacitances C m of the medium MUT towards the measurement electrode 2 and C mm of the medium MUT towards the reference electrode 3, as well as the conductances G m towards the measurement electrode 2 and G mm towards the reference electrode 3, are proportional to the complex permittivity ⁇ *( ⁇ ) of the study medium and are there linked by factors related to the geometries of the electrodes and their relative arrangement.
  • notation ij denotes the admittance equivalent to the two admittances Y i and Y j in series, such that and where being as illustrated by figure 15 relating to the admittances of the currents towards the measuring electrode 2 and Y g being as shown in figure 15 relating to the admittances of the leakage currents towards the reference electrode 3, and where:
  • FIG. 17 is a frequency measurement using capacitors whose interdigital electrodes are coated with a polyimide film of a volume of demineralised water, with and without control electrode 8, as illustrated in FIG. 16, and a description of which is given by the patent document US 2020/0340844 A1 incorporated here by reference.
  • the “+” symbols represent the measurements of equivalent capacitance C x for different measurement frequencies obtained with a control electrode 8 imposing, on the volume of demineralized water, a potential connected to ground.
  • the “o” circles represent the measurements of equivalent capacitance C x for different measurement frequencies, without control electrode.
  • transient regime follows for frequencies substantially between 1000 Hz and 100,000 Hz, then a relatively stable regime for frequencies above 1 MHz.
  • the transient regime is notable in that it is indicative of a partially electrically conductive fluid, whereas the high frequency regime is where the dielectric character of distilled water dominates.
  • the continuous curve 100 closely adjusting a significant part for example selected according to certain criteria, in particular to adjust only the measurements far from those obtained with control electrode 8 in the above-mentioned first frequency regime, can be obtained in a known manner.
  • This continuous curve 100 can then constitute a model of the evolution of the equivalent capacitance C x as a function of the measurement frequency over the interval considered.
  • the continuous curve 200 can for example be deduced from the continuous curve 100 so as to represent the evolution of the equivalent conductance G x as a function of the measurement frequency. As an alternative to such a deduction, the continuous curve 200 can be determined in the same way as the continuous curve 100, on the basis of an adjustment of measurements of the equivalent conductance G x over the frequency interval considered. The continuous curve 200 can then constitute a model of the evolution of the equivalent conductance G x as a function of the measurement frequency over the interval considered.
  • the models constituted by curves 100 and 200 contain the same information, in the sense that they each carry information complementary to that carried by the other; they can thus play an equally important role. Depending on the specific case, it may be preferred to benefit from the information provided by each of the two determined curves, separately from each other, or by deduction from one another, or be satisfied with the information provided by any one or a chosen one of the two.
  • curves 100 and 200 were obtained by considering a modeling of the electrical behavior of the characterization system 10 comprising a parallel connection of the equivalent capacitance C x and of the equivalent conductance G x in the manner illustrated in FIG. 14.
  • characterization device 0 or the characterization system 10 may be applied any algorithm, possibly with artificial intelligence logic and learning functions, allowing to associate the processed values of C x and G x to a studied MUT medium, where appropriate the characterization device 0 or the characterization system 10 having been calibrated beforehand, in the absence and/or in the presence of the studied MUT medium or of a MUT medium with properties constituting a reference medium for the MUT medium to be characterized.
  • a graphical representation may also be produced, for example in the form of the evolution of the quantities E' and E” as a function of the measurement frequency, or alternatively in the form of the evolution of one of these quantities as a function of the other in a Cole-Cole representation.
  • Figure 20B provides another example of such a graphical representation.
  • a second aspect of the invention relates to a characterization system 10 comprising a characterization device 0 according to the first aspect of the invention and, where appropriate, a container 6.
  • the latter is then preferably of the reservoir type (see FIGS. 11 and 13 ) or of the duct type (Cf. FIG. 12), intended to receive a studied medium MUT.
  • the characterization system 10 is thus constituted by the arrangement of the characterization device 0 relative to the container 6.
  • the container 6 may include:
  • the wall 60 arranged to separate the studied environment MUT from an external environment, the wall 60 comprising: an internal surface 600, oriented towards the studied environment, coated if necessary with a dielectric film; an outer surface 601, opposite to the inner surface 600, and oriented towards the external environment; And
  • a sealed box (not shown), made of a dielectric material, and extending inside the container 6, the sealed box being intended to be immersed in the medium studied MUT; the characterization device 0 being arranged inside the sealed case so that the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2 generate an electric field inside the container 6.
  • the container 6 may include:
  • a wall 60 arranged to separate the studied medium MUT from an external medium, and made of a dielectric material, the wall 60 comprising: an internal surface 600, oriented towards the studied medium MUT; an outer surface 601, opposite to the inner surface 600, and oriented towards the external environment; And
  • characterization device 0 being arranged inside the case so that the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2 generate an electric field inside the container 6.
  • the dielectric material in which the wall 60 is made is preferably a plastic material or a composite material.
  • the plastic material may be polyethylene;
  • the composite material can be a pre-impregnated material, comprising a matrix (or resin) impregnating a reinforcement.
  • the resin can be a thermosetting resin or a thermoplastic resin.
  • the container 6 may include:
  • a wall 60 arranged to separate the studied environment from an external environment, and made of a dielectric material
  • the device being arranged inside the closed cavity so that the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2 generate an electric field inside the container 6.
  • the dielectric material in which the wall 60 is made is preferably a plastic material or a composite material.
  • the plastic material may be polyethylene;
  • the composite material can be a pre-impregnated material, comprising a matrix (or resin) impregnating a reinforcement.
  • the resin can be a thermosetting resin or a thermoplastic resin.
  • the wall 60 comprises: an internal surface 600, oriented towards the studied medium MUT; and an outer surface 601, opposite to the inner surface 600, and oriented towards the external environment.
  • the closed cavity or cavities extend between the internal surface 600 and the external surface 601 of the wall 60.
  • the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2 are interdigitated and have a spatial period, denoted ⁇ , the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2 are advantageously separated from the internal surface 600 of the wall 60 by a distance, denoted d, so that ⁇ ⁇
  • the latter may also comprise a radio-identification tag (not shown) arranged inside the closed cavity.
  • the radio-identification tag can be an RFID tag (“Radio Frequency/Dentification” in English).
  • the container 6 can also advantageously comprise an energy recovery device 7 (as illustrated in FIGS. 11 to 13) configured to recover energy from a source S, so as to electrically supply the control electronics 5.
  • an energy recovery device 7 as illustrated in FIGS. 11 to 13 configured to recover energy from a source S, so as to electrically supply the control electronics 5.
  • the source S can be an external source located in the external environment.
  • the external source S can emit radio waves.
  • the external source S is advantageously selected from:
  • N FC Near Field Communication
  • Bluetooth® type signal BLE for "Bluetooth® Low Energy” in English
  • 2.4 GHz or 5 GHz WiFi signal BLE for "Bluetooth® Low Energy” in English
  • a housing can be provided on the container 6 in order to permanently receive the external source S.
  • the source S can be arranged inside the closed cavity or inside the container 6.
  • the energy recovery device 7 is electrically connected to the microcontroller of the control electronics 5.
  • the energy is advantageously chosen from electromagnetic energy, mechanical energy and thermal energy.
  • the source S can be an induction generator, a thermoelectric generator or a piezoelectric system.
  • the container 6 can also advantageously comprise storage means (not shown) for storing the energy recovered by the energy recovery device 7.
  • the storage means can comprise a battery or a supercapacitor (e.g. carbon-based).
  • the invention relates to a method for calibrating a characterization device 0 or a characterization system 10 according to the first two aspects of the invention.
  • Such a calibration can be based on two known situations, for example in the absence and/or in the presence of the studied MUT medium, and more particularly in the presence of a full tank 6 and an empty tank 6, the word empty in the ordinary sense referring to air or a gas whose relative permittivity is sufficiently close to 1 or known.
  • a calibration can be based on the presence, or even the absence, of a MUT medium of known properties constituting a reference medium for the MUT medium to be characterized.
  • such a calibration may comprise a step consisting in varying the pulsation ⁇ of the electric potential applied to the excitation electrode 1 over at least part of an excitation pulsation interval over which the medium MUT to be characterized is at least partially electrically conductive.
  • such a calibration can be based on a characterization of the characterization device 0 or of the characterization system 10 according to the first two aspects of the invention by imposing on the excitation electrode the at least one of a frequency excitation frequency at which the MUT medium to be characterized is electrically conductive and an excitation frequency at which the MUT medium to be characterized is dielectric, or even one then the other of such frequencies.
  • the invention relates to a method for characterizing a MUT medium implementing a characterization device 0 or a characterization system 10 according to the first two aspects of the invention.
  • the invention also relates to the use of the characterization device 0 or of the characterization system 10 to characterize a MUT medium.
  • the characterization device 0 may further comprise a switch arranged between the measurement 2 and reference 3 electrodes so as to successively carry out the two measurements Ci and C ref according to respective configurations represented in FIGS. 18A and 18B, while the surfaces and extension of the electrodes are defined, and are preferably arranged outside the container 6 containing the MUT medium.
  • the ratio C 1 /C ref is proportional to the height of the fluid, since its level exceeds that 101 of the low reference and the electrodes have the same width. This is clearly illustrated by the numerical simulation presented in FIG. 20B, showing the evolution of the C 1 /C ref ratio as a function of the level of the MUT medium in the container 6.
  • the invention thus finds application not only to MUT fluid media, but also to a variety of MUT complex media such as:
  • Aqueous media with different ionic concentrations of foreign species Aqueous media with different ionic concentrations of foreign species
  • Suspensions (cells, bacteria, lipids, yeasts, etc.);
  • the measurement that the invention allows is called bioimpedance and its use makes it possible in particular to access, under certain assumptions, the fatty mass.
  • the characterization device 0 can make it possible, as an alternative or in addition to other applications, such as that consisting in characterizing a level of the MUT medium in its container, to evaluate the properties of interest of the MUT medium studied. traversed by the electric field generated by the excitation electrode 1 and the measurement electrode 2, and thereby provides information on essential aspects of the MUT medium studied, such as its composition, by frequency response.
  • the method for characterizing a medium MUT implementing a characterization device 0 or a characterization system 10 may comprise a step consisting in varying the pulsation ⁇ of the electric potential applied to the excitation electrode 1 over at least part of an interval over which the MUT medium intended to be characterized or to be characterized is at least partially electrically conductive.
  • Another aspect of the invention relates to a conductivity meter comprising a characterization system 10 according to the second aspect of the invention, in which a quantity is determined to deduce a characteristic frequency proportional to the conductivity of the medium MUT contained in the container 6.
  • the quantity is more particularly determined according to the value of equivalent electrical capacitance, denoted C x , and the equivalent conductance value, denoted G x , between the excitation and measurement electrodes 1 and 2, as determined by implementing the characterization device according to the first aspect of the invention.
  • the equivalent electrical capacitance C x and the equivalent conductance G x determined by implementing the characterization device according to the first aspect of the invention to calculate an electrical quantity representative of the dissipation of the medium MUT .
  • the quantity tan( ⁇ ) has a universal form as a function of the quantity ⁇ l ⁇ c or approaches it so as to be able to be modeled thanks to the model of the invention.
  • the curves obtained by the model follow relatively well the measurements illustrated in figure 21 representing the opposite -tan( ⁇ ) of the aforementioned electrical quantity in function of the frequency, whose position is proportional to the conductivity of the medium MUT.
  • the different series of measurements illustrated in figure 21 were more particularly obtained by gradual dilution of drinking water with a conductivity equal to 404 pS/cm in deionized water with an initial conductivity equal to 1.0 pS/cm.
  • the continuous curves are obtained from the model and it is observed that they correspond to the series of conductivity values of the measurement points. It is also observed that the central part of the curves shifts in frequency proportionally to the conductivity associated with it.
  • FIG. 22 illustrates the evolution of the ratio, two by two, between: the measurements obtained on an HDPE tank equipped with the electrodes of the characterization device according to the first aspect of the invention for which an inflection point with a positive slope of each curve illustrated in FIG. 21 is used to deduce the conductivity of the water contained in the characterization system; they are more particularly given by the relation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

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. La conductivité a 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 ε*(ω) du milieu à caractériser et aux surfaces d'électrodes mises en jeu.

Description

« Dispositif de caractérisation d’un milieu par spectroscopie capacitive »
Domaine technique
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.
État de l’art
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. figure 7 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. Exposé de l’invention
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 Vg, une électronique de commande configurée pour appliquer un potentiel électrique Vd à l’électrode d’excitation, et un circuit électronique de mesure possédant une masse virtuelle Vo connectée 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 : o L’électronique de commande soit configurée pour faire varier dans le temps le potentiel électrique Vd à 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, o Les électrodes d’excitation et de mesure soient agencées pour autoriser un premier courant électrique, noté i1-ig, à circuler entre elles via le milieu MUT, et o Les électrodes d’excitation et de référence soient agencées pour autoriser un deuxième courant électrique, noté ig, 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 Cdm entre l’électrode d’excitation et le milieu MUT, Un couplage capacitif Cms entre l’électrode de mesure et le milieu MUT, et
Un couplage capacitif Cmg entre 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 Cx, et une valeur de conductance équivalente, notée Gx, 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 Cx et de la conductance équivalente Gx, a été calculée par l’unité de calcul, pour déterminer au moins l’une parmi une valeur de capacitance Cm du milieu MUT vers l’électrode de mesure et une valeur de capacitance Cmm du milieu MUT vers l’électrode de référence et/ou au moins l’une parmi une valeur de conductance Gm du milieu MUT vers l’électrode de mesure et une valeur de conductance Gmm du 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 : o l’une déterminée des valeurs qui, parmi les valeurs de la capacité électrique équivalente Cx et de la conductance équivalente Gx, a été calculée par l’unité de calcul, o au moins celle qui parmi la capacitance Cm du milieu MUT vers l’électrode de mesure et la capacitance Cmm du milieu MUT vers l’électrode de référence est à déterminer, o au moins la valeur la plus élevée parmi une valeur du couplage capacitif Cdm créé entre l’électrode d’excitation et le milieu MUT, une valeur du couplage capacitif Cms créé entre l’électrode de mesure et le milieu MUT et une valeur du couplage capacitif Cmg créé entre l’électrode de référence et le milieu MUT, o une valeur de pulsation ω du potentiel électrique Vd à l’électrode d’excitation et o une conductivité σ 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 a est la conductivité du milieu MUT étudié et ω est la
Figure imgf000007_0001
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 ii-ig et le deuxième courant électrique noté ig dépend des propriétés du milieu et est suffisamment significatif pour influer sur les valeurs de la capacité électrique équivalente Cx et de la conductance équivalente Gx mesurées 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 Cx et/ou de conductance équivalente Gx, 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 Cm du milieu MUT vers l’électrode de mesure et de capacitance Cmm du milieu MUT vers l’électrode de référence ou équivalemment les valeurs de conductance Gm du milieu MUT vers l’électrode de mesure et de conductance Gmm du milieu MUT vers l’électrode de référence, de déterminer la conductivité σ du milieu MUT étudié qui peut être déduite indirectement de la mesure de la capacité complexe C*(ω) , cette dernière dépendant à la fois de la permittivité diélectrique complexe ε*(ω) , mais aussi des surfaces formant les condensateurs. La capacité complexe C*(ω) est en effet celle à laquelle sont confrontés des modèles électriques équivalents, définis notamment par la capacité électrique équivalente Cx et la conductance équivalente Gx, 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 Cm du milieu MUT vers l’électrode de mesure ou équivalemment la valeur de conductance Gm du milieu MUT vers l’électrode de mesure à partir de l’une au moins des valeurs de la capacité électrique équivalente Cx et de la conductance équivalente Gx, 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 Cds entre 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 ε*(ω) du milieu MUT, en fonction de chacune parmi la valeur de capacitance Cm du milieu MUT vers l’électrode de mesure et la valeur de capacitance Cmm du milieu MUT vers l’électrode de référence ayant été déterminée et/ou en fonction de chacune parmi la valeur de conductance Gm du milieu MUT vers l’électrode de mesure et la valeur de conductance Gmm du milieu MUT vers l’électrode de référence ayant été déterminée, à partir des valeurs de la capacité électrique équivalente Cx et de la conductance équivalente Gx.
Le dispositif selon cet exemple permet d’accéder à la permittivité diélectrique complexe ε*(ω) 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 ε*(ω) qui sont plus complexes que celle donnée par la formule : s' + ^, 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 Cm du milieu MUT vers l’électrode de mesure et la valeur de capacitance Cmm du milieu MUT vers l’électrode de référence ayant été déterminée et/ou en fonction d’au moins l’une parmi la valeur de conductance Gm du milieu MUT vers l’électrode de mesure et la valeur de conductance Gmm du milieu MUT vers l’électrode de référence ayant été déterminée à partir de l’une au moins des valeurs de la capacité électrique équivalente Cx et de la conductance équivalente Gx, 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 Cmg entre 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 Cx et de la conductance équivalente Gx, a été calculée par l’unité de calcul, au moins en fonction de la valeur du couplage capacitif Cmg 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 Cdm entre l’électrode d’excitation et le milieu MUT et le couplage capacitif Cms entre 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 Cx et de la conductance équivalente Gx, a été calculée par l’unité de calcul, au moins en fonction de la valeur de chaque couplage capacitif qui, parmi le couplage capacitif Cdm entre l’électrode d’excitation et le milieu MUT et le couplage capacitif Cms entre 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 est la
Figure imgf000010_0002
conductivité du milieu MUT étudié et ω est la pulsation du signal appliqué sur le milieu étudié, , où f est la fréquence du potentiel électrique Vd appliqué à
Figure imgf000010_0003
l’électrode d’excitation.
Définitions
- Par « au moins partiellement conducteur électriquement », on entend que le milieu vérifie sont
Figure imgf000010_0001
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 f du potentiel électrique Vd appliqué à l’électrode d’excitation. A titre d’exemples non limitatifs, pour une fréquence f 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 pS/cm, de préférence supérieure ou égale à 10 pS/cm, plus préférentiellement supérieure ou égale à 102 pS/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 ε”(ω) ~
Figure imgf000011_0001
où ε’ et ε”(ω) 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. 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 f du potentiel électrique Vd 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 σc = ωε' , un milieu « partiellement conducteur électriquement » est un milieu dont la conductivité vérifie la relation d’ordre suivante :
Figure imgf000011_0002
- Par milieu ou matériau « diélectrique » ou pouvant être, en bonne approximation, considéré comme tel, on entend que le milieu ou matériau vérifie ou de
Figure imgf000011_0003
préférence où ε’ et ε”(ω) sont respectivement la partie réelle et la partie
Figure imgf000011_0004
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
Figure imgf000011_0005
limitatifs, pour une fréquence d’excitation comprise entre 0,1 Hz à 10 MHz, un
Figure imgf000011_0006
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%o 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 [f] telle que définissant la pulsation M du système
Figure imgf000011_0007
de mesure par la relation Plutôt que de considérer un intervalle de fréquence, il
Figure imgf000012_0002
pourrait équivalemment être considéré un intervalle de conductivité électrique σ, 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 ε*(ω) 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
Figure imgf000012_0003
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
Figure imgf000012_0001
destiné à être caractérisé, entre l’électrode d’excitation et l’électrode de référence, sont des quantités homogènes à des longueurs liées à la géométrie du
Figure imgf000012_0004
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 Cx et/ou de Gx calculées 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 Cx et/ou de Gx qui 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 ΔCdg, vérifie :
Figure imgf000013_0001
où Cds 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 ΔCsg , vérifie :
Figure imgf000013_0002
où Cds 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 ΔCdg etΔCsg par rapport à la valeur Cds 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 Cds entre l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure, mais aussi lorsque le milieu modifie substantiellement la capacité mutuelle Cdg 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-lntégral, 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 VI et une amplitude de tension en quadrature VQ en sortie de l’amplificateur opérationnel, lesdites grandeurs physiques comprenant, voire étant constituées de, l’amplitude de tension en phase VI et l’amplitude de tension en quadrature VQ ; la capacité électrique équivalente Cx peut être calculée par l’unité de calcul selon la formule suivante :
Figure imgf000015_0001
où : o Cfbest une capacité électrique prédéterminée, appartenant à la boucle de rétroaction de l’amplificateur opérationnel, o VI est une amplitude de la tension en phase mesurée à la sortie de l’amplificateur opérationnel, et o VQ est une amplitude de la tension en quadrature mesurée à la sortie de l’amplificateur opérationnel ; la conductance équivalente Gx peut être calculée par l’unité de calcul selon la formule suivante :
Figure imgf000015_0003
où : o Cfb est une capacité électrique prédéterminée, appartenant à la boucle de rétroaction de l’amplificateur opérationnel, o VI est une amplitude de la tension en phase mesurée à la sortie de l’amplificateur opérationnel, o VQ est une amplitude de la tension en quadrature mesurée à la sortie de l’amplificateur opérationnel, o Vd est le potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation, o f est la fréquence du potentiel électrique Vd appliqué à l’électrode d’excitation telle que
Figure imgf000015_0002
est la pulsation du potentiel électrique Vd à l’électrode d’excitation, et o A 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 Cfb 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 M 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.
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 ;
- 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 ω 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 ω 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®.
Un autre aspect de l’invention concerne un conductimètre (ou conductivimètre) comprenant un système de caractérisation selon le deuxième aspect de l’invention, dans lequel une quantité
Figure imgf000019_0002
est déterminée pour déduire une fréquence caractéristique proportionnelle à la conductivité du milieu MUT contenu dans le contenant.
Selon cet aspect, il peut être fait usage de la capacité électrique équivalente Cx et la conductance équivalente Gx pour calculer une grandeur électrique tan(δ) = Gx/(ωCx) représentative de la dissipation du milieu MUT. Si l’on définit ω c = σ/ε' comme la pulsation critique pour laquelle permittivités réelle et complexe du milieu MUT sont de même valeur, il est notable que la quantité tan(δ) possède une forme universelle en fonction de la quantité
Figure imgf000019_0001
ou s’en approche de manière à pouvoir être modélisée et pouvoir en déduire la conductivité du milieu MUT. Sont ainsi démontrées la robustesse de la caractérisation offerte par les différents aspects de l’invention et la possibilité pour le système de caractérisation selon le deuxième aspect de l’invention à constituer un conductimètre.
Brève description des dessins
D’autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans l’exposé détaillé de différents modes de réalisation de l’invention, l’exposé étant assorti d’exemples et de références aux dessins joints.
La figure 1 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 figure 2 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 figure 3 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 figure 4 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 figure 5 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 figure 6 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 figure 7 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 mûrissement d’un fruit ; le matériau diélectrique recouvrant l’électrode de référence n’y est pas représenté par souci de lisibilité.
La figure 8 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 figure 10A 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 figure 11 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 figure 12 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 figure 13 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 figure 14 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 figure 15 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 figure 16 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 figure 15, 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 figure 17 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 « o » 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 Cx en fonction de la fréquence de mesure, et la courbe continue restante constituant une modélisation de l’évolution de la conductance équivalente Gx en 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 Cx et de la conductance équivalente Gx (une telle mise en parallèle étant par ailleurs représentée sur la figure 14).
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 figure 18a étant dans une configuration d’étalonnage, tandis que le système tel que représenté sur la figure 18b 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 figure 19 est un schéma électrique d’un exemple de modélisation du comportement d’un système de caractérisation tel qu’illustré sur la figure 18b, 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 Cref et illustre l’évolution de la capacité équivalente Cx en 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 Ci et illustre l’évolution de la capacité équivalente Cx en fonction du niveau du milieu MUT dans le réservoir, lorsque le système de caractérisation est dans la configuration de mesure représentée sur la figure 18B.
La figure 20B représente un graphique montrant l’évolution du rapport C1/Cref entre les deux courbes du graphique de la figure 20A, en fonction du niveau du milieu MUT dans le réservoir.
La figure 21 représente l’évolution d’une quantité - tan S en fonction de la fréquence pour un réservoir ayant des parois en polyéthylène de 1 mm d’épaisseur équipé de jeux d’électrodes de mesure du dispositif de caractérisation selon le premier aspect de l’invention. Les différentes courbes formées de symboles discrets sont les mesures correspond à des conductivités croissantes de l’eau contenue dans le réservoir, obtenue par dilution d’eau de conductivité 404 pS/cm dans de l’eau déionisée de conductivité 1 pS/cm. Les courbes en continu sont issues du modèle décrit dans l’invention.
La figure 22 permet de comparer les conductivités obtenues à partir d’un point caractéristique (ici le point d’inflexion de pente positive dans des conditions similaires à la Fig. 21) aux conductivités obtenues par mesure direct dans le milieu MUT par un appareil commercial.
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.
Exposé détaillé de différents modes de réalisation
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 Cds entre les électrodes d’excitation et de mesure n’est plus univoquement liée à ε*(ω), 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 ε* (ω ) sur la base de la mesure de la capacité complexe C*(ω) 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 figure 1. 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 Vg.
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 Vd à l’électrode d’excitation 1, et, en référence à la figure 14, un circuit électronique de mesure 50 possédant une masse virtuelle Vo connectée, 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 : o d’une part, l’électronique de commande 5 est configurée pour faire varier dans le temps le potentiel électrique Vd à 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, o d’autre part, en référence à la figure 15, les électrodes d’excitation et de mesure 1 et 2 sont agencées pour autoriser un premier courant électrique, noté i1-ig, 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 ig, 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 Cdm entre l’électrode d’excitation 1 et le milieu MUT,
Un couplage capacitif Cms entre l’électrode de mesure 2 et le milieu MUT, et
Un couplage capacitif Cmg entre 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 figure 15, 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 Cx, et/ou une valeur de conductance équivalente, notée Gx, 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 Cx et de conductance équivalente Gx, 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 Cm du milieu MUT vers l’électrode de mesure 2 et une valeur de capacitance Cmm du milieu MUT vers l’électrode de référence 3, et/ou au moins l’une parmi une valeur de conductance Gm du milieu MUT vers l’électrode de mesure 2 et une valeur de conductance Gmm du 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 : o l’une des valeurs équivalentes ayant été calculée, o la capacitance Cm du milieu MUT vers l’électrode de mesure 2 et la capacitance Cmm du milieu MUT vers l’électrode de référence 3, o la valeur du couplage capacitif Cdm créé entre l’électrode d’excitation 1 et le milieu MUT, la valeur du couplage capacitif Cms créé entre l’électrode de mesure 2 et le milieu MUT et la valeur du couplage capacitif Cmg créé entre l’électrode de référence 3 et le milieu MUT, o une pulsation ω du potentiel électrique Vd à l’électrode d’excitation 1 , et o la conductivité σ du milieu MUT à caractériser.
Comme précédemment annoncé, la figure 15 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 Cdm pour la paroi séparant l’électrode d’excitation 1 du milieu MUT, Cms pour la paroi séparant l’électrode de mesure 2 du milieu MUT et Cmg pour 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 Ydm, Yms et Ymg, 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 Cdm, Cms et Cmg.
Par ailleurs, toujours en référence à la figure 15, l’influence du milieu MUT au moins partiellement conducteur électriquement sur le signal utile i3 peut 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 Ymm pour le premier couple susmentionné et notée Ym pour le second couple.
On comprend dès lors que la modélisation proposée en figure 15 peut être traduite en une ou plusieurs équations liant entre elles différentes grandeurs physiques illustrées sur la figure 15 à l’une au moins, de préférence à chacune, parmi de la capacité équivalente Cx et de la conductance équivalente Gx telles qu’illustrées sur la figure 14. 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 figure 9C.
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 pm. 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 Cds entre 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 pm. 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 figure 5).
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 figure 14, l’électronique de commande 5 peut comprendre un circuit électronique de mesure 50 configuré pour mesurer une amplitude de tension en phase VI et une amplitude de tension en quadrature VQ à la sortie d’un amplificateur opérationnel 500.
Plus particulièrement, et comme illustré à la figure 14, 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 i3 provenant 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 VI et l’amplitude de tension en quadrature VQ sont avantageusement les grandeurs physiques représentatives du premier courant électrique déjà mentionnées plus haut. Les signaux de la tension en phase VI et de la tension en quadrature VQ peuvent 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 f donnée, telle que f où a) 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 ε*(ω) la permittivité diélectrique complexe du milieu MUT étudié, ω étant la pulsation du potentiel électrique à l’électrode d’excitation 1 , on peut avoir
Figure imgf000030_0002
/ )
Figure imgf000030_0003
sont respectivement la partie réelle et la partie imaginaire de la permittivité diélectrique complexe du milieu MUT étudié. La partie imaginaire peut s’écrire est la conductivité du milieu MUT étudié. La fréquence fixe, notée /,
Figure imgf000030_0005
peut être choisie de sorte que
Figure imgf000030_0001
> 0 , ou équivalemment
Figure imgf000030_0004
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 figure 18B, 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 ε*(ω) intervenant à la fois : dans la formule de calcul de la conductivité Cm(ω ) du milieu MUT entre électrodes d’excitation 1 et de mesure 2 :
Figure imgf000031_0004
étant l’admittance du milieu MUT à caractériser lm entre l’électrode d’excitation et l’électrode de mesure, et dans la formule de calcul de la conductivité Cmm(ω) du milieu entre électrodes d’excitation et de référence : étant l’admittance du milieu MUT à
Figure imgf000031_0001
caractériser entre l’électrode d’excitation et l’électrode de référence, sont des quantités homogènes à des longueurs liées à la géométrie du
Figure imgf000031_0005
milieu MUT à caractériser, la détermination de la permittivité diélectrique complexe ε*(ω) 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, fc la fréquence telle que fc = il
Figure imgf000031_0002
est possible de distinguer deux régimes :
- f « fc 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
- f » fc 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 f « fc, il est possible de montrer les relations suivantes :
Figure imgf000031_0003
Où :
- ε0 est la permittivité diélectrique du vide, - d1 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),
- εw est la permittivité relative du précédent matériau diélectrique 4
- Sd et Sg sont respectivement la surface de l’électrode d’excitation 1 et de l’électrode de référence 3 (cf. figure 10A).
Dans le régime où f » fc, il est possible de montrer les relations suivantes :
Figure imgf000032_0001
où :
- d2 est la largeur du milieu étudié MUT (cf. figure 10A),
- εMUT est la permittivité relative du milieu étudié MUT,
- SMUT est la surface du milieu étudié (cf. figure 10A).
Cdg 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 figure 7) ou tout ou partie d’un corps humain ou animal (le bras d’un être humain dans l’exemple illustré sur la figure 8), 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 [f] telle que
Figure imgf000032_0002
avec f définissant la pulsation du système de mesure M par la relation
Figure imgf000032_0004
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 :
Figure imgf000032_0003
est la conductivité du milieu à caractériser, ε' 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 [f], une variation de la capacité mutuelle entre l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de référence 3, notée ΔCdg, vérifie :
Figure imgf000033_0001
où, comme déjà mentionné plus haut, Cds 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 Cdg 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 Cds entre l’électrode d’excitation 1 et l’électrode de mesure 2.
L’on s’assure ainsi avantageusement que la capacité mutuelle Cdg 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 [f], la variation de la capacité mutuelle Csg entre l’électrode de mesure 2 et l’électrode de référence 3, ’ cette variation étant notée ΔCsg , vérifie :
Figure imgf000033_0002
où, comme déjà mentionné plus haut, Cds 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 Csg entre l’électrode de mesure 2 et l’électrode de référence 3.
L’on s’assure ainsi avantageusement que la capacité mutuelle Csg 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-ig destiné à circuler entre les électrodes d’excitation 1 et de mesure 2 via le milieu MUT, et le deuxième courant électrique ig destiné 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 Cx et de conductance équivalente Gx peuvent être calculées par l’unité de calcul 51 selon les formules suivantes :
Figure imgf000034_0001
où :
- Cfb est une capacité électrique prédéterminée, appartenant à la boucle de rétroaction 501 de l’amplificateur opérationnel 500,
- Vf est l’amplitude de la tension en phase mesurée à la sortie de l’amplificateur opérationnel 500,
- VQ est l’amplitude de la tension en quadrature mesurée à la sortie de l’amplificateur opérationnel 500,
- Vd est l’amplitude du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation 1 ,
- f est la fréquence du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation 1 , et - A est une constante liée à la forme du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation 1.
A titre d’exemple, A = 8 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, Cfb peut être égale à 47 pF ou égale à 237 pF. Cfb 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 Cm du milieu MUT vers l’électrode de mesure 2 et/ou une valeur de capacitance Cmm du milieu MUT vers l’électrode de référence 3, et/ou une valeur de conductance Gm du milieu MUT vers l’électrode de mesure 2 et/ou une valeur de conductance Gmm du 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 figure 15 et en complément de la figure 16.
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 σ du milieu MUT à caractériser, cette dernière définissant notamment la partie imaginaire de la permittivité diélectrique complexe ε*(ω) 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 Cdm, Cms et Cmg .
Il est notable que, l’électrode de mesure 2 étant virtuellement à la masse, le courant i3 est relié au courant d’excitation I par la relation i3 = I - ig où ig 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 i1 - ig et ig dépendent de la permittivité complexe ε*(ω) du milieu d’étude, de sorte que les capacitances Cm du milieu MUT vers l’électrode de mesure 2 et Cmm du milieu MUT vers l’électrode de référence 3, ainsi que les conductances Gm vers l’électrode de mesure 2 et Gmm vers l’électrode de référence 3, sont proportionnelles à la permittivité complexe ε*(ω) 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 Cx 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 :
Figure imgf000036_0001
Alors que la conductance équivalente Gx 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 :
Figure imgf000036_0002
Où la notation
Figure imgf000036_0004
i j désigne l’admittance équivalente aux deux admittances Yi et Yj en série, de sorte que et où étant comme l’illustre la
Figure imgf000036_0003
Figure imgf000036_0005
figure 15 relatif aux admittances des courants vers l’électrode de mesure 2 et Yg étant comme l’illustre la figure 15 relatif aux admittances des courants de fuites vers l’électrode de référence 3, et où :
Figure imgf000037_0001
Une telle approche a été utilisée pour modéliser le résultat présenté sur la figure 17 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 figure 16, et dont une description est donnée par le document de brevet US 2020/0340844 A1 incorporé ici par référence.
Sur la figure 17, les symboles « + » représentent les mesures de capacité équivalente Cx pour 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 « o » représentent les mesures de capacité équivalente Cx pour 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 Cx devient 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 figure 17 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 Cx en 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 Gx en 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 Gx sur l’intervalle de fréquence considéré. La courbe continue 200 peut alors constituer une modélisation de l’évolution de la conductance équivalente Gx en 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 cas 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 Cx et de la conductance équivalente Gx de la façon illustrée sur la figure 14.
Notons que, en alternative au modèle illustré sur la figure 15 et décrit ci-dessus, un autre modèle, illustré sur la figure 19, 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 figure 15.
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 Gm et Gmm, ou encore Cm et Cmm, 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 Ym et Ymm 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 Cx et de la conductance équivalente Gx, 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 Cx et de Gx à 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 E’ et E” 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 figure 20B 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. figure 12), 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 figure 13, 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.
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.
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 À, 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 d, de sorte que λ ≥
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 /Dentification » 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 figure 13), le cas échéant muni d’un module de communication en champ proche (N FC 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 (e.g. 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 un gaz dont la permittivité relative est suffisamment proche 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 ω 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 f « fc) dont le comportement électrique peut être modélisé de la façon illustrée sur la figure 19.
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 Ci et Cref 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 Ci et Cref telles qu’attendues et observées dans la présente situation donnent respectivement les évolutions 400 et 300 illustrées sur le graphique de la figure 20A.
Il est revendiqué que, dans ce cas, le rapport C1/Cref 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 C1/Cref 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 bioimpédance 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 (f « fc) qui permettent de caractériser en particulier la présence de particules colloïdales donnant lieu à des doubles couches électriques,
- les fréquences intermédiaires (f ≈ fc) qui permettent de caractériser la conductivité du milieu étudié MUT, - les hautes fréquences (f » fc) 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 ω 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.
Conductimètre
Un autre aspect de l’invention concerne un conductimètre comprenant un système de caractérisation 10 selon le deuxième aspect de l’invention, dans lequel une quantité
Figure imgf000044_0001
est déterminée pour déduire une fréquence caractéristique proportionnelle à la conductivité du milieu MUT contenu dans le contenant 6. La quantité est plus particulièrement déterminée en fonction de la valeur de
Figure imgf000044_0002
capacité électrique équivalente, notée Cx, et la valeur de conductance équivalente, notée Gx, entre les électrodes d’excitation et de mesure 1 et 2, telles que déterminées par mise en œuvre du dispositif de caractérisation selon le premier aspect de l’invention.
En effet, il peut être fait usage de la capacité électrique équivalente Cx et la conductance équivalente Gx déterminées par mise en œuvre du dispositif de caractérisation selon le premier aspect de l’invention pour calculer une grandeur électrique représentative de la dissipation du milieu MUT. Et, si l’on
Figure imgf000044_0003
définit comme la pulsation critique pour laquelle permittivités réelle et
Figure imgf000044_0004
complexe du milieu MUT sont de même valeur, il est notable que la quantité tan(δ) possède une forme universelle en fonction de la quantité ωlωc ou s’en approche de manière à pouvoir être modélisée grâce au modèle de l’invention. Ainsi, de préférence en choisissant judicieusement les surfaces d’électrodes de sorte que le couplage capacitif Cmg créé entre l’électrode de référence et le milieu MUT soit supérieur au couplage capacitif Cms créé entre l’électrode de mesure et le milieu MUT (i.e. Cmg > Cms), les courbes obtenues par le modèle suivent relativement bien les mesures illustrées sur la figure 21 représentant l’opposé -tan(δ) de la grandeur électrique susmentionnée en fonction de la fréquence, dont la position est proportionnelle à la conductivité du milieu MUT.
Les différentes séries de mesures illustrées sur la figure 21 ont plus particulièrement été obtenues par dilution progressive d’eau potable de conductivité égale à 404 pS/cm dans de l’eau déionisée de conductivité initiale égale à 1,0 pS/cm. Les courbes continues sont obtenues du modèle et l’on observe qu’elles correspondent aux séries de valeurs de conductivité des points de mesure. L’on observe également que la partie centrale des courbes se décale en fréquence de manière proportionnelle à la conductivité qui lui est associée.
La figure 22 illustre l’évolution du rapport, deux à deux, entre : les mesures obtenues sur un réservoir en PEHD équipé des électrodes du dispositif de caractérisation selon le premier aspect de l’invention pour lequel un point d’inflexion de pente positive de chaque courbe illustrée sur la figure 21 est utilisé pour déduire la conductivité de l’eau contenue dans le système de caractérisation ; elles sont plus particulièrement données par la relation
1,3 + 0,00030014 * (f - 3016), où la fréquence f est exprimée en Hz, et les mesures obtenues par un conductimètre du commerce (Modèle Cond 7310 de la marque WTW®), pour chacune des dilutions considérées à la figure 21.
Sur la figure 22 où les échelles de conductivité sont logarithmiques, ces mesures sont comparables ; on s’aperçoit que chaque rapport entre deux mesures correspondantes s’inscrit sensiblement sur une rampe de pente unitaire (la courbe en pointillé est de pente 1), démontrant ainsi la robustesse de la caractérisation offerte par les différents aspects de l’invention et la possibilité pour le système de caractérisation selon le deuxième aspect de l’invention à constituer un conductimètre.
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

REVENDICATIONS
1. 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 Vg, une électronique de commande (5) configurée pour appliquer un potentiel électrique Vd à l’électrode d’excitation (1), et un circuit électronique de mesure (50) possédant une masse virtuelle Vo connectée 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 : o L’électronique de commande (5) soit configurée pour faire varier dans le temps le potentiel électrique Vd à 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, o Les électrodes d’excitation et de mesure (1 et 2) soient agencées pour autoriser un premier courant électrique, noté i1-ig, à circuler entre elles via le milieu MUT, et o Les électrodes d’excitation et de référence (1 et 3) soient agencées pour autoriser un deuxième courant électrique, noté ig, 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 Cdm entre l’électrode d’excitation (1) et le milieu MUT,
Un couplage capacitif Cms entre l’électrode de mesure (2) et le milieu MUT, et
Un couplage capacitif Cmg entre 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 Cx, et une valeur de conductance équivalente, notée Gx, 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 Cx et de la conductance équivalente Gx, a été calculée par l’unité de calcul (51), pour déterminer au moins l’une parmi une valeur de capacitance Cm du milieu MUT vers l’électrode de mesure (2) et une valeur de capacitance Cmm du milieu MUT vers l’électrode de référence (3) et/ou au moins l’une parmi une valeur de conductance Gm du milieu MUT vers l’électrode de mesure (2) et une valeur de conductance Gmm du 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 : o l’une déterminée des valeurs qui, parmi les valeurs de la capacité électrique équivalente Cx et de la conductance équivalente Gx, a été calculée par l’unité de calcul (51), o au moins celle qui parmi la capacitance Cm du milieu MUT vers l’électrode de mesure (2) et la capacitance Cmm du milieu MUT vers l’électrode de référence (3) est à déterminer, o au moins la valeur la plus élevée parmi une valeur du couplage capacitif Cdm créé entre l’électrode d’excitation (1) et le milieu MUT, une valeur du couplage capacitif Cms créé entre l’électrode de mesure (2) et le milieu MUT et une valeur du couplage capacitif Cmg créé entre l’électrode de référence (3) et le milieu MUT, o une valeur de pulsation ω du potentiel électrique Vd à l’électrode d’excitation (1), et o une conductivité σ 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.
2. Dispositif de caractérisation (0) selon la revendication précédente, dans lequel ladite au moins une équation dudit système est en outre fonction d’une valeur de capacité mutuelle Cds entre l’électrode d’excitation (1) et l’électrode de mesure (2).
3. 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 Cm du milieu MUT vers l’électrode de mesure (2) et la valeur de capacitance Cmm du milieu MUT vers l’électrode de référence (3) ayant été déterminée, voire le cas échéant en fonction de chacune parmi la valeur de conductance Gm du milieu MUT vers l’électrode de mesure (2) et la valeur de conductance Gmm du milieu MUT vers l’électrode de référence (3) ayant été déterminée, des valeurs représentatives de la permittivité diélectrique complexe ε*(ω) du milieu MUT.
4. 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 Cm du milieu MUT vers l’électrode de mesure (2) et la valeur de capacitance Cmm du milieu MUT vers l’électrode de référence (3) ayant été déterminée, voire le cas échéant en fonction de chacune parmi la valeur de conductance Gm du milieu MUT vers l’électrode de mesure (2) et la valeur de conductance Gmm du 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.
5. 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 Cmg entre 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 Cx et de la conductance équivalente Gx, a été calculée par l’unité de calcul (51), au moins en fonction de la valeur du couplage capacitif Cmg entre l’électrode de référence (3) et le milieu MUT créé par revêtement, par le matériau diélectrique (4), de l’électrode de référence (3).
6. 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 Cdm entre l’électrode d’excitation (1) et le milieu MUT et le couplage capacitif Cms entre 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 Cx et de la conductance équivalente Gx, 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 Cdm entre l’électrode d’excitation (1) et le milieu MUT et le couplage capacitif Cms entre 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).
7. 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 ΔCdg, vérifie :
Figure imgf000049_0001
où Cds est une valeur représentative de la capacité mutuelle entre l’électrode d’excitation (1) et l’électrode de mesure (2).
8. 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 ΔCsg , vérifie :
Figure imgf000049_0002
où Cds est une valeur représentative de la capacité mutuelle entre l’électrode d’excitation (1) et l’électrode de mesure (2).
9. 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.
10. Dispositif de caractérisation (0) selon la revendication précédente, dans lequel la boucle de rétroaction (501) comporte un régulateur (502), de préférence de type Proportionnel-lntégral, configuré pour que l’amplificateur opérationnel (500) fonctionne en régime linéaire.
11. 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 VI et une amplitude de tension en quadrature VQ en sortie de l’amplificateur opérationnel (500), lesdites grandeurs physiques comprenant, voire étant constituées de, l’amplitude de tension en phase VI et l’amplitude de tension en quadrature VQ.
12. Dispositif de caractérisation (0) selon l’une quelconque des trois revendications précédentes, dans lequel la capacité électrique équivalente Cx est calculée par l’unité de calcul (51) selon la formule suivante :
Figure imgf000050_0001
où : Cfb est une capacité électrique prédéterminée, appartenant à la boucle de rétroaction (501) de l’amplificateur opérationnel (500),
V, est une amplitude de la tension en phase mesurée à la sortie de l’amplificateur opérationnel (500), et
VQ est une amplitude de la tension en quadrature mesurée à la sortie de l’amplificateur opérationnel (500).
13. Dispositif de caractérisation (0) selon l’une quelconque des quatre revendications précédentes, dans lequel la conductance équivalente Gx est calculée par l’unité de calcul (51) selon la formule suivante :
Figure imgf000050_0002
où : Cfb est une capacité électrique prédéterminée, appartenant à la boucle de rétroaction (501) de l’amplificateur opérationnel (500),
VI est une amplitude de la tension en phase mesurée à la sortie de l’amplificateur opérationnel (500),
VQ est une amplitude de la tension en quadrature mesurée à la sortie de l’amplificateur opérationnel (500),
Vd est le potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation (1), f est la fréquence du potentiel électrique Vd appliqué à l’électrode d’excitation (1) telle que
Figure imgf000050_0003
, est la pulsation du potentiel électrique Vd à l’électrode d’excitation (1), et
A est une constante liée à la forme du potentiel électrique appliqué à l’électrode d’excitation (1).
14. 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.
15. 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.
16. 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 ω 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.
17. 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.
18. 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).
19. 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.
20. 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).
21. 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).
22. 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).
23. 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.
24. Procédé d’étalonnage selon la revendication précédente, comprenant une étape consistant à faire varier la pulsation ω 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.
25. 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.
26. Procédé de caractérisation selon la revendication précédente, comprenant une étape consistant à faire varier la pulsation ω 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.
27. 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®.
28. Conductimètre comprenant un système de caractérisation (10) selon l’une quelconque des revendications 19 à 22, dans lequel une quantité
Figure imgf000053_0001
est déterminée pour déduire une fréquence caractéristique proportionnelle à la conductivité du milieu MUT contenu dans le contenant (6).
PCT/EP2022/087480 2021-12-31 2022-12-22 Dispositif de caractérisation d'un milieu par spectroscopie capacitive WO2023126303A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2114736A FR3131628B1 (fr) 2021-12-31 2021-12-31 Dispositif de caractérisation d’un milieu par spectroscopie capacitive
FRFR2114736 2021-12-31

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023126303A1 true WO2023126303A1 (fr) 2023-07-06

Family

ID=81749008

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2022/087480 WO2023126303A1 (fr) 2021-12-31 2022-12-22 Dispositif de caractérisation d'un milieu par spectroscopie capacitive

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3131628B1 (fr)
WO (1) WO2023126303A1 (fr)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003019119A1 (fr) * 2001-08-31 2003-03-06 Eaton Corporation Appareil de surveillance de l'etat d'un fluide en combinaison avec un detecteur de niveau de fluide
US8393209B2 (en) 2008-04-04 2013-03-12 Universite Joseph Fourier Capacitive detector, method for manufacturing same, and device for measuring the integral
US20130328572A1 (en) * 2012-06-08 2013-12-12 Medtronic Minimed, Inc. Application of electrochemical impedance spectroscopy in sensor systems, devices, and related methods
US20200340844A1 (en) 2018-01-12 2020-10-29 Kapflex Device for capacitive measurements in a multi-phase medium

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003019119A1 (fr) * 2001-08-31 2003-03-06 Eaton Corporation Appareil de surveillance de l'etat d'un fluide en combinaison avec un detecteur de niveau de fluide
US8393209B2 (en) 2008-04-04 2013-03-12 Universite Joseph Fourier Capacitive detector, method for manufacturing same, and device for measuring the integral
US20130328572A1 (en) * 2012-06-08 2013-12-12 Medtronic Minimed, Inc. Application of electrochemical impedance spectroscopy in sensor systems, devices, and related methods
US20200340844A1 (en) 2018-01-12 2020-10-29 Kapflex Device for capacitive measurements in a multi-phase medium

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
X. HU ET AL.: "Planarcapacitive sensors - designs and applications", SENSOR REVIEW, vol. 30, no. 1, 2010, pages 24 - 39

Also Published As

Publication number Publication date
FR3131628A1 (fr) 2023-07-07
FR3131628B1 (fr) 2023-12-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0401111B1 (fr) Dispositif de mesure de niveau et/ou volume d'un liquide à sonde capacitive
EP1123489B1 (fr) Dispositif de mesure capacitif
EP0722095B1 (fr) Détermination de la porosité et de la perméabilité d'une formation géologique à partir du phénomène d'électrofiltration
Yang et al. Complex impedance with transmission line model and complex capacitance analysis of ion transport and accumulation in hierarchical core-shell porous carbons
US20170156648A1 (en) Method and apparatus for measuring hematocrit
CN108603782A (zh) 用于检测介质的水平的装置及方法
EP0136200A1 (fr) Sonde de mesure de niveau de liquide dans un réservoir ou une conduite
WO2023126303A1 (fr) Dispositif de caractérisation d'un milieu par spectroscopie capacitive
FR2740170A1 (fr) Procedes et dispositifs de mesure de la resistivite de la boue dans un puits d'hydrocarbure
EP3246667A1 (fr) Dispositif de détection capacitive et dispositif de mesure l'incluant
CN112924494A (zh) 一种具备原位自校准功能的电导率传感器
FR2809821A1 (fr) Dispositif de connexion electrique etanche d'electrodes par cable blinde et systeme pour mesures petrophysiques utilisant le dispositif
Bento et al. Design, development and application of a real-time capacitive sensor for automatically measuring liquid level
Kashyap et al. Ultra-precision liquid level sensing using impedance spectroscopy and data analytics
FR3115111A1 (fr) Dispositif de mesure automatique de densité d’un liquide
EP3737920B1 (fr) Dispositif de mesures capacitives dans un milieu multiphasique
FR2982362A1 (fr) Dispositif avec antenne capacitive pour mesurer un niveau de liquide
FR3096775A1 (fr) Dispositif de mesures capacitives d’une hauteur d’un fluide dans un réservoir
Antoine et al. Comparison of constitutive wheat bran tissues by dielectric spectroscopy and effect of their moisture content
EP2491108A2 (fr) Dispositif de contrôle de l'évolution d'une culture cellulaire
FR2932564A1 (fr) Capteur-transmetteur capacitif de niveau liquide
WO2011073538A1 (fr) Capteur-transmetteur capacitif de niveau liquide
Gurin et al. Spectral induced polarization of rocks with electronically conductive inclusions: a semi-empirical capillary model
Leo et al. Detection of ethanol in water by electrical impedance spectroscopy and resonant perturbation method
Weber et al. Capacitive measurements for characterizing thin layers of aqueous solutions

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22843328

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1