First steps in development of a new transfer standard, for moisture measurement, based on radio-frequency wave and micro-wave (original) (raw)

2015, 17th International Congress of Metrology

Le LNE-CETIAT fait partie d'un consortium, de laboratoires nationaux de métrologie, impliqué dans un projet européen de recherche en métrologie (Joint Research Project) dénommé SIB64 METefnet (www.metef.net) et financé par le comité European Metrology Research Programme (EMRP). L'objectif du projet est de permettre aux utilisateurs finaux de réaliser des mesures d'humidité dans les solides, fiables et traçables au SI, en améliorant les techniques de mesure et les méthodes d'étalonnage [1]. Parmi les différentes approches suivies par les partenaires de ce projet, le LNE-CETIAT a choisi de se concentrer sur la dissémination de la traçabilité au SI, à l'endroit d'utilisateurs industriels, en développement un instrument de transfert non destructif utilisant des Hautes-Fréquences et des micro-ondes, à bas niveau d'énergie (0dBm), pour mesurer l'humidité dans les matériaux solides. La fréquence de relaxation de l'eau dans un matériau dépend, notamment, du degré de liaison entre les molécules d'eau et la matrice solide (substrat) [2-3]. La bande de fréquences couvre un spectre qui s'étend des Hautes-Fréquences-HF, soit de quelques MHz à quelques centaines de MHz, aux Micro-Ondes-MO, soit de quelques centaines de MHz à quelques GHz. Ainsi, il est communément considéré, par les constructeurs utilisant les ondes électro-magnétiques-OEM comme moyen de chauffage dans les procédés de séchage, que l'eau liée physiquement ou chimiquement, à la matrice solide, interagit principalement et sélectivement avec les ondes du domaine RF, tandis que l'eau libre, dans la matrice solide, interagit principalement avec les MO (10 GHz). L'instrument développé dans le cadre de ce projet exploite cette sélectivité, vis-à-vis du type d'OEM utilisée, en faisant des mesures de propriétés diélectriques des matériaux humides. Ce principe de mesure est connu et utilisé depuis les années 70, les instruments alors développés fonctionnant exclusivement soit en RF soit en MO et sur bande de fréquence extrêmement étroite. Ces appareils ne permettent donc pas de couvrir une large gamme de fréquence de sorte à optimiser la fréquence de mesure vis-à-vis du degré de liaison de l'eau avec la matrice solide. L'originalité de ce travail repose sur la mise au point d'un instrument de mesure dont la fréquence de travail, utilisée pour mesurer l'humidité dans une matrice solide, est optimisée vis-à-vis de degré de liaison de l'eau avec le substrat et vis-à-vis de l'interaction entre l'OEM et le matériau. Pour ce faire, plus la fréquence de travail du capteur sera proche de la fréquence de relaxation mesurée plus la sensibilité de l'instrument sera bonne. Afin de déterminer la fréquence de relaxation de l'eau dans un solide, le CETIAT développe un équipement qui permet de couvrir une gamme de fréquences la plus grande possible. Pour ce besoin, deux cellules, non-résonnantes, ont été développées : une cellule capacitive et une cellule coaxiale. Cet article présente les cellules développées ainsi que les premiers résultats expérimentaux obtenus avec la cellule capacitive.