Table des matières

Evolution de caractéristiques électriques du blé en fonction de son humidité :

« En quoi la mesure de la permittivité relative du blé permet la détermination de son humidité ? »

Mise en garde :

Le contenu de ce Wiki sera amélioré progressivement. Ce projet est un TIPE de classe préparatoire (“Travaux d'Initiative Personnelle Encadrés”) mené par Arthur Le Ber en classe de PC au lycée Saint-Louis,75006 Paris. L'ensemble des expériences a été réalisé au laboratoire de physique du lycée Saint-Louis, mais le boîtier test a été fabriqué au PMCLab.

Introduction :

L’humidité est définie par le rapport entre la masse d’eau et la masse totale. Le contrôle de l’humidité dans le secteur agricole est un enjeu essentiel dans le sens où, pour transporter les céréales dans le monde entier, le poids d’eau, inutile, doit être minimal, mais aussi parce qu’à une humidité supérieure à 16%, les insectes et moisissures sont susceptibles de se former.

Conception d’échantillons à une humidité donnée :

Principes communs :

Les 10 échantillons sont d’environ 800mL, stockés dans des bocaux hermétiques. Ils représentent un panel d’humidités comprises entre 9 et 18%.

Séchage total :

Mise en œuvre :

Séchage à l’étuve à 55°C pendant 3 semaines, puis réhumidification d’après les calculs suivants avec une masse d’eau connue.

Inconvénient :

Le blé n’a pas repris ses forme et texture classiques. Au bout de quelques jours, une odeur de décomposition apparaissait. De plus, une mesure rapide de la capacité avec un multimètre ne présentait aucune monotonie en fonction de l’humidité. Explication :

Prise d’essai, puis ajustements plus petits :

Mise en œuvre :

Trois échantillons de masses différentes (~100, 140 et 250g) ont été séchés à 140°C pendant 7 jours en étuve. Pesés au préalable puis à la fin, on peut en déduire l’humidité de l’ensemble du seau de 10L. Ensuite, il est possible en choisissant une humidité cible et pesant la masse de l’échantillon de calculer la masse d’eau à retirer ou à enlever, par un ajout d’eau ou un bref séjour à 40°C en étuve.

Résultats :

Encore 2 mois après, les échantillons conservés à l’abri de la lumière n’ont pas changé d’aspect.

Incertitude sur les humidités :

A l’issue des expériences, on prélève un échantillon de 100g de chaque échantillon, que l’on sèche à 140°C pendant 1 semaine à l’étuve. On peut ainsi connaître précisément l’humidité avec laquelle l’ensemble des mesures a été fait.

Mesure de la capacité électrique :

Boîtier de test :

Un premier avait été réalisé avec deux plaques de cuivre de 5x5cm², espacées de 4cm, mais la capacité de l’ensemble, une fois les céréales à l’intérieur, était trop faible pour être mesurée. Un second boîtier contenant 3 plaques de Zinc en vis-à-vis a été réalisé (via SolidWorks puis gravure Laser) : celui-ci maximise la surface des électrodes et diminue leur éloignement.

face.pdf lat.pdf humidimetre.zip

(Les 2 électrodes périphériques sont reliées entre elles.) Pour veiller à la répétabilité des mesures, on remplit à ras-bord le boîtier, avec le récipient placé quelques centimètres au-dessus, puis on enlève le surplus avec une règle. Enfin, on tape 3 fois dessus de manière à tasser les grains.

Avec un multimètre :

Résultats :

Inconvénients :

Via un circuit RC :

Principe :

On réalise un circuit de type filtre passe-bas avec R1=100kΩ puis R2=200kΩ. En entrée, un signal créneau de période T=200µs, adaptée pour permettre l’arrivée au régime permanent avant un nouveau changement de tension. On mesure un temps de montée, défini comme étant 5τ=5/(RC).

Résultats :

Inconvénients :

A l’aide d’un pont de Wheatstone adapté :

Principe :

On réalise le montage suivant, en plaçant le boîtier de test en Z4.

Il s’agit dans un premier temps d’équilibrer les résistances, en choisissant E continue, puis d’équilibrer les capacités, avec E sinusoïdal.

Inconvénients :

Aucun résultat concluant n’a pu être trouvé. Le montage pour mettre les condensateurs variables en dérivation était très sensible à l’environnement, et menait à des mesures largement variables d’un jour à l’autre.

A l’aide d’un oscillateur à pont de Wien :

Principe :

On réalise un oscillateur à pont de Wien, en remplaçant la capacité C2 du filtre de Wien par le boîtier de test. De cette manière, la fréquence de résonance du circuit étant directement liée à la capacité (la résistance ayant une influence négligeable), il est possible en la mesurant via FFT, après avoir ajusté la résistance du circuit amplificateur, de mesurer la capacité du boîtier testeur.

Résultats :

	cf feuilles 1) et 2)

Conclusion :

De toutes ces méthodes, seule la dernière est pertinente dans notre cas. C’est celle-ci que l’on retient pour la suite.

Exploitation des résultats :

Le condensateur :

Fonctionnement du condensateur, la capacité est liée à la permittivité relative.

Variation de la permittivité relative avec l’humidité.

Il ne s'agit que de trouver une loi empirique.

Utilisation du dispositif :

On réalise avec des échantillons aux humidités totalement inconnues des mesures de leur permittivité relative. Ces échantillons sont par la suite pesés, séchés à 140°C en étuve pendant 1 semaine puis pesés à nouveau pour déterminer leur humidité réelle. De cette manière, il est possible de comparer l’humidité mesurée avec l’humidité prévue par le modèle. Le tableau suivant sera réalisé : N° | Humidité Réelle | Humidité prévue (±incertitude)| Ecart Relatif

Conclusion :

De par la faible permittivité relative du blé, le boîtier test avait une très faible capacité. Elle aurait pu être encore augmentée en rapprochant les électrodes ou en augmentant leur surface, mais les effets de bords n’aurait plus été négligeables et la manutention du blé serait devenue plus délicate. Néanmoins, (Conclusion avec les 5 tests à réaliser).


Avec du temps supplémentaire, l’étape suivante aurait été de concevoir un automate, constitué d’un entonnoir à hauteur fixe, d’une barre motorisée retirant le surplus, d’un vibreur pour tasser le blé, d’un circuit oscillant se réglant automatiquement et d’un calculateur indiquant le taux d’humidité. Aussi, toutes les expériences ont été réalisées à la température du laboratoire, c’est-à-dire 23°C, mais il faut savoir que la permittivité relative des céréales dépend aussi de cette donnée. L’automate devrait donc être constitué aussi d’un capteur de température. Enfin, pour couvrir tous les besoins d’une région, il s’agirait de déterminer les lois pour chaque céréale : orge, blé, colza, pois… Le taux d’humidité des céréales n’est qu’une caractéristique parmi bien d’autres. On peut entre autres citer :

Bibliographie :