Soutenance de thèse de Bayan TALLAWI

La mesure de la teneur en humidité dans les matériaux solides, telle qu’elle ait une grande exactitude et soit traçable au SI, est un défi technique et scientifique. La difficulté provient de la grande diversité des mesurandes, issus de techniques de mesure extrêmement variées. Ceci est renforcé par la variabilité des propriétés physiques et chimiques des matériaux en présence de la molécule d’eau. Ainsi les matériaux peuvent être affectés au travers de leur composition chimique, leur structure, leur texture, leur propriété mécanique et leur propriété thermique. Les méthodes usuelles de mesure de l’humidité, classées dans la catégorie des méthodes primaires sur le plan métrologique, sont parfois limitées par la durée de l’analyse, la taille de l’échantillon, la complexité des matériaux solides et nécessitent assez souvent des conditions environnementales de laboratoire. Néanmoins, ces méthodes présentent la meilleure exactitude et les incertitudes les plus faibles. Pour permettre une meilleure dissémination de la traçabilité métrologique, et pallier certaines limites des méthodes de référence, des méthodes de mesure alternatives sont nécessaires. Elles visent à améliorer les mesures de l’humidité sur site ou pour permettre l’étalonnage de dispositifs déjà installés sur des procédés industriels, ceci pendant une durée relativement courte et un environnement pouvant être contraignant : température, vibrations, encrassement, perturbations électromagnétiques. Parmi les solutions identifiées, il existe plusieurs méthodes entrant dans la catégorie des méthodes secondaires, telles que la spectroscopie électromagnétique, la mesure infrarouge, la microscopie électronique et la thermographie. Ces méthodes sont prometteuses pour mesurer l’humidité des solides, mais souvent leurs principes de mesure conduisent à des mesurandes différents de ceux des méthodes primaires. Néanmoins, elles permettent de caractériser les propriétés physiques et chimiques des matériaux et peuvent être utilisées pour déterminer leur humidité, sous réserve de réaliser un étalonnage par rapport à l’une des techniques primaires pour en assurer la traçabilité au SI. La première partie du travail a eu pour objectif de valider une cellule de mesure coaxiale, développée au LNE-CETIAT, pour la mesure de la permittivité diélectrique. Cette validation s’est faite par une comparaison à l’outil EpsiMu® et à une sonde à effet de bout, en utilisant des matériaux de référence identifiés dans la littérature. Ensuite, le développement et la caractérisation d’un instrument de transfert ont été réalisés : il s’agit d’une cavité résonante cylindrique. Cet équipement industriel a notamment été étudié avec des matériaux de référence et dérivés du bois. La cavité permet de mesurer les propriétés diélectriques des matériaux, en prenant soin toutefois de procéder à l’identification de certains paramètres caractéristiques, au moyen de la cellule coaxiale. La deuxième partie a été consacrée à l’étude, l’amélioration et le développement des protocoles expérimentaux associés au déploiement de méthodes de référence. Ceci a concerné la méthode de perte au séchage et deux méthodes électrolytiques : la titration Karl Fischer coulométrique et l’électrolyse de l’acide phosphorique issu de la combinaison de la vapeur d’eau et du pentoxyde phosphorique. Les méthodes de mesure ainsi que les bilans d’incertitude ont été validés via des comparaisons intra et interlaboratoires. Enfin, en combinant la caractérisation électromagnétique de la cavité résonante et l’une des méthodes primaires, des courbes d’étalonnage ont pu être établies entre les grandeurs diélectriques mesurées et l’humidité des matériaux. Ainsi l’instrument développé permet de mesurer l’humidité dans les solides de manière non destructive et dans un temps d’analyse très court.La démonstration de son application a pu être faite sur un site industriel pour étalonner un instrument mesurant l’humidité de granulés et de plaquettes de bois.

Moisture content measurements in solid materials, as accurate and traceable to the SI, is a technical and scientific challenge. The difficulty comes from the great diversity of measurands, resulting from extremely varied measurement techniques. This is reinforced by the variability of the physical and chemical properties of materials in the presence of the water molecule. Thus materials can be affected through their chemical composition, structure, texture, mechanical properties and thermal properties. The duration of the analysis, the size of the sample, the complexity of the solid materials, and the requirement for laboratory conditions are occasionally limitations of traditional techniques for measuring moisture, which are classified as the primary techniques from a metrological view. Nevertheless, these methods also have the best accuracy and lowest uncertainties. To allow a better dissemination of metrological traceability, and to overcome some limitations of reference methods, alternative measurement methods are needed. They aim to improve on-site moisture measurement or to allow calibration of devices already installed on industrial processes, all in a relatively short time and in a potentially restrictive environment: Temperature, vibration, fouling, and electromagnetic perturbations. Among the solutions identified, there are several methods, falling into the category of secondary methods, such as electromagnetic spectroscopy, infrared measurement, electron microscopy and thermography. These methods are promising for determining the moisture content of solids, but often their measurement principles lead to measurements different from those of primary methods. Although, they allow characterizing the physical and chemical properties of the materials and can be used to determine their humidity, subject to performing a calibration against one of the primary techniques to ensure SI traceability. The first part of the work was to validate a coaxial measuring cell, developed at LNE-CETIAT, for the measurement of dielectric permittivity. This validation was carried out by comparison with the EpsiMu® tool, the open-ended coaxial probe using reference materials identified in the literature. Furthermore, a cylindrical resonant cavity that serves as a transfer device was developed and characterized. This industrial equipment has notably been studied with reference materials and wood derivatives. The cavity allows the measurement of the dielectric properties of the materials, taking care however to proceed to the identification of certain characteristic parameters, by using the coaxial cell. The second part focused on the investigation, improvement, and development of experimental procedures related to the implementation of reference methods. The loss on drying method and two electrolytic techniques including the coulometric Karl Fischer titration and the electrolysis of phosphoric acid produced when water vapor and phosphoric pentoxide are combined, were discussed. The measurement methods as well as the uncertainty balances were validated through intra and inter-laboratory comparisons. Finally, by combining the electromagnetic characterization of the resonant cavity and one of the primary methods, calibration curves could be established between the measured dielectric quantities and the moisture content of the materials. As a result, the developed device enables quick analysis times and non-destructive measurements of the moisture in solids. The demonstration of its application could be done at an industrial site to calibrate an instrument measuring the moisture of pellets and wood chips.