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Mesure de la distribution de la charge sur une surface diélectrique : application sur l'électrisation par écoulement

Dès la mise en contact d’une surface solide avec un liquide des réactions physicochimiques, encore mal identifiées, sont à l’origine de la création de la double couche électrique (DCE). Quelle que soit la nature du couple solide/liquide, les charges produites dans cette réaction se répartiront en deux couches de polarité opposée : une dans le liquide et l’autre dans le solide. Une partie des charges présentes dans le liquide peuvent être facilement mises en mouvement par l’écoulement du liquide. Ce transport des charges électriques perturbe alors l’équilibre statique de la DCE et conduit vers un nouvel état, l’équilibre dynamique. Ce phénomène, appelé électrisation par écoulement, est particulièrement craint des industriels puisqu’il peut être à l’origine d’une accumulation de charge suffisante pour inciter des décharges électrostatiques. Ces décharges peuvent alors altérer durablement les propriétés des matériaux au sein des différents équipements. C’est dans ce contexte que l’Institut Pprime a développé, depuis de nombreuses années, une activité de recherche débouchant sur la mise au point de moyens de mesures originales tels que la « Petite boucle ». Cette boucle est constituée d’un circuit fermé de circulation de liquide dans laquelle est inséré un capteur parfaitement isolé électriquement. Ce capteur permet de quantifier l’ensemble des échanges électriques globaux se produisant à l’interface solide/liquide durant une mise en écoulement. Cependant, l’organisation locale des charges électriques s’accumulant au sein du solide tout le long de la canalisation n’a pas encore été quantifiée. L’objectif de ce travail de thèse est de développer une métrologie permettant d’établir une cartographie 1D, continu dans l’espace, de la distribution des charges électriques dans la partie chargée du solide diélectrique durant un écoulement. Le travail se décompose en deux grandes phases. La première phase correspond au développement et à la calibration du capteur permettant d’effectuer la mesure. Le principe de la mesure repose sur la génération d’un courant capacitif induit par la variation du potentiel d’interface lors du déplacement d’une électrode en vis-à-vis de l’interface à mesurer. La calibration est faite en dehors du dispositif expérimental à l’aide d’une interface avec un potentiel de référence parfaitement maîtrisée permettant d’estimer la sensibilité et la résolution du dispositif. L’analyse théorique du capteur, confortée par une étude paramétrique expérimentale, a permis d’établir et d’optimiser la sensibilité et la résolution de cette technique. Durant la seconde phase, le capteur est introduit sur le dispositif expérimental en face du canal d’écoulement. Les premières mesures prises à l’interface solide/liquide ont permis de conforter en partie les attentes théoriques. La distribution du potentiel dans le premier tiers de la canalisation est hétérogène et présente un pic maximal selon les conditions expérimentales. Ces mesures ont également montré que l’augmentation de la vitesse d’écoulement et l’isolation de la veine aggravent la montée en potentiel. Des mesures à différents instants de l’écoulement ont aussi permis de suivre temporellement le développement progressif de l’amplitude du potentiel depuis l’équilibre électrostatique initial. Toutes ces mesures ont été également validées par des mesures de potentiel discret dans l’espace selon des méthodes plus conventionnelles.

Mots-clés libres : Double couche électrique, mesure capacitive, mesure non intrusive, capteur en déplacement, surfaces diélectriques chargés, caractérisation de la distribution de la charge .

Rameau (langage normalisé) :
• Couche double électrique
  
• Électrostatique
  
• Induction électrostatique
  
• Métrologie
  
• Échange de charge
  
• Diélectriques