La mesure neutronique

Peu connue, la mesure neutronique de l’humidité est une méthode d’une extrême précision. Elle est basée sur le principe du ralentissement de neutrons rapides par la dispersion d’atomes d’hydrogène.

1- Principe de la mesure

La méthode neutronique de mesure de l’humidité se fonde sur le principe de la modération des neutrons rapides par les atomes d’hydrogène. Une source de neutrons rapides et un compteur à scintillations sensibles aux neutrons lents forment la cellule captrice de l’instrument.

Un neutron possède à peu près la même masse que le noyau de l’atome d’hydrogène, alors que tous les autres noyaux atomiques sont 10 à 200 fois plus lourds. Si un neutron rapide entre en collision avec un noyau de masse élevée, il rebondit sans perdre une proportion notable d’énergie. Par contre, un neutron rapide perd en moyenne la moitié de son énergie, quand il heurte un noyau d’hydrogène. Et après plusieurs collisions successives dans un milieu contenant de l’hydrogène, le neutron ne développe plus qu’une énergie thermique.

Une dispersion de neutrons, provoquée par les collisions avec les noyaux, produit – selon un effet comparable à la diffusion de la lumière à travers un brouillard – un nuage de neutrons lents autour de la source de neutrons rapides, dont la densité diminue avec la distance. Ce nuage a une plus forte densité au voisinage immédiat de la source et cette densité est d’autant plus grande que la teneur en hydrogène par unité de volume est importante. Un détecteur de neutrons thermiques pourra donc émettre un signal proportionnel à la quantité d’hydrogène présente.

La proportion de neutrons dépend de la teneur en hydrogène par unité de volume et, par suite, du pourcentage d’humidité dans le volume considéré.

La proportion de neutrons lents définit aussi le volume faisant l’objet de la mesure appelé plus simplement volume de mesure. Pour estimer le diamètre D du volume de mesure contenant 95 % de neutrons lents, on peut appliquer la formule approximative suivante dans laquelle F est le volume d’humidité en pourcentage :

La courbe ci-dessous montre la densité des neutrons thermiques (neutrons modérés) pour différents volumes d’humidité. On peut alors estimer le diamètre D du volume de mesure.

La mesure rend compte de la teneur totale en hydrogène du matériau considéré, y compris l’hydrogène contenu dans l’eau sous forme de cristaux. Cette dernière teneur peut être éliminée de la teneur en humidité non cristalline par un décalage du point zéro.

Pour corriger les variations de densité, on introduit dans l’équipement un compensateur de densité monté dans la sonde de mesure avec une source de rayons gamma de césium 137. Les rayons gamma sont dispersés dans le matériau et une partie des radiations renvoyées est captée par le compteur à scintillations. Ce dernier est sensible à la fois aux neutrons lents et aux rayons gamma. En raison de la différence d’impulsion, les quanta neutrons et gamma détectés par la même sonde peuvent être comptés séparément. La disposition de la source du détecteur et du détecteur lui-même est conçue de manière à ce que l’intensité des radiations gamma renvoyées diminue lorsque la densité augmente. La valeur de la densité mesurée contrôle la sensibilité de la mesure des neutrons, de sorte que le quotient du volume d’humidité et de la densité, à savoir le pourcentage d’humidité en poids, puisse être déterminé en première approximation.

2 – Facteurs ayant une influence sur la mesure de l’humidité

a – Hydrogène de liaisons chimiques – Eau sous forme de cristaux

Dans la méthode de mesure de l’humidité à l’aide de neutrons, on détermine la proportion d’hydrogène par unité de volume et cette proportion inclut l’hydrogène entrant dans des liaisons chimiques et celui présent dans une eau qui existe sous forme de cristaux. Les variations de cette dernière entraînent le même pourcentage de variations de la teneur en humidité. Toutefois, l’hydrogène de liaisons chimiques modifie 9 fois plus l’indication d’humidité (H : H 0 = 2 : 18).

Si la teneur en hydrogène de liaisons chimiques ou la teneur en eau sous forme de cristaux, dans le même matériau considéré, est constante, leur influence peut être annulée par simple décalage du point zéro relatif au matériau sec.

 b – Influence de la densité

Si l’on appelle F l’humidité en pourcentage de volume, Fg l’humidité en pourcentage de poids et ∂ la densité moyenne, on peut écrire la formule suivante :

Dans l’industrie, il est d’usage de déterminer le pourcentage d’humidité en poids. Comme la méthode atomique de mesure détermine le pourcentage d’humidité en volume, il est possible d’étalonner l’instrument pour une indication en poids que si la densité du milieu est constante. Si cette condition n’est pas remplie, on doit également mesurer la densité moyenne et le pourcentage de l’humidité en poids doit être corrigé en fonction de la mesure de la densité.

En principe, la valeur moyenne de la densité est dépendante de deux quantités :

– la densité moyenne “sèche”, qui est fonction de la nature du matériau, de la taille de ses grains et des substances de “remplissage” ;

– l’importance de l’humidité, dont est imprégné le matériau (densité humide).

La méthode de mesure permet de déterminer la teneur en humidité. Les variations de “densité sèche” modifient d’un même pourcentage l’indication de l’humidité sans compensation de densité. En d’autres termes, les fluctuations de la densité moyenne pour une valeur constante d’humidité déterminent si une compensation de densité doit être apportée à la mesure de l’humidité.

 c – Traitement statistique des fluctuations

Dans toutes les mesures faisant appel à des phénomènes nucléaires, les impulsions de la sonde se suivent en séquences chronologiques irrégulières. Il s’ensuit que les impulsions enregistrées au cours d’intervalles égaux ont une valeur moyenne de fluctuation.

Lorsqu’un compteur mesure en continu l’intensité d’un phénomène, il est nécessaire de faire intervenir une constante de temps – t – donnée par la combinaison d’un condensateur avec une résistance, pour obtenir une valeur moyenne.

Si le taux moyen d’impulsion est de “n” périodes par seconde, la fluctuation moyenne relative de la mesure sera :

Statistiquement, les fluctuations maximales seront environ trois fois plus grandes que la valeur moyenne indiquée.

Le taux de comptage – n – est proportionnel au volume d’humidité F et à la sensibilité de la sonde. Si celle-ci est, par exemple, de 20 périodes par seconde par pourcentage de volume d’humidité et, que la constante de temps t est de 25 s, la fluctuation moyenne sera à 10 % d’humidité de plus ou moins 1 % de la mesure, ce qui correspond à un pourcentage de plus ou moins 0,1 %.

Des fluctuations rapides d’humidité pendant environ 1 mn seront sûrement repérées si elles sont d’au moins 0,3 % du volume, alors que des fluctuations plus lentes plus ou moins 0,05 % du volume ne seront décelables que pendant un temps d’enregistrement de 30 mn, à condition toutefois que les autres facteurs d’erreur soient insignifiants.

 3 – Protection contre les radiations

La radiation neutronique provenant de la source de neutrons rapides, placée dans la sonde de mesure d’humidité est trop faible pour introduire une radioactivité dans le matériau mesuré. En outre, une contamination de matériau par les substances radioactives de la source est pratiquement impossible. Ces substances sont intégrées à un composé stable à très faible solubilité et enfermées dans une double capsule en acier inoxydable. Du fait de leur montage et de leur protection contre la rouille, les sources de neutrons et rayons gamma utilisées peuvent être considérées comme de haute sécurité, et l’étanchéité de leur enveloppe ne doit être contrôlée que tous les 3 ans, selon le certificat du Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), l’agence nationale de métrologie allemande. En outre, un certificat d’étanchéité doit être envoyé à l’utilisateur lors de la livraison de l’équipement.

La sécurité est encore renforcée du fait que les sources radioactives sont insérées dans des sondes d’une grande stabilité. C’est donc uniquement la radiation émise par les sondes qui doit être prise en considération au point de vue de la protection.

[Source et remerciements : Berthold Technologies]