Measurement of the charge distribution on a dielectric surface : Flow electrification analysis

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.As soon as a solid surface gets in contact with a liquid, some still unknown physicochemical reactions appear to create the electrical double layer (EDL). Regardless of the couple nature, the charges produced in this reaction will be redistributed in two layers of opposite polarity: one in the liquid and the other one in the solid. One part of the charges at the liquid can be easily put in motion by the flow of the liquid. This electric charge transportation disturbs the EDL static equilibrium and leads to a new state, the dynamic equilibrium. This phenomenon, known as flow electrification, is particularly feared at the industrial level considering that the associated charge accumulation can be sufficient to trigger electrostatic discharges. These discharges can permanently change the properties of the materials on a wide range of equipment. In this context, the Pprime institute has developed, for many years, a research activity leading to the creation of different original apparatuses such as the “little loop”. This device is constituted by a close-loop circuit of liquid recirculation where a perfectly isolated sensor is inserted. This sensor allows to quantify the global averaged charge distribution produced at the solid/liquid interface at the dynamic equilibrium state. However, the local distribution and accumulation of the charges on the solid part of the interface has not been yet experimentally quantified. The main objective of this thesis work is to develop a measurement technique capable of determine a 1D cartography, continuous in space, of the electric charge distribution in the solid part of the solid/liquid interface at the dynamic equilibrium state. This work is divided into two main phases. The first phase is centered at the development and calibration of the sensor that will be used to realize the charge measurements. The measurement principle is based on the generation of a capacitive current induced by the variation of the interface potential during the movement of an electrode placed in front of the interface to be measured. The calibration of this technique is realized outside the experimental device through an interface with a perfectly controlled potential reference profile that has also been used to estimate the sensitivity and resolution of the sensor. The theoretical analysis of the sensor, supported by an experimental parametric study, allowed to establish and optimize the sensitivity and resolution of this technique. Finally, the second phase of this thesis works corresponds to the implementation of the sensor in the little loop device to measure the charge distribution at the solid part of the solid/liquid interface at the dynamic equilibrium state. The first measurements taken at the interface allowed to partially confirm the theoretical expectations. The potential distribution at the first third of the canalization is highly heterogeneous and shows a potential maximum in relation to the experimental conditions. These measurements also showed that the increase of the flow velocity, combined with the fact that the canalization is electrically isolated, seems to increase the local charge accumulation. Different measurements taken at different times and in different positions allowed to follow the development and evolution of the potential rise at the interface from the initial electrostatic equilibrium. The different measurements taken were validated by discreet potential measurements realized by more conventional methods