Brevet FR2265092A1 — publié le 19751017

La présente invention a pour objet un appareil pour mesurer la profondeur du gel dans un matériau géologique imprégné d'eau, notamment pour la mesure du front de gel dans les sols, plus particulièrement constitués par des chaussées ou leurs accotements. On connaît, jusqu'a présent, divers types d'appareils pour la mesure des températures 9 différents niveaux du sol et du sous-sol. Ces appareils du type : thermomètre, sonde à résistance ou å thermocouple, présentent l'inconvenient d'avoir un temps de réponse assez long pu de donner des valeurs imprécises. De même, les indicateurs du type à réservoir de liquide, tel que de l'eau, par exemple les cryopédomètres et les cryomètres, ne peuvent donner que des indications imprécises par suite du phénomène de surfusion de l'eau ou du liquide utilisé. En outre, de tels appareils ne deviennent opérationnels que pour des plages de température déterminées et présentent des temps de réponse assez longs, parfois deux å trois heures. I1 existe un cryopédomètre basé sur le changement de couleur d'une solution de fluorescéine. Ses inconvénients résident dans son manque de précision et la nécessité de mettre en permanence un exemplaire d'indicateur de gel par endroit de mesure. En conséquence, on a cherché a mettre au point un procédé et un appareil de mesure obviant aux inconvénients précités et permettant d'obtenir rapidement des résultats de mesure précis sans nécessiter des dépenses exagérées en moyens. Le principe du procédé de mesure selon la présente invention est basé sur les propriétés diélectriques que présentent certains milieux au changement d'états physiques liquide-solide. I1 a été constaté que la permittivité relative réelle I diélectrique des matériaux secs est relativement faible, de l'ordre de 2 a 10. L'eau, par contre, présente une grande polarisation dipolaire, ce qui lui confère une forte permittivité diélectrique relative, de l'ordre de 80 a 85 selon la température. Il en résulte qu'un matériau humide aura une permittivité diélectrique relative située dans la plage de 2 à 85 selon la quantité d'eau qu'il renferme. Par ailleurs, la glace a une permittivité faible, de l'ordre de 5 Il existe donc, au passage du front de gel, un contraste de propriétés diélectriques qui sera mis a profit dans la présente invention puisqu'un sol humide, lorsqu'il est gelé, se comporte,- au point de vue diélectrique, comme un sol sec. L'invention fait appel a ces connaissances et, pour atteindre le but sus-mentionné consistant a mesurer, dans un sol imprégné d'eau, la profondeur du gel, le procédé selon l'invention est carac térisé en ce que l'on applique a la zone de sol a explorer s'étendant entre deux niveaux dont l'un est situé dans du sol humide et l'autre dans du sol gelé, un champ électrique d'une fréquence constante et que, le long de la zone à explorer, on mesure qualitativement et successivement, entre deux poins d'exploration écartés d'une distance constante, las variations de l'intensité du champ électrique appliqué. Ainsi, dès que l'on constate une variation brusque et importante de l'intensité du champ électrque, on sait que l'organe de mesure ou de détection se trouve au niveau du front de gel dans le sol. Il suffit, alors, de connattre la position de l'organe de détection par rapport à l'embouchure du trou pratiqué dans le sol, trou dans lequel est plongé ledit organe, pour déterminer avec précision la profondeur du gel. L'appareil permettant la mise en oeuvre du procédé susmentionné comporte essentiellement un montage en série d'un circuit générateur d'impulsions a fréquence constante, d'un capteur capacitif connecté audit circuit générateur ainsi que d'un circuit de mesure connecté a la sortie du capteur, ce capteur étant prévu sur l'extrémité d'une canne de support graduée en millimètres vers l'autre extrémité a partir du point médian dudit capteur. Gracie a cet agencement, il suffit d'abaisser le capteur dans le trou de sol et, dès qu'une variation brusque et importante de la tension se manifeste dans le circuit de mesure, d'arrêter le déplacement du capteur et de lire la valeur sur l'échelle millimétrique de la canne, en face de l'embouchure du trou de solo On repère ainsi avec certitude et précision la profondeur de gel dans le sol. L'objet de l'invention sera encore mieux compris à l'aide de la description suivante d'un mode de réalisation de l'appareil~conforme à l'-invention, description se référant au dessin annexé sur lequel - la figure 1 est une vue schématique et synoptique de montage électrique et eSectronique d'un mode de réalisation de l'appa- reil pour mesurer la profondeur de gel, - la figure 2 est une -vue schématique en coupe axiale à travers un capteur capacitif selon l'invention, - la figure 3 montre un mode de réalisation d'un montage du circuit de mesure intégrant le capteur dans un pont à 8quili- brage du type Schering, - la figure 4 montre l'extrémité inférieure de la canne de l'appareil de mesure, enfoncée dans un trou du sol à explorer, et - la figure 5 montre l'allure de la courbe représentant la permittivité diélectrique relative dans un sol humide et un sol gelé. Comme on peut le voir sur la figure 1, l'appareil pour mesurer la profondeur du gel dans un sol comprend, montés en série, un générateur d'impulsions a fréquence constante 1, un capteur capacitif- 2 inséré dans un pont de mesure 3 d'-un circuit de mesure qui comprend aussi, en série, un amplificateur 4 et un galvanomètre 5. Le générateur d'impulsions 1 et l'amplificateur 4 sont alimentés par une source de courant continu dont on a seulement représenté le conducteur positif 6 et le conducteur de masse 7. Du fait que le capteur 2 sert à la mesure de la constante diélectrique, c'est-à-dire de la permittivité relative 6' d'un milieu-en matériau a ausculter, il n'est pas nécessaire que le capteur soit physiquement en contact avec ledit milieu. Le capteur 2 peut donc être constitué par des électrodes de mesure qui ne sont pas en contact avec le sol, c'est-à-dire dans le cas présent, avec la paroi d'un trou pratiqué dans ledit sol et qui peuvent se déplacer pour explorer un certain volume de matériau. Les lignes de forces d'électrode à électrode tra versent le matériau. La variation de la permittivité relative (' du milieu engendre la variation de la capacité C du capteur capa citif.Dans le cas présent, ce qui intéresse est la variation de permittivité-due au changement d'état physique de l'eau et non pas à la quantité d'eau contenue dans le sol. Les électrodes du capteur capacitif 2 peuvent avoir des formes diverses. Ainsi le capteur capacitif 2 peut avoir deux électrodes en forme de plaques planes parallèles, de lames situées dans un même plan face-au matériau a explorer et, de préférence, de cylindres concentriques. Selon un mode de réalisation avantageux, l'appareil de mesure comporte, à l'extrémité inférieure d'une canne 8 le capteur capacitif 2, constitué de trois électrodes cylindriques creuses 9, 10, 11, les électrodes cylindriques sont concentriques les unes aux autres, superposées et écartées les unes des autres par des rondelles d'écartement métalliques 12,13 reliées a la masse. Chaque électrode, par exemple en laiton 9, 10-, 11, est emmanchée à force sur un mandrin isolant en verre synthétique tel que "Plexiglass" 14, 15, 16. Les mandrins 14, 15, 16 , ainsi que les rondelles d'écartementl2, 13, sont enfilés sur une tige filetée 17, par exemple en polyamide tel que "Nylon", de telle sorte que deux mandrins voisins, munis chacun de leur électrode cylindrique, sont séparés par une rondelle d'écartement. Un écrou inférieur 18, par exemple en verre syn thétique tel que "Plexiglass" est vissé sur l'extrémité inférieure de la tige centrale 17 et sert d'appui a l'ensemble des mandrins électrodes. A l'extrémité supérieure de cette tige 17 dont la longueur est légèrement supérieure & l'ensemble mandrins-électrodes et rondelles d'écartement, est également vissé un écrou 19, constitué de la meme matière que l'écrou 18. L'écrou 19 se trouve fixé par exemple par collage a l'intérieur de l'extrémité inférieure de la canne creuse 8 et prend appui, par sa face inférieure, sur la face supérieure du mandrin supérieur 14. te diamètre extérieur de la canne 8 est légèrement inférieur ou, tout au plus égal, au diamètre des électrodes cylindriques 9,10, 11. La tige 17 est creuse et comporte, à l'endroit des électrodes, un perçage radial en alignement avec un perçage radial dans le mandrin correspondant. Un fil conducteur, soudé A la face interne de chaque électrode 9,10, 11, passe a travers ces perçages radiaux et, ensuite, a travers la tige creuse- 17, l'écrou supérieur 19 et la canne 8, vers le générateur d'impulsion I et le circuit de mesure 3,4, 5. Il ressort de la fpre 2 que, selon un mode de réalisation particulier, le capteur capacitif est donc constitué par deux condensateurs constitués, d'une part par les électrodes 9 et 10 et, d'autre part par les électrodes 1Q et 11. Comme on peut le voir plus particulièrement à la figure 4, la canne 8 présente, à partir de l'électrode supérieure 9, une graduation par exemple millimétrique 20, qui permet de lire directement la profondeur qu'occupe le centre de l'électrode centrale 10. Lorsque le capteur capacitif 2 est enfoncé dans un trou 21 d'un sol comprenant une partie gelée 22 et une partie non gelée 23, le niveau de séparation entre le sol gelé 22 et le sol non gelé 23 constituant le front de gel 24 lorsque le niveau médian de l'électrode centrale 10 se trouve au même niveau que le front de gel 24, chacun des condensateurs 9, 10, d'une part et 10,11 d'autre part, se trouve en face d'un milieu différent de l'autre. On observe, alors, dans le circuit de mesure de l'appareil, un maximum de déséquilibre qui indigue-que lêIectrode centrale 10 passe d'un milieu diélectrique a un autre ayant une permittivité relative 2' très différete de celle du milieu précédent.Dans le cas de l'espèce, comme on peut le voir sur la figure 5, la permittivité relative' diminue brusquement lorsqu'on passe du milieu comportant de l'eau à l'état de glace (sol gelé) au milieu comportant de l'eau liquide (sol non gelé) Ce phénomène s'explique du fait que le condensateur 9,10, d'une part, avec le milieu diélectrique constitué par le sol gelé, a une capacité très différente du condensateur ,11 avec son milieu diélectrique constitué par le sol non gelé. Pour mesurer- la profondeur de gel, il suffit d'arrSter le déplacement de la canne graduée 8 lorsque le déséqui libre maximal se manifeste dans le circuit de mesure et il suffit, alors, de relever la valeur de la graduation 20 affleurant au droit du sol pour connaître la profondeur du sol gelé. Sur la figure 3, on a représenté un mode de réalisation d'un montage du circuit de mesure qui comporte un pont & équilibrage du type Schering, 3 dont chacune des branches comporte un montage en parallèle d'un condensateur et d'une résistance ohmique. Le capteur capacitif 2 est, ici, schématiquement représenté par deux montages en parallèle d'un condensateur C et d'une résistance ohmique R ou C' et R'. Le condensateur C ou C' est matérialisé par les électrodes 9,1Q ou 10,11 avec le milieu diélectrique du sol correspondant. Les résistances R et R' représentent les pertes du milieu diélectrique. Dans les deux autres branches du pont, branches qui sont symétriques par rapport aux branches constituant le capteur capacitif 2, les condensateurs C1 et C2 et les résistances R1 et R2 sont réglables. Ces condensateurs C1 et C2 sont des condensateurs d'équilibrage.Les points de jonction M et N entre, d'une part,- les branches contenant les montages d'équilibrage C1, R1 , d'une part, C2 et R2 , d'autre part, et les branches contenant le capteur capacitif 2, d'autre part, sont connectés au générateur d'impulsionsindiqué symboliquement par E Les deux autres points de connexion P et Q, constituant le point milieu, soit des branches d'équilibrage, soit des branches de mesure du capteur capacitif 2, sont connectés chacun à une des entrées d'un amplificateur 4 dont la sortie est branchée à un galvanomètre 5. Pour l'équilibrage de l'appareil de mesure, on règle les deux branches d'équilibrage pendant que les électrodes du capteur 2 sont situées dans l'air, de telle sorte que C1 = C2 et, de préférence, différent de zéro afin de masquer les capacités parasites. On règle également les résistances R1 et R2, de sorte qu'elles aient pratiquement une valeur infiniment grande puisque, dans l'air, les valeurs R et R' (les pertes représentant les pertes diélectriques) sont également infinies. On met, alors le capteur capacitif 2 dans le trou. Tant que les trois électrodes 9,10,11 sont plongées dans le même milieu diélectrique (par exemple dans le sol gelé 22) les équations d'équilibre sont encore remplies. Mais dès que l'un des condensateurs est plongé dans un milieu diélectrique différent de celùi du deuxième condensateur, le pont de mesure 3 est déséquilibré et l'aiguille du galvanomètre se déplace brusquement. Ce déséqulibre est maximum lorsque l'un des condensateurs se trouve dans un milieu diélectrique (par exemple-sol gelé) et l'autre condensateur se trouve dans l'autre milieu diélectrique (par exemple sol non gelé). C'est à ce moment qu'il faut lire l'échelle de graduations de la canne au droit du sol. I1 est à préciser que le procédé de mesure conforme à l'invention faisant appel à l'application d'un champ électrique à un milieu de sol et à la mesure de la permittivité diélectrique de ce milieu, constitue une mesure qualitative en ce qui concerne la permittivité diélectrique (' puisqu'on ne cherche pas d mesurer exactement les valeurs de cette permittivité, mais cette mesure est quantitative quant a la profondeur du front de gel, puisque là, on mesure exactement les avances l'aide de la graduation d'une échelle millimétrique. I1 est encore à noter que pendant la mesure de la permittivité diélectrique relative, il faut appliquer au sol un champ diélectrique d'une fréquence stable. On a constaté qu'on peut obtenir des résultats de mesure significatifs lorsque la fréquence du champ électrique appliquée au sol est comprise entre 10 KHz à 100 NHz et qu'une fréquence de 0,5 MHz est particulibrement avantageuse. Le générateur d'impulsions i est alimenté, par exempie par une source de courant continu constituée par une batterie portable. Bien entendu les modes de réalisation précédemment décrits peuvent subir un certain nombre de modifications sans qu'on sorte du cadre de la présente invention. En particulier le circuit de mesure peut être différent de celui qui vient d'être décrit, l'essence de l'invention portant-sur l'utilisation du comportement diélectrique très différent d'un milieu constitué par un sol humide et d1un milieu constitué par un sol gelé. En outre, on peut garnir d'une gaine en matière plastique tel; que le "P.V.C." le trou de mesure pratiqué dans le sol. Cette gaine permet d'éliminer les signaux parasites émis lors du passage de la sonde aux interfaces des différentes couches de chaussée et d'augmenter la netteté du signal utile (passage de-l'appareil devant le front de gel). Cette gaine est constituée par un cylindre annula ire creux plastique dont les deux parois latérales délimitent un espace annulaire rempli d'un matériau inerte tel que des billes de verre ou des grains de sable dont les interstices sont saturés d'eau-. Bien entendu, ce cylindre annulaire est fermé aux deux extrémités. Le diamètre intérieur du cylindre annulaire est légèrement plus grand que le diamètre extérieur du capteur. La longueur de cette gaine est fonction de la profondeur du trou de mesure. R E VE N D I C A T I O N S 1. Procédé pour la mesure de la profondeur du gel dans un matériau géologique imprégné d'eau, notamment pour la mesure du front de gel dans les sols plus particulierement constttués par des chaussées ou leurs accotements,- caractérisé en ce qu'on applique, dans un trou dont les parois délimitent la zone de sol à explorer et qui s'étend entre un niveau situé dans du sol humide et un niveau situé dans du sol gelé, un champ électrique d'une fréquence constante, et on mesure qualitativement et successivement, le long de la zone à mesurer, les variations de nermittivité diélectrique entre deux points d'exploration écartés d'une distance constante. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on applique ledit champ diélectrique entre un premier et un second point écartés d'une distance constante, on mesure, qualitativement et successivement, le long de la zone à mesurer, la différence entre la permittivité diélectrique entre ledit premier point et le point médian situé à égale distance desdits premier et second points et la permittivité diélectrique entre ledit second point et ledit point médian et on détermine la distance séparant ledit point médian de la surface du soi lorsque l'amplitude de ladite différence atteint une valeur maximale. 3. Procédé selon l'une quelconque '9es revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la fréquence du champ électiicue est comprise entre 10 KHz et 100 MHz. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérlsé en ce que la fréquence du champ électriqueest de 0,5 MHz. 5. Appareil permettant la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte essentiellement un montage en série d'un circuit générateur d'impulsions â fréquence constante, d'un capteur capacitif connecté audit circuit générateur ainsi qu'un circuit de mesure connecté à la sortie du capteur, ce capteur étant prévu sur l'extrémité d'une canne de support graduée vers l'autre extrémité partir du point médian dudit capteur. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le capteur capacitif comprend des électrodes en forme de cylindres creux. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le capteur capacitif comprend deux condensateurs connectés en série constituEs par trois électrodes cylindricues creuses, disposes concentriquement l'une au-dessus de l'autre et carnées l'une de l'autre par une rondelle d'écartement, et en ce que ledit circuit de mesure comprend un pont de mesure ayant une première branche dans laquelle est insérée l'un des condensateurs, une seconde branche, adjacente à la premier, dans laquelle est inséré l'autre des condensateurs et une troisième et une quatrième branches dans lesquelles sont insérées respectivement une premier et une seconde impédance ajustable, ledit circuit générateur front branché aux bornes du circuit série formé par la première et la seconde branche et un appareil de mesure étant insère dans la diagonale de mesure dudit pont. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérise en ce que les électrodes cylindriquas creuses sont emmanchées c;acune sur une rondelle constituée d'un montage électriquement isolant tel qu'un verre synthétique. 9. Appareil selon l'une des revendications 5 à 8, carac térisé en ce que les mandrins, avec leurs électrodes, ainsi que les rondelles d'écartement, sont empilés sur une tige en matière de polyamide dont les extrémités reçoivent un écrou de butée, susceptible d'etre inséré contre une face frontale d'un mandrin extrême, l'écrou supérieur étant fixé à l'intérieur de l'extré- mité inférieure de la canne graduée creuse. 10. Gaine en matière plastique destinée à être placée en tant que garnissage dans des trous de mesure en vue de ia mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, cette gaine comprenant un cylindre annulaire creux muni de deux parois latérales délimitant un espace annulaire rempli de matériaux inertes tels que des billes de verre ou des grains de sable ainsi que d'eau, les extrémités de ce cylindre creux étant obturées par un fond et par un couvercle également en matière plastique.