Brevet FR2333256A1 — publié le 19770624

La présente invention se rapporte aux antennes, et concerne plus particulierement 1'inspection électromagnétique pour la recherche de difaut ou de dérangement souterrains à des conduites et des câbles par exemple. L'utilisation d'antennes à cet effet est bien entendu connue et peut se faire de différentes façons. La théorie générale des antennes dans ce contexte sera d'abord examinée rapidement. Ltintensité d'un signal reçu par une antenne, par exemple une bobine sur un noyau de ferrite, et provenant d'une source de rayonnement d'une intensité donnée dépend de la distance d entre l'antenne et la source et de l'orientation de l'antenne par rapport à la source et son champ électroma gnétique. La loi de la distance peut être exprimée par le fait que l'intensité du signal reçu est inversement proportionnelleà dX, la valeur de x étant fonction du type de source. Pour un conducteur pratiquement infini développant un champ cylindrique, x = 1. Pour une source qui peut être considérée comme "ponctuelle", par exemple pour un électroaimant très court, x =3. Si l'on suppose que la source possède un axe horizontal et qu'elle est souterraine, et si l'antenne de réception au-dessus du sol est également horizontale et sous-tend un angle Q entre la source et la verticale et que son axe fait un angle avec les lignes de forces électromagnétiques vues en plan, l'intensité du signal à l'antenne de réception est proportionnelle à dx cos Q cos 0. Si l'antenne de réception est verticale, l'intensité du signal est proportionnelle à d t sin Q. L'invention a donc pour objet de proposer une antenne aérienne qui peut être utilise dans plusieurs modes et selon les lois de base définies ci-dessus. En correspondance avec ces lois, les antennes horizontales seront désignées par antennes cosinus ou "C" et les antennes verticale seront désignées par antennes sinus ou RS", Selon l'un de ces aspects, l'invention concerne donc un réseau d'antennes comprenant une base ou un cadre sur lequel sont montées plusieurs antennes, et un dispositif de commutation permettant de combiner sélectivement les antennes eous forme d'une antenne unique, d'une paire d'antennes coaxiales en opposition de phase et d'une paire d'antennes parallbles et espacées, en opposition de phase Deux de ces groupes d'antennes, perpendiculaires entre elles, sont prévus de préférence. Ainsi, l'un de ces grou pes constitue les antennes "C" et l'autre les antennes "S". Le dispositif de commutation peint t être agencé de manibre à connecter les deux groupes en circuit avec un dispositif de détection de phase Les combinaisons peuvent être désignées de la manière suivante Antenne "C" t une antenne horizontale ( ou deux antennes coaxiales en opposition de aspe ) Antenne "S" :une antenne verticale (ou deux antennes coaxiales en opposition de phase) Antenne CHO s deux antennes coaxiales horizontales en opposition de phase Antenne CCVP : deux antennes horizontales, espacées verticalement, parallèles et en opposition de phase Antenne SSVC s deux antennes coaxiales verticales en opposition de phase Antenne SSHP s deux antennes verticales parållèles, espacées horizontalement et en opposition de phase Antenne SC t deux antennes perpendiculaires entre elles. Antenne SCSD : deux paires d'antennes perpendiculaires entre elles. Selon un autre de ces aspects, l'invention concerne un procédé de surveillance électromagnétique mettant en oeuvre un réseau d'antennes tel que celui défini ci-dessus dans l'une quelconque de ces combinaisons. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est une vue schématique en élévation d'un réseau d'antennes, La figure 2 est un schéma d'une botte de commutation associée, et Les figures 3 à 6 sont des courbes illustrant des résultats d'inspections obtenus avec ce réseau d'antennes. La figure 1 reprdsente donc un cadre carré 1 sur chaque caté duquel sont montées des bobines coaxiales sur noyau de ferrite, formant des antennes 2 à 9. La longueur de chaque côté peut être de l'ordre de 50 cm. Une bofte de commutation 10 permet de combiner ces antennes selon n1 importe laquelle des combinaisons indiquées ci-dessus, et le schéma de la botte est représenté sur la figure 2. Les commutateurs SW2 à SV9, associés respectivement avec les antennes 2 à 9 sont des commutateurs bipolaires avec une position centrale neutre.Il est commode que ces commutateurs soient disposés par paires correspondant aux côtés du cadre, et que si deux antennes doivent ttre connectées en phase, les leviers de leurs commutateurs soient déplacés dans le même sens ( tous deux vers le haut ou vers le bas) tandis que pour l'opposition de phase , l'un est poussé vers le haut et l'autre vers le bas. Ainsi, les antennes 2 et 3 connectées en phase par les commutateurs SW2 et SW3 constituent une antenne C tandis qu'en opposition de phase elles constituent une antenne CCHC. Les antennes 4 et 5 constituent une antenne S quand elles sont connectées en phase par les commutateurs SW4 et Suri, et une antenne SSVC en opposition de phase . Les antennes 2 et 3 en phase, en série ou en parallèle avec les antennes 6 et 7 en phase, en série ou en parallble, mais déphasées par rapport aux antennes 2 et 3 forment une antenne CCVP tandis que les antennes 4 et 3 en phase, en série ou en parallèle, et les antennes 8 et 9 en phase en série ou en parallèle, mais déphasées par rapport aux antennes 4 et 5, forment une antenne SSHP. Une antenne CCVP est également formée en utilisant les antennes 2 et 7 seules n opposition de phase ou les antennes 3 et 6 seules en opposition de phase . De même, des antennes SSHP peuvent btre formées en utilisant seulement une paire d'antennes opposées 4 et 9, ou 5 et 8. Les antennes 3 et 4 combinées constituent une antenne SC et les antennes 2,3,4 et 5 combinées forment une antenne SCSC, les éléments cosinus étant en opposition de phase Le cadre 1 peut avoir des dimensions fixes, bien qu'il soit préférable que ses côtés soient extensibles, constitués par exemple par des pièces télescopiques comme cela apparait sur les côtés horizontaux de la figure 1, afin de permettre de rdaliser un ensemble rectangulaire, ou un ensemble carré de plus grandes ou plus petites dimensions. En outre, les antennes peuvent être rdglables le long des côtés corres pondants du cadre fixe ou extensible.Comme cela apparaît sur le côté gauche de la figure 1, les antennes peuvent être maintenues par des pinces 8' et 9' non métalliques, de manitre qu'elles puissent simplement être retirées puis serrées à nouveau à l'écartement voulu. Les éléments de ferrite sont par exemple des tiges d'un diamètre de 9 mm et d'une longueur de 200 mm. Les antennes multiples sont normalement connectées avec des éléments en opposition de phase à des sources éloignées ; leur écartement centre à centre est généralement de l'ordre de 10 à 30 cm. D'autres dimensions peuvent convenir pour des applications particulières. Différentes combinaisons d'antennes seront maintenant décrites en regard des courbes représentées sur les figures. La figure 3 représente en (a), (b), et (c) la réponse obtenue en passant au-dessus de la même partie du sol avec des antennes C, CCVP et CCHC. A l'abscisse de 4 m; se trouve une conduite ou un câbles une profondeur de 1,5 m et les passages se font perpendiculairement à cette conduite ou ce câble. La raison d'être des deux réponses A et B pour l'antenne CCVP sera expliquée ci-après. La réponse de l'antenne C en (a) correspond à la fonction 1/d cos Q tandis que la réponse d'une antenne CCVP en (b) correspond à la fonction (1/d cos &commat; 11 1/d2 cos Q2 ), l'antenne inférieure étant à la distance d1 de la source en sous-tendant un angle Q1 et l'antenne supérieure étant à une distance d2 et sous-tendant un angle 2 Il apparaît qu'une crête plus aigre est obtenue en (b) avec une antenne CCVP. L'antenne CCVP peut également être utilisée pour donner une lecture directe do profondeur en mètres si la distance entre les antennes de la combinaison est une constante, comme c'est le cas avec le réseau d'antennes de la figure 1. Avec le réseau d'antennes disposé verticalement au-dessus de la source de rayonnement, une antenne de la combinaison CCVP est déconnectée, par exemple l'antenne supérieure, et le gain d'un appareil de mesure amplifié donnant une lecture est réglé de manière à indiquer une valeur standard, par exemple la déviation totale. L'antenne précedemment déconnectée est remise en circuit, en opposition de phase. L'antenne inférieure est maintenue sur le sol de sorte que la distance de la source est d1. Cette antenne délivre une force électromotrice EMP'1, proportionnelle à 1/d1 cos Q1 et l'antenne supérieure déli re une force électromotrice EMF2 proportionnelle à l/d2 COS Q2 ( pour un champ cylindrique). Si l'antenne supérieure est remise en circuit, l'appareil de mesure amplifié reçoit une tension proportionnelle à 1/d cos G2 Mais le réseau est vertical au-dessus de la con 2 o duite, de sorte que #1 2 =Q2 Q 9 w et l'indication de l'ap- pareil de mesure est proportionnelle à 1/d1 - 1/d20 Ceci donne où (d2 - dl) est une constante. Si EMF1 est converti en une lecture standard, par exemple 50, par la commande de gain de l'amplificateur, la sortie de l'antenne combinée donne une lecture de 50 - EMF2 qui peut être étalonnée en profondeur sur l'échelle de l'appareil de mesure. Avec une correction pour le fait qutun champ de source ponctuelle est soumis à la loi de l'intensité proportionnelle à l'inverse du cube de la distance, c'est à dire x=3, l'antenne CCVP peut être utilisée pour donner une indication de profondeur du point, en utilisant un appareil de mesure d'échelle appropriée mais différent de celui décrit pour le chamn cYlindrique. Dans ce cas, Avec une antenne CCVP, à moins qu'une action correctrice ne soit prise, une inflexion se produit de chaque côté de la crête principale.Etant donné qu'en pratique cela peut amener une confusion pour l'opérateur qui pourrait considérer le point haut d'un "noeud" ou l'autre comme résultant d'une source rayonnante séparée, il est souhaitable que lam- plitude de sortie de l'antenne supérieure soit 18gérement inférieure à celle de l'antenne inférieure, pour une intensité donnée du champ. En pratique, aux profondeurs où se rencontrent généralement les conduites, et avec une séparation verticale de 50 cm entre les antennes, l'antenne supérieure peut être réalisée de manière que sa réponse représente environ 0,84 de celle de l'antenne inférieure pour supprimer les faux "noeuds". Ceci a pour avantage d'augmenter la tension de sortie de l'antenne, pour un signal donné, mais un inconvénient est que la suppression d'interférence est réduite de manière similaire (en ce que les signaux d'interférence complatement annulés dans l'ensemble de sorties égales produisent un cinquième du niveau non supprimé de l'ensemble modifié). Ceci apparaît en (b) sur la figure 3 où la courbe A correspond à des antennes équilibrées et la courte B montre le résultat correspondant avec le facteur de suppression de noeuds appliqué à l'antenne supérieure. Le système d'antennes CCVP réduit les interférences à 20% de cellesqi apparaissent dans les systèmes d'antennes uniques classiques (par exemple les interférences de radiophonie et d'allumage des véhicules). Il permet également une lecture directe de profondeur , comme cela a été expliqué ci-dessus. En outre, la "dispersion" ou le profil à la traversée d'une conduite ou d'un câble est très réduit. Le signal provenant de la conduite ou du câble est réduit à 25 de la valeur de crête pour une profondeur de 1,5 m avec l'antenne CCVP, au lieu de 3,5m avec une antenne horizontale classique. Le circuit connecté à l'antenne peut être agencé de manière à fonctionner en plusieurs modes. Dans l'un de ces modes, un amplificateur à accord pointu sur 50 herz est utilisé pour localiser des câbles de transport d'énergie. Dans un autre mode, une amplification à large bande des signaux, d'environ 60 herz à 60 mégahertz, est utilisée pour localiser des câbles téléphoniques. Aucune de ces possibilités ne serait pratiquable sans les très bonnes pro priétés de rejection d'interférence de l'antenne CCVP. En variante, dans le cas où un générateur extérieur est utilisé pour appliquer un signal à une conduite ou un câble souterrain, par exemple de 3 à 4 kiloherz, un amplificateur de bande passante étroite correspondante est connecté au réseau d'antennes. Avec une antenne CCIIC, le signal de sortie est proportionnel à 1/d1 cas Q1 + 1/d2 cos Q2 qui est nul quand le réseau est centré sur la source de rayonnement. Ceci apparaît en (c) de la figure 3 qui montre qu'un positionnement très bien défini d'une source peut être obtenu par cette combinaison. La figure 4 montre les résultats obtenus par des traversées sur la même partie du sol que pour la figure 3, mais avec des antennes S, SSVC et SSHP, respectivement en (a), (b) et (c). L'antenne S dont la sortie est proportionnelle à ff sine donne un passage par zéro très net au point qui se trouve au-dessus de la source. L'antenne SSVC dont la sortie sin est proportionnelle à 1sin #1 + 12 sin #2 passe égalementpar zéro en ce point. La combinaison SSHP présente une caractéristique d'un type différent. Les antennes sont déphasées pour toutes les sources éloignées, mais en phase avec une source qui se trouve au-dessous d'elles. Par conséquent, le signal de sortie présent. un maximum quand le réseau est centré sur la source de rayonnement, ce qui apparaît en (c) sur la figure 4. En mélangeant des antennes S et C dans les combinaisons SC ou SCSC, une antenne sensible à la phase, ou plutôt une antenne à cause de laquelle l'amplificateur et l'appareil de mesure sont sensibles à la phase, est réalisée. Un résultat typique dtune antenne SC est représenté sur la figure 5 tandis que celui d'une antenne SCSC avec les éléments cosinus en opposition de phase est représenté sur la figure 6. il apparaît qu'une réponse nulle est obtenue au point le plus proche de la source. Les antennes C et S seules peuvent être supportées par un cadre plus simple, par exemple en forme de I avec une ou deux antennes disposées transversalement à chaque extrémité d'une simple barre. Cette barre est orientée verticalement ou horizontalement pour le fonctionnement C ou S. Mais la possibilité de fonctionnement SC n'existe pas. Il n'est bien entendu pas nécessaire de disposer de huit antennes pour réaliser les différentes combinaisons décrites, car le cadre peut être tourné dans son propre plan pour réaliser des antennes à deux fonctions. Mais pour simplifier le fonctionnement, il est généralement commode d'utiliser le cadre dans une seule orientation pour laquelle les commutateurs peuvent être marqués d'une façon permanente en fonction des différents modes de fonctionnement. Les avantages généraux d'un réseau d'antennes multiples amour la recherche électromagnétique de conduites et de câbles peuvent se résumer ainsi (a) en général, les antennes sont connectées en opposition de phase de sorte que les signaux électromagnétiques d'interférence potentielle provenant d'une source relativement éloignée s'annulent entre eux à la sortie du réseau. (b) Certaines dispositions d'antennes peuvent être utilisées pour permettre d'indiquer directement sur un appareil de mesure détalonné la distance ou la profondeur d'une source de rayonnement. (c) Certaines dispositions d'antennes peuvent être utilisées pour permettre une meilleure discrimination entre des sources de rayonnement qui sont enterrées, relativement proches les unes des autres dans le plan et / ou en profondeur. Il est bien entendu que de nombreuses dispositions de commutation: différentes de celle de la figure 2 peuvent convenir, y compris avec des commutateurs rotatifs ou même des commutateurs électroniques. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par lthomme de l'art -au dispositif qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple nullement limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1- Réseau d'antennes, caractérisé en ce qu'il comporte une base ou un cadre sur lequel est monté un ensemble d'antennes, et un dispositif de commutation permettant de combiner sélectivement les antennes sous la forme d'une antenne simple, d'une paire d'antennes coaxiales en opposition de phase et d'une paire d'antennes parallèles et espacées, en opposition de phase 2- Réseau d'antennes selon la revendication 1, caractdrisé en ce qu'il comporte deux desdits ensembles d'an- tennes, perpendiculaires entre elles, le dispositif de commutation étant agencé de manière à connecter lesdits ensembles en circuit avec un dispositif de détection de phase. 3- Réseau d'antennes selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le cadre est carré ou rectangulaire, les antennes étant montées le long des cotés de ce cadre. 4- Réseau d'antennes selon la revendication 3, caractérisé en ce que le cadre est réglable. 5- Réseau d'antiennes selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les antennes sont réglables suivant la longueur des côtés du cadre. 6- Réseau d'antennes selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cadre à la forme d'un I, des antennes étant disposées transversalement aux-extrémités de la barre du I. 7- Procédé de surveillance électromagnétique, mettant en oeuvre un réseau d'antennes selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il consiste à déplacer au-dessus du sol le cadre portant une combinaison déterminée d'antennes, et à tracer la réponse des antennes combinées en fonction de la distance de déplacement. 8- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les antennes sont combinées sous forme de deux antennes parallèles, espacées, en opposition de phase , horizontales et l'une au dessus de l'autre. 9- Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la sortie de l'antenne supérieure est atténuée par rapport à celle de 1'antenne inférieure. 10- Procédd selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu'après qu'une source de champ dlectro- magnétique souterraine a été localisée en utilisant ledit réseau d'antennes dans l'une desdites combinaisons, le réseau est disposé sur le sol, au-dessus de ladite source avec des antennes combinées selon la revendication 8, une première antenne étant déconnectée et une lecture étant effectuée à partir de la seconde, puis la seconde antenne étant connectée à nouveau en opposition de phase et une nouvelle lecture étant faite pour obtenir, dtaprès sa relation avec la première lecture, une indication directe de profondeur de ladite source. 11- Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la première lecture est faite sur un appareil de mesure qui est réglé de manière à donner une déviation totale ou un autre point déterminé pour cette lecture. 12- Procédé selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que ladite première antenne est l'antenne supérieure.