Brevet FR2477701A1 — publié le 19810911

La présente invention concerne la détection des deplacements du sommet d'une structure haute, telle qu'une construction de toute nature, ou plus exactement des dé@@r- mations dont la structure érigée est le siège, en raison du vent, des glissements de terrain, et autres facteurs qui peuvent intervenir. Les procédés optiques qui utilisent un théodolite ou un télémètre électro-optique permettent de mesurer des distances et par conséquent des déformations avec une assez bonne précision. Ces méthodes exigent cependant une grande stabilité du support de 1 Uappareii qui fait qu elles ne conviennent pas pour des @esures long terme. Les procédés les plus courants sont donc de nature mécanique On utilise par exemple un pendule simple suspend au sommet de la structure, ou encore un fil tendu entre les sommets et la base de la structure. Simple et précise, l'utilisation d'un pendule permet des mesures de longue durée. Il faut cependant amortir les oscillations du pendule, ce qui se fait generalement avec une cuve remplie d'eau ou d'huile. Pour des grands déplacements, il est difficile d'obtenir une bonne linéarite des transducteurs qui mesurent les déplacements du pendule. Enfin, le temps de réponse du pendule est très long, 7 secondes par exemple pour une longueur de 50 mètres. Une structure de cette hauteur peut présenter un mode de vibration de 1 Hz, qui ne sera pas traduit par les capteurs associés au pendule. Le procédé à fil tendu développé par le demandeur a un temps de réponse qui n'est limité que par le temps de propagation dans le fil. La réponse est donc beaucoup plus rapide que pour le pendule. Cependant, la stabilité à long terme du fil tendu est moins bonne que celle du pendule, et le dispositif est également sensible aux rotations du point de référence situé à la base de la structure. On ne dispose donc pas à l'heure actuelle d'un moyen de mesure de déformation d'une structure qui donne entière satisfaction, en se plaçant à la fois du point de vue de la stabilité à long terme, de la mesure du déplacement total indépendamment des rotations des points d'ancrage, et de la rapidité de réponse qui permette d'enregistrer les oFcillations de la structure. La présente invention vient améliorer la situation. L'appareil propose est du type à base d'un pendule, c'est-à-dire dans lequel on fixe au voisinage du sommet de la structure le fil d'un pendule dont la masse est située sensiblement au bas de la structure. L'appareil selon l'inventicn comporte - un premier dispositif capteur sensible aux variatic.ls du mouvement de la masse du pendule, - un second dispositif capteur-sensible aucmouvementsdu fil du pendule au voisinage de la masse, - un moyen dynamogène, capable d'appliquer à la masse d pendule une force d'intensité commandée, orientée dans la direction des mouvements captés, - un circuit électronique d'asservissement qui répond aux sorties des deux dispositifs capteurs en commandant le moyen dynamogène pour qu'il tende à maintenir la masse du pendule sensiblement immobile, et - un moyen pour déterminer et afficher une indication de déplacement liée à la force appliquée au pendule. En pratique, les deux capteurs et le moyen dynamogène agissent conjointement et de manière découplée dans deux directions perpendiculaires entre elles et au fil du pendule. On obtient ainsi les déplacements dans deux directions horizontales, et l'on peut alors connaître avec précision le déplacement du sommet de la structure. Dans un mode de réalisation particulier, le premier capteur est un capteur de vitesse ou un accéléromètre, et le circuit d'asservissement réagit principalement à ce premier capteur en ce qui concerne les déplacements rapides du pendule, alors qu'il réagit principalement aux indications du second capteur en ce qui concerne ses déplacements lents. Très avantageusement, le circuit d'asservissement est amorti pour la fréquence d'oscillation naturelle du pendule. Dans un mode de réalisation particulier, le moyen dynamogène comprend des éléments électromagnétiques, la masse du pendule est en acier doux. En ce qui concerne le fil du pendule, celui-ci peut etre métallique, au moins au voisinage de la masse, et le second capteur peut alors être un capteur capacitif. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence au dessin annexé, donné uniquement à titre non limitatif pour illustrer un mode de réalisation préférentiel de la présente invention, et sur lequel - la figure I est une illustration schématique de l'appareil selon la présente invention, et la figure 2 montre comment une force peut equilibrer les mouvements que tend à prendre le pendule sous l'effet du déplacement du sommet de la structure. L'appareil comporte un pendule défini par un fil long 1, à la base duquel se trouve une masse lourde 2. L'extrémité haute du fil 1 peut venir se fixer par tout moyen adéquat au sommet S d'une construction. Le fil est choisi de longueur suffisante pour que la masse descende sensiblement jusqu'au bas de la structure. Sur la masse 2 est monté un premier capteur 3, sensible aux variations du mouvement de la masse du pendule. Ce capteur 3 peut étre un capteur de vitesse, ou, de préférence, un capteur d'accélération. Avantageusement, le fil 1 est métallique, au moins au voisinage de la masse 2, et ce fil métallique passe à travers un tore 4 formant capteur capacitif, du genre de ceux qui sont utilisés classiquement pour mesurer les déplacements des pendulés amortis par l'huile. I1 est également prévu un moyen générateur de force, capable d'appliquer à la masse 2 du pendule une force d'intensité commandée, orientée dans la direction des mouvements captés par l'accéléromètre et le capteur 4. Ce moyen dynamogène est ici illustré sous la forme de deux électroaimants 5 et 6 ; lorsqu'on applique à l'un de ceux-ci un courant, il se produit une attraction de la masse 2, cette dernière étant en acier doux. Si le capteur 4 est un capteur de vitesse, l'information qu'il délivre est soumise à une différentiation, pour obtenir une accélération. Dans le cas d'un accéléromètre, on obtient directement l'information d'accélération. A partir de cette information d'accélération, le circuit électronique 7 asservit la masse 2 du pendule de façon qu'elle reste sensiblement immobile, en lui appliquant par l'intermédiaire des transducteurs-5 et 6 une force de sens convenable définie par la relation bien connue F = m . y. Bien entendu, lestransducteurs 5 et 6 sont disposés pour que la force qu'ils peuvent créer soit dans la même direction que l'accélération mesurée par le capteur 4. En pratique, on prévoit un deuxième capteur semblable à 4 et opérant dans la direction perpendiculaire, et de la même manière deux autres transducteurs dynamogènes tels que 5 et 6, opérant eux aussi dans le sens perpendiculaire à la figure. I1 en est évidemment de meme pour le capteur 3 qui opère sur le fil du pendule. On voit que l'asservissement fonctionne de manière très simple, en produisant une force qui dépend linéairement de l'accélération mesurée. En fait, cela ne se produit que pour les déplacements relativement rapides et à court terme. Pour les déplacements lents et la stabilité à long terme, ce sont au contraire les capteurs de déplacement 3 opérant sur le fil du pendule qui puent un rôle prépondérant. Il faut alors une double différentiation, c'est-à-dire une boucle d'asservissement du second ordre par rapport au déplacement, d'où une bonne réponse pour les variations lentes et à long terme. Bien entendu, on ajuste la réponse en fréquence du circuit d'asservissement ainsi que de l1ensemble du système de régulation pour que cette boucle d'asservissement demeure stable, en particulier sur le plan de l'amortissement de la fréquence naturelle d'oscillation du pendule, qui peut se faire par un filtrage convenable. Si l'on suppose que le point d'ancrage S se déplace brutalement, la masse ne se trouve plus à la verticale du sommet du pendule. Elle est donc soumise alors à une force horizontale, due à la décomposition de son poids p dans deux directions perpendiculaires, compte tenu de la force de rappel T que va donner le fil du pendule. Si l'on appelle Th la composante horizontale de la force ressentie par la masse du fait du déplacement, on a les relations suivantes : Th P sina &gamma; = @/M = /M = g sin&alpha; où M désigne la masse du pendule, P son poids, et g l'accélération de la pesanteur. C'est suivant cette relation qu'agit le circuit d'asservissement 7. D'un autre côté, connaissant la force appliquée à la masse 2 pour la maintenir immobile, on sait à l'inverse déterminer l'angle a qui correspondrait au déplacement du sommet de la construction si la masse du pendule était laissée libre, d'où la possibilité de déterminer les déplacements du sommet, c'est-àdire les déformations de la structure. Bien entendu, en pratique, on peut utiliser à cet effet non seulement les indications d'accélération perçues par le capteur 3, qui se transforment aisément en force applicable à la masse 2, mais aussi les informations de déplacement perçu par le capteur 4. L'utilisation conjointe d'un accéléromètre à axes horizontaux et d'un capteur de déplacement permet donc d'augmenter notablement la réponse du dispositif à pendule, qui n'est plus limitée que par la réponse du fil lui-même. L'invention permet donc de donner à un pendule les performances analogues à celles du fil tendu, avec une bien meilleure stabilité à long terme, et une meilleure insensibilité aux rotations du point d'attache. L'amélioration des performances par rapport au pendule classique est très sensible : pour une hauteur de 50 m, le temps de réponse d'un pendule ordinaire convenablement amorti dans l'huile est de l'ordre de 7 secondes. Ce temps est ramené à 0,3 seconde pour le dispositif proposé. A cet égard, la description qui précède n'a pas indiqué d'amortissement mécanique du pendule, l'amortissement étant supposé fait tout entier par le circuit d' asservissement 7. Dans la pratique, on pourra avoir intérêt à prévoir aussi un amortissement mécanique du pendule, au moins pour certaines applications. REVENDICATIONS - 1. Appareil de détection des détormations d'une structure haute, du type dans lequel vient se fixer au voisinage du sommet (S) de la structure le fil (1) d'un pendule dont la masse (2) est située sensiblement au bas de la structure, caractérisé par le fait qu'il comporte - un premier dispositif capteur (3) sensible aux varia tions du mouvement de la masse du pendule, - un second dispositif capteur (4) sensible aux mouve ments du fil du pendule au voisinage de la masse, - un moyen dynamogène (5, 6), capable d'appliquer à la masse du pendule une force d'intensité commandée orientée dans la direction des mouvements captés, - un circuit électronique d'asservissement (7) qui répond aux sorties des deux dispositifs capteurs en commandant le moyen dynamogène pour qu'il tende à maintenir la masse du pendule immobile, et - un moyen pour déterminer et afficher (8) une indication de déplacement liée à la force appliquée au pendule. 2. Appareil selon la revendication 1, carac térisé par le fait que les deux capteurs (3, 4) et le moyen dynamogène (5, 6) agissent conjointement et de manière découplée dans deux directions perpendiculaires entre elles et au fil du pendule. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le premier capteur (3) est un capteur de vitesse ou un accéléromètre, et que le circuit d'asservissement (7) réagit principale à celuici (3) pour les déplacements rapides du pendule, et principalement au second capteur (4) pour ses déplacements lents. 4. Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le circuit d'asservissement (7) est amorti pour la.fréquence d'oscillation naturelle du pendule. 5. Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, caraetérisé par le fait que le moyen dynamogène comprend des éléments électromagnétiques (5, 6), la masse (2) du pendule étant en acier doux. 6. Appareil selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le fil (1) du pendule est métallique, au moins au voisinage de la masse, et que le second capteur (4) est un capteur capacitif. 7. Appareil selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le moyen d'affichage (8) tient compte de l'angle du fil du pendule sur la verticale, tel qu'il est indique par le second capteur (4).