Brevet FR2485723A1 — publié le 19811231

La présente invention concerne un système de prise, d'enregistrement et de collecte de mesures, en vue de leur traitement ultérieur,notamment par des moyens informatiques. Le problème général qui se trouve à la base de la présente invention réside dans la prise de mesures,sur une longue période, en une pluralité de points dispersés, et dans leur enregistrement en vue d'une collecte ou d'un relevé effectué périodiquement, en chaque point, les résultats lus aux différents points étant alors regroupés en vue d'études à caractère "historique " ou statistique ou encore "scientifique " afin d'aider à la connaissance de certains phénomènes,dans les domaines de la mécanique des sols, de l'hydrologie, etc... Ainsi l'invention intéresse surtout la prise et l'enre- gistrement automatiques de mesures, en des points dispersés sur un grand territoire ou peu accessibles,pour des grandeurs à mesurer ne nécessitant pas une surveillance humaine permanente ou un traitement immédiat; c'est le cas,par exemple, des mesures telles que l'enregistrement de variations de niveau des nappes phréatiques. Dans les systèmes connus de ce genre, la mesure est souvent encore réalisée mécaniquement(dispositif à flotteurs ou dispositif à bulles) et l'enregistrement se fait aussi mécaniquement, sur une feuille de papier placée autour d'un tambour entrataé lentement en rotation, l'angle de rotation du tambour représentant la grandeur temps ".De tels dispositifs sont d'un emploi malaisé et ont une faible capacité d'enregistrement, ainsi qu'une précision limitée. La capacité d'enregistrement par feuille de papier dépend du produit " diamètre du tambour X vitesse d'en tra#nement#; il existe des tambours à enregistrement å ournalier, hebdomadaire, bihebdomadaire,... maiswplus la vitesse d'entraînement diminue,plus la précision sur la mesure est réduite. Pour obtenir une précision suffi- sante, la capacité d'enregistrement doit être en général limitée à une semaine ou à 15 jours dans la pratique,et ceci rend nécessaires des interventions nombreuses,donc coûteuses en personnel et en frais de maintenance(rem- placement du papier et entretien du dispositif).Une dérive dans le temps de ces enregistreurs#mécaniques affecte en outre la précision initiale des mesures:la précision dans le temps dépend essentiellement du système ne d'entraînement mécanique ou électromécaniqué;en outre, cette précision n'est pas constante dans le temps à course de l'usure et de l'influence des conditions atmosphériques. Par ailleurs, le traitement automatique des mesures ainsi enregistrées,sous forme de courbes ou d'ensembles de points,tracés sur une feuille de papier, nécessite des opérations préalables manuelles, telles que la traduction sur bordereau,suivie d'une mise sur carte perforée, qui représentent un travail considérable si les points de mesure et les instants de mesure sont nombreux, ceci limitant les possibilités d'un tel système. D'autres dispositifs, plus récents, réalisent en chaque point l'enregistrement de la mesure sur des cassettes à bande magnétique. Ce système présente encore les inconvénients suivants : fonctionnement dynamique, faisant appel à des organes mécaniques fragiles(moteur cabestan...), capacité d'enregistrement importante mais non modulable en fonction des besoinstétant donne que la capacité d'une bande magnétique est constante et inextensible),consommation énergétique importante par rapport à un système qui serait statique, investissement important et coût d'exploitation élevé, ne serait-ce que pour le seul remplacement des piles électriques. La présente invention vise à éliminer l'ensemble des inconvénients des dispositifs connus, rappelés cidessus,en fournissant un système perfectionné de prise, d'enregistrement et de collecte de mesures,répondant aux buts et qualités suivants ~autonomie importante, liée à la fois à une faible con sommation d'énergie et à une grande capacité d'enregistrement, cette capacité étant en outre modulable en fonction des besoins. -Possibilité d'exploitation sur une très longue période, sans intervention ni entretien, par la suppression du papier oude tout autre support à remplacer périodiquement,pour l'enregistrement des mesures, et par le choix de moyens d'enregistrement entièrement statiques. ~Limitation de la dérive dans le temps et des risques d'erreurs de mesure ou d'interprétation au moment du relevé, précision et taux de disponibilité améliorés, insensibilité aux perturbations extérieures, grâce surtout à l'emploi de composants purement statiques, à l'exclusion de toute pièce en mouvement,pour l'enregistrement. -Suppression des manipulations exigeant un personnel très qualifié ou comportant des risques de confusion ou de perte des résultats, et enregistrement sous une forme permettant un traitement automatique aisé et immadiat. -Coût d'exploitation, par mesure, fortement abaissé, grâce à une réduction simultanée des frais de personnel et des éléments matériels à remplacer périodiquement. -Rusticité du matériel,par le choix de composants statiques et éprouvés. -Faible encombrement,grâce à l'utilisation exclusive de composants électroniques, la capacité du système facilitant sa mise en place et permettant des mesures dans des lieux difficiles d'accès( exemple:à l'intérieur de groupes hydro-électriques en mouvement). -Possibilités d'utilisation très étendues et en particulier, découlant des points ci-dessus,possibilité de faire des mesures dans des lieux dangereux(matériel antidéflagrant) ou inaccessibles (mesures immergées, moyennant une étanchéité du système assez facile à réaliser). A cet effet, le système de prise,d'enregistre ment et de collecte de mesures objet de l'invention comprend essentiellement, en chaque point de mesure, un dispositif constitué par un capteur de mesure au moins, par un bloc interface à fonction de conversion et/ou de multiplexage reliant le capteur à l'entrée d'une mémoire locale, et par une horloge associée à un séquenceur pour exciter le capteur et pour contro- ler le bloc interface et la mémoire précités,les résultats de mesures faites en plusieurs points,enregistrés dans les mémoires locales des dispositifs correspondants, étant rassemblés périodiquement sur une mémoire de collecte,apte à être branchée sur chaque mémoire locale et à être amenée à des moyens de-centralisation et de traitement des mesures. Le bloc interface est constitué par exemple par un convertisseur analogique-numérique ou par un codeur, et il inclut aussi un multiplexeur dans le cas de deux ou plusieurs capteurs. Ainsi le système selon l-'invention permet,selon une première caractéristique,d'acquérir les mesures,données par des capteurs appropriés (capteurs de pression,de débit,de température ou de toute autre grandeur), en transformant immédiatement l'information donnée par les capteurs en une information disponible sous une forme pouvant s'enregistrer sur des moyens (mémoires volatiles ou non) purement statiques et de grands capacité,et directement assimilable,ultérieurement,par un ordinateur. L'utilisation d'une xieoie de collecte évite de transporter les mémoires locales et supprime ainsi les problèmes délicats de manipulation de matériel électronique;les dispositifs locaux deviennent donc de véritables boites noires ". L'utilisation de la mémoire de collecte permet en outre de regrouper tous les résultats et de les faire entrer dans un ordinateur, sans aucune interprétation humaine,ce qui permet d'employer un personnel peu qualifié ( sans empêcher,éventuellement, un affichage des données enregistrées,sous une forme immédiatement compréhensible pour ltutilisateur,â des fins de contrôle).La précision de mesure reste évidem- ment dépendante initialement des caractéristiques propres du capteur, mais la conversion en information numérique peut se faire avec un nombre de bits aussi élevé qu'on le désire.Cette conversion immédiate en information numérique, et l'enregistrement des résultats de mesure sous cette forme,évitent aussi tout phénomène de dérive et toute perturbation par des causes extérieures.En outre, le système d'enregistrement choisi permet d'identifier et de séparer facilement les différentes mesures, d'où une diminution supplémentaire des risques d'erreur,par la possibilité de détecter , lors de la lecture du contenu de la mémoire,la zone où peut s'être produite une défaillance du système; dans ce but, selon des caractéristiques annexes de l'in- vention, il peut être prévu notamment -que dans le dispositif placé en chaque point de mesure, l'horloge et le séquenceur sont reliés à un ensemble générateur de séparateurs préd#terminés, lui-meme relié à la mémoire locale et capable de " borner" les enre- gistrements de mesures effectués à des instants différents, par l'indication d'une dateet/ou d'une heure, d'un numéro affecté à chaque mesure, de la désignation du point de mesure en question, et/ou tout autre critère d 'identification;; -que ,au moment du branchement de la mémoire de collecte,cette dernière non seulement "vide " la mémoire locale de son contenu, mais encore provoque une mesure au point considéré et l'affichage instantané de son résultat, cette visualisation permettant de "recaler" directement sur le site, si nécessaire,les points de mesure. Enfin, la conception statique de tout le dispositif associé à chaque point de mesure,ainsi que la nature des composants de ce dispositif et une activation de ces composants limitée autant que possible aux instants nécessaires, limitent la consommation électrique et confèrent au dispositif une longue autonomie, de quelques mois ou même de plusieurs années; les interventions sont conditionnées essentiellement par le rapport entre la capacité de la mémoire locale et la fréquence de prise des mesures, et elles peuvent être très espacrées Chaque intervention reste aussi d'ampleur normalement très réduite, puisqu'elle se limite à connecter la mémoire de collecte et à remplacer éventuellement les piles standard du commerce utilisées, à faible autodécharge dans le temps.Toujours dans le même ordre d'idées, on notera encore la rusticité du système, son fonctionnement dans de larges gammes de températures, sa fiabilité et sa facilité d'exploitation. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant,à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de ce système de prise,d'enregistrement et de collecte de mesures; Figure 1 est un schéma synoptique, illustrant l'organisation de l'ensemble du système; Figure 2 est un schéma-bloc du dispositif associé à chaque point de mesure. Comme le montre la figure 1, le système considéré sert à lause #àl'enregistrement de mesures en une pluralité de points 1,2,3,....,n, dispersés par exemple sur un certain territoire géographique. En chacun de ces points est placé un dispositif 4 d'acquisition de la mesure, qui non seulement effectue la mesure,mais encore la mémorise,sur le lieu même de cette mesure.Les mesures ainsi faites et enregistrées aux différents points 1 à n sont,périodiquement, transférées en un lieu unique de centralisation et de traitement, en utilisant une mémoire de collecte 5 adaptée.Cette mémoire de collecte 5 est déplacée sur le terrain et branchée successivement sur les différents dispositifs#locaux 4; elle comprend sa propre source d'énergie, constituée notamment par une batterie électrique, et peut être complétée par des moyens annexes de contrôle et/ou d'affichage. Le contenu de cette mémoire,commune aux n points de mesure, est " vide dans un interface 6 de calculateur, en vue du traitement par un calculateur 7. La figure 2 montre une configuration possible du dispositif d'acquisition 4, placé en chaque point de mesure,tel qu'il est représenté, ce dispositif comprend: - un capteur 8,par exemple un capteur de pression à åau- ges de contrainte; -un amplificateur opérationnel d'entrée 9,recevant l'information analogique issue du capteur 8; - un convertisseur analogique-numérique 10, transformant le signal délivré à la sortie de l'amplificateur 9 en un signal codé,par exemple de huit bits; -une horloge programmable 11 de déclenchement des mesures;; - un séquenceur 12,avec ses circuits annexes,donnant des ordres aux autres composants de prise et d'enregistrement des mesures, en fonction des impulsions reçues de l'horloge place séquenceur pouvant être réalisé à base de circuits lOgiques ou d'un micropro -cesseur; --une mémoire locale 13, par exemple et de préférence non volatile, du type " mémoire à bulles " ou du type "programmable et effaçable électriquement"; -un ensemble générateur de séparateurs prédéterminés 14, auquel sont reliés l'horloge 11 et le séquenceur 12, cet ensemble 14 étant lui-même relié à la mémoire 13. L'horloge 11 commande l'exécution d'un cycle de mesure par exemple une fois par jour, ou toutes les heures, ou selon toute autre périodicité choisie en fonction de la grandeur mesurée,de la capacité de mémorisation et/ou du traitement ultérieur des mesures. Le capteur 8 est alors excité et l'information analogique recueillie(telle que tension électrique aux bor nes d'un pont de mesure), après avoir été amplifiée en 9, est convertie et codée sous forme numérique par le convertisseur analogique-numérique 10. Lorsque la conversion est terminée, la donnée, alors disponible à la sortie du convertisseur 10, est egregistrée dans la mémoire 13. Enfin le séquenceur 12 provoque,par l'intermédiaire de l'ensemble générateur de séparateurs 14, l'enregistrement de la date, de l'heure et/ou du numéro de la mesure, et il commande la désexcitation des circuits d'alimentation du capteur 8. Comme le symbolisent les flèches de la figure 2,il peut en outre exister une action du séquenceur 12 sur l'horloge 11;notamment pour provoquer des mesures plus rapprochées dans le temps, par exemple si une valeur critique choisie à l'avance se trouve dépassée. Enfin, on a indiqué en pointillés, sur la figure 2, la mémoire de collecte 5,au moment où celle-ci se trouve branchée sur la sortie de la mémoire locale 13,pour recueillir les mesures de tout un cycle,mémorisées en 13; le repère 15 symbolise les moyens permettant,au moment du branchement de la mémoire de collecte 5, de provoquer une mesure et de visualiser immédiatement son résultat. Les mémoires locales 13 des différents dispositifs locaux 4 sont " vidées " au fur et à mesure dans la mémoire de collecte 5, sans espaces inoccupés, et distinguées les unes des autres par un numéro d'identi- fication propre et par deux séparateurs de début et de fin d'enregistrement local. On n'utilise,dans la mémoire de collecte 5,que la place strictement nécessaire au"vidage " des mémoires locales;une alarme lumineuse peut indiquer à l'opérateur le moment où il ne dispose plus,dans la mémoire de collecte,que d'une zone de capacité à peine supérieure à la plus grande capacité utilisable des mémoires locales. Le système objet de l'invention peut être appliqué sur le terrain réel ou en laboratoire,dans le domaige géologique et hydrographique ainsi que dans l'industrie en général,notamment pour des enregistrements,en conditions sévères, de mesures soit faites en des points difficilement accessibles,soit relatives à des phénomènes à évolution très lente; ceci n'exclut cependant pas l'application du système à l'étude de phénomènes d'évolution rapide ou à des essais de courte durée, les mesures pouvant bien entendu être enregistrées et collectées,suivant le même principe,à une fréquence plus ou moins lente et sur une durée plus ou moins longue.Des applications particulièrement intéressantes, évidemment non limitatives, peuvent être -l'enregistrement des variations de niveau de nappes phréatiques, l'enregistrement des niveaux dans des châteaux d'eau; -l'enregistrement des niveaux dans des puits de prélèvement d'eau domestique; -l'enregistrement des niveaux de nappes phréatiqueslors d'essais particuliers(essais de pompage). Comme il va de soi, et comme il résulte déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite pas au seul mode de réalisation de ce système de prise,d'enregistrement et de collecte de mesures qui a a été décrit ci-dessus, à titre d'exemple non limitatif;elle en embrasse,au contraireÇtoutes les variantes, ceci concernant notamment le remplacement de certains composants par des équivalents, et l'adaptation du système en fonction d'applications particulières. Ainsi -La fonction de l'horloge Il peut être assurée aussi par un compteur ou par une montre à quartz calculatrice,celle-ci jouant aussi le rôle de l'ensemble générateur de séparateurs 14. -La mémoire 13 peut être d'un type quelconque, mais de préférence non volatile à cause des risques de perte des mesures en cas de manque d'alimentation et à cause de la consommation considérablement réduite. -Dans chaque dispositif 4, le capteur 8 peut être plus ou moins éloigné des circuits d'enregistrement(par exemple: capteur enterré à une certaine profondeur, et circuits au niveau du sol). Au-delà de 50 m d'éloignement ,il faut prévoir la conversion au niveau du cap teur; ceci est la seule contrainte. - L'information analogique, délivrée par le capteur 8 peut subir, en plus de son ampIificationa#un un traitement préalable (changement d'échelle, décalage du zéro),avant son codage sous forme numérique par le convertisseur 10. -Plusieurs données d'entrée peuvent être multiplexées, avant d'être acheminées vers le convertisseur à sortie numérique 10 de chaque dispositif 4 - L'information analogique peut être sous la forme de variation de grandeur électrique (tension, courant,fréquence). -Pour des mesures à évolution rapide et à grande fréquence,posant des problèmes de taille et d'utilisation optimale des mémoires locales, ainsi que de déclenchement du processus de mesure et de mémorisation, le système peut être doté de moyens de déclenchement par un événement extérieur. -Pour réaliser un " auto-contr8le " réel et efficace du système, il suffirait d'ajouter une deuxième horloge, indépendante de la première,sur chaque dispositif local.Un contrôle simple de la validité des deux dates permeErait de déterminer éventuellement l'horloge défaillante et de la recaler (ou de la mettre hors service en cas de remise à l'heure impossible). REvENDICATI0#S 1.- Système de prise, d'enregistrement et de collecte de mesures, effectuées périodiquement et en une pluralité de points, en vue de leur traitement ultérieur, notamment par des moyens informatiques,caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement, en chaque point de mesure (1,2,3,...,n), un dispositif (4) constitué par un capteur de mesure (8) au moins, par un bloc interface (10) à fonction de conversion et/ou de multiplexage re- liant le capteur (8) à l'entrée d'une mémoire locale (13), et par une horloge (11) associée à un séquenceur (12) pour exciter le capteur (8) et contr8ler le bloc interface (10) et la mémoire (13) précitée,les résul- tats de mesures faites en plusieurs points (1 à n),enregistrés dans les mémoires locales (13) des dispositifs correspondgnts (4), étant rassemblés périodiquement sur une mémoire de collecte (5),apte à être branchée sur chaque mémoire locale (13) et à être amenée à des moyens (6,7) de centralisation et de traitement des mesures. 2.- Système selon la revendication 1,caractérisé en ce que le bloc interface (10) est constitué par un convertisseur analogique-numérique. 3. Système selon la revendication 1,caractérisé en ce que le bloc interface (10) est constitué par un codeur. 4.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que,dans le dispositif (4) placé en chaque point de mesure l'horloge (11) et le séquenceur(12) sont reliés à un ensemble générateur de séparateurs prédéterminés (14), lui-m#me relié à la mémoire locale (13) et capable de borner les enregistrements de mesures effectuées à des instants différents. 5.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,caractérisé en ce que la mémoire de collecte (5) comporte des moyens (15) permettant, au moment de son branchement, non seulement de"vider ' la mémoire locale (13) de son contenu, mais encore de provoquer une mesure au point considéré (1,2,3,...,n) et l'affichage instantané de son résultat. 6.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la mémoire locale (13) de chaque dispositif (4),placé en un point de mesure (1,2,3,...,n) est non volatile, du type " mémoire å bulles " ou du type" programmable et effaçable électriquement n. 7.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,caractérisé en ce que,dans chaque dispositif (4) placé en un point de mesure (1,2,3,...,n),il est prévu une action du séquenceur (12) sur l'horloge (11), notamment pour provoquer des mesures plus rapprochées dans le temps,par exemple si une valeur critique choisie à l'avance se trouve dépassée. 8.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'information délivrée par le capteur (8) en chaque point de mesure subit un traitement préalable, ayant son codage sous forme numérique par le bloc interface (10). 9.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8,caractérisé en ce que plusieurs données d'entrée sont multiplexées, avant d'être acheminées vers un convertisseur à sortie numérique (10) de chaque dispositif (4). 10.- Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par son application à l'enregistrement des niveaux ou variations de niveau de nappes phréatiques, au moyen de capteurs (8),notam- ment de capteurs de pression à jauges de contrainte, dispersés sur un certain territoire.