Brevet FR2516247A1 — publié le 19830513

Procédé de mesure de caractéristiques électri- que des premières couches du sous-sol et dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. La présente invention concerne la mesure de caractéristiques électriques,plus précisément la résis- tivité ou la constante diélectrique des premières cou- ches du sous-sol. Plus particulièrement, l'invention a pour ob- jet un procédé du type selon lequel la mesure est réali- sée au moyen d'une bobine émettrice alimentée en courant alternatif pour engendrer un champ électromagnétique et d'une bobine réceptrice destinée à permettre l'élabora- tion d'un signal de mesure représentant l'amplitude de la composante perpendiculaire au plan de la bobine ré- ceptrice du champ produit par la bobine émettrice ' Plusieurs procédés de ce type sont connus Cer- tains utilisent le champ électromagnétique provenant d'é- metteurs de radiodiffusion; il se pose alors un problème d'orientation des capteurs par rapport à la direction des émetteurs; de plus, l'on ne peut maîtriser le volume de terrain exploré D'autres appareils connus utilisent une boucle émettrice et une boucle réceptrice mais ne permettent ni un enregistrement continu de la mesure, ni une limitation de l'exploration aux premières couches du sous-sol (épaisseur métrique à décamétrique) avec une précision satisfaisante du fait des très basses fréquences utilisées. Enfin, d'autres appareils encore utilisent des sondes capacitives de mesure de teneur en eau ce qui ne permet pas une auscultation rapide et continue. Or, il est souhaitable de pouvoir disposer d'une technique simple permettant une mesure rapide et continue de la résistivité ou de la constante diélectri- que des premières couches du sous-sol, c'est-à-dire en- viron entre let 10 mètres de profondeur, afin, par exem- ple, de réaliser une détection rapide et continue de zo- nes d'accumulation d'eau dans le corps de chaussées rou- tières, ou de zones hétérogènes en prévision de travaux de terrassement, ou de zones favorables à l'implantation de prises de terre pour la protection de lignes électri- ques ou téléphoniques. Cet objectif est atteint au moyen d'un procédé du type défini en tête de la description dans lequel, conformément à l'invention, la bobine émettrice est ali- mentée en courant alternatif à haute fréquence, les bo- bines émettrice et réceptrice sont déplacées en continu à la surface du sol à examiner tout en conservant des positions respectives inchangées et le signal de mesure est enregistré en continu. L'utilisation d'un courant alternatif à haute fréquence permet d'obtenir une bonne sensibilité avec des bobines de dimensions relativement restreintes con- duisant à une épaisseur d'investigation de dimension mé- trique à décamétrique. Par courant alternatif à haute fréquence, on entend ici un courant de fréquence comprise entre 150 k Hz et 2 M Hz pour la mesure de la résistivité, et entre 10 M Hz et 100 M Hz pour la mesure de la constante diélectrique. L'invention a aussi pour but de fournir un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé. Ce but est atteint, conformément à l'invention, du fait que les bobines émettrice et réceptrice sont noyées dans un support plan en matériau isolant électri- que résistant à l'usure par frottement susceptible d'É-v tre tramné à la surface du sol à examiner. Le support plan est par exemple un tapis en caoutchouc et peut être formé de deux feuilles collées l'une à l'autre et entre lesquelles sont disposées les bobines émettrice et réceptrice. D'autres particularités et avantages du procédé et du dispositif selon l'invention ressortiront à la lec- ture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une vue schématique d'un en- semble de mesure selon l'invention, la figure 2 est une vue en coupe du tapis de mesure, la figure 3 illustre la relation entre la ré- sistivité apparente à mesurer et le rapport Hm/Ho entre le module de la composante verticale du champ magnétique mesuré au moyen de la bobine réceptrice et le module qui serait mesuré dans l'air loin du sol, les figures 4 et 5 illustrent la relation en- tre le même rapport Hm/Ho et la hauteur d'eau dans un corps de chaussée; et la figure 6 illustre schématiquement un corps de chaussée en coupe. Conformément à l'invention, une bobine émettri- ce 10 alimentée en courant alternatif à haute fréquence et une bobine réceptrice 12 sont déplacées en continu sur la surface d'un sol S dont on désire mesurer la ré- sistivité ou la constante diélectrique des couches supé- rieures La bobine émettrice 10 est alimentée par un gé- nérateur H F 11 de fréquence ajustable La tension V induite dans la bobine réceptrice 12 par le champ élec- tromagnétique produit par la bobine 10 est amplifiée au moyen d'un amplificateur sélectif 13 accordé sur la fré- quence du courant alimentant la bobine 10 Un voltmètre H.F 14 branché à la sortie de l'amplificateur 13 four- nit une indication visuelle de l'amplitude de la tension v Un enregistreur 15 branché également à la sortie de l'amplificateur 13 permet de réaliser un enregistrement graphique continu représentant les variations de la ten- sion v lorsque les bobines 10 et 12 sont déplacées sur le sol S L'avance de l'enregistreur 15 est commandée par exemple par un capteur 16 mesurant la distance par- courue Le capteur 16 peut être une roue associée à un détecteur fixe qui produit une impulsion à chaque tour de roue, par exemple un détecteur à effet Hall associé à une pièce métallique fixée sur la roue Les impulsions produites sont utilisées pour commander le moteur d'en- traînement de l'enregistreur à une vitesse proportionnel- le à la fréquence de ces impulsions En variante, l'en- traînement de l'enregistreur pourra être couplé à celui du véhicule utilisé pour tracter les bobines 10 et 12. Comme on peut le voir sur la figure 2, les bo- bines 10 et 12 sont formées chacune par une spire, par exemple en cuivre, et sont noyées dans un tapis de caout- chouc 17 formé de deux feuilles 17 a, 17 b collées l'une sur l'autre et entre lesquelles sont placées les bobines. Le générateur 11, l'amplificateur 13, le voltmètre 14 et l'enregistreur 15 sont regroupés sur le véhicule tractant le tapis 17 et sont reliés aux bobines 10 et 12 par des cêbles coaxiaux 18, 19. L'ensemble de mesure décrit ci-dessus peut être utilisé pour mesurer la résistivité ou la constante diélectrique des premières couches du soussol, selon la gamme de fréquences dans laquelle-se situe la fréquence du courant alimentant la bobine 10. Pour la mesure de résistivité, on choisit une fréquence inférieure à 2 M Hz et, de préférence, supérieu- re à 150 k Hz pour obtenir une bonne sensibilité avec des bobines de dimensions raisonnables La tension V induite dans la bobine 12 est alors une fonction de la résisti- vité du sous-sol ausculté et de la géométrie des bobines et 12, c'est-à-dire de leurs dimensions et disposi- tion relative Pour la mesure de la constante diélectri- que, on choisit une fréquence supérieure à 10 M Hz et, de préférence, inférieure à 100 M Hz pour éviter les phéno- mènes de guide d'ondes La tension v induite dans la bo- bine 12 est alors une fonction de la constante diélec- trique du sous-sol ausculté et de la géométrie des bobi- nes 10 et 12 En particulier, la présence d'eau dans le sous-sol se traduira par une diminution de la grandeur af- fichée sur le voltmètre et inscrite sur l'enregistreur. La mesure de la constante diélectrique selon le procédé de l'invention trouve donc une application particulière- ment avantageuse dans la détection de poches d'eau dans les corps de chaussées routières puisque cette détection peut être réalisée rapidement, en continu et avec un ma- tériel très simple. La grandeur mesurée est la résistivité appa- rente, ou constante diélectrique apparente, des premiè- res couches du sous-sol, c'est-à-dire la résistivité, ou constante diélectrique, d'un sous-sol homogène qui con- duirait au même résultat de la mesure dans les mêmes conditions (même géométrie des bobines, même fréquence du courant) Pour une géométrie et une fréquence données, la relation entre la tension v et la caractéristique à mesurer peut être établie par étalonnage dans l'air. A titre d'exemple, lorsque l'on utilise un dis- positif de type dipôle-dipôle (bobines émettrice et ré- ceptrice placées à une distance grande devant leurs dia- mètres) pour mesurer la résistivité apparente des pre- mières couches du sous-sol, l'on peut se référer à la courbe de la figure 3 qui illustre la relation entre la résistivité apparente p 1 et le rapport Hm/Ho o Hm est le module de la composante verticale du champ magnéti- que mesuré au moyen de la bobine réceptrice et Ho celui que l'on mesurerait dans l'air loin du sol (ou dans le vide) Dans le cas illustré par la figure 3, la fréquen- ce f 1 du courant alimentant la bobine émettrice est éga- le à 600 k Hz et les bobines émettrice et réceptrice espacées l'une de l'autre d'une distance dl entre cen- tres égale à 3 m, ce qui fait qu'au-delà d'une profon- deur z 1 égale à environ à 4 m, les caractéristiques du sous-sol n'ont pratiquement plus d'influence Dans ce cas d'une configuration dipôledipôle, les diamètres des bobines sont petits-devant la distance d, par exemple au moins 5, et de préférence, au moins 10 fois plus petits que d. Les valeurs de la distance d entre bobines et de la fréquence f du courant alimentant la bobine émet- trice sont choisies notamment en fonction de l'épaisseur z du sous-sol que l'on désire ausculter, comme l'indique par exemple le tableau suivant ( z(m) d(m) f(M Hz) 8 6 0,3 4 3 0,6 2 1,5 1,2 ( 1,2 0,9 2 La courbe de la figure 1 illustre la variation de la résistivité apparente p 1 en fonction de Hm/Ho pour d = dl = 3 m et f = fi = 0,6 M Hz Pour obtenir les courbes correspondant aux autres configurations données dans le tableau, il suffit d'appliquer la loi de similitude suivante P 2 = d 2 = fi Pl d 1 f 2- o P 2,d 2 et f 2 sont les valeurs de résistivité,distance et fréquence relatives-à la courbe que l'on veut obtenir. Au lieu d'une configuration de type dipôle-dipôle on pourra utiliser une configuration avec bobines émettrice et réceptrice concentriques (comme dans l'exemple illustré par les figures 1 et 2), le diamètre de la bobine émettrice étant grand (c'est-à-dire au moins 5, et de préféren- ce, au moins 10 fois supérieur) au diamètre de la bobine réceptrice 12 Les courbes des figures 4 et 5 illustrent, à titre d'exemple, les relations du rapport Hm/Ho avec la hauteur d'eau h dans le corps d'une chaussée 20 (figure 6) de 1 m d'épaisseur sous revêtement 21, avec des boucles émettrice et réceptrice concentriques, de diamè- tres respectifs égaux à 3,2 m et 0,1 m Dans le cas de la figure 4, la fréquence du courant alimentant la bobi- ne émettrice est égale à 64 M Hz, et le substratum 22 sur lequel repose le corps de chaussée est humide Dans le cas de la figure 5, la fréquence est égale a 45 M Hz et le substratum 22 est sec. On a envisagé ci-dessus l'application de l'in- vention à la détection de zones d'accumulation d'eau dans un corps de chaussée routière Comme déjà indiqué, d'au- tres applications sont possibles, telles que la détection d'hétérogénéités de natures diverses (caractéristiques de la terre arable, présence de matériaux difficiles à terrasser en vue du creusement de tranchées, etc) ou la détection de zones favorables à l'implantation de prises de terre destinées à la protection de lignes électriques ou téléphoniques. REVENDICATIONS 1 Procédé de mesure de caractéristique électri- que des premières couches du sous-sol au moyen d'une bo- bine émettrice alimentée en courant alternatif pour en- gendrer un champ électromagnétique, et d'une bobine ré- ceptrice destinée à permettre l'élaboration d'un signal de mesure représentant l'amplitude de la composante perpendiculaire au plan de la bobine réceptrice du champ produit par la bobine émettrice, caractérisé en ce que la bobine émettrice est alimentée en courant alternatif à haute fréquence, les bobines émettrice et réceptrice sont déplacées en continu à la surface du sol à examiner tout en conservant des posi- tions respectives inchangées et le signal de mesure est enregistré en continu. 2 Procédé selon la revendication 1, pour la me- sure de résistivité des premières couches du sous-sol, caractérisé en ce que la bobine émettrice est alimentée en courant de fréquence comprise entre 150 k Hz et 2 M Hz. 3 Procédé selon la revendication 1, pour la me- sure de la constante diélectrique apparente des premiè- res couches du sous-sol, caractérisé en ce que la bobine émettrice est alimentée en courant de fréquence comprise entre 10 M Hz et 100 M Hz. 4 Utilisation du procédé selon la revendication 3 pour la détection en continu de zones d'accumulation d'eau dans le corps des chaussées routières. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que les bobines émettrice ( 10) et réceptri- ce ( 12) sont noyées dans un support plan ( 17) en maté- riau isolant électrique résistant à l'usure par frotte- ment susceptible d'être trainé à la surface du sol à examiner. Dispositif selon la revendication 5, caracté- risé en ce que le support plan ( 17) est un tapis en caoutchouc. 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 5 et 6, caractérisé en ce que le support plan est formé de deux feuilles ( 17 a, 17 b) collées l'une sur l'autre et entre lesquelles sont disposées les bobines émettrice et réceptrice. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 5 à 7, caractérisé en ce que les bobines émettri- ce ( 10) et réceptrice ( 12) sont concentriques.