Brevet FR2518760A1 — publié le 19830624

1.; Procédé et dispositif de mesure de distance entre deux points d'un massif. La présente invention a pour objet la mesure de distance entre deux points d'un massif en utilisant la propagation d'ondes électromagnétiques. Pour la mesure de certaines caractéristiques d'un massif, c'est-à-dire d'un sol ou d'un milieu sem- blable tel qu'un remblai on peut utiliser des appareils de mesure disposés à l'intérieur du massif, notamment dans des tubes de réservation mis en place dans des fo- rages réalisés dans le massif Il est nécessaire de con- naltre la distance entre les emplacements des appareils dans les forages Une mesure en surface ne peut appor- ter la précision souhaitée en raison de l'inévitable erreur de parallélisme entre -les forages. Aussi, la présente invention a pour but de permettre une mesure précise, même à une profondeur as- sez importante, entre un premier et un second point si- tués respectivement dans un premier et un second forage réalisés dans un massif Par là même, la présente inven- tion a aussi pour but de permettre le contrôle du paral- lélisme entre deux forages réalisés dans un massif = Ce but est atteint, conformément à-l'invention, au moyen d'un procédé qui comprend les étapes consistant à: amener au premier point un émetteur destiné à engendrer un champ électroeagnêtique, tout en conservant à -un système de coordonnées spatiales lié à l'émetteur une orientation fixe prédéterminée; amener au second point un récepteur compor- tant au moins un ensemble de trois unités réceptrices de positions fixes l'une par rapport à l'autre, tout en conservant à un système de coordonnées spatiales lié aux trois unités réceptrices une orientation fixe pré- déterminée, chaque unité réceptrice produisant un si- gnal de sortie dont llamplitude est fonction de l'in- tensité du champ magnétique environnant et de l'orien- tation de celui-ci par rapport à un axe particulier lié à l'unité réceptrice, les axes des unités réceptrices ayant des directions différentes les unes des autres; commander l'émetteur de manière que celui- ci engendre un champ électromagnétique de fréquence com- prise de préférence entre 10 et 50 k Hz; et mesurer les amplitudes des signaux de sortie des unités réceptrices produits en réponse au champ ma- gnétique engendré par l'émetteur pour déterminer la dis- tance entre le premier et le second point. Ce procédé peut être utilisé même à profondeur importante sans nuire à la précision Celle-ci résulte, d'une part, du fait que l'émetteur, comme l'ensemble des trois unités réceptrices, conservent chacun une orienta- tion invariable dans l'espace et, d'autre part, du choix de la fréquence, pour les raisons indiquées plus loin. 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 grâce à un dispositif qui comporte: un émetteur destiné à engendrer un champ électromagnétique et suspendu a une extrémité d'une pre- mière tige de sorte qu'un système de coordonnées spatia- les lié à l'émetteur conserve une orientation fixe prédéterminée; un récepteur comportant au moins un ensemble de trois unités réceptrices de positions fixes l'une par rapport à l'autre, chaque unité réceptrice produisant un signal de sortie dont l'amplitude est fonction de l'intensité du champ magnétique environnant et de l'o- rientation de celui-ci par rapport à un axe particulier lié à l'unité réceptrice, les axes des unités réceptri- ces ayant des directions différentes les unes des au- tres, et le récepteur étant suspendu à une extrémité d'une seconde tige de sorte qu'un système de coordon- nées spatiales lié aux trois unités réceptrices conser- ve une orientation fixe prédéterminée; des moyens pour commander l'émetteur de ma- nière qu'il engendre un champ de fréquence comprise de préférence entre 10 et 50 k Hz, et un circuit de mesure pouvant être connecté aux unités réceptrices pour fournir une valeur repré- sentative de l'amplitude du signal de sortie de chacune d'entre elles. L'émetteur peut être constitué par une bobine alimentée en courant d'amplitude constante et de fré- quence comprise entre 10 et 50 k Hz Quant au récepteur, il peut être constitué par trois bobines réceptrices d'axes mutuellement différents, ou par trois autres composants sensibles au champ magnétique environnant. Selon une particularité de ce dispositif, 1 ' é m e t t e u r et l'ensemble de trois unités récep- trices sont reliés respectivement à la première tige et à la-seconde tige par l'intermédiaire de liaisons à cardan respectives, et chaque tige de liaison est, à son extrémité opposée à celle reliée à l'émetteur ou au récepteur, reliée à un organe de support par l'intermé- diaire d'une liaison à cardan particulière. D'autres particularités et avantages du procé- dé et du dispositif conformes à l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: = la figure l est une vue illustrant très schématiquement le dispositif de mesure selon l' invention, la figure 2 illustre les variations de l'é- cart relatif des résultats obtenus dans différents maté- riaux par rapport aux résultats obtenus dans l'air, en fonction de la fréquence du courant fourni à la bobine émettrice du dispositif de la figure 1, la figure 3 illustre les relations entre la distance calculée et la distance réelle en fonction des matériaux dans lesquels les mesures sont effectuées, et la figure 4 illustre plus en détail un mode particulier de réalisation de la suspension des bobines réceptrices du dispositif de la figure 1. Le dispositif représenté sur la figure 1 est destiné à mesurer la distance entre deux points A et B d'un massif 1, par exemple un sol, en utilisant des on- des électromagnétiques Les points A et B sont situés à une certaine profondeur et sont accessibles depuis la surface par des tubes 2, 3 mis en place dans le sol par forage ou tubage à l'avancement avec leurs axes sensi- blement paralleles Ces tubes constituent par exemple des réservations pour le logement de sondes'de mesure. Une tige creuse 10 est mise en place dans le tube 2 A son extrémité inférieure, elle contient une bobine émettrice 11 La liaison entre la bobine Il et la tige 10 est réalisée au moyen d'une articulation à cardan présentant deux axes de pivotement orthogonaux. Lorsque la tige 10 est verticale, l'un de ces axes est horizontal et confondu avec l'axe Z de la bobine, l'au- tre axe de pivotement étant également horizontal A son extrémité supérieure, la tige 10 est suspendue à une barre horizontale 4 par l'intermédiaire d'une deuxième- articulation à cardan dont les axes sont parallèles à ceux del'articulation prévue à l'extrémité inférieure, et qui peut coulisser le long de la barre 4. -Grâce à cette suspension pendulaire à cardans, et un coulissement possible le long de la barre 4, la tige 10 peut être enfoncée dans le tube 2, même si ce dernier n'est pas exactement vertical, et tout système de référence lié à la bobine Il reste constamment paral- lèle à lui-même, par exemple un système de coordonnées tri-orthogonal X, Y, Z centré en A, l'axe X étant norma- lement vertical, et les axes Y, Z étant normalement ho- rizontaux, avec l'axe Z confondu avec celui de la bobine. Une seconde tige creuse 20 est mise en place dans le tube 3 A son extrémité inférieure elle contient un ensemble récepteur constitué de trois bobines récep- trices 21, 22, 23 d'axes différents les uns des autres et de positions relatives fixes Ces bobines ont par exemple des axes mutuellement orthogonaux L'ensemble des bobines réceptrices est monté à l'extrémité infé- rieure de la tige 20 par l'intermédiaire d'une articu- lation à cardan de sorte que, lorsque la tige 20 est verticale, les deux axes orthogonaux de cette articula- tion soient horizontaux et parallèles à ou confondus avec respectivement les axes des bobines 22 et 23 A son extrémité supérieure, la tige 20, comme la tige 10 est suspendue à la barre horizontale 4 par leintermédiai- re d'une articulation à cardan dont les axes sont paral- lles à ceux de l'articulation prévue à l'extrémité in- férieure et qui peut coulisser le long de la barre 4. Ainsi, la tige 20 peut être enfoncée dans le tube 3, même si ce dernier n'est pas exactement verti- cal, et tout système de référence lié à l'ensemble des bobines réceptrices 21, 22, 23 reste constamment paral- lèle à lui-même, par exemple le système de coordonnées tri-orthogonal X', Y', Z' centré en B dont les axes sont respectivement confondus avec ou parallèles à ceux des bobines 21, 22, 23 selon que celles-ci sont ou ne sont pas concentriques. De préférence, les axes de pivotement des ar- ticulations à cardan reliant les tiges 10 et 20 à la barre sont parallèles Ainsi, les systèmes de référence X, Y, Z et X', Y', Z' sont constamment parallèles même si les forages contenant les tubes 2 et 3 ne sont pas parallèles entre eux Comme on le verra plus loin, ceci est exact pour autant que la bobine émettrice ou l'en- semble de bobines réceptrices peut se positionner libre- ment, c'est-à-dire sans venir en butée contre une partie de la tige 10 ou 20 malgré l'inclinaison de ceile-ci. Les tubes 2, 3 et les tiges 10 et 20 sont des éléments tubulaires en matériau non conducteur de l'é- lectricité,par exemple en une matière plastique telle que P V C. Les tiges 10 et 20 ont un diamètre réduit entre leur extrémité contenaht l'émetteur ou le récepteur et leur extrémité reliée à la base 4 de manière à pouvoir être mises en place sans difficultés dans les tubes 2 et 3 même si les forages ne sont pas exactement rectilignes. La bobine émettrice 11 est alimentée en cou- rant alternatif au moyen d'un circuit 12 disposé en sur- face et auquel elle est reliée par un câble blindé 13. Le circuit 12 comprend un générateur 14 de signaux de fréquence donnée dont la sortie est reliée au câble 13 par l'intermédiaire d'un amplificateur 15. Les tensions induites dans les bobines récep- trices 21, 22, 23 par le champ électromagnétique engen- dré par la bobine 11, sont acheminées en surface au moyen de lignes bifilaires 24, 25, 26 jusqu'à un circuit de réception 27 De préférence, ces tensions sont amplifiées au moyen d'amplificateurs identiques A 1, A 2, A 3 directe- ment branchés en sortie des bobines 21, 22, 23 Le cir- cuit de réception 27 comporte un filtre passe-bande 28, dont la bande passante est centrée sur la fréquence du signal produit par le générateur 14, et un voltmètre 29 destiné à mesurer la tension en sortie du filtre 28. L'entrée'du filtre 28 peut être sélectivement connectée à chacune des lignes bifilaires 24, 25 et 26 au moyen d'un commutateur 30 pour mesurer des valeurs ex, ey, e re- xy z présentant les tensions induites dans les bobines 21, 22 et 23. Pour une fréquence et une amplitude détermi- nées du courant alimentant la bobine il et pour des configurations propres et relatives déterminées de la bobine émettrice 11 et de l'ensemble de bobines rêcep- trices 21, 22, 23, il existe une relation biunivoque en- tre les valeurs ex, ey et ezmesurées et la distance d séparant les points A et B Cette relation peut être trouvée par le calcul ou au moyen d'abaques après éta- lonnage du dispositif. A titre indicatif, on peut exprimer les ten- sions ex, ey, ez sous la forme ex = A *x, ey = Ay y, ez = AZ 4 Z Ax, Ay et A sont des coefficients fixes fonctions des caractéristiques de'l'appareillage utilisé, et de l'amplitude et de la fréquence du courant alimen- tant la bobine 11 4 x, *y et i Vr sont des fonctions des coordonnées x, y, z du point B dans le système de réfé- rence X, Y, Z centré en A Le calcul montre que l'on peut exprimer la distance d sous la forme r 1 /3 d L + 2 +avec 3 + +/ + 8 j{z 2 ' Fyx 2 +W'y 21 4 ' Sachant que e et z AX Ay Az la connaissance de ex, ey et ez permet de calculer d, les coefficients AX, A et A étant déterminés par éta- x y z lonnage Par exemple, pour déterminer Az, on place la bobine 11 et l'ensemble des bobines 21, 22, 23 à une distance D connue telle que les coordonnées x, y et z soient respectivement égales à 0, O et D Si l'on dési- gne par e Z la valeur mesurée par le voltmètre 29 de la tension recueillie aux bornes de la bobine 23, l'on a e Z Az = Les valeurs de A et Ay peuvent être déter- 2 Dx minées en choisissant d'autres configurations d'étalonnage. Des essais ont été effectués pour mettre en évidence l'influence de la fréquence du-courant alimen- tant la bobine émettrice Pour ces essais, la bobine e- mettrice et les bobines réceptrices étaient logées dans des tubes de verre parallèles distants d'environ 50 cm et disposés dans un bac pouvant être rempli de tout ma- tériau désiré Pour chaque matériau utilisé, des mesures ont été effectuées avec des fréquences de 5, 10, 20, 50 et 100 k Hz Une première série de mesures-a été effec- tuée dans l'air suivant le mode opératoire décrit plus haut, en relevant, pour chaque fréquence, la valeur eza de la tension induite dans la bobine réceptrice 23. Ensuite, différents matériaux ont été testés aux mêmes fréquences et l'on a calculé, à chaque fois la valeur ez, eze étant la différence entre la valeur ezm de la e t z za tension induite dans la bobine 23 avec le matériau testé et celle e -mesurée précédemment dans l'air Les cour- za bes de la figure 2 montrent les valeurs obtenues de e e Z (en %) pour les matériaux suivants: eza (a) phosphogypse (Ca 504, 2 H 20), (b) eau (c) sable sec (granulométrie de O à 0,5 mm et teneur en eau inférieure à 0,1 %) (d) grave (granulométrie de O à 20 mm et te- neur en eau d'environ 5 %), et (e) sable humide (granulométrie de O à 5 mm et teneur en eau d'environ 6 %). Il ressort à l'évidence de la figure 2 que la fréquence d'émission doit être plutôt inférieure à 50 k Hz et même inférieure à 20 k Hz pour certains matériaux (phosphogypse et eau) Une détérioration des résultats est également observée en-deça de 10 k Hz En outre, plus la fréquence décroît et plus le risque d'échauffement et de détérioration de la bobine émettrice est élevé Pour ces différentes raisons, la fréquence d'émission doit être choisie dans l'intervalle 10 50 k Hz, et, de pré- férence, dans l'intervalle 10 -20 k Hz A titre d'exemple, une fréquence de 15 k Hz convient très bien, le filtre passe-bande 28 en réception étant réglé à 14 k Hz de fré- quence de coupure basse et à 16 k Hz de fréquence de cou- pure haute. Camme indiqué plus haut, les constantes A, A, A sont déterminées par étalonnage de l'appareil Cet étalon- nage étant effectué dans l'air, plusieurs essais ont été réa- lisés pour déterminer l'influence des matériaux sur la précision de la mesure lorsque ces mêmes constantes sont utilisées pour le calcul de la distance quel que soit le matériau La figure 3 illustre les relations mesurées en- tre la distance réelle d r et la distance calculée dc pour une distance variant de 455 à 470 mm et pour les maté- riaux suivants (f) air (g sable sec (h) eau (i) sable humide (j) laitier. On constate que l'erreur relative est, en va leur absolue au plus égale à environ 0,5 %. La connaissance de l'influence du matériau sur la différence entre valeur calculée et valeur réelle per- met, le cas échéant, de prédéterminer la correction à ap- porter à la valeur mesurée selon le matériau au sein du- quel la mesure est effectuée. La figure 4 illustre un mode particulier de réalisation de la suspension des bobines réceptrices et de la tige 20 (les connexions électriques, ne sont pas représentées). Les bobines 21, 22, 23 sont logées à l'inté- rieur d'un boîtier cylindrique mobile 31 o elles sont maintenues en place au moyen de cales 32 La bobine 21 est cylindrique d'axe vertical X' Elle est entourée. par la bobine 22 rectangulaire d'axe horizontal, elle- même entourée par la bobine 23 rectangulaire d'axe ho- rizontal perpendiculaire à ceux des bobines 21, 22. Lorsque le tube 20 occupe une position verticale, les axes de ce tube et du boîtier sont sensiblement confon- *dus avec l'axe de la bobine 21, de même que l'axe d'une' bague intermédiaire 33 entourant le bottier 31 La liai- son entre le boîtier 31 et la bague 33 est réalisée au moyen de deux pivots 34 diamétralement opposés et ali- gnés suivant un premier axe de pivotement Z'1 sensible- ment confondu avec l'axe de la bobine 23 La bague in- termédiaire 33 est reliée au tube 20 par deux pivots 35 diamétralement opposés et alignés suivant un second axe de pivotement Y'I perpendiculaire à Z'l et normalement horizontal et sensiblement confondu avec l'axe de la bo- bine 22 Ainsi, la bague 33 et les pivots 34, 35 forment une première articulation à cardan autour des axes nor- malement horizontaux Z'1 et Y'l. Une masse de rappel 36 est fixée sous le boî- tier 31 de sorte que l'axe X' reste constamment verti- cal même si le forage dans lequel la tige 20 est intro- il duite est incliné par rapport à la verticale L'orienta- tion verticale de X' est conservée tant que cette in- clinaison du forage reste inférieure à une valeur limite pour laquelle le boîtier 31 vient en butée contre la - bague 33 ou la tige 20 Cette valeur limite peut être relativement peu élevée, par exemple 100 à 200 Il est en effet, d'une part, peu probable que l'inclinaison du forage soit supérieure à de telles valeurs et, d'autre part, souhaitable de disposer de bobines réceptrices de dimensions aussi grandes que possible. Le boîtier 31, la bague 33 et la masse de rap- pel 36 sont situées à l'intérieur de la tige 20, à pro- ximité de son extrémité inférieure Celle-ci est obturée de façon étanche par un bouchon 37. A proximité de son extrémité supérieure, la tige 20 est reliée à un étrier 38 par l'intermédiaire d'une articulation à cardan 39 Celle-ci est formée par un croisillon dont une branche 39 a alignée suivant un axe 1 parallèle à l'axe Z'y est montée pivotante à ses extrémités dans des trous formés dans la paroi de la tige 20 L'autre branche 39 b du croisillon 39 est a- lignée suivant un axe Y"#1 parallèle à l'axe Y'V, passe dans des lumières 20 a de la tige 20 et est montée pivo- tante à ses extrémités sur les branches de l'étrier 38. De cette manière est formée une seconde articulation à cardan d'axes parallèles à ceux de celle située à l'au- tre extrémité de la tige 20 L'étrier 38 est monté cou- lissant sur la barre 4. Le montage de la bobine émettrice 11 dans la tige 10 et la suspension de celle-ci à la barre sont par exemple identiques au montage des bobines réceptri- ces dans la tige 20 et à la suspension de celle-ci à la barre 4. Lorsqu'une mesure doit être effectuée, les tu- bes 2 et 3 étant en place, la barre 4 portant les tiges et 20 est amenée au-dessus des tubes 2 et 3, puis les tiges 10 et 20 sont introduites dans les tubes et la barre horizontale 4 est descendue progressivement jus- qu'à atteindre la profondeur souhaitée Grâce aux sus- pensions pendulaires à double cardan, la bobine émettri- ce, d'une part, et l'ensemble des bobines réceptrices, d'autre part, conservent des orientations respectives invariables. Lorsque la distance à mesurer se situe dans une plage allant de 5 à 50 fois ou, de préférence, de à 20 fois 1 le diamètre (ou côté) moyen des bobines utilisées, une précision satisfaisante est obtenue avec un étalonnage réalisé dans cette plage Dans le cas de. distances plus grandes, l'éloignement entre l'émetteur et le récepteur fait que les signaux reçus sont faibles et plus susceptibles d'être perturbés, d'o une perte irrémédiable de précision Dans le cas de distances plus courtes, la proximité entre bobine émettrice et bobines * réceptrices crée des-conditions particulières qui néces- sitent des ré-étalonnages. Bien entendu, différentes modifications ou ad- jonctions pourront être apportées au mode de réalisation décrit plus haut sans-pour cela sortir du cadre de pro- tection défini par les revendications annexées Ainsi, les trois bobines réceptrices peuvent ne pas être con- centriques mais, par exemple superposées, et peuvent a- voir des axes non nécessairement mutuellement orthogo- naux tout en faisant entre eux des angles fixes non nuls. Enoutre, l'é 1 metteur et le récepteur pourront être réalisés sous forme d'éléments autres que des bo- bines Par exemple, le récepteur pourra être constitué par un ensemble de trois unités détectrices telles que des dispositifs utilisant des sondes à effet Hall, ces unités produisant des signaux de sortie dont l'amplitu de est fonction de l'intensité du champ magnétique 18760 auxquelles elles sont soumises et de l'orientation des lignes de force de ce champ par rapport à des axes par- ticuliers lies aux unités. REVENDICATIONS 1 Procédé utilisant la propagation d'ondes électromagnétiques pour mesurer la distance entre un premier et un second point situés respectivement dans un premier et un second forage réalisés dans un massif, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: amener au premier point un émetteur destiné à engendrer un champ électromagnétique, tout en conser- vant à un système de coordonnées spatiales lié à l'-é- metteur une orientation fixe prédéterminée; amener au second point un récepteur compor- tant au moins un ensemble de trois unités réceptrices de positions fixes l'une par rapport à l'autre, tout en conservant à un système de coordonnées spatiales lié aux trois unités réceptrices une orientation fixe pré- déterminée, chaque unité réceptrice produisant un signal de sortie dont l'amplitude est fonction de l'intensité du champ magnétique environnant et de l'orientation de celui-ci par rapport à un axe particulier lié à l'unité réceptrice, les axes des unités réceptrices ayant des directions différentes les unes des autres; commander l'émetteur de manière que celui- ci engendre un champ électromagnétique de fréquence com- prise entre de préférence 10 et 50 k Hz; et mesurer les amplitudes des signaux de sortie des unités réceptrices produits en réponse au champ ma- gnétique engendré par l'émetteur pour déterminer la dis- tance entre le premier et le second point. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite fréquence est comprise entre 10 et 20 k Hz. 3., Dispositif utilisant la propagation d'ondes électromagnétiques pour mesurer la distance entre un premier et un second point situés respectivement dans un premier et un second forage réalisés dans un massif, caractérisé en ce qu'il comporte: un émetteur ( 11) destiné à engendrer un champ électromagnétique et suspendu à une extrémité d'une première tige ( 10) de sorte qu'un système de coor- données spatiales lié à l'émetteur c o N S e r v e une orientation fixe prédéterminée. un récepteur comportant au moins un ensem- ble de trois unités réceptrices ( 21, 22, 23) de posi- tions fixes l'une par rapport à l'autre, chaque unité réceptrice produisant un signal de sortie dont l'ampli- tude est fonction de l'intensité du champ magnétique environnant et de l'orientation de celui-ci par rapport à un axe particulier lié à l'unité réceptrice, les axes des unités réceptrices ayant des directions différentes les unes des autres, le récepteur étant suspendu à une extrémité d'une seconde tige ( 20) de sorte qu'un systè- me de coordonnées spatiales lié aux trois unités ré- ceptrices conserve une orientation fixe prédéterminée, des moyens ( 14, 15) destinés à commander l'émetteur ( 11) pour qu'il engendre un champ électro- magnétique à une fréquence comprise de préférence entre et 50 k Hz, et un circuit de mesure ( 27) pouvant être con- necté aux unités réceptrices ( 21, 22, 23) pour fournir une valeur représentative de l'amplitude de signal de sortie de chacune d'entre elles. 4 Dispositif selon la revendication 3, caracté- risé en ce que l'émetteur ( 11) et l'ensemble de trois unités réceptrices ( 21, 22, 23) sont reliés respective ment à la première tige ( 10) et à la seconde tige ( 20) par l'intermédiaire de liaisons à cardan respectives. Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que chaque tige de liaison ( 10, 20) est, à son extrémité opposée à celle reliée à l'émetteur ou au récepteur, reliée à un organe de support ( 4) par l'in- termédiaire d'une liaison à cardan particulière. 6 Dispositif selon l'une cations 3 à 5, caractérisé en ce champ électromagnétique ( 14) est k Hz. quelconque des revendi- que la fréquence du comprise entre 10 et 7 Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 3 à 6, caractérisé en ce que lés trois unités réceptrices ( 21, 22, 23) ont des axes mutuellement orthogonaux. 8 Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 3 à 7, caractérisé en ce que les trois unités réceptrices ( 21, 22, 23) sont des bobines ayant un cen- tre commun -