Brevet FR2629898A1 — publié le 19891013

Sonde de mesure utilisable en vue de l'établissement du relevé topograpDhiaue d'un tube non librement accessible. La présente invention concerne une sonde de me- sure utilisable en vue de l'établissement du relevé topographique d'un tube non librement accessible, tel qu'un pipe-line enterré ou immergé, cette sonde étant destinée & être propulsée par un fluide en circulation dans le tube et comportant au moins un carter tubulaire. Il est souhaitable de pouvoir connaître avec précision la position exacte d'un tube enfoui (par exemple un pipe-line ou un gazoduc, enterré ou immergé) dont seules les deux extrémités sont accessibles. Cette connaissance est necessaire par exemple pour éviter un endommagement du tube au cours de travaux effectués dans son voisinage immédiat, ou bien pour détecter un dépla- cement non contrôlé du tube (à. la suite d'un glissement de terrain par exemple), ou bien encore pour déterminer les contraintes s'exerçant sur un tube'suspendu en deux de ses points (pipe-line enjambant une faille sous- marine par exemple). L'invention vise à proposer une sonde agencée pour circuler à l'intérieur du tube, et donc en suivre le tracé longitudinal exact, et pour effectuer un relevé d'informations précises et complètes aptes à permettre, après dépouillement, de reconstituer avec la plus grande précision et la plus grande exactitude le tracé du tube. A ces fins, une sonde du type précité agencée conformément à l'invention se caractérise en ce qu'elle comprend en combinaison: - des moyens de guidage solidaires extérieurement du carter et aptes à maintenir le carter sensiblement coaxial au tube; - des moyens d'étanchéité interposés entre le carter et le tube pour isoler de façon étanche les parties du tube, de manière telle que la sonde puisse être propulsée dans le tube par le fluide en circulation; - au moins un capteur odométrique extérieur au carter, coopérant avec la paroi du tube et apte à fournir un signal électrique représentatif de la distance par- courue par la sonde dans le tube; - un barillet monté coaxialement à l'intérieur du carter et apte à tourner par rapport à celui-ci autour d'un axe sensiblement coaxial à celui du carter; - un coeur abrité dans le barillet et solidaire de celui-ci dans sa rotation, sur lequel sont disposés des capteurs inertiels comprenant des moyens de dé- tection accélérométrique aptes à détecter les accé- lérations linéaires suivant les axes d'un référentiel lié au barillet et des moyens de détection gyrosco- pique aptes à détecter les vitesses angulaires suivant les axes de ce référentiel; - et des moyens de traitement de données aptes à re- cueillir les données fournies par les capteurs, et à traiter et mémoriser les informations obtenues. La sonde est normalement introduite dans le tube à une de ses extrémités accessibles, puis propulsée dans le tube par la pression du fluide en circulation dans celui-ci, et récupérée à l'autre extrémité acces- sible du tube. Au cours de son parcours, on détecte et on mémorise des informations de positions, de vitesses angulaires, d'accélérations linéaires, et de déplace- ments curvilignes à partir desquelles, connaissant en outre avec précision les emplacements d'arrivée et de départ, il est-possible de reconstituer le parcours de la sonde, et donc le tracé du tube. Un. certain nombre de dispositions sont prévues pour tenter de corriger ou de compenser, dans toute la mesure du possible, certaines erreurs de mesure. En particulier, la rotation du barillet permet d'éliminer certains défauts par moyennage des erreurs des capteurs embarqués dans le barillet; une redondance dans la disposition des axes sensibles des gyroscopes permet de 262989.8 déceler et/ou de compenser certaines erreurs de réfé- rencement; pour écarter les erreurs de mesure de posi- tionnement provoquées par un glissement sans roulement des capteurs odométriques, la sonde est équipée d'au moins deux capteurs odométriques et les moyens de traitement de données sont agencés pour comparer en permanence leurs informations respectives et ne retenir que l'information ayant la valeur la plus élevée. Avantageusement, dans un but de simplification, les moyens de guidage et les moyens d'étanchéité sont réunis ensembles sous forme d'au moins deux jupes annulaires qui entourent le carter respectivement vers l'avant et l'arrière de celui-ci et dont les bords libres annulaires coopèrent de façon étanche avec la paroi du tube. Dans un mode de réalisation avantageux, les moyens de détection accélérométriques comprennent trois accélérométres à un axe sensible détectant les accélérations linéaires suivant respectivement trois axes du référentiel lié au barillet. De même, les moyens de détection gyroscopiques peuvent comprendre deux gyroscopes à deux axes sensibles détectant les vitesses angulaires suivant respectivement deux des axes du référentiel lié au barillet. De façon souhaitable, pour éviter une dérive thermique des composants et procurer une meilleure fiabilité, la sonde comporte en outre des moyens de thermostatage pour réguler la température interne du barillet & une valeur prédéterminée. Toujours pour accroître la fiabilité, le coeur peut être monté dans le barillet par l'intermédiaire de moyens de suspension aptes à amortir les chocs et les vibrations. Pour accroître l'autonomie de fonctionnement de la sonde et lui permettre d'effectuer des relevés dans des tubes de grande longueur, la sonde peut comporter en outre un second carter renfermant des moyens de fourni- ture d'énergie électrique, ce second carter étant attelé au premier carter et raccordé à celui-ci par des liai- sons électriquement conductrices. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisa- tion préféré, donné uniquement à titre d'exemple non limitatif; dans cette description on se réfère aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en coupe diamétrale d'une sonde agencée conformément à l'invention; - la figure 2 est un schéma-bloc illustrant l'agencement fonctionnel électronique général de la sonde; et - la figure 3 est un schéma-bloc illustrant les moyens électroniques mis en oeuvre pour la détermination de la position instantanée de la sonde. En se référant tout d'abord à la figure 1, la sonde, désignée dans son ensemble par la référence nu- mérique 1, comprend un carter 2 sous forme d'un élément tubulaire allongé et étanche maintenu, par des moyens de guidage, sensiblement coaxialement à l'axe 3 du tube (dont seule la surface interne est schématisée par un trait mixte 4) dans lequel la sonde est appelée à se déplacer. Dans l'exemple représenté, les moyens de guidage sont agencés sous forme d'au moins deux jupes annulaires , disposées respectivement approximativement vers l'a- vant et vers l'arrière du 'carter 2 (le sens de déplacement de la sonde est symbolisé par la flèche 6), qui entourent le carter et s'étendent entre le carter 2 et la surface 4 du tube. Cet agencement offre en outre l'avantage que ces mêmes jupes 5 peuvent également jouer le rôle de moyens d'étanchéité en étant munies chacune d'un bord périphé- rique 7 formant joint d'étanchéité, coopérant de façon étanche avec la surface 4 du tube. Ces jupes 5 ainsi conçues isolent l'une de l'autre de façon étanche les zones du tube situées res- pectivement à l'arrière et à l'avant du carter 2 et la sonde peut ainsi être propulsée à l'intérieur du tube simplement par un fluide en circulation dans le tube. Toujours à l'extérieur du carter 2 se trouvent au moins deux capteurs odométriques 8 comportant chacun un bras 9 articulé en rotation sur le carter 2 et sup- portant à son extrémité libre une roue folle 10 mainte- nue appliquée élastiquement contre la surface 4 du tube en vue de son roulement sans glissement sur cette sur- face. Les roues 10 sont agencées (avec des moyens connus en soi et non visibles sur la fig. 1) -pour délivrer chacune une impulsion électrique par tour. A l'intérieur du carter 2 est disposé un ba- rillet 11 monté coaxialement au carter et apte à tourner autour d'un axe longitudinal parallèle (et coaxial autant que possible) à l'axe 3 du tube. A cet effet, le barillet 11 est muni d'arbres d'extrémité 12 supportés dans des paliers respectifs 13 solidaires du carter 2. Un moteur électrique 14 permet de communiquer au ba- rillet une vitesse de rotation de l'ordre de 1 tour par minute. Un ensemble de contacts électriques (non repré- sentés) permet de faire transiter les informations odométriques jusqu'au barillet et d'alimenter le barillet en énergie électrique à partir d'une source d'énergie électrique (batterie) non représentée. Cette source peut être prévue à l'intérieur du carter; mais pour des parcours relativement longs (pouvant par exemple durer plusieurs heures), cette source électrique, devenue très lourde et volumineuse, peut être reportée dans un second véhicule attelé mécaniquement et électriquement au premier précité (liaison 15 sur la fig. 1). Le barillet 11 inclut un coeur 16 regroupant plusieurs capteurs inertiels, savoir: - trois accéléromètres Ax, A et Az & un axe sensible y z détectant les accélérations linéaires suivant trois axes (schématisés respectivement par trois flèches) d'un référentiel lié au barillet; - et deux gyroscopes G1 et G2 & deux axes sensibles détectant les vitesses angulaires suivant les axes du référentiel précité (respectivement axes x et y pour le gyroscope G1 et axes y et z pour le gyroscope G2), le recours à ce type de capteurs imposant une redondance dans la disposition des axes sensibles. Le coeur est suspendu pour préserver les cap- teurs accélérométriques et gyrométriques d'un endommage- ment dû à des chocs, et il est thermostaté pour éviter toute dérive thermique des capteurs et leur conserver leur précision, source de' la fiabilité des mesures effectuées et de la précision subséquente du relevé topographique qui en est déduit. Le barillet 11 contient également le matériel électronique destiné à assurer l'alimentation des capteurs, la gestion de la régulation thermique du coeur 16, l'asservissement des capteurs, l'acquisition des mesures gyrométriques accélérométriques et odométriques par un calculateur, le traitement de ces informations et leur stockage dans une mémoire. - Enfin, un ensemble de connecteurs permet, après un parcours de la sonde dans un tube, d'accéder aux informations mémorisées pour leur traitement et la reconstitution du parcours, permettant d'en déduire la topographie précise du tube entre les points de départ et d'arrivée de la sonde. On va maintenant expliquer le mode de fonction- nement de la sonde qui vient d'être décrite, en se référant aux figures 2 et 3. On rappellera tout d'abord que les capteurs inertiels sont constitués d'un élément sensible (pendule pour l'accéléromètre, volant pour le gyroscope) qui doit être asservi en position. La mesure des efforts ou des couples de rappel est l'image de la grandeur physique à mesurer (accélération linéaire ou vitesse angulaire respectivement). On se reportera tout d'abord à la fig. 2 mon- trant schématiquement l'architecture fonctionnelle életronique de la sonde. Un multiplexeur MUX fait l'acquisition en séquence (par exemple & 2000 Hz environ) des grandeurs suivantes: - angles de battement DX1, DY1 et DY2, DZ2 des éléments sensibles des gyroscopes respectivement G1 et G2; angles de battement DAx, DAy, DAz des pendules des accéléromètres respectivement Ax, AyAz; - température T du coeur. Ces informations analogiques sont numérisées à l'aide d'un convertisseur analogique-numérique CAN (par exemple sur 12 digits), et transitent sur un bus série 18. Une Unité de Traitement (UT) (micropresseur rapide et circuits associés) élabore des commandes numériques qui sont transmises, par un bus 19, à des convertisseurs numérique/analogique de précision (CNAP) qui les traduisent en ceurants analogiques respectifs, lesquels sont appliqués aux moteurs-couples MC des capteurs correspondants. Si la conversion est précise, chaque ordre envoyé par le microprocesseur de l'Unité de Traitement est le reflet du courant analogique injecté dans le moteur-couple du capteur correspondant, et donc du couple (ou de la force) s'exerçant sur l'élément sen- sible, ces grandeurs équilibrant les couples (ou force) exercées par les vitesses angulaires (ou les accéléra- tions linéaires) auxquelles la sonde est soumise. De plus, une commande de chauffage est élaborée par l'Unité de Traitement UT et appliquée via un conver- tisseur numérique-analogique CNA à un circuit de chauffage 20. Enfin, les informations élaborées par l'Unité de Traitement sont stockées à intervalles réguliers dans une mémoire MEM non volatile (par exemple de 512 k octets). L'élaboration des coordonnées du parcours s'ef- fectue de la manière suivante (on se réfère simultané- ment à la fig. 3 qui schématise la constitution de l'électronique élaborée pour réaliser ce fonctionne- ment). Tout d'abord, on définit quatre-référentiels comme suit: a) R0 (io,jo, ko) est un premier référentiel o: i0 est colinéaire à la gravité locale, j0 est orienté vers l'est; b) R1 (i1' Jl k1) est un deuxième référentiel déduit de R0 par rotation de l'angle de cap autour de i0 = i1; le plan (il, k1) est donc vertical et tangent au tube; c) R2 (i2l j2, k2) est un troisième référentiel déduit de R1 par rotation de l'angle d'inclinaison e autour de j1 = j2; le vecteur k2 est donc tangent à l'axe du tube; d) R3 (i3, j3, k3) est un quatrième référentiel déduit de.R2 par rotation de l'angle de vrillage autour de k2 = k3; le référentiel R3 est donc lié au coeur inertiel. On notera qu'à l'instant t = O les 4 référen- tiels coïncident. L'élaboration des coordonnées du parcours de la sonde à l'intérieur du tube s'effectue comme suit. Les angles p, 8, v constituent les trois angles d'Euler permettant de passer des référentiels R0 à R3 on leur associe-le quaternion Q(t) (q0, q1 q2' q3) dont les composantes sont: o 0-00os Co ccos.cs sin sin e stn 2 2 2 2T2 2 À q1 os tf 0os e sin. -sin _f sin cos ' 2 2 2 2 T2 2 (1) q2 cos t sin e cos s stn co s e sin 2 ' À... 2 2 2 q3 sn cos,0 Cos -cos r sin 9 sn, 2 2 Cette grandeur definit, en d'autres termes, le passage du référentiel mobile R au référentiel fixe R0 et elle se prête bien aux méthodes de calculs numériques. Lorsqu'une vitesse de rotation instantanée O est appliquée à la sonde, le quaternion Q(t) évolue suivant l'équation différentielle suivante: (2) dQ 1 dt 2 o n est le quaternion associé à n. Cette équation a pour solution: t $30I dt Q(t) = QO e avec IIQ(t)ll = 1 Elle est normalement résolue par des méthodes utilisant des développements limités (Méthodes d'EDWARDS, de WILCOX ou de TAYLOR) (bloc 21 de la fig. 3). Q(t) étant ainsi connu, on calcule la matrice de passage B (1, c) de R3 à R0 (bloc 22): (formule (3)) 2+q2q2 2 2 (q 2q2 +q q02+2-22-32 1 2 (q1 q2-qO q3) 2(q1 q3 + qO q2) 2 2 2 2 B(l,c) 2(q1 q2+qO q3) qO +q2 -q3 -q1 2(q3 q'2 - qo 1) 22 2 2 2(q1 q3-qO q2) 2(q2 q3+qO q1) qo0 +q3 -q1 -q2 qui constituent la matrice inverse de la relation (1). Ces calculs sont conduits à une fréquence de par exemple 100 Hz environ. En réalité le quaternion Q(t) ainsi calculé par la relation (2) à l'aide des seules vitesses angulaires est affecté d'erreurs dues principalement aux gyroscopes utilisés; ceux-ci fournissent en effet une mesure de vitesses angulaire (appelée "dérive") même s'ils ne sont pas sollicités. De ce fait, le quaternion Q(t) "dérive" et les trois angles d'Euler calculés par la relation (3) évolueraient dans le temps au rythme de la dérive des gyroscopes. Cette erreur est en partie annulée en utilisant les informations accélérométriques. On "recale" périodi- quement le quaternion Q(t) (à une cadence de 10 Hz par exemple) en comparant (comparateur 23), dans le plan horizontal, les vitesses odométriques AV (après dérivation par rapport au temps, en 24, de la distance odométrique et projection dans le référentiel fixe R en ) et les vitesses AVO déduites des informations accélérométriques (après projection de celles-ci dans le référentiel fixe R en 26). En cas d'écart, le quater- o nion Q(t) est remis à jour. On notera que après projection dans le référen- tiel R3 (bloc 27), la vitesse de rotation terrestre est également soustraite des vitesses angulaires détectées (comparateur 28). La position de la sonde (bloc 29) à l'instant t + At est définie dans le référentiel fixe RO par ses trois coordonnées: il Xo(t +At) = xOt + B(1,1) Az3 yO(t +At) = Yot + B(2,1) AZ3 Zo(t +At) = ZOt + B(3,1) Az3 o B(l,c) Az3 est la projection dans R0 (en 25) de l'incrément odométrique. Ces informations sont mémorisées à une cadence voisine de 2 Hz. Le dépouillement des données s'effectue comme suit. La sonde parcourt le tube d'un point de départ A vers un point d'arrivée B, les coordonnées de ces deux points A et B étant connues. Tout au long du parcours, la position M(t) d'un point courant va pouvoir être estimée et cette position restituée [xM(t), yM(t), zM(t)]. Au point B on va constater un vecteur d'erreur: xs - x YB - zB - ze lzB Z dont l'analyse a posteriori permet de réduire de façon sensible l'erreur de position. En définitive, on notera que les erreurs de "dérive" du gyroscope de cap, sont éliminées en raison de la rotation continue du barillet dans la sonde. Quant aux erreurs odométriques qui contractent ou étirent toutes les longueurs, elles peuvent être diminuées, voire annulées, en ayant recours (comme indiqué en référence à la fig. 1) à plusieurs capteurs odométriques (par exemple deux ou trois) dont les informations respectives sont comparées en permanence et dont seule l'information de-- valeur la plus élevée (supposée correspondre à un roulement sans glissement) est retenue et utilisée. Comme il va de soi et comme il résulte d'ail- leurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réa- lisation qui ont été plus particulièrement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Sonde de mesure (1) utilisable en vue de l'établissement du relevé topographique d'un tube non librement accessible, tel qu'un pipe-line enterré ou immergé, cette sonde étant destinée-à être propulsée par un fluide en circulation dans le tube et comportant au moins un carter tubulaire (2), caractérisée en ce qu'elle comprend en combinaison: - des moyens de guidage (5) solidaires extérieurement 'du carter (2) et aptes à maintenir le carter sensiblement coaxial au tube; - des moyens d'étanchéité (7) interposés entre le carter et le tube pour isoler de façon étanche les parties du tube, de manière telle que la sonde puisse être propulsée dans le tube par le fluide en circulation; - au moins un capteur bdométrique (10) extérieur au carter, coopérant avec la paroi (4) du tube et apte à fournir un signal électrique représentatif de la distance parcourue par la sonde dans le tube; - un barillet (11) monté coaxialement à l'intérieur du carter (2) et apte à tourner par rapport à celui-ci autour d'un axe sensiblement coaxial à celui du car- ter; - un coeur (16) abrité dans le barillet (11) et solidaire de celuici dans sa rotation, sur lequel sont disposés des capteurs inertiels comprenant des moyens de détection accélérométrique (Ax, Ay, Az) aptes à détecter les accélérations linéaires suivant les axes d'un référentiel lié au barillet et des moyens de détection gyroscopique (G1, G2) aptes à détecter les vitesses angulaires suivant les axes de ce référentiel; - et des moyens de traitement de données (17) aptes à recueillir les données fournies par les capteurs, et à traiter et mémoriser les informations obtenues. 2. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de guidage et les moyens d'étan- chéité sont.réunis ensemble sous forme d'au moins deux jupes annulaires (5) qui entourent le carter respecti- vement vers l'avant et l'arrière de celui-ci et dont les bords libres annulaires (7) coopèrent de façon étanche avec la paroi (4) du tube. 3. Sonde selon la revendication 1 ou 2, carac- térisée en ce qu'elle comporte au moins deux capteurs odométriques (10) et en ce que les moyens de traitement de données sont agencés pour comparer en permanence les informations fournies par ces deux capteurs odométriques et pour ne retenir que l'information ayant la valeur la plus élevée, 4. Sonde selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens de dé- tection accélérométriques comprennent trois accéléro- mètres (Ax, Ay, Az) à un axe sensible détectant les accélérations linéaires suivant respectivement trois axes du référentiel lié au barillet (11). 5. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les moyens de détection gyroscopiques comprennent deux gyroscopes (G1, G2) à deux axes sensibles détectant les vitesses angulaires suivant respectivement deux des axes du référentiel lié au barillet (11). 6. Sonde selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens de thermostatage pour réguler la tem- pérature interne du barillet à une valeur prédéterminée. 7. Sonde selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisée en ce que le coeur (16) est monté dans le barillet par l'intermédiaire de moyens de suspension aptes à amortir les chocs et les vibrations. 8. Sonde selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un second carter renfermant des moyens de fourniture d'énergie électrique, ce second carter étant attelé (en 15) au premier carter et raccordé à celui- ci par des liaisons électriquement conductrices.