Brevet FR2627857A1 — publié le 19890901

La présente invention concerne une méthode et un dispositif pour mesurer des déplacements verticaux ou la composante verticale de çes déplacements en l'absence de point de référence. La méthode selon l'invention trouve notamment des applications dans le domaine maritime pour mesurer par exemple Les déplacements d'un objet flottant quelconque soumis au mouvement des vagues. Ce type de mesure s'impose -par exemple lorsque l'on utilise des navires qui pour une raison ou pour une autre, sont reliés au fond de la mer et o l'on cherche à soustraire les moyens de liaison aux mouvements de pilonnement. C'est le cas pour les navires soutenant une colonne de forage pétrolier par exemple. La méthode la plus simple de mesure de déplacements verticaux est celle o l'on peut tendre un fil entre un emplacement fixe par rapport au fond de l'eau et un emplacement de l'objet, et mesurer les variations de la longueur du fil entre les deux points. Cette méthode présente souvent des inconvénients du fait que la ligne à tendre est très longue ou bien qu'elle gêne les manoeuvres. Une liaison immatérielle peut encore être établie au moyen d'un système de télémétrie acoustique comportant plusieurs transducteurs localisés par exemple en position fixe par rapport au fond de l'eau et émettant des impulsions acoustiques qui sont reçues par un ou plusieurs capteurs reliés à l'objet mobile. La mesure des variations du temps de propagation des impulsions acoustiques permet de calculer -2- les variations de La distance entre Les émetteurs et récepteurs d'ondes acoustiques et donc les mouvements de l'objet mobile. Mais les méthodes de télémétrie acoustique ne sont utilisabLes que pour la mesure de mouvements très lents du fait de la durée de propagation parfois importante des ondes acoustiques. Une méthode de ce genre appliquée au positionnement d'un navire, est décrite dans le brevet français n 2 091 906. Une autre méthode connue pour mesurer les mouvements d'un objet, sans liaison matérielle par rapport à un point de référence fixe, consiste à mesurer les accelérations subies par l'objet suivant un ou plusieurs axes orthogonaux les uns par rapport aux autres et notamment suivant la verticale et à calculer par intégration, les déplacements de l'objet qui en découlent. Une telle méthode utilisant plusieurs accéléromètres combinés, est décrite dans le brevet US n 4 515 013. Si la mesure des mouvements verticaux seule compte pour une application considérée, on peut aussi associer un accéléromètre unique à une plateforme reliée à l'objet, cette plateforme étant stabilisée en assiette soit par inertie soit par suspension pendulaire. Mais dans tous les cas, les méthodes de mesure utilisant des accéléromètres, sont relativement onéreuses. La méthode et le dispositif selon l'invention permettent d'éviter les inconvénients mentionnés ci-dessus. La méthode est caractérisée en ce qu'elle comporte la mesure des variations instantanées de la pression atmosphérique résultant des déplacements verticaux de l'objet, par rapport à une pression de référence obtenue en prenant la valeur moyenne de la pression atmosphérique au voisinage de l'objet. 3 _ La méthode peut comporter par exemple la mesure des variations instantanées de la pression atmosphérique par des moyens de mesure de pression différentielle. Le dispositif pour la mise en oeuvre de la méthode est caractérisé en ce qu'il comporte un capteur de pression différentielle subissant les déplacements de l'objet, pourvu d'une première entrée communiquant directement avec l'atmosphère et d'une seconde entrée communiquant avec des moyens d'amortissement des fluctuations de la pression atmosphérique, le capteur de pression différentielle délivrant un signal indicatif des déplacements de l!objet. Les moyens d'amortissement peuvent comporter par exemple un dispositif pour absorber l'énergie dynamique des variations de la pression atmosphérique tels qu'un tube rempli de fluide dont une extrémité communique avec l'atmosphère et dont l'autre extrémité communique avec une seconde entrée du capteur de pression différentielle. Le dispositif fonctionnant suivant la méthode revendiquée est plus simple à réaliser, plus robuste et beaucoup moins coûteux que les dispositifs antérieurs notamment ceux qui comportent des mesures d'accélérations. Il est de plus très sensible et capable, convenablement optimisé, de détecter des variations d'altitude de quelques centimètres. On peut donc mesurer finement les pilonnements de tout objet flottant. On peut donc aussi très facilement l'intégrer à un dispositif de sécurité adapté à surveiller le bon fonctionnement d'un système de stabilisation hydraulique du type des coulisses classique d'anti-pilonnement. D'autres caractéristiques et avantages de la méthode et du dispositif selon l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif en se référant aux dessins annexes sur lesquels: -4- - la figure 1 montre de façon très schématique une installation de forage sur un support flottant; munie par exemple d'un système pour empêcher la transmission à une colonne de forage, des mouvements de la mer, et en relation avec laquelle le dispositif selon l'invention peut être utilisé; - la figure 2 montre schématiquement l'agencement d'un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention; - la figure 3 montre un moyen d'amortissement des fluctuations instantanées de la pression atmosphérique du type à tube capillaire; - la figure 4 montre schématiquement un second mode de réalisation du dispositif selon l'invention; - la figure 5 montre schématiquement un troisième mode de réalisation du dispositif selon l'invention; et - la figure 6 montre schématiquement un élément de régulation pouvant intervenir dans le circuit de la figure 5. L'amplitude d'un pilonnement dépend bien sûr de l'état de la mer. Des mesures ont montré que le signal représentatif de cette amplitude est complexe. Il est périodique et constitué d'une composante principale dont la période est comprise généralement entre 5 et 20s, à laquelle se superpose une composante secondaire dont la période est d'une centaine de secondes, qui fait dériver la valeur moyenne de l'amplitude. Une dérive encore plus lente due aux marées, vient affecter les variations de l'amplitude. A la pression normale on peut mesurer un gradient barométrique de l'ordre de 1 millibar (1 mB) pour une variation d'altitude de 8 mètres. Comme on le verra dans le cours de la description, la mesure des variations de la pression atmosphérique permet d'obtenir des indications fines des variations d'altitude d'un objet. Parmi toutes les applications possibles, on peut citer par exemple la mesure du piLonnement subi par une installation flottante telle que celles que l'on utilise dans le domaine du génie maritime ou le forage pétrolier. La mesure du pilonnement d'un support flottant depuis lequel on fore le sol au-travers de la couche d'eau, est indispensable notamment pour régler le système anti-pilonnement généralement utilisé ou pour surveiller son bon fonctionnement. Un support flottant de forage du sous-sol marin 1 tel que celui schématisé à la figure 1, comporte en effet le plus souvent un système pour empêcher la transmission à une colonne de forage 2, des mouvements de pilonnement dus à la houle. Le navire porte un derrick 3 auquel est assujetti un ensemble de support de la colonne de forage comportant deux moufles 4, 5. A un élément de fixation 6 sur le navire, est rattachée l'extrémité de câbles 7 qui passent sur les poulies des deux moufles 4, 5 et viennent s'enrouler sur un treuil 8. Un système quelconque d'anti-pilonnement comporte par exemple des vérins 9 aux tiges desquels est fixée une plateforme 10 comportant des moyens de support pour le premier moufle 4. Des moyens oléo-pneumatiques (non représentés) permettent de connaître ou contrôler le coulissement des tiges des vérins 9 de manière à maintenir à une altitude sensiblement constante par rapport au fond, le second moufle 5 et donc la colonne qui y est suspendue. Un dispositif perfectionné de compensation de pilonnement est décrit par exemple dans le brevet français n 2 575 452. - La mesure du pilonnement subi par un engin flottant, est utile tout d'abord pour déterminer la longueur de coulissement pour que le système anti-pilonnement joue correctement son rôle dans toutes les' conditions de fonctionnement. 262785? -6 La charge supportée par le derrick pouvant atteindre plusieurs centaines de tonnes, il est nécessaire en outre de détecter très rapidement d'éventuelles anomalies de fonctionnement. En cas de rupture de charge ou de tuyauterie, il faut pouvoir couper l'alimentation des vérins 9 en fluide à haute pression. Le dispositif selon l'invention peut par sa sensibilité élevée, mesurer avec précision l'amplitude du pilonnement. S'il est disposé sur une coulisse anti-pilonnement, il permet de détecter immédiatement toute variation anormale de la hauteur absolue des deux moufles de celle-ci et donc si besoin est, l'application de mesures de sécurité adéquates. Le dispositif selon l'invention sera disposé à l'intérieur du navire ou bien encore à l'extérieur, sur. des pièces mobiles. Le dispositif référencé 11 sur la figure 2, comporte un capteur de pression différentielle 12 pourvu d'une première entrée 1 ouvrant directement sur l'atmosphère et d'une seconde entrée e2 pour l'application d'une pression de référence Po. Le capteur de pression différentielle mesure donc la différence de pression Ap entre la pression atmosphérique Pa et la pression Po. Cette différence de pression est reliée à l'écart d'altitude instantanée h par rapport à l'altitude Ho correspondant à la pression de référence Po. Elle varie comme h. DP/aH o P/bH représente la dérivée partielle de la pression en fonction de l'altitude H. Elle dépend également comme on le verra par la suite, de l'influence des variations très lentes pouvant affecter la pression statique moyenne au lieu et à l'altitude considérés. La pression de référence Po utilisée est ici la valeur moyenne (Pa) de la pression atmosphérique captée à un endroit déterminé quelconque du navire. Cette valeur moyenne est obtenue grâce à un ensemble d'amortissement 13 d'un type connu, capable d'éliminer pratiquement les fluctuations rapides qui peuvent intervenir sur la pression atmosphérique et qui donc agit en filtre coupe-haut. Cet ensemble 13 - 7- comporte par exempLe (figure 3) un tube capillaire 14 enroulé sur un mandrin 14A lequeL est enserré dans un corps 15. A une première extrémité, le tube capillaire communique avec un alésage central 16 dans lequel on vient fixer, par vissage par exemple, l'extrémité du capteur différentiel, du côté de son entrée e2. A. son extrémité opposée, le tube capillaire communique avec une cavité 17 o règne la pression atmosphérique extérieure. Le passage de l'air le long de ce tube capillaire, a pour effet de supprimer pratiquement les fluctuations instantanées de la pression atmosphérique. On peut utiliser aussi un amortisseur du même type mais o le fluide contenu dans le tube capillaire est de l'huile. L'écart de pression AP est donc lié à la variation d'altitude instantanée h par rapport à l'altitude moyenne H o est mesurée la pression Pa. Différents types de capteurs de pression différentielle industriels sont utilisables. Ceux qui comportent un tube de Bourdon à quartz, ceux qui fonctionnent par mesure des déplacements d'une membrane au moyen d'un pont de Wheatstone, soit encore par une mesure de réluctance magnétique. Leur sensibilité est très variable. Les plus sensibles peuvent mesurer à pleine échelle une différence de pression de 1 mB à 0,25 % de précision par exemple. Ils permettent d'apprécier, avec leur résolution de 0,01 mB, une variation d'altitude théorique de 8 cm. Le capteur de pression différentielle, délivre un signal SE proportionnel à l'écart de pression mesuré entre ses deux entrées e1 et e2. SE = k(Pa-Pa) o k est un coefficient de proportionnalité, et donc de ce fait, un signal proportionnel notamment aux écarts d'altitude h. - 8 Suivant les modes de réalisation de la figure 4, on interpose entre le capteur différentiel et l'ensemble d'amortissement 13, une bouteille 18 remplie d'air. A une première extrémité, elle communique avec l'entrée e2 du capteur différentiel 12. A son extrémité opposée, elle communique avec le tube capillaire 14 de l'élément d'amortissement 13. On choisit le volume Vo de la bouteille 18, de manière qu'il soit très grand par rapport aux variations de volume dv dues aux fluctuations de pression. On choisit par exemple Vo = 1000.dv. Ceci permet d'augmenter encore très sensiblement l'effet d'amortissement réalisé par l'élément 13 et de conserver toute sa sensibilité au capteur de pression différentielle. De préférence, on adjoint au mode de réalisation de la figure 4, des moyens pour minimiser les variations éventuelles de la température. Le moyen le plus simple consiste à laisser l'intérieur de la bouteille 18 en communication avec l'atmosphère extérieure au travers de l'élément d'amortissement 13 de manière à équilibrer les variations du contenant et du contenu. Une meilleure régulation en fonction de la température est obtenue en calorifugeant le capteur différentiel 12, la bouteille 18 et l'élément d'amortissement 13. Pour tenir compte aussi de l'influence sur les mesures des variations possibles au lieu et à l'altitude considérés, de la pression statique moyenne et de la température, et ainsi affiner les mesures des variations d'altitude, on utilise de préférence le mode de réalisation de la figure 5. Il comporte le capteur différentiel 12, l'élément d'amortissement 13 et la bouteille 18 du schéma simplifié de la figure 4. Il comporte en outre une première boucle de correction incluant un baromètre 19 adapté à mesurer la pression atmosphérique à l'altitude considéree qui varie en fonction des conditions météorologiques locales. Le signal SB engendré par le baromètre ainsi que le signal SE issu de capteur différentiel 12, sont appliqués à un circuit correcteur 20 qui calcul -- 9 -- le rapport SE.SN/SB et produit un signal corrigé SEC. Le signal SN. représente la pression atmosphérique normale à l'aLtitude considérée. C'est ici une constante (égale à 1013 mbar au niveau de la mer). Le dispositif comporte également une seconde boucle de régulation (facultative) pour corriger encore mieux l'incidence sur les mesures des variations de la température et compléter les moyens de régulation mentionnés dans la description du mode de réalisation de la figure 4 (mise à l'air libre et calorifugeage de la bouteille 18). Cette seconde boucle comporte un filtre passe-bas 21 pour extraire du signal SEC produit par circuit 20, la composante à très basse fréquence SEC. Elle représente la dérive du signal SEC notamment en fonction de la température dans la bouteille 18. Le signal SEC est appliqué à un circuit de régulation 22 qui commande une régulation appropriée à la bouteille 18. Celle-ci peut comporter des résistances électriques de chauffage et dans ce cas le circuit de régulation commande s'il y a lieu une variation de la température pour annuler L'écart. La bouteille 18 peut également être munie d'un tube 23 (fig. 6) o coulisse de façon étanche un piston 24. Dans ce cas, le circuit de régulation commande le déplacement du piston dans le cylindre 23 de manière à faire varier le volume total de la bouteille 18 et compenser la variation mesurée de la température. Ces exemples de régulation ne sont pas limitatifs. - 10 - R E V E N D I C A T I O N S REVENDICATIONS 1. - Méthode pour mesurer les dépLacements verticaux d'un objet ou La composante verticale de ses déplacements en l'absence de point de référence fixe, caractérisée en ce qu'elle comporte La mesure des variations instantanées de la pression atmosphérique résultant des déplacements verticaux de l'objet, par rapport à une pression de référence obtenue en prenant la valeur moyenne de la pression atmosphérique au voisinage de l'objet. 2. - Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la mesure des variations instantanées de la pression atmosphérique est réalisée par des moyens de mesure de pression différentielle (12). 3. - Dispositif pour mesurer des déplacements verticaux d'un objet o la composante verticale de ses déplacements en l'absence de point de référence fixe, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur de pression différentielle (12) subissant les déplacements de l'objet, pourvu d'une première entrée (e1) communiquant directement avec l'atmosphère et d'une seconde entrée (e2) communiquant avec des moyens d'amortissement (13) des fluctuations de la pression atmosphérique, le capteur de pression différentielle délivrant un signal (SE) indicatif des déplacements de l'objet. 4. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'amortissement (13) comportent un dispositif pour absorber l'énergie dynamique des variations de la pression atmosphérique. 5. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'amortissement comportent un tube capillaire (14) dont une extrémité communique avec l'atmosphère et dont l'autre extrémité communique avec la seconde entrée (e2) dudit capteur différentiel. 262785? - 1l - 6. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la seconde entrée (e2) du capteur de pression différentielle communique avec un volume de gaz maintenu en équi-pression avec la pression de référence produite par les moyens d'amortissement (13). 7. - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le volume de gaz est contenu dans un récipient (18) pourvu de moyens pour rendre la pression de référence sensiblement indépendante des variations de la température. 8. - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour corriger les variations de la pression de référence résultant des variations lentes de la pression atmosphérique. 9. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte une première boucle de régulation incluant des moyens (19) de mesure de la pression de référence et des moyens (20) pour corriger le signal (SE) délivré par le capteur de pression différentielle (12) en fonction du signal produit par lesdits moyens de mesure (19). 10. - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte une seconde boucle de régulation pour corriger l'incidence sur les mesures, des variations de la température, comportant un filtre passebas (21) pour extraire du signal (SE) issu du capteur différentiel (12) les composantes de très basse fréquence et des moyens de compensation (22) des variations de la pression de référence. 11. - Dispositif selon les revendications 3 et 9, caractérisé en ce que les moyens de compensation (22) comportent des moyens pour faire varier la température dudit volume de gaz en équi-pression avec la' pression de référence. - 12 - 12. - Dispositif selon les revendications 3 et 9, caractérisé en ce que les moyens de compensation (22) comportent des moyens (23, 24) pour faire varier le volume du récipient contenant ledit volume de gaz en équi-pression avec la pression de référence. 13. - Dispositif pour mesurer les déplacements verticaux d'un ensemble de support relié à un véhicule flottant par l'intermédiaire d'un système d'anti-pilonnement adapté à soustraire ledit ensemble de support aux mouvements verticaux subis par le véhicule flottant, en l'absence de point de référence fixe, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur de pression différentielle (12) fixe à l'ensemble de support et comportant une première entrée (e1) communiquant directement avec l'atmosphère et une seconde entrée (e2) communiquant avec des moyens d'amortissement (13) des fluctuations instantanées de la pression atmosphérique, ledit capteur de pression différentielle délivrant un signal indicatif des déplacements de l'objet.