Brevet FR2638830A1 — publié le 19900511

La présente invention a pour objet un dispositif pour mesurer La distance verticale entre au moins deux éléments. Une application possible pour le dispositif selon l'invention est la mesure des variations de la distance verticale entre un emplacement sur une installation flottante et un élément mobile. Parmi toutes Les applications possibles du dispositif, on peut citer par exemple Le contrôle d'un système anti-pilonnement pour une installation flottante, tel qu'on en utilise sur les navires de forage pétrolier ou dans des opérations de génie maritime. La mesure de la distance entre deux points mobiles l'un par rapport à l'autre peut s'effectuer en installant entre eux une liaison matérielle: fil ou chaîne tendue ou crémaillère éventuellement pour les courtes distances et en mesurant les variations de la longueur de cette liaison. C'est une solution peu coûteuse mais difficile à mettre en oeuvre quand la distance est grande du fait des déformations du fil ou de la chaine ou bien quand l'installation d'une liaison matérielle gene le fonctionnement des éléments mobiles et restreint leur liberté de déplacement. Les mesures de distance peuvent s'effectuer aussi sans liaison matérielle au moyen de télémètres. Généralement, il s'agit de mesures discontinues effectuées à intervalles de temps plus ou moins grand selon la rapidité de variation des distances à mesurer. La télémétrie acoustique qui consiste à mesurer la durée de propagation d'ondes acoustiques sur la distance cherchée, est employée - 2- 2638830 dans de nombreux domaine: le positionnement en mer par rapport à des points immergés, la mesure du niveau des liquides est notamment celle de la hauteur d'eau sous un navire au moyen de sonars etc, ou bien encore en photographie pour le réglage de la mise au point d'appareils de prise de vue. On peut aussi mesurer les distances au moyen d'ondes électromagnétiques. Les dispositifs utilisés sont des radars ou des radioaltimètres. Dans le domaine des fréquences optiques on connait aussi les télémètres à laser qui permettent une très grande précision. Les dispositifs mentionnés ci-dessus sont en général mal adaptés dans tous les cas o l'on cherche à déterminer une distance verticale entre deux points qui ne sont pas sur une même verticale et sont animés l'un par rapport à l'autre de mouvements complexes. C'est le cas notamment sur les installations flottantes o un système anti-pilonnement maintient à une altitude sensiblement constante par rapport au fond de la masse d'eau, un moufle (connu des spécialistes sous le nom de crown-block) supportant par exemple un équipement de forage. Pour pouvoir contrôler le bon fonctionnement du système d'antipilonnement, il est nécessaire de connaître avec précision les variations d'altitude du moufle stabilisé mais aussi les variations de la distance verticale qui le sépare d'un point quelconque lié à l'installation flottante. o Dans la demande de brevet français n EN. 88/02.501 est décrit un dispositif pour mesurer les variations d'altitude d'une installation flottante. On peut calculer la distance verticale entre le moufle stabilisé et le point de référence sur l'installation flottante à partir des mesures directes entre ces deux emplacements par un télémetre d'un type -3- 2638830 quelconque. Mais ceci n'est possible que si l'on corrige les mesures télémétriques en tenant des variations d'assiette de l'installation flottante déterminées par un dispositif d'un type connu de mesure d'écarts angulaires par rapport à la verticale. L'ensemble peut fournir des mesures précises mais son coût est généralement très élevé. La mesure de la distance verticale entre des emplacements de deux ou plusieurs plans horizontaux distincts peut bien sûr être effectuée par des altimètres à pression. Le principe utilisé est la détermination de la différence entre la pression atmosphérique mesurée en un point élevé par rapport à une pression de référence déterminée au niveau du sol ou de la mer et que l'on suppose constante. Mais les variations instantanées de la pression de référence n'étant pas transmises de façon continue au point de mesure élevé, les résultats de la mesure manquent de précision. Un dispositif du type altimètre à pression utilisé dans le type d'application défini plus haut, serait incapable de faire des mesures de la distance verticale séparant deux points mobiles l'un par rapport à l'autre avec toute la précision désirable dans le type d'applications défini plus haut. Le dispositif selon l'invention permet d'obtenir avec une bonne précision la distance verticale entre au moins deux points à des hauteurs inégales quels que soient leurs mouvements respectifs, à partir de mesures de pression. Il est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens capteurs de pression pour mesurer les variations de pression entre les deux extrémités d'au moins un tube souple rempli d'un fluide dont la densité est différente de celle de l'air, qui relie lesdits emplacements, ces variations de pression étant consécutives à un déplacement vertical des deux emplacements l'un par rapport à l'autre, et pour convertir lesdites variations de pression en variations de distance verticale. - 4- 2638830 Sur une installation flottante munie d'un système de compensation du pilonnement, l'un de ces emplacements est maintenu par ce système à une altitude sensiblement stable et l'autre est fixe par rapport à l'installation flottante. Les moyens capteurs comportent par exemple un premier capteur de pression relié à l'extrémité la plus basse du tube, un second capteur de pression relié à l'extrémité la plus haute du même tube et des moyens pour combiner les signaux de mesure des deux capteurs de pression. Les deux capteurs utilisés peuvent être des capteurs différentiels à deux entrées, mesurant la différence entre la pression régnant dans le tube à l'une et l'autre extrémités de celui-ci respectivement, et la pression atmospériphérique aux deux emplacements. Les deux capteurs utilisés peuvent aussi mesurer la différence entre la pression régnant dans le tube à l'une et l'autre extrémités de celui-ci respectivement et une pression de référence. Suivant un mode de réalisation particulier, le dispositif comporte un second tube souple rempli d'air et les deux capteurs sont des capteurs différentiels à deux entrées, mesurant la différence entre les pressions régnant dans le tube rempli de fluide à l'une et l'autre extrémités de celui-ci respectivement, et les pressions régnant dans le second tube rempli d'air aux extrémités correspondantes, le dispositif comportant également des moyens d'équilibrage pour maintenir à une valeur sensiblement constante la différence de pression régnant entre deux points respectivement du tube rempli de fluide et du tube rempli d'air. Les moyens d'équilibrage comportent par exemple un accumulateur à membrane pour séparer le fluide et l'air et équilibrer les variations de leurs pressions respectives. -5 - 2638830 Le dispositif selon l'invention permet de mesurer la différence de distance verticale des deux points, queLs que soient leurs mouvements respectifs, à un coût très inférieur à celui des dispositifs antérieurs. Sa précision est très bonne et pratiquement indépendante des variations de la température et des accélérations. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention apparaîtront à la lecture de la description de plusieurs modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexes o: - la figure 1 montre schématiquement une installation de forage en mer en relation avec laquelle le dispositif selon l'invention peut être utilisé; - la figure 2 montre un premier mode de réalisation du dispositif; - la figure 3 montre un second mode de réalisation du dispositif; - la figure 4 montre un troisième mode de réalisation préféré du dispositif; - les figures 5 et 6 montrent que les écarts latéraux des deux points de mesure n'ont pas d'incidence sur le résultat de la mesure de leur distance verticale obtenue avec le dispositif; et - les figures 7 et 8 montrent l'influence des mêmes écarts latéraux sur le résultat de la mesure de distance obtenue avec un capteur classique à fil tendu. Le dispositif selon l'invention peut être utilisé, on l'a vu, en relation avec un système de compensation du pilonnement subi par une installation flottante telle qu'un navire, sous l'effet des mouvements de la mer, ce système permettant de stabiliser l'altitude d'un - 6- 2638830 ensemble de support par rapport au fond de l'eau. 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 pourvue des moyens de support pour le premier moufle 4. Des moyens oleo-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 premier moufle 4 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. Le principe de la mesure de distance verticale selon l'invention consiste essentiellement à relier les deux emplacements entre lesquelts on veut faire les mesures par un tube souple au moins aussi long que la plus grande distance qui peut les séparer dans la pratique au cours des mesures effectuées, et à mesurer les variations de la pression exercée par une colonne de fluide contenue dans le tube souple quand l'écart vertical varie. Dans l'exemple d'utilisation considéré l'un des emplacements choisi est sur le second moufle 4. L'autre emplacement est choisi par commodité sur la plateforme 10 ou sur le derrick 3. Le mode de réalisation le plus simple (fig. 2) du dispositif selon l'invention, comporte un seul capteur de pression 11 connecté à l'extrémité la plus basse d'un tube souple 12 reliant les deux emplacements A, B choisis. Le tube 12 est rempli d'un fluide ayant une -7- 2638830 densité différente et de préférence supérieure à celle de l'air. La pression statique PS qui règne dans le tube est connue par une mesure préalable en mettant les deux extrémités du tube à la même hauteur. Le capteur de pression 11 mesure donc la surpression dp à la base de la colonne de fluide contenue dans Le tube quand il relie les deux emplacements A, B. Cette surpression est due à La masse de fluide contenue dans le tube. Si p, h, g désignent respectivement la masse spécifique du fluide, la distance verticale entre les points A et B et l'accélération de La pesanteur, la surpression dp s'exprime par la relation: dp = pgh (1) Si le tube communique avec l'atmosphère à sa partie supérieure, le capteur de pression mesure la surpression dp par rapport à la pression atmosphérique. On obtient de meilleurs résultats en utilisant deux capteurs de pression 11A, 11B disposés respectivement aux emplacements A et B (fig. 3) et en faisant la somme des mesures des deux capteurs de pression. En effet, lorsque le tube se déplace pour suivre les variations de la distance AB, le fluide de l'intérieur est soumis à des accélérations. Le capteur inférieur 11A mesure une pression instantanée PiA = PS + pgh + Pa o PS désigne, on le rappelle, la pression statique du fluide, et Pa la surpression due à l'accélération instantanée. Le capteur supérieur 11B mesure une pression PiB = PS - Pa, l'effet de l'accélération étant opposé à celui mesuré à l'autre extrémité du tube 12. En faisant la somme des pressions PiA et PiB PiA + PiB = 2PS + pgh (2) on élimine les perturbations de mesure dues aux accélérations. La - 8- 2638830 sommation est effectuée par un sommateur 13 qui additionne les signaux de mesure délivrés par les deux capteurs 11A, 11B. La pression statique PS étant connue, on peut en déduire la valeur de la surpression pgh et donc la distance verticale h. La mesure de la différence des deux signaux PiA et PiB est aussi possible PiA - PiB = pgh + 2Pa. Elle est indépendante de La pression statique PS mais elle est perturbée par les effets des accélérations Pa. Suivant le mode préféré de réalisation (fig. 4), on utilise deux capteurs de pression différentielle 14, 15 à deux entrées, disposés respectivement aux emplacements A, B. Les deux extrémités du tube 12 rempli de fluide à une pression statique PS sont connectées à une première entrée el, respectivement des deux capteurs 14, 15. Entre les secondes entrées respectives e2 des deux capteurs 14, 15 est connectée un second tube 16 rempli d'air à une pression statique PS identique à celle du fluide dans l'autre tube 12. Les extrémités hautes des deux tubes 12 et 16 sont mises en communication, respectivement par deux conduits 17 et 18 avec les deux compartiments opposés 19, 20 d'un accumulateur 21 d'un type connu. Une membrane flexible 22 permet l'égalisation permanente des pressions dans les deux compartiments 19, et donc des pressions statiques dans les deux tubes 12, 16. Un élément d'amortissement 23 est interposé sur la canalisation 17. Il agit en filtre passe-bas pour éliminer les variations de pression dynamique appliquées au compartiment 19. La présence de cet élément 23 ne se justifie dans la pratique que si l'on utilise des capteurs de pression à réponse suffisamment rapide et/ou si les pertes de charge dans le tube 12 sont suffisamment faibles. - 9_ 2638830 Le premier capteur 14 mesure sur ses entrées e1 et e2 respectivement des pressions Pei = PS + pgh + Pa et Pe2 = PS + p'gh + Pa' o - pet p' désignent les masses spécifiques respectives du fluide et de l'air dans les tubes 12 et 16 et - Pa et Pa', les surpressions instantanées dues aux accélérations. Le capteur 14 va produire un signal VS1 proportionnel à P -P Api = Pe1 - Pe2 (- p')gh + Pa - Pa' Le second capteur 15, qui mesure sur ses entrées respectives el et e2 les pressions: Pe1 = PS Pa et Pe2 = PS Pa' délivre un signal VS2 proportionnel à AP2 = Pe1 -Pe2 = - (Pa - Pa") Les signaux délivrés par les deux capteurs 14 et 15 sont appliqués également à un sommateur 13 qui produit donc un signal proportionnel à Apl+ p2 p- p,)gh De ce signal, on peut déduire à tout instant la distance verticale effective entre les deux emplacements A et B. Le dispositif est pratiquement insensible aux effets de l'accélération. De plus l'égalisation permanente des pressions statiques dans Les deux tubes 12, 16 réaLisée par L'accumulateur 21, a pour effet de rendre le dispositif pratiquement insensible également aux variations de température. Suivant une variante du mode de réalisation précédent, le compartiment de l'accumulateur contenant de l'air, communique avec le milieu extérieur et donc la pression statique PS est dans ce cas égale à la pression atmosphérique. On ne sortirait pas du cadre de l'invention en remplaçant l'accumulateur 21 par tout moyen pour égaliser les pressions statiques respectives dans les deux tubes ou même en faisant communiquer les extrémités supérieures des deux tubes 12 et 16 avec l'atmosphère. On a pu vérifié expérimentalement que les mesures de distance verticale faites au moyen du dispositif selon l'invention, n'étaient absolument pas affectées par les écarts latéraux des deux emplacements de mesure l'un par rapport à l'autre. On voit sur les figures 5, 6 que la distance verticale h entre deux points A et B soumis l'un par rapport à l'autre d'un mouvement de pilonnement d'amplitude constante, ne change pas, que la ligne AB soit verticale (fig. 5) ou soit écartée à 430 par rapport à la verticale (fig. 6). Dans des conditions identiques, un écart angulaire de 43 se traduit par une variation importante (d) de l'écart vertical h entre deux points A et B si l'on utilise par la mesure un capteur classique à fil tendu. - 11 - 2638830 R E V E N D I C A T I 0 N S 1. - Dispositif pour déterminer la distance verticale entre au moins deux emplacements (A, B) situés à des hauteurs inégales à partir de mesures de pression, comportant des moyens capteurs de pression (11) pour mesurer les variations de l'écart de pression entre Les deux extrémités d'un tube souple (12) rempli d'un fluide dont la densité est différente de celle de l'air, qui relie lesdits emplacements à des hauteurs inégales, ces variations de l'écart de pression étant consécutives à des déplacements verticaux des deux emplacements l'un par rapport à l'autre, et des moyens pour convertir lesdites variations de l'écart de pression en variations de distance verticale, caractérisé en ce qu'il comporte un second tube souple (16) rempli de gaz et en ce que les moyens capteurs comportent deux capteurs différentiels à deux entrées (14, 15) mesurant le premier la différence entre les pressions régnant à une première extrémité des deux tubes, le second la différence entre les pressions régnant à la seconde extrémité des deux tubes, le dispositif comportant également des moyens d'équilibrage (21) pour maintenir à une valeur sensiblement constante la différence de pression statique régnant entre deux points respectivement du tube rempli de fluide et du tube rempli de gaz. 2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que. les moyens d'équilibrage (21) comportent un accumulateur à membrane pour séparer le fluide et le gaz et équilibrer les variations de leurs pressions statiques respectives. 3. - Dispositif selon la revendication I ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de sommation (13) des signaux de mesure produits par les deux capteurs. 4. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il - 12 - 2638830 second capteur de pression (11B, 15) relié à l'extrémité la plus haute du même tube (12) et des moyens (13) pour combiner les signaux de mesure des deux capteurs de pression. 4. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux capteurs sont des capteurs différentiels à deux entrées, mesurant la différence entre la pression régnant dans le tube à l'une et l'autre extrémités de celui-ci respectivement et la pression atmosphérique aux deux emplacements. 5. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux capteurs de pression sont adaptés à mesurer la différence entre la pression régnant dans le tube à l'une et l'autre extrémités de celui-ci respectivement et une pression de référence. 6. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux capteurs sont des capteurs de pression absolue. 7. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un second tube souple (16) rempli d'air et en ce que les deux capteurs sont des capteurs différentiels à deux entrées (14, 15), mesurant la différence entre les pressions régnant dans le tube (1) rempli de fluide à l'une et l'autre extrémités de celui-ci respectivement et les pressions régnant dans le second tube rempli d'air (16) aux extrémités correspondantes, le dispositif comportant également des moyens d'équilibrage (21) pour maintenir à une valeur sensiblement constante la différence de pression régnant entre deux points respectivement du tube rempli de fluide et du tube rempli d'air. 8. - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens d'équilibrage (21) comportent un accumulateur à membrane pour séparer le fluide et l'air et équilibrer les variations de leurs pressions statiques respectives. -13- 2638830 9. - Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de sommation (13) des signaux de mesure produits par les deux capteurs. 10. - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte un élément de filtrage (23) interposé entre le premier tube (12) et ledit accumulateur à membrane (21).