Brevet FR2740556A1 — publié le 19970430

La présente invention se rapporte aux noyaux pour magnétomètres multiaxials, qui sont du type homocentrique, c'est à dire qui possèdent un centre de mesure commun. On connaît du brevet français n" 2 608 776 déposé le 23 décembre 1986 par la demanderesse sous le n" 86 18 088 et publié le 24 juin 1988, un magnétomètre triaxial homocentrique utilisant la technique du noyau saturable, connue le plus souvent sous le nom anglo-saxon de "fluxgate", dans lequel les noyaux de mesure sont de forme torique plate et sont fixés sur les 6 faces d'un cube pour former deux à deux trois magnétomètres triaxiaux dont les axes sont concourants. Compte tenu des limitations technologiques, un tel magnétomètre est nécessairement relativement grand et ne permet donc pas une mesure très ponctuelle. En outre son coût de réalisation est important en raison des difficultés rencontrées pour bobiner les circuits nécessaires sur les tores. On connaît également de la demande de brevet URSS n" 580-529 déposée le 16 mars 1976, un magnétomêtre triaxial dans lequel on utilise des noyaux en forme de barreaux cylindriques fixés sur les douze arrêtes d'un cube. Un tel dispositif est relativement onéreux car il utilise douze noyaux . En outre, compte tenu de cette structure, la mesure est encore moins ponctuelle qu'avec le dispositif à tores. Enfin le champ produit par l'un des noyaux vient induire un champ perturbateur sur les noyaux qui lui sont perpendiculaires, ce qui perturbe la mesure. Pour pallier ces inconvénients, I'invention propose un dispositif selon la revendication 1. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, faite à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent: - figure 1, une vue en perspective cavalière de l'ensemble des noyaux d'un magnétomètre selon l'invention; - la figure 2, une vue en perspective cavalière de l'ensemble de la figure 1, muni de noyaux complémentaires permettant de le faire fonctionner en gradientmètre triaxial diagonal; - la figure 3, I'ensemble de la figure 1 muni d'un ensemble de noyau permettant de le faire fonctionner également en gradientmètre triaxial uniaxe. - la figure 4, un assemblage de noyaux selon une variante de l'invention plus facile à faire rentrer dans un cylindre; - la figure 5, un assemblage de noyaux identique à celui de la figure 1 et comportant des moyens permettant de boucler les circuits magnétiques des noyaux deux à deux. On a représenté sur la figure l'ensemble des noyaux d'un magnétomètre assemblés de manière conforme à l'invention et débarrassés de tous les accessoires, tel que les bobinages d'excitation et de mesure ainsi que les supports divers, qui sont connus en eux-mêmes et qui ne concernent pas directement l'invention. Le magnétomètre qui comprend ces noyaux est ici triaxial et permet donc de mesurer les trois composantes du champ magnétique en un point O selon les axes OX OY et OZ d'un système de référence trirectangle. Ces noyaux sont formés d'un bâtonnet cylindrique allongé en matériau ferromagnétique de type couramment utilisé dans la fabrication des magnétomètres. Les barreaux sont groupés par paires dans lesquelles les deux barreaux d'une même paire sont placés parallèlement l'un à côté de l'autre a une distance d légèrement supérieure à ieur diamètre r. ainsi d est par exemple compris entre 1,2 x r et 2 x r. Comme représenté sur la figure, les paires sont imbriquées les unes dans les autres de maniére à ce que les barreaux d'une même paire soient parallèle à l'un des axes, que les axes de ces deux barreaux soient compris dans le plan formé par cet axe et l'un des deux autres axes, et que le point O de rencontre des trois axes soit situé au centre du rectangle formé par les deux barreaux de la paire. Ainsi les barreaux 101 et 102 sont parallèles entre eux et à l'axe OX. Ils sont situés symétriquement par rapport à cet axe OX dans le plan formé par OX et OY de telle manière que l'axe OY passe par les centres de leurs longueurs. De même les barreaux 103 et 104 sont parallèles à l'axe OY et situé dans le plan OY OZ et les barreaux 105 et 106 sont parallèles à l'axe OZ et situé dans le plan OZ OX. Ainsi les 6 barreaux sont imbriqués de telle manière que les deux barreaux d'une paire passent entre les deux barreaux d'une autre paire, que les deux barreaux de cette autre paire passent entre les deux barreaux de la troisième paire dont les deux barreaux passent entre ceux de la première. Cet assemblage parfaitement symétrique définit donc un point de mesure homocentrique avec une très grande précision et qui est extrêmement près des 6 barreaux, ce qui permet donc d'avoir une mesure très ponctuelle du champ magnétique en ce point. En outre ce système d'imbrication est tel que le champ créé par une paire de barreaux ne possède pas de résultante au niveau des autres paires, et que donc les mesures sur les trois axes ne se perturbent pas entre elles. Les bobinages utilisés tant pour l'excitation que pour la détection et que pour la compensation sont réalisés de manière à venir se glisser sur chaque paire, les deux barreaux d'une paire formant un noyau commun pour une direction. On peut utiliser toutes les architectures connues pour réaliser ces fonctions, que ce soit un seul bobinage commun, deux bobinages avec une combinaison quelconque des fonctions, ou trois bobinages distincts. La génération des signaux appliqués aux bobines, ainsi que l'exploitation de ceux résultant de la mesure, peuvent également se faire selon toutes les techniques connues, telles que par exemple la détection crête ou la détection de l'harmonique 2. En raison de cet effet de symétrie, on peut combiner alors avec le magnétomètre ainsi réalisé des moyens permettant de réaliser un gradientmétre triaxial permettant d'obtenir les gradients du champ autour du point O sans que les mesures du magnétomètre viennent perturber celle du gradientmétre et vis et versa. Ainsi, comme représenté sur la figure 2, on peut placer sur chaque axe symétriquement par rapport à O et à l'extérieur des paires de noyaux du magnétomêtre des noyaux de gradientmètre tels que par exemple une paire de noyaux 111 et 112 sur l'axe X, une paire de noyaux 113 et 114 sur l'axe Y, et une paire de noyaux 115 et 116 sur l'axe Z. Là aussi on a représenté que les noyaux des gradientmètres individuels puisque les moyens d'excitation et de mesure, très semblables à ceux du magnétomètre, sont parfaitement connus dans l'art. Dans la réalisation de la figure 2, le magnétométre triaxial est diagonal, c'est à dire qu'il permet de mesurer les gradients sur chaque axe séparément, soit dHx/dx, dHy/dy et dHzldz. On sait qu'il est parfois nécessaire de mesurer d'autres composantes du gradient magnétique, et l'invention permet également de disposer les noyaux d'un gradientmètre de type triaxial uniaxe, comme représenté sur la figure 3, là aussi sans que les mesures de champ et de gradient se perturbent mutuellement. Dans ce mode de réalisation de la figure 3, on utilise pour réaliser le gradientmètre deux noyaux en forme de barreaux 121 et 122 situés sur l'axe X de part et d'autre du centre O à l'extérieur de l'assemblage de noyaux du magnétomètre, de la même manière que sur la figure 2. Par contre, pour l'axe Y les noyaux 123 et 124 sont situés parallèlement entre eux et à l'axe OY dans le plan XOY, symétriquement au centre O et au delà des deux noyaux 121 et 122. De même pour l'axe Z on utilise deux noyaux 125 et 126 parallèles entre eux et à l'axe OZ, dans le plan XOZ symétriquement au centre O et au delà des noyaux 123 et 124. Ce dispositif permet alors de mesurer en plus des composantes Hx,Hy, et Hz du champ, les composantes dHx/dx dHy/dx et dHz/dx du gradient de ce champ autour du centre O. Les deux dispositions de gradientmètre ainsi décrites ne sont pas limitatives, et on peut réaliser toutes combinaisons permettant de mesurer toutes les composantes non diagonales du gradient du champ. La disposition du noyau selon la figure 1 étant totalement symétrique présente le minimum d'encombrement selon les trois axes, c'est à dire pour une géométrie sphérique. Selon l'emplacement disponible dans les réalisations souhaitées, il est parfois utile de sacrifier l'encombrement minimal selon un axe au profit d'un autre, pour obtenir par exemple une disposition cylindrique comme représenté sur la figure 4. Dans cette disposition, on a toujours deux paires de noyaux cylindriques parallèles utilisés simultanément pour obtenir un noyau unique correspondant à l'un des axes du magnétomètre, mais les deux noyaux 143 et 144 de l'axe Y sont sensiblement accolés, cependant que les deux noyaux 141 et 142 de l'axe X sont situés l'un au dessus et l'autre en dessous de cette paire 143/144. Ces deux paires sont situées comme dans les exemples précédents dans les plans YOZ et XOZ. Les deux noyaux 145 et 146 parallèle à l'axe au OZ sont par contre situés dans deux angles tête-bêche délimités par les paires 1411 142, et 143/144, et donc dans un plan passant par l'axe OZ mais décalé de 45" par rapport aux deux plans XOZ et YOZ. Une telle disposition minimise les dimensions transversales selon les axes OX et OY, ce qui permet d'enfiler l'ensemble dans un cylindre 401 d'axe OZ. La configuration ainsi obtenue reste homocentrique, mais elle n'est pas totalement symétrique, ce qui modifie les fonctions de réponse selon les 3 voies et perturbe légèrement l'influence mutuelle entre les noyaux. On peut également utiliser d'autres dispositions toujours homocentriques et non symétriques pour répondre à des contraintes spécifiques sur l'encombrement du dispositif. A titre de variante de réalisation, on peut, comme représenté sur la figure 5, relier magnétiquement les extrémités des deux noyaux de chaque paire à l'aide de shunts magnétiques tels que 501 et 502 qui relient sur cette figure les extrémités des noyaux 101 et 102. La représentation sur la figure correspond à des fils magnétiques qui seraient fixés sur les extrémités de chaque noyau, mais elle peut se faire par toute méthode connu dans l'art pour reboucler un champ magnétique. Une telle réalisation permet d'utiliser un niveau d'excitation plus faible parce qu'il y a moins de pertes magnétiques, et donc d'utiliser pour obtenir cette excitation un modulateur de plus faible puissance, dont la consommation sera donc plus faible. En contrepartie, outre les difficultés de réalisation qui entrainent un coût plus important, on coure le risque de saturer de manière excessive les noyaux en cas d'exposition à un champ à mesurer trop fort, ce qui peut entrainer un effet d'hystérésis amenant à des mesures erronées ultérieures. Enfin si ces différents modes de réalisation sont décrits pour un magnétomètre triaxial, pour lequel l'invention présente le maximum d'avantage, on peut également, dans le cas où l'on n'a besoin que d'un magnétomêtre bi-axial supprimer une paire de noyaux tout en restant dans - xlal su n mrlrrs &commat;, " "w n e le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Magnétomètre homocentrique, du type comprenant au moins deux noyaux magnétiques croisés pour mesurer les composantes du champ magnétique selon au moins deux directions distinctes, et des moyens pour exciter ces noyaux et pour mesurer la variation du flux magnétique dans les noyaux sous l'effet du champ à mesurer, caractérisé en ce que les noyaux correspondant à chaque direction de mesure OX, Y,Z sont dédoublés en paires de noyaux cylindriques (101/102, 103/104, 105/106) et en ce que ces paires sont entrecroisées pour obtenir une disposition homocentrique pour laquelle les perturbations des noyaux entre eux sont minimales. 2. Magnétomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour mesurer les trois composantes du champ magnétique selon trois axes trirectangle OX, Y,Z, il comprend une première paire de noyaux (101,102) parallèles à l'axe OX situés dans le plan X ou Y de part et d'autre de cet axe OX et symétriquement par rapport au centre O, une deuxième paire de noyaux (103,104) identique à la première paire et disposée de la même manière par rapport à l'axe OY dans le plan YOZ, une troisième paire de noyaux (105,106) identique à la première et à la seconde paire et disposée de la même manière par rapport à l'axe OZ dans le plan ZOX, et en ce que les noyaux de la première paire sont placés entre les noyaux de la seconde, les noyaux de la seconde entre les noyaux de la troisième, et les noyaux de la troisième entre les noyaux de la première paire, de manière à ce que l'ensemble des ces noyaux soit totalement symétrique par rapport au centre O où l'on mesure de manière homocentrique le champ magnétique. 3. Magnétomètre selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un ensemble de noyaux supplémentaires (111-116) situés sur les axes de mesure (Ox,y,z) à l'extérieur de l'ensemble du noyau du magnétomètre (101-106) pour mesurer les composantes du gradient du champ magnétique par rapport au centre de mesure (O) de ce champ, sans que les mesures de champ et les mesures de gradient ne se perturbent mutuellement. 4. Magnétomètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que les noyaux supplémentaires (111-116) sont disposés deux à deux longitudinalement sur les axes de mesures et symétriquement par rapport au centre de mesure (O) pour obtenir un gradientmètre triaxial uniaxe. 5 - Magnétomètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que les noyaux supplémentaires comprennent deux premiers noyaux (121,122) disposés sur l'un des axes de mesure (OX), longitudinalement sur celui-ci et symétriquement par rapport au centre de mesure (O), deux autres noyaux (123,124) disposés sur cet axe de mesure perpendiculairement à celui-ci et parallèlement à l'un des autres axes de mesure (Y) à l'extérieur des premiers noyaux supplémentaires, et deux derniers noyaux supplémentaires (125,126) situés sur cet axe de mesure (OX) perpendiculairement à celui-ci et parallèlement au dernier axe de mesure (OZ) à l'extérieur des deux autres noyaux supplémentaires et symétriquement par rapport au centre de mesure, pour obtenir un gradientmètre triaxial uniaxe par rapport à l'axe de mesure du gradient. 6 - Magnétomètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les extrémités des paires de noyaux (101-106) sont fermés par des shunts magnétique (501,502) pour augmenter la sensibilité de mesure du magnétomètre. 7 - Magnétomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour mesurer les trois composantes du champ selon trois axes trirectangles X,Y,Z qui comprend une première paire de noyaux (141,142) parallèles à l'axe OX situé dans le plan XOY de part et d'autre de l'axe OX et symétriquement par rapport au centre O, une deuxième paire de noyaux (143,144) parallèles à l'axe OY situés dans le plan YOZ de part et d'autre de l'axe OY et symétriquement par rapport à l'axe O en étant rapprochés l'un de l'autre et placé entre les deux noyaux de la première paire, et une troisième paire de noyaux (145,146) parallèles à l'axe OZ et situés dans un plan passant par cet axe OZ et bissecteur des angles YOZ et placés de part et d'autre de l'axe OZ symétriquement par rapport au centre de mesure P; ; cette disposition permettant de minimiser l'encombrement en largeur pour pouvoir placer l'ensemble du magnétomètre dans un cylindre (401).