Brevet FR2777401A1 — publié le 19991015

La présente invention concerne un procédé et un dispositif autonome de télétransmission, qui utilisent un ouvrage métallique enterré comme ligne de transmission. Le domaine technique de l'invention est celui de la transmission électrique d'informations par conducteur. L'application principale de l'invention est la réalisation d'un dispositif de télérégulation à installer le long d'une canalisation métallique enterrée. Il peut s'agir par exemple d'un dispositif de télérégulation du courant soutiré par un poste de soutirage, qui effectue en temps réel des mesures de la tension de polarisation cathodique en bout de canalisation, et les ramène au niveau du poste de soutirage en utilisant cette même canalisation comme ligne de transmission, ce qui permet d'ajuster la puissance du soutirage aux conditions extérieures. Actuellement, il existe différents systèmes autonomes de transmission d'informations sur ouvrage métallique enterré, dont celui qui est décrit dans la demande de brevet PCT 9731438. Ce système, qui ne fonctionne qu'en présence d'un poste de soutirage, utilise la puissance de ce dernier, disponible dans toute la zone protégée contre la corrosion par ce soutirage, pour émettre des informations, qui sont récupérées de préférence au niveau du poste de soutirage lui-même: Pour émettre, les émetteurs contrôlent la mise en court-circuit d'un pont électrique placé entre l'ouvrage métallique et une prise de terre quelconque, ce qui provoque le passage d'un courant, s'écoulant toujours de la prise de terre vers l'ouvrage métallique, dont la variation est porteuse des informations à transmettre. Ce système présente l'inconvénient majeur d'exiger des périodes de repos de la prise de terre, utilisée en tant que demi-pile cathodique, pour éviter une polarisation rapide. Cette restriction interdit un asservissement en temps réel permanent, par exemple du courant soutiré en fonction de la tension de polarisation cathodique au bout de l'ouvrage, car il faudrait alors changer ou réactiver régulièrement les prises de terre, et le système ne pourrait plus alors être qualifié d'autonome. Un autre système, décrit dans la demande de brevet FR2097265, utilise des anodes sacrificielles (qui s'oxydent lorsqu'on les utilise) pour alimenter des répéteurs (donc émetteurs). La durée de vie des émetteurs est limitée ici à la durée de vie des anodes sacrificielles, ce qui n'est acceptable que si ces anodes sont installées initialement pour assurer la protection cathodique de l'ouvrage (l'exploitant est de toutes façons forcé de venir changer les anodes). Cependant, la plupart des ouvrages métalliques enterrés sont protégés par soutirage, voire non protégés du tout (ouvrages en fonte), et un tel système de télétransmission ne peut alors, lui aussi, être qualifié d'autonome si il émet en permanence, oxydant rapidement ses anodes. En outre, il risque de ne pas fonctionner en présence d'un soutirage, qui peut abaisser le potentiel de l'ouvrage en dessous de celui de l'anode. -2- Le problème posé est donc de réaliser un dispositif autonome de télétransmission, utilisant un ouvrage métallique enterré quelconque comme ligne de transmission, et dont les émetteurs peuvent émettre en permanence sans user la prise de terre (au sens large) qu'ils utilisent pour émettre; leur courant d'émission doit donc être nul en moyenne. Le procédé de télétransmission selon l'invention, utilisant un ouvrage métallique enterré comme ligne de transmission des informations, à partir d'au moins un émetteur relié audit ouvrage et à une prise de terre, et reconnues par au moins un récepteur relié également plus loin à ce même ouvrage, résout le problème posé. Il en est de même pour tout dispositif mettant en oeuvre ledit procédé. Selon l'invention, on reste dans le prolongement de l'état de l'art actuel, en ce qu'on utilise une source d'énergie électrique extérieure aux émetteurs pour les alimenter en énergie et pour émettre des signaux électriques, et en ce que ces derniers émettent dans la bande passante de l'ouvrage métallique (fréquences inférieures à 10 OHz en général, si on désire émettre sur plusieurs dizaines de kilomètres). Cependant, par construction, les émetteurs selon l'invention, connectés entre l'ouvrage métallique et une prise de terre, ne laissent passer aucun courant continu susceptible d'oxyder ou de polariser ladite prise de terre, qui ne sert donc ni de cathode ni d'anode: on place en effet toujours au moins un condensateur sur le passage du courant circulant dans l'émetteur entre ladite prise de terre et ledit ouvrage. On comprend alors que la seule énergie électrique utilisable par ledit émetteur pour émettre et éventuellement s'alimenter est forcément alternative; et sur les ouvrage enterrés, l'énergie alternative s'appelle le "bruit". Les émetteurs selon l'invention utilisent donc le bruit alternatif, naturellement présent sur une canalisation enterrée, en milieu habité. Le "bruit" à 50Hz (ou 60Hz) dû au transport et à la distribution d'énergie électrique est généralement dominant, mais il peut être couvert, à proximité des soutirages, par le bruit dû aux redresseurs desdits soutirages (1 00Hz généralement). On remarque au passage que ces fréquences sont grandes devant les fréquences utilisées en transmission de signaux sur conduite enterrée. Soient Umoy la différence de potentiel moyenne existant entre la prise de terre et l'ouvrage métallique, Umax la différence de potentiel maximale et Umin la différence de potentiel minimale. Ces trois valeurs sont différentes en présence d'un bruit alternatif Soit I le courant passant de la prise de terre vers l'ouvrage via le dispositif émetteur. Dans la suite du raisonnement, on dira que le condensateur chargé sous Umax est "chargé", et "déchargé" quand il est chargé sous Umin. Cette convention s'applique que les différentes tensions soient positives ou négatives, et, en particulier, que le potentiel de la prise de terre soit en moyenne supérieur ou inférieur à celui de -3- l'ouvrage métallique. Si, au moyen d'un dispositif adapté, on empêche le courant I d'être négatif (par exemple au moyen d'une diode), il sera globalement positif tant que le condensateur ne sera pas chargé sous la tension Umax (moins les éventuelles pertes dues au seuils de diodes, etc.). Si on lui interdit ensuite d'être positif, il sera globalement négatif jusqu'à ce que le condensateur se "décharge" jusqu'à Umin. Chaque changement de la consigne "sens du courant" provoquera donc une impulsion de courant, positive ou négative. Si le temps de charge du condensateur, ainsi que la durée de ladite consigne, sont grands devant la période maximale des bruits alternatifs (20 millisecondes), l'impulsion créée pourra facilement être différenciée du bruit environnant. Le procédé selon l'invention se décompose principalement en un procédé d'émission selon l'invention, un procédé d'alimentation des dispositifs selon l'invention, et un procédé de récupération des informations émises. Dans son expression la plus simple, le procédé d'émission selon l'invention est donc le suivant: on place au moins un condensateur entre une prise de terre et l'ouvrage métallique, et, par un moyen adapté (sorte de diode réversible), on interdit alternativement au courant de charge du condensateur d'être positif puis négatif, ce qui provoque des impulsions de courant successivement en moyenne négatives puis positives, correspondant à des décharges et charges successives dudit condensateur (au maximum jusqu'à Umin ou Umax). Selon l'invention cependant, tout moyen permettant de gêner alternativement plus le passage du courant dans un sens plutôt que dans l'autre est utilisable: le renversement périodique de la consigne provoquant toujours des impulsions de courant de valeur moyenne soit positives soit négatives. Selon l'invention, on peut moduler l'amplitude des impulsions en déséquilibrant plus ou moins le passage du courant (I); il est alors possible de générer des formes d'ondes basse fréquence plus complexes qu'un simple signal carré: en particulier, selon l'invention, on peut générer des signaux ressemblant plus à une sinusoïde. Selon l'invention, on utilise donc l'énergie potentielle du bruit alternatif pour émettre des signaux sur l'ouvrage, ce qui permet à un émetteur mettant en oeuvre le procédé d'émission d'émettre en permanence tout en étant autonome. On veille à ce que la fréquence de répétition soit dans la bande passante de l'ouvrage métallique, ce qui garantit que, au niveau du récepteur des signaux, on retrouve au moins la fréquence fondamentale du signal émis. Selon l'invention, on pourra utiliser toute modulation permettant de coder les mesures ou informations à transmettre. En particulier, dans le cas d'un dispositif de télérégulation de la tension de polarisation cathodique, on pourra se contenter d'un codage par modulation de fréquence (la fréquence fondamentale f0 correspondant à une tension de polarisation optimale), qui sera suivie en permanence, au niveau du soutirage, par un détecteur de -4- phase (cadré sur la fréquence f0). Le système de régulation pourra par exemple s'efforcer de stabiliser la phase du signal reçu en agissant sur le courant soutiré. On remarque que la prise de terre de l'émetteur est le cas échéant traversée en permanence par un courant alternatif L'électrolyse qui en découle assèche les abords de ladite pnrise de terre, la rendant de moins en moins performante par temps sec. Selon l'invention, on privilégie donc les prises de terre occupant le plus grand volume de terre possible: grille ou fil de cuivre enterré par exemple (le cuivre résiste bien à la corrosion), piquet métallique fmin mais très profond (la terre la plus profonde étant souvent la plus humide), ou encore électrode en graphite noyée dans un mélange de terre et de graphite (technique connue par ailleurs pour réaliser de bons ballasts pour poste de soutirage). Toujours selon l'invention, on peut recouvrir la prise de terre d'un "paillage" limitant l'évaporation de l'eau sans gêner l'évacuation des gaz produits par électrolyse (essentiellement hydrogène et oxygène). Pour des raisons de sécurité, on veille à ce que lesdits gaz ne puissent jamais être bloqués par une couche étanche (goudron, film plastique, etc.). Selon le procédé d'alimentation des dispositifs émetteurs, on peut utiliser des piles, qui peuvent garantir un fonctionnement autonome de longue durée, étant donné que la puissance nécessaire à la transmission des signaux est fournie par le bruit. On peut de façon plus élégante utiliser le bruit lui-même, facilement transformable en tension continue, via par exemple un transformateur et un pont de diodes suivi d'un condensateur de lissage et d'un régulateur de tension. On sait qu'une carte émetteur à base de microcontrôleur peut facilement consommer moins de 100 micro-ampères (diode réversible à base de composants MOS comprise), alors que le courant nécessaire pour émettre un signal raisonnable sur une canalisation enterrée est de l'ordre de quelques dizaines de milliampères la plupart du temps: ledit transformateur d'alimentation de l'émetteur pourra donc être placé en série avec le condensateur principal, et en parallèle avec la "diode réversible". Il ne dégradera que peu ses performances, et disposera toujours au moins des demi-alternances de bruit non court-circuitées par ladite diode réversible. Eventuellement, un petit condensateur de découplage sera mis en série avec ledit transformateur, pour optimiser le rendement de l'ensemble. On peut aussi placer ledit transformateur (en série avec son condensateur de découplage) directement entre la prise de terre et l'ouvrage métallique. Selon l'invention, on peut alimenter les dispositifs récepteurs avec une pile, voire un branchement sur secteur (220V alternatif par exemple), voire encore sur une ligne téléphonique. En effet, un récepteur de télétransmission sur ouvrage enterré est généralement installé là o on dispose d'une source d'énergie et/ou d'une ligne téléphonique; le dispositif de télétransmission complet ainsi obtenu peut dans ce cas encore être qualifié d'autonome. Selon le procédé de récupération des informations émises, on pourra utiliser tout récepteur -5- de signaux sur ouvrage métallique adapté au système de codage. La demande de brevet W09731438 sus-mentionnée décrit toutes sortes de procédés de codage des informations émises et de récupération de ces dernières, qui sont tout à fait utilisables dans le cadre de cette invention, d'autant que selon les deux inventions, les émetteurs émettent à basse fréquence et en courant. En outre, si un émetteur émet des informations modulées en fréquence autour d'une fréquence fO, on peut, au niveau du récepteur, transformer le potentiel de l'ouvrage par rapport à la terre (ou le courant passant dans l'ouvrage) en valeur numérique, puis effectuer une démodulation quadratique centrée sur fO. L'évolution du déphasage donne alors la valeur des informations transmises. Les figures I et 2 ci-après représentent un schéma simplifié et une courbe permettant d'expliquer le procédé de fonctionnement de dispositifs selon l'invention, et la figure 3 est un exemple de réalisation d'un tel dispositif, qui n'a aucun caractère limitatif: d'autres réalisations sont possible dans le cadre de cette invention, telles qu'un homme de l'art connaissant l'électronique serait capable de les réaliser. La figure 1 est une représentation d'un dispositif mettant en oeuvre le procédé d'émission selon l'invention. Il est connecté entre une prise de terre (1) d'impédance apparente (2) (généralement résistance d'une trentaine d'ohms) et un ouvrage métallique enterré (7). (LU) est la différence de potentiel à vide entre la prise de terre (1) et l'ouvrage (7) et (Vc) la tension aux bornes du condensateur (3). (5) et (6) représentent deux moyens pour bloquer respectivement le passage du courant (1) dans un sens ((I) ne peut être négatif) ou l'autre ((I) ne peut être positif), en fonction de l'état d'une commande (4). (4), (5) et (6) représentent en fait une diode réversible, en série avec le condensateur (3). La figure 2 représente les courbes de (U) et (Vc) en fonction du temps, et de la position de (4). (U) est constitué d'une composante continue (Umoy), positive dans le cas o l'ouvrage métallique est protégé contre l'oxydation par soutirage, et la prise de terre "normale". Une composante alternative (de fréquence pure pour simplifier, mais dans le cas général plus complexe) se superpose à cette tension (Umoy), et amène périodiquement la tension (U) à varier entre (UJmin) et (IJmax). En début de courbe, on positionne (4) de façon à ce que le courant (1) ne puisse qu'être positif: chaque fois que le potentiel (t) devient supérieur au potentiel (Vc), un courant (I) passe, chargeant le condensateur (3). La constante de temps du condensateur (3) en série avec (2) et (5) étant par construction très grande devant la période minimale (Tb) du bruit alternatif dominant (50Hz), la charge de (3) n'attemind sa valeur limite sous (Umax) qu'après un certains nombre de périodes du bruit, temps durant lequel le courant est en moyenne positif (et instantanément alternativement positif ou nul). Au bout d'un temps (T/2), idéalement inférieur au temps de charge complet de (3) à (UImax), on inverse la position de (4), ce qui provoque la décharge de (3) chaque -6- fois que (U) est inférieur à (Vc). Avant que (Vc) n'atteigne (Umin), on inversera de nouveau la position de (4)(au temps (T), qui correspond à la période du signal "carré" que l'on désire émettre ici). Le cycle peut alors recommencer. On conçoit que l'on peut émettre à pratiquement toutes les fréquences, du moment que la durée minimale (T/2) de chaque impulsion de courant est grande devant la période maximale (ici (Tb)) du bruit sinusoïdal dominant. Une règle pratique consiste à veiller à ce que chaque impulsion ait une durée grande devant 20 millisecondes (50Hz). Les fréquences très basses réclameront un condensateur (3) de valeur suffisante pour ne pas être complètement chargé en un temps inférieur à (T/2), au risque de dégrader le rendement de la transmission (trop de puissance dans les harmoniques, absorbés par l'ouvrage). La figure 3 représente une possibilité de réalisation d'un dispositif émetteur (10) selon l'invention, dont la particularité est de ne pas utiliser de diodes, pour limiter au minimum les effets de seuil. 1l est relié à une prise de terre (1) et à l'ouvrage métallique (7) servant de ligne de transmission. Le dispositif de protection (I l) comprend par exemple un éclateur associé à une diode transil pour limiter la tension aval à une valeur compatible avec la plage de tensions maxima que supportent le condensateur (3), l'interrupteur (16), le condensateur de découplage (20), le transformateur (15) associé au régulateur (13), ainsi que les entrées du comparateur (18). Le générateur de signal carré (17), génère ici un signal de période fixe ( ): l'émetteur en question est donc juste capable ici de dire qu'il est présent, ce qui en soi est déjà une information digne d'être transmise. La période (T) est généralement de l'ordre de 500 millisecondes, correspondant à une fréquence d'émission courante sur conduite enterrée (2Hz). Chaque impulsion, de durée (T/2)=250millisecondes, est très grande devant les 20ms correspondant à la fréquence minimale du bruit significatif sur la plupart des ouvrages (50Hz). La sortie (Inv) de (17) transforme la porte ou exclusif (19) en simple amplificateur (Inv=0) ou en inverseur (nv=l 1). Quand (Inv=0), une tension (Vint) aux bornes de (16) positive provoque l'ouverture de (16), et une tension (Vint) négative provoque la fermeture de (16) (ce qui ne va cependant pas complètement annuler (Vint), (16) étant tout de même un peu résistif): l'ensemble (16), (18) et (19) se comporte alors comme une diode, ne laissant passer qu'un courant (I) négatif. Quand (nv=l 1), le comportement est inversé, et (16),(18) et (19) ne laissent passer qu'un courant () positif En fait, (16),(18) et (19) forment une diode réversible sans seuil (mis à part l'hystérésis de (18)) commandée par (17), modulateur de (10). Quand (Inv=0), le transformateur (15) en série avec (20) récupère dans son primaire une tension alternativement quasiment nulle ((16) fermé) puis positive, égale à (U-Vc) (figure 2). Quand (Inv=l), le transformateur (15) en série avec (20) récupère dans son primaire une tension alternativement quasiment nulle ((16) fermé) puis négative, égale à (U-Vc) (figure 2). -7- Seul le bruit alternatif résultat passe à travers (20), qui évite ainsi au transformateur (15) de court-circuiter (16) dans les fréquences très basses. Ledit bruit est alors transformé par (15), puis redressé, filtré et régulé par (13), qui génère alors une alimentation stabilisée très faible courant (entre la borne positive (12) et négative (14)). (12) et (14) alimentent les circuits actifs (18), (17) et (19). Pour détecter la présence de l'émetteur (10) plus loin sur le même ouvrage (7), il suffit, selon l'invention, de disposer à cet endroit d'un récepteur connecté à une prise de terre et audit ouvrage (7), et comprenant: - un filtre analogique passe bande centré sur la fréquence fondamentale du signal carré émis (1/T), et filtrant la différence de potentiel existant entre ledit ouvrage (7) et ladite prise de terre, - un convertisseur analogique numérique permettant à un calculateur de chercher la présence de la fréquence (1/T) à la sortie dudit filtre passe-bande, - ledit calculateur, effectuant une transformation de Fourier discrète et vérifiant si la raie spectrale à (/T) est supérieure aux autres, et, le cas échéant, que la phase de ladite raie ne change pas d'une transformation de Fourier à l'autre, - une lampe commandée par le dit calculateur, s'allumant dès que l'émetteur n'est plus visible, permettant d'en conclure que la continuité électrique de l'ouvrage n'est plus assurée (ou que l'émetteur n'est plus en mesure d'émettre). -8- REVENDICATIONS 1) Procédé de télétransmission utilisant un ouvrage métallique enterré (7) comme ligne de transmission des informations, à partir d'au moins un émetteur (10) relié audit ouvrage (7) et à une prise de terre(l), et reconnues par au moins un récepteur relié également plus loin à ce même ouvrage (7), caractérisé en ce que: - on place toujours au moins un condensateur (3) sur le passage du courant (1) circulant dans l'émetteur (10) entre ladite prise de terre (1) et ledit ouvrage (7), ledit courant (1) ne comportant alors aucune composante continue susceptible d'oxyder ou de polariser ladite prise de terre (1), qui ne sert donc ni de cathode ni d'anode, - par un moyen se comportant comme une diode réversible (4,5 et 6 ou 16,18 et 19) plus ou moins parfaite, et en fonction des informations à transmettre par ledit émetteur (10), on bloque ou limite plus alternativement le passage du courant de charge (1) dudit condensateur (3) soit dans le sens positif, soit dans le sens négatif, pour une durée (T/2) grande devant la période (Tb) du bruit alternatif dominant, au maximum égale à 20 millisecondes, et dans la bande passante de l'ouvrage (7), ce qui, en présence dudit bruit, provoque l'apparition d'impulsions de courant (1) respectivement en moyenne négatives et en moyenne positives, détectées et interprétées plus loin sur le même ouvrage (7) par ledit récepteur, - on utilise donc l'énergie potentielle du bruit alternatif pour émettre des signaux sur ledit ouvrage (7),ce qui permet audit émetteur (10) d'émettre en permanence tout en restant autonome, et donc de pouvoir être installé en tout point de l'ouvrage (7). 2) Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'on utilise l'énergie potentielle du bruit alternatif pour alimenter ledit émetteur (10), au moyen d'un transformateur (15) éventuellement mis en série avec un condensateur de découplage (20). 3) Dispositif utilisant un ouvrage métallique enterré (7) comme ligne de transmission des informations, à partir d'au moins un émetteur (10) relié audit ouvrage (7) et à une prise de terre (1), et reconnues par au moins un récepteur relié également plus loin à ce même ouvrage (7), caractérisé en ce que ledit émetteur comprend au moins un condensateur (3) en série avec un dispositif faisant office de diode réversible (16, 18,19) commandé par un dispositif (17) générant des impulsions de largeur (T/2) grandes devant 20 millisecondes (Tb). 4) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le dispositif émetteur (10) comprend un transformateur (15) éventuellement lui-même en série avec un condensateur de découplage (20), ledit transformateur (15) étant destiné à alimenter l'émetteur (10), via un dispositif de redressement, filtrage et régulation (13).