Brevet FR2783920A1 — publié le 20000331

La présente invention est relative à un procédé pour réaliser des profilés verticaux de la mesure d'au moins une grandeur caractéristique d'une masse d'eau marine, à l'aide d'une sonde plus légère que l'eau et équipée d'un capteur de mesure de ladite grandeur, procédé du type suivant lequel, a) on coule ladite sonde sur le fond marin par lestage, b) on commande la remontée de la sonde et l'activation du capteur pour l'enregistrement de la mesure de ladite grandeur au long de la colonne d'eau traversée par la sonde jusqu'à la surface de la masse d'eau, et c) on commande une transmission des mesures relevées vers un centre d'exploitation de ces mesures. La présente invention est aussi relative à un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé et à une sonde formant partie de ce dispositif. On connaît un tel procédé la demande de brevet PCT n WO 96/29597 du 20 Mars 1996 déposée au nom de BRIO, demande désignée ci-dessous sous le nom de "demande de brevet de référence". La demande de brevet de référence est relative à un procédé et à un dispositif pour réaliser des profils verticaux de mesures de grandeurs caractéristiques d'une masse d'eau marine et transmettre les données recueillies à un centre de traitement, et plus particulièrement à un tel procédé et à un tel dispositif faisant appel à des sondes plus légères que l'eau parquées sur le fond de la mer, équipées de capteurs de mesure sensibles auxdites grandeurs. Elle a pour but général de proposer un moyen performant, facile à mettre en oeuvre et économique pour réaliser des observations in situ de surveillance opérationnelle de l'évolution des caractéristiques d'une masse d'eau marine, parfois en complément d'autres dispositifs d'observation. Le domaine intéresse la recherche scientifique, la météorologie, la navigation maritime, la défense, la pêche. La présente invention perfectionne le procédé et le dispositif décrits dans la demande de brevet en référence, de manière à (1) améliorer les performances du dispositif, (2) accroître sa facilité de mise en oeuvre, (3) réduire son prix de revient. Arrière-plan de l'invention Les solutions techniques décrites dans la demande de brevet de référence présentent les limitations suivantes: (1) un effet de sillage altère les performances de mesure des capteurs: comme ceux-ci sont situés à l'arrière de la sonde, le flux d'eau qui les intéresse est modifié par le déplacement de la sonde, (2) le liquide de référence contenu dans une membrane souple, est, pendant le parcage au fond, soumis aux hautes pressions du milieu. Or, ses caractéristiques dépendent de la pression, ce qui complique les procédures d'étalonnage des capteurs; surtout, la loi de correspondance qui relie ces caractéristiques à la pression de stockage est mal connue, (3) la solution technique proposée dans la demande de brevet en référence comporte des difficultés de réalisation industrielle importantes et un coût élevé: - nombreuses pièces, - étanchéités difficiles entre pièce d'antenne et corps de sonde, entre pièce porte-capteurs et ce même corps, entre capsule de confinement et corps de sonde, -mécanisme de séparation relativement complexe, (4) les dimensions et le poids d'une sonde sont grevés par divers facteurs, en particulier: corps non optimisé pour résister à la pression, pièce d'antenne lourde, utilisation de matériaux de flottabilité à mousse syntactique de densité élevée (>0,55), ce qui réduit les facilités de mise en oeuvre, en particulier par avion. La présente invention a donc pour but de remédier aux inconvénients identifiés ci-dessus. On atteint ce but de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront dans la suite de la présente description, avec un procédé pour réaliser des profilés verticaux de la mesure d'au moins une grandeur caractéristique d'une masse d'eau marine, à l'aide d'une sonde plus légère que l'eau et équipée d'un capteur de mesure de ladite grandeur, du type suivant lequel, a) on coule ladite sonde sur le fond marin par lestage, b) on commande la remontée de la sonde et l'activation du capteur pour l'enregistrement de la mesure de ladite grandeur au long de la colonne d'eau traversée par la sonde jusqu'à la surface de la masse d'eau, et c) on commande une transmission des mesures relevées vers un centre d'exploitation de ces mesures, ce procédé étant remarquable en ce que, à l'étape a), on coule la sonde avec le capteur disposé du côté d'une extrémité de celle- ci qui est orientée vers le fond marin, et en ce que, à l'étape b), on commande un basculement de la sonde, à la remontée de celle-ci, de manière que ledit capteur soit alors tourné vers la surface de l'eau. Pour la mise en oeuvre de ce procédé, l'invention fournit un dispositif comprenant une sonde plus légère que l'eau et équipée d'au moins un capteur de mesure d'une grandeur caractéristique d'une masse d'eau marine, d'une capsule de protection dudit capteur et d'un lest raccordé à ladite capsule de protection, caractérisé en ce que ladite capsule de protection prend la forme d'une enceinte étanche résistante à la pression hydrostatique, la paroi de ladite enceinte étant équipée d'un bouchon électrolysable à ouverture commandée électriquement pour obtenir la séparation de la capsule de protection et de la sonde et la remontée subséquente de celle-ci sous l'effet de la poussée d'Archimède qu'elle reçoit. Suivant l'invention, la sonde formant partie de ce dispositif comprend au moins un capteur d'une grandeur caractéristique d'une masse d'eau marine, des moyens électroniques de traitement d'un signal émis par ledit capteur, une antenne alimentée par lesdits moyens pour émettre des signaux radioélectriques représentatifs dudit signal, et des moyens propres à donner une flottabilité positive à ladite sonde, caractérisée en ce que ledit capteur est porté par un organe allongé traversant un corps creux rigide constituant à la fois lesdits moyens de flottabilité et un moyen de support dudit organe, ledit capteur étant extérieur audit corps creux alors que lesdits moyens électroniques et l'antenne sont intérieurs à ce corps. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel: la Fig. 1 est un plan en coupe d'un ensemble sonde- capsule de protection, faisant partie du dispositif suivant l'invention, la Fig.2 est une vue en élévation de ce dispositif, immédiatement après sa mise à l'eau, les figures 3a et 3b illustrent le fonctionnement de taquets formant partie du dispositif selon l'invention, et la Fig. 4 représente schématiquement la suite des mouvements d'une sonde selon l'invention, depuis son immersion jusqu'à sa remontée à la surface de l'eau. Description de l'invention. Le dispositif objet de la présente invention se compose d'une sonde, d'une capsule de protection et d'un harnais d'assemblage temporaire de ladite sonde et de ladite capsule. La sonde se compose (Fig. 1): d'un corps 1 contenant des moyens électroniques 2 et d'un organe allongé tel qu'une tige de liaison 3 portant elle-même des capteurs des grandeurs à mesurer (température, salinité, pression hydrostatique, etc...), référencées globalement 4. Une antenne radioélectrique 7 est disposée dans le corps 1 et/ou dans la tige de liaison 3. Le corps 1 se présente sous la forme d'un réservoir étanche et résistant à la pression de parcage des sondes. De forme sphérique (ou éventuellement ovoïde), il est réalisé en verre borosilicate ou dans une matière isolante et transparente aux ondes radio. Il est constitué par l'assemblage de deux demi-coquilles, selon un procédé classique pour ce type d'application (colle silicone et ruban adhésif). En son centre, une des demi- coquilles comporte un bossage percé d'un trou 20. Le corps 1 contient des moyens électroniques constitués d'une batterie, d'une horloge, d'un programmateur, d'une mémoire morte, d'une électronique "capteurs", d'un convertisseur analogique/numérique, d'un microprocesseur, d'une mémoire de données, d'un codeur- émetteur radiofréquence raccordé à l'antenne radioélectrique, ces moyens étant conformes à ceux décrits dans la demande de brevet de référence. Ils assurent le traitement des signaux délivrés par les capteurs et leur conversion en signaux radioélectriques émis par une antenne, pour la transmission de ces signaux comme décrit également dans cette demande de brevet. La tige de liaison 3 est fixée sur le corps 1, à travers un trou 20 traversant sa paroi, par assemblage étanche à vis-écrou serrant un joint d'étanchéité torique 21: la tige de liaison 3 est filetée sur une partie de sa longueur pour être assemblée par serrage de l'écrou 6 (Fig. 1) sur le corps 1, le passage étant rendu étanche par pressage d'un autre joint torique 5. Les capteurs 4 sont reliés aux moyens électroniques 2 par des conducteurs moulés dans la tige de liaison 3, de façon à réaliser une traversée étanche. Le corps 1 et la tige de liaison 3 servent de structure mécanique pour l'ensemble des organes de la sonde. Les éléments rayonnants de l'antenne radioélectrique 7 sont disposés dans le corps 1 et/ou la tige de liaison 3 de façon à rayonner dans l'hémisphère défini par les capteurs, selon un diagramme optimisé pour la liaison recherchée. Ces éléments peuvent être réalisés soit sous forme de réseau imprimé sur support hémisphérique disposé autour de la tige de liaison 3 et plaqué à l'intérieur de la demi-sphère supérieure du corps 1, soit sous forme de fouet contenu dans la tige elle-même, complété par un plan de sol disposé à l'équateur du corps 1. Le dimensionnement du corps 1 (diamètre, épaisseur, matériau) résulte de deux impératifs principaux: (1) la flottabilité de la sonde en eau de mer doit être au moins égale au double de son poids, pour assurer une émersion suffisante en surface pour permettre un rayonnement d'antenne convenable, (2) son diamètre doit permettre de placer une antenne de dimensions aussi proches que possible du quart d'onde, soit 17 cm à 400 Mhz. La batterie, les organes électroniques et éventuellement un lest sont disposés dans le corps 1 de façon à placer centre de gravité et centre de poussée sur l'axe de symétrie de la sonde équipée, le centre de poussée étant situé entre les capteurs et le centre de gravité, de façon à conférer à la sonde libre une grande stabilité hydrostatique, capteurs 4 et antenne 7 vers le haut comme on le verra plus loin, tant en immersion qu'en surface. Sur la figure 1, il apparaît que l'extrémité de la tige 3 qui sort du corps 1 est enveloppée par une capsule 8 de protection et de confinement. La capsule 8 est conçue pour assurer l'étanchéité et résister à la pression de parcage au fond. De forme quelconque, sphérique par exemple, elle est réalisée dans un matériau conçu pour assurer une très bonne étanchéité à toute contamination de l'extérieur (eau de mer) vers l'intérieur. Comme le corps 1 de la sonde, elle comporte un bossage percé d'un trou pour le passage de la tige de liaison 3. L'étanchéité entre la capsule 8 et la tige de liaison 3 est assurée par pressage d'un joint torique d'étanchéité 5' entre ces deux organes. Un second orifice, percé selon une radiale à 30 environ de l'axe du premier, reçoit un bouchon 10 à ouverture commandée électriquement par une minuterie 11 (voir Fig. 2). L'ouverture de cet orifice met en équipression l'extérieur et l'intérieur de la capsule 8. Elle est obtenue par électrolyse d'un bouchon en Inconel, selon un procédé utilisé couramment pour ce type d'application. La capsule 8 est remplie aux deux tiers environ de son volume par un liquide de référence 9, selon une disposition décrite dans la demande de brevet de référence. Au moment de sa mise à l'eau, le dispositif suivant l'invention comprend (Fig. 2): une sonde et sa capsule 8 de confinement, un harnais constitué d'une bâche 12 épousant en forme le haut du corps de sonde 1, d'une bâche équipée 13 épousant en forme la capsule 8, et d'un sanglage 14. Un orin 15 est maillé sur la bâche équipée 13 et relié à un corps mort 16. Dans certaines applications, on pourra intégrer un lest dans la capsule de confinement et supprimer l'orin 15, le corps mort 16 et leurs fixations sur la bâche 13. Sur la bâche équipée 13 sont disposés de place en place des taquets à ressorts 17 (voir Fig. 3a et 3b) dans lesquels passe le sanglage 14. Les taquets 17 sont maintenus fermés (Fig. 3a) par un câble de ceinture 18 tendu et fermé par un largueur à pression 19 (voir Fig. 2). Au montage, le corps de sonde 1 et la capsule de confinement 8 sont tenus l'un contre l'autre par le harnais ainsi constitué et pressés l'un contre l'autre par mise en tension du sanglage 14. L'ensemble du dispositif est mis à l'eau dans cette configuration; il est conçu pour résister aux chocs de manutention et de mise à l'eau. Etant plus lourd que l'eau, il s'enfonce; lorsque la pression atteint la valeur de consigne du largueur à pression 19, soit quelques dizaines de mètres, celui-ci libère le câble de ceinture 18, - les taquets 17 s'ouvrent (Fig. 3b) sous l'action de leurs ressorts, - le sanglage 14 est libéré, ainsi que la bâche 12. Ces derniers, plus légers que l'eau, remontent en surface. Le mouillage d'une base de réalisation de profils verticaux de mesures en un lieu donné est réalisé par mises à l'eau successives de plusieurs dispositifs selon l'invention à partir d'un navire ou d'un aéronef en route (Fig.4a). Chaque station s'enfonce ensuite, sous l'effet de son poids (Fig. 4b). Sous quelques dizaines de mètres d'eau, la bâche 12 se détache du reste du dispositif (Fig. 4c). Ce dernier se pose en position de parcage sur le fond (Fig. 4d). Sur ordre commandé par la minuterie 11, le bouchon 10 se dissout par électrolyse et met en communication l'intérieur et l'extérieur de la capsule 8. Aucune force de pression ne s'opposant plus à la poussée hydrostatique exercée sur la sonde, celle-ci s'extrait de la capsule 8 (Fig. 4e); l'électronique est activée. Immédiatement après, la sonde se retourne, sous l'effet des forces hydrostatiques et de gravité (Fig. 4f). (Nota : on peut profiter de ce retournement pour décharger le corps de sonde des salissures provenant des hautes couches de l'océan, susceptibles d'altérer la pesée et le Cx de la sonde pendant sa remontée). Elle poursuit ensuite son ascension jusqu'à la surface en réalisant le cycle programmé de collecte de données (Fig. 4g). Après arrivée en surface, détectée par les capteurs, la transmission radioélectrique des données enregistrées commence (Fig. 4h). La préparation et le montage au laboratoire et en atelier du dispositif suivant l'invention s'opère de la manière suivante: (1) on remplit la capsule 8 au laboratoire et dans une atmosphère inerte et stérile, avec le liquide de référence 9, le bouchon électrolysable étant en place, (2) on met en place le joint torique 5 et la tige de liaison 3; on exerce une pression sur le joint pour assurer son étanchéité soit par un outillage ad hoc, soit en mettant en dépression l'intérieur de la capsule 8. Cette dépression peut elle-même être obtenue soit par pompage de vide à travers un perçage longitudinal (non représenté) de la tige de liaison 3 et fermé par une vis-pointeau (non représentée) soit pas effet ventouse (chauffage puis refroidissement du liquide contenu dans la capsule 8, soit enfin par montage sous vide de l'ensemble; la solution retenue dépend du compromis qualité/coût répondant au type d'application recherché. Les capteurs 4 étant ainsi protégés, on peut stocker capteurs et capsule 8. En préparant la campagne de mouillage de la station, on monte la tige de liaison 3 sur la demi-coquille percée du corps de sonde, en assurant l'étanchéité par joint et serrage vis-écrou, puis on monte les moyens électroniques 2 et on ferme le corps de sonde. On termine enfin par le montage du harnais décrit ci-dessus, destiné à protéger l'ensemble sonde-capsule des chocs de manutention et de mise à l'eau. Le procédé et le dispositif selon l'invention permettent de réaliser une base générant des profils de mesures des grandeurs recherchées en un lieu donné de l'océan, ou encore un réseau de bases d'observation spatio-temporelle in situ sur une zone donnée de l'océan, susceptibles de fonctionner pendant plusieurs années à un niveau de performance très élevé, dans des conditions de mise en oeuvre satisfaisant les besoins opérationnels, pour un coût acceptable, qui est et restera en rapide décroissance au cours des prochaines années. Ces résultats sont obtenus (1) en s'affranchissant de toute utilisation de câbles, de mécanismes de contrôle d'immersion ou de nettoyage de capteurs, coûteux, délicats à mettre en oeuvre à la mer et de durée de vie brève, (2) à la conception de l'ensemble sonde- capsule 8 de protection et de confinement et à la séquence de retournement de sonde du procédé suivant l'invention. Cette conception permet en effet de réaliser, grâce à un matériel particulièrement simple (trois pièces principales), les fonctions suivantes: (1) pendant le parcage au fond, - la tenue mécanique sous pression de longue durée du corps de sonde, sa forme sphérique (ou ovoïde) permettant de minimiser ses dimensions, son poids et son coût en utilisant des matériaux travaillant seulement en compression, particulièrement bon marché, comme le verre - la protection des capteurs et leur confinement dans un liquide de référence à la pression atmosphérique à haut degré de protection contre la contamination, - le maintien hors pression des connecteurs électriques reliant capteurs et pied d'antenne à l'électronique de la sonde, ce qui permet de réduire considérablement leur coût, (2) au largage de la sonde, une séparation obtenue par un seul mécanisme très simple et très fiable, (3) au retournement, la possibilité de décharger les salissures tombées sur la sonde pendant le parcage, (4) à la remontée, une disposition des capteurs "en avant", permettant leur rinçage par le déplacement de la sonde sans effet de sillage, - une stabilité dynamique et un contrôle de Cx excellents garanties d'une vitesse de remontée régulière permettant de reconstituer la trajectoire de la sonde et l1 de compléter ou même de supprimer les capteurs de pression, (5) en surface, un comportement dynamique du corps de sonde caractérisé par de faibles mouvements de roulis/tangage et un bouchonnement facile, assurant de5 bonnes conditions de transmission radioélectrique, l'antenne étant hors d'eau, au-dessus de la ligne de flottaison de la sonde, même dans les mers difficiles, pendant la plupart du temps. REVENDICATIONS 1. Procédé pour réaliser des profils verticaux de la mesure d'au moins une grandeur caractéristique d'une masse d'eau marine, à l'aide d'une sonde (1-10) plus légère que l'eau et équipée d'un capteur de mesure (4) de ladite grandeur, du type suivant lequel, a) on coule ladite sonde (1-10) sur le fond marin par lestage, b) on commande la remontée de la sonde (1-10) et l'activation du capteur (4) pour l'enregistrement de la mesure de ladite grandeur au long de la colonne d'eau traversée par la sonde (1-10) jusqu'à la surface de la masse d'eau, et c) on commande une transmission des mesures relevées vers un centre d'exploitation de ces mesures, caractérisé en ce que, à l'étape a), on coule la sonde (1-10) avec le capteur (4) disposé du côté d'une extrémité de celle-ci qui est orientée vers le fond marin, et en ce que, à l'étape b), on commande un basculement de la sonde (1-10), à la remontée de celle- ci, de manière que ledit capteur (4) soit alors tourné vers la surface de l'eau. 2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on commande ledit basculement de la sonde (1-10) en dégageant de celle-ci une capsule (8) de protection et de confinement du capteur (4). 3. Procédé conforme à la revendication 2, caractérisé en ce qu'on retient ladite capsule (8) de protection sur le fond marin par ledit lestage. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à la revendication 1, comprenant une sonde (1-10) plus légère que l'eau et équipée d'au moins un capteur de mesure (4) d'une grandeur caractéristique d'une masse d'eau marine, d'une capsule (8) de protection et de confinement dudit capteur (4) et d'un lest (16) raccordé à ladite capsule (8), caractérisé en ce que ladite capsule (8) prend la forme d'une enceinte étanche résistante à la pression hydrostatique, la paroi de ladite enceinte étant équipée d'un bouchon (10) électrolysable à ouverture commandée électriquement pour obtenir la séparation de la capsule (8) et de la sonde (1-10) et la remontée subséquente de celle-ci sous l'effet de la poussée d'Archimède qu'elle reçoit. 5. Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce qu'un liquide de référence (9) contenu dans ladite capsule (8) baigne ledit capteur (4) avant la séparation dudit corps et de ladite sonde. 6. Dispositif conforme à la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend un harnais (12,13,14) pour retenir temporairement la sonde (1-10) et la capsule (8) en position d'assemblage, et des moyens (17) pour expulser ledit harnais (12,13,14) quand la sonde (1-10) atteint, lors de sa coulée, une profondeur prédéterminée. 7. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la capsule (8) intègre ledit lest. 8. Sonde formant partie du dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 7, comprenant au moins un capteur (4) d'une grandeur caractéristique d'une masse d'eau marine, des moyens électroniques (2) de traitement d'un signal émis par ledit capteur (4), une antenne (7) alimentée par lesdits moyens pour émettre des signaux radioélectriques représentatifs dudit signal, et des moyens propres à donner une flottabilité positive à ladite sonde, caractérisée en ce que ledit capteur (4) est porté par un organe allongé (3) traversant un corps (1) creux rigide constituant à la fois lesdits moyens de flottabilité et un moyen de support dudit organe, ledit capteur (4) étant extérieur audit corps creux alors que lesdits moyens électroniques (2) et l'antenne (7) sont intérieurs à ce corps. 9. Sonde conforme à la revendication 8, caractérisée en ce que ledit organe allongé (3) est monté sur ledit corps (1) creux par des moyens de fixation équipés de joints d'étanchéité (5,21) protégeant de la pression hydrostatique des fils de connexion électriques traversant ledit corps (1) pour relier ledit capteur (4) et lesdits moyens électroniques (2). 10. Sonde conforme à la revendication 9, caractérisée en ce que ledit organe allongé (3) est conçu pour recevoir une capsule (8) de protection rigide dudit capteur, des moyens d'étanchéité (5') coopérant avec ladite capsule (8) pour protéger ledit capteur (4) et lesdits fils de la pression hydrostatique, jusqu'à la remontée de la sonde. 11. Sonde conforme à l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisée en ce que son centre de gravité et son centre de poussée sont agencés l'un par rapport à l'autre de manière à assurer la remontée de la sonde, à partir d'un fond marin, avec ledit capteur (4) en avant dudit corps creux (1). 12. Sonde conforme à la revendication 11, caractérisée en ce que l'antenne (7) est disposée dans ledit corps creux (1) de manière à se trouver sensiblement entièrement au-dessus de la ligne de flottaison de ladite sonde. 13. Sonde conforme à l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisée en ce que ledit corps creux (1) est de forme généralement sphérique.