Brevet FR2799837A1 — publié le 20010420

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE D'EFFORTS EN PRESENCE D'UNE PRESSION EXTERIEURE DESCRIPTION Domaine technique L'invention concerne un procédé destiné à mesurer des efforts exercés sur une pièce selon une direction donnée, en présence d'une pression extérieure applicant sur la pièce une force importante comparativement aux efforts à mesurer. L'invention concerne également un dispositif de mesure d'efforts mettant en oeuvre ce procédé. Une application privilégiée de l'invention concerne la mesure des efforts de compression ou de traction exercés sur un organe tel qu'un outil de fond de puits ou un train de tiges, par exemple lorsque cet organe est mis en place dans un puits pétrolier ou extrait d'un tel puits. En effet, les très fortes pressions régnant en fond de puits appliquent alors sur l'organe considéré une force sensiblement plus importante que l'effort que l'on désire mesurer. Etat de la technique Comme l'illustre notamment le document US-A-4 926 396, il est connu d'utiliser un transducteur de forme tubulaire, en céramique piézoélectrique, pour mesurer une pression. Ce document montre également qu'un tel transducteur, habituellement fermé par des plaques à ses deux extrémités, est sensible de façon différente aux contraintes exercées selon son axe et aux contraintes exercées radialement, du fait de la pression extérieure. Par ailleurs, le document US-A-5 107 710 montre qu'il est connu de mesurer une pression au moyen de jauges de contrainte connectées entre elles pour former un pont de Wheatstone et implantées sur un diaphragme, du côté opposé à la pression à mesurer. En revanche, on ne connaît pas de capteur permettant de mesurer des efforts exercés selon une direction donnée, indépendamment d'une pression extérieure agissant par ailleurs sur le capteur et susceptible d'engendrer des forces sensiblement plus élevées que les efforts à mesurer. Exposé de l'invention L'invention a précisément pour objet un procédé de mesure d'efforts F en présence d'une pression extérieure p. conçu pour être pratiquement insensible aux forces engendrées par cette pression, y compris lorsque ces forces sont très supérieures aux efforts à mesurer. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un procédé de mesure d'efforts F exercés sur une pièce dans une première direction donnée, en présence d'une pression extérieure p, caractérisé en ce qu'on mesure la déformation d'une paroi dans une direction axiale parallèle à la première direction et en au moins deux points d'épaisseur de paroi différente dans une deuxième direction formant un angle non nul avec la première direction afin de compenser l'effet de la pression p. L'invention a aussi pour objet un procédé de mesure d'efforts exercés sur une pièce selon une direction donnée, en présence d'une pression extérieure, caractérisé en ce qu'il consiste à intégrer dans la pièce un capteur sensible aux efforts F et à la pression p et délivrant un signal de sortie du type S = a.F + P.p + y, dans lequel a est un coefficient d'effort, P est un coefficient de pression et 7 est une valeur de décalage, et à dimensionner ledit capteur de façon à annuler sensiblement le coefficient de pression f3. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, on utilise un capteur comprenant un tube incluant une partie relativement mince et une partie relativement épaisse, présentant un axe orienté selon la première direction, et dont on mesure des déformations selon cet axe et selon une direction orthogonale à celui-ci. D'autres modes de réalisation sont également possibles avec des capteurs incluant une partie mince et une partie épaisse, par exemple de formes elliptiques ou avec des bossages. Dans ce cas, chaque mesure des déformations de la paroi est effectuée avantageusement par deux jauges diamétralement opposées pour pouvoir compenser les déformations en flexion. De préférence, on utilise alors une paire de jauges parallèles à la première direction, deux paires de jauges orthogonales à la première direction, placées respectivement dans la partie relativement mince et dans la partie relativement épaisse et une paire de jauges inactives, les huit jauges étant connectées entre elles dans un pont de Wheatstone, le signal de sortie S du capteur correspondant au rapport entre une tension de sortie Vs et une tension d'entrée Ve de ce pont. Avantageusement, alors que le capteur est équipé de ses jauges, on peut diminuer voire annuler le coefficient de pression 3 en diminuant le diamètre extérieur de l'une desdites parties du tube. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, on utilise un tube dont la partie relativement mince présente initialement des diamètres intérieur b0 et extérieur a0 définissant un premier rapport do = b et dont la partie relativement épaisse a0 présente initialement des diamètres intérieur B0 et extérieur Ao définissant un deuxième rapport Do - B, A0 les premier et deuxième rapports étant tels que - - 1 +,0 o 0 représente le coefficient de 1 - D02 1 - d02 Poisson estimé du tube; on mesure, à effort nul, les variations du signal de sortie du capteur en fonction de la pression; on en déduit le coefficient de pression initial 30 du capteur; on calcule une valeur optimisée u du coefficient de Poisson du tube à partir de la relation: 4.E 2(1 - d02) - (1- D02+.(d02) + .(1 D02) ( - do2+ (1 - D2K (1 - d02) + (1 - D02) o E représente le module d'Young du tube et K représente le coefficient de jauge propre à la jauge fournie par le fabricant de jauge; et on annule le coefficient de pression: - lorsque P0 est négatif, en diminuant le diamètre extérieur initial a0 de la partie relativement mince pour lui donner une valeur a telle que 1 + Bo a = b0. b1 -__ et - lorsque P0 est positif, en diminuant le diamètre extérieur initial A0 de la partie relativement épaisse pour lui donner une valeur A telle que A= Bo 21-. ó1- o- j L'invention a également pour objet un dispositif de mesure d'efforts exercés sur une pièce selon une direction donnée en présence d'une pression extérieure, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur intégré dans la pièce, ledit capteur étant sensible aux efforts F et à la pression p et délivrant un signal de sortie du type S = o.F + j.p + y, o a représente un coefficient d'effort, D représente un coefficient de pression et y représente une valeur de décalage, le capteur étant dimensionné de façon telle que le coefficient de pression 3 est sensiblement nul. Brève description des dessins On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préféré de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels; - la figure 1 est une vue en coupe qui représente de façon schématique un dispositif de mesure d'efforts conforme à l'invention; et la figure 2 illustre les connections électriques des jauges de contrainte du dispositif de la figure 1, formant un pont de Wheatstone. Description détaillée d'un mode de réalisation préféré de l'invention Lorsqu'une pièce ou un organe quelconque est placé dans l'air, un effort limité appliqué sur cette pièce selon une direction donnée, par exemple verticale, peut être aisément détecté. Lorsque le même effort est appliqué sur une pièce ou un organe quelconque en présence d'une pression extérieure, l'effort détecté normalement selon ladite direction correspond à l'effort effectivement appliqué sur la pièce, augmenté du produit de la pression extérieure par la surface efficace de la pièce sur laquelle s'applique la pression dans la direction considérée. Lorsque la pression devient très élevée, comme c'est notamment le cas dans le fond d'un puits de pétrole, l'effort appliqué sur la pièce devient négligeable par rapport à la force appliquée notamment dans la même direction du fait de la pression extérieure environnante. Le procédé selon l'invention consiste à intégrer dans la pièce un capteur d'un type particulier, dimensionné et instrumenté de façon à délivrer un signal de sortie qui soit pratiquement indépendant de la pression extérieure. Dans le mode de réalisation préféré illustré sur les figures 1 et 2, on intègre à la pièce (non représentée) un capteur 10 comprenant un tube 12 en deux parties 12a et 12b, ainsi que des jauges de contrainte placées à l'intérieur de ce tube. Le tube 12 est un tube métallique dont l'axe 14 est prévu pour être placé selon la direction d'application des efforts à mesurer. La première partie 12a du tube 12 est une partie d'épaisseur de paroi relativement mince qui présente un diamètre extérieur a et un diamètre intérieur b. Cette partie relativement mince 12a est b caractérisée par un premier rapport d = -. a La deuxième partie 12b du tube 12 est une partie d'épaisseur de paroi relativement épaisse qui présente un diamètre extérieure A et un diamètre intérieur B. Cette partie relativement épaisse 12b est B caractérisée par un deuxième rapport D = -. A Le diamètre intérieur b de la partie relativement mince 12a est toujours supérieur au diamètre intérieur B de la partie relativement épaisse 12b. En revanche, les dimensions relatives des diamètres extérieur a et A des parties 12a et 12b du tube 12 peuvent être quelconques, c'est-à-dire que le diamètre extérieur a de la partie relativement mince 12a peut être supérieur, égal ou inférieur au diamètre extérieur A de la partie relativement épaisse 12b. Une première paire de jauges de contrainte 16a, 16a' est collée à l'intérieur de la partie relativement mince 12a, de façon à mesurer les déformations de cette partie du tube selon une direction circonférentielle ou orthogonale à l'axe 14. Une deuxième paire de jauges de contrainte 16b, 16b' est collée à l'intérieur de la partie relativement épaisse 12b, de façon à mesurer les déformations de celle-ci selon une direction circonférentielle ou orthogonale à l'axe 14. Une troisième paire de jauges de contrainte 18a, 18a' est collée à l'intérieur de la partie relativement mince 12a de façon à mesurer les déformations du tube selon l'axe 14. Enfin, une quatrième paire de jauges de contrainte 20, 20' est montée à l'intérieur du tube 12, sur une petite pièce (non représentée) réalisée dans le même métal que ce dernier et agencée de façon à être insensible aux efforts appliqués sur le tube. Pour cette raison, cette quatrième paire de jauges de contrainte 20 est appelée "jauge indéformable" ou "jauge inactive". Elle est utilisée pour équilibrer le pont. Elle voit cependant les effets de la température (dilatation...). Les deux jauges forment chacune des paires de jauges 16a, 16a, l6b, 16b', 18a, 18a' et 20, 20', qui sont montées dans le tube 12 en des emplacements diamétralement opposés par rapport à son axe 14, afin d'éliminer ou de compenser les déformations du tube en flexion. Comme on l'a illustré sur la figure 2, les 8 jauges 16a, 16a', 16b,16b', 18a, 18a' et 20, 20' sont connectées entre elles de façon à former un pont de Wheatstone dont les quatre noeuds sont repérés par les lettres A, B, C et D. Entre les noeuds B et C, la troisième jauge 18a et la deuxième jauge 16b sont connectées en série de façon à délivrer des tensions positives lorsqu'elles se déforment. Il en est de même pour les jauges 18a' et 16b', connectées en série entre les noeuds A et D. A l'inverse, la jauge indéformable 20 et la première jauge 16a sont connectées en série entre les noeuds D et C, de façon à délivrer des tensions négatives. Il en est de même pour les jauges 20' et 16a', connectées en série entre les noeuds A et B. Dans le pont de Wheatstone ainsi formé, une tension d'entrée V6 est appliquée entre les noeuds C et A et la tension de sortie V, est mesurée entre les noeuds D et B. Si l'on prend pour hypothèse que la résistance des jauges indéformables 20, 20' ne varie pas lorsque les efforts et la pression appliqués varient et que les résistances des huit jauges sont sensiblement égales en valeur absolue, on démontre aisément que lorsqu'un capteur 10 ainsi constitué est soumis à une pression extérieure p en l'absence d'effort selon son axe 14, le signal de sortie S du capteur correspondant au rapport de la tension de sortie Vs sur la tension d'entrée Ve est donné par la relation: S Vs -K 2 - U 1 + u (1) Ve 4.E 1 - D2 1 - d2 p o K représente le coefficient de jauge E représente le module d'Young du tube et u représente le coefficient de Poisson réel ou optimisé du tube. De même, on démontre aisément que lorsque ce même capteur 10 est soumis à un effort F selon l'axe 14 en l'absence d'une pression extérieure p. son signal de sortie S est donné par la relation: V K + S-s K I 1 + b.F (2) Ve -.E a2 - b2 A2 _ B2 Par conséquent, de façon générale, le signal de sortie S du capteur est du type: S = c.F +. p + 'y (3) o a, appelé "coefficient d'effort", est donné par la relation: 1 + X = - (4) a2 - b2 A2 - B2 1t appelé "coefficient de pression", est donné par la relation: 2 - 1 + - _ (5) 1 - D2 1 - d2 et y, correspond à une valeur de décalage. Conformément à l'invention, on dimensionne le capteur 10 afin d'annuler le coefficient de pression y, de façon à rendre le signal de sortie S du capteur insensible à la pression p. Compte tenu de la relation (5), donnant la valeur du coefficient de pression P, l'annulation de ce coefficient revient à donner au premier rapport d et au deuxième rapport D définis précédemment des valeurs 2 - 1 + telles que = 1 - D2 1 - d2 De façon plus précise, on donne initialement au coefficient de Poisson du tube une valeur estimée uo (correspondant à la valeur donnée dans les tables de matériaux), à l'aide de laquelle on calcule des valeurs initiales do et Do des rapports d et D, en utilisant la relation: 2 - ỏ 1 + U0 2-t0l±u0 (6) 1 - Do02 1 - d02 A titre d'exemple, on peut donner à -0 une valeur égale à 0,3 lorsque le métal utilisé pour réaliser le tube 12 est en Inconel 718. Lorsqu'on effectue des essais à l'aide d'un capteur dimensionné de façon à satisfaire cette relation, on peut alors observer que ce capteur est encore sensible à la pression, ce qui signifie que le coefficient de pression D n'a pas réellement été annulé. Par conséquent, la valeur réelle ou optimisée u du coefficient de Poisson diffère de la valeur estimée -0. Dans ces conditions, le coefficient de pression peut être exprimé par la relation: - K [ 2 - 1 + - 7 -4.E1 - D2- do 02 Afin de déterminer la valeur réelle ou optimisée v du coefficient de Poisson, on procède ensuite à un certain nombre de mesures ou d'essais, à effort nul, avec le capteur 10 ainsi dimensionné. Plus précisément, on mesure dans toutes les gammes de pression et de température susceptibles d'être rencontrées par le capteur les variations de son signal de sortie S. On déduit de ces essais le coefficient de pression initial D0 du capteur, puis on calcule la valeur optimisée ou réelle 1 du coefficient de Poisson à partir de la relation: 4.E 2 (1 Dd0:) - (1E - d) + 2 (1 - d0)-Po. (1 -- D02) 1K o(8) (1 - d02) + (1 - D02) Lorsqu'on connaît la valeur optimisée ou réelle u du coefficient de Poisson du tube, on annule le coefficient de pression D soit en diminuant le diamètre extérieur a0 de la partie relativement mince du tube lorsque P0 est négatif, soit en diminuant le diamètre extérieur A0 de la partie relativement épaisse du capteur lorsque P0 est positif. De façon plus précise, dans le premier cas (Po 2 - A et, dans le deuxième cas (P0 > o), on donne au diamètre extérieure Ao de la partie relativement épaisse du tube une valeur A telle que: A Bo (10) L 2 1_(bo0 1 + 1a0. Il est à noter que seules ces modifications dimensionnelles du tube sont possibles. En effet, du fait de la présence des jauges de contrainte collées à l'intérieur du tube, il n'est pas possible d'en modifier les diamètres intérieurs b0 et B0. Par ailleurs, il n'est matériellement pas possible d'augmenter les diamètres extérieurs a0 et A0. La description qui précède montre que le dispositif de mesure d'efforts conforme à l'invention permet de mesurer des efforts exercés sur une pièce selon une direction donnée, indépendamment d'une pression extérieure éventuellement importante appliquée sur cette pièce. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple. Ainsi, tout autre capteur d'efforts délivrant un signal de sortie S conforme à l'équation (3) et dans lequel le coefficient de pression D est rendu nul par un dimensionnement et/ou une instrumentation spécifiques rentre dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure d'efforts F exercés sur une pièce dans une première direction donnée, en présence d'une pression extérieure p, caractérisé en ce qu'on mesure la déformation d'une paroi dans une direction axiale parallèle à la première direction et en au moins deux points d'épaisseur de paroi différente dans une deuxième direction formant un angle non nul avec la première direction afin de compenser l'effet de la pression p. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un capteur (10) comprenant un tube (12) incluant une partie d'épaisseur de paroi relativement mince (12a) et une partie d'épaisseur de paroi relativement épaisse (12b), présentant un axe (14) orienté selon la première direction et dont on mesure des déformations selon cet axe et selon une direction orthogonale à celui-ci. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque mesure des déformations de la paroi est effectuée par deux jauges diamétralement opposées pour pouvoir compenser les déformations en flexion. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on utilise une paire de jauges parallèles à la première direction, deux paires de jauges orthogonales à la première direction, placées respectivement dans la partie relativement mince et dans la partie relativement épaisse et une paire de jauges inactives, les huit jauges étant connectées entre elles dans un pont de Wheatstone, le signal de sortie (S) du capteur (10) correspondant au rapport entre une tension de sortie (Vs) et une tension d'entrée (Ve) de ce pont. 5. Procédé de mesure d'efforts F exercés sur une pièce selon une direction donnée, en présence d'une pression extérieure p, caractérisé en ce qu'il consiste à intégrer dans la pièce un capteur (10) sensible aux efforts F et à la pression p et délivrant un signal de sortie S du type S = a.F + f.p + y, dans lequel a est un coefficient d'effort, P est un coefficient de pression et y est une valeur de décalage, et à dimensionner ledit capteur de façon à annuler le coefficient de pression P. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel on utilise un capteur (10) comprenant un tube (12) incluant une partie d'épaisseur de paroi relativement mince (12a) et une partie d'épaisseur de paroi relativement épaisse (12b), présentant un axe (14) orienté selon ladite direction, et dont on mesure des déformations selon cet axe et selon une direction orthogonale à celui-ci. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on annule le coefficient de pression en diminuant le diamètre extérieur (ao, A0) de l'une desdites parties (12a, 12b) du tube. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 7, dans lequel on diminue ou annule le coefficient de pression f en modifiant l'épaisseur des parties minces ou épaisses du capteur. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel on diminue ou annule le coefficient de pression P en diminuant le diamètre extérieur (ao, AO) de l'une desdites parties (12a, 12b) du tube. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel on utilise un tube (12) dont la partie relativement mince (12a) présente initialement des diamètres intérieur b0 et extérieur a0 définissant un premier rapport do = - et dont la partie relativement ao0 épaisse (12b) présente initialement des diamètres intérieur B0 et extérieur A0 définissant un deuxième rapport Do = B, les premier et deuxième rapports étant A0 2 - -0 i + tels que 2-, +o U0 représente le 1 -D02 1 - d02 coefficient de Poisson estimé du tube; on mesure, à effort nul, les variations du signal de sortie du capteur en fonction de la pression; on en déduit le coefficient de pression initial 50 du capteur; on calcule une valeur optimisée u du coefficient de Poisson du tube à partir de la relation: 4.E 2 (1 - d02) - (1 - D02) +. Po - 2 v = K (1 - d02) + (1 - D02) o E représente le module d'Young du tube et K représente le coefficient de jauge; et on annule le coefficient de pression: - lorsque P0 est négatif, en diminuant le diamètre extérieur a0 de la partie mince pour lui donner une valeur a telle que a = b0. -1+ 21 Bo 2 - A et - lorsque P0 est positif, en diminuant le diamètre extérieur initial A0 de la partie relativement épaisse (12b) pour lui donner une valeur A telle que A = B 1l2% l bj] _ 1 + ( a0 11. Dispositif de mesure d'efforts F exercés sur une pièce selon une direction donnée en présence d'une pression extérieure p, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur (10) intégré dans ladite pièce, ledit capteur étant sensible aux efforts F et à la pression p et délivrant un signal de sortie S du type S = a.F + 3.p + y, o a représente un coefficient d'effort, f représente un coefficient de pression et y représente une valeur de décalage, le capteur étant dimensionné de façon telle que le coefficient de pression P est nul. 12. Dispositif de mesure d'efforts F exercés sur une pièce dans une première direction donnée, en présence d'une pression extérieure p. caractérisé en ce qu'il mesure la déformation d'une paroi dans une direction axiale parallèle à la première direction et en au moins deux points d'épaisseur de paroi différente dans une deuxième direction formant un angle non nul avec la première direction X afin de compenser l'effet de la pression p. 13. Dispositif selon la revendication 12, comportant un tube (12) dont une partie relativement mince (12a) présente un diamètre intérieur (b) et un diamètre extérieur (a) définissant un premier rapport b d = -, une partie relativement épaisse (12b) du tube a (12) présentant un diamètre intérieur (B) et un diamètre extérieur (A) définissant un second rapport B 2 - 1)+ D = -, et ces rapports sont tels que =, A 1 - D2 1 - d2 o U représente le coefficient de Poisson optimisé du tube. 14. Dispositif selon la revendication 13, dans lequel des moyens pour mesurer les déformations du tube (12) comprennent des jauges de contrainte (16a,16b,18a,20) montées à l'intérieur du tube (12) et connectées électriquement entre elles pour former un pont de Wheatstone alimenté par une tension d'entrée Ve et délivrant une tension de sortie Vs, le signal de sortie S du dispositif correspondant au rapport entre la tension de sortie Vs et la tension d'entrée Ve. 15. Dispositif selon la revendication 14, dans lequel une première jauge (16a) et une deuxième jauge (16b) sont montées respectivement dans la partie relativement mince (12a) et dans la partie relativement épaisse (12b) du tube, de façon à mesurer des déformations selon des directions orthogonales audit axe (14), une troisième jauge (18a) est montée dans la partie relativement mince (12a), de façon à mesurer des déformations selon ledit axe (14), une jauge indéformable (20) est montée dans le tube, la première5 jauge (16a) et la jauge indéformable (20) sont connectées en série, et la deuxième jauge (16b) et la troisième jauge (18a) sont connectées en série, pour former le pont de Wheatstone.