Brevet FR2811767A1 — publié le 20020118

DISPOSITIF PERMETTANT D'EVALUER LA DENSITE DES PROTONS PRESENTS DANS UN CORPS DONNE La présente invention concerne les dispositifs permettant d'évaluer la densité des protons présents dans un corps donné avec la possibilité d'identifier le matériau entrant dans la constitution de ce corps, auquel appartenaient les protons, dispositifs qui trouvent des applications particulièrement avantageuses, notamment, dans le domaine de l'industrie alimentaire en vue de déterminer la quantité d'eau et/ou de graisse dans les aliments, et dans le domaine de l'industrie pétrolière pour déterminer par exemple la quantité d'eau dans la roche entourant la paroi d'un puits, la distribution de la porosité de cette roche et/ou sa perméabilité. Il existe déjà une technique connue sous la dénomination RNM (Résonance Nucléaire Magnétique) qui permet de déterminer la quantité de protons dans un matériau donné, c'est- à-dire le nombre les radicaux libres d'Hydrogène, et éventuellement d'identifier ce matériau. De nombreux dispositifs ont été réalisés pour mettre en ceuvre cette technique. Très schématiquement, ces dispositifs comportent des moyens pour induire un champ magnétique statique dans une zone donnée du matériau à investiguer, dont les lignes de forces ont une direction donnée pour polariser les protons présents dans cette zone. Ces moyens sont généralement constitués par un aimant permanent. Le dispositif comporte en outre une antenne émettrice constituée par exemple par une bobine magnétique alimentée par un générateur de courant électrique radiofréquence, la bobine étant associée à l'aimant permanent de façon que les lignes de force du champ magnétique radiofréquence induit par cette bobine lorsqu'elle alimentée par le courant électrique radiofréquence fasse, dans cette zone, un angle non nul avec les lignes de force du champ statique, et avantageusement égal à quatre vingt dix degrés. La fréquence du champ radiofréquence est telle qu'elle correspond à la fréquence de précession des protons dans le champ statique afin d'induire une interaction résonante entre les protons et le champ radiofréquence. Cette interaction permet de faire tourner la polarisation des protons à partir d'impulsions du champ radiofréquence d'un angle dépendant de l'amplitude du champ radiofréquence et de la durée des impulsions. 2 2811767 Le dispositif comporte en outre une antenne réceptrice constituée par exemple par une bobine magnétique qui peut être constituée par la même bobine que la bobine émettrice, cette antenne réceptrice captant le champ magnétique produit par les protons lorsque le courant radiofréquence est annulé et qu'ils reviennent à leur polarisation initiale sous l'action uniquement du champ statique de l'aimant permanent. L'amplitude du champ magnétique détecté par l'antenne réceptrice est une fonction du nombre de protons qui ont été excités dans la zone d'investigation, et le temps que mettent les protons pour passer de leur seconde polarisation à la première, connu par les techniciens sous le terme de " temps de relaxation ", est une image de la nature des produits auxquels appartenaient ces protons. Cette technique, bien connue des hommes du métier et décrite dans de nombreux documents, ne sera pas plus amplement décrite ici. Il existe de nombreux dispositifs permettant de mettre en oeuvre cette technique, qui répondent à la description ci-dessus, par exemple le dispositif décrit dans le US-A-5 610 522. Cependant tous les dispositifs de ce type connus à ce jour, soit présentent une structure très complexe, soit manquent de puissance, soit ne peuvent pas s'appliquer à des domaines aussi différents que le domaine alimentaire et le domaine pétrolier. La présente invention a donc pour but de réaliser un dispositif permettant d'évaluer la densité des protons d'un matériau contenu dans un corps donné avec la possibilité d'identifier ce matériau, qui pallie en grande partie les inconvénients des dispositifs de l'art antérieur et qui puisse s'appliquer à des domaines aussi différents que le domaine alimentaire et le domaine pétrolier. Plus précisément, la présente invention a pour objet un dispositif permettant d'évaluer la densité des protons présents dans un corps donné avec la possibilité d'identifier le matériau entrant dans la constitution dudit corps, auquel appartenaient lesdits protons, caractérisé par le fait qu'il comporte: un aimant permanent comportant deux pôles respectivement Nord et Sud, ledit aimant permanent présentant un axe de symétrie longitudinal orienté Nord-Sud et un plan de symétrie perpendiculaire audit axe de symétrie longitudinal, au moins deux première et seconde bobines cylindriques disposées de part et d'autre de l'aimant permanent, sensiblement centrées sur ledit axe de symétrie longitudinal et sensiblement symétriques par rapport audit plan de symétrie, un générateur de courant électrique radio-fréquence commandable dont les sorties sont respectivement reliées aux deux première et seconde bobines de façon que le courant 3 2811767 électrique radio-fréquence alimente les deux bobines pour que les faces des deux bobines respectivement en regard des deux pôles de l'aimant permanent soient de même nature magnétique, et un récepteur dont les entrées sont respectivement reliées aux deux bobines, ledit récepteur étant apte à analyser les signaux électriques délivrés à la sortie des deux bobines quand le générateur est déconnecté des deux dites bobines. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante donnée en regard des dessins annexés à titre illustratif mais nullement limitatif, dans lesquels: o10 La figure 1 représente, sous forme schématique, une partie d'un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention permettant d'évaluer la densité des protons présents dans un corps donné avec la possibilité d'identifier le matériau entrant dans la constitution de ce corps, auquel appartenaient les protons, Les figures 2, 3 et 4 représentent respectivement trois autres modes de réalisation du dispositif selon l'invention, constituant des perfectionnements au mode de réalisation selon la figure 1, et La figure 5 représente un mode de réalisation du dispositif selon l'invention dans une application particulière au domaine alimentaire. Il est précisé que les cinq figures représentent différents modes de réalisation du dispositif selon l'invention permettant d'évaluer la densité des protons présents dans un corps donné avec la possibilité d'identifier le matériau entrant dans la constitution de ce corps, auquel appartenaient les protons. Cependant, les mêmes références y désignent les mêmes éléments, quelle que soit la figure sur laquelle elles apparaissent et quelle que soit la forme de représentation de ces éléments. De même, si des éléments ne sont pas spécifiquement référencés sur l'une des figures, leurs références peuvent être aisément retrouvées en se reportant à une autre figure. Il est aussi précisé que, lorsque, selon la définition de l'invention, l'objet de l'invention comporte "au moins un" élément ayant une fonction donnée, le mode de réalisation décrit peut comporter plusieurs de ces éléments. De même, si le mode de réalisation de l'objet selon l'invention tel qu'illustré comporte plusieurs éléments de fonction identique et si, dans la description, il n'est pas spécifié que l'objet selon cette invention doit obligatoirement comporter un nombre particulier de ces éléments, l'objet de l'invention pourra être défini comme comportant "au moins un" de ces éléments. 4 2811767 La figure 1 représente de façon schématique une partie du dispositif permettant d'évaluer la densité des protons présents dans un corps donné 100 avec la possibilité d'identifier le matériau entrant dans la constitution de ce corps, auquel appartenaient ces protons, l'autre partie du dispositif étant illustrée sur la figure 5. En référence à ces deux figures 1 et 5, le dispositif comporte un aimant permanent 1 comportant deux pôles 6, 7 respectivement Nord et Sud, l'aimant permanent présentant un axe de symétrie longitudinal 2 orienté Nord-Sud et un plan de symétrie 3 perpendiculaire à cet axe de symétrie longitudinal. Bien entendu, cet aimant permanent 1 sera avantageusement de forme cylindrique de révolution. Le dispositif comporte en outre au moins deux première 11 et seconde 12 bobines cylindriques disposées de part et d'autre de l'aimant permanent 1, sensiblement centrées sur l'axe de symétrie longitudinal 2 et sensiblement symétriques par rapport au plan de symétrie 3. Ces bobines 11, 12 représentées sur la figure 1 sont du type " bobines plates ", mais elles peuvent être de tout autre type, par exemple des solénoïdes comme représenté sur la figure 5. Par référence à cette figure 5, le dispositif comporte en outre un générateur de courant électrique radio-fréquence commandable 4 dont les sorties 5 sont respectivement reliées aux deux première et seconde bobines 11, 12 de façon que le courant électrique radio-fréquence alimente les deux bobines pour que les faces 13, 14 des deux bobines respectivement en regard des deux pôles 6, 7 de l'aimant permanent 1 soient de même nature magnétique, et un récepteur 8 dont les entrées 9 sont respectivement reliées aux deux bobines 11, 12, ce récepteur étant apte à analyser les signaux électriques délivrés à la sortie 15, 16 des deux bobines quand le générateur est déconnecté de ces deux bobines. Un tel ensemble comportant un générateur 4 et un récepteur 8 est bien connu en lui- même dans le domaine de la RNM comme explicité dans le préambule à la présente description. Il est décrit dans de nombreux documents antérieurs et ne sera donc pas plus amplement développé ici, dans l'unique souci de simplifier cette description. Sur la figure 1, les deux bobines 11 et 12 disposées de part et d'autre de l'aimant permanent 1 sont illustrées de façon que leur face Nord (N), respectivement 13 et 14, sont en regard des faces 6 (N) et 7 (S) de l'aimant permanent, pour donner naissance à des lignes de forces magnétiques 23, 24 orientées comme illustré sur cette figure 1. Cependant, ces bobines pourraient être alimentées de façon inverse pour que ce soit leurs faces Sud (S) qui soient en regard des pôles Nord et Sud de l'aimant. Dans ce cas, les lignes de forces magnétiques 23, 24 auraient la même forme que celle illustrée sur la figure 1, mais seraient orientées dans le sens opposé à celui indiqué sur cette figure. D5 2811767 Un tel dispositif fonctionne selon le principe de la RNM. Ce fonctionnement est bien connu, mais il est cependant très succinctement rappelé ci-après. Lorsque l'on veut mesurer la densité des protons dans le corps 100, le dispositif est amené le plus proche possible de ce corps, le générateur 4 et le récepteur 8 étant désactivés. Sous l'effet du champ magnétique statique permanent, les protons s'orientent, dans la zone qui se présente sous la forme d'une zone torique annulaire sensiblement centrée sur l'axe de symétrie 2 et sur le plan de symétrie 3 et relativement proche de la paroi latérale de l'aimant permanent 1, suivant les lignes de forces 29 de ce champ permanent. Le générateur 4 est ensuite activé pour alimenter les bobines 11, 12 en courant électrique radiofréquence. Chaque bobine crée alors un champ magnétique induit radiofréquence dont les lignes de forces respectivement 23, 24 sont, dans la zone 25 définie ci-dessus, perpendiculaires aux lignes de forces 29. De plus, comme conséquence des caractéristiques structurelles décrites ci-avant, les lignes de forces des champs magnétiques induits par les deux bobines sont, dans cette zone 25, orientées dans le même sens, ce qui a pour effet de créer un champ magnétique radiofréquence total d'une relativement grande intensité. Sous l'action de ce champ magnétique induit, la direction de polarisation des protons est contrôlée du fait de l'interaction résonante et l'angle de rotation est fonction de l'amplitude de l'impulsion radiofréquence et de sa durée, cet angle pouvant être avantageusement de quatre vingt dix degrés. A titre d'exemple, le signal radiofréquence émis par le générateur 4 est de l'ordre de 4 mégahertz et les bobines sont conçues pour créer un champ magnétique induit de l'ordre du Tesla. Puis, le générateur 4 est désactivé et le récepteur 8, activé, capte les signaux délivrés à la sortie des bobines créés par le champ magnétique produit par les protons repassant de leur seconde polarisation à la première. L'analyse du signal capté par le récepteur 8 permet, en fonction de son amplitude, de déterminer la densité des protons et, en fonction de sa variation temporelle, éventuellement d'identifier la nature du produit contenant ces protons. Cependant, dans le but d'augmenter l'intensité du champ magnétique induit par les bobines essentiellement dans la zone 25, comme schématiquement représenté sur la figure 2, le dispositif comporte en outre avantageusement deux premier 21 et second 22 réflecteurs magnétiques montés en coopération avec respectivement les deux première et seconde bobines 11, 12 de façon qu'ils concentrent le flux magnétique 23, 24 apte à être créé par chaque bobine magnétique 11, 12, dans la zone 25 définie ci-avant. Dans un mode de réalisation avantageux, les deux réflecteurs magnétiques 21, 22 sont 6 2811767 constitués par deux surfaces concaves, ou de forme assimilée, 26, 27 de révolution autour de l'axe de symétrie 2 et associées respectivement aux deux bobines 11, 12 de façon que leurs centres de courbure soient situés au voisinage du plan de symétrie 3, chaque surface concave de révolution étant constituée par une couche d'un matériau électriquement conducteur, par exemple du cuivre, de l'or, etc. Dans le but d'obtenir aussi un maximum de flux magnétique statique induit par l'aimant permanent 1, essentiellement dans la zone 25, le dispositif comporte en outre avantageusement, comme illustré sur la figure 3, deux pièces polaires symétriques 31, 32 montées en coopération avec les deux pôles 6, 7 de l'aimant permanent, ces deux pièces polaires passant respectivement par l'intérieur des deux bobines 11, 12 et étant agencées pour concentrer les lignes de force du champ magnétique statique engendré par l'aimant permanent 1, sensiblement dans la zone 25. Ces deux pièces polaires 31, 32 sont réalisées par exemple en un matériau comme du fer, du ferrite doux, etc. Quand le dispositif comporte ces deux pièces polaires, il est avantageux, comme illustré sur la figure 3, que les deux surfaces concaves de révolution 26, 27 soient réalisées sur les surfaces latérales extérieures des deux pièces polaires, la couche de matériau électriquement conducteur définie ci-avant étant directement déposée sur la surface latérale extérieure de ces pièces polaires 31, 32. Etant donné qu'un tel dispositif est destiné, dans ses applications les plus avantageuses, à être introduit dans des percées, des puits, etc., il est avantageux que, comme schématiquement illustré sur la figure 3, les dimensions hors tout maximales prises dans des plans parallèles au plan de symétrie 3, respectivement des deux bobines 11, 12, des deux surfaces concaves de révolution 26, 27 et des deux pièces polaires 31, 32, soient au plus égales à la dimension hors tout maximale de l'aimant permanent 1 prise dans un plan parallèle au plan de symétrie 3. Notamment, quand un tel dispositif est destiné à pénétrer dans un puits 33 et que sa section transversale, c'est-à-dire essentiellement la section transversale de son aimant permanent 1, est sensiblement égale à celle du puits, pour que le dispositif puisse aisément parcourir ce puits sans être soumis à un effet de piston, il est avantageux que le dispositif comporte en outre, comme illustré sur la figure 3, une percée traversante continue 40 réalisée suivant sensiblement l'axe de symétrie 2 dans l'aimant permanent 1 et les deux pièces polaires 31, 32. Cette percée traversante 40 permet le passage de l'atmosphère contenue dans le puits de part et d'autre du dispositif lorsque ce dernier se déplace dans le puits. Elle permet aussi, 7 2811767 de façon avantageuse, le passage, par exemple, d'outils de différents types, de sondes, de câbles, tiges, etc. couramment utilisés dans le domaine notamment pétrolier. Le dispositif peut par ailleurs être amené à être utilisé dans des puits de différentes sections. Aussi, dans une réalisation avantageuse, comme illustré sur la figure 4, l'aimant permanent 1 et les pièces polaires 31, 32 sont respectivement constitués en au moins deux parties aptes à être associées suivant un plan contenant l'axe de symétrie 2 pour former l'aimant permanent et les pièces polaires, et le dispositif comporte alors des moyens 41 pour commander le déplacement de ces deux parties suivant des directions perpendiculaires à l'axe de symétrie, par exemple des vérins électriques ou analogues. Dans cette configuration, il est possible de maintenir les bobines 11, 12 dans leur forme initiale, le déplacement des deux parties étant limité à l'espace entre les pièces polaires et les bobines. Cependant, dans le cas de bobines plates ou similaires, il est possible, pour augmenter le déplacement des deux parties, de réaliser des bobines en boucles ouvertes avec des fils en matériau électriquement conducteur élastique. Comme mentionné ci-avant, le dispositif selon l'invention a de nombreuses applications. Il peut notamment être utilisé pour déterminer la quantité d'eau et/ou de graisse contenue dans les aliments. La figure 5 représente un mode de réalisation plus particulièrement adapté à cette application. Dans ce but, le dispositif peut avantageusement comporter en outre une gaine 50 en forme d'aiguille apte à pénétrer dans le corps 100 par l'une 51 de ses extrémités, l'ensemble comprenant l'aimant permanent 1, les pièces polaires 31, 32 et les surfaces concaves de révolution 26, 27 étant situé dans cette gaine réalisée par exemple en un matériau amagnétique et diélectrique, par exemple une matière plastique, un matériau connu sous la Marque de commerce "Nylon", etc. Dans le but de faciliter sa manipulation plus particulièrement pour cette dernière application, le dispositif comporte en outre une poignée de manipulation 52 solidaire de l'extrémité 53 de la gaine opposée à celle 51 par laquelle la gaine est apte à pénétrer dans le corps 100. Un logement 54 est réalisé dans cette poignée, dans lequel peuvent être disposés le générateur 4, le récepteur 8, une source d'alimentation électrique et tous les périphériques habituels bien connus en eux-mêmes dans le but de rendre ce dispositif autonome pouvant être utilisé en tous lieux et à tout moment. 8 2811767 REVENDICATIONS i.Dispositif permettant d'évaluer la densité des protons présents dans un corps donné (100) avec la possibilité d'identifier le matériau entrant dans la constitution dudit corps, auquel appartenaient lesdits protons, caractérisé par le fait qu'il comporte: un aimant permanent (1) comportant deux pôles (6, 7) respectivement Nord et Sud, ledit aimant permanent présentant un axe de symétrie longitudinal (2) orienté nord-sud et un plan de symétrie (3) perpendiculaire audit axe de symétrie longitudinal, au moins deux première (11) et seconde (12) bobines cylindriques disposées de part et d'autre de l'aimant permanent (1), sensiblement centrées sur ledit axe de symétrie longitudinal (2) et sensiblement symétriques par rapport audit plan de symétrie (3), un générateur de courant électrique radio-fréquence commandable (4) dont les sorties (5) sont respectivement reliées aux deux première et seconde bobines (11, 12) de façon que le courant électrique radio-fréquence alimente les deux bobines pour que les faces (13, 14) des deux bobines (11, 12) respectivement en regard des deux pôles (6, 7) de l'aimant permanent (1) soient de même nature magnétique, et un récepteur (8) dont les entrées (9) sont respectivement reliées aux deux bobines (11, 12), ledit récepteur étant apte à analyser les signaux électriques délivrés à la sortie (15, 16) des deux bobines quand le générateur est déconnecté des deux dites bobines. 2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre deux premier (21) et second (22) réflecteurs magnétiques montés en coopération avec respectivement les deux première et seconde bobines (11, 12) de façon qu'ils concentrent le flux magnétique (23, 24) apte à être créé par chaque bobine magnétique (11, 12) dans une zone (25) sensiblement centrée sur ledit plan de symétrie (3) et proche dudit aimant permanent (1). 3- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les deux réflecteurs magnétiques (21, 22) sont constitués par deux surfaces concaves (26, 27) de révolution autour de l'axe de symétrie (2) et associées respectivement avec lesdites bobines (11, 12) de façon que leurs centres de courbure soient situés au voisinage du plan de symétrie (3), les deux surfaces concaves de révolution étant constituées par une couche d'un matériau électriquement conducteur. 9 2811767 4- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre deux pièces polaires symétriques (31, 32) montées en coopération avec les deux pôles (6, 7) de l'aimant permanent, ces deux pièces polaires passant respectivement par l'intérieur des deux dites bobines (11, 12) et étant agencées pour concentrer les lignes de force (29) du champ magnétique engendré par ledit aimant permanent (1), sensiblement dans ladite zone (25). - Dispositif selon les revendications 3 et 4, caractérisé par le fait que les deux surfaces concaves de révolution (26, 27) sont réalisées sur les surfaces latérales extérieures des deux pièces polaires (31, 32). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les dimensions hors tout maximales prises dans des plans parallèles au plan de symétrie, respectivement des deux bobines (11, 12), des deux surfaces concaves de révolution (26, 27) et des deux pièces polaires (31, 32), sont au plus égales à la dimension hors tout maximale de l'aimant permanent(1) prise dans un plan parallèle audit plan de symétrie (3). 7- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comporte une percée traversante continue (40) réalisée suivant sensiblement l'axe de symétrie (2) dans l'aimant permanent (1) et les deux pièces polaires (31, 32). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ledit aimant permanent (1) et les pièces polaires (31, 32) sont respectivement constitués en au moins deux parties aptes à être associées suivant un plan contenant l'axe de symétrie (2) pour former ledit aimant permanent et lesdites pièces polaires, et qu'il comporte des moyens (41) pour commander le déplacement des deux dites parties suivant des directions perpendiculaires audit axe de symétrie. 9. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une gaine (50) en forme d'aiguille apte à pénétrer dans ledit corps (100) par l'une (51) de ses extrémités, l'ensemble comprenant l'aimant permanent (1), les pièces polaires (31, 32) et les surfaces concaves de révolution (26, 27) étant situé dans ladite gaine. 2811767 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ladite gaine est en un matériau amagnétique. 11. Dispositif selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une poignée de manipulation (52) solidaire de l'extrémité (53) de la gaine opposée à celle (51) par laquelle la gaine est apte à pénétrer dans ledit corps (100), un logement (54) étant réalisé dans ladite poignée, le générateur (4) et le récepteur (8) étant situés dans ledit logement.