Brevet FR2898978A1 — publié le 20070928

La présente invention concerne une cellule de mesure de potentiel utilisée pour la surveillance des installations de protection cathodique par soutirage. Les canalisations d'acier enterrées sont souvent sou- mises à une protection cathodique. Celle-ci peut être réalisée par utilisation d'anodes consommables ou par application d'un potentiel par un dispositif dit "de soutirage". Le principe de cette protection cathodique des canalisations enterrées en acier par soutirage de courant comprend la connexion de la canalisation à une source électrique d'une manière telle que l'acier de la canalisation forme la cathode du système. Plus précisément, le potentiel d'une canalisation d'acier est abaissé par connexion de la canalisation, en un ou plusieurs points, au pôle négatif d'une source électrique de courant continu. Un champ électrique se répartit dans le sol. La protection cathodique peut être perturbée par des blessures des revêtements externes au cours de travaux, par la modification de la résistivité du sol, par exemple par pollution ou par variation du niveau des nappes phréatiques, par des conditions électriques variables, par exemple par la présence d'une nouvelle canalisation soumise à protection cathodique, par les effets des lignes électriques à très haute tension utilisées en général pour les moyens de trans- port, ou par des courants dits "vagabonds". Pour que la protection soit effectivement assurée, il faut que le potentiel de la canalisation soit convenable. Ainsi, le contrôle du niveau de potentiel électrique de la canalisation d'acier par rapport au milieu environnant est l'objet de la surveillance cathodique. Le critère de protection est normalement un potentiel inférieur à -850 mV en l'absence de circulation du courant de soutirage, par rapport à une électrode de référence de type cuivre/sulfate de cuivre. La simple mesure du potentiel alors que le courant de soutirage existe, connue sous le nom de "mesure à potentiel enclenché", est perturbée notamment par la chute ohmique du circuit de circulation du courant de soutirage dans le sol. On mesure donc de préférence le "potentiel déclenché", c'est-à-dire lorsque le courant de soutirage est interrompu, pour supprimer cette chute ohmique due à la circulation du courant de soutirage dans le sol qui présente une certaine résistivité. La figure 1 représente schématiquement l'exécution d'une telle mesure. Sur la figure 1, une canalisation 10 munie d'un revêtement 12, ayant éventuellement un défaut 14, est reliée par un câble 16 à une prise de potentiel 18 qui rejoint le sol. Cette canalisation est reliée à un déversoir 20, constitué d'une masse métallique, par un circuit 22 qui comprend une source électrique 24 placée entre le déversoir 20 et la canalisation 10. Ce circuit comporte un inter-rupteur 26. La source électrique 24 est destinée à créer un courant continu tel que la différence de potentiel entre la canalisation 10, par exemple au défaut 14, et une électrode de mesure 28 placée au sol, mesurée par un voltmètre 30 connecté entre l'électrode de mesure 28 et la prise potentielle 18, est au moins égale à -850 mV. L'électrode de mesure 28 est traditionnellement une électrode de type cuivre/sulfate de cuivre qui est une demi-pile de potentiel stable dans le temps. Lorsque le courant de soutirage circule dans le circuit 22, il existe des courants dans le sol et la différence de potentiel entre la canalisation 10 et l'électrode 28 est perturbée par un courant qui circule dans le sol. La perturbation correspond à un potentiel égal au produit de ce courant par la résistance du sol entre la canalisation et l'électrode 28. Pour la mesure d'un potentiel significatif, il faut donc supprimer cette différence de potentiel perturbatrice. A cet effet, on effectue des mesures dites "à courant déclenché", c'est-à-dire telles que l'interrupteur 26 est ouvert. A ce moment, comme le courant est nul, la chute de potentiel perturbatrice, qui est le produit de la résistance du sol par l'intensité du courant, devient nulle et le potentiel mesuré avec le voltmètre 30 est représentatif. Cette méthode, qui est très utilisée, présente plu-sieurs inconvénients. D'abord, il est nécessaire de couper le courant de protection. Ensuite, lorsque des mesures sont réalisées sur une canalisation de grande longueur, il faut que les interrupteurs 26 utilisés à différents emplacements de la canalisation soient synchronisés. Enfin, cette mesure est sensible aux courants vagabonds ou autres courants per- turbateurs qui ne sont pas dus au seul soutirage. On a donc perfectionné la méthode de mesure par mise au point de la mesure du "potentiel sur piquet". Selon cette méthode illustrée par la figure 2, la canalisation 10 est reliée à un déversoir 20 par un circuit 22 qui comporte une source de soutirage 24, mais ne nécessite plus d'inter-rupteur pour la mesure. Ainsi, dans cette méthode, le courant de soutirage n'est pas interrompu, si bien que la canalisation reste toujours protégée. La prise de potentiel 18 directement reliée à la canalisation 10 est aussi reliée à un témoin métallique 32 ou "piquet", formé de préférence d'acier, qui est introduit dans le sol et est relié à la prise de potentiel 18 par un circuit 34 qui comporte un interrupteur 36. Le témoin 32, comme il est relié à la prise de potentiel 18, est au même potentiel que la canalisation 10. Lorsqu'une mesure est réalisée, le potentiel est mesuré par un voltmètre 30 connecté entre le témoin métallique 32 et une électrode 28 placée au contact du sol, avec ouverture du circuit 34 par l'interrupteur 36. De cette manière, un circuit fermé est réalisé dans le sol à proximité de sa surface et est peu perturbé par les courants vagabonds ou autres. Cette méthode de mesure de potentiel sur piquet est donc plus précise que la simple méthode à courant déclenché, et elle a l'avantage de maintenir la protection cathodique pendant toute la mesure et d'éviter la synchronisation des interrupteurs. Cependant, la polarisation du piquet consti- tuant le témoin 32 peut prendre un temps relativement long si bien que la mesure est longue. Par exemple, il est par- fois nécessaire de planter les piquets la veille pour contrôler la polarisation le lendemain. Il faut noter que, dans cette mesure sur piquet, le circuit formé entre le témoin et la prise de potentiel doit être ouvert pour la mesure, puis fermé pour éviter la dépolarisation. La mesure réelle est donc "discontinue", puisqu'elle n'est effectuée que de manière cyclique, pendant un temps qui ne dépasse pas 5 % du temps total. On a déjà proposé de mesurer le potentiel d'une canalisation par utilisation d'une sonde enfouie à proximité de la canalisation d'acier surveillée. Une telle sonde, représentée schématiquement sur la figure 3, comprend, dans un corps étanche 38 et successivement depuis une ouverture, une couche 40 de mortier, puis une plaque d'acier 42 ayant des perforations 44, puis une électrode de référence interne 46 placée dans une masse 48 de mortier, la plaque d'acier 42 et l'électrode de référence 46 étant reliées par des conducteurs à l'extérieur afin qu'un voltmètre 50 puisse mesurer la différence de potentiel entre elles. L'électrode de référence 46 est à base de titane et de métal précieux. Dans une telle sonde, la conductivité est obtenue grâce à l'humidité du sol. Compte tenu des matériaux utilisés, le potentiel lu doit être corrigé d'environ -0,1 V. Une telle sonde présente essentiellement deux inconvénients. Le premier inconvénient est que, à cause du pH basique du mortier, la surface de l'acier se passive naturellement. En conséquence, la dépolarisation de la plaque d'acier ne correspond pas à celle qui est normalement observée avec de l'acier en contact direct avec le sol et soumis à une protection cathodique. Le second inconvénient est que, comme la conductivité est obtenue dans un matériau solide en présence d'humidité, on constate que, à la longue, les perforations formées dans la plaque d'acier sont bou- chées par des dépôts, si bien que la fiabilité, et même le fonctionnement, à long terme ne sont pas assurés. L'invention concerne une cellule de mesure de potentiel qui donne tous les avantages de la mesure de potentiel par la méthode de mesure sur piquet, mais qui n'en présente pas les inconvénients. En particulier, cette cellule n'utilise pas de matériaux solides de composition plus ou moins bien définie pour la transmission du courant et met en oeuvre un électrolyte liquide qui peut être très pur. Plus précisément, l'invention concerne une cellule de mesure de potentiel pour la surveillance des installations à protection cathodique par soutirage, qui comprend un corps qui délimite une cavité et une ouverture par laquelle la cavité débouche à l'extérieur du corps, un pont ionique disposé dans l'ouverture du corps et fermant la cavité de manière étanche, une électrode témoin formée d'acier, disposée dans la cavité et reliée électriquement à l'extérieur du corps par un conducteur d'électrode témoin, une électrode de mesure, disposée dans la cavité et reliée électriquement à l'extérieur du corps par un conducteur d'électrode de mesure, et un milieu conducteur ionique non solide disposé dans la plus grande partie de la cavité au moins, au contact des électrodes témoin et de mesure. De préférence, l'électrode témoin est plus proche du pont ionique que l'électrode de mesure dans la cavité du corps. Dans un mode de réalisation dans lequel la cellule est destinée à être enterrée, le pont ionique est disposé à la partie supérieure du corps lorsque celui-ci occupe sa position de travail. Dans un mode de réalisation dans lequel la cellule est portative et est destinée à être utilisée par mesure au sol, le pont ionique est disposé à la partie inférieure du corps et est formé d'un matériau solide qui ferme l'ouverture et présente une dilatation en présence du milieu conducteur ionique non solide. De préférence, le pont ionique comprend un bloc de bois, par exemple de hêtre. Il est avantageux que la cellule comporte en outre un 30 bouchon destiné à protéger le pont ionique lorsqu'elle n'est pas utilisée. De préférence, le milieu conducteur ionique ne remplit pas la totalité de la cavité, et l'espace libre dans la cavité est en dépression. 35 De préférence, la cellule comporte en outre une grille d'acier disposée entre le pont ionique et l'électrode témoin, sans contact direct avec l'électrode témoin. De préférence, l'électrode de mesure est une électrode d'argent. De préférence, le milieu conducteur ionique est une solution aqueuse de chlorure de potassium. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1, déjà décrite, est un schéma illustrant la méthode de mesure de potentiel à courant déclenché ; la figure 2, déjà décrite, est un schéma illustrant la mesure de potentiel sur piquet ; la figure 3 est une coupe schématique d'une cellule de mesure connue ; la figure 4 est un schéma illustrant l'utilisation d'une cellule de mesure selon l'invention ; la figure 5 est une coupe d'une cellule de mesure de potentiel selon l'invention ; la figure 6 est un graphique illustrant des résultats obtenus dans des essais ; et la figure 7 est un graphique illustrant des résultats obtenus dans d'autres essais. La figure 4 est un schéma illustrant la mise en oeuvre d'une cellule 52 selon l'invention. Sur la figure 4, une canalisation 10 est protégée par un circuit 22 de soutirage ayant une source de courant électrique continu 24. La canalisation 10 est reliée au sol par une prise de potentiel 18. Les courbes 54 représentent des exemples de courants de protection qui rejoignent la cellule 52 selon l'invention. Sur la figure 4, la cellule 52 est au contact du sol et elle est reliée d'une part à la prise de potentiel 18 et à une borne d'un voltmètre 30 et d'autre part à l'autre borne de ce voltmètre 30. On décrit maintenant la construction d'un exemple de cellule 52 selon l'invention. La cellule comporte un corps isolant 56 qui délimite une cavité 58 qui débouche à l'exté- rieur du corps par une ouverture 60. Cette ouverture 60 est normalement fermée par un pont ionique 61, qui, dans un mode de réalisation, peut être constitué d'un bloc de hêtre imprégné d'une solution de chlorure de potassium. Du côté opposé à l'ouverture 60, un témoin 62 d'acier constitue une "électrode témoin". Cette électrode témoin est reliée à un conducteur 64 qui permet une connexion à l'extérieur, à la prise de potentiel et à un voltmètre. Une électrode d'argent 66 est aussi fixée au corps 56 et a un conducteur 68 permettant la connexion à un voltmètre. L'électrode témoin 62 et l'électrode de mesure 66 d'argent sont tenues dans le corps 56 avantageusement avec interposition d'un joint d'étanchéité 70. De cette manière, la cavité 58 est fermée de manière étanche lorsque le pont ionique 61 est en position. La cavité 58 contient un matériau non solide ayant une 15 excellente conductibilité ionique, par exemple une solution de chlorure de potassium. On note sur la figure 5 que l'électrode témoin 62 est plus proche du pont ionique 61 que l'électrode de mesure 66. Dans une variante, une grille d'acier peut être disposée 20 dans la cavité 58 transversalement à celle-ci, entre le pont ionique 61 et l'électrode témoin 62, sans être au contact de celle-ci. On a réalisé des mesures sur une même installation d'une part avec une cellule selon l'invention et d'autre 25 part par la méthode de mesure de potentiel sur piquet, en faisant varier par paliers le potentiel appliqué à la canalisation. On a obtenu les résultats représentés sur la figure 6. On a indiqué précédemment que, dans cette mesure sur 30 piquet, la mesure réelle est "discontinue", puisqu'elle n'est effectuée que de manière cyclique, avec une durée de cycle de quelques secondes par exemple. La mesure cyclique nécessite un appareillage électronique pour la commande d'ouverture-fermeture du circuit, pour la synchronisation de 35 la mesure, et pour la mémorisation des valeurs obtenues pendant toute la durée du cycle. La courbe obtenue par la mesure de potentiel sur piquet est donc formée par des points espacés de la durée du cycle, mais elle est représentée par la courbe continue 72 sur la figure 6. Elle présente divers paliers entre les changements de potentiel appliqué. La courbe 74 obtenue avec la cellule selon l'invention donne des valeurs identiques, mais elle est obtenue en continu, sans appareillage électronique pour la commande, la synchronisation et la mémorisation de la mesure. Les deux courbes 72 et 74 sont parfaitement superposées, aux erreurs de mesure près. Ces essais montrent que, lorsque la cellule est laissée en position, elle donne une lecture de potentiel identique à celle que donne la mesure de potentiel sur piquet, mais de façon continue et sans appareillage électronique élaboré. On a réalisé d'autres essais dans lesquels on a mesuré divers potentiels, représentés sur la figure 7. On a ainsi mesuré le potentiel d'un témoin extérieur (piquet) par rapport à une électrode extérieure (courbe 76 selon la méthode de mesure sur piquet), le potentiel du témoin 62 de la cellule 52 selon l'invention par rapport à la même électrode extérieure (courbe 78), et le potentiel avec la cellule 52, c'est-à-dire avec son électrode témoin 62 et son électrode interne 66 d'argent. La courbe 76 présente une différence de l'ordre de 0,1 V entre les moments antérieur et postérieur à la coupure du courant (trait vertical pointillé), alors que la mesure réalisée entre l'électrode témoin de la cellule et une électrode extérieure de type cuivre/sulfate de cuivre (courbe 78) présentait une différence un peu plus faible, de l'ordre de 0,09 V seulement. La courbe 80, qui représente le potentiel lu avec la cellule selon l'invention, ne présente qu'une différence de 0,01 V qui est en pratique négligeable pour la mesure d'un tel potentiel. Ainsi, la cellule selon l'invention donne une mesure représentative quelles que soient les différentes conditions de l'installation. On a décrit un exemple de cellule ayant une électrode de mesure d'argent, mais bien d'autres métaux peuvent être utilisés à la place, du moment qu'ils ne réagissent pas avec le milieu conducteur ionique. Dans l'exemple considéré, le milieu conducteur ionique non solide est une solution de chlorure de potassium dans de l'eau distillée. La pureté de la solution a probablement une influence sur la polarisation de l'électrode témoin d'acier et il est donc souhaitable que ce milieu ionique soit pur. Cependant, bien d'autres sels que le chlorure de potassium peuvent être utilisés, la caractéristique essentielle étant que, compte tenu du courant qui circule, la chute de potentiel entre les deux électrodes témoin et de mesure soit négligeable (différence de potentiel de l'ordre de quelques millièmes de volt au maximum pour le courant de mesure). On a décrit une cellule ayant un pont ionique de contact avec le sol formé de bois. L'expérience montre qu'on obtient des résultats significatifs avec un tel matériau. Cependant, d'autres matériaux connus pour former des ponts ioniques peuvent être utilisés, du moment que l'ouverture du corps peut être fermée de manière étanche. L'avantage du bois est qu'il a tendance à gonfler dans les conditions d'utilisation, et donc à accroître l'étanchéité. En cas de fuite de la cellule dans des conditions extrêmes de température, après que ces conditions extrêmes ont disparu, l'espace libre qui peut se former au-dessus du milieu ionique très conducteur est en dépression et s'oppose donc à des fuites supplémentaires. Il est d'ailleurs possible de créer directement une telle dépression dans la cavité dès la fabrication, pour éviter de telles fuites. On a décrit une cellule portative dont le pont ionique est tourné vers le bas afin qu'il puisse être au contact du sol. Si la cellule doit être enterrée, pour être utilisée en continu par exemple, le pont ionique peut être tourné vers le haut. De cette manière, le milieu ionique très conducteur, même lorsqu'il est liquide, ne peut pas fuir. Bien qu'on ait donné un exemple de milieu ionique fluide très conducteur, il est possible qu'il soit plus ou moins gélifié, par diverses matières connues dans le domaine des électrolytes des piles et accumulateurs électriques. REVENDICATIONS 1. Cellule de mesure de potentiel pour la surveillance des installations à protection cathodique par soutirage, caractérisée en ce qu'elle comprend : - un corps (56) qui délimite une cavité (58) et une ouverture (60) par laquelle la cavité débouche à l'extérieur du corps, - un pont ionique (61) disposé dans l'ouverture (60) du corps et fermant la cavité (58) de manière étanche, - une électrode témoin (62) formée d'acier, disposée dans la cavité (58) et reliée électriquement à l'extérieur du corps par un conducteur (64) d'électrode témoin, - une électrode de mesure (66), disposée dans la cavité (58) et reliée électriquement à l'extérieur du corps par un conducteur (68) d'électrode de mesure, et - un milieu conducteur ionique non solide disposé dans la plus grande partie de la cavité (58) au moins, au contact des électrodes témoin et de mesure (62, 66). 2. Cellule selon la revendication 1, caractérisée en 20 ce que l'électrode témoin (62) est plus proche du pont ionique (61) que l'électrode de mesure (66) dans la cavité (58) du corps. 3. Cellule selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la cellule est destinée à être enter- 25 rée, et le pont ionique est disposé à la partie supérieure du corps lorsque celui-ci occupe sa position de travail. 4. Cellule selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la cellule (52) est portative et est destinée à être utilisée par mesure au sol, et le pont 30 ionique (61) est disposé à la partie inférieure du corps et est formé d'un matériau solide qui ferme l'ouverture et présente une dilatation en présence du milieu conducteur ionique non solide. 5. Cellule selon la revendication 4, caractérisée en 35 ce que le pont ionique (61) comprend un bloc de bois. 6. Cellule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la cellule (52) comporteen outre un bouchon destiné à protéger le pont ionique (61) lorsqu'elle n'est pas utilisée. 7. Cellule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le milieu conducteur ionique ne remplit pas la totalité de la cavité (58), et l'espace libre dans la cavité (58) est en dépression. 8. Cellule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une grille d'acier disposée entre le pont ionique (61) et l'électrode témoin (62), sans contact direct avec l'élec- trode témoin. 9. Cellule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'électrode de mesure (66) est une électrode d'argent. 10. Cellule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le milieu conducteur ionique est une solution aqueuse de chlorure de potassium.