Brevet FR2984527A1 — publié le 20130621

- 1 - « Procédé et appareil de détermination d'une trajectoire d'un écoulement aqueux, et sonde autonome mise en oeuvre dans ce procédé» L'invention concerne un procédé et appareil pour déterminer une trajectoire d'un écoulement aqueux, notamment pour cartographier un milieu complexe et peu ou pas accessible tel qu'un aquifère karstique. L'écoulement aqueux peut également être constitué par une conduite souterraine, mine, des canaux divers ou encore rivière. Elle vise également une sonde autonome mise en oeuvre dans ce procédé. Etat de la technique antérieur Un aquifère est un ensemble rocheux, suffisamment poreux et perméable pour contenir et laisser circuler une nappe d'eau souterraine. 15 Une nappe d'eau souterraine est une réserve naturelle d'eau douce susceptible d'être exploitée. On distingue les aquifères poreux des aquifères fissurés et karstifiés. Dans les aquifères poreux, l'eau est contenue dans les pores ouverts de la roche et peut y circuler (sables, craie, graviers, grès, scories 20 volcaniques, etc.). La perméabilité y est matricielle et fonction de la dimension des pores. Dans les aquifères fissurés, l'eau est contenue et circule dans les failles, fissures ou diaclases de la roche (calcaires, granites, basaltes, etc.). La perméabilité y est principalement fissurale et fonction de la taille et de la 25 connexion des fissures ou failles. Les aquifères karstiques sont à l'origine des aquifères fissurés dans lesquels l'eau circulant dans les fissures a progressivement dissout la roche. Cette dissolution aboutit à la création de cavités et de drains organisés, de tailles variables dans lesquels l'eau peut circuler très 30 rapidement comparativement aux aquifères poreux ou même fissurés. La gestion de ces aquifères (captage d'eau potable, transport de pollutions, ...) reste à ce jour délicate en raison de la méconnaissance quasi totale du réseau de drains. Tout procédé permettant de cartographier même partiellement ce réseau noyé permettrait d'améliorer considérablement leur 35 gestion. - 2 - Les importantes profondeurs atteintes par les réseaux de conduits, ne permettent pas d'utiliser de système de cartographie tels que les systèmes GPS. On connaît des procédés permettant de retrouver en partie la ou les sorties d'un aquifère karstique à partir notamment du versement de colorants en amont. Ces procédés sont largement utilisés mais n'apportent pas d'autre information que le ou les points de sortie en aval du point de versement amont auxquels on associe un ou des temps de transit. De tels procédés permettent d'établir d'éventuelles liaisons hydrauliques mais ne permettent pas de cartographier le parcours de l'écoulement. On connaît des dispositifs tels que des robots capables de se déplacer au sein de drains karstiques et permettant de cartographier ce dernier. Cependant, ces dispositifs sont couteux et se retrouvent souvent coincés lorsqu'ils redescendent le courant pour livrer la cartographie enregistrée. Par ailleurs, ces dispositifs ont une autonomie limitée par la batterie qu'ils embarquent. De plus, ces dispositifs peuvent polluer la ressource en eau en restant piégés dans le réseau. Il faut noter que cette eau peut-être captée pour l'alimentation en eau potable. En outre, ces robots ne sont pas de taille restreinte, ce qui ne permet pas d'envisager leur passage dans des sections étroites du réseau. Enfin, ces robots sont des systèmes actifs utilisant des moteurs pour se déplacer, ce qui augmente encore leur dépense en énergie. On connaît enfin la publication US 2010/0274488 qui divulgue un dispositif et procédé pour cartographier un réseau souterrain complexe et peu accessible. Ce dispositif divulgue l'utilisation de capteur ultrasons dont la fonction est de cartographier en trois dimensions le milieu. Les mesures obtenues par les capteurs ultrasons permettent d'effectuer une triangulation du milieu. Cette triangulation peut être affectée par des - 3 - mouvements soudains du dispositif lors des mesures par capteur ultrasons. Il est ainsi divulgué un accéléromètre pour pouvoir mesurer de tels mouvements soudains et pour pouvoir en tenir compte lors de l'utilisation des mesures obtenues par les capteurs ultrasons. Ce document divulgue également l'utilisation d'un magnétomètre pour permettre au dispositif de déterminer le nord magnétique. Cependant, la multiplicité des capteurs réduit d'autant la durée de fonctionnement de l'appareil en augmentant la consommation d'énergie provenant de la batterie. De plus, cette multiplicité conduit à un coût élevé du dispositif et à un encombrement important. Enfin, ce dispositif utilise une pile comme ressource en énergie. Cette pile est a priori polluante pour l'environnement dans le cas où le dispositif reste coincé dans le réseau souterrain. Un but de l'invention est de remédier à au moins l'un de ces inconvénients. Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif et un procédé pour cartographier des écoulements aqueux. Un autre but de l'invention est de proposer un tel dispositif et procédé qui soit moins couteux que les dispositifs connus. Un autre but de l'invention est de proposer un tel dispositif et procédé pour permettre le passage du dispositif dans des sections de réseau plus étroites que celles dans lesquelles les dispositifs selon l'état de l'art peuvent 25 passer. Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif pouvant être inséré dans le milieu aquifère en utilisant un forage. Un autre but de l'invention est de proposer un tel dispositif et procédé qui soit passif, c'est à dire qui ne nécessite pas l'utilisation de moteur pour 30 son déplacement. Un autre but de l'invention est de proposer un tel dispositif et procédé dont l'autonomie est très importante. Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif et un procédé non-polluant pour l'exploitation en eau potable, de l'aquifère lorsque le 35 dispositif reste coincé. - 4 - Exposé de l'invention On atteint au moins l'un des objectifs précités avec un procédé de détermination d'une trajectoire d'un écoulement aqueux, mettant en oeuvre un dispositif mobile autonome de mesure introduit dans ledit écoulement aqueux, comprenant: - une étape de mesure et de mise en mémoire de données d'accélération dans un référentiel dudit dispositif mobile, et - une étape de traitement de données recueillies durant ladite étape de mesure pour déterminer ladite trajectoire par double intégration des données traitées. Il est ainsi proposé un procédé permettant de développer un dispositif pour cartographier des écoulements aqueux. Une trajectoire de ce milieu étant directement déterminée à partir de données d'accélération recueillies par le dispositif, celui-ci est d'une taille plus réduite que ceux proposées dans l'état de la technique et moins couteux que ceux-ci. Il est ainsi possible de l'insérer dans un milieu aqueux en utilisant un forage et peut passer dans des sections de réseau plus étroites que celles dans lesquels les dispositifs de l'art antérieur peuvent passer. De plus, l'étape de traitement des données mises en mémoire peut en outre comprendre : - une étape d'élimination d'un biais sur les données mises en mémoire pour produire des données filtrées, - une étape de projection des données filtrées dans le référentiel terrestre. Des biais peuvent être enregistrés dans les mesures. Ces biais sont principalement dus à une fluctuation de l'alimentation de moyens pour mesurer une accélération ou à une variation d'une grandeur physique lors de l'étape de mesure de données d'accélération. Ces biais introduisent alors une dérive lente des données mesurées et l'élimination de ceux-ci peut alors être réalisée par un traitement fréquentiel du signal éliminant ces très basses fréquences. - 5 - L'étape de projection des données filtrées dans le référentiel terrestre peut être réalisée en faisant une hypothèse sur la vitesse de rotation du dispositif dans le milieu aqueux et en déterminant l'orientation de la sonde par un traitement des données d'accélération. L'étape de mesure peut comprendre en outre une mesure de l'orientation magnétique du dispositif, une mise en mémoire de données d'orientation magnétique et un traitement des données d'orientation magnétique mises en mémoire lors la projection des données filtrées dans le référentiel terrestre. Il est ainsi possible de déterminer les angles de rotation du dispositif par rapport au nord magnétique terrestre sans faire d'hypothèse sur l'orientation de la gravité terrestre. L'étape de projection des données filtrées dans le référentiel terrestre se trouve ainsi simplifiée. L'étape de mesure peut en outre comprendre une mesure d'angles de rotation dudit dispositif, une mise en mémoire de données de mesure d'angles de rotation et un traitement des données d'angles de rotation mises en mémoire lors de la projection des données filtrées dans le référentiel terrestre. Cette mesure d'angles de rotation du dispositif peut être réalisée par un gyroscope compris dans le dispositif et il n'est alors plus nécessaire de faire d'hypothèse sur l'orientation de la gravité terrestre. L'étape de projection des données filtrées dans le référentiel terrestre se trouve ainsi simplifiée. Avantageusement, le procédé selon l'invention peut en outre comprendre une étape de production d'énergie pour le dispositif provenant d'une pile de corrosion à eau. Ainsi, le dispositif peut être allégé et moins volumineux puisqu'il peut ne pas comprendre de batterie. Ceci lui permet de pouvoir passer dans des écoulements aqueux plus étroits que les dispositifs connus. Par ailleurs, sa durée de vie est quasi-infinie et il est ainsi moins couteux que les dispositifs connus. Enfin, il est moins polluant que les dispositifs connus lorsqu'il reste coincé dans un écoulement aqueux si le couple métallique choisi est acceptable pour l'écoulement/milieu étudié.35 -6 Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un système pour déterminer une trajectoire d'un écoulement aqueux, mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant : - des moyens pour mesurer des accélérations d'un dispositif mobile introduit dans l'écoulement aqueux, dans les trois dimensions de l'espace, et - des moyens pour traiter des données d'accélération et d'orientation magnétique fournies respectivement par lesdits moyens de mesure d'accélération, lesdits moyens de traitement de données étant prévus pour déterminer une trajectoire de l'écoulement aqueux. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé une sonde autonome pour déterminer une trajectoire d'un écoulement aqueux comprenant : - des moyens pour mesurer des accélérations de la sonde dans les trois dimensions de l'espace, - des moyens de mémoire pour enregistrer les mesures d'accélération. De plus, une sonde autonome selon l'invention peut en outre 20 comprendre des moyens pour mesurer et enregistrer l'orientation magnétique de ladite sonde. Avantageusement, une sonde autonome selon l'invention peut en outre comprendre des moyens pour mesurer et enregistrer des angles de rotation 25 du dispositif. En particulier, une sonde autonome selon l'invention peut en outre comprendre des moyens d'alimentation comprenant deux électrodes métalliques et un électrolyte contenant du liquide provenant dudit milieu 30 aqueux. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un appareil électronique pour déterminer une trajectoire d'un écoulement aqueux, mis en oeuvre dans un système selon l'une quelconque des revendications, cet 35 appareil comprenant : - 7 - - des moyens d'acquisition de données enregistrées par une sonde autonome selon l'invention, et - des moyens de traitement des données acquises, pour déterminer ladite trajectoire par double intégration des données traitées. De plus, les moyens de traitement des données peuvent en outre comprendre : - des moyens de filtrage de données pour éliminer un biais des données acquises, et - des moyens de projection desdites données filtrées dans le référentiel terrestre. Description D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en oeuvre et d'un mode de réalisation nullement limitatif, et des dessins annexés suivants : la figure 1 est une représentation schématique d'un procédé selon l'invention, la figure 2 est une vue schématique d'un système selon l'invention ; et la figure 3 est une vue schématique d'une sonde selon l'invention. La figure 1 illustre un mode de réalisation d'un procédé 100 de détermination d'une trajectoire d'un écoulement aqueux selon l'invention. Le procédé 100 comprend : une étape 102 d'introduction d'un dispositif mobile autonome de mesure dans l'écoulement aqueux, puis une étape 104 de mesure de données et de mise en mémoire de données, une étape 108 de génération d'énergie pour le dispositif, une étape (non représentée) de récupération du dispositif mobile autonome de mesure dans l'écoulement aqueux, - 8 - une étape 110 de traitement de données recueillies durant l'étape de mesure 104 et de détermination de la trajectoire par double intégration des données traitées. L'étape 104 de mesure de données et de mise en mémoire des données comprend en outre : une étape 1041 de mesure de données à intervalle de temps réguliers. L'intervalle de temps est réglable, une étape 1042 de conversion de ces mesures sur n bits par un convertisseur analogique/numérique d'un microcontrôleur intégré dans le dispositif, et une étape 1043 d'enregistrement de ces données dans une carte mémoire intégrée dans le dispositif. Les données mesurées sont les accélérations subies par le dispositif dans un référentiel du dispositif mobile. D'autres données sont mesurées et mises en mémoire, telles que la conductivité de l'eau, sa température ainsi que l'enregistrement de la direction du nord magnétique en utilisant un compas magnétique. L'étape 108 de génération d'énergie pour le dispositif consiste à utiliser l'énergie issue de la corrosion d'un métal, ou d'un couple de métaux, en milieu aqueux pour former une pile de corrosion. La corrosion résulte de l'existence simultanée de deux réactions électrochimiques : la réaction située à l'anode qui correspond à l'oxydation du métal - qui produit en général un oxyde qui passe en solution dans l'eau - et la réaction à la cathode qui correspond à la réduction de l'oxydant. Cette génération d'énergie consiste en l'utilisation de l'eau du milieu aqueux comme électrolyte. Ceci permet d'éviter la saturation de l'électrolyte d'une batterie classique, du fait du renouvellement de celui-ci dans le milieu aqueux. De plus, le dispositif a alors un poids moindre du fait qu'il n'emporte pas d'électrolyte. Le changement de masse de la sonde lors de la consommation de la ressource énergique que constitue le métal conduit à une augmentation de la poussée d'Archimède et par conséquent au risque de flottaison du dispositif. -9 Le potentiel disponible aux bornes d'une telle pile de corrosion est faible. Il est ainsi proposé une étape (non représentée) d'élévation par un circuit de type pompe de charge. De plus une capacité est chargée progressivement par ce circuit à pompe de charge afin de réguler la tension mais aussi de pourvoir au pic de courant plus important au moment de l'écriture des données mesurée lors de l'étape 1043. L'étape 110 de traitement de données recueillies durant l'étape de mesure 104 et de détermination de la trajectoire par double intégration des données traitées comprend : une étape 112 d'acquisition des données recueillies par la sonde autonome, une étape 114 d'élimination d'un biais des données acquises pour produire des données filtrées, et une étape 116 de projection des données filtrées dans le référentiel terrestre. Lors de l'étape 114, un premier biais lié au capteur de mesure d'accélération qui possède une légère dérive est corrigé. Cette dérive peut avoir pour origine l'alimentation du capteur qui fluctue légèrement pendant la durée d'enregistrement. Cette dérive peut également avoir pour origine une grandeur physique, telle que par exemple la variation de température. Dans ces deux cas, la dérive est lente et la correction est effectuée par traitement fréquentiel en éliminant les très basses fréquences. Lors de l'étape 116, il est tenu compte de la trajectoire propre du capteur. En effet, les données sont enregistrées dans le référentiel de la sonde et celle-ci subit des rotations aléatoires dues à l'effet des courants. En traitant les données provenant de l'utilisation d'un compas magnétique, les angles de rotation de la sonde sont déterminés. Les données enregistrées dans le référentiel de la sonde sont alors projetées dans le référentiel terrestre. Enfin, l'étape 116 s'achève par le calcul d'une double intégration de l'accélération dans le référentiel terrestre afin de calculer la vitesse, puis la position de chaque point de mesure. - 10 Dans une variante du mode de réalisation du procédé, les angles de rotation de la sonde sont déterminés directement par le traitement de données relevées par un gyroscope intégré dans la sonde. Dans une autre variante du mode de réalisation du procédé, l'orientation de la sonde est déterminée par traitement des données d'accélération. La norme de la pesanteur terrestre est alors considérée comme constante. La figure 2 représente une sonde 200 pour déterminer une trajectoire d'un écoulement aqueux. La sonde 200 comprend un accéléromètre trois dimensions 202 pour mesurer des accélérations dans les trois dimensions de l'espace. La sonde 200 comprend en outre un microcontrôleur 204 en liaison bidirectionnelle avec l'accéléromètre 202. La sonde 200 comprend en outre une carte SD 206. Cette carte est en liaison bidirectionnelle avec le microcontrôleur 204. Les données mesurées par l'accéléromètre 202 sont enregistrées dans la mémoire SD 206. La sonde 200 comprend en outre un compas magnétique 208 à trois directions pour mesurer et enregistrer l'orientation magnétique de la sonde 20 200. Elle comprend en outre une unité d'alimentation 210. Cette unité d'alimentation est reliée à une pile classique ou de corrosion (non représentée) et alimente les circuits électroniques via le microcontrôleur 204. 25 En l'absence de ballast, le compas magnétique 208 permet d'enregistrer les rotations de la sonde 200 dans le référentiel de la sonde et ainsi de pouvoir projeter les données d'accélération recueillies dans le référentiel terrestre. La figure 2 étant une vue de principe d'un premier mode de réalisation 30 d'une sonde selon l'invention, les fonctionnalités de mesure d'accélération et de compas magnétique ont été séparées. En réalité, ces fonctionnalités sont implémentées au sein d'un même capteur MEMS (Microsystème Électromécanique) de type qui est apte à mesurer l'accélération et l'orientation magnétique de la sonde. Ces fonctionnalités étant intégrées - 11 dans un même capteur, le référentiel de mesure est alors le même pour les deux types de mesure. La figure 3 représente une sonde autonome 300 pour déterminer une trajectoire d'un écoulement aqueux. La sonde autonome 300 comprend un accéléromètre trois dimensions 302 pour mesurer des accélérations dans les trois dimensions de l'espace. La sonde 300 comprend en outre un microcontrôleur 304 en liaison bidirectionnelle avec l'accéléromètre 302. La sonde 300 comprend en outre une carte SD 306. Cette carte est en liaison bidirectionnelle avec le microcontrôleur 304. Les données mesurées par l'accéléromètre 302 sont enregistrées dans la mémoire SD 306. Elle comprend en outre une unité d'alimentation 310. L'unité d'alimentation 310 fournit de l'énergie au reste du circuit via l'alimentation du microcontrôleur 304. Cette unité d'alimentation est reliée à une pile de corrosion modifiée 312 et alimente les circuits électroniques via le microcontrôleur 304. La pile de corrosion 312 comprend deux électrodes 314 et 316. L'électrolyte 318 est constitué par du liquide provenant du milieu aqueux dans lequel la sonde autonome 300 est introduite. L'électrode 316 est constituée de magnésium et joue le rôle d'anode. L'électrode 314 est constituée de cuivre et joue le rôle de cathode. Dans ce cas, le magnésium étant le métal le plus réducteur, il est oxydé par l'électrolyte 318 et libère des électrons. Le changement de masse de la sonde, lors de la consommation de la ressource énergique que constitue le métal, conduit à une augmentation de la poussée d'Archimède et par conséquent au risque de flottaison du dispositif. Pour contrer cet effet, la pile de corrosion 312 est conçue pour laisser entrer et sortir l'électrolyte provenant du milieu aqueux. Ainsi, lorsque la quantité de magnésium diminue, le volume d'électrolyte provenant du milieu aqueux à l'intérieur de la pile de corrosion augmente, et diminue ainsi la poussée d'Archimède résultant de la consommation de la ressource énergétique. Ainsi conçue, la pile de corrosion a également pour fonction de jouer le rôle de ballast pour la sonde 300. Le ballast a pour fonction de corriger la - 12 gîte ou l'assiette, et améliorer la stabilité de la sonde en modifiant la position du centre de gravité de celle-ci. La sonde 300 comprend en outre un capteur de température 320 et des cellules de mesure de la conductivité 322. Les capteurs de température 320 et les cellules de mesure de conductivité 322 sont indépendamment reliés au microcontrôleur 304. Les données relatives à la température et à la conductivité sont enregistrées dans la carte SD 306. Dans un autre mode de réalisation, la sonde peut comprendre également un compas magnétique à trois directions pour mesurer et enregistrer l'orientation magnétique de la sonde. En l'absence de ballast, le compas magnétique permet d'enregistrer les rotations de la sonde dans le référentiel de la sonde et ainsi de pouvoir projeter les données d'accélération recueillies dans le référentiel terrestre. Il est également possible d'utiliser des données enregistrées dans un gyroscope. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination d'une trajectoire d'un écoulement aqueux, mettant en oeuvre un dispositif mobile autonome de mesure introduit dans ledit écoulement aqueux, comprenant: - une étape de mesure et de mise en mémoire de données d'accélération dans un référentiel dudit dispositif mobile, et - une étape de traitement de données recueillies durant ladite étape de mesure pour déterminer ladite trajectoire par double intégration des données traitées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de traitement des données mises en mémoire comprend en outre : - une étape d'élimination d'un biais sur lesdites données mises en mémoire pour produire des données filtrées, et - une étape de projection desdites données filtrées dans le référentiel terrestre. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'étape de mesure comprend en outre une mesure de l'orientation magnétique dudit dispositif, une mise en mémoire de données de mesure d'orientation magnétique et un traitement des données d'orientation magnétique mises en mémoire lors de la projection des données filtrées dans le référentiel terrestre. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape de navigation comprend en outre une mesure d'angles de rotation dudit dispositif, une mise en mémoire de données de mesure d'angles de rotation et un traitement des données d'angles de rotation mises en mémoire lors de la projection des données filtrées dans le référentiel terrestre. 5. Procédé selon la revendication 1 à 4, caractérisé en ce que qu'il comprend en outre une étape de production d'énergie pour le dispositif provenant d'une pile de corrosion à eau.- 14 - 6. Système pour déterminer une trajectoire d'un écoulement aqueux, mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant : - des moyens pour mesurer des accélérations d'un dispositif mobile introduit dans l'écoulement aqueux, dans les trois dimensions de l'espace, et - des moyens pour traiter des données d'accélération et d'orientation magnétique fournies respectivement par lesdits moyens de mesure d'accélération, lesdits moyens de traitement de données étant prévus pour déterminer une trajectoire de l'écoulement aqueux. 7. Sonde autonome pour déterminer une trajectoire d'un écoulement aqueux comprenant : - des moyens pour mesurer des accélérations de ladite sonde dans les trois dimensions de l'espace, et - des moyens de mémoire pour enregistrer lesdites mesures d'accélération. 20 8. Sonde autonome selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens pour mesurer et enregistrer l'orientation magnétique de ladite sonde. 25 9. Sonde autonome selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens pour mesurer et enregistrer des angles de rotation du dispositif. 10.Sonde autonome selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, 30 caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens d'alimentation comprenant deux électrodes métalliques et un électrolyte contenant du liquide provenant dudit milieu aqueux.- 15 - 11.Appareil électronique pour déterminer une trajectoire d'un écoulement aqueux, mis en oeuvre dans un système selon la revendication 6, cet appareil comprenant : - des moyens d'acquisition de données enregistrées par une sonde autonome selon l'une des revendications 7 à 10, et - des moyens de traitement des données acquises, pour déterminer ladite trajectoire par double intégration des données traitées. 12.Appareil électronique selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de traitement des données comprennent en outre : - des moyens de filtrage de données pour éliminer un biais des données acquises, et - des moyens de projection desdites données filtrées dans le référentiel terrestre.