Brevet FR2981164A1 — publié le 20130412

L'invention concerne un résistivimètre adapté à évaluer la résistivité d'un sol par des méthodes de mesure électrique de type galvanique et de type électrostatique. ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION La mesure de certaines propriétés physiques d'un substrat (par exemple un sol ou un mur), comme la résistivité ou la permittivité, permet d'évaluer des valeurs de paramètres représentatifs de la constitution et de la structure de ce substrat: la porosité, la granularité, la teneur en eau, la salinité de l'eau, la présence d'argile, etc. Parmi les méthodes de mesure de la résistivité ne nécessitant pas de forage du sol, on distingue générale- ment des méthodes de mesure électromagnétique et des méthodes de mesure électrique. Les méthodes de mesure électrique présentent plusieurs avantages, notamment l'insensibilité aux éléments métalliques présents dans le sol, la possibilité de réaliser simultanément des mesures correspondant à plusieurs profondeurs, et la possibilité de couvrir rapidement une surface de terrain importante. Le principe des méthodes de mesure électrique consiste à injecter un courant dans le sol entre deux points, et à mesurer une différence de potentiel entre deux autres points, la résistivité d'un certain volume de sol se déduisant du rapport entre la différence de potentiel mesurée et le courant injecté. Pour injecter un courant et mesurer une différence de potentiel, deux méthodes de mesure électrique distinc30 tes sont utilisées: une méthode de mesure galvanique, dans laquelle au moins deux électrodes d'émission appairées pour l'injection de courant et au moins deux électrodes de réception appairées pour la mesure sont implantées dans le sol, une méthode de mesure électrostatique, dans la- quelle au moins deux armatures d'émission appairées pour l'injection de courant et au moins deux armatures de réception appairées pour la mesure sont disposés au dessus du sol, chaque paire d'armatures formant un condensateur ouvert dont le sol, au dessous, constitue une moitié d'un diélectrique. Dans la suite de ce texte, on nommera « pôle » une électrode ou une armature. Une exploration uniquement verticale du sol, ou sondage, consiste à effectuer des mesures en écartant les pôles sans changer la position du milieu du segment reliant les deux pôles appairés. Une exploration uniquement horizontale, ou traîné, consiste à utiliser un ensemble de pôles d'écartement fixe, et à déplacer cet ensemble sur le terrain exploré, le déplacement pouvant être ef- fectué aussi bien par un homme en marche que par un véhicule motorisé, un tracteur par exemple. Souvent, les explorations combinent le sondage et le traîné. Pour des explorations de sondage de sols mous, la méthode galvanique est privilégiée, car il est aisé d'implanter des électrodes dans le sol lorsque le sol est mou et que le déplacement des pôles est peu important. Pour des explorations de sols durs, par exemple des sols pierreux ou des routes revêtues, et pour des mesures de traîné, la méthode de mesure électrostatique est privilé- giée, car il est difficile d'implanter une électrode dans un sol dur et de déplacer une électrode implantée. Ainsi, il semble particulièrement intéressant de disposer d'un résistivimètre pouvant être utilisé à la fois pour des mesures galvaniques et électrostatiques, et de pouvoir passer facilement d'une méthode de mesure à l'autre. Cependant, un tel résistivimètre doit alors être ré- sistant à divers aléas dus aux méthodes d'exploration. En particulier, dans le cas d'une mesure électrostatique, il convient que les mesures réalisées à l'aide du résistivimètre soient peu sensibles à des variations de capacité de contact entre le substrat et l'armature et à des capa- cités parasites liées à la localisation du récepteur dans une zone éloignée des pôles de réception. Dans le cas d'une mesure galvanique, il convient que les mesures réalisées à l'aide du résistivimètre soient peu sensibles à des courants parasites pouvant remonter vers le récepteur et pouvant perturber la mesure. OBJET DE L'INVENTION Un but de l'invention est de proposer un résistivimètre capable de délivrer des mesures de résistivité correctes lorsqu'il est utilisé dans le cadre de mesures 20 galvaniques et ou électrostatiques. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, on propose un dispositif de mesure de la résistivité subsurfacique d'un substrat tel qu'un mur ou un sol par des méthodes élec25 triques comportant : a) un émetteur comportant : - un module d'alimentation électrique; - des pôles d'injection reliés au module d'alimentation électrique et destinés à être placés rela30 tivement au substrat pour injecter dans le substrat un courant électrique alternatif ; b) un récepteur comportant : des pôles de réception destinés à être placés relativement au substrat pour être sensibles à un signal électrique circulant dans le substrat en réponse à l'injection du courant électrique ; - des moyens d'acquisition reliés aux pôles de réception pour acquérir le signal électrique ; - des moyens de mesure reliés aux moyens d'acquisition pour mesurer une tension du signal électrique acquis ; c) des moyens d'estimation de la résistivité du substrat à partir du courant injecté et de la tension du signal électrique ainsi mesurée. Selon l'invention, les moyens d'acquisition ont une capacité d'entrée inférieure à 3 picofarads et une résis- tance d'entrée supérieure à 10 méga-ohms. Des expériences ont montré que de telles valeurs permettaient d'effectuer des mesures correctes sur des substrats variés, tant en galvanique qu'en électrostatique. Ces valeurs permettent de contenir l'influence des capacités de contact et des courants parasites, rendant les mesures effectuées fiables et exploitables. De préférence, la capacité d'entrée est inférieure à 1 picofarad et la résistance d'entrée est supérieure à 30 méga-ohms. Ces valeurs permettent d'assurer une précision élevée de l'estimation de résis- tivité. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit en référence aux figures des dessins annexés parmi lesquelles : - la figure la est une vue schématique de dessus d'un véhicule motorisé tractant un support roulant portant un résistivimètre selon un mode particulier de ré- alisation de l'invention, - la figure lb est une vue schématique de dessus d'un véhicule motorisé tractant un support roulant portant un résistivimètre selon un deuxième mode particulier 5 de réalisation de l'invention, - la figure 2 illustre un agencement d'éléments du récepteur du résistivimètre de la figure la, - la figure 3 est un schéma électronique de principe illustrant un agencement de composants électroniques 10 de protection, - la figure 4 est un schéma électronique de principe illustrant un agencement de composants électroniques d'égalisation, - les figures 5a et 5b représentent des schémas 15 électroniques de l'impédance d'entrée du récepteur du résistivimètre de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure la, le résistivimètre de l'invention adapté à réaliser des mesures électriques de 20 la résistivité subsurfacique d'un sol comporte un émetteur 1 et un récepteur 2 qui sont portés par un support roulant 12 tracté par un véhicule motorisé 13. L'émetteur 1 comporte : - deux armatures d'injection 3 posées sur le sol de 25 façon à former avec celui-ci un condensateur ouvert, et de façon à ce que le sol ait le plus d'effet possible sur le condensateur ouvert, - une carte électronique d'émission 4 comportant notamment un module d'alimentation électrique 5, 30 - des câbles 6 reliant les armatures d'injection 3 à la carte électronique d'émission 4. Le récepteur 2 comporte : - deux armatures de réception 7 posées sur le sol façon à former avec celui-ci un condensateur ouvert, et de façon à ce que le sol ait le plus d'effet possible sur le condensateur ouvert, - une carte électronique de réception 8 portant un module d'acquisition 9 et un module de mesure 10, - des câbles coaxiaux 11 reliant les armatures de réception 7 à la carte électronique de réception 8. La figure lb représente une variante du mode de ré- alisation illustré à la figure la, dans laquelle les armatures d'injection 3 et de réception 7 sont portées par un support souple 14 adapté à épouser la forme du sol. Il est avantageux de prévoir que les armatures soient elles-mêmes souples, de sorte à épouser encore plus la forme du sol. Pour réaliser des mesures de résistivité subsurfacique du sol, un générateur de signaux sinusoïdaux 26 du module d'alimentation électrique 5 est commandé par des moyens de commande compris dans le module d'alimentation électrique 5 pour générer une tension sinusoïdale entre les deux armatures d'injection 3 posées sur le sol, ce qui permet d'injecter dans le sol un courant sinusoïdal. Ce courant sinusoïdal génère une différence de potentiel entre les deux armatures de réception 7 posées sur le sol, qui est fonction du courant sinusoïdal injecté et de la résistivité subsurfacique du sol. Cette différence de potentiel est acquise par les composants électroniques du module d'acquisition 9 et mesurée par les composants électroniques du module de mesure 10. Comme illustré à la figure 2, les armatures de ré- ception 7 sont reliées au module d'acquisition 9 par des câbles coaxiaux 11 qui comportent chacun un conducteur central 15 et une tresse de blindage 16 conductrice. Le conducteur central 15 est utilisé pour transmettre le potentiel généré à l'armature de réception 7 au module d'acquisition 9 et s'étend entre l'armature 7 et l'une des bornes d'entrée M, N du module d'acquisition 9. Le module d'acquisition 9 comporte un module de protection 17 contre les surtensions et un module d'égalisation 18, qui seront détaillées plus loin. Le module de mesure 10 comporte des entrées re- liées aux sorties du module d'égalisation 18. Le module de mesure 10 mesure la différence de potentiel entre les deux armatures de réception 7 et la convertit en un signal numérique envoyé à un ordinateur 20 (visible à la figure la), programmé pour estimer la résistivité subsur- facique du sol en fonction du courant d'injection et de la tension ainsi mesurée. La figure 3 représente un agencement particulier des composants électroniques du module de protection 17. Les conducteurs centraux 15 des câbles coaxiaux sont connectés aux bornes d'entrée M, N du module d'acquisition 9, les bornes d'entrée M, N formant également les entrées des composants électroniques du module de protection 17. Ce dernier comprend deux diodes 19 qui sont montées tête-bêche en parallèle entre la sortie et une entrée d'un amplificateur opérationnel 21, l'anode de chaque diode étant connectée à la cathode de l'autre diode. Chaque diode 19 présente une capacité entre l'anode et la cathode. Comme l'entrée et la sortie de l'amplificateur opérationnel 21 sont sensiblement au même potentiel, la capacité des diodes 19 a une influence très faible sur la capacité d'entrée Ciri du résistivimètre, ce qui est particulièrement intéressant comme cela sera dé- crit plus loin. La figure 4 représente un agencement des composants électroniques du module d'égalisation 18 avantageux permettant de réduire sensiblement la capacité parasite créée par la proximité du conducteur central 15 et de la tresse de blindage 16 conductrice du câble coaxial 11. Les composants électroniques du module d'égalisation 18 comportent au moins un amplificateur opérationnel haute impédance 22 et un amplificateur opérationnel 23. La sor- tie S du module de protection 17 est reliée à une entrée de l'amplificateur opérationnel haute impédance 22. La sortie de l'amplificateur opérationnel haute impédance 22 est connectée à une entrée de l'amplificateur opérationnel 23 dont la sortie est connectée à la tresse de blin- dage 16 conductrice du câble coaxial 11. Ainsi, le conducteur central 15 et la tresse de blindage 16 conductrice du câble coaxial 11 sont portés sensiblement au même potentiel, de sorte que la capacité parasite créée par la proximité du conducteur central 15 et de la tresse de blindage 16 conductrice du câble coaxial 11 a une influence très faible sur la capacité d'entrée du résistivimètre. L'intérêt de la faible capacité d'entrée et de la grande résistance d'entrée du résistivimètre de 25 l'invention est maintenant expliqué en référence aux figures 5a et 5b. La figure 5a est un schéma simplifié représentant l'impédance d'entrée du résistivimètre au niveau d'une borne M, N d'entrée du résistivimètre lorsque l'impédance 30 de contact du pôle peut être assimilée à une capacité, c'est-à-dire lorsque le pôle est une armature posée sur le sol, comme sur la figure la. La figure 5b est un schéma simplifié représentant l'impédance d'entrée du résistivimètre au niveau d'une borne d'entrée M, N du résistivimètre lorsque l'impédance de contact du pôle peut être assimilée à une résistance, c'est-à-dire lorsque le pôle est une électrode implantée dans le sol. Sur ces schémas, R et C représentent respectivement la résistance de contact entre l'électrode de réception et le sol et la capacité de contact entre l'armature de réception et le sol. Rin est la résistance d'entrée du résistivimètre et Cin la capacité d'entrée du résistivimètre. Vg est le potentiel généré au niveau d'un pôle de réception 7 et Vm est le potentiel en entrée du module de mesure 10. Pour que la mesure soit précise, il convient que le potentiel mesuré Vm soit le plus proche possible du potentiel Vg au niveau du pôle de réception. Sur le schéma simplifié de la figure 5a, le poten- tiel mesuré Vm se déduit du potentiel au niveau du pôle 20 de réception Vg selon la formule suivante : Vm 1 = i Rin.C.w Dans la formule ci-dessus (et dans celle qui suit), w = 2 n f, où f est la fréquence du potentiel sinusoïdal généré au niveau du pôle de mesure, et j le nombre complexe tel que j2 = -1. 30 Pour diminuer l'influence de la capacité de contact sur les mesures, les inventeurs retiennent une capacité d'entrée Cir, inférieure à 3 picofarads, et de préférence Vg 1 + ch 25 C inférieure à 1 picofarad, et une résistance d'entrée supérieure à 10 méga-ohms, et de préférence supérieure à 30 méga-ohms. Ces choix permettent de minimiser les termes en Cin /C et en j /Rin C w, pour des capacités de contact usuellement rencontrées de l'ordre de 20 picofarads, et donnent donc lieu à des rapports Vm / Vg proches de l'unité en module, et n'introduisent que peu de distorsion de phase. La tension Vm ainsi mesurée est donc représentative de la tension réelle. Sur le schéma simplifié de la figure 5b, Vm se dé- duit de Vg selon la formule suivante : vr, 1 1 + j.R.Ch.w Rin On constate que les mêmes choix de capacité d'entrée et de résistance d'entrée conduisent au même effet, à savoir diminuer l'influence de la résistance de 20 contact lorsque le résistivimètre est utilisé avec des électrodes pour une mesure galvanique. Ces mêmes choix permettent de minimiser les termes en R /Rin et j R Cin w, pour des résistances usuellement rencontrées de l'ordre de 1 kilo-ohm, et donnent donc lieu à des rapports Vm / 25 Vg proches de l'unité en module, et n'introduisent que peu de distorsion de phase. La tension Vm ainsi mesurée est donc représentative de la tension réelle. On aura bien sûr intérêt dans le cadre d'une mesure électrostatique (figure 5a), à utiliser un courant de 30 grande fréquence pour encore diminuer le terme en j /Rin C w, tandis que dans le cas d'une mesure galvanique (figure 5b), on aura au contraire intérêt à utiliser Vg R un courant de faible fréquence, pour encore diminuer le terme j R Cin 0.)- Tous moyens envisageables pour obtenir une telle impédance d'entrée sont utilisables dans le cadre de l'invention. Par exemple, l'amplificateur opérationnel d'entrée haute impédance 22 peut être choisi de façon à présenter une résistance d'entrée Rir, importante, supérieure à 10 méga-ohms et préférentiellement, à 30 mégaohms. On a par ailleurs déjà décrit des moyens pour obte- nir une faible capacité d'entrée Cin. On a en effet déjà vu que : - les composants électroniques du module de protection 17 sont agencés pour présenter la plus faible capa-15 cité possible, - le module d'égalisation 18 permet de mettre au même potentiel le conducteur central 15 et la tresse de blindage 16 conductrice du câble coaxial 11 reliant le pôle à l'entrée du module d'acquisition, ce qui permet de 20 minimiser sensiblement la capacité parasite induite par ce câble. Plus généralement, tout moyen permettant de limiter la capacité d'entrée du résistivimètre, en évitant notamment d'introduire des capacités parasites, sera utilisa-25 ble dans le cadre de l'invention. Selon un aspect particulier de l'invention, des moyens de communication 24a, 24b, 25a, 25b, visibles à la figure la, permettent l'établissement de communications entre l'émetteur 1 et le récepteur 2. Pour ne pas dégra- 30 der les mesures, en particulier en méthode électrostatique, il est préférable d'utiliser des moyens de communication qui ne créent pas une capacité de couplage trop importante entre l'émetteur 1 et le récepteur 2. Des moyens de communication de type optoélectronique 24a, 24b ou électromagnétique sans contact 25a, 25b sont préférés. Dans le cas où les moyens de communication sont de type 5 électromagnétique sans contact, il est préférable de choisir une fréquence de communication sensiblement supérieure à celles des fréquences du courant électrique sinusoïdal généré par les armatures d'injection 3, pour éviter toute interférence entre les mesures de résistivi10 té et les communications entre l'émetteur 1 et le récepteur 2. Parmi les informations échangées entre l'émetteur 1 et le récepteur 2, il est prévu que le récepteur 2 transmette à l'émetteur 1 une consigne de différence de poten- 15 tiel à générer entre les armatures d' injection 3. Cette consigne est calculée par le récepteur 2 en fonction de la valeur de la différence de potentiel mesurée par le module de mesure 10 du récepteur 2 et du courant injecté. Les moyens de commande du générateur de signaux sinusoï- 20 daux 26 du module d'alimentation électrique 5 de l'émetteur 1 sont adaptés à moduler la valeur d'une tension d'alimentation du générateur de signaux sinusoïdaux 26 et/ou de la tension sinusoïdale fournie par le générateur en réponse à ladite consigne, de sorte à : 25 - augmenter la valeur du courant sinusoïdal injecté entre les armatures d'injection 3 si la valeur de la différence de potentiel mesurée par le module de mesure 10 au récepteur 2 est trop faible, ce qui permet d'améliorer la qualité des mesures, 30 - diminuer la valeur du courant sinusoïdal injecté si la valeur de la différence de potentiel mesurée par le module de mesure 10 est trop importante, ce qui permet de diminuer la consommation électrique de l'émetteur 1 et d'éviter la saturation du module d'acquisition 9 et du module de mesure 10. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisa-5 tion particulier qui vient d'être décrit, mais, bien au contraire, couvre toute variante entrant dans le cadre de l'invention tel que défini par les revendications. Bien que l'on ait décrit que la résistivité soit estimée par un ordinateur à partir d'un signal numérique 10 fourni par le module de mesure du récepteur, il est possible de prévoir que des composants électroniques dans le récepteur réalisent cette fonctionnalité. De plus, l'utilisation de câbles entre les pôles de réception et le module d'acquisition du récepteur n'est 15 pas nécessaire si on choisit d'agencer ce module d'acquisition à proximité des pôles. Il n'est alors plus nécessaire de prévoir de module d'égalisation pour réduire la capacité parasite des câbles, mais il peut être utile de conserver un module de protection dont un agen- 20 cernent est décrit à la figure 3. Le positionnement relatif du module de protection tel que décrit à la figure 2 peut être modifié s'il est préférable de protéger des composants d'une surtension situés en aval du module d'égalisation. 25 Enfin, le nombre de pôles et la disposition des pô- les utilisés dans la réalisation de l'invention peuvent bien sûr être différents de ceux choisis pour illustrer l'invention sur les figure la et lb. REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure de la résistivité subsurfa- cique d'un substrat tel qu'un mur ou un sol par des méthodes électriques comportant : a) un émetteur (1) comportant : - un module d'alimentation électrique (5); - des pôles d'injection (3) reliés au module d'alimentation électrique (5) et destinés à être placés relativement au substrat pour injecter dans le substrat 10 un courant électrique alternatif ; b) un récepteur (2) comportant : des pôles de réception (7) destinés à être placés relativement au substrat pour être sensibles à un signal électrique circulant dans le substrat en réponse à 15 l'injection du courant électrique ; - des moyens d'acquisition (9) reliés aux pôles de réception (7) pour acquérir le signal électrique ; - des moyens de mesure (10) reliés aux moyens d'acquisition (9) pour mesurer une tension du signal élec20 trique acquis ; c) des moyens d'estimation (20) de la résistivité du substrat à partir du courant injecté et de la tension du signal électrique ; caractérisé en ce que les moyens d'acquisition (9) ont 25 une capacité d'entrée (Cin) inférieure à 3 picofarads et une résistance d'entrée (Rin) supérieure à 10 méga-ohms. 2. Dispositif de mesure de la résistivité subsurfacique d'un substrat selon la revendication 1, dans lequel la capacité d'entrée (Cin) est inférieure à 1 picofarad. 30 3. Dispositif de mesure de la résistivité subsurfa- cique d'un substrat selon la revendication 1, dans lequel la résistance d'entrée (Rin) est supérieure à 30 méga-ohms. 4. Dispositif de mesure de la résistivité subsurfacique d'un substrat selon la revendication 1, dans lequel les pôles de réception (7) sont reliés aux moyens d'acquisition (9) par des câbles blindés (11) respectifs comportant chacun un élément conducteur (15) entouré d'un élément de blindage (16), les moyens d'acquisition (9) comportant des moyens d'égalisation (18) pour mettre l'élément de blindage (16) au 10 l'élément conducteur (15). 5. Dispositif de mesure de la même potentiel que résistivité subsurfa- cique d'un substrat selon la revendication 4, dans lequel les moyens d'égalisation (18) comportent un premier amplificateur opérationnel (22) dont une entrée reçoit un 15 signal électrique transmis par l'élément conducteur (15), et un second amplificateur opérationnel (23) dont une entrée est connectée à la sortie du premier amplificateur opérationnel (22) et la sortie à l'élément de blindage (16). 20 6. Dispositif de mesure de la résistivité subsurfa- cique d'un substrat selon la revendication 1, dans lequel le module d'alimentation électrique (5) de l'émetteur (1) comporte un générateur de signaux sinusoïdaux (26) auquel les pôles d'injection sont reliés, et qui est commandable 25 en fonction d'une commande transmise par le récepteur (2) pour moduler une tension d'alimentation du générateur de signaux sinusoïdaux (26) et/ou une tension sinusoïdale délivrée par le générateur de signaux sinusoïdaux (26) du module d'alimentation (5). 30 7. Dispositif de mesure de la résistivité subsurfa- cique d'un substrat selon la revendication 6, dans lequel la commande est élaborée par le récepteur (2) de sorteque la tension sinusoïdale générée par le générateur de signaux sinusoïdaux (26) du module d'alimentation (5) soit juste suffisante pour produire un signal électrique exploitable par le récepteur (2). 8. Dispositif de mesure de la résistivité subsurfa- cique d'un substrat selon la revendication 1, dans lequel l'émetteur (1) et le récepteur (2) comportent des moyens de communication (24a, 24b, 25a, 25b) de type optoélectronique ou électromagnétique sans contact. 9. Dispositif de mesure de la résistivité subsurfa- cique d'un substrat selon la revendication 1, dans lequel au moins une entrée des moyens d'acquisition (9) est protégée contre une surtension par des moyens de protection (17) comportant deux diodes (19) et un amplificateur opé- rationnel (21), les deux diodes (19) étant montées en parallèle entre une entrée et la sortie de l'amplificateur opérationnel (21), la cathode de chaque diode (19) étant connectée à l'anode de l'autre diode (19). 10. Dispositif de mesure de la résistivité subsur20 facique d'un substrat selon la revendication 1, dans lequel les armatures sont associées à un ou des supports souples (14) adaptés à épouser la forme du sol.