Brevet FR3012223A1 — publié le 20150424

- 1 - Circuit de mesure géo-électrique haute-tension de résistivité du sous-sol DESCRIPTION DE L'INVENTION Ces circuits sont destinés à réaliser un circuit de mesure géo-électrique haute-tension de résistivité du sous-sol. Ils permettent de mesurer la résistivité des sous-sols pour en déterminer leur nature et leur composition, ce qui permet par exemple de localiser la présence d'eau sous-terraine, étant donné que la résistivité d'un sous-sol diminue en présence d'eau sous-terraine. Ce nouveau circuit permet d'imposer des hautes tensions sur ses électrodes, tout en utilisant des circuits classiques de type convertisseurs analogique numérique et circuits digitaux qui fonctionnent avec une faible tension d'alimentation. Ceci permet, par exemple, d'utiliser des circuits microcontrôleurs usuels qui fonctionnent avec une alimentation de faible tension (5V, par exemple), et de réduire le coût du circuit. Etant donné la présence dans le sous-sol de potentiel spontané qui varie rapidement dans le temps, lié à une circulation fluide sous-terraine ou à un sous-sol fortement minéralisé, ce type d'application est traditionnellement réalisé par deux mesures qui injectent dans les électrodes deux courants de valeurs opposées (un courant positif, puis un courant négatif), et d'une soustraction des deux tensions mesurées afin d'éliminer le potentiel spontané de l'équation de la résistivité du sol. D'autre part, ces circuits traditionnels nécessitent des amplificateurs différentiels de tension très précis et qui fonctionnent avec des tensions élevées. Notre nouveau circuit fonctionne de manière très rapide, c'est-à-dire plus rapide que la vitesse du potentiel spontané, ce qui permet de n'effectuer qu'une seule mesure pour obtenir la résistivité du sol. D'autre part, une calibration interne des circuits permet d'éviter l'utilisation d'amplificateurs différentiels de tension très précis et qui fonctionnent avec des tensions élevées. DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION Avec cette l'invention, les circuits présentés se rapportent généralement aux circuits implémentés sur une seule puce de circuits mixtes (digital et analogique), dans les nouvelles technologies (nano technologies) CMOS, et dans les technologies CMOS plus anciennes (et peu coûteuses). Plus spécifiquement mais non exclusivement, la révélation actuelle se rapporte aux circuits de gestion de la puissance sur une seule puce dans les applications des mesures géoélectrique de résistivité du sous-sol. La description qui suit fait référence à ces champs d'application pour des facilités d'illustration uniquement. Ces circuits sont destinés à réaliser un circuit de mesure géo-électrique haute-tension de résistivité du sous-sol. Ils permettent de mesurer la résistivité des sous-sols pour en déterminer leur nature et leur composition, ce qui permet par exemple de localiser la présence d'eau sous-terraine, étant donné que la résistivité d'un sous-sol diminue en présence d'eau sous-terraine. Ce nouveau circuit permet d'imposer des hautes tensions sur ses électrodes, tout en utilisant des circuits classiques de type convertisseurs analogique numérique et circuits digitaux qui fonctionnent avec une faible tension d'alimentation. Ceci permet, par exemple, d'utiliser des circuits microcontrôleurs usuels qui fonctionnent avec une alimentation de faible tension (5V, par exemple), et de réduire le coût du circuit. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Etant donné la présence dans le sous-sol de potentiel spontané qui varie rapidement dans le temps, lié à une circulation fluide sous-terraine ou à un sous-sol fortement minéralisé, ce type d'application est traditionnellement - 2 - réalisé par deux mesures qui injectent dans les électrodes deux courants de valeurs opposées (un courant positif, puis un courant négatif), et d'une soustraction des deux tensions mesurées afin d'éliminer le potentiel spontané de l'équation de la résistivité du sol. D'autre part, ces circuits traditionnels nécessitent des amplificateurs différentiels de tension très précis et qui fonctionnent avec des tensions élevées. Notre nouveau circuit fonctionne de manière très rapide, c'est-à-dire plus rapide que la vitesse du potentiel spontané, ce qui permet de n'effectuer qu'une seule mesure pour obtenir la résistivité du sol. D'autre part, une calibration interne des circuits permet d'éviter l'utilisation d'amplificateurs différentiels de tension très précis et qui fonctionnent avec des tensions élevées. DESCRIPTION BREVE DE L'INVENTION Ces circuits sont destinés à réaliser un circuit de mesure géo-électrique haute-tension de résistivité du sous-sol. Ils permettent de mesurer la résistivité des sous-sols pour en déterminer leur nature et leur composition, ce qui permet par exemple de localiser la présence d'eau sous-terraine, étant donné que la résistivité d'un sous-sol diminue en présence d'eau sous-terraine. BREVE PRESENTATION DES FIGURES Les figures d'accompagnement, qui sont incorporées dans ce brevet, illustrent une ou plusieurs implémentations de la présente invention et, associées avec la description détaillée, servent à expliquer les principes et les réalisations de l'invention. Dans les figures attachées: La figure 1 (FIG. 1) est un schéma électrique du nouveau circuit de mesure géo-électrique haute-tension de résistivité du sous-sol. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Ces circuits sont destinés à réaliser un circuit de mesure géo-électrique haute-tension de résistivité du sous-sol. Ils permettent de mesurer la résistivité des sous-sols pour en déterminer leur nature et leur composition, ce qui permet par exemple de localiser la présence d'eau sous-terraine, étant donné que la résistivité d'un sous-sol diminue en présence d'eau sous-terraine. Ceux qui ont de la compétence dans ce domaine à l'état de l'art se rendront compte que la description détaillée qui suit de la présente invention est d'illustration seulement et n'est pas limitative de quelque façon. D'autres modes de réalisation de la présente invention se suggéreront aisément à de telles personnes bénéficiant des avantages de cette invention. Les références détaillent des réalisations de la présente invention, comme illustré dans les schémas joints. Le cas échéant, les mêmes indicateurs de référence seront employés dans tous les schémas et dans la description détaillée qui suit, pour se rapporter à la même chose ou aux pièces semblables. Dans un intérêt de clarté, tous les dispositifs courants des réalisations décrites ci-dessus ne sont pas montrés et décrits. Bien entendu, dans le développement de telles implémentations, de nombreuses décisions spécifiques devront être prise selon l'application et les contraintes liées au marché, étant donné que ces buts spécifiques varieront d'une exécution à l'autre et d'un réalisateur à l'autre. D'ailleurs, un tel effort de développement pourrait être complexe et long, mais néanmoins serait une entreprise courante de ceux qui ont de la compétence dans ce domaine à l'état de l'art. En se tournant maintenant vers les figures : - 3 - - La figure 1 (FIG. 1) est un schéma électrique du nouveau circuit de mesure géo-électrique haute-tension de résistivité du sous-sol. Le circuit est constitué de 4 électrodes A, B, N et M qui sont plantées dans le sol, dans cet ordre dans le sens des aiguilles d'une montre (ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre). Le circuit est alimenté par une alimentation haute tension dénommée VBAT (par exemple, une batterie de 12V ou de 24V). Le circuit effectue quatre mesures afin de mesurer la résistivité électrique du sous-sol du segment AB, puis du segment BN, puis du segment NM, puis du segment MA. Un exemple d'application du circuit est de déterminer la localisation d'eau sous-terraine. En effet, le segment qui a la résistivité la plus faible est le segment qui contient le plus d'eau sous-terraine, étant donné que la présence d'eau réduit la résistivité du sous-sol. Pour chaque mesure, la haute tension VBAT est connectée à l'électrode du premier point du segment à mesurer (par exemple, A dans le cas de la mesure du segment AB), et une diode Dl (1) (ou plusieurs diodes connectées en série) en série avec une résistance RS (2) est connectée à l'électrode du second point du segment à mesurer (par exemple, B dans le cas de la mesure du segment AB). La connexion à VBAT est effectuée grâce à un interrupteur de commutation à 4 sortie (9), dont la commande digitale est dénommée SEL_VHIGH et est fournie par le circuit digital (13). La connexion à la diode Dl (1) en série avec la résistance RS (2) est effectuée grâce à un interrupteur de commutation à 4 sortie (10), dont la commande digitale est dénommée SEL_VLOW et est fournie par le circuit digital (13). Ainsi, entre les deux électrodes du segment à mesurer, il se crée des lignes de courants (par exemple, un courant de A vers B dans le cas de la mesure du segment AB) dont la valeur est IIN : IIN = (VBAT - VDIODE)/(RSEGMENT+RS), où VDIODE est la tension directe de la diode Dl, et RSEGMENT est la résistance du sous-sol du segment à mesurer. La tension VRS aux bornes de la résistance RS (2) est : VRS=IIN*RS La tension VGND de l'électrode du second point du segment à mesurer est : VGND=VRS+VDIODE Un pont diviseur formé de deux résistance R1 (3) et R2 (4) permet de diviser la valeur de la haute tension VBAT en une tension VBATDIV, afin de pouvoir la mesurer avec un convertisseur analogue numérique (12), qui est alimenté par une tension de faible valeur VDD (par exemple, une alimentation de 5V). Un interrupteur de commutation à 4 entrées (8), dont la commande digitale est dénommée SEL_VMEAS et est fournie par le circuit digital (13), permet de connecter son noeud de sortie VMEAS à l'électrode dont on veut mesurer la tension de haute valeur courants (par exemple, M puis N, dans le cas de la mesure du segment AB). Un transistor nmos MN1 (7) a sa grille connectée au noeud VMEAS, a son drain connecté à l'alimentation haute tension VBAT, et a sa source connectée à un pont diviseur formée de deux résistances R3 (5) et R4 (6). La diode Dl (1) permet d'augmenter la tension VGND du second point du segment à mesurer, de manière à ce que le transistor MN1 (7) ait toujours un courant de drain quel que soit sa tension de grille (comprise entre VBAT et VGND). Le pont diviseur formée de deux résistances R3 (5) et R4 (6) permet de diviser la tension de l'électrode, afin de la réduire en une tension VMEASDIV qui se trouve dans la une plage de tension que le convertisseur analogique digital (12) peut accepter (par exemple, de OV à 5V). - 4 - La résistance variable R4 (6) est contrôlée par le circuit digital (13), afin d'ajuster la valeur maximale de la tension VMEASDIV, selon le type de batterie VBAT. Le courant de grille du transistor MN1 (7) est nul, ce qui assure de ne pas perturber les tensions des électrodes pendant les mesures de tension VMEAS. Etant donné que les résistances R3 (5) et R4 (6) sont de fortes valeurs, le courant de drain ID du transistor MN1 (7) est faible, et le transistor MN1 (7) est en zone de faible inversion. Nous pouvons alors écrire les équations suivantes : ID=IS*exp((VGS-VT)/(n*Ut)), où VT, n, et Ut sont des paramètres dépendant du transistor nmos, et VGS est la tension différentielle entre les terminaux grille et source du transistor. Puisque le transistor MN1 (7) est en zone de faible inversion, (VGS-VT) est faible, et l'équation du courant de drain ID devient approximativement : ID=IS*[1+((VGS-VT)/(n*Ut))] VGS=VMEAS4VMEASDIV*(R3+R4)/R4] ID=VMEASDIV/R4 Et nous avons alors: VMEASDIV=(A*VMEAS)+B A=[R4/(R3+R4)]*[1/(1+K)] B=[(n*Ut)-Vt]*A K=[n*Ut]/[IS *(R3+R4)] Ainsi, la tension VMEASDIV est proportionnelle à la tension VMEAS, à une constante près (indépendante de VMEAS). Un interrupteur de commutation à 4 entrées (11), dont la commande digitale est dénommée SEL_ADCIN et est fournie par le circuit digital (13), permet de sélectionner l'entrée du convertisseur analogique numérique (12), parmi les tensions de faible valeur (par exemple, inférieures à 5V) qui sont VBATDIV, VGND, VMEASDIV et VRS. Pendant la mesure de la résistance entre les deux électrodes du segment à mesurer, les tensions VM et VN des deux autres électrodes (par exemple, M puis N, dans le cas de la mesure du segment AB) sont mesurées l'une après l'autre, en connectant l'électrode correspondante à la grille du transistor MN1 (7) grâce à l'interrupteur (8), et en connectant la tension VMEASDIV à l'entrée du convertisseur analogique numérique (12) grâce à l'interrupteur (11). Ainsi, deux tensions VMEASDIV sont mesurées : VMEASDIV1=(A*VM)+B VMEASDIV2=(A*VN)+B VMEASDIV12=VMEASDIV1-VMEASDIV2=A*(VM-VN) Selon l'équation de la résistivité d'un matériau, nous avons l'équation suivante : RESIST=k*(VM-VN)/IIN Où RESIST est la résistivité du segment mesuré (par exemple, le segment AB). Et k est un facteur qui dépend de la géométrie du quadripôle formé par les quatre électrodes A, B, N et M : k=2*PI/[(1/AM)-(1/BM)-(1/AN)+( 1 /BN)] Par exemple, pour un carré A, B, N, M : k=10.72 RESIST= k*A*(VMEASDIV1-VMEASDIV2)/IIN IIN=VRS/RS Alors: RESIST= RS*k*A*(VMEASDIV1-VMEASDIV2)/VRS - 5 - Etant donné que la tension VRS est mesurée en connectant la tension VRS à l'entrée du convertisseur analogique numérique (12) grâce à l'interrupteur (11), nous pouvons calculer grâce à l'équation ci-dessus la résistivité RESIST (en ohm*m) du segment mesuré. La calibration automatique du circuit permet de déterminer la valeur exacte du coefficient A, quel que soit la précision de l'appareillement des résistances R3 (5) et R4 (6), et quels que soient les paramètres électriques du transistor nmos MN1 (7) (IS, VT, n, Ut). Grâce au circuit digital (13), l'interrupteur à 4 entrées (11) et l'interrupteur à 4 entrées (8) sélectionnent la tension d'entrée du convertisseur analogique numérique (12) et la tension de la grille VMEAS du transistor nmos MN1 (7) : lorsque VMEAS est connectée à l'électrode qui est connectée à VBAT, VMEASDIV=VMEASDIV_BAT, puis lorsque VMEAS est connectée à l'électrode qui est connectée à VGND, VMEASDIV=VMEASDIV_VGND. Nous avons alors les équations suivantes : VBATDIV=VBAT*[R2/(R1+R2)] , est mesuré par le convertisseur analogique numérique (12) VGND=VRS+VDIODE, est mesuré par le convertisseur analogique numérique (12) Alors A est calculé par le circuit grâce aux équations suivantes : VBAT=VBATDIV*(R1+R2)/R2 VMEASDIV_BAT=(A*VBAT)+B VMEASDIV_VGND=(A*VGND)+B A=(VMEASDIV_BAT- VMEASDIV_VGND)/(VBAT-VGND) A=(VMEASDIV_BAT- VMEASDIV_VGND)/([VBATDIV*(R1+R2)/R2]-VGND) Et la résistivité peut être calculée de manière très précise, grâce à la mesure précise du coefficient A : RESIST= RS*k*A*(VMEASDIV1-VMEASDIV2)/VRS Ce circuit comporte: Quatre électrodes qui sont plantées dans le sol à mesurer. Un interrupteur à quatre entrées et une sortie (8), dont les entrées sont connectées aux quatre électrodes. Un interrupteur à quatre sorties et une entrée (9), dont les sorties sont connectées aux quatre électrodes, et dont l'entrée est connectée à la batterie de haute tension VBAT. Une résistance R1 (3) et une résistance R2 (4). La borne positive de la résistance R1 (3) est connectée à la batterie de haute tension VBAT. La borne négative de la résistance R1 (3) est connectée à la borne positive de la résistance R2 (4). La borne négative de la résistance R2 (4) est connectée à la masse. Une résistance RS (2) et une diode D1 (1). La diode D1 (1) peut être remplacée par plusieurs diodes connectées en série. La résistance RS (2) a sa borne négative connectée à la masse, et a sa borne positive connectée à la cathode de la diode D1 (1). Un interrupteur à quatre sorties et une entrée (10), dont les sorties sont connectées aux quatre électrodes, et dont l'entrée est connectée à l'anode de la diode D1 (1). Un transistor nmos MN1 (7) dont la grille est connectée à la sortie de l'interrupteur (8), et dont le drain est connecté à la batterie de haute tension VBAT. Une résistance R3 (5) et une résistance variable R4 (6). La résistance R3 (5) a sa borne positive connectée à la source du transistor nmos MN1 (7), et a sa borne négative connectée à la borne positive de la résistance variable R4 (6). La résistance variable R4 (6) a sa borne négative connectée à la masse. - 6 - Un convertisseur analogique numérique (12) qui est alimenté par une alimentation de faible tension VDD. Un interrupteur à quatre entrées et une sortie (11), dont la sortie est connectée à l'entrée du convertisseur analogique numérique (12). La première entrée de l'interrupteur (11) est connectée à la borne positive de la résistance R2 (4). La deuxième entrée de l'interrupteur (11) est connectée l'anode de la diode Dl (1). La troisième entrée de l'interrupteur (11) est connectée à la borne positive de la résistance variable R4 (6). La quatrième entrée de l'interrupteur (11) est connectée à la borne positive de la résistance RS (2). Un circuit digital (13) qui est alimenté par une alimentation de faible tension VDD, dont l'entrée est connectée à la sortie du convertisseur analogique numérique (12). Les quatre sorties du circuit digital (13) commandent les interrupteurs (8), (9), (10) et (11), et la valeur de la résistance variable. REVENDICATIONS1. Circuit de mesure géo-électrique haute-tension de résistivité du sous-sol, caractérisé en ce que qu'il permet de mesurer la résistivité d'un sous-sol, caractérisé en ce qu'il contient une calibration interne afin d'obtenir une mesure précise de la résistivité d'un sous-sol, caractérisé en ce qu'il utilise à la fois des alimentations de haute tension et des circuits de basse tension, et en ce qu'il comporte : - Quatre électrodes qui sont plantées dans le sol à mesurer - Un interrupteur à quatre entrées et une sortie (8), dont les entrées sont connectées aux quatre électrodes - Un interrupteur à quatre sorties et une entrée (9), dont les sorties sont connectées aux quatre électrodes, et dont l'entrée est connectée à la batterie de haute tension VBAT - Une résistance R1 (3) et une résistance R2 (4), la dite résistance R1 (3) a sa borne positive connectée à la batterie de haute tension VBAT, la dite résistance R1 (3) a sa borne négative connectée à la borne positive de la résistance R2 (4), ladite résistance R2 (4) a sa borne négative connectée à la masse - Une résistance RS (2) et une diode D1 (1), ladite diode D1 (1) peut être remplacée par plusieurs diodes connectées en série, ladite résistance RS (2) a sa borne négative connectée à la masse, ladite résistance RS (2) a sa borne positive connectée à la cathode de la diode D1 (1) - Un interrupteur à quatre sorties et une entrée (10), dont les sorties sont connectées aux quatre électrodes, et dont l'entrée est connectée à l'anode de la diode D1 (1) - Un transistor nmos MN1 (7) dont la grille est connectée à la sortie de l'interrupteur (8), et dont le drain est connecté à la batterie de haute tension VBAT - Une résistance R3 (5) et une résistance variable R4 (6), ladite résistance R3 (5) a sa borne positive connectée à la source du transistor nmos MN1 (7), ladite résistance R3 (5) a sa borne négative connectée à la borne positive de la résistance variable R4 (6), ladite résistance variable R4 (6) a sa borne négative connectée à la masse - Un convertisseur analogique numérique (12) qui est alimenté par une alimentation de faible tension VDD - Un interrupteur à quatre entrées et une sortie (11), dont la sortie est connectée à l'entrée du convertisseur analogique numérique (12), ledit interrupteur (11) a sa première entrée connectée à la borne positive de la résistance R2 (4), ledit interrupteur (11) a sa deuxième entrée connectée l'anode de la diode D1 (1), ledit interrupteur (11) a sa troisième entrée connectée à la borne positive de la résistance variable R4 (6), ledit interrupteur (11) a sa quatrième entrée connectée à la borne positive de la résistance RS (2) - Un circuit digital (13) qui est alimenté par une alimentation de faible tension VDD, dont l'entrée est connectée à la sortie du convertisseur analogique numérique (12), ledit circuit digital (13) a quatre sorties qui commandent les interrupteurs (8), (9), (10) et (11) et la valeur de la résistance variable R4 (6)