Brevet FR3048779A1 — publié le 20170915

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne un procédé et un système de détection de l'obturation d'une conduite de décharge d'une installation hydraulique. ETAT DE LA TECHNIQUE Dans une installation hydraulique, les conduites de décharge servent à évacuer un surplus de débit qui ne peut pas transiter par la conduite forcée. Ces surplus de débit surviennent soit en cas de débit entrant dans la chambre de mise en charge supérieur au débit d'équipement de l'usine, soit plus ponctuellement lors d'arrêt d'un ou plusieurs groupes de production. Les conduites de décharge doivent donc être disponibles à tout moment pour l'exploitant. En hiver, les débits d'eau transités sont en général faibles et résultent principalement des déclenchements des groupes de production. La conduite de décharge est donc vide la majeure partie du temps, remplie d'air humide. Cependant, des ruissellements liés à des fuites ou à de la condensation peuvent s'y produire. En cas de températures négatives, ces ruissellements sont alors susceptibles de geler. La couche de glace peut s'épaissir progressivement et créer un bouchon de glace. La formation de bouchons de glace est problématique pour la sûreté des ouvrages, car ils peuvent conduire à un passage en charge du tronçon de la conduite de décharge à l'amont du bouchon. La formation de bouchons de glace à l'intérieur de conduites de décharge a déjà causé des incidents sur ces ouvrages généralement non dimensionnés mécaniquement pour passer en charge. Afin de détecter les bouchons de glace, une solution consiste à utiliser un ballon de basket dont le diamètre correspond environ à un tiers du diamètre de la conduite de décharge. A intervalles réguliers, ce ballon est lancé dans la conduite de décharge et récupéré à la sortie en aval s'il n'y a pas de bouchon de glace. En revanche, si un bouchon de glace est présent, le ballon ne peut être récupéré à la sortie et l'exploitant doit rechercher à quel endroit il est resté bloqué. Cette technique simple permet de détecter les bouchons de glace dont l'épaisseur est supérieure à 50% du diamètre de la conduite. Toutefois, elle ne permet pas de les localiser, ni de les caractériser. 3048779 2 De plus, il semble que les risques de sûreté liés à la mise en charge d'une conduite de décharge existent pour des bouchons de glace créant une obturation de moins de 50% de la conduite de décharge. En outre, la technique du lancer de ballon ne peut pas toujours être appliquée, par 5 exemple s'il n'y a pas de possibilité de récupérer le ballon en sortie de conduite de décharge. Enfin cette technique nécessite une intervention humaine afin de pouvoir lancer le ballon dans la conduite de décharge et le récupérer à la sortie. De ce fait, avec l'impact que cela a sur la charge de travail et la sécurité de l'intervenant, la périodicité est limitée à une fois par semaine, or une bouchon de glace peut 10 se former en moins d'une semaine. PRESENTATION DE L'INVENTION Un but de l'invention est de détecter un obstacle dans une conduite de décharge. Un autre but est de détecter, de manière précoce, la formation d'un bouchon de 15 glace dans la conduite de décharge avant une obstruction totale. Un autre but l'invention est de pouvoir localiser au sein de la conduite le bouchon de glace. Un autre but de l'invention est de déterminer des indications sur les caractéristiques du bouchon de glace (épaisseur, largeur). 20 Pour atteindre ces buts, l'invention propose un procédé de détection d'un obstacle dans une conduite, au moyen d'un système de détection comprenant une source acoustique et un récepteur acoustique placé devant la source dans le sens de propagation du son dans la conduite depuis la source et une unité de traitement configurée pour mettre en oeuvre des étapes suivantes : 25 El) obtention d'une réponse impulsionnelle acoustique avec obstacle de la conduite par émission d'un signal acoustique au moyen de la source et réception du signal acoustique émis au moyen du récepteur ; E2) détection d'un obstacle dans la conduite à partir de la réponse impulsionnelle acoustique avec obstacle et d'une réponse impulsionnelle acoustique de référence. 30 L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible. Le procédé comprend une étape E3) de localisation de l'obstacle dans la conduite à partir de la réponse impulsionnelle acoustique avec obstacle obtenue à l'étape El), consistant à - déterminer les paramètres suivants : 3048779 3 o le temps T1 que met le son de la source pour atteindre le microphone ; o le temps T2 aller-retour que met le son pour atteindre l'obstacle depuis le micro ; o le temps T3 que met le son pour atteindre l'obstacle depuis la source ; 5 déterminer la distance dsource-obstacle entre la source et l'obstacle au moyen de la fonction suivante : T2(T3 - T1 dsource-obstacle = ( 2 + T1) . c = 2 + T1) . c avec c la célérité du son dans l'air. L'étape E2) de détection consiste à mettre en oeuvre les sous-étapes suivantes : E21) détermination d'un premier signal de comparaison défini par la différence entre 10 la valeur absolue de la réponse impulsionnelle acoustique avec obstacle et la valeur absolue de la réponse impulsionnelle acoustique de référence ; E22) détermination d'un second signal de comparaison défini par l'aire sous la courbe correspondant au premier signal de comparaison ; E24) détermination d'un troisième signal de comparaison défini par la différence 15 entre le second signal de comparaison et une courbe de détection caractéristique de la conduite et de la taille de l'obstacle à détecter un obstacle étant détecté dès lors que l'amplitude du signal de détection est supérieure à la courbe de détection ; E25) détermination de la position temporelle du maximum local du troisième signal, le maximum local étant caractéristique d'un obstacle. 20 Le procédé comprend une étape E4) de caractérisation géométrique de l'obstacle détecté consistant à déterminer à partir du troisième signal de comparaison la largeur et la hauteur de l'obstacle détecté dans la conduite. La largeur de l'obstacle est définie par la fonction suivante L = c. F avec L la largeur de l'obstacle détecté, F la largeur à mi-hauteur du maximum local 25 du troisième signal de comparaison correspondant à l'obstacle détecté et c la célérité du son dans l'air. La hauteur de l'obstacle est définie par la fonction suivante h = tx. diam avec h la hauteur de l'obstacle détecté, diam le diamètre de la conduite considérée, tx le taux d'obturation défini par tx = x(i)/re Loo(i), x(i) étant la réponse impulsionnelle 30 acoustique avec obstacle, refloo(i) étant une courbe de détection pour une obturation totale de la conduite. 3048779 4 La largeur à mi-hauteur du maximum local du troisième signal de comparaison correspondant à l'obstacle détecté est définie par la fonction suivante F = 2V 2/n2. °- avec 6 l'écart type d'une fonction gaussienne étalonnée pour épouser le maximum local du premier signal de comparaison correspondant à l'obstacle détecté à la position temporelle 5 déterminée à l'étape E25). Le procédé comprend une étape préliminaire EO) préliminaire de détermination d'une réponse impulsionnelle acoustique de référence de la conduite obtenue sans obstacle. La source sonore émet un signal acoustique large bande ayant les caractéristiques suivantes : 10 - une résolution temporelle importante (fréquence d'échantillonnage élevée) afin de pouvoir effectuer une rééchantillonnage de qualité si besoin ; - un niveau signal sur bruit élevé au moment de la réception du signal afin de diminuer le taux d'obturation minimal détecté. L'invention concerne également un système de détection d'un obstacle dans une 15 conduite comprenant une source sonore destinée à être disposée dans la conduite à surveiller, un microphone destiné à être disposé en aval de la source dans le sens de propagation du son dans la conduite, une unité de traitement configurée pour mettre en oeuvre un procédé selon l'une des revendications précédentes. L'invention se fonde sur la combinaison de l'application d'une méthode acoustique à 20 une conduite avec un traitement de signal adapté à la détection automatique. L'invention permet de détecter un obstacle tel qu'un bouchon de glace pour un taux d'obturation supérieur à 25 % du diamètre de la conduite. Par comparaison avec des mesures antérieures, il sera possible de suivre l'évolution de l'obstacle, ce qui permettra à l'exploitant de la conduite de mieux anticiper les mesures 25 correctives à prendre. Le procédé permet aussi de localiser l'obstacle au sein de la conduite de décharge, ce qui fait gagner du temps à l'exploitant qui n'aura plus besoin de rechercher le long de sa conduite l'endroit où le ballon est resté coincé. Il est possible de déterminer de façon approximative le taux d'obturation ainsi que 30 les dimensions dans le sens de l'axe de la conduite de décharge du bouchon de glace. Ce procédé peut aussi être appliqué à des conduites où le lancer de ballon ne peut pas être mis en oeuvre. Enfin, la détection de l'obstacle peut être effectuée autant de fois que nécessaire avec ce système. 3048779 5 PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en 5 regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un système de détection d'un obstacle dans une conduite selon l'invention ; - la figure 2 illustre des étapes d'un procédé de détection selon l'invention ; - les figures 3a et 3b illustrent des réponses impulsionnelles acoustiques mesurées 10 au cours du procédé de détection selon l'invention ; - la figure 4 illustre le résultat après traitement du signal mesuré. Sur l'ensemble des figures les éléments similaires portent des références identiques. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 15 On a illustré sur la figure 1 une conduite CO dans laquelle est disposé un système 1 de détection d'un obstacle dans la conduite CO. Un tel obstacle est par exemple un bouchon de glace. Dans la conduite CO sont disposés une source 2 acoustique en amont de la conduite CO et un récepteur 3 acoustique tel qu'un microphone placé devant la source 2 dans le sens 20 de propagation du son dans la conduite CO. La position dans la conduite CO du récepteur 3 et de la source 2 sont connues et sont positionnés l'un par rapport à l'autre de telle sorte qu'un obstacle ne peut se trouver entre la source 2 et le récepteur 3. La source 2 et le récepteur 3 sont en outre reliés (de manière filaire ou sans fil) à 25 unité 4 de traitement, tel qu'un processeur, configurée pour mettre en oeuvre un procédé de détection ci-dessous décrit en relation avec la figure 2. Le procédé comprend une étape EO) préliminaire de détermination d'une réponse impulsionnelle acoustique de référence de la conduite CO obtenue sans obstacle, à l'installation de la conduite CO par exemple. 30 A ce titre, la source émet un signal acoustique qui est reçu par le récepteur 3, le signal acoustique reçu étant la réponse impulsionnelle acoustique de référence. On précise ici que l'on entend par « réponse impulsionnelle acoustique » la réponse temporelle de la conduite CO à un signal acoustique émis dans la conduite CO. Pour effectuer la détection d'un obstacle dans la conduite, le procédé comprend une 35 étape El) d'obtention d'une réponse impulsionnelle acoustique avec obstacle de la conduite 3048779 6 obtenue par émission d'un signal acoustique au moyen de la source 2 et réception du signal acoustique émis au moyen du récepteur 3. Puis à partir de cette fonction de transfert acoustique avec obstacle, le procédé comprend une étape E2) de détection à partir de la réponse impulsionnelle acoustique de 5 référence et de la réponse impulsionnelle acoustique d'un obstacle. Les réponses impulsionnelles sont mesurées de façon à obtenir une résolution temporelle importante (fréquence d'échantillonnage élevée) afin de pouvoir effectuer une rééchantillonnage de qualité si besoin et un niveau signal sur bruit élevé au moment de la réception du signal afin de diminuer le taux d'obturation minimal détecté. 10 On a illustré sur les figures 3a et 3b, la réponse impulsionnelle acoustique de référence (figure 3a) et la réponse impulsionnelle acoustique avec obstacle obtenue avec un obstacle obturant la conduite à 75% de sa section (figure 3b). Sur ces figures, que ce soit la réponse impulsionnelle acoustique de référence ou la réponse impulsionnelle acoustique avec obstacle, il y a un premier maximum entre 0 et 1 s. Il s'agit du signal direct issu de la 15 source 2. Puis, entre 4 et 5 s cette fois-ci uniquement pour la réponse impulsionnelle avec obstacle on a un autre maximum, il s'agit du signal acoustique réfléchi par l'obstacle. Ainsi, la présence d'un obstacle est caractérisée par un maximum local de la réponse impulsionnelle acoustique avec obstacle. Comme on va la décrire dans ce qui suit, la détection de l'obstacle consiste 20 notamment à comparer la réponse impulsionnelle acoustique de référence avec la réponse impulsionnelle acoustique avec obstacle. Une telle comparaison entre les deux fonctions est effectuée à l'aide de traitements du signal en plusieurs étapes. De manière avantageuse, afin de faciliter l'utilisation d'un tel procédé ce dernier est 25 automatisé. En particulier, l'étape E2) de détection consiste à mettre en oeuvre les sous-étapes suivantes. On détermine E21) un premier signal de comparaison défini par la différence entre la valeur absolue de la réponse impulsionnelle avec obstacle et la valeur absolue de la réponse 30 impulsionnelle de référence. L'utilisation des valeurs absolues permet de s'affranchir de l'effet d'un simple déphasage entre les deux réponses impulsionnelles. Le calcul de la différence permet de supprimer la majeure partie du signal direct (c'est-à-dire le signal reçu par le récepteur issu directement de la source) et des réflexions 35 parasites, par exemple dues à la présence de coudes dans la conduite. 3048779 7 Pour s'assurer que la différence ne fasse apparaitre que la réflexion supplémentaire due à l'obstacle on peut mettre en oeuvre une étape E02) E12) de recalage sur les signaux mesurés (réponse impulsionnelle acoustique de référence et réponse impulsionnelle acoustique avec obstacle). En effet, le signal direct est le premier niveau sonore capté par le 5 récepteur d'un son en provenance de la source. Le recalage est effectué par rééchantillonnage appliqué à chaque échantillon si les directs des signaux ne se superposent pas. Ce prétraitement est essentiel si l'on veut pouvoir comparer des mesures effectuées à des moments très différents, comme par exemple en été et en hiver, où les conditions météorologiques ne sont pas identiques et par conséquent la célérité du son dans l'air n'est 10 pas identique. De même préalablement au recalage on peut mettre en oeuvre une étape E01), E11) de lissage des les signaux mesurés (réponse impulsionnelle acoustique de référence et réponse impulsionnelle acoustique avec obstacle). Un tel lissage est en particulier obtenu par le calcul de la moyenne glissante prise 15 sur un nombre déterminé d'échantillons (20 par exemple). Le lissage permet de lisser le signal tout en conservant la granulométrie nécessaire pour visualiser les détails déterminants. Pour le premier échantillon, on calcule une moyenne des échantillons 1 à N (N=20 par exemple) ; pour le deuxième échantillon, on calcule une moyenne des échantillons de 2 à N+1 ; et ainsi de suite : E21 xG+j) 20 Y(i)i 20 avec - x le signal temporel avant lissage ; - y le signal temporel après application du traitement de lissage ; - j l'indice de l'échantillon du signal ; 25 - i l'indice des échantillons qui vont être sommés. Suite au lissage et/ou recalage, on détermine E22) un second signal de comparaison défini par l'aire sous la courbe correspondant au premier signal de comparaison. Le calcul de l'aire permet d'augmenter l'effet de la réflexion recherchée et met en avant la partie que l'on souhaite détecter de façon automatique. 30 Puis on détermine E24) un troisième signal de comparaison défini par la différence entre le second signal de comparaison et une courbe de détection (déterminée au cours d'une étape E23) caractéristique de la conduite et de la taille de l'obstacle à détecter, un obstacle étant détecté dès lors que l'amplitude du signal de détection est supérieure à la courbe de détection. pour j= 1 à longueur du signal - N 3048779 8 La courbe de détection dépend de l'amplitude du signal mesuré. Elle est ajustée à chaque installation de la conduite et dépend du taux d'obturation critique que l'on souhaite détecter dans la conduite ainsi que de la fréquence d'échantillonnage, l'amplitude du signal, la qualité du recalage sur le signal direct et la longueur et diamètre de la conduite. 5 Afin de s'affranchir de la détection de réflexions inhérentes au signal mesuré et notamment le son direct, le calcul E23 de la courbe de détection (noté ref) s'effectue en prenant en compte la décroissance du son due à l'absorption le long des parois de la conduite en fonction de la distance à partir d'un niveau sonore proportionnel au niveau du direct du signal. 10 La courbe de détection est définie par la fonction suivante : ref(r + o f = a + b* , r est l'indice de l'échantillon du signal ; off une valeur de décalage en échantillon en abscisse ; a une valeur correspondant à l'absorption de l'énergie avec 0 2 f (x) = . e 262 30 avec : - f (x) la fonction gaussienne ; - x la position de la réflexion de l'obstacle ; 3048779 10 - 6 l'écart type ; - la l'espérance mathématique. Ensuite on détermine la largeur à mi-hauteur du maximum local du troisième signal de comparaison correspondant à l'obstacle détecté qui est définie par la fonction suivante F = 2V 2/n2. 5 avec 6 l'écart type d'une fonction gaussienne étalonnée pour épouser le maximum local du premier signal de comparaison correspondant à l'obstacle détecté à la position temporelle déterminée à l'étape E25). Puis on détermine la hauteur du maximum local du troisième signal qui est représentative du taux d'obturation de la conduite CO. x(i) 10 tx le taux d'obturation calculé ; x le signal sonore temporel ; refloo la courbe de détection pour l'obturation totale ; i l'indice de l'échantillon où a été détectée la réflexion du bouchon. Enfin, on détermine la largeur L et la hauteur h de l'obstacle en supposant d'une 15 part que la largeur du maximum local est équivalente à la largeur de l'obstacle et que la hauteur du maximum local est proportionnelle à l'épaisseur de l'obstacle pouvant au maximum combler le diamètre de la conduite. La largeur de l'obstacle est définie par la fonction suivante L = c. F avec L la largeur de l'obstacle détecté, F la largeur à mi-hauteur du maximum local 20 du troisième signal de comparaison correspondant à l'obstacle détecté et c la célérité du son dans l'air. La hauteur h de l'obstacle est définie par h = tx. diam avec h la hauteur de l'obstacle détecté, diam le diamètre de la conduite (CO) considérée, tx le taux d'obturation défini par tx = x(i)/refloo(i), x(i) étant la réponse 25 impulsionnelle acoustique avec obstacle, refloo(i) étant une courbe de détection pour une obturation totale de la conduite. tx = re Loo (i) REVENDICATIONS1. Procédé de détection d'un obstacle dans une conduite (CO), au moyen d'un système (1) de détection comprenant une source (2) acoustique et un récepteur (3) acoustique placé devant la source (2) dans le sens de propagation du son dans la conduite (CO) depuis la source et une unité (4) de traitement configurée pour mettre en oeuvre des étapes suivantes : El) obtention d'une réponse impulsionnelle acoustique avec obstacle de la conduite par émission d'un signal acoustique au moyen de la source (2) et réception du signal acoustique émis au moyen du récepteur (3) ; E2) détection d'un obstacle dans la conduite à partir de la réponse impulsionnelle acoustique avec obstacle et d'une réponse impulsionnelle acoustique de référence. 2. Procédé de détection selon la revendication 1, comprenant une étape E3) de localisation de l'obstacle dans la conduite à partir de la réponse impulsionnelle acoustique avec obstacle obtenue à l'étape El), consistant à déterminer les paramètres suivants : o le temps T1 que met le son de la source pour atteindre le microphone ; o le temps T2 aller-retour que met le son pour atteindre l'obstacle depuis le micro ; o le temps T3 que met le son pour atteindre l'obstacle depuis la source ; déterminer la distance dsource-obstacle entre la source et l'obstacle au moyen de la fonction suivante : T2(T3 - T1 dsource-obstacle =\ 2 + T1). C= 2 + T1) I. c avec c la célérité du son dans l'air. 3. Procédé de détection selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'étape E2) de détection consiste à mettre en oeuvre les sous-étapes suivantes : E21) détermination d'un premier signal de comparaison défini par la différence entre la valeur absolue de la réponse impulsionnelle acoustique avec obstacle et la valeur absolue de la réponse impulsionnelle acoustique de référence ; E22) détermination d'un second signal de comparaison défini par l'aire sous la courbe correspondant au premier signal de comparaison ; 3048779 12 E24) détermination d'un troisième signal de comparaison défini par la différence entre le second signal de comparaison et une courbe de détection caractéristique de la conduite et de la taille de l'obstacle à détecter un obstacle étant détecté dès lors que l'amplitude du signal de détection est supérieure à la courbe de détection ; 5 E25) détermination de la position temporelle du maximum local du troisième signal, le maximum local étant caractéristique d'un obstacle. 4. Procédé de détection selon la revendication 3, comprenant une étape E4) de caractérisation géométrique de l'obstacle détecté consistant à déterminer à partir du 10 troisième signal de comparaison la largeur et la hauteur de l'obstacle détecté dans la conduite. 5. Procédé de détection selon la revendication 4, dans lequel la largeur de l'obstacle est définie par la fonction suivante L = c. F 15 avec L la largeur de l'obstacle détecté, F la largeur à mi-hauteur du maximum local du troisième signal de comparaison correspondant à l'obstacle détecté et c la célérité du son dans l'air. 6. Procédé de détection selon l'une des revendications 4 à 5, dans lequel la hauteur de 20 l'obstacle est définie par la fonction suivante h = tx. diam avec h la hauteur de l'obstacle détecté, diam le diamètre de la conduite (CO) considérée, tx le taux d'obturation défini par tx = x(i)/refloo(i), x(i) étant la réponse impulsionnelle acoustique avec obstacle, re Loo(i) étant une courbe de détection pour une obturation totale de la conduite. 25 7. Procédé de détection selon l'une des revendications 5 à 6, dans lequel la largeur à mi-hauteur du maximum local du troisième signal de comparaison correspondant à l'obstacle détecté est définie par la fonction suivante F = 2V 2/n2. °- avec 6 l'écart type d'une fonction gaussienne étalonnée pour épouser le maximum local du 30 premier signal de comparaison correspondant à l'obstacle détecté à la position temporelle déterminée à l'étape E25). 3048779 13 8. Procédé de détection selon l'une des revendications précédentes, comprenant une étape préliminaire EO) préliminaire de détermination d'une réponse impulsionnelle acoustique de référence de la conduite (CO) obtenue sans obstacle. 5 9. Procédé de détection selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la source sonore émet un signal acoustique large bande ayant les caractéristiques suivantes : - une résolution temporelle importante (fréquence d'échantillonnage élevée) afin de pouvoir effectuer une rééchantillonnage de qualité si besoin ; - un niveau signal sur bruit élevé au moment de la réception du signal afin de 10 diminuer le taux d'obturation minimal détecté. 10. Système de détection d'un obstacle dans une conduite (CO) comprenant une source sonore destinée à être disposée dans la conduite à surveiller, un microphone destiné à être disposé en aval de la source dans le sens de propagation du son dans la conduite (CO), une 15 unité de traitement configurée pour mettre en oeuvre un procédé selon l'une des revendications précédentes.