Brevet FR3100326A1 — publié le 20210305

Description Titre de l'invention : Appareil de mesure du périmètre d'un objet déformable, utilisation de l'appareil pour la pléthysmographie par inductance ou sur un obturateur gonflable, dispositifs de mesure par mise en pression du sous-sol et par compression d'un échantillon de sol ou de roche [0001] La présente invention concerne en général un appareil de mesure inductif, adapté pour mesurer les modifications du périmètre d'un objet déformable. Elle concerne également l'application de cet appareil dc mesure dans le domaine dc la plethysmographic par inductance, ainsi que pour la mesure du périmètre d'un élément gonflable du type utilisé dans les sondes pressiométriques ou dilatométriques dans le domaine géotechnique ou d'un élément gonflable du type obturateur gonflable ou packer gonflable du type utilisé dans les domaine pétrolier, géothermique ou géotechnique. [0002] Plus précisément l'invention concerne selon un premier aspect un appareil de mesure d'un périmètre ou d'une variation d'un périmètre d'un objet déformable, l'appareil de mesure comprenant une unité de mesure d'inductance. [0003] Les essais pressiometrique et dilatométrique sont des essais de chargement effectués dans le sous-sol, généralement dans un forage calibré, dont l'analyse permet d'obtenir des propriétés mécaniques du sous-sol comme par exemple le module pressiométriquc EM. Dans le cas du dilatomètre la mesure de la dilatation est réalisée par des capteurs de déplacement, dans le cas du pressiomètre la mesure de la dilatation est déduite du volume du fluide injecté pour remplir la sonde. [0004] Pour réaliser ce type de mesure, un objet déformable par dilatation, ici une cellule dé- formable, est mise sous pression, par paliers de pressions croissants, en injectant le fluide du réservoir dc fluide au moyen de l'organe de transfert dc l'unité de transfert. Pour chaque palier de pression, le volume de fluide injecté est mesuré. [0005] Dans le cas du dilatomètre la mesure dc la dilatation est réalisée par des capteurs dc déplacement, dans le cas du pressiomètre la mesure de la dilatation est déduite du volume du fluide injecté pour remplir la sonde. [0006] Cependant, de tels type de dispositifs de mesure qu'il s'agisse du pressiomètre ou du dilatomètre ne permettent pas d'avoir des mesures précises : dans le cas du pressiomètre l'estimation du diamètre se fait par déduction du volume de fluide injecté et est donc entachée d'incertitudes, de plus la mesure par pressiomètre ne peut pas être précise dans le cas d'un terrain stratifié (composé de couches de matériaux non 2 homogènes). . Quant au dilatomètre les mesures de déformation ne sont précises que sur les points de contact des capteurs, en général au nombre de trois. [0007] Une solution à un tel problème est de mesurer le périmètre à différentes hauteurs lon- gitudinales de la cellule déformahle, celle-ci ayant une section transversale dont le périmètre varie en fonction du type de matériau du sous-sol autour, une fois la cellule déformahle mise sous pression et au fur et à mesure de son gonflement par paliers. Ainsi en fonction du périmètre aux différentes hauteurs longitudinales de la cellule deformable et de sa pression, il est possible d'obtenir des mesures précises du sous-sol prenant notamment en compte l'hétérogénéité verticale du sous-sol. [0008] Il est possible de calculer le périmètre d'un enroulement en fonction de son in- ductance. Cependant, un tel calcul de périmètre n'est applicable que pour des enroulements de périmètre fixe et n'est donc pas applicable pour calculer le périmètre d'une cellule déformahle sans avoir à changer l'enroulement utilisé. [0009] En outre, une telle mesure de périmètre est notamment utilisée dans le domaine de la pléthysmographie par inductance, pour mesurer un périmètre autour d'une partie du corps d'un individu ou d'un animal. [0010] Le document US 5913830 décrit un appareil de mesure du périmètre autour d'une partie du corps d'un individu, en mesurant l'inductance d'un fil électrique fixé à une bande élastique, elle-même enroulé autour de la partie du corps de l'individu. Cependant, un tel appareil ne permet pas d'avoir des mesures précises de périmètre. En outre, un tel dispositif ne permet pas d'effectuer des mesures sur une plage importante de dilatation, étant donné que la précision de mesures avec un tel dispositif décroit, lorsque le périmètre mesuré augmente. En effet les bandes inductives utilisées en pléthysmographie par inductance (communément appelées ceintures de pléthysmographie par inductance) associent par exemple par couture ou collage un fil électrique à une bande élastique en faisant faire au fil des zig zags, des sinusoïde ou d'autres formes courbes régulières, à plat sur tout ou partie de la longueur de la bande élastique. La bande élastique, en s'allongeant quand elle est étirée, va entrainer le fil conducteur et va donc écarter et aplatir les courbes formées par le fil conducteur (figure 10). [0011] Le brevet US4308872A divulgue un appareil de pléthysmographie par inductance mettant en oeuvre un fil électrique hélicoïdal fixé par des points réguliers à une bande élastique. [0012] La présente invention a pour but de proposer un appareil de mesure d'un périmètre ou d'une variation de périmètre d'un objet déformahle permettant de mesurer de façon précise un périmètre variable sans avoir à le régler ou le repositionner entre différentes mesures, et ce pour une plage étendue de dilatation. [0013] A cet effet, la présente invention porte sur un appareil de mesure du type précité ca- ractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un câble hybride élastique enroulé 3 autour de l'objet déformable, le ou chaque câble hybride élastique comprenant un fil d'un premier type et un fil d'un second type, [0014] pour le ou chaque câble hybride élastique, le fil du premier type présentant un degré de ténacité inférieur à celui du fil du second type, le fil du second type présentant un degré d'élasticité inférieur à celui du fil du premier type, le fil du second type comprenant un matériau conducteur, [0015] pour le ou chaque câble hybride élastique, le fil du second type, lorsque ledit câble hybride élastique est au repos, étant enroulé en hélice autour du fil du premier type, [0016] l'unité de mesure comprenant pour le ou chaque câble hybride élastique une paire de bornes de mesure connectées électriquement à deux points de référence dudit câble hybride élastique et étant apte à mesurer l'inductance du fil du second type dudit câble hybride élastique entre les deux points de référence dudit câble hybride élastique. [0017] Un tel appareil permet de mesurer de manière très précise le périmètre ou les va- riations de périmètre d'un objet déformable, et ce sur une plage étendue de dilatation. [0018] Ceci est dû en particulier au fait que le câble hybride peut subir une extension considérable tout en conservant la même forme générale. [0019] Notamment, le fil du second type, comportant le matériau conducteur, reste agencé selon une forme de solénoïde, le solénoïde conservant sensiblement le même diamètre. [0020] L'appareil permet de faire des mesures sur une plage de dilatation pouvant atteindre un rapport 1 :3, sans dégradation de la précision. [0021] La précision de mesure est inférieure à quelques dizaines de micromètres pour la mesure du périmètre de l'objet déformable. [0022] Par ailleurs, le câble hybride peut subir un grand nombre de cycles d'extension et de rétractation, sans endommagement, et notamment sans que l'agencement du fil du second type soit perturbé. Le fil du premier type, relativement plus élastique, ramène le fil de second type dans sa configuration de départ, de manière ordonnée, lors de la rétractation. [0023] L'appareil de mesure permet donc une excellente répétabilité de la mesure, sans dé- gradation de la précision. [0024] L'appareil est extrêmement simple à mettre en oeuvre. [0025] Par ailleurs, le câble hybride présente une faible résistance à l'extension. Une forte résistance à l'extension serait susceptible de perturber la mesure. [0026] La bande inductive de US4308872A ne permet pas de faire des mesures précises et de grande amplitude sans dégrader la géométrie du fil hélicoïdal et donc perturber les mesures répétées. A ce jour, cet appareil n'est pas utilisé. [0027] Dans l'invention, la géométrie de ce fil hybride au repos ne se détériore pas après une sollicitation cyclique et ce fil hybride n'a pas besoin d'être associé à une bande élastique. [0028] Selon des modes particuliers de réalisation, l'appareil de mesure comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : [0029] - l'appareil de mesure comprend en outre une unité de calcul connectée élec- triquement à l'unité de mesure et configurée pour calculer pour le ou chaque câble hybride élastique, le périmètre de l'objet déformable autour dudit câble hybride élastique, en utilisant l'inductance du fil du second type dudit câble hybride élastique mesurée ; [0030] - l'objet déformable comprend une section transversale de forme sensiblement circulaire au niveau du ou de chaque câble hybride élastique, le périmètre calculé par l'unité de calcul pour un câble hybride élastique en utilisant l'inductance du fil du second type dudit câble hybride élastique mesurée étant proportionnel à ladite inductance mesurée par l'unité de mesure ; [0031] - l'unité de calcul est configurée pour calculer, pour le ou chaque câble hybride élastique, le diamètre de la section transversale au niveau dudit câble hybride élastique en utilisant l'inductance du fil du second type dudit câble hybride élastique mesurée, le diamètre calculé par l'unité de calcul pour un câble hybride élastique étant proportionnel à ladite inductance mesurée par l'unité de mesure ; [0032] - chaque calcul de diamètre effectué par l'unité de calcul a une précision inférieure à 10 micromètres ; [0033] - pour le ou chaque câble hybride élastique, chaque point de référence dudit câble hybride élastique à une position fixe sur l'objet déformable. [0034] L'invention concerne également un dispositif de mesure par mise en pression du sous-sol comprenant : [0035] - au moins une sonde pressiométrique destinée à être introduite dans un forage du sous-sol, ladite sonde pressiométrique comprenant une cellule déformable, et [0036] - une unité de transfert configurée pour introduire un fluide à l'intérieur de la cellule déformable, [0037] caractérisé en ce qu'il comprend en outre un appareil de mesure du périmètre de la cellule déformable, l'appareil de mesure ayant les caractéristiques ci-dessus, le ou chaque câble hybride élastique de l'appareil de mesure étant enroulé autour de la cellule déformable de la sonde pressiométrique [0038] Selon des modes particuliers de réalisation, le dispositif de mesure comprend plusieurs câbles hybrides élastiques répartis sur la cellule déformable à des hauteurs longitudinales prédéfinies différentes. [0039] L'invention concerne également l'utilisation de l'appareil de mesure présenté ci- dessus dans le domaine de la pléthysmographie par inductance pour mesurer le périmètre d'une partie du corps d'un individu ou ladite partie du corps, caractérisée en ce que l'appareil de mesure présente les caractéristiques ci-dessus, le ou chaque câble hybride élastique de l'appareil de mesure étant enroulé autour de ladite partie du corps de l'individu, ladite partie du corps d'un individu étant par exemple le torse. [0040] L'invention concerne également un dispositif de mesure par compression d'un échantillon de sol ou de roche, le dispositif comprenant : [0041] - une enceinte apte à contenir un fluide, l'échantillon étant positionné dans l'enceinte, [0042] - un piston configure pour exercer une force axiale sur l'échantillon à une pression définie, et [0043] - un appareil de mesure ayant les caractéristiques ci-dessus, le ou chaque câble hybride élastique de l'appareil de mesure étant enroulé autour de l'échantillon. [0044] L'invention concerne également l'utilisation d'un appareil de mesure pour mesurer le périmètre d'un obturateur gonflable ou packer ou contrôler la dilatation du dit obturateur ou packer, l'appareil de mesure ayant les caractéristiques ci-dessus, le ou chaque câble hybride élastique de l'appareil de mesure étant enroulé autour du dit obturateur ou dudit packer. [0045] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées parmi lesquelles : [0046] - [fig.1] la figure 1 est une représentation schématique simplifiée de l'appareil de mesure de l'invention, monté autour d'un objet déformable ; [0047] - [fig.2] la figure 2 est une représentation similaire à celle de la figure 1, après di- latation de l'objet déformable ; [0048] - [fig.3] la figure 3 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un câble hybride élastique de l'appareil de mesure de la figure 1 au repos, [0049] - [fig.4] les figures 4 est une vue de côté et en coupe longitudinale schématique du câble hybride élastique de la figure 3 à un taux d'allongement maximal Kmax, [0050] - [fig.5] la figure 4 est une représentation graphique de l'inductance d'un câble hybride élastique mesurée par l'unité de mesure de la figure 1 en fonction du diamètre de l'objet défonnable de la figure 1, [0051] - [fig.6] la figure 6 est une représentation schématique d'une sonde pressiométrique équipée de l'appareil de mesure de la figure 1 ; [0052] - [fig.7] la figure 7 est une représentation schématique illustrant l'utilisation d'un appareil de mesure selon l'invention dans le domaine de la pléthysmographie par inductance ; [0053] - [fig.8] la figure 8 représente un dispositif de mesure par compression d'un échantillon de sol ou de roche comprenant notamment un appareil de mesure selon l'invention ; [0054] - [fig.9] la figure 9 est une représentation schématique illustrant l'utilisation d'un 6 appareil de mesure selon l'invention pour mesurer le périmètre d'un obturateur gonflable ou packer ; et [0055] - [fig.10] la figure 10 illustre l'état au repos et l'état étiré de deux ceintures de plé- thysmographic par inductance de l'état de la technique, l'une avec un fil conducteur en sinusoïde et l'autre avec un fil conducteur en zig-zag. [0056] L'appareil de mesure 50 représenté sur les figures 1 à 5 est destiné à mesurer le périmètre ou la variation du périmètre (dilatation) d'un objet déformable 22. [0057] Il est bien adapté pour être utilisé dans un dispositif de mesure 10 par mise en pression du sous-sol 15, du type représenté schématiquement sur la figure 6. [0058] Il est également particulièrement bien adapté pour être utilisé dans le domaine de la pléthysmographie par inductance, comme illustré sur la figure 7, par exemple pour mesurer le périmètre ou la dilatation d'une partie du corps d'un individu ou d'un animal. Cette partie du corps est par exemple le torse, un bras, une cuisse, etc. [0059] De même, il est adapté pour être utilisé pour des mesures sur des essais de com- pression simple ou triaxialc d'un échantillon de sol ou de roche, comme illustré sur la figure 8. [0060] Il est encore adapté pour être utilisé pour mesurer le périmètre d'un obturateur gonflable ou packer ou contrôler la dilatation dudit obturateur ou packcr, comme illustré sur la figure 9. [0061] Il est susceptible d'être utilisé également dans tout autre domaine, pour mesurer le périmètre ou la dilatation de tout autre objet déformable. [0062] On entend ici par objet déformable tout corps, inerte ou vivant, dont le périmètre est susceptible de changer, spontanément ou sous l'effet d'une force externe. [0063] L'appareil de mesure 50 est plus particulièrement destiné à mesurer le périmètre de l'objet déformable 22. En variante, il est destiné à mesurer son diamètre ou son rayon, dans le cas d'un objet de section circulaire. Selon une autre variante, il mesure la dilatation de l'objet déformable 22, c'est-à-dire la variation de volume ou de périmètre de cet objet. [0064] L'appareil de mesure 50 comprend au moins un câble hybride élastique 52 d'une longueur prédéterminée enroulé autour de l'objet déformable 22, à une hauteur longitudinale prédéfinie. [0065] Sur les figures 1 et 2, l'objet déformable 22 a une forme cylindrique. En variante, il a toute autre forme adaptée pour que le câble hybride puisse être enroulé autour de l'objet 22. [0066] L'appareil de mesure 50, selon l'invention, comprend en outre une unité de mesure 54 d'inductance connectée électriquement par une ou des paires de bornes de mesures 56 à une paire de points de référence 58 de chaque câble hybride élastique 52, et une unité de calcul 60 connectée électriquement à l'unité de mesure 54. 7 [0067] Par exemple, les points de référence 58 d'un câble hybride élastique 52 cor- respondent aux extrémités du câble hybride élastique 52. [0068] De préférence, les points de référence 58 de chaque câble hybride élastique 52 ont une position fixe sur l'objet deformable 22. [0069] La figure 3 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un câble hybride élastique 52 au repos, tel que compris dans l'appareil de mesure 50. [0070] Le câble hybride élastique 52 comprend un fil d'un premier type 64, dit de haute élasticité, et un fil d'un second type 66, dit de haute ténacité. [0071] Le fil 64 de haute élasticité présente un degré de ténacité inférieur à celui du fil 66 de haute ténacité, et le fil 66 de haute ténacité présente un degré d'élasticité inférieur à celui du fil 64 de haute élasticité. [0072] Sur les figures 1 à 4, les sections des fils 64 et 66 ne sont pas à l'échelle par rapport aux dimension des corps déformables. [0073] Lorsque le câble hybride élastique est au repos, le fil 66 de haute ténacité est enroulé en hélice autour du fil 64 de haute élasticité, comme représenté sur la figure 3. Au fur et à mesure de l'allongement du câble hybride élastique 52, les positions relatives des deux fils 64 et 66 s'inversent, pour aboutir à une configuration où à partir d'un taux d'élongation maximal K,,', le fil 64 de haute élasticité est enroulé en spirale autour du fil 66 de haute ténacité tendu, comme illustré sur la figure 4. [0074] Ainsi, au repos, le fil 66 de haute ténacité forme un solénoïde torique circulaire d'axe longitudinal. Au fur et à mesure de l'allongement, les spires du solénoïde sont de plus en plus écartées et le rayon des spires diminue. [0075] Le fil 64 de haute élasticité peut être choisi parmi les fils du groupe suivant : fils d'élastomère tels que des fils de polyuréthanes, fils d'élasthanne, ou une combinaison de ces fils. [0076] Le fil 66 de haute ténacité comprend un matériau conducteur. [0077] Par exemple, le fil 66 de haute ténacité est constitué de fils émaillés en matériau conducteur. [0078] En variante, le fil 66 de haute ténacité est constitué de fils émaillés en matériau conducteur doublé d'un fil choisi parmi les fils du groupe suivant : fils de fibres naturelles, tels que coton, lin ou chanvre, fils de verre, fils de carbone, fils de fibres organiques telles que aramide, para-aramide, polyester, polypropylène, polyamide, d'aramide ou une combinaison de ces fils. Le fil choisi et les fils émaillés sont enroulé l'un autour de l'autre en double hélice, formant le fil 66 de haute ténacité. [0079] De préférence, le fil de haute ténacité 66 et le fil de haute élasticité 64 présentent un rapport de leurs modules d'élasticité supérieur ou égal à 10000. [0080] Selon un exemple particulier de réalisation de l'invention, le fil 64 de haute élasticité est constitué d'un fil dont le module d'élasticité longitudinal est égal à environ 2 MPa. 8 Le fil 66 de haute ténacité est constitué de fils émaillés en cuivre doublé d'un fil d'aramide de titre 1600 dTex, commercialisé sous la marque Kevlar(E', par exemple, dont le module d'élasticité longitudinal est égal à environ à 30000 MPa.. [0081] Le câble hybride élastique 52 est par exemple du type décrit dans la demande WO 2013/110731. [0082] Selon cet exemple, en pleine élongation, le câble hybride est dans une configuration où le fil de haute élasticité est enroulé en hélice autour du fil de haute ténacité avec un nombre de spires par mètre linéaire du câble hybride compris entre n -15% et rt, +15%. ns., est déterminé en fonction du diamètre du fil de haute élasticité, du diamètre du fil de haute ténacité et d'un taux d'élongation maximale prédéterminé, à partir de la formule suivante : [0083] rom 4rc',t' -F2CsCi) are - For K es REVENDICATIONSAppareil (50) de mesure d'un périmètre ou d'une variation d'un périmètre d'un objet déformable (22), l'appareil (50) de mesure comprenant une unité de mesure d'inductance (54), caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un câble hybride élastique (52) enroulé autour de l'objet déformable (22), le ou chaque câble hybride élastique (52) comprenant un fil d'un premier type (64) et un fil d'un second type (66), pour le ou chaque câble hybride élastique (52), le fil du premier type (64) présentant un degré de ténacité inférieur à celui du fil du second type (66), le fil du second type (66) présentant un degré d'élasticité inférieur à celui du fil du premier type (64), le fil du second type (66) comprenant un matériau conducteur, pour le ou chaque câble hybride élastique (52), le fil du second type (66), lorsque ledit câble hybride élastique (52) est au repos, étant enroulé en hélice autour du fil du premier type (64), l'unité de mesure (54) comprenant pour le ou chaque câble hybride élastique (52) une paire de bornes de mesure (56) connectées électriquement à deux points de référence (58) dudit câble hybride élastique (52) et étant apte à mesurer l'inductance du fil du second type (66) dudit câble hybride élastique (52) entre les deux points de référence (58) dudit câble hybride élastique (52). Appareil (50) selon la revendication 1, comprenant en outre une unité de calcul (60) connectée électriquement à l'unité de mesure (54) et configurée pour calculer pour le ou chaque câble hybride élastique (52), le périmètre de l'objet déformable (22) autour dudit câble hybride élastique (52), en utilisant l'inductance du fil du second type (66) dudit câble hybride élastique (52) mesurée. Appareil (50) selon la revendication 2, dans lequel l'objet déformable (22) comprend une section transversale de forme sensiblement circulaire au niveau du ou de chaque câble hybride élastique (52), le périmètre calculé par l'unité de calcul (60) pour un câble hybride élastique (52) en utilisant l'inductance du fil du second type (66) dudit câble hybride élastique (52) mesurée étant proportionnel à ladite inductance mesurée par l'unité de mesure (54). Appareil (50) selon la revendication 3, dans lequel l'unité de calcul (54) est configurée pour calculer, pour le ou chaque câble hybride élastique 18 [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] (52), le diamètre de la section transversale au niveau dudit câble hybride élastique (52) en utilisant l'inductance du fil du second type (66) dudit câble hybride élastique (52) mesurée, le diamètre calculé par l'unité de calcul (60) pour un câble hybride élastique (52) étant proportionnel à ladite inductance mesurée par l'unité de mesure (54). Appareil (50) selon la revendication 4, dans lequel chaque calcul de diamètre effectué par l'unité de calcul (60) a une précision inférieure à 10 micromètres. Appareil (50) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, pour le ou chaque câble hybride élastique (52), chaque point de référence (58) dudit câble hybride élastique à une position fixe sur l'objet déformable (22). Dispositif (10) de mesure par mise en pression du sous-sol (15) comprenant : - au moins une sonde pressiométrique (20) destinée à être introduite dans un forage (18) du sous-sol (15), ladite sonde pressiométrique (20) comprenant une cellule déformable, et - une unité de transfert (34) configurée pour introduire un fluide à l'intérieur de la cellule déformable, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un appareil (50) de mesure du périmètre de la cellule déformable, l'appareil (50) de mesure étant selon l'une quelconque des revendications précédentes, le ou chaque câble hybride élastique (52) de l'appareil (50) de mesure étant enroulé autour de la cellule déformable de la sonde pressiométrique (20). Utilisation d'un appareil (50) de mesure dans le domaine de la pléthysmographie par inductance pour mesurer le périmètre d'une partie du corps d'un individu (70) ou ladite partie du corps (70), caractérisé en ce que l'appareil (50) de mesure est selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, le ou chaque câble hybride élastique (52) de l'appareil (50) de mesure étant enroulé autour de ladite partie du corps de l'individu (70), ladite partie du corps d'un individu étant par exemple le torse. Dispositif (100) de mesure par compression d'un échantillon (105) de sol ou de roche, le dispositif (100) comprenant : - une enceinte (110) apte à contenir un fluide (115), l'échantillon (105) étant positionné dans l'enceinte (110), - un piston (125) configure pour exercer une force axiale sur l'échantillon (105) à une pression définie, et 19 [Revendication 10] - un appareil (50) de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, le ou chaque câble hybride élastique (52) de l'appareil (50) de mesure étant enroulé autour dc l'échantillon (105). Utilisation d'un appareil (50) de mesure pour mesurer le périmètre d'un obturateur gonflable ou packcr (130) ou contrôler la dilatation dudit obturateur ou packcr (130), caractérisé en cc que l'appareil (50) de mesure est selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, le ou chaque câble hybride élastique (52) de l'appareil (50) dc mesure étant enroulé autour du dit obturateur ou dudit packcr (130).