Brevet FR3114874A1 — publié le 20220408

La présente invention concerne un dispositif de mesure d'évolution d’un désordre d’une structure, comportant deux moyens d'ancrage destinés à s'ancrer sur une structure de part et d'autre d’une zone de désordre, un capteur de position, comportant deux parties mobiles l'une par rapport à l'autre et des moyens aptes à délivrer des mesures représentatives de la position relative desdites parties mobiles, lesdites parties mobiles étant respectivement solidaires desdits moyens d'ancrage, ainsi qu’un circuit de communication sans fil caractérisé en ce qu’il est constitué par un corps tubulaire prolongé par l’un desdits moyens d’ancrage et présentant une face frontale pour le passage d’une tige prolongée par le second desdits moyens d’ancrage, lesdits moyens d’ancrage étant rotulés, ledit corps entourant un circuit électronique incluant une antenne, un capteur de mouvement et comportant un microcontrôleur exécutant un programme de lecture intermittente de l’écart entre lesdits moyens d’ancrage, d’enregistrement horodaté dans un mémoire et de commande dudit circuit de communication sans fil. Figure de l’abrégé : 1 CAPTEUR DE MOUVEMENTS DE FISSURES CONTACT CONNECTE ET AUTONOME Domaine de l’invention La présente invention concerne le domaine de la métrologie et plus particulièrement de la mesure et le suivi dans le temps de l’évolution du positionnement relatif de deux parties d’une structure ; notamment pour la surveillance de fissures et ou mouvements dans une structure telle qu’un mur d’un bâtiment, ouvrages du génie civil ou éléments du risque naturel, ou encore des éléments de charpente c'est-à-dire l'évolution de la distance entre un premier point situé au niveau d'une lèvre de celle-ci et un second point existant au niveau de la lèvre opposée de celle-ci. Ce type de dispositif trouve tout particulièrement son application dans le domaine de la construction et risques naturels. En effet, lorsque des fissures et/ou mouvements apparaissent sur une construction ou risques naturels il peut être très important de connaître l'évolution de la taille de ces fissures et/ou de la déformation du système de façon précise, afin de déterminer la gravité de celles-ci par rapport à la construction elle-même, et donc de définir des moyens de préventions et de réparation la plus appropriée. Il est courant que des ouvrages et des constructions nécessitent une mise en observation constante ou ponctuelle, car les matériaux de construction évoluent dans le temps, les sols bougent, et les efforts auxquelles est soumis l’ouvrage ou la construction par le vent, dilatations thermiques, les secousses sismiques ou provoquées par des équipements industriels, attentent à la qualité de la construction, à sa sécurité, à son confort. Pour surveiller ces évolutions et éclairer sur les actions à mener pour stabiliser ou sécuriser le bâtiment ou l’ouvrage ou blocs rocheux, il est nécessaire de disposer d’informations fiables sur la nature des phénomènes à observer (fissure, déplacement, glissement, inclinaison) et de mesurer dans le temps l'aggravation, la stabilisation et même les cycles d'évolution. Les lectures régulières de ses informations sont reportées sur des graphiques et définiront la tendance du désordre et le type de réparation à envisager. Pour procéder à de telles surveillances, on a proposé différents types de jauges permettant de mesure l’évolution des fissures, sur un seul axe et dans un seul plan, ou selon différentes directions dans un même plan sur des distances plus ou moins importantes, allant de quelques millimètres à plusieurs centimètre, ou encore l’évolution dans des plans perpendiculaires à la surface, se traduisant par un désaffleurement de murs ou de désarasement des sols ou plafonds ou encore un basculement, ou encore par une évolution de l’inclinaison ou encore des déformations multiaxiales. La mesure de l'écartement d'une fissure sur un ouvrage est délicate car il s'agit de mesurer une évolution très lente, voire nulle, pendant un temps très long mais qui peut se déclencher brutalement à l'occasion événement particulier. Il est cependant essentiel que le dispositif mis en place pour détecter ce mouvement fonctionne correctement car les conséquences économiques peuvent être très importantes et il peut y avoir un danger pour le public. L'absence de variation dans la mesure, ou de variation mesurable, pendant un temps très long est un sérieux problème car elle peut masquer un dysfonctionnement du capteur (défaut du capteur, point d'ancrage défaillant ...) et donner un sentiment de sécurité non justifié. Ce problème est amplifié par le fait que ces dispositifs sont le plus souvent installés dans des emplacements difficiles d'accès, par exemple en hauteur, et qu'il n'est pas envisageable d'envoyer très souvent un technicien vérifier le bon fonctionnement du dispositif. Il y a donc un besoin de fournir un dispositif de surveillance d'une zone de faiblesse d'un ouvrage telle qu'une fissure, qui assure une fonction d'auto surveillance de son bon fonctionnement, même en l'absence d'évolution ou d’évolution non mesurable de la fissure. Etat de la technique On connaît par exemple dans l’état de la technique un dispositif de mesure décrit dans le brevet EP2526372 décrivant un Appareil indicateur pour indiquer un déplacement de deux segments, en particulier de deux segments de paroi d'une paroi de tour d'éolienne, l'un par rapport à l'autre, l'appareil indicateur comprenant un corps, un premier élément de connexion monté au niveau du corps et adapté pour être connecté à un premier segment et un deuxième élément de connexion monté sur le corps et apte à être relié à un deuxième segment. Le corps est configuré pour générer des informations représentatives d'un déplacement relatif du premier élément de connexion et du deuxième élément de connexion. Le brevet français FR2931545A1 décrit un système comportant une pluralité de dispositifs, par exemple répartis sur un ouvrage sous surveillance, ainsi qu'un module complémentaire de centralisation. Ce module dispose de moyens de réception des mesures des dispositifs, notamment les mesures du capteur de déplacement, du / des capteur (s) de température et le cas échéant du capteur d'humidité de chaque dispositif, des moyens pour retransmettre à un utilisateur les valeurs représentatives du déplacement des ancres associées à chaque dispositif et au moins un message représentatif de la qualité du fonctionnement des dispositifs. Par exemple le module complémentaire retransmet les mesures à un serveur par des moyens de transmission connus (filaire, RTC, radio, GSM ...). Le brevet européen EP2732257 décrit un système de surveillance de l'endommagement de structures et de bâtiments, comportant au moins un appareil pour mesurer des fissures d'une structure, ledit appareil comportant un premier élément fixe, qui est solidaire d'une structure sur une première partie de la fissure et un second élément fixe, qui est solidaire de ladite structure sur une seconde partie de la fissure, qui est opposée par rapport à ladite première partie, ledit premier élément fixe ayant une portion qui est adaptée pour engager ledit second élément fixe de manière à chevaucher la fissure, ledit système de surveillance comportant en outre : - une première membrane potentiométrique linéaire, qui coopère avec un premier coulisseau respectif pour détecter le déplacement relatif entre ledit premier élément fixe et ledit second élément fixe le long d'au moins une première direction de détection, - ladite première membrane potentiométrique étant supportée par ledit premier élément fixe et ledit premier coulisseau respectif étant supporté par ledit second élément fixe, - ledit premier coulisseau étant en contact électrique glissant avec ladite première membrane potentiométrique, - une seconde membrane potentiométrique linéaire, qui coopère avec un second coulisseau respectif pour détecter le déplacement relatif entre ledit premier élément fixe et ledit second élément fixe le long d'une seconde direction de détection, qui est sensiblement perpendiculaire à ladite première direction de détection. Inconvénients de l’art antérieur Les solutions de l’art antérieur présentent différents inconvénients. Pour assurer un positionnement satisfaisant, les jauges de l’état de la technique nécessitent plusieurs points de fixation sur le mur à analyser. Les solutions de l'art utilisent séparément l’équipement électronique avec sa batterie et le capteur mesure relié par un câble long, voyant et volumineux polluant visuellement l'ouvrage étudié. Les solutions de l'art comprennent une antenne extérieur voyante, polluant visuellement l'ouvrage étudié et pouvant s'altérer dans le temps. Les solutions de l'art place le capteur au droit de la fissure sans protection, soumis aux intempéries, UV et embrun marin altérant dans le temps les mesures et le dispositif de mesure par de la corrosion et dilatation, mais également aux actions mécanique (choc d'un ballon, manipulation par une personne extérieure non souhaité, l'action d'un oiseau ou animal, etc…). Les solutions de l'art proposant un capteur combiné au logger dans un seul boitier métal ou polycarbonate nécessitent la fixation à plat sur le support avec trois ou quatre fixations, obligatoirement très proche de la fissure, la fixation d'une équerre avec deux fixations de l'autre côté au plus proche de la fissure ; la configuration fausse la mesure s'il y a une rotation autour de la fissure et non une ouverture. Les solutions de l'art ne permettent pas d'analyser si les mouvements importants relevés et nécessitant une alerte proviennent d'une variation réelle ou d'une action extérieure (choc d'un ballon, manipulation par une personne extérieure non souhaité, l'action d'un oiseau ou animal, etc…) Les solutions de l'art sont paramétrées par un câble ou connections Bluetooth nécessitant un ordinateur portable équipé d'une clé Bluetooth nécessitant le transport de matériel encombrant et une bonne expérience de l'utilisateur. Les solutions de l'art utilisent tous des logiciels professionnels non accessible aux non-initiés, limitant les possibilités d'utilisation et d'action du capteur. Solution apportée par l’invention Afin de remédier à ces inconvénients, l’invention concerne selon son acception la plus générale un dispositif de mesure d’un désordre d’une structure comportant deux moyens d'ancrage destinés à s'ancrer sur un ouvrage de part et d'autre d’une zone de faiblesse, un capteur de position, comportant deux parties mobiles l'une par rapport à l'autre et des moyens aptes à délivrer des mesures représentatives de la position relative desdites parties mobiles, lesdites parties mobiles étant respectivement solidaires desdits moyens d'ancrage, ainsi qu’un circuit de communication sans fil caractérisé en ce qu’il est constitué par un corps tubulaire prolongé par l’un desdits moyens d’ancrage et présentant une face frontale pour le passage d’une tige prolongée par le second desdits moyens d’ancrage rotulés, ledit corps entourant un circuit électronique incluant une antenne, un capteur de mouvement (inclinaison ou vibration) et comportant un microcontrôleur exécutant un programme de lecture intermittente de l’écart entre lesdits moyens d’ancrage, d’enregistrement horodaté dans un mémoire et de commande dudit circuit de communication sans fil. On entendra par « désordre » au sens du présent brevet un déformation anormale d’une structure. Un désordre est par exemple constitué par une fissure, un désalignement, un cisaillement créant des déplacements relatifs selon une ou plusieurs directions de deux parties de la structure occupant normalement une position de référence. On entend par « structure » un élément solide ou un assemblage de deux éléments solides. Une structure est par exemple constituée par une paroi, une façade, un assemblage de poutres formant une charpente, un élément d’un ouvrage d’art ou d’un bâtiment en maçonnerie ou en béton, ou encore une paroi naturelle telle qu’une roche, une falaise, un tronc d’arbre. De préférence ledit microcontrôleur est partitionné entre un processeur de réveil programmable, (« Wake Up Controller »), et un processeur principal commandant un module de communication radiofréquence intégrant une antenne logée dans ledit corps, ledit processeur de réveil étant commandé par un programme de lecture intermittent de la position relative desdites parties mobiles et d’enregistrement périodique de ladite position relative, ledit processeur principal commandant ledit module de communication pour la transmission du contenu de ladite mémoire. De préférence, ledit circuit électronique comprenant un processeur comprenant un premier mode « wake-up » temporisé pour commander l’inscription dans une mémoire EEPROM de ladite position horodatée, et un second mode « Wake-up » déclenché par la réception d’un signal émis par ledit équipement connecté apparié. Avantageusement, ledit corps tubulaire comprend un logement pour recevoir un capteur de position tubulaire comportant deux éléments mobiles l’une par rapport à l’autre, l’une des extrémités est solidaire dudit corps tubulaire présentant un premier élément d’ancrage et l’autre extrémité étant solidaire d’un élément d’ancrage, ledit corps tubulaire présentant deux nervures de calage d’un circuit imprimé ainsi qu’un compartiment pour une batterie électrique amovible et remplaçable. De préférence, ledit circuit électronique comporte un premier module de communication de faible consommation "Bluetooth" et de faible portée et un second moyen de communication de grande portée type LPWAN. Le conditionnement compact du capteur "sans élément saillants extérieur, ni antenne, ni câble, ni capteur visible" confère une meilleure discrétion sur les ouvrages étudiés, une meilleure protection vis-à-vis des agressions extérieures "chimique et mécanique", une facilité et rapidité de pose dans des environnement difficiles d'accès. La solution de fixation en deux points confère une liberté de pose, une réduction d'altération du support étudié et une flexibilité de pose sur les blocs rocheux en risque naturels. La combinaison d'un capteur potentiométrique pour mesurer les variations d’ouverture/fermeture et d'un accéléromètre et/ou inclinomètre permet d'avoir une meilleure analyse d'un mouvement car il permettra de filtrer l'information et d'envoyer ou pas une alerte, ainsi éviter les nombreuses fausses alertes qui atténues avec le temps l'importance du message initial. Le capteur équipé d'une connections Bluetooth sécurisé et d'un accès à distance par un réseau radio longue portée LPWAN pourront être paramétré directement avec un smartphone et une application IOS/Android accessible à tous public via le Play store des fournisseurs. Le capteur se paramètre avec une application libre public étudiée pour être utilisable et paramétrable par des acteurs non-initiés. Selon une variante, ledit système comporte un capteur potentiométrique et un capteur de vibration et/ou d’inclinaison solidaires du même boitier ainsi qu’un circuit électronique pour l'analyse et la filtration d'informations générant une alerte à destination de l'utilisateur. Selon un mode de réalisation particulier, ledit système de connections sans fils est paramétrable par une application mobile libre. Description détaillée d’un exemple non limitatif de réalisation La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, concernant des exemples non limitatifs de réalisation, illustrés par les dessins annexés où : [FIG. 1] La figure 1 représente une vue en perspective du dispositif selon un exemple de réalisation de l’invention [FIG. 2] La figure 2 représente une vue en perspective intérieure du corps de mesure [FIG. 3] La figure 3 représente une vue en coupe transversale du dispositif [FIG. 4] La figure 4 représente une vue en coupe de côté du dispositif [FIG. 5] La figure 5 représente une vue en de dessous du dispositif [FIG. 6] La figure 6 représente une vue en perspective du capteur de mesure [FIG. 7] La figure 7 représente une vue un schéma de principe du circuit électronique. Principe de fonctionnement Le dispositif de mesure d'évolution de fissure sur un mur ou similaire, selon l’invention est constitué par un système formé par : un appareil de mesure des plots destinés à être fixés sur le mur par exemple par des chevilles à frapper, et dans lesquelles viennent s’engager les embouts de liaison (10, 20) de l’appareil de mesure un équipement connecté complémentaire, par exemple un téléphone intelligent apparié avec le dispositif. Le dispositif est fixé de part et d’autre d’une fissure à surveiller, et transmet par intermittence des informations permettant de vérifier l’évolution de la fissure dans la direction définie par les deux embouts de liaison (10, 20) du dispositif. Le dispositif est destiné à rester en place pendant des périodes longues, de plusieurs semaines voire plusieurs mois. Il est donc nécessaire qu’il soit robuste pour résister aux éventuelles variations climatiques voire aux intempéries pour des surveillances extérieures, et conçu pour consommer peu d’énergie pour permettre une totale autonomie pendant une longue période sans recharge ni maintenance. Architecture physique Le dispositif comprend un corps principal tubulaire, de section ellipsoïdale ou triangulaire (100) réalisé en injection plastique, de préférence d’un plastique de la même couleur que le mur à équiper. Il est fermé à ces deux extrémités frontales par des flasques (104, 105). Des joints d’étanchéités posés dans une gorge périphériques sur les tranches du corps principal (100) assurent l’étanchéité, les flasques (104, 105) étant fixés par vissage dans des cannelures (120 à 124) filetées. Le corps (100) présente une fenêtre latérale (110) entourée par un joint (111) et débouchant dans un logement pour une batterie électrique. Un volet (112) vient refermer de manière étanche cette fenêtre (110). Le dispositif comporte un premier élément d’ancrage (10) rotulé, s’étendant perpendiculairement par rapport à un bras longitudinal (11). Il est destiné à s’engager dans une embase non représentée, fixée sur le mur par une cheville à frapper ou par collage et présentant à sa partie arrière un raccord pour l’engagement de cet élément d’ancrage (10). La liaison entre cet élément d’ancrage (10) et le bras (11) est assuré par une tête hémisphérique (12) formant une rotule. Le dispositif comporte en outre un deuxième élément d’ancrage (20) rotulé, s’étendant perpendiculairement par rapport à un bras longitudinal (12) prolongeant la partie mobile du capteur de position. Il est destiné à s’engager dans une deuxième embase non représentée, fixée sur le mur par une cheville à frapper ou par collage et présentant à sa partie arrière un raccord pour l’engagement de cet élément d’ancrage (20). La liaison entre cet élément d’ancrage (20) et le bras (21) est assuré par une tête hémisphérique (22) formant une rotule. Le corps tubulaire (100) présente deux rainures (130, 131) destiné à l’insertion d’un circuit imprimé (135) dans un logement dans lequel est également intégré l’antenne radiofréquence. Le corps tubulaire (100) présente également un canal (150) dans lequel est logé un capteur potentiométrique (155) constitué d'une résistance fixe sur laquelle se déplace un curseur relié mécaniquement au bras (21) pour mesurer l’écart entre les deux éléments d’ancrage (20, 21). La tension mesurée (Us) entre le curseur et une extrémité de la résistance est proportionnelle à la position mécanique. Fonctionnement du dispositif Le circuit électronique est conçu pour permettre la réduction de l’énergie consommée grâce à une architecture de microcontrôleur partitionnée entre un processeur de réveil programmable (50), (en anglais « Wake Up Controller »), s’occupant des tâches courantes du nœud de capteurs et un processeur principal (52) gérant les tâches irrégulières. Le processeur de réveil programmable (50) est un processeur RISC 16-bit dont le jeu d’instructions est adapté pour gérer les tâches régulières du nœud telle que la lecture et l’enregistrement périodique, dans une mémoire EEPROM (56) des valeurs de position du capteur potentiométrique (155) et de son pilote (57) et le passage en mode d’écoute périodique du modèle de communication basse consommation (51), et n’exécute que du code sur interruptions par plusieurs sources de réveil possibles, par exemple une source définie par une horloge (53), une source définie par un capteur de vibration/inclinaison, une source définie par la détection d’une émission radiofréquence par un équipement connecté apparié. Le module de communication peut prévoir plusieurs modes de communication : Un premier mode de communication à courte distance et faible énergie, via un module (51) de type Bluetooth basse consommation (Bluetooth LE low energy), LoRaWAN, ZigBee, SIGFOX ou un protocole équivalent, permettant d’engager un échange de données entre le dispositif et un équipement connecté apparié, par exemple un téléphone intelligent ou un ordinateur portable. Ce premier mode de communication permet de procéder à des relevés réguliers à l’initiative d’un opérateur Un second mode de communication radio de plus grande portée avec un concentrateur WIFI ou xG via un second module radiofréquence (58). Ce deuxième mode de communication permet de transmettre des alertes en cas d’évolution anormal, indépendamment de la présence d’un opérateur muni d’un équipement connecté apparié. Le processeur de réveil réveille périodiquement la radio pour écouter si des données sont transmises sur son canal. Le fonctionnement est de type pseudo-asynchrone : l’équipement connecté exécute une application téléchargée qui commande l’envoi d’un signal de préambule pour indiquer l’intention de transmission. La durée de ce signal de préambule est supérieure à la durée de réveil temporisé du processeur de réveil. Le circuit électronique comporte aussi une mémoire morte EEPROM (56) pour l’enregistrement d’une valeur horodatée au moins calculé en fonction de la position du capteur potentiométrique au moment du réveil du processeur principal ; et de préférence pour l’enregistrement d’une succession de valeurs horodatées selon un mode « FIFO », c’est-à-dire effacement automatique des valeurs les plus anciennes lors de l’enregistrement de nouvelles valeurs. Ceci permet de faire des relevés périodiques pour récupérer une série de données historisées. Les données enregistrées peuvent comporter des données horodatées provenant d’autres capteurs, par exemple un capteur de température ou un capteur d’hygrométrie ou encore un capteur de vibration de type MEMS ou accéléromètre. Ces capteurs sont montés sur le circuit imprimé monté dans le dispositif. L’exploitation des données est avantageusement effectuée avec un téléphone intelligent (SmartPhone en anglais) exécutant une application téléchargée commandant l’appariement entre les nœuds radio basse consommation et l’activation du téléchargement des données enregistrées dans la mémoire du dispositif. Ces données peuvent ensuite être exploitées sous forme de tableau de données chronologiques ou de représentations graphiques, ou encore exploités par une application tierce pour caractériser automatiquement la nature du désordre, projeter les évolutions prévisibles en fonction d’algorithmes prédictifs ou d’apprentissage machine, ou encore de calculer des recommandations d’intervention. Le processeur principal peut aussi exécuter un traitement de comparaison locale de l’évolution des données sur une période courte, de quelques heures à quelques jours, ou par rapport à une valeur seuil de référence pré-enregistrée, pour déclencher une séquence d’alerte sous forme de message transmis par le module de communication vers un concentrateur téléphonique, wifi, ou LPWAN pour la transmission à une centrale de surveillance ou à un opérateur d’un message signalant une anomalie grave. Dispositif de mesure d'évolution d’un désordre d’une structure, comportant deux moyens d'ancrage destinés à s'ancrer sur une structure de part et d'autre d’une zone de désordre, un capteur de position (155), comportant deux parties mobiles l'une par rapport à l'autre et des moyens aptes à délivrer des mesures représentatives de la position relative desdites parties mobiles, lesdites parties mobiles étant respectivement solidaires desdits moyens d'ancrage, ainsi qu’un circuit de communication sans fil caractérisé en ce qu’il est constitué par un corps tubulaire (100) prolongé par l’un desdits moyens d’ancrage (10) et présentant une face frontale pour le passage d’une tige (21) prolongée par le second desdits moyens d’ancrage (2), lesdits moyens d’ancrage (10, 20) étant rotulés, ledit corps (100) entourant un circuit électronique (135) incluant une antenne, un capteur de mouvement et comportant un microcontrôleur exécutant un programme de lecture intermittente de l’écart entre lesdits moyens d’ancrage, d’enregistrement horodaté dans un mémoire et de commande dudit circuit de communication sans fil. Dispositif de mesure d'évolution de fissure selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit microcontrôleur est partitionné entre un processeur de réveil programmable, (« Wake Up Controller »), et un processeur principal commandant un module de communication radiofréquence intégrant une antenne logée dans ledit corps, ledit processeur de réveil étant commandé par un programme de lecture intermittent de la position relative desdites parties mobiles et d’enregistrement périodique de ladite position relative, ledit processeur principal commandant ledit module de communication pour la transmission du contenu de ladite mémoire. Dispositif de mesure d'évolution de fissure selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit circuit électronique comprenant un processeur comprenant un premier mode « wake-up » temporisé pour commander l’inscription dans une mémoire EEPROM de ladite position horodatée, et un second mode « Wake-up » déclenché par la réception d’un signal émis par ledit équipement connecté apparié. Dispositif de mesure d'évolution de fissure selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit corps tubulaire (100) comprend un logement pour recevoir un capteur de position potentiométrique (135) comportant deux éléments mobiles l’une par rapport à l’autre, l’une des extrémités est solidaire dudit corps tubulaire (100) présentant un premier élément d’ancrage et l’autre extrémité étant solidaire d’un élément d’ancrage, ledit corps tubulaire présentant deux nervures de calage d’un circuit imprimé ainsi qu’un compartiment pour une batterie électrique. Dispositif de mesure d'évolution de fissure selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit circuit électronique (155) comporte un premier module de communication de faible consommation et de faible portée et un second moyen de communication de grande portée. Dispositif de mesure d'évolution de fissure selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit système comporte un capteur potentiométrique et un capteur de vibration et/ou d’inclinaison solidaires du même boitier ainsi qu’un circuit électronique pour l'analyse et la filtration d'informations générant une alerte à destination de l'utilisateur. Dispositif de mesure d'évolution de fissure selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit système de connections sans fils est paramétrable par une application mobile libre.