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Dispositif de mesure de tomographie par processus électrique amélioré L’invention concerne le domaine de la tomographie par processus électrique (TPE, pour « Electrical Process Tomography » en anglais).
La tomographie par processus électrique, qui comprend la tomographie par capacité électrique (TCE), la tomographie par impédance électrique (TIE) et la tomographie par résistance électrique (TRE), est basée sur les propriétés spécifiques des matériaux principalement détectées par chaque technique :
- la TIE est utile pour un processus qui a une phase continue conductrice, et
- la tomographie par résistance électrique (TRE) est un cas particulier de la TIE, lorsque la composante réelle de l'impédance électrique est la propriété dominante des matériaux,
- la TCE détecte la distribution de la permittivité des matériaux dispersés dans un processus avec une phase continue peu conductrice.
La TPE a connu des applications à la mesure de fluides, en particulier dans le cas de processus industriels. Dans le cas de la TIE, le capteur est constitué de plusieurs électrodes disposées à la périphérie de la paroi interne de la cuve du procédé ou de la canalisation, en contact avec le fluide du procédé mais sans intrusion dans le fluide. Un courant alternatif est appliqué à certaines électrodes et des tensions sont mesurées à partir des autres électrodes, selon une stratégie de détection prédéfinie. Ensuite, ces mesures de tension sont utilisées pour reconstruire la distribution d'impédance à l'intérieur de la cuve avec un algorithme inverse spécifique.
Dans le cas de substrat à mesurer solide (c’est-à-dire non liquide et non gazeux), les développements sont plus rares. La TIE appliquée à un substrat solide est basée sur la reconstruction du champ électrique d’une partie conductrice du substrat. Cette technique non-invasive est utilisée en imagerie médicale pour détecter les corps internes en appliquant les électrodes à la surface de la peau d’un patient et en mesurant les variations du champ électrique.
Hors du champ médical, la TIE appliquée à un substrat solide a connu quelques utilisations dans le domaine de la détection de pressions. Ainsi, elle a été utilisée dans les articles de Kato et al. (“ Tactile sensor without wire and sensing element in the tactile region based on eit method ”, IEEE Sensors, pages 792-795, 2007), et de Yao et Soleimani (“ A pressure mapping imaging device based on electrical impedance tomography of conductive fabrics ”, Sensor Review, 32(4):310-317, 2012) pour proposer des capteurs tactiles (capteurs de pression). Les articles de Nagakubo et al. (“ A deformable and deformation sensitive tactile distribution sensor ”, IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, ROBIO, pages 1301-1308, 2007), de Alirezaei et al. (“ A highly stretchable tactile distribution sensor for smooth surfaced humanoids ”, 7th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, pages 167-173, 2007 et “ A tactile distribution sensor which enables stable measurement under high and dynamic stretch ”, IEEE Symposium on 3D User Interfaces (3DUI), pages 87-93, 2009), et de Tawil et al. (“ Improved image reconstruction for an eit-based sensitive skin with multiple internal electrodes ”, IEEE Transactions on Robotics, 27(3):425-435, 2011), ont proposé des dispositifs tactiles de type « peau artificielle » pour robots. Leur approche consiste à injecter des courants et à mesurer des tensions à partir d’électrodes connectées sur les bords d’un tissu conducteur, puis à appliquer l’analyse du problème inverse pour reconstruire le changement local de la résistivité due à une pression. Enfin, les articles de Pugach et al. (“ Electronic hardware design of a low cost tactile sensor device for physical human -robot interactions ”, IEEE XXXIII International Scientific Conference Electronics and Nanotechnology, ELNANO, pages 445-449, 2013, “ Neural learning of the topographic tactile sensory information of an artificial skin through a self- organizing map ”, Advanced Robotics, 29(21):1393-1409, 2015, et “ Touch-based admittance control of a robotic arm using neural learning of an artificial skin ”, in 2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), pages 3374–3380, 2016) ont décrit l’utilisation de réseaux de neurones pour reconstruire la distribution de résistance au sein d’un film conducteur et localiser des points de pression.
D’autres applications ont été faites dans la détection de défauts structurels dans le ciment. Ainsi, l’article de Milad Hallaji et al. « Electrical impedance tomography-based sensing skin for quantitative imaging of damage in concrete » 2014 Smart Mater. Struct. 23 085001 et la thèse de Kimmo Karhunen « Electrical resistance tomography imaging of concrete », 2013, Publications of the University of Eastern Finland Dissertations in Forestry and Natural Sciences No 122 montrent des explorations d’extensions de la TIE à des matériaux dont la mesure de conductivité est plus compliquée que celle d’un tissu ou de la peau, ainsi que les limites de telles mesures.
La TIE appliquée à des substrats solides nécessite donc un matériau conducteur permettant d’observer des variations d’impédance suffisamment importantes, ainsi qu’une bonne capacité à relier les électrodes pour la mesure. Dans le cas de matériaux à faible variation d‘impédance ou complexes à relier à des électrodes, la TIE et la TPE en général sont proscrites, car il est trop complexe d’obtenir une résolution suffisante pour extraire une information des données de mesure.
L’invention vient améliorer la situation. À cet effet, elle propose un dispositif de mesure de tomographie par processus électrique pour substrat solide, comprenant une source de courant ou de tension, une pluralité d’électrodes propres à être reliées à un substrat solide à mesurer et un convertisseur analogique numérique comprenant deux entrées de mesure et une entrée de référence, agencé pour émettre un signal numérique correspondant à la différence entre la tension des deux entrées de mesure proportionnellement à un niveau de tension désigné par l’entrée de référence, la source de courant ou de tension pouvant être reliée à une paire d’électrodes dans la pluralité d’électrodes de manière commandée, de sorte qu’un courant issu de la source de courant ou de tension traverse ledit substrat à mesurer selon une séquence d’excitation choisie, les deux entrées de mesure du convertisseur analogique numérique pouvant chacune être reliée à une électrode respective d’une paire d’électrodes dans la pluralité d’électrodes choisie en fonction de ladite séquence d’excitation, caractérisé en ce que la source de courant ou de tension est reliée à l’entrée de référence du convertisseur analogique numérique.
Ce dispositif est particulièrement avantageux car il permet d’utiliser la TPE et plus particulièrement la TIE pour des applications de type interface homme-machine, du contrôle non destructif ou pour de la surveillance de structure, y compris avec des matériaux qui ne se prêtent normalement pas à la TPE ou la TIE.
En effet, l’utilisation du signal tiré de la source de courant ou de tension comme signal de référence pour le convertisseur analogique numérique permet d’annuler dans la mesure le bruit dû au signal de la stimulation lui-même. Cela permet d’augmenter de manière très importante la résolution des mesures et de faire usage de TPE dans des contextes inaccessibles précédemment.
- le dispositif comprend en outre un premier multiplexeur connecté en aval de la source de courant ou de tension et relié à la pluralité d’électrodes et un deuxième multiplexeur connecté en amont de la source de courant ou de tension et relié à la pluralité d’électrodes afin de réaliser la séquence d’excitation,
Une étape préalable est de choisir la grandeur utilisée pour le découpage à l’étape suivante des données en cycles utilisables pour le calcul du rendement. Il s’agit de vérifier la présence d’un état de charge calculé par le système de gestion de batterie et de calculer la différence entre cet état de charge et un état de charge coulométrique (calculé par intégration des Ah). Si l’état de charge n’existe pas ou si cette différence est supérieure à une valeur de tolérance prédéfinie (par exemple 3 %), nous utilisons pour la sélection des cycles une tension appelée « tension limitante » U lim , sinon nous utilisons l’état de charge.
La reconstitution de la tension U lim se fait de la manière suivante : – si l’échelle de la batterie est la cellule, la tension U lim est directement la tension cellule ; – si l’échelle de la batterie est un assemblage de plusieurs cellules, la tension U lim est reconstituée à partir des tensions minimales et maximales des cellules selon la phase de fonctionnement de la batterie (repos, charge, décharge) comme suit : si le courant est proche de zéro, indiquant une phase de repos, U lim est la moyenne entre la tension minimale et la tension maximale des cellules de la batterie ; si le courant indique une phase de charge, U lim est égale à la tension maximale des cellules de la batterie ; si le courant indique une phase de décharge, U lim est égale à la tension minimale des cellules de la batterie.
La illustre un exemple de sélection de cycles avec la tension U lim .
Une première étape du procédé consiste à convertir l’ensemble d’opérations de charge et de décharge qui ont lieu sur l’accumulateur durant la période de mesure PM en un ensemble équivalent de cycles reconstitués symétriques. Un cycle symétrique est un cycle comportant une opération de charge et une opération de décharge qui ont la même amplitude en ce qui concerne l’état de charge ou l’évolution de la tension. Par exemple, un cycle symétrique comporte une première opération de charge qui va porter l’état de charge de l’accumulateur de 20 % jusqu’à 80 %, puis une opération de décharge au cours de laquelle l’état de charge reviens de la valeur 80 % à la valeur 20 %.
Les cycles symétriques résultants de cette conversion sont dits « reconstitués » car ils sont issus d’une réorganisation, avec d’éventuelles approximations, de cycles réels de la .
La illustre les principes sur lesquels se base une telle conversion. La étant relative à un exemple théorique de vie de l’accumulateur très simplifié pour des fins didactiques, la illustre un exemple de l’ensemble équivalent de cycles reconstitués symétriques. Le cas ici est décrit sur base du SOC, mais une approche similaire peut être mis en œuvre sur base de l’évolution de la tension limitante U lim .
L’ensemble de cycles de charge et décharge réels de la est, selon cet exemple trivial, converti dans l’ensemble équivalent de cycles reconstitués symétriques de la , de la manière suivante : – les segments AB et EF sont mis bout à bout pour former l’opération de charge C1 d’un premier cycle reconstitué symétrique ; – les segments CD et GH sont mis bout à bout pour former l’opération de décharge D1 du premier cycle reconstitué symétrique ; – le segment FG constitue l’opération de charge C2 d’un deuxième cycle reconstitué symétrique et le segment HI constitue l’opération de décharge D2 de ce deuxième cycle reconstitué symétrique ; – le segment BC constitue l’opération de charge C3 d’un troisième cycle reconstitué symétrique et le segment DE constitue l’opération de décharge D3 de ce troisième cycle reconstitué symétrique.
Le premier cycle reconstitué symétrique porte l’état de charge de l’accumulateur d’une valeur minimale SOC1 à une valeur maximale SOC4, puis une opération de décharge ramène l’état de charge de cette valeur maximale SOC4 jusqu’à la valeur initiale SOC1. Le deuxième cycle reconstitué symétrique porte l’état de charge de la valeur SOC1 jusqu’à une valeur maximale SOC3, puis ramène l’état de charge à la valeur initiale SOC1. Le troisième cycle reconstitué symétrique porte l’état de charge de la valeur SOC1 jusqu’à une valeur maximale SOC2, puis ramène l’état de charge à la valeur initiale SOC1.
Pour certaines applications, dont les cycles de charge/décharge sont simples et réguliers, un algorithme relativement simple se chargera de cette conversion comme illustré aux figures 1 et 3. Cependant de nombreuses applications sont relatives à des cycles de charge de décharge complexes et irréguliers. Dans ce cas, des algorithmes plus sophistiqués seront employés pour l’opération de conversion décrite. Dans le présent exemple, une réalisation préférée concerne l’utilisation de la méthode de comptage rainflow, développée à l’origine dans le domaine des matériaux pour des estimations de fatigue cyclique, et qui est aujourd’hui utilisée dans de nombreuses applications où un comportement cyclique peut être observé, notamment dans l’éolien, les machines tournantes, et la charge des batteries.
Les figures 4 et 5 illustrent deux exemples réels d’une période de mesure PM comportant un ensemble d’opérations de charge et de décharge pour un accumulateur électrique. La illustre un premier profil de charge/décharge d’amplitude assez importante et relativement régulière dans l’ensemble, malgré quelques irrégularités locales. La illustre un autre profil de charge/décharge, présentant une amplitude de charge et de décharge plus faible et dont les opérations de charge et de décharge sont très irrégulières.
Pour ces deux profils illustratifs, la mise en œuvre d’un algorithme implémentant la méthode de comptage de cycle rainflow permettra, dans chaque cas, une conversion efficace en un ensemble équivalent de cycles reconstitués symétriques, Sur les figures 4 et 5, les carrés pleins représentent les points d’inflexion qui sont pris en compte pour la création des segments qui formeront les cycles reconstitués symétriques. Cette opération est réalisée en associant par paire les minima croissants et les maxima décroissants selon la méthode de comptage rainflow.
À cet effet, il est préférable de pouvoir paramétrer un seuil d’amplitude au-delà duquel une opération de décharge sera prise en compte dans la conversion. Par exemple, un seuil de 1 % entrainera que toute opération de décharge ayant une profondeur de décharge inférieure à 1 %, ne sera pas prise en compte dans l’opération de conversion.
À l’issue de cette étape de conversion, le système de gestion de batterie dispose donc d’un ensemble équivalent de cycles reconstitués symétriques, relatifs à la période de mesure.
Le procédé comporte ensuite une étape de filtrage dans laquelle seuls certains cycles reconstitués symétriques seront sélectionnés. Le système de gestion de batterie est paramétré avec une valeur prédéterminée d’amplitude d’état de charge au-delà de laquelle un cycle reconstitué symétrique sera sélectionné. Dans le présent exemple de sélection de cycles avec l’état de charge SOC, cette valeur prédéterminée est supérieure à 5 %, et préférentiellement de 10 %. Autrement dit, seuls les cycles reconstitués symétriques dont l’amplitude de charge et de décharge sera supérieure à 10 % seront sélectionnés pour la suite des opérations, les autres cycles étant ignorés. Notons que le procédé selon l’invention permet la prise en compte d’opérations de décharge même de faible amplitude (proches de 10 %), ce qui augmente le spectre des mesures sur lesquelles peut se baser l’estimation du rendement de l’accumulateur et qui donc augmente la précision de cette estimation. Dans le cas où la sélection de cycles se fait avec la tension limitante U lim , la valeur prédéterminée correspondante sera supérieure à 0,5 et préférentiellement de 1.
La montre une variante B4 de la plaquette B3 comprenant une bobine d'antenne A4 de même structure générale que la bobine d'antenne A3, avec une structure support SS4 identique à la structure support SS3 et une zone de contournement BA4 identique à la zone de contournement BA3. La bobine d'antenne A4 se distingue de la bobine d'antenne A3 en ce que la périphérie des trous h1 à h6 est dépourvue d’anneaux conducteurs. Dans ce cas, la portion 17 de la spire L8 comprend, à la place des anneaux conducteurs, un tronçon de piste en demi-cercle hr2 qui contourne le trou h2, et un tronçon de piste hr3 en quart de cercle qui contourne le trou h3. De même, la portion 20 de la spire L8 comprend un tronçon de piste conductrice hr6 en quart de cercle qui contourne le trou h6, un tronçon de piste hr5 en demi- cercle qui contourne le trou h5, et un tronçon de piste hr4 en demi-cercle qui contourne le trou h4.
Un module sans contact M4 réalisé avec la plaquette B4 est montré sur la . Le module sans contact M4 est identique au module sans contact M3 aux différences près qui viennent d’être indiquées, et la description ci-dessus du module sans contact M3 s’applique au module sans contact M4.
La montre une variante B5 de la plaquette B3, comprenant une bobine d'antenne A5 dans laquelle le premier groupe de spires comprend des spires L1 à L6 et le second groupe de spires comprend des spires L7 et L8. Les spires L1 à L6 du premier groupe, et la spire L7 du second groupe, sont identiques aux spires L1 à L7 de la bobine d'antenne A3 de la plaquette B3 et la zone de contournement BA5 identique à la zone de contournement BA3.
La plaquette B5 comprend ici une structure support SS5 comprenant des branches b6, b7, b8, les branches b6 et b8 étant en forme de créneau et la branche b7 reliant les branches b6 et b8.
La spire L7 comprend les portions de spires 10 à 15 déjà décrites. La spire L8 comprend la portion 16 déjà décrite, les branches b6, b7, b8 de la structure support SS5 et une portion de spire 30. La portion 16 est rattachée à une terminaison de la branche b6, et la portion 30 est un tronçon de piste rectiligne rattaché à une terminaison de la branche b8, qui se termine par la plage de connexion intérieure IP de la bobine d'antenne.
La plaquette B5 comprend également la portion 17 et les anneaux conducteurs r1, r2, r3 précédemment décrits, qui sont reliés à la portion 16, mais ne font plus ici partie du chemin conducteur de la spire L8. De même, la portion 20 et les anneaux conducteurs r4, r5, r6 précédemment décrits sont reliés à la portion 30 mais ne font plus ici partie du chemin conducteur de la spire L8.
La montre un module sans contact M5 réalisé à partir de la plaquette B5. Comme précédemment les premières bornes de connexion d’un microcircuit MC ont été reliées par des fils W1, W2 aux plages de connexion EP, IP de la bobine d'antenne A5, et des secondes bornes de connexion du microcircuit ont été reliées par des fils passant dans les trous h1, h3 à h6 aux plages de contact C1, C3 à C6 en face avant ( ). Le microcircuit repose sur une partie de la longueur et toute sa largeur sur la structure support SS5 et sur une autre partie de sa longueur et toute sa largeur sur une partie de la portion 16 de la spire L8 et une partie de la portion 10 de la spire L7. La zone centrale CA de la bobine d'antenne A5, délimitée ici par le contour de la spire L6, a été recouverte d’une couche de résine RL assurant la protection mécanique des fils.
La montre une variante B6 de la plaquette B5 comprenant une bobine d'antenne A6 de même structure générale que la bobine d'antenne A5, avec une structure support SS6 identique à la structure support SS5 et une zone de contournement BA6 identique à la zone de contournement BA5. La plaquette B6 se distingue de la plaquette B5 en ce que la périphérie des trous h1 à h6 est dépourvue d’anneaux conducteurs. Dans ce cas, la portion 17 et les anneaux conducteurs r1, r2, r3, et la portion 20 et les anneaux conducteurs r4, r5, r6, précédemment décrits comme ne faisant pas partie du chemin conducteur de la spire L8, sont supprimés.
Un module sans contact M6 réalisé avec la plaquette B6 est montré sur la . Le module sans contact M6 est identique au module sans contact M5 aux différences près qui viennent d’être indiquées, et la description ci-dessus du module sans contact M5 s’applique au module sans contact M6.
Une bobine d'antenne selon le premier perfectionnement est susceptible de diverses variantes autres que celles décrites dans ce qui précède. A titre d’illustration, la montre un exemple d’application du premier perfectionnement à une plaquette B16 ayant des dimensions de l’ordre de 11 x 8,32 mm. La plaquette B16 comprend une bobine d'antenne A16 comprenant un premier groupe de spires L1 à L5 espacées de la distance interspire dl décrite plus haut, un second groupe de spires comprenant des spires L6 à L9 présentant des distances variables relativement aux spires de rangs précédents, une structure support SS16 sensiblement en forme de « π » du type décrit plus haut. La plaquette B16 comprend également des anneaux conducteurs r1 à r6 s’étendant autour des trous h1 à h6, les trous h1 à h6 formant une première rangée de trous h1 à h3 et une seconde rangée de trous h4 à h6, chaque rangée étant perpendiculaire à un axe longitudinal du module. Dans certains modes de réalisation, les trous peuvent ne pas être parfaitement alignés. Leur axe d’alignement peut alors être défini comme un axe qui passe au plus près du centre de chaque trou. Cet axe peut ne pas être parfaitement perpendiculaire à l’axe longitudinal du module, et l’on comprendra donc l’expression « perpendiculaire » comme signifiant « sensiblement perpendiculaire ». Dans le cas d’un module de forme sensiblement carrée, l’axe longitudinal du module sera défini comme étant un axe perpendiculaire à un axe longitudinal du microcircuit MC, les rangées de trous étant donc parallèles à l’axe longitudinal du microcircuit, ou sensiblement parallèles à cet axe.
Selon un aspect optionnel mais avantageux du premier perfectionnement, applicable notamment à un module comprenant les trous précédemment décrits, les spires L6, L7, L8 s’éloignent de la spire L5 après la zone de contournement BA16 pour passer entre les trous h1 et h2 et leurs anneaux conducteurs r1, r2, puis reviennent à proximité de la spire L6 avec une distance interspire égale à dl. La spire L9 s’éloigne ensuite de la spire L8 pour contourner le trou h3 et son anneau conducteur r3 puis se prolonge dans la structure support SS16. A la sortie de la structure support SS16, la spire L9 contourne le trou h6 et son anneau conducteur r6, puis passe entre les trous h4, h5 et leur anneaux conducteurs pour atteindre la plage de connexion IP. La spire L8 suit également un chemin qui passe entre les trous h4, h5 et leurs anneaux conducteurs.
Les anneaux conducteurs r1, r3, r5, r6 sont reliés à la spire L9 et l’anneau conducteur r4 est relié à la spire L8 mais ne font pas partie des chemins conducteurs de ces spires. La zone centrale CA est délimitée par le contour de la spire L6 et la plage de connexion extérieure EP est comme précédemment située dans la zone centrale.
En pratique, le premier groupe de spires comprend généralement au moins 4 spires, pour couvrir les besoins des applications connues dans des conditions technologiques de mise en œuvre correspondant à l’état de l’art actuel, mais le premier perfectionnement n’est pas nécessairement limité à ce nombre minimal de spires du premier groupe.
Les figures 11A, 11B montrent la face arrière d’une plaquette B10 mettant en œuvre le premier perfectionnement et un second perfectionnement. Les deux figures sont identiques mais la montre des références d’éléments qui ne sont pas montrées sur la , pour des raisons de lisibilité de la . La montre la face avant de la plaquette B10. Cette dernière comprend six plages de contact C1 à C6, par exemple des plages de contact ISO 7816. Ses dimensions sont par exemple de 11 x 8,32 mm.