FR2745133A1 - Procede et dispositif de telemesure sur ouvrage metallique protege par soutirage - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé et un dispositif de télémesure fonctionnant sur un ouvrage métallique (19) protégé contre l'oxydation par soutirage ((1) et (2)), qui utilisent l'ouvrage lui-même (19) comme support pour la transmission des informations. Le procédé et le dispositif utilisent la différence de potentiel existant entre des prises de terre (16) et l'ouvrage métallique (19) pour injecter à n'importe quels endroits de ce dernier un courant variable (I), provoqué par l'ouverture contrôlée d'un pont électrique (par exemple (13) ou (20)) entre une prise de terre (16) et l'ouvrage (19), et reconnu par un récepteur ((7), (6), (5) et (4)) relié plus loin à ce même ouvrage (19). En outre, les dispositifs émetteurs s'alimentent par eux-mêmes en utilisant un convertisseur continu-continu (10) branché entre la prise de terre (16) et l'ouvrage métallique polarisé (19). De plus, le dispositif complet peut assurer la régulation de grandeurs mesurées à distance en agissant sur des actionneurs (par exemple (8) ou (10)) ayant un effet sur ces grandeurs, et pilotés directement ou non par les récepteurs. Le dispositif est particulièrement destiné à la surveillance et à la régulation d'une protection cathodique, et/ou de la pression de gaz dans un filaire.
Description
La présente invention concerne un procede et un dispositif de télémesure fonctionnant sur un ouvrage métallique protegé contre l'oxydation par soutirage. qui utilisent l'ouvrage lui-mème comme support pour la transmission des informations
Actuellement, il existe différents systèmes de transmission d'informations sur des ouvrages métalliques, mais ils nécessitent trop d'énergie pour rester autonomes longtemps, posent des problèmes de maintenance, sont sensibles à l'évolution des caractéristiqua électriques de la structure métallique dans le temps, et utilisent des technologies plus chères qu'une installation de lignes de transmission indépendantes de la structure protégée, ou moins économiques à l'usage qu'un relevé périodique par du personnel spécialisé.D'ailleurs, de nombreuses grandes sociétés en sont réduites à adopter cette deuxième solution, qui n'est cependant pas la panacée puisqu'un défaut surgissant entre deux rdevés peut causer de gros désagréments (tension de polarisation mauvaise entraînant le perçage d'une canalisation, ou chute de pression de gaz dans une canalisation entraînant rapidement un manque de gaz à l'extrémité d'un filaire, etc.).
Actuellement, il existe différents systèmes de transmission d'informations sur des ouvrages métalliques, mais ils nécessitent trop d'énergie pour rester autonomes longtemps, posent des problèmes de maintenance, sont sensibles à l'évolution des caractéristiqua électriques de la structure métallique dans le temps, et utilisent des technologies plus chères qu'une installation de lignes de transmission indépendantes de la structure protégée, ou moins économiques à l'usage qu'un relevé périodique par du personnel spécialisé.D'ailleurs, de nombreuses grandes sociétés en sont réduites à adopter cette deuxième solution, qui n'est cependant pas la panacée puisqu'un défaut surgissant entre deux rdevés peut causer de gros désagréments (tension de polarisation mauvaise entraînant le perçage d'une canalisation, ou chute de pression de gaz dans une canalisation entraînant rapidement un manque de gaz à l'extrémité d'un filaire, etc.).
Le procédé selon l'invention se décompose en un procédé pour la transmission des signaux selon l'invention, un procédé pour l'alimentation des émetteurs selon l'invention, un procédé pour le codage des informations selon l'invention, et un procédé pour la réception des signaux émis sur la structure selon l'invention
Le procédé selon l'invention permet de réaliser le dispositif selon cette même invention, qui résout les problèmes mentionnés ci dessus. En effet, il est autonome longtemps (au moins 10 ans), pose très peu de problèmes de maintenance vu sa simplicité, est indépendant de la géométrie de la structure protégée et de son vieillissienent, et est peu onéreux.
Le procédé selon l'invention permet de réaliser le dispositif selon cette même invention, qui résout les problèmes mentionnés ci dessus. En effet, il est autonome longtemps (au moins 10 ans), pose très peu de problèmes de maintenance vu sa simplicité, est indépendant de la géométrie de la structure protégée et de son vieillissienent, et est peu onéreux.
Le dispositif selon l'invention se présente sous la forme d'un dispositif selon l'invention pour l'émission des signaux (aussi nommés émetteurs), un dispositif particulier selon l'invention pour la mesure de la tension de polarisation, un dispositif pour I'alimentation des émetteurs selon l'invention, un dispositif sdon l'invention pour le codage des informations, et un dispositif selon l'invention pour la réception des signaux émis sur la structure (aussi nommés récepteurs).
Le procédé de transmission selon l'invention est basé sur deux constatations personnelles, valables quand la polarisation est correcte en tout point de la structure
- tout le courant injecté dans une structure suffisamment polarisée par une station de polarisation passe par cette station puisque le potentiel qu'elle impose en tout point de la structure est inférieur à son potentiel d'oxydation.
- tout le courant injecté dans une structure suffisamment polarisée par une station de polarisation passe par cette station puisque le potentiel qu'elle impose en tout point de la structure est inférieur à son potentiel d'oxydation.
- il est toujours possible, en tout point, d'injecter du courant dans la structure, en réalisant un pont électrique ponctuel entre la structure polarisée et son milieu, s'il est conducteur
Le procédé selon l'invention pour transmettre des informations sur une structure correctement polarisée est donc, dans un première caractéristique, le suivant chaque émetteur contrôle un pont électrique entre la structure protégée et son milieu, et fait varier le courant injecté selon une loi connue par le récepteur, placé au niveau du poste de soutirage La loi de variation du courant est propre à chaque émetteur, et peut être modulée en fonction de la (ou des) valeur(s) mesurée(s) par 'metteur
Nous avons l'assurance que toute modulation de courant sera vue par le recepteur, a condition que ses composantes frequencielles soient suffisamment basses Etant donne que l'on peut souvent se contenter d'une mesure a la minute, voire a l'heure (mesure de la tension de polarisation par exemple), il n'existe theonquement pas de limite basse a la fréquence de base de la modulation (on pourrait descendre a quelques dixièmes de Hertz) On note que le repérage de fréquences très basses ne presente aucune difficulté en traitement numérique du signal (Transformée de
Fourier, corrélation ou autocorrélation).On note aussi que, si le procédé d'émission selon l'invention est fonctionnellement un procédé d'émission en courant, un signal émis sera surtout vu au niveau du poste de soutirage en tension si ce poste de soutirage s'assimile à une source de courant (résistance du poste et du déversoir grandes devant la résistance équivalente à la terre de la structure). Ce même signal sera plus facilement mesurable en courant si le poste de soutirage se rapproche d'une source de tension (surtout le cas des ouvrages neufs dans la terre).
Le procédé selon l'invention pour transmettre des informations sur une structure correctement polarisée est donc, dans un première caractéristique, le suivant chaque émetteur contrôle un pont électrique entre la structure protégée et son milieu, et fait varier le courant injecté selon une loi connue par le récepteur, placé au niveau du poste de soutirage La loi de variation du courant est propre à chaque émetteur, et peut être modulée en fonction de la (ou des) valeur(s) mesurée(s) par 'metteur
Nous avons l'assurance que toute modulation de courant sera vue par le recepteur, a condition que ses composantes frequencielles soient suffisamment basses Etant donne que l'on peut souvent se contenter d'une mesure a la minute, voire a l'heure (mesure de la tension de polarisation par exemple), il n'existe theonquement pas de limite basse a la fréquence de base de la modulation (on pourrait descendre a quelques dixièmes de Hertz) On note que le repérage de fréquences très basses ne presente aucune difficulté en traitement numérique du signal (Transformée de
Fourier, corrélation ou autocorrélation).On note aussi que, si le procédé d'émission selon l'invention est fonctionnellement un procédé d'émission en courant, un signal émis sera surtout vu au niveau du poste de soutirage en tension si ce poste de soutirage s'assimile à une source de courant (résistance du poste et du déversoir grandes devant la résistance équivalente à la terre de la structure). Ce même signal sera plus facilement mesurable en courant si le poste de soutirage se rapproche d'une source de tension (surtout le cas des ouvrages neufs dans la terre).
Le récepteur ne pourra peut pas détecter de variations de courant injecté si la structure en injecte dans son milieu (fuites). Mais ce cas correspond à une protection cathodique en défaut, et le récepteur pourra en déduire à coup sûr l'existence d'un problème méritant l'intervention d'une équipe.
Ce procédé de transmission, selon l'invention, qui n'utilise pas la puissance propre de l'émetteur, mais plutôt celle de la station de soutirage, et qui place le récepteur à un passage obligé du signal injecté, peut en théorie et en pratique se jouer de la forme et de la taille de n'importe quelle structure métallique, à condition qu'elle soit protégée par un soutirage unique, et que l'on soit pret à baisser la fréquence de base des signaux injectés, jusqu'à ce qu'elle soit compatible avec la bande passante (fréquences à peine plus atténuées que la fréquence nulle).
Une variante possible de ce procédé de transmission selon l'invention est de placer le récepteur à un endroit autre que le poste de soutirage. Cependant, suivant la topologie de la structure protégée, ce procédé sera moins performant et nécessitera une plus grande sensibilité du récepteur (en particulier si le récepteur est en bout de structure).
D'autres variantes de ce procédé sont de placer plusieurs émetteurs et un ou plusieurs récepteurs sur un ouvrage protégé par plusieurs soutirages. L'atténuation des signaux sera plus forte, mais compatible avec une bonne réception dans la plupart des cas.
Dans des modes particuliers de réalisation, le dispositif d'émission selon l'invention utilise un transistor en commutation pouvant réaliser un pont électrique entre la structure protégée et son milieu, donc injecter du courant dans la structure, via deux connexions: I'une à la structure protégée, I'autre à une "prise de terre", la meilleure possible. Le signal émis est, dans un mode particulier de réalisation selon l'invention, une succession de créneau de "tout ou rien" de durées variables, qui généreront une "signature spectrale" particulière. Dans un autre mode de réalisation de ce dispositif d'émission selon l'invention. le transistor est contrôle par une électronique simple qui hache le courant injecté à haute fréquence, pour lui donner la forme basse fréquence voulue (dans tout le texte, le terme hautes fréquences s'applique aux composantes spectrales supéneures à la frequence de coupure de l'ouvrage métallique concerné, et le terme basse fréquences s'applique aux composantes frequentielles proches de la fréquence nulle. qui ne sont pas beaucoup plus atténuées que cette dernier En pratique, sur des grosses canalisations. on peut considérer 100kHz comme une haute fréquence. et 2Hz comme une basse fréquence, peu attenuée) Il peut s'agir, dans ce mode particulier de réalisation du dispositif d'emission selon l'invention. d'une modulation dite par largeur d'impulsion, ou par fréquence d'impulsions. Plus géneralement, dans ce même mode de réalisation selon l'invention, la technique de modulation du signal injecté peut-etre toute technique falsant que durant chaque intervalle de temps (petit devant le temps de montée ou de descente du signal basse fréquence voulu durant cet intervalle de temps précis). le rapport de la durée cumulée des états''passant" sur la durée cumulée des états "ouverts" fixe le courant moyen injecté dans la structure.Ce type de commande par impulsions est très répandu par ailleurs pour la commande de moteurs à courant continu.
Dans un mode de réalisation de l'émetteur trés proche, et toujours selon l'invention, on peut remplacer le transistor par un thyristor, un triac, ou un IGBT. La commande sera plus délicate, en n'apportant aucun avantage concret vus les faibles courants enjeu.
On note qu'il est possible de hacher le courant à des fréquences proches de la fréquence de base du signal à générer (exemple extrême: générer un signal carré à la place de la sinusoïde souhaitée), mais on gaspille alors de l'énergie dans des harmoniques peu exploitables.
La forme de signal basse fréquence la plus logique, sans être la seule possible, est la sinusoïde, car elle ne subit aucune déformation lors de la transmission, et simplifie la logique de détection, d'autant plus qu'elle sera émise longtemps. Une logique cablée simple ou un petit microcontrôleur peuvent sans problèmes commander le transistor, et lui faire générer facilement les formes de courant basse fréquence les plus insolites, la sinusoïde offrant toujours le meilleur ratio facilité de détection/énergie consommée à l'émission (pour être précis, il s'agira alors d'une simlsdde superposée à une composante continue, car on ne peut générer des alternances "prenant du courant" à la structure protégée.Dans ce cas, la composante continue constitue le courant perdu par le procédé et le dispositif de transmission).
Une variante du dispositif d'émission selon l'invention utilise un transistor en mode de fonctiormement linéaire, et injecte un courant de forme quelconque dans la structure, en se servant toujours d'une prise de terre comme "source" du courant.
Une autre variante du dispositif d'émission selon l'invention consiste à faire varier le courant injecté en connectant la structure à la terre via des résistances de différentes valeurs, ou une résistance variable (la connexion de ces résistances pouvant se faire simplement à l'aide d'interrupteurs électroniques, tels plusieurs transistors en commutations, ou des thynstors, ou des triacs, ou des IGBT).
Une dernière variante du dispositif d'émission selon l'invention est d'utiliser un réservoir d'énergie -batterie ou gros condensateur- périodiquement rechargé par le dispositif d'alimentation selon l'invention, et qui servir, durant les émissions, à augmenter le courant injecté dans la structure protégée. Pratiquement, par un jeu d'interrupteurs électroniques (transistors, relais, etc ), la batterie ou le condensateur seront insérés dans la chaîne piquet de terre-pont électrique-structure métallique pour augmenter le débit de courant. Cependant ce systéme n'a de raison d'exister que s'il est impossible de diminuer la valeur de la résistance de terre (mais c'est toujours possible...).
Le dispositif de réception selon l'invention peut utiliser aussi bien un capteur de courant que de tension.
Si le poste de soutirage est surtout une source de courant par rapport à la structure (voir plus haut), il sera préférable d'utiliser un capteur de tension. Dans le cas où le poste se comporte comme une source de courant (voir plus haut là encore). un capteur de tension sera preferable
Dans un mode de réalisation, le dispositif de reception selon l'invention utilise donc une sonde de courant, placee de preference entre le poste de soutirage et ltousTage protege. ou encore en sene avec la structure protégée.
Dans un mode de réalisation, le dispositif de reception selon l'invention utilise donc une sonde de courant, placee de preference entre le poste de soutirage et ltousTage protege. ou encore en sene avec la structure protégée.
partout où cela est possible. Dans un deuxième mode de réalisation, le dispositif de reception utilise un capteur de tension, placé à n'importe quel endroit de la structure, mais de préférence au niveau du poste de soutirage, s'il n'y en a qu'un.
Dans un mode de réalisation, le dispositif de réception selon l'invention utilise un filtre passe-bas analogique, de façon à réduire la dynamique utile du convertisseur analogique-numérique qui suit (I'amplitude des signaux de fréquence supérieures ou égales à 50Hz sont souvent de loin les plus grandes).La fréquence de coupure de ce filtre dépend bien entendu des fréquences de transmission utilisées, mais une fréquence de coupure de 10Hz laisse à la fois une bande de fréquences raisonnable pour les transmissions, et est suffisamment éloignée des harmoniques et sousharmoniques provenant du secteur pour qu'un filtre du premier ou deuxiéme ordre convienne tout à fait (par exemple, dans ce cas, la composante 100Hz, provenant du pont redresseur et celle à 50Hz, provenant du milieu environnant, sont atténuées respectivement par 100 et 25, ce qui permet d'utiliser derrière des composants ayant une dynamique de l'ordre de 1000 sur de nombreuses structures).
Dans un mode particulier de réalisation, le dispositif de réception selon l'invention utilise un convertisseur analogique-numérique, associé à un système de traitement numérique du signal, qui rejette le 50 et/ou le 60Hz, ses harmoniques et principaux sous-harmoniques (filtre en sinus cardinal suffisant) puis effectue une corrélation (multiplication du signal numérique filtré avec le signal recherché). Le but du rejet des fréquences venant du secteur est d'éviter de "saturer" le processeur avec des valeurs trop disparates durant le traitement de détection à proprement parler. De plus, un filtre en sinus cardinal ne se traduit que par une succession d'additions, qui ne font courir aucun risque de perte d'information durant le calcul.
Dans des modes particulier de réalisation du dispositif de réception selon l'invention, le traitement de signal est effectué sur une carte électronique, par un circuit logique spécifique, un processeur de traitement de signal, un microprocesseur ou un microcontrôleur, ou sur un microordinateur de bureau.
Dans un mode particulier de réalisation du dispositif de réception selon l'invention, le signal émis peutetre périodique, et c'est le meilleur choix. Dans ce cas, un mode particulier de réalisation du dispositif de réception selon l'invention est d'approcher le véritable traitement par corrélation par une corrélation avec un signal carré de mème pénode, ce qui se traduit par une succession d'additions et de soustractions. Ces calculs simples permettent une implantation sur une logique câblée simple ou un processeur peu puissant. La sélectivité du récepteur pourra toujours être aussi bonne qu'on le désire si l'on peut augmenter le temps d'observation.
Dans un mode particulier de réalisation. le dispositif de réception selon l'invention pourra réaliser une transformée de Fourier Cette solution est la meilleure lorsque il y a de nombreux émetteurs, susceptibles de coder de nombreuses mesures différentes
Dans un mode particulier de réalisation, le récepteur peut realiser un traitement par autocorrélation, mais ce dernier est moins efficace que les précédents.
Dans un mode particulier de réalisation, le récepteur peut realiser un traitement par autocorrélation, mais ce dernier est moins efficace que les précédents.
Le procédé d'alimentation. selon l'invention. de la carte emeneur decoule de deux constatations
- l'émetteur n'a besoin que d'une puissance negligeable pour fonctionner, la puissance propre nécessaire à son fonctionnement étant celle d'un circuit logique basse consommation (celul qui commande le court-circuit entre la structure et son milieu).
- l'émetteur n'a besoin que d'une puissance negligeable pour fonctionner, la puissance propre nécessaire à son fonctionnement étant celle d'un circuit logique basse consommation (celul qui commande le court-circuit entre la structure et son milieu).
- une tension correcte de polarisation de la structure métallique par rapport à son milieu est toujours inféneure a -0.5V, on a donc toujours une différence de potentiel supérieure à 0,8V entre une prise de terre en cuivre (potentiel d'oxydation de +0,34V) et la structure protégée Cette tension est exploitable par un convertisseur de tension continu/continu, pour générer du 5V: il existe d'ailleurs des circuits intégrés manufacturés pour implanter cette fonction sur un circuit imprimé (exemple: le circuit MAX856 du fabricant américain Maxim).Si donc la tension est dans des plages de polarisation corrects, l'émetteur pourra s'alimenter et envoyer des mesures de la tension de polarisation. Par contre, si la tension devient supérieure à -0,5V, l'émetteur pourra s'arrêter, et le récepteur sera au courant du problème immédiatement.
Selon un premier mode de réalisation, le dispositif d'alimentation est une simple batterie longue durée, qui sera rechargée périodiquement par une alimentation à découpage directement pilotée par le circuit logique de contrôle de la carte émetteur.
Selon un deuxième mode de réalisation, le dispositif d'alimentation est une simple alimentation à découpage fonctionnant indépendamment de la logique de contrôle. Dans ce cas, une défaillance de l'alimentation se traduit par un arrêt de la carte émetteur.
Selon un troisième mode de réalisation, le dispositif d'alimentation est une pompe de charge.
La prise de terre au niveau des émetteurs nécessite un soin particulier
Selon un premier mode de réalisation, qui sera souvent le meilleur compromis performance/prix, la prise de terre selon l'invention est un simple piquet de cuivre planté dans la terre (résistance de terre idéalement de l'ordre de 30 Ohms). Le potentiel d'oxydation très élevé du cuivre (environ +0,34 Volts) permet d'avoir une différence de potentiel maximale entre le piquet et la structure protégée, ce qui permet à l'émetteur d'injecter plus de courant qu'avec un piquet de terre ordinaire de mêmes dimensions, et autorise un fonctionnement de l'alîmentarion à découpage à des tensions de polarisation du tuyau juste inférieures à -0,5V.
Selon un premier mode de réalisation, qui sera souvent le meilleur compromis performance/prix, la prise de terre selon l'invention est un simple piquet de cuivre planté dans la terre (résistance de terre idéalement de l'ordre de 30 Ohms). Le potentiel d'oxydation très élevé du cuivre (environ +0,34 Volts) permet d'avoir une différence de potentiel maximale entre le piquet et la structure protégée, ce qui permet à l'émetteur d'injecter plus de courant qu'avec un piquet de terre ordinaire de mêmes dimensions, et autorise un fonctionnement de l'alîmentarion à découpage à des tensions de polarisation du tuyau juste inférieures à -0,5V.
Sdon d'autres modes de réalisation, et en fonction de la résistivité du terrain, la prisse de terre peut être constituée d'un piquet, d'une plaque ou d'un fil de métal quelconque enterrés dans la terre même ou un electrolyte, lui-meme en contact avec le sol.
Selon un mode particulier de réalisation, le dispositif de mesure de la tension de polarisation cathodique selon l'invention relève la tension entre le piquet de terre commun à l'émetteur et l'alimentation à découpage, a la structure à protéger. Dans ce mode de réalisation, la mesure devra s'effectuer quand aucun courant ne provient du piqua de terre, donc quand l'alimentation à découpage et le dispositif d'enu ssion sont arrêtés
Selon d'autres modes de réalisation de la mesure de la tension de polarisation selon l'invention , on peut utiliser une prise de potentiel distincte de la prise de terre pour la mesure, ou faire la mesure directement via la prise de terre parcourue par un courant (alimentation et/ou émission d'un signal), en compensant par calcul la perte de tension.
Selon d'autres modes de réalisation de la mesure de la tension de polarisation selon l'invention , on peut utiliser une prise de potentiel distincte de la prise de terre pour la mesure, ou faire la mesure directement via la prise de terre parcourue par un courant (alimentation et/ou émission d'un signal), en compensant par calcul la perte de tension.
Selon un mode de réalisation particulier du dispositif de codage de la (ou des) mesure(s) selon l'invention, on peut utiliser la modulation de fréquences, la bande de fréquences attribuée aux transmissions etant découpée en frequences absolues dediees chacune a une valeur (ou combinaison de valeurs) particuliere de la (ou des) mesure(s) faite(s) par un emetteur particulier Si N est le nombre maximum de valeurs (ou combinaisons de valeurs) différentes qu'un emetteur peut emettre. et M le nombre maxlmum d'émetteurs que l'on souhaite pouvoir mettre sur une même structure protégée, alors il faudra que l'émetteur puisse repérer MxN fréquences différentes dans la bande de transmission allouée.Dans cette hypothèse, le récepteur doit pouvoir repérer M signaux apparaissant simultanément.
On note que la précision de la mesure n'est limitée que par celle des oscillateurs (quartz ou piézoélectrique) utilisés pour l'émission et la réception.
Selon un autre mode de réalisation selon l'invention, mais plus délicat à réaliser, la transmission de la (ou des) mesure(s) selon l'invention se fait par modulation de la forme du signal émis, ce qui génère des harmoniques particuliers, codant la source de l'émission ainsi que la (ou les) mesure(s) elle(s) même.
Un autre mode de réalisation de la transmission selon l'invention est de mixer le codage par la forme initiale du signal généré ainsi que sa fréquence de base.
Les dessins annexés illustrent un dispositif de télémesure et de télérégulation particulier et complet selon l'invention, réalisable par un ingénieur électronicien (figures 1 et 2) et un dispositif particulier d'émission selon l'invention, plus détaillé, car déterminant les circuits électroniques à utiliser (figure 3).
Sur la figure 1, on repére tout d'abord les différents éléments constitutifs d'un système de protection cathodique classique:
- le déversoir (1),
- la station de polarisation à proprement parler (2),
- la structure métallique à protéger (19}(ici, un tuyau de gaz enterré-,
- la "terre" (21) -ici véritablement la terre' et non la mer-,
- le couram injecté dans la structure métallique par défaut d'isolement ou induction (9)
On repère ensuite surla figure 1 les éléments propres à un mode de réalisation particulier du dispositif d'émission selon l'invention.
- le déversoir (1),
- la station de polarisation à proprement parler (2),
- la structure métallique à protéger (19}(ici, un tuyau de gaz enterré-,
- la "terre" (21) -ici véritablement la terre' et non la mer-,
- le couram injecté dans la structure métallique par défaut d'isolement ou induction (9)
On repère ensuite surla figure 1 les éléments propres à un mode de réalisation particulier du dispositif d'émission selon l'invention.
- le convertisseur continu-continu (10), (alimentation à découpage ou pompe de charges).
- la logique de contrôle basse consommation (11)-ici une carte microcontrôleur- alimentée entre la sortie du convertisseur(l0) et la structure(l9).
- Le générateur d'impulsions (12), contrôlé par (1 I) en fonction des données de ( 15) ou (18). La correspondance entre une séquence possible et simple de sa sortie (C) et le courant (I) est donnée en figure 2.
- Le transistor servant de pont électrique contrôlé ((13) ou (20)), qui peut ètre ouvert (I=O) ou fermé. Dans ce dernier cas t=lm au bout d'un temps grand devant les constantes de temps du système complet (moins d'une seconde dans la plupart des cas).
- un parafoudre (14), qui peut être constitué d'une diode transil basse tension (la tension de polarisation ne doit pas être inférieure à -10V). La résistance du transistor passant doit être suffisamment grande pour que le transistor ne claque pas en cas de surintensité (tension source-drain ou emetteur-collecteur égale alors à la tension maximale aux bornes de la diode transil)) Le cas échéant, on pourra adjoindre au transistor une resistance série.
Viennent ensuite sur la figure I les elements propres a la mesure de tension de polarisation et d'une autre grandeur (ici la pression en bout de filaire par exemple)
- un convertisseur analogique-numenque mesurant la difference de potentiel entre la prise de terre (16) et la structure (19). Pour obtenir la mesure la plus fiable possible, il vaut mieux, selon l'invention. l'effectuer ( 13) ouvert et (10) temporairement arrêté. La sortie du convertisseur est exploitée par (I I), pour piloter ( 12) et par conséquent (13) de façon à ce qu'un signal caractéristique de la mesure faite soit injecté dans (19).
- un convertisseur analogique-numenque mesurant la difference de potentiel entre la prise de terre (16) et la structure (19). Pour obtenir la mesure la plus fiable possible, il vaut mieux, selon l'invention. l'effectuer ( 13) ouvert et (10) temporairement arrêté. La sortie du convertisseur est exploitée par (I I), pour piloter ( 12) et par conséquent (13) de façon à ce qu'un signal caractéristique de la mesure faite soit injecté dans (19).
- un convertisseur pression-tension (17),
- un convertisseur analogique-numérique (18) La sortie du convertisseur est exploitée par (11), pour piloter (12) et par conséquent (13) de façon à ce qu'un signal caractéristique de la mesure faite soit injecté dans (19).
- un convertisseur analogique-numérique (18) La sortie du convertisseur est exploitée par (11), pour piloter (12) et par conséquent (13) de façon à ce qu'un signal caractéristique de la mesure faite soit injecté dans (19).
On peut discerner ensuite toujours sur la figure 1 les éléments propres à la réception des mesures faites:
- un convertisseur courant-tension (7) placé entre le tuyau protégé et la source du courant de soutirage.
- un convertisseur courant-tension (7) placé entre le tuyau protégé et la source du courant de soutirage.
Dans un autre mode de réalisation selon l'invention, plus approprié dans la cas des structures mal isolées, un simple capteur de tension placé entre la structure et une prise de terre sera préférable.
- un filtre analogique passe-bas (6). Un filtre passebande, enlevant la composante continue, permet d'augmenter la dynamique utile pour la transmission, mais fait perdre la valeur absolue de la tension de polarisation en début de filaire, ce qui peut être très utile pour piloter (8) d'une façon plus sûre. Une variante selon l'invention consiste à utiliser deux voies analogiques- une voie pour la transmission, qui utilise un filtre passe-bande (0,1 à 10Hz par exemple), et une voie pour la mesure de tension de polarisation au départ, qui utilise un simple passe-bas.
- un convertisseur analogique-numérique (5) faible vitesse de précision: 8 à 24 bits suivant le filtrage initial et l'atténuation maximale dans la structure.
- une carte de traitement numérique (4), déterminant les fréquences presentes, et en déduisant les émetteurs présents et la mesure qu'ils émettent. Comme nous l'avons vu plus haut, le traitement de signal effectué dans le dispositif de réception selon l'invention peut être un rejet des harmoniques et de quelques sous-harmoniques de la fréquence locale du secteur (un simple filtre en sinus cardinal étant suffisant), suivie par une transformation de
Fourier rapide, ou une sérine de corrélations, ou d'autocorrélations.
Fourier rapide, ou une sérine de corrélations, ou d'autocorrélations.
- un voyant lumineux (3), qui pourrait aussi étire une alarme sonore ou par modem, qui indique un problème sur la structure protégée (pas de protection ou manque de pression par exemple)
Quelques ajouts transforment le dispositif de télémesure en un dispositif complet de télérégulation, selon l'invention:
- un hacheur électronique (8), piloté par la carte de traitement (4), et s'insérant entre le poste de soutirage original (roto-transformateur dans la plupart des cas) ou une source de tension quelconque (2) d'une part, et l'ouvrage à protéger (19) d'autre part.Ce dernier permet à la carte de traitement numérique d'ajuster la tension de polarisation initiale pour que la tension de polarisation cathodique soit satisfaisante en tous les points de l'ouvrage où elle est mesurée
- le cas échéant. un compresseur de gaz (I 0) pilotable de façon électronique. qui sera commandé de façon à ce que la pression en bout de filaire soit satisfaisante
Un exemple d'approximation d'une sinusoïde par 6 points est donne en figure 2 On voit la commande C du transistor dans le temps (C a l'état haut rend le transistor passant) Sans filtrage de la part de la structure (impédance a composante purement active), la courbe du courant injecte aurait la mème forme que la commande Elle contiendrait trois composantes spectrales: une composante continue (il/2), des composantes basse fréquence (fréquence basse de base et principaux harmoniques car la sinusoide n'est pas parfaite). et des composantes haute fréquence, issues directement du hachage. Ces derniéres seront filtrées par la structure protégée (19) ainsi que par le filtre d'entrée du récepteur (6).
Quelques ajouts transforment le dispositif de télémesure en un dispositif complet de télérégulation, selon l'invention:
- un hacheur électronique (8), piloté par la carte de traitement (4), et s'insérant entre le poste de soutirage original (roto-transformateur dans la plupart des cas) ou une source de tension quelconque (2) d'une part, et l'ouvrage à protéger (19) d'autre part.Ce dernier permet à la carte de traitement numérique d'ajuster la tension de polarisation initiale pour que la tension de polarisation cathodique soit satisfaisante en tous les points de l'ouvrage où elle est mesurée
- le cas échéant. un compresseur de gaz (I 0) pilotable de façon électronique. qui sera commandé de façon à ce que la pression en bout de filaire soit satisfaisante
Un exemple d'approximation d'une sinusoïde par 6 points est donne en figure 2 On voit la commande C du transistor dans le temps (C a l'état haut rend le transistor passant) Sans filtrage de la part de la structure (impédance a composante purement active), la courbe du courant injecte aurait la mème forme que la commande Elle contiendrait trois composantes spectrales: une composante continue (il/2), des composantes basse fréquence (fréquence basse de base et principaux harmoniques car la sinusoide n'est pas parfaite). et des composantes haute fréquence, issues directement du hachage. Ces derniéres seront filtrées par la structure protégée (19) ainsi que par le filtre d'entrée du récepteur (6).
La courbe du courant injecté (I en fonction du temps) de la figure 2 est celle que l'on pourrait percevoir à quelques métres de I'émetteur, avec un filtre passe-bas.
n est avantageux de discrétiser le temps d'une manière plus fine que la valeur du courant. Par exemple, de bons résultats sont obtenus en divisant la période d'une sinusoïde en 128 unités de temps, et 16 valeurs de courant différentes. La faible distorsion qui en résulte réduit le gaspillage d'énergie et facilite la détection.
La figure 3 (annexe 2/2) montre un dispositif d'émission selon l'invention, et selon un mode particulier de réalisation:
L'électronique est alimentée entre (42) et (44) par un batterie au plomb 2V longue durée (8 à 10 ans).
L'électronique est alimentée entre (42) et (44) par un batterie au plomb 2V longue durée (8 à 10 ans).
La terre est connectée en (40), et la structure à protéger, à un potentiel négatif par rapport à la terre, est connectée en (41).
Le microcontrôleur (30), fonctionnant de 2 à 6 volts, (ici, un PIC 16LC84 du fabricant américain Microchip) contrôle toutes les fonctions de la carte: la fonction émission (13, 43 et 30), la fonction alimentation à découpage et recharge de la batterie (30 à 35), et la fonction mesure de la tension de polarisation (37 à 39).
La fonction émission est assurée par un transistor MOS (13) de tension de seuil inférieure à 2 volts (ici, un
SI6426DQ du fabricant Temic-Siliconix) en série avec une résistance (43), commandé par le microcontrôleur (30).
SI6426DQ du fabricant Temic-Siliconix) en série avec une résistance (43), commandé par le microcontrôleur (30).
La résistance a surtout un but de protection en cas de surtension, qui devrait surtout être absorbée par la diode transil (14). En maitrisant le rapport cyclique de sa commande, le microcontrôleur contrôle très précisément le courant qu'il injecte dans la structure. On note que le montage selon l'invention pourrait très bien utiliser directement une sortie du microcontrôleur (i.e. des transistors intégrés) pour injecter du courant dans la structure (passage de la sortie de haute impédance à l'état 'zéro" et réciproquement), mais la fiabilité ne serait plus garantie (la sortie de ce microcontrôleur ne supporte que 150 mA en pointe, courant qui peut être depassé en cas de surintensité, tandis que le transistor MOS utilisé supporte 30A en pointe Dans ce dernier cas, il y a beaucoup de marge)
La fonction alimentation et recharge de la batterie s'analyse ainsi:
- la diode (34) permet à la fonction émission de fonctionner correctement lorsque le condensateur (32) est chargé. Ce dernier sert de réservoir d'énergie, permettant au courant dans la bobine (31) de ne pas être limité par la resistance de terre et l'inductance de la structure; la bobine (3 i) se charge d'une energie proportionnelle au carré de l'intensité de courant qui la traverse quand le transistor (33) est rendu passant par (30). et se décharge d'une bonne partie de cette énergie dans l'alimentation principale de la carte, lorsque (33) est brusquement 'ouvert" par le microcontrôleur (30). Le condensateur (36) permet de limiter les fluctuations de l'alimentation lors de cette opération.La batterie se charge quand l'alimentation à découpage se met en route, et limite la tension d'alimentation à 3 volts maximum (sauf si la différence de potentiel entre la pnse de terre et la structure polarisée dépasse largement 3 volts en valeur absolue)
La fonction mesure de tension est réalisee par le double comparateur (37) associé au jeu de résistances (39), qui permet de détecter dans ce cas si la tension de la structure est en dessus ou en deça du seuil fixe par l'exploitant
Le jeu de résistance (38), associé à (37), permet de détemuner si l'alimentation de la carte n'est pas au delà des marges de sécurité, auquel cas le microcontrôleur protège la carte en fermant le transistor (13) etiou (33). Ce dernier cas se produit quand la structure est sur-polarisée
La fonction alimentation et recharge de la batterie s'analyse ainsi:
- la diode (34) permet à la fonction émission de fonctionner correctement lorsque le condensateur (32) est chargé. Ce dernier sert de réservoir d'énergie, permettant au courant dans la bobine (31) de ne pas être limité par la resistance de terre et l'inductance de la structure; la bobine (3 i) se charge d'une energie proportionnelle au carré de l'intensité de courant qui la traverse quand le transistor (33) est rendu passant par (30). et se décharge d'une bonne partie de cette énergie dans l'alimentation principale de la carte, lorsque (33) est brusquement 'ouvert" par le microcontrôleur (30). Le condensateur (36) permet de limiter les fluctuations de l'alimentation lors de cette opération.La batterie se charge quand l'alimentation à découpage se met en route, et limite la tension d'alimentation à 3 volts maximum (sauf si la différence de potentiel entre la pnse de terre et la structure polarisée dépasse largement 3 volts en valeur absolue)
La fonction mesure de tension est réalisee par le double comparateur (37) associé au jeu de résistances (39), qui permet de détecter dans ce cas si la tension de la structure est en dessus ou en deça du seuil fixe par l'exploitant
Le jeu de résistance (38), associé à (37), permet de détemuner si l'alimentation de la carte n'est pas au delà des marges de sécurité, auquel cas le microcontrôleur protège la carte en fermant le transistor (13) etiou (33). Ce dernier cas se produit quand la structure est sur-polarisée
Claims (10)
- I ) Procédé de telémesure fonctionnant sur un ouvrage metallique(l9) protegé contre I'o-dation par soutirage ( ( I) et (2)). qui utilise l'ou'rage lui-mème (19) comme suppon pour la transmission des Informations, caractérisé en ce qu'il utilise la différence de potentiel existant entre des pnses de terre (16) et l'ouvrage métallique (19) pour injecter à n'importe quels endroits de ce dernier un courant variable (I), provoqué par l'ouverture contrôlée d'un pont électrique (par exemple (13) ou (20)) entre une prise de terre (16) et l'ouvrage (19), et reconnu par un récepteur ((7), (6), (5) et (4)) relié plus loin à ce mème ouvrage (19)REN'ENDICATIOo S
- 2) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I caractérisé en ce que des émetteurs utilisent un ou plusieurs transistors, MOS (13) ou bipolaires (20), discrets ((13) ou (20)) ou non, commandés en commutation (12) pour injecter dans l'ouvrage métallique (19) un courant variable.
- 3) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I caractérisé en ce que des émetteurs utilisent un transistor, discret ou intégré, en mode de fonctionnement linéaire pour injecter dans l'ouvrage métallique (19) un courant variable.
- 4) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que des émetteurs utilisent un thyristor, un triac, ou un IGBT pour injecter dans l'ouvrage métallique (19) un courant variable.
- 5) Dispositif selon la revendication 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que chaque émetteur placé sur l'ouvrage genére des signaux qui lui sont propres, et dont une ou plusieurs de leurs composantes spectrales permettent au récepteur d'identifier l'émetteur de ces signaux et de connaitre la ou les mesures qu'il transmet.
- 6) Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les émetteurs (nombre supérieur ou égal à un) utilisent la différence de potentiel entre la structure protégée (19) et une prise de terre (16) pour générer l'énergie électrique dont ils ont besoin, en augmentant le cas échéant cette tension à un niveau compatible avec le fonctionnement d'une carte électronique (par un systéme d'alimentation à découpage ou de pompe de charge).
- 7) Procédé selon la revendication I caractérisé en ce qu'il utilise le fait qu'un courant injecté dans un ouvrage métallique protégé par soutirage, par un pont électrique reliant une prise de terre et ce meme ouvrage, est forcément visible au niveau de la station de polarisation, quelque soit la forme et la dimension de l'ouvrage protégé, et à condition que les composantes spectrales à transmettre soient suffisamment basses pour ne pas être beaucoup plus atténuées que la composante continue (composantes fréquentielles dans la bande passante de l'ouvrage)
- 8) Dispositif selon l'une des revendications 2 à5, caracterise en ce qu'il utilise les mesures des grandeurs effectuées à distance et récupérées par le récepteur ((7), (6), (5), et (4)) pour réguler ces grandeurs, en agissant sur des actionneurs (par exemple (8) ou (10)) ayant un effet sur ces grandeurs, et pilotes directement ou non par le récepteur.
- 9) Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que le récepteur capte les signaux transmis sur l'ouvrage (19) par l'intermediai re d'une sonde de tension placée à n'importe quel endroit de l'ouvrage, entre celui-ci et une prise de terre quelconque
- 10) Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que le récepteur capte les signauxtransmis sur l'ouvrage (19) par l'interméliaire d'une sonde de courant placée à tout endroit de l'ouvrage permettantde dériver le courant traversant localement l'ouvrage.
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|---|---|---|---|
| FR9602296A FR2745133B1 (fr) | 1996-02-20 | 1996-02-20 | Procede et dispositif de telemesure sur ouvrage metallique protege par soutirage |
| AU20990/97A AU2099097A (en) | 1996-02-20 | 1997-02-20 | Method and device for telemetry on a metal structure protected by current tapping |
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| FR9602296A FR2745133B1 (fr) | 1996-02-20 | 1996-02-20 | Procede et dispositif de telemesure sur ouvrage metallique protege par soutirage |
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| FR2745133B1 FR2745133B1 (fr) | 1998-05-07 |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2097265A5 (fr) * | 1970-06-24 | 1972-03-03 | Petroles Cie Francaise | |
| AT356982B (de) * | 1977-10-10 | 1980-06-10 | Vnii Prirodnykh Gazov | Fernueberwachungssystem fuer entlang einer trasse einer als nachrichtenkanal dienenden haupt- rohrleitung angeordneten einrichtungen |
| JPS5726942A (en) * | 1980-07-25 | 1982-02-13 | Tokyo Gas Co Ltd | Data transmission system |
| WO1993026115A2 (fr) * | 1992-06-15 | 1993-12-23 | Flight Refuelling Limited | Transmission de donnees dans des canalisations sous-marines |
-
1996
- 1996-02-20 FR FR9602296A patent/FR2745133B1/fr not_active Expired - Fee Related
-
1997
- 1997-02-20 AU AU20990/97A patent/AU2099097A/en not_active Abandoned
- 1997-02-20 WO PCT/FR1997/000317 patent/WO1997031438A1/fr active Application Filing
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2097265A5 (fr) * | 1970-06-24 | 1972-03-03 | Petroles Cie Francaise | |
| AT356982B (de) * | 1977-10-10 | 1980-06-10 | Vnii Prirodnykh Gazov | Fernueberwachungssystem fuer entlang einer trasse einer als nachrichtenkanal dienenden haupt- rohrleitung angeordneten einrichtungen |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 006, no. 095 (E - 110) 3 June 1982 (1982-06-03) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| AU2099097A (en) | 1997-09-10 |
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| WO1997031438A1 (fr) | 1997-08-28 |
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