FR3138947A1 - DEVICE FOR DETECTING WIRE BREAK(S) IN AT LEAST ONE CABLE OF A CIVIL ENGINEERING STRUCTURE - Google Patents
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Abstract
Ce dispositif de détection (20) de rupture de fil dans au moins un câble (10) d’une structure de génie civil, comprend :– un ensemble de capteurs acoustiques (14a) destinés à être fixés sur un câble (10) ou sur des points d’ancrage (11, 12) du câble (10) de sorte à recevoir une onde acoustique lors d’une rupture d’un fil ou d’un brin du câble (10) ; les capteurs acoustiques (14a) étant aptes à capter cette onde acoustique ; et– une unité d’analyse (17) apte à recevoir des informations de détection de ladite onde acoustique par les capteurs acoustiques (14a) et à localiser une rupture d’un fil du câble (10) en fonction des emplacements des capteurs acoustiques (14a) ayant détectés l’onde acoustique. Les capteurs acoustiques (14a) sont regroupés par cluster (16a), chaque cluster (16a) comprenant une unité de supervision (15) munie :– d’une carte d’acquisition des signaux issus des capteurs acoustiques (14a) ;– d’une mémoire (18) permettant d’enregistrer et d’horodater les signaux issus des capteurs acoustiques (14a) pendant une durée prédéterminée avant et après le dépassement d’un seuil de vibration acoustique ; et– de moyens de transmission (19) des signaux enregistrés à l’unité d’analyse (17) ;l’unité d’analyse (17) étant apte à recevoir tous les signaux enregistrés par les différentes unités de supervision (15) d’un même câble (10) et à caractériser et à localiser la rupture d’un fil en fonction de la forme des signaux. Figure pour l’abrégé : Fig 1This device (20) for detecting wire breaks in at least one cable (10) of a civil engineering structure, comprises: – a set of acoustic sensors (14a) intended to be fixed on a cable (10) or on anchor points (11, 12) of the cable (10) so as to receive an acoustic wave when a wire or strand of the cable (10) breaks; the acoustic sensors (14a) being able to capture this acoustic wave; and– an analysis unit (17) capable of receiving detection information of said acoustic wave by the acoustic sensors (14a) and of locating a break in a wire of the cable (10) as a function of the locations of the acoustic sensors ( 14a) having detected the acoustic wave. The acoustic sensors (14a) are grouped by cluster (16a), each cluster (16a) comprising a supervision unit (15) provided with: – an acquisition card for signals from the acoustic sensors (14a); – a memory (18) for recording and timestamping the signals from the acoustic sensors (14a) for a predetermined duration before and after exceeding an acoustic vibration threshold; and– means of transmission (19) of the signals recorded to the analysis unit (17); the analysis unit (17) being able to receive all the signals recorded by the different supervision units (15) d the same cable (10) and to characterize and locate the break of a wire according to the shape of the signals. Figure for abstract: Fig 1
Description
L’invention appartient au domaine des structures de génie civil, typiquement des ouvrages d’art intégrant un ou plusieurs câbles, tels que les ponts suspendus, les ponts à haubans et les structures à précontraintes intérieures ou extérieures, des structures câblées de toitures de stade ou de grands équipements recevant du public : salle de concert, gymnase, etc.The invention belongs to the field of civil engineering structures, typically engineering structures integrating one or more cables, such as suspension bridges, cable-stayed bridges and interior or exterior prestressed structures, cabled stadium roof structures. or large facilities open to the public: concert hall, gymnasium, etc.
Plus spécifiquement, l’invention vise la surveillance de telles structures pour détecter la rupture d’un fil dans au moins un câble afin d’anticiper un besoin d’intervention sur le câble et améliorer la sécurité de l’ouvrage d’art associé.More specifically, the invention aims to monitor such structures to detect the breakage of a wire in at least one cable in order to anticipate a need for intervention on the cable and improve the safety of the associated structure.
L’invention concerne plus précisément la surveillance acoustique d’au moins un câble, par exemple avec la méthode CASC, acronyme du domaine technique considéré pour désigner « Contrôle Acoustique pour la Surveillance des Câbles ».The invention relates more precisely to the acoustic monitoring of at least one cable, for example with the CASC method, an acronym for the technical field considered to designate “Acoustic Control for Cable Monitoring”.
L’invention concerne plus précisément l’instrumentation acoustique d’au moins un câble.The invention relates more precisely to the acoustic instrumentation of at least one cable.
La surveillance des câbles s’est appuyée depuis les années 1970 sur le développement de méthodes détectant l’onde acoustique de la rupture, l’exemple historique en France étant celui du développement du système CASC, acronyme pour « Contrôle Acoustique pour la Surveillance des Câbles » - dans les années 1970 par le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC).Cable monitoring has been based since the 1970s on the development of methods detecting the acoustic wave of the break, the historical example in France being that of the development of the CASC system, acronym for “Acoustic Control for Cable Surveillance » - in the 1970s by the Central Laboratory of Bridges and Roads (LCPC).
La méthode CASC permet la détection et la localisation de la ou de ruptures des fils entrant dans la constitution de câbles des structures. Cette méthode utilise l’énergie et les ondes acoustiques que les fils génèrent lorsqu’ils se rompent. Plus précisément, cette méthode repose sur l’observation selon laquelle une rupture d’un fil sous tension libère de l’énergie générant une onde acoustique se propageant le long du câble à une vitesse déterminée. Ainsi, en utilisant un ensemble de capteurs acoustiques placés sur le câble sous tension, il est possible de détecter la propagation de l’onde acoustique en plusieurs positions du câble de part et d’autre du point de rupture du fil, et de localiser par triangulation la source de l’onde acoustique, c’est-à-dire le point de rupture du fil.The CASC method allows the detection and location of the break(s) of the wires used in the construction of the cables of the structures. This method uses the energy and acoustic waves that the wires generate when they break. More precisely, this method is based on the observation that a break in a wire under tension releases energy generating an acoustic wave propagating along the cable at a determined speed. Thus, by using a set of acoustic sensors placed on the live cable, it is possible to detect the propagation of the acoustic wave in several positions of the cable on either side of the wire breaking point, and to locate by triangulation the source of the acoustic wave, that is to say the breaking point of the wire.
Il s’ensuit que pour obtenir une triangulation efficace, il est nécessaire de détecter précisément les instants de propagation de l’onde acoustique pour différentes positions. Or, la propagation du son dans un câble sous tension d’un ouvrage d’art s’effectue classiquement à une vitesse très importante, environ 5000 mètres par seconde.It follows that to obtain effective triangulation, it is necessary to precisely detect the instants of propagation of the acoustic wave for different positions. However, the propagation of sound in a live cable of a structure typically takes place at a very high speed, around 5000 meters per second.
Il est donc nécessaire de mettre en œuvre un système permettant d’obtenir une détection très précise des instants de passage de l’onde acoustique pour obtenir une triangulation efficace du point de rupture du fil.It is therefore necessary to implement a system making it possible to obtain very precise detection of the moments of passage of the acoustic wave to obtain effective triangulation of the breaking point of the wire.
A cet effet, le document EP 0 988 539 propose d’utiliser un réseau de capteurs acoustiques fixés sur un ou plusieurs câbles d’un ouvrage d’art et connectés sur une unité centrale d’analyse au moyen d’un réseau électrique de détection. Plus précisément, chaque capteur est configuré pour détecter le dépassement d’un seuil de vibration acoustique et de fermer un interrupteur du réseau électrique de détection lorsque le dépassement est constaté.For this purpose, document EP 0 988 539 proposes using a network of acoustic sensors fixed on one or more cables of a structure and connected to a central analysis unit by means of an electrical detection network . More precisely, each sensor is configured to detect the exceeding of an acoustic vibration threshold and to close a switch of the electrical detection network when the exceeding is noted.
Dans le réseau électrique de détection, chaque capteur est associé à une résistance de valeur spécifique de sorte que la fermeture de l’interrupteur associé à un capteur modifie la tension sur le réseau électrique de détection en fonction de la valeur de la résistance associée au capteur. Ainsi, l’unité d’analyse peut mesurer la tension sur le réseau électrique de détection et déterminer quel interrupteur est fermé par la variation de tension sur le réseau électrique de détection.In the electrical detection network, each sensor is associated with a resistance of specific value so that the closing of the switch associated with a sensor modifies the voltage on the electrical detection network according to the value of the resistance associated with the sensor . Thus, the analysis unit can measure the voltage on the electrical detection network and determine which switch is closed by the voltage variation on the electrical detection network.
Cette implémentation permet théoriquement de détecter très facilement quel interrupteur est fermé à chaque incrément de temps de mesure de l’unité d’analyse. En connaissant la position des capteurs associés à ces interrupteurs, il est donc possible de modéliser la propagation de l’onde acoustique et d’obtenir une triangulation efficace du point de rupture du fil.This implementation theoretically makes it very easy to detect which switch is closed at each measurement time increment of the analysis unit. By knowing the position of the sensors associated with these switches, it is therefore possible to model the propagation of the acoustic wave and obtain effective triangulation of the wire breakage point.
En situation réelle, cette implémentation pose néanmoins un problème de transmission efficace de l’information des capteurs à l’unité d’analyse. En effet, la durée de commutation est variable d’un interrupteur à l’autre, et l’obtention d’un signal clair au niveau de l’unité d’analyse nécessite des câbles coaxiaux très performants entre les capteurs et l’unité d’analyse pour limiter l’apparition de signaux parasites susceptibles d’entrainer une modification de la tension et donc une mauvaise détection de l’interrupteur fermé.In a real situation, this implementation nevertheless poses a problem of effective transmission of information from the sensors to the analysis unit. Indeed, the switching duration varies from one switch to another, and obtaining a clear signal at the analysis unit requires high-performance coaxial cables between the sensors and the analysis unit. analysis to limit the appearance of parasitic signals likely to cause a modification of the voltage and therefore poor detection of the closed switch.
Il s’ensuit que la durée d’implémentation d’une telle solution sur un ouvrage d’art, tel qu’un pont, nécessite classiquement une journée de travail pour passer et fixer correctement tous les capteurs et les câbles nécessaires à la transmission efficace de l’information.It follows that the duration of implementation of such a solution on a structure, such as a bridge, typically requires a day of work to pass and correctly fix all the sensors and cables necessary for efficient transmission some information.
Par ailleurs, la solution du document EP 0 988 539 présente également des risques de mauvaises détections dus à la caractérisation d’une rupture sur la base d’un simple franchissement d’un seuil de vibration acoustique. En effet, une onde acoustique peut être transmise dans un câble par frottements mécaniques, lors de vents violents, lors d’un accident sur un pont ou encore lorsqu’un élément entre en collision avec le câble, sans que ces évènements n’entrainent une rupture d’un fil du câble. Avec la solution du document EP 0 988 539, ces évènements peuvent générer l’émission d’une fausse alerte et une phase de recherche de rupture peut être engagée inutilement.Furthermore, the solution of document EP 0 988 539 also presents risks of poor detections due to the characterization of a rupture on the basis of a simple crossing of an acoustic vibration threshold. Indeed, an acoustic wave can be transmitted in a cable by mechanical friction, during violent winds, during an accident on a bridge or even when an element collides with the cable, without these events causing any damage. breakage of a cable wire. With the solution of document EP 0 988 539, these events can generate the emission of a false alert and a break search phase can be initiated unnecessarily.
Le problème technique de l’invention est donc d’obtenir un dispositif de détection de rupture de fil dans au moins un câble d’une structure de génie civil avec une détection efficace et facile à installer sur un ouvrage d’art.The technical problem of the invention is therefore to obtain a wire break detection device in at least one cable of a civil engineering structure with effective detection and easy to install on a structure.
L’invention consiste à déployer une architecture modulaire de capteurs, regroupés en clusters, chaque cluster ayant son propre superviseur gérant l’acquisition et le stockage à l’échelle locale, avant transmission, notamment digitalement, c’est-à-dire sans câble, à l’unité d’analyse. Cette architecture octroie au système une très grande souplesse dans sa mise en œuvre et son évolution, puisque le rajout de clusters est illimité. Cette architecture permet en outre une économie substantielle de composants et notamment de câblage.The invention consists of deploying a modular architecture of sensors, grouped into clusters, each cluster having its own supervisor managing acquisition and storage on a local scale, before transmission, in particular digitally, that is to say without cables. , to the unit of analysis. This architecture gives the system great flexibility in its implementation and evolution, since the addition of clusters is unlimited. This architecture also allows a substantial saving in components and in particular in wiring.
Pour répondre à ce problème technique, l’invention propose de capter, d’enregistrer et d’analyser tous les signaux émis par les capteurs acoustiques consécutivement au dépassement d’un seuil de vibration acoustique, pendant une durée prédéterminée. L’ unité d’analyse peut ainsi comparer la forme des signaux captés par différents capteurs acoustiques dans une même plage de temps avec des signaux attendus pour un évènement de type rupture de fil. Ainsi, l’unité d’analyse peut distinguer une rupture d’un fil d’un autre évènement entrainant la vibration d’un câble, limitant ainsi le risque de mauvaise détection.To respond to this technical problem, the invention proposes to capture, record and analyze all the signals emitted by the acoustic sensors following the exceeding of an acoustic vibration threshold, for a predetermined duration. The analysis unit can thus compare the shape of the signals picked up by different acoustic sensors in the same time range with signals expected for a wire break type event. Thus, the analysis unit can distinguish a break in a wire from another event causing the vibration of a cable, thus limiting the risk of poor detection.
Cette solution implique la transmission d’un grand nombre d’informations à l’unité d’analyse. Pour ce faire, l’invention propose de former des clusters de capteurs acoustiques, chaque cluster de capteurs comprenant une unité de supervision munie d’une carte d’acquisition des signaux issus des capteurs et d’une mémoire permettant d’enregistrer et d’horodater les signaux afin de les transmettre à l’unité d’analyse.This solution involves the transmission of a large amount of information to the analysis unit. To do this, the invention proposes to form clusters of acoustic sensors, each cluster of sensors comprising a supervision unit provided with an acquisition card for the signals coming from the sensors and a memory making it possible to record and timestamp the signals in order to transmit them to the analysis unit.
Ainsi, l’unité d’analyse peut récupérer ultérieurement les signaux horodatés pour rechercher des évènements analogues à une rupture d’un fil d’un câble dans l’ensemble des signaux captés par les différents clusters sans qu’il soit nécessaire de réaliser cette analyse en temps réel.Thus, the analysis unit can subsequently recover the time-stamped signals to search for events similar to a break in a wire of a cable in all of the signals captured by the different clusters without it being necessary to carry out this real-time analysis.
En outre, l’unité d’analyse obtient désormais des informations précises sur la forme des signaux issus des capteurs pour caractériser ou non la rupture d’un fil d’un câble.In addition, the analysis unit now obtains precise information on the shape of the signals coming from the sensors to characterize whether or not a wire in a cable has broken.
L’invention abandonne donc le principe d’une architecture centralisée. Cet abandon se heurte néanmoins à deux verrous :
– la synchronisation des différents clusters : en abandonnant l’horodatage à l’unité centrale cumulant les rôles de superviseur et d’unité d’analyse, il est nécessaire de réaliser une synchronisation très précise des différents clusters, afin de localiser les événements avec la précision requise, au moins égale à celle des systèmes antérieurs ;
– l’encombrement de chacun des composants du cluster, notamment le module jouant le rôle de superviseur. En effet, dans des situations courantes comme les ponts à haubans, le cluster n’a d’autre point d’attache que le câble lui-même. Or, la mise en œuvre d’un boîtier de dimensions classiques (plusieurs dizaines de centimètres pour la plus grande dimension) serait tout à fait inacceptable pour ce type de structure : prise au vent, modification du comportement dynamique du câble pouvant conduire à des vibrations parasites. Il est donc indispensable que l’intégration de la fonction superviseur à chaque cluster ne génère pas d’augmentation significative de l’encombrement en comparaison d’un capteur classique, par exemple un accéléromètre. Les composants classiques de supervision intervenant dans les systèmes antérieurs ne répondent pas à cette exigence d’encombrement.The invention therefore abandons the principle of a centralized architecture. This abandonment nevertheless comes up against two obstacles:
– the synchronization of the different clusters: by abandoning the timestamping to the central unit combining the roles of supervisor and analysis unit, it is necessary to achieve very precise synchronization of the different clusters, in order to locate the events with the precision required, at least equal to that of previous systems;
– the size of each of the components of the cluster, in particular the module playing the role of supervisor. Indeed, in common situations such as cable-stayed bridges, the cluster has no other point of attachment than the cable itself. However, the implementation of a box of classic dimensions (several tens of centimeters for the largest dimension) would be completely unacceptable for this type of structure: exposure to the wind, modification of the dynamic behavior of the cable which could lead to vibrations parasites. It is therefore essential that the integration of the supervisor function into each cluster does not generate a significant increase in space requirements compared to a conventional sensor, for example an accelerometer. The classic supervision components used in previous systems do not meet this size requirement.
Afin de répondre à cette problématique, l’invention prévoit :
– que les signaux provenant des capteurs constituant un cluster sont synchronisés par une carte de conversion analogique/numérique multivoies,
– que s’agissant de la synchronisation entre clusters: une procédure de synchronisation par superposition de deux clusters successifs est prévue, en lieu et place d’une synchronisation à l’échelle globale du système. Cet appairage est réalisé par recouvrement de capteurs entre deux clusters ;
– que s’agissant de l’encombrement, on privilégie une solution miniaturisée combinant la fonction capteur et la fonction superviseur sur un élément du cluster.In order to respond to this problem, the invention provides:
– that the signals coming from the sensors constituting a cluster are synchronized by a multi-channel analog/digital conversion card,
– that with regard to synchronization between clusters: a synchronization procedure by superposition of two successive clusters is planned, instead of synchronization on the global scale of the system. This pairing is carried out by overlapping sensors between two clusters;
– that with regard to size, we favor a miniaturized solution combining the sensor function and the supervisor function on an element of the cluster.
Ainsi, l’invention concerne un dispositif de détection de rupture de fil dans au moins un câble d’une structure de génie civil, comprenant :
– un ensemble de capteurs acoustiques destinés à être fixés sur un câble ou sur des points d’ancrage du câble de sorte à recevoir une onde acoustique lors de la rupture d’un fil du câble, lesdits capteurs acoustiques étant aptes à capter cette onde acoustique ; et
– une unité d’analyse apte à recevoir des informations de détection de ladite onde acoustique par les capteurs acoustiques et à localiser une rupture d’un fil du câble en fonction des emplacements des capteurs acoustiques ayant détectés l’onde acoustique.Thus, the invention relates to a device for detecting wire breakage in at least one cable of a civil engineering structure, comprising:
– a set of acoustic sensors intended to be fixed on a cable or on anchor points of the cable so as to receive an acoustic wave when a wire of the cable breaks, said acoustic sensors being able to capture this acoustic wave ; And
– an analysis unit capable of receiving detection information of said acoustic wave by the acoustic sensors and of locating a break in a wire of the cable according to the locations of the acoustic sensors having detected the acoustic wave.
L’invention se caractérise en ce que les capteurs acoustiques sont regroupés par cluster, chaque cluster comprenant une unité de supervision munie :
– d’une carte d’acquisition des signaux issus des capteurs acoustiques ;
– d’une mémoire permettant d’enregistrer et d’horodater les signaux issus des capteurs acoustiques pendant une durée prédéterminée avant et après le dépassement d’un seuil de vibration acoustique ; et
– de moyens de transmission des signaux enregistrés à l’unité d’analyse.The invention is characterized in that the acoustic sensors are grouped by cluster, each cluster comprising a supervision unit provided with:
– an acquisition card for signals from acoustic sensors;
– a memory making it possible to record and timestamp the signals from the acoustic sensors for a predetermined duration before and after exceeding an acoustic vibration threshold; And
– means of transmitting the recorded signals to the analysis unit.
Selon l’invention, l’unité d’analyse est apte à recevoir tous les signaux enregistrés par les différentes unités de supervision d’un même câble et à caractériser et localiser une rupture d’un fil en fonction de la forme des signaux.According to the invention, the analysis unit is able to receive all the signals recorded by the different supervision units of the same cable and to characterize and locate a break in a wire according to the shape of the signals.
Au sens de l’invention, un «cluster» est un groupe d’un petit nombre d’objets, et en l’espèce d’un petit nombre de capteurs acoustiques. Par exemple, un cluster selon l’invention peut comporter jusqu’à huit capteurs acoustiques, dont l’un des capteurs peut être intégré dans l’unité de supervision.For the purposes of the invention, a “ cluster ” is a group of a small number of objects, and in this case a small number of acoustic sensors. For example, a cluster according to the invention can include up to eight acoustic sensors, one of the sensors of which can be integrated into the supervision unit.
Le cluser est préférentiellement petit pour limiter la complexité d’installation des câbles reliant les capteurs acoustiques à l’unité de supervision. Typiquement, la longueur maximale entre les capteurs acoustiques d’un cluster peut être de 200 mètres.The cluser is preferably small to limit the complexity of installing the cables connecting the acoustic sensors to the supervision unit. Typically, the maximum length between acoustic sensors in a cluster can be 200 meters.
Le regroupement d’un petit nombre de capteurs acoustiques associés à une unité de supervision permet de faciliter l’installation des capteurs acoustiques. Il n’est en effet plus nécessaire de tirer des câbles coaxiaux entre chaque capteur acoustique et l’unité d’analyse, puisque l’unité de supervision est désormais utilisée pour assurer la transmission des signaux à l’unité d’analyse, par exemple avec des moyens de communication sans fil.The grouping of a small number of acoustic sensors associated with a supervision unit makes it easier to install the acoustic sensors. It is in fact no longer necessary to pull coaxial cables between each acoustic sensor and the analysis unit, since the supervision unit is now used to ensure the transmission of signals to the analysis unit, for example with wireless means of communication.
L’analyse des signaux agrégés par l’unité d’analyse depuis plusieurs clusters permet d’obtenir une détection particulièrement efficace d’une rupture de fil dans au moins un câble d’une structure de génie civil. Expérimentalement, il a été possible de trianguler la position d’une rupture d’un fil avec une détection à 20 centimètres près en moyenne.The analysis of the signals aggregated by the analysis unit from several clusters makes it possible to obtain particularly effective detection of a wire break in at least one cable of a civil engineering structure. Experimentally, it was possible to triangulate the position of a wire break with detection to within 20 centimeters on average.
Pour ce faire, la carte d’acquisition de l’unité de supervision présente préférentiellement une fréquence d’échantillonnage d’au moins 50 kHz, permettant d’obtenir une détection particulièrement efficace et une localisation à 20 centimètres près.To do this, the acquisition card of the supervision unit preferably has a sampling frequency of at least 50 kHz, making it possible to obtain particularly effective detection and localization to within 20 centimeters.
Par ailleurs, l’unité de supervision comprend préférentiellement un chien de garde, mieux connu dans le domaine sous l’expression anglo-saxonne «watchdog». Ce chien de garde permet de contrôler le bon fonctionnement du système et, le cas échéant, de redémarrer séquentiellement les différents composants de sorte que l’unité de supervision soit toujours capable d’enregistrer des signaux émis par les capteurs acoustiques.Furthermore, the supervision unit preferably includes a watchdog, better known in the field by the Anglo-Saxon expression “ watchdog ”. This watchdog makes it possible to check the proper functioning of the system and, if necessary, to restart the various components sequentially so that the supervision unit is always capable of recording signals emitted by the acoustic sensors.
En ce qui concerne les moyens de transmission de l’unité de supervision, ils sont préférentiellement constitués de moyens de communication sans fil, par exemple un modem routeur 4G. Ainsi, il n’est pas nécessaire de tirer des câbles de données entre l’unité de supervision et l’unité d’analyse.Concerning the transmission means of the supervision unit, they are preferably made up of wireless communication means, for example a 4G modem router. Thus, it is not necessary to run data cables between the supervision unit and the analysis unit.
Les capteurs acoustiques et l’unité de supervision sont alimentés électriquement. En outre, en cas de défaillance de cette alimentation électrique, telle que résultant d’une coupure ponctuelle, une batterie peut être intégrée à l’unité de supervision et aux capteurs acoustiques.The acoustic sensors and the supervision unit are electrically powered. In addition, in the event of failure of this power supply, such as resulting from a occasional outage, a battery can be integrated into the supervision unit and the acoustic sensors.
Les capteurs acoustiques peuvent est constitués de composants passifs ou alimentés par l’unité de supervision.Acoustic sensors can be made up of passive components or powered by the supervision unit.
Par exemple, les capteurs acoustiques sont constitués de capteurs de type MEMS pour système électromécaniques microscopiques ou «Micro Electro M e chanical System» dans la littérature anglo-saxonne.For example, acoustic sensors are made up of MEMS type sensors for microscopic electromechanical systems or “ Micro Electro Mechanical System ” in the Anglo-Saxon literature.
De préférence, pour obtenir des signaux pertinents, les capteurs acoustiques intègrent un accéléromètre acoustique apte à détecter des accélérations jusqu’à plus ou moins 100 g, soit environ 1 000 m/s², avec une bande passante comprise entre 100 Hz et 30 kHz.Preferably, to obtain relevant signals, the acoustic sensors integrate an acoustic accelerometer capable of detecting accelerations up to plus or minus 100 g, or approximately 1,000 m/s², with a bandwidth of between 100 Hz and 30 kHz.
Outre l’accéléromètre acoustique, les capteurs peuvent également réaliser d’autres mesures permettant d’obtenir des informations sur les contraintes subies par la structure au niveau des différents câbles. Ces mesures additionnelles peuvent également être transmises à l’unité d’analyse et être utilisées en complément de mesures d’ensemble, telles que des relevés météorologiques ou sismiques. Pour ce faire, au moins un capteur acoustique intègre un capteur de température et/ou d’hygrométrie.In addition to the acoustic accelerometer, the sensors can also carry out other measurements to obtain information on the stresses experienced by the structure at the level of the different cables. These additional measurements can also be transmitted to the analysis unit and used in addition to overall measurements, such as meteorological or seismic surveys. To do this, at least one acoustic sensor integrates a temperature and/or hygrometry sensor.
La fixation de l’unité de supervision et des capteurs acoustiques peut être réalisée par tout moyen. Ainsi, l’unité de supervision et les capteurs acoustiques peuvent être collés, visés ou boulonnés sur les câbles ou sur les points d’ancrage des câbles. De préférence, l’unité de supervision et les capteurs acoustiques intègrent un support aimanté permettant de fixer l’unité de supervision et les capteurs acoustiques sur le câble. Ces supports aimantés peuvent être montés directement sur le capot de l’unité de supervision ou des capteurs acoustiques ou fixés par des mordaches sur le capot.Fixing the supervision unit and acoustic sensors can be carried out by any means. Thus, the supervision unit and the acoustic sensors can be glued, screwed or bolted to the cables or to the cable anchor points. Preferably, the supervision unit and the acoustic sensors integrate a magnetic support allowing the supervision unit and the acoustic sensors to be fixed on the cable. These magnetic supports can be mounted directly on the cover of the supervision unit or the acoustic sensors or fixed by brackets on the cover.
En utilisant des supports aimantés, des clusters de longueur inférieure à 200 mètres, et des moyens de communication sans fil entre l’unité de supervision et l’unité d’analyse, il est possible d’installer très rapidement le dispositif de détection de rupture de fil de l’invention sur l’ensemble d’une structure de génie civil. Typiquement, il est désormais possible de placer l’ensemble des capteurs acoustiques en 30 minutes, alors que les solutions existantes nécessitent au moins une journée d’installation, notamment pour fixer les câbles de connexion de l’ensemble des capteurs acoustiques à l’unité d’analyse.By using magnetic supports, clusters less than 200 meters long, and wireless communication means between the supervision unit and the analysis unit, it is possible to very quickly install the break detection device wire of the invention over the entirety of a civil engineering structure. Typically, it is now possible to place all of the acoustic sensors in 30 minutes, whereas existing solutions require at least a day of installation, in particular to attach the connection cables of all of the acoustic sensors to the unit. analysis.
L’invention permet donc d’obtenir un dispositif de détection de rupture de fil dans au moins un câble d’un ouvrage d’art avec une détection efficace et facile à installer.The invention therefore makes it possible to obtain a wire break detection device in at least one cable of a structure with effective detection and easy to install.
La manière dont l’invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l’exemple de réalisation qui suit, donné à titre indicatif et non limitatif, à l’appui des figures annexées.The manner in which the invention can be carried out and the advantages which result from it will become clearer from the example of implementation which follows, given for informational and non-limiting purposes, in support of the appended figures.
La
La
La
Comme évoqué supra, la
Pour détecter une rupture sur au moins un fil dans ce câble10, l’invention propose d’utiliser un dispositif de détection20comportant des capteurs acoustiques14 aet une unité de supervision15, intégrés dans le caisson13, ainsi qu’une unité d’analyse17distante. Par exemple, l’unité d’analyse17peut être disposée dans une salle de contrôle placée à proximité du pont. En variante, l’unité d’analyse17peut être décentralisée et accessible depuis Internet.To detect a break on at least one wire in this cable 10 , the invention proposes using a detection device 20 comprising acoustic sensors 14 a and a supervision unit 15 , integrated in the box 13 , as well as a unit remote analysis 17 . For example, the analysis unit 17 can be placed in a control room placed near the bridge. Alternatively, the analysis unit 17 can be decentralized and accessible from the Internet.
En ce qui concerne les éléments intégrés dans le caisson13, dans le mode de réalisation de la
Ces capteurs acoustiques14 a-14bpermettent de détecter la propagation d’une onde acoustique résultante de la rupture d’un fil dans le câble10. Pour ce faire, ces capteurs acoustiques peuvent être constitués chacun d’un accéléromètre de type MEMS avec une capacité de détection des accélérations jusqu’à plus ou moins 100 g et une bande passante comprise entre 100 Hz et 30 kHz, par exemple une bande passante de 23 kHz. Ces capteurs acoustiques14a-14bpeuvent également réaliser d’autres mesures, telles qu’un accéléromètre par mesure de tension, un capteur de température ou encore un capteur d’hygrométrie.These acoustic sensors 14 a-14b make it possible to detect the propagation of an acoustic wave resulting from the breakage of a wire in the cable 10 . To do this, these acoustic sensors can each consist of a MEMS type accelerometer with a capacity to detect accelerations up to plus or minus 100 g and a bandwidth of between 100 Hz and 30 kHz, for example a bandwidth of 23 kHz. These acoustic sensors 14a-14b can also carry out other measurements, such as an accelerometer by measuring voltage, a temperature sensor or even a hygrometry sensor.
Ces différents éléments sont classiquement intégrés dans un boîtier permettant de protéger les composants électromécaniques de l’humidité. Pour fixer ce boîtier sur le câble10ou sur les points ancrage11et12, il est possible de fixer ce boîtier par collage, vissage ou tout autre moyen mécanique de fixation. Par ailleurs, il est également possible d’utiliser un boîtier avec des moyens de support aimanté de sorte à fixer les capteurs acoustiques14a-14bpar aimantation sur le câble10.These different elements are conventionally integrated into a housing to protect the electromechanical components from humidity. To fix this box on the cable 10 or on the anchoring points 11 and 12 , it is possible to fix this box by gluing, screwing or any other mechanical means of fixing. Furthermore, it is also possible to use a housing with magnetic support means so as to fix the acoustic sensors 14a-14b by magnetization on the cable 10 .
Les données issues de ces capteurs acoustiques14a-14bsont transmises par un fil à l’unité de supervision15également intégrée dans le caisson13. Dans l’exemple de la
Cette unité de supervision15comporte une carte d’acquisition des signaux issus des capteurs acoustiques14a-14bet une mémoire18, par exemple une carte SD ou une mémoire RAM ou ROM. La carte d’acquisition correspond préférentiellement à une carte électronique intégrant un processeur ou un microcontrôleur. Ce processeur ou ce microcontrôleur est configuré pour analyser les signaux issus des capteurs acoustiques14a-14bet pour détecter si un signal est supérieur à une valeur seuil de vibration acoustique. Si tel est le cas, l’unité de supervision15enregistre le signal capté par le capteur acoustique14a-14bdans la mémoire18. De préférence, cette carte d’acquisition présente une fréquence d’échantillonnage supérieure à 50 kHz, par exemple 57 kHz sur 24 bits.This supervision unit 15 comprises a signal acquisition card from the acoustic sensors 14a-14b and a memory 18 , for example an SD card or a RAM or ROM memory. The acquisition card preferably corresponds to an electronic card integrating a processor or a microcontroller. This processor or this microcontroller is configured to analyze the signals from the acoustic sensors 14a-14b and to detect if a signal is greater than an acoustic vibration threshold value. If this is the case, the supervision unit 15 records the signal picked up by the acoustic sensor 14a-14b in the memory 18 . Preferably, this acquisition card has a sampling frequency greater than 50 kHz, for example 57 kHz on 24 bits.
Typiquement, la mémoire enregistre les signaux issus des capteurs acoustiques après le dépassement dudit seuil. Mais avantageusement, elle est susceptible de sauvegarder de quelques dizaines de millisecondes de signal avant le dépassement du seuil en question, afin d’enregistrer avec certitude le front de l’onde acoustique. En effet, ledit front d’onde fournit des informations importantes pour la caractérisation de l’onde.Typically, the memory records the signals from the acoustic sensors after said threshold has been exceeded. But advantageously, it is capable of saving a few tens of milliseconds of signal before the threshold in question is exceeded, in order to record with certainty the front of the acoustic wave. Indeed, said wavefront provides important information for the characterization of the wave.
Par ailleurs, cette unité de supervision15comporte également des moyens de transmission19des signaux enregistrés dans la mémoire18jusqu’à l’unité d’analyse17. Ces moyens de transmission19peuvent être intégrés sur la carte d’acquisition.Furthermore, this supervision unit 15 also includes means 19 for transmitting the signals recorded in the memory 18 to the analysis unit 17 . These transmission means 19 can be integrated on the acquisition card.
Tel qu’illustré sur la
L’enregistrement est associé à un horodatage du signal issu du capteur acoustique14a-14bet il est réalisé pendant une durée prédéterminée, par exemple pendant une durée de deux secondes après la détection du dépassement du seuil de vibration acoustique. Cette durée d’enregistrement peut également être réglée en fonction de chaque câble lors de l’installation du dispositif20.The recording is associated with a time stamp of the signal coming from the acoustic sensor 14a-14b and it is carried out for a predetermined duration, for example for a duration of two seconds after detection of the exceeding of the acoustic vibration threshold. This recording duration can also be adjusted according to each cable when installing the device 20 .
Pendant cette phase d’enregistrement et d’horodatage des signaux, un chien de garde34vérifie que le système fonctionne correctement.During this signal recording and timestamping phase, a watchdog 34 verifies that the system is functioning correctly.
Lorsque l’ensemble des signaux des capteurs acoustiques14a-14ba été capté après la survenue d’un événement dans lequel au moins un signal a dépassé le seuil d’émission acoustique, l’unité de supervision15continue de réaliser la première étape30d’acquisition des signaux.When all of the signals from the acoustic sensors 14a-14b have been captured after the occurrence of an event in which at least one signal has exceeded the acoustic emission threshold, the supervision unit 15 continues to carry out the first step 30 signal acquisition.
Par ailleurs, les signaux captés et enregistrés dans la mémoire18sont transmis périodiquement, par exemple toutes les heures, à l’unité d’analyse17par les moyens de transmission19. Dans cette étape de transmission33, le chien de garde34assure toujours sa fonction de vérification du fonctionnement correct du système. La transmission des informations par les moyens de transmission19peut être réalisée sans fil, par exemple en utilisant un modem routeur 4G.Furthermore, the signals captured and recorded in the memory 18 are transmitted periodically, for example every hour, to the analysis unit 17 by the transmission means 19 . In this transmission step 33 , the watchdog 34 still performs its function of verifying the correct operation of the system. The transmission of information by the transmission means 19 can be carried out wirelessly, for example by using a 4G modem router.
Les éléments intégrés dans le caisson13forment un cluster16 a(
Ces clusters16a-16bsont indépendants dans la mesure où aucune aucun transfert de données n’est nécessaire entre deux unités de supervision15, même si les clusters16a-16bpeuvent être alimentés par un même réseau électrique. Ainsi, chaque unité de supervision15communique indépendamment avec l’unité d’analyse17.These clusters 16a-16b are independent to the extent that no data transfer is necessary between two supervision units 15 , even if the clusters 16a-16b can be powered by the same electrical network. Thus, each supervision unit 15 communicates independently with the analysis unit 17 .
Les capteurs acoustiques14a-14bde ces différents clusters16a-16bpeuvent être placés à une distanceD2entre deux capteurs acoustiques14a-14bcomprise entre 10 et 30 mètres, par exemple 20 mètres. De préférence, la longueur maximale des clusters16a-16best inférieure à une distanceD1de 200 mètres, afin de limiter les contraintes d’atténuation et de perturbations électromagnétiques dans les signaux transmis entre les capteurs acoustiques14a-14bet l’unité de supervision15. De préférence, chaque cluster16a-16bcomprend jusqu’à huit capteurs acoustiques14a-14b. En outre, des capteurs acoustiques14a-14bd’un premier cluster16a-16bpeuvent être redondants avec des capteurs acoustiques14a-14bd’un second cluster16a-16b.The acoustic sensors 14a-14b of these different clusters 16a-16b can be placed at a distance D2 between two acoustic sensors 14a-14b of between 10 and 30 meters, for example 20 meters. Preferably, the maximum length of the clusters 16a-16b is less than a distance D1 of 200 meters, in order to limit the constraints of attenuation and electromagnetic disturbances in the signals transmitted between the acoustic sensors 14a-14b and the supervision unit 15 . Preferably, each cluster 16a-16b comprises up to eight acoustic sensors 14a-14b . In addition, acoustic sensors 14a-14b of a first cluster 16a-16b may be redundant with acoustic sensors 14a-14b of a second cluster 16a-16b .
L’unité d’analyse17comporte des moyens de réception21des signaux transmis par les différentes unités de supervision des différents clusters16a-16b. Lorsque ces signaux sont réceptionnés par l’unité d’analyse17, celle-ci les enregistre dans une première mémoire23d’événements et un organe d’analyse22recherche si la forme des signaux captés est analogue à une rupture d’un fil. Pour ce faire, cet organe d’analyse22utilise préférentiellement une base de données24intégrant des formes de signaux attendus pour différents évènements afin de comparer les signaux captés à ces signaux attendus pour différents événements. Ces signaux attendus pour différents évènements peuvent être modélisés numériquement ou captés expérimentalement en fonction de chaque câble lors de l’installation du dispositif20ou en amont de cette installation.The analysis unit 17 includes means 21 for receiving the signals transmitted by the different supervision units of the different clusters 16a-16b . When these signals are received by the analysis unit 17 , the latter records them in a first event memory 23 and an analysis unit 22 searches if the shape of the signals captured is similar to a break in a wire . To do this, this analysis unit 22 preferentially uses a database 24 integrating forms of signals expected for different events in order to compare the signals captured to these signals expected for different events. These signals expected for different events can be modeled digitally or captured experimentally depending on each cable during the installation of the device 20 or upstream of this installation.
Il est ainsi possible de caractériser si les signaux captés révèlent un événement de type rupture de fil, plutôt qu’un choc sur le pont, de frottements mécaniques ou encore la présence d’un vent violent susceptibles d’engendrer des vibrations dans le câble10.It is thus possible to characterize whether the signals captured reveal a wire break type event, rather than a shock on the bridge, mechanical friction or even the presence of a violent wind likely to cause vibrations in the cable 10 .
Par ailleurs, l’unité d’analyse17peut également intégrer des moyens de transmission25d’une alerte lorsque qu’une rupture de fil est détectée et localisée.Furthermore, the analysis unit 17 can also integrate means of transmitting an alert when a wire break is detected and located.
Plus précisément, tel qu’illustré sur la
Pour ce faire, lorsque les signaux sont stockés dans la mémoire23, l’organe d’analyse22peut rechercher tous les signaux dont l’horodatage est compris dans une fenêtre prédéterminée, par exemple une fenêtre de trois secondes. L’ensemble de ces signaux est ensuite associé et traité pour vérifier que la forme de ces signaux correspond à un événement attendu, tel que la rupture d’un fil.To do this, when the signals are stored in the memory 23 , the analysis unit 22 can search for all the signals whose timestamp is included in a predetermined window, for example a window of three seconds. All of these signals are then associated and processed to verify that the shape of these signals corresponds to an expected event, such as the breakage of a wire.
L’organe d’analyse22peut ainsi détecter plusieurs types d’évènements en fonction de la forme des signaux.The analysis unit 22 can thus detect several types of events depending on the form of the signals.
Par ailleurs, lorsque l’organe d’analyse22détecte un évènement de type rupture de fil, il recherche également la localisation de la rupture dans le câble10. Pour ce faire, l’organe d’analyse22isole préférentiellement le front d’onde de chaque signal, c’est-à-dire les premiers instants de dépassement du seuil de vibration acoustique, pour rechercher l’horodatage précis de ce front d’onde. En connaissant la position du capteur acoustiques14a-14bassocié à ce front d’onde, il est possible de modéliser la propagation de l’onde acoustique à l’intérieur du câble10et de localiser le point de rupture en fonction de cette propagation détectée.Furthermore, when the analysis unit 22 detects a wire break type event, it also searches for the location of the break in the cable 10 . To do this, the analysis unit 22 preferentially isolates the wave front of each signal, that is to say the first moments of exceeding the acoustic vibration threshold, to search for the precise timestamp of this front. 'wave. By knowing the position of the acoustic sensor 14a-14b associated with this wave front, it is possible to model the propagation of the acoustic wave inside the cable 10 and to locate the break point as a function of this detected propagation. .
Lorsque l’organe d’analyse22a identifié une rupture d’un ou plusieurs fils et localisé le point de rupture, une étape42demande préférentiellement à un opérateur de confirmer la présence de cette rupture par analyse manuelle des signaux ou par inspection sur site ou visuelle, par exemple au moyen de caméras implantées sur le pont ou par l’utilisation d’autres dispositifs d’analyse, tels que des accéléromètres modaux utilisés en faisant vibrer intentionnellement le câble10.When the analysis unit 22 has identified a break in one or more wires and located the break point, a step 42 preferentially asks an operator to confirm the presence of this break by manual analysis of the signals or by on-site inspection or visual, for example by means of cameras installed on the bridge or by the use of other analysis devices, such as modal accelerometers used by intentionally vibrating the cable 10 .
Lorsque l’analyse humaine a conclu à la présence effective d’une rupture à l’emplacement détecté, une alerte peut être transmise à un opérateur du pont, dans une étape43, afin de procéder aux travaux de rénovation éventuellement nécessaires.When the human analysis concludes that there is actually a break at the detected location, an alert can be transmitted to a bridge operator, in a step 43 , in order to carry out any renovation work that may be necessary.
En outre, les signaux pour lesquels une rupture est confirmée peuvent être stockés dans la base de données24intégrant des formes de signaux attendus pour différents évènements. Cette base de données24peut être partagée entre plusieurs ouvrages d’art présentant des câbles avec des structures proches.In addition, the signals for which a break is confirmed can be stored in the database 24 integrating forms of signals expected for different events. This database 24 can be shared between several engineering structures presenting cables with similar structures.
Ainsi, l’invention permet d’obtenir un dispositif de détection de rupture de fil20simple et rapide à mettre en œuvre puisque les clusters16a-16bsont plus faciles à déployer que les solutions de l’état de la technique.Thus, the invention makes it possible to obtain a wire break detection device 20 that is simple and quick to implement since the clusters 16a-16b are easier to deploy than the solutions of the state of the art.
En test réel, l’invention a permis une grande répétabilité des mesures de détection de rupture de fil avec une localisation présentant un écart type particulièrement faible, de 20 centimètres.In real testing, the invention allowed high repeatability of wire break detection measurements with a location having a particularly low standard deviation, of 20 centimeters.
Par ailleurs, en dimensionnement efficacement les boîtiers de protection des capteurs acoustiques14a-14bet de l’unité de supervision15, il est également possible d’obtenir les clusters16a-16bparticulièrement robustes et résistants lors de la rupture d’un câble10si bien qu’ils peuvent être réutilisés même après une telle rupture.Furthermore, by effectively sizing the protective housings of the acoustic sensors 14a-14b and the supervision unit 15 , it is also possible to obtain the clusters 16a-16b which are particularly robust and resistant when a cable 10 breaks. so much so that they can be reused even after such a breakage.
Claims (9)
– un ensemble de capteurs acoustiques (14a-14b) destinés à être fixés sur un câble (10) ou sur des points d’ancrage (11, 12) du câble (10) de sorte à recevoir une onde acoustique lors d’une rupture d’un fil ou d’un brin du câble (10) ; les capteurs acoustiques (14a-14b) étant aptes à capter cette onde acoustique ; et
– une unité d’analyse (17) apte à recevoir des informations de détection de ladite onde acoustique par les capteurs acoustiques (14a-14b) et à localiser une rupture d’un fil du câble (10) en fonction des emplacements des capteurs acoustiques (14a-14b) ayant détectés l’onde acoustique ;
caractéris é en ce que les capteurs acoustiques (14a-14b) sont regroupés par cluster (16a-16b), chaque cluster (16a-16b) comprenant une unité de supervision (15) munie :
– d’une carte d’acquisition des signaux issus des capteurs acoustiques (14a-14b) ;
– d’une mémoire (18) permettant d’enregistrer et d’horodater les signaux issus des capteurs acoustiques (14a-14b) pendant une durée prédéterminée avant et après le dépassement d’un seuil de vibration acoustique ; et
– de moyens de transmission (19) des signaux enregistrés à l’unité d’analyse (17) ;
l’unité d’analyse (17) étant apte à recevoir tous les signaux enregistrés par les différentes unités de supervision (15) d’un même câble (10) et à caractériser et à localiser la rupture d’un fil en fonction de la forme des signaux.Device (20) for detecting wire breaks in at least one cable (10) of a civil engineering structure, comprising:
– a set of acoustic sensors (14a-14b) intended to be fixed on a cable (10) or on anchor points (11, 12) of the cable (10) so as to receive an acoustic wave during a break a wire or a strand of the cable (10); the acoustic sensors (14a-14b) being able to capture this acoustic wave; And
– an analysis unit (17) capable of receiving detection information of said acoustic wave by the acoustic sensors (14a-14b) and of locating a break in a wire of the cable (10) depending on the locations of the acoustic sensors (14a-14b) having detected the acoustic wave;
characterized in that the acoustic sensors (14a-14b) are grouped by cluster (16a-16b), each cluster (16a-16b) comprising a supervision unit (15) provided with:
– an acquisition card for signals from the acoustic sensors (14a-14b);
– a memory (18) making it possible to record and timestamp the signals from the acoustic sensors (14a-14b) for a predetermined duration before and after exceeding an acoustic vibration threshold; And
– means of transmission (19) of the signals recorded to the analysis unit (17);
the analysis unit (17) being able to receive all the signals recorded by the different supervision units (15) of the same cable (10) and to characterize and locate the break of a wire according to the form of signals.
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| FR2208430A FR3138947A1 (en) | 2022-08-22 | 2022-08-22 | DEVICE FOR DETECTING WIRE BREAK(S) IN AT LEAST ONE CABLE OF A CIVIL ENGINEERING STRUCTURE |
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|
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Family Applications (1)
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| FR2208430A Pending FR3138947A1 (en) | 2022-08-22 | 2022-08-22 | DEVICE FOR DETECTING WIRE BREAK(S) IN AT LEAST ONE CABLE OF A CIVIL ENGINEERING STRUCTURE |
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| Country | Link |
|---|---|
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- 2022-08-22 FR FR2208430A patent/FR3138947A1/en active Pending
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