WO2000068641A1 - Dispositif de mesure topograghique - Google Patents

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WO2000068641A1
WO2000068641A1 PCT/FR2000/001226 FR0001226W WO0068641A1 WO 2000068641 A1 WO2000068641 A1 WO 2000068641A1 FR 0001226 W FR0001226 W FR 0001226W WO 0068641 A1 WO0068641 A1 WO 0068641A1
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Daniel Roux
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Daniel Roux
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    • G01C9/12—Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels by using a single pendulum plumb lines G01C15/10

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring position variations between two positioning reference frames located at different heights.
  • a standard standard three-dimensional reference system for topographic measurement consists of a metrological sphere of calibrated diameter, known as the Taylor and Hobson sphere, serving as an optical target.
  • the device comprises closed pots, placed respectively at each of the points to be measured. These pots are partially filled with a liquid and are connected by liquid pipes opening into their lower part so as to form a liquid circuit, as well as by gas pipes. Each pot is equipped with a capacitive proximity sensor placed above and at a distance from the upper surface of the liquid it contains and adapted to provide a position signal in the vertical direction of an area of this upper surface of the liquid in this pot.
  • the device further comprises means for comparing the signals supplied by the sensors so as to be able to provide information on the relative position of the pots, and consequently of the points, with respect to each other or with respect to a vertical reference position .
  • Each of the pots of such a device constitutes a leveling reference system, insofar as the altitude (absolute magnitude) or the difference in level (relative magnitude) of its base relative to that of a reference pot is accessible.
  • the invention aims to solve this problem by means of a device for measuring the change in position of a lower positioning reference frame with respect to an upper positioning reference frame located above the previous one, comprising:
  • a first proximity sensor capable of providing a signal representative of the position or of the position variation in the vertical direction of a plane area of the surface of the pendulum mass relative to the lower frame of reference.
  • the positioning references can be of any type.
  • the invention finds all its interest when the reference systems are at least leveling reference systems, that is to say when they can serve as a reference for relative altimeter measurements.
  • the planar area of the surface is preferably rectified and arranged perpendicularly to the wire.
  • the device further comprises a second proximity sensor capable of providing a signal representative of the position or of the variation in position of a zone of the wire relative to a first vertical flat measurement surface attached to the lower frame of reference.
  • the device then makes it possible to control the horizontal movements of the lower frame of reference in the axis perpendicular to the vertical measurement plane.
  • such a device can be used to control the thrust of the arch of a dam.
  • the device further comprises a third proximity sensor capable of providing a signal representative of the position or of the variation in position of a zone of the wire relative to a second flat vertical surface for measurement integral with the reference frame. lower and perpendicular to the first vertical flat measurement surface. The device then makes it possible to access variations of three-dimensional coordinates of the lower reference frame with respect to the upper reference frame. It allows verticality control between the two frames of reference.
  • a metrological wire is a wire with a low coefficient of thermal expansion in the measuring range. Ideally, this wire should also be of high longitudinal stiffness, so as to undergo only a very small elongation when it supports the pendulum mass.
  • Invar constitutes an alloy combining the desired mechanical properties.
  • the wire can be made of piano cord or any material of mechanical strength, geometry and resistivity equivalent to invar.
  • Another alternative is a carbon fiber yarn.
  • the elongation of the wire which is greater than for invar, must then be taken into account as well as its variations as a function of temperature and humidity. In practice, the latter solution can be implemented in dry environments of stable temperature.
  • the pendulum mass must also be adapted to the wire used, so as to produce only a very low elongation while ensuring the tension of the wire.
  • At least one of the proximity sensors is a capacitive sensor, the sensors of this type having proven their qualities of precision, ease of implementation and reliability over long periods, so that they prove to be particularly suitable for the type of applications envisaged in terms of monitoring works of civil engineering.
  • capacitive measurement can be implemented. If the metrological wire used is electrically conductive, it is possible for example to send a short current pulse over the wire, with a time constant of the order of magnitude of a nanosecond. This pulse induces electrostatic charges between two metal plates by influence. A load difference measurement provides quantitative information on the deviation of the wire from the median plane between the two plates.
  • the second and third proximity sensors are then advantageously constituted by distance meters of the type described in more detail in the document FR 2 741 147.
  • the metrology specialist can adopt other principles of proximity measurement.
  • the device also includes means for processing the signals supplied by the proximity sensor (s), comprising means for sampling at a given frequency and calculation means allowing the calculation of an average of the signal taken from a number given samples.
  • the sampling frequency is chosen so as to avoid variations due to the residual pendulum phenomenon, and therefore to a value greater than twice the natural frequency of the pendulum. If one would also like to overcome variations due to the longitudinal vibrations of the pendular mass induced by the stiffness of the wire, it may be useful to set oneself at a frequency twice the natural natural frequency of the spring mass system constituted by the pendulum weight and the wire. However, this variation turns out to be insignificant in practice provided that care has been taken to choose a wire of sufficient stiffness.
  • the device allows continuous monitoring by calculating a moving average.
  • the processing means comprise software retaining in memory the successive low points and high points of the pendulum oscillation, then calculating an average from these points, over a time interval greater than the balance period. The value obtained is retained if the standard deviation of all the samples is less than a predetermined threshold value, beyond which it is considered that the pendulum is disturbed.
  • the upper reference frame and / or the lower reference frame comprise a metrological sphere centered on a metrological chamfered bore and / or a measuring pot capable of being integrated into an aimetric measurement network by hydrostatic means and / or a reference frame GPS electronics and or a horizontal tension wire reference system.
  • the different leveling reference systems envisaged are not necessarily redundant, insofar as they are each intended to allow leveling with different means and connections to different networks with different precision. In practice, in fact, it is rare for a structure to be equipped with a completely unified measurement system. It is therefore useful to allow flexibility in the choice of leveling method.
  • the upper reference frame and / or the lower reference frame are integral with a unit for connection to a tension alignment axial alignment measurement network.
  • Document FR 2 741 147 describes an example of a device of this type comprising a resistive wire stretched along a longitudinal reference axis, disposed near elements to be aligned and dynamically connected to the ground.
  • a measurement electrode provided with a guard electrode and arranged in the measurement plane located near the tensioned wire, is excited by an alternating signal.
  • a capacitive measurement bridge delivers a measurement signal representative of the position of the electrode with respect to the wire in a direction normal to the measurement plane.
  • the upper reference frame and / or the lower reference frame are integral with a unit for connection to an absolute or relative distance measurement network.
  • the connection unit can then be constituted by a support bore of a metrological sphere.
  • the absolute measurement can be obtained by measuring with a "distinvar" type distance meter, developed by CERN.
  • absolute or relative measurements can be obtained using an interferometer.
  • the device therefore has great modularity.
  • Figure 1 shows a first embodiment of the invention
  • Figure 2 shows a detail of a proximity sensor used in the first embodiment of the invention
  • Figure 3 shows a second embodiment of the invention
  • Figure 5 shows a processing unit.
  • a first leveling reference system 10 comprises a support 12 in the form of a square, a base 14 comprising a chamfered metrological bore 16 on which rests a standard optical metrological sphere 18 called Taylor & Mobson.
  • the sphere 18 has a diameter of 88.90 mm adjusted to 1/100 mm.
  • the bore 16 has a diameter of 30 mm adjusted to 1/100 mm.
  • the chamfer 20 opens at 120 ° in the upper part of the bore 16 and ensures contact with the sphere 18.
  • the bracket 10 also has a bore 22 concentric with that of the base 14.
  • a pendulum 50 comprising a cylindrical pendulum mass 52 of 9 kg, hung at the end of an invar wire 54 of 1, 65 mm in diameter, these figures being given purely indicative.
  • the wire 54 is fixed at its upper end in a bore 56 of the sphere 18.
  • the lower face 58 of the cylinder constituting the pendulum mass 52 is mirror polished.
  • a proximity sensor 60 is fixed to the base 34 of the lower reference frame facing the polished lower surface 58 of the pendulum mass 52.
  • the sensor 60 shown diagrammatically in FIG. 2, is a standard capacitive sensor of the type described in the document FR 2,656,418, and comprises a central electrode 62 with a cylindrical section (62a) or preferably with a square section (62b) or rectangular, an annular guard electrode 64 coaxial with the central electrode 62, an annular electrical insulator 66 filling the space separating the central electrode and the annular guard electrode and an external electrical insulator 68 separating the active parts of the sensor from the base.
  • the central electrode 62 and the annular electrode 64 are preferably made of an Fe-Ni alloy with 42% Ni and the electrical insulators are preferably made of glass. In the example of realization, the two insulators 66 and 68 are in one piece. Electrical wires 69 connect each of the electrodes 62, 64 to a measurement circuit.
  • the assembly is optionally provided with a temperature compensation circuit.
  • the sensor 60 is also provided with a heating device, for protection against humidity and corrosion, as described in patent FR 2 656 418. Mechanical protection is obtained by affixing a glass plate thermal conductor.
  • the device is implemented in the following way: an absolute initial measurement can be obtained by traditional topography instruments.
  • the continuous relative measurement is given by the sensor signal, after time sampling at a frequency of 100 Hz and calculation of a sliding average over 10s.
  • a second embodiment takes up the two upper 10 and lower 30 reference systems of the first mode, connected by a pendulum 50 of invar wire 54 electrically connected to earth.
  • the support 32 of the second reference frame 30 comprises an upper platform 32 'and a lower platform 32 ". It should be emphasized that the upper platform 32' is, contrary to what the very schematic figure might suggest, much closer to the lower platform 32 "than from the support of the upper reference frame 10, the length of the wire 54 of the pendulum being measured in meters.
  • the upper platform supports a capacitive proximity sensor 70, for example of the type described in application FR 2 741 147 for measuring the axial deviations of a tensioned wire alignment system or preferably of the type described in the document FR 2,656,418, but with a rectangular or square section, as described above.
  • the wire 54 of the pendulum passes between the electrodes 72, 74 of the sensor 70, which delivers a signal representative of the deviation of the wire 54 relative to a median position located halfway between the electrodes 72,74, therefore of the variation of the distance between the wire 54 and the flat vertical surface perpendicular to the plane of the figure, on which the electrode 74 is flush.
  • This device therefore makes it possible not only, as in the previous embodiment, to measure the difference in altitude between the two reference systems 10 and 30 or the variation in the difference in altitude between these reference systems, but also to measure variations in the positioning of the lower reference frame 30 relative to the upper reference frame in the direction of the axis 76 symbolized in FIG. 3.
  • the upper platform 32 ′ further comprises another proximity sensor 80 intended for the connection of the lower reference frame 30 to an axial alignment system with horizontal tensioned wire 82 made of carbon fibers of the type described in document FR 2 741 147.
  • the device therefore indirectly makes it possible to know the variations in positioning of the wire 82 of this installation for alignment with respect to the upper reference frame 10.
  • a leveling reference frame 110 comprises a pot 112 forming part of a leveling installation 114 of the type described in document FR 2 656 418 and comprising other identical pots 112 '.
  • Each pot 112, 112 ' is partially filled with a liquid 118 and connected by liquid lines 120 to the other pots, so as to form a liquid circuit.
  • the upper parts of the various pots communicate with each other by gas pipes 122.
  • the circuit is completed by a large liquid and gas reservoir, not shown, and by a device for communicating the liquid and gas between the pots. and the tank.
  • a capacitive proximity sensor 126 located in the upper part of each pot 1 12, 116 allows a measurement of the variation of the height of the liquid in the pot, therefore of the variation of the height of the pot relative to the water level.
  • the pot 112 therefore constitutes a secondary benchmark for leveling. In practice, the measurement is corrected by a thermometric measurement. Reference is made to document FR 2 656 418 for the details of implementation of this installation.
  • the pot 112 is surmounted by a metrological sphere 128 of the type described above so as to allow transmission of the reference system by optical measurement if necessary.
  • the device also includes a lower leveling reference frame 130 comprising a pot 132 inserted in a leveling installation of the same type as the upper installation, but not shown in the figure.
  • a proximity sensor 136 delivers a signal representative of the height of the surface of the liquid in the pot 132.
  • the lower reference frame 130 includes an upper platform 134 supporting two proximity sensors 170, 180 identical in their positioning and their function to the sensors 70 and 80 of the second embodiment, and a proximity sensor 190 similar to the previous ones, but rotated at 90 °.
  • the two reference systems are connected by a pendulum 150 identical to that of the first embodiment of the invention comprising a mass 152 hung at the end of a wire 154.
  • the wire 154 is placed between the electrodes of the sensors 170 and 190.
  • the sensor 190 allows a measurement of the position of the wire 154 along an axis perpendicular to the plane of the figure, that is to say the distance between the wire and a plane parallel to the plane of the figure.
  • the device is completed by a proximity sensor 160 identical to the sensor 60 of the first embodiment.
  • the three proximity sensors 160, 170, 190 allow access to the three-dimensional displacements of the lower reference frame 130 relative to the upper reference frame 110.
  • the lower reference frame 130 is supplemented by a proximity sensor 195 forming part of an aimetric tensioned wire installation.
  • a proximity sensor 195 forming part of an aimetric tensioned wire installation.
  • the relative vertical variation of height between the tensioned wire and the sensor is measured, which supposes a practically straight and horizontal wire.
  • the wire tends to conform to a chain.
  • This form of chain is flattened by choosing a wire of very low mass stretched by a wire tensioning device known to a person skilled in the art and described for example in the document FR 2 741 147 already cited.
  • the signals supplied by the sensors are processed by a processing unit 200 comprising sampling means 202 at a given frequency, and calculation means 204 allowing the calculation of an average of the signal taken from a given number of samples.
  • the unit also comprises means for adjusting the sampling frequency 206.
  • the sampling frequency is in practice chosen so as to be greater than ten times the frequency of the pendulum.
  • the number of samples taken for the calculation of the moving average is such that the time window corresponding to the average is greater than ten times the period of the pendulum.
  • the pendulum can be used with various types of leveling benchmarks: three-dimensional optical benchmark such as the metrological sphere, a hydrostatic aimetric benchmark or tensioned wire leveling benchmark, for example. It is also possible to envisage an electronic reference system by adding a link antenna to a GPS system for one or the other of the upper and lower stations, or even both. Drawn wire frames can be used to supplement the upper frame and / or the lower frame. It is also possible to combine for each station several of the preceding means, the advantage being that each of the types of repository allows a transfer of coordinates to a different type of network or external installation. These standards may or may not be supplemented by alignment installations along one or more horizontal axes.

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Abstract

Un dispositif de mesure de la variation de position d'un référentiel de positionnement inférieur (130) par rapport à un référentiel de positionnement supérieur (110) situé au-dessus du précédent comporte un pendule (150) comportant une masse pendulaire (152) et un fil métrologique (154) fixé d'un côté à la masse pendulaire et de l'autre au référentiel supérieur, et un premier capteur de proximité (160) apte à fournir un signal représentatif de la position ou de la variation de position dans le sens vertical d'une zone plane (158) de la surface de la masse pendulaire par rapport au référentiel inférieur. Un deuxième (170) et un troisième (190) capteurs de proximité, tous deux optionnels fournissent chacun un signal représentatif de la position ou de la variation de position d'une zone du fil (154) par rapport à deux surfaces planes verticales de mesure solidaires du référentiel inférieur et perpendiculaires l'une à l'autre.

Description

DISPOSITIF DE MESURE TOPOGRAGHIQUE
Domaine technique de l'invention
L'invention se rapporte à un dispositif de mesure des variations de position entre deux référentiels de positionnement situés à des hauteurs différentes.
Etat de la technique
On connaît en matière de mesure topographique divers types de référentiels, c'est-à- dire de dispositifs servant de référence pour positionner dans l'espace des éléments. Certains référentiels sont tridimensionnels, d'autres mono- ou bidimensionnels.
Un référentiel standard classique tridimensionnel en matière de mesure topographique est constitué par une sphère métrologique de diamètre calibré, connue sous le nom de sphère de Taylor et Hobson, servant de mire optique.
Lorsque l'on n'est intéressé que par un nivellement des éléments dans l'espace, c'est à dire lorsque l'on recherche uniquement une mesure ou un contrôle de l'altitude relative de chaque élément par rapport au référentiel, celui-ci peut avantageusement mettre en œuvre des moyens hydrostatiques. Un exemple d'un tel dispositif est divulgué dans le document FR 2656418. Le dispositif comprend des pots fermés, placés respectivement en chacun des points à mesurer. Ces pots sont partiellement remplis d'un liquide et sont reliés par des conduites de liquide débouchant dans leur partie inférieure de manière à former un circuit de liquide, ainsi que par des conduites de gaz. Chaque pot est équipé d'un capteur capacitif de proximité placé au-dessus et à distance de la surface supérieure du liquide qu'il contient et adapté pour fournir un signal de position dans le sens vertical d'une zone de cette surface supérieure du liquide dans ce pot. Le dispositif comporte en outre des moyens pour comparer les signaux fournis par les capteurs de manière à pouvoir fournir des informations sur la position relative des pots, et en conséquence des points, les uns par rapport aux autres ou par rapport à une position verticale de référence. Chacun des pots d'un tel dispositif constitue un référentiel de nivellement, dans la mesure où l'altitude (grandeur absolue) ou la dénivellation (grandeur relative) de son socle par rapport à celle d'un pot de référence est accessible.
Les dispositifs précédents ne couvrent toutefois pas l'ensemble des besoins en matière de mesure et de contrôle précis des dénivellations ou des variations de dénivellation entre des points situés à des distances importantes les uns des autres. Certains grands ouvrages de génie civil nécessitent en effet la mise en place de référentiels de nivellement situés à des hauteurs différentes. Tel est le cas par exemple dans des barrages, des puits miniers ou des accélérateurs de particules souterrains. Il apparaît alors nécessaire de pouvoir relier entre eux deux référentiels de nivellement situés à des altitudes différentes, à une distance de quelques mètres, afin de connaître leur variations relatives de coordonnées. Cette liaison doit être effectuée sans remettre en cause les référentiels de nivellement existant et doit donc s'adapter à ceux-ci.
Objet de l'invention
L'invention vise à résoudre ce problème grâce à un dispositif de mesure de la variation de position d'un référentiel de positionnement inférieur par rapport à un référentiel de positionnement supérieur situé au dessus du précédent, comportant :
• un pendule comportant • une masse pendulaire et
• un fil métrologique fixé d'un côté à la masse pendulaire et de l'autre au référentiel supérieur, et
• un premier capteur de proximité apte à fournir un signal représentatif de la position ou de la variation de position dans le sens vertical d'une zone plane de la surface de la masse pendulaire par rapport au référentiel inférieur.
Sous cette forme, l'invention trouve une application directe dans la mesure du tassement minier. Les référentiels de positionnement peuvent être de type quelconque.
Naturellement, l'invention trouve tout son intérêt lorsque les référentiels sont au moins des référentiels de nivellement, c'est-à-dire lorsqu'ils peuvent servir de référence pour des mesures altimétriques relatives. En pratique, la zone plane de la surface est préférentiellement rectifiée et disposée perpendiculairement en au fil.
Préférentiellement, le dispositif comporte en outre un deuxième capteur de proximité apte à fournir un signal représentatif de la position ou de la variation de position d'une zone du fil par rapport à une première surface plane verticale de mesure solidaire du référentiel inférieur. Le dispositif permet alors de contrôler les mouvement horizontaux du référentiel inférieur dans l'axe perpendiculaire au plan vertical de mesure. Typiquement, un tel dispositif est utilisable pour effectuer un contrôle de la poussée de la voûte d'un barrage.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte en outre un troisième capteur de proximité apte à fournir un signal représentatif de la position ou de la variation de position d'une zone du fil par rapport à une deuxième surface plane verticale de mesure solidaire du référentiel inférieur et perpendiculaire à la première surface plane verticale de mesure. Le dispositif permet alors d'accéder aux variations de coordonnées tridimensionnelles du référentiel inférieur par rapport au référentiel supérieur. Elle permet un contrôle de la verticalité entre les deux référentiels.
Un fil métrologique est un fil à faible coefficient de dilatation thermique dans le domaine de mesure. Idéalement, ce fil doit également être de raideur longitudinale élevée, de manière à ne subir qu'un très faible allongement lorsqu'il supporte la masse pendulaire.
L'invar constitue un alliage combinant les propriétés mécaniques recherchées.
Alternativement, le fil peut être réalisé en corde de piano ou en tout matériau de résistance mécanique, de géométrie et de résistivité équivalente à l'invar. Une autre alternative est un fil en fibres de carbone. Toutefois, l'allongement du fil, qui est plus important que pour l'invar, doit alors être pris en considération ainsi que ses variations en fonction de la température et de l'humidité. En pratique, cette dernière solution pourra être mise en œuvre dans des milieux secs de température stable. La masse pendulaire doit également être adaptée au fil utilisé, de manière à ne produire qu'un très faible allongement tout en assurant la tension du fil.
Préférentiellement, au moins l'un des capteurs de proximité est un capteur capacitif, les capteurs de ce type ayant prouvé leurs qualités de précision, de facilité de mise en œuvre et fiabilité sur de longues périodes, de sorte qu'ils s'avèrent particulièrement adaptés pour le type d'applications envisagé en matière de surveillance des ouvrages de génie civil. Divers type de mesure capacitives peuvent être mises en œuvre. Si le fil métrologique utilisé est électriquement conducteur, on peut par exemple envoyer sur le fil une impulsion de courant courte, avec une constante de temps de l'ordre de grandeur d'une nanoseconde. Cette impulsion induit entre deux plaques métalliques des charges électrostatiques par influence. Une mesure de différence de charge fournit une information quantitative de l'écart du fil par rapport au plan médian entre les deux plaques. Si le fil est constitué d'un matériau à forte résistivité électrique, par exemple de fibres de carbone, les deuxième et troisième capteurs de proximité sont alors avantageusement constitués par des écartomètres du type décrit plus en détail dans le document FR 2 741 147. Naturellement, d'autres principes de mesure de proximité peuvent être adoptés par le spécialiste de métrologie.
Préférentiellement, le dispositif comporte par ailleurs des moyens de traitement des signaux fournis par le ou les capteurs de proximité, comportant des moyens d'échantillonnage à une fréquence donnée et des moyens de calcul permettant le calcul d'une moyenne du signal pris sur un nombre donné d'échantillons. La fréquence d'échantillonnage est choisie de manière à s'affranchir des variations dues au phénomène résiduel de balancier, et donc à une valeur supérieure au double de la fréquence propre du balancier. Au cas où l'on souhaiterait s'affranchir également des variations dues aux vibrations longitudinales de la masse pendulaire induites par la raideur du fil, il peut être utile de se placer à une fréquence double de la fréquence propre longitudinale du système masse ressort constitué par la masse pendulaire et le fil. Toutefois, cette variation s'avère en pratique insignifiante pour peu qu'on ait pris soin de choisir un fil de raideur suffisante. Le dispositif permet un suivi continu par calcul d'un moyenne mobile. Alternativement, les moyens de traitement comportent un logiciel retenant en mémoire les points bas et les points hauts successifs de l'oscillation du pendule, puis calculant une moyenne à partir des ces points, sur un intervalle de temps supérieur à la période du balancier. La valeur obtenue est retenue si l'écart type de l'ensemble des échantillons est inférieur à une valeur de seuil prédéterminée, au-delà de laquelle on considère que le pendule est perturbé.
Suivant un mode de réalisation, le référentiel supérieur et/ou le référentiel inférieur comportent une sphère métrologique centrée sur un alésage chanfreiné métrologique et/ou un pot de mesure apte à être intégré à un réseau de mesure aitimétrique par moyen hydrostatique et/ou un référentiel électronique GPS et ou un référentiel aitimétrique à fil tendu horizontal. Les différents référentiels de nivellement envisagés ne sont pas nécessairement redondants, dans la mesure où ils sont chacun destinés à permettre des nivellements avec des moyens différents et des raccordements à des réseaux différents avec des précisions différentes. En pratique en effet, il est rare qu'un ouvrage soit muni d'un système totalement unifié de mesure. Il est donc utile de laisser une latitude de choix de méthode de nivellement.
Suivant un mode de réalisation, le référentiel supérieur et/ou le référentiel inférieur sont solidaires d'une unité de raccordement à un réseau de mesure d'alignement axial à fil tendu. Le document FR 2 741 147 décrit .un exemple de dispositif de ce type comprenant un fil résistif tendu selon un axe longitudinal de référence, disposé à proximité d'éléments à aligner et relié dynamiquement à la terre. Une électrode de mesure munie d'une électrode de garde et disposée dans le plan de mesure situé à proximité du fil tendu, est excitée par un signal alternatif. Un pont de mesure capacitif délivre un signal de mesure représentatif de la position de l'électrode par rapport au fil dans une direction normale au plan de mesure.
Suivant un mode de réalisation, le référentiel supérieur et/ou le référentiel inférieur sont solidaires d'une unité de raccordement à un réseau de mesure de distances absolue ou relative. L'unité de raccordement peut alors être constituée par un alésage de support d'une sphère métrologique. La mesure absolue peut être obtenue par mesure au distancemètre de type "distinvar", développé par le CERN. Alternativement, des mesures absolue ou relative peuvent être obtenue grâce à un interféromètre.
Le dispositif présente donc une grande modularité.
Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre de différents modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés sur lesquels :
• la figure 1 représente un premier mode de réalisation de l'invention ;
• la figure 2 représente un détail d'un capteur de proximité utilisé dans le premier mode de réalisation de l'invention ; • la figure 3 représente un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
• la figure 4 représente un troisième mode de réalisation de l'invention ;
• la figure 5 représente une unité de traitement.
Description de modes de réalisation préférentiels
En référence à la figure 1 , un premier référentiel de nivellement 10 comporte un support 12 en forme d'équerre, un socle 14 comportant un alésage métrologique chanfreiné 16 sur lequel repose une sphère métrologique optique 18 standard dite de Taylor & Mobson. La sphère 18 a un diamètre de 88, 90 mm ajusté au 1/100 mm. L'alésage 16 a un diamètre de 30 mm ajusté au 1/100 mm. Le chanfrein 20 s'ouvre à 120° dans la partie supérieure de l'alésage 16 et assure le contact avec la sphère 18.
L'équerre 10 possède également un alésage 22 concentrique avec celui du socle 14.
Un deuxième référentiel 30 situé à une altitude inférieure au premier, en pratique à une distance de 1 à 10 mètres, comporte également un support 32 en forme d'équerre, un socle 34 comportant un alésage métrologique 36 chanfreiné sur lequel repose une sphère métrologique 38 standard identique à celle du référentiel supérieur 10.
A la sphère 18 du référentiel supérieur est fixé un pendule 50 comportant une masse pendulaire cylindrique 52 de 9 kg, pendue à l'extrémité d'un fil d'invar 54 de 1 ,65 mm de diamètre, ces chiffres étant donnés à titre purement indicatif. Le fil 54 est fixé à son extrémité supérieure dans un alésage 56 de la sphère 18. La face inférieure 58 du cylindre constituant la masse pendulaire 52 est polie façon miroir.
Un capteur de proximité 60 est fixé au socle 34 du référentiel inférieur en regard de la surface inférieure polie 58 de la masse pendulaire 52. Le capteur 60, représenté schématiquement sur la figure 2, est un capteur capacitif standard du type décrit dans le document FR 2 656 418, et comporte une électrode centrale 62 à section cylindrique (62a) ou préférentiellement à section carrée (62b) ou rectangulaire, une électrode de garde annulaire 64 coaxiale avec l'électrode centrale 62, un isolant électrique annulaire 66 remplissant l'espace séparant l'électrode centrale et l'électrode annulaire de garde et un isolant électrique 68 externe séparant du socle les parties actives du capteur. L'électrode centrale 62 et l'électrode annulaire 64 sont de préférence en un alliage Fe-Ni à 42 % de Ni et les isolants électriques sont de préférence en verre. Dans l'exemple de réalisation, les deux isolants 66 et 68 sont d'une seule pièce. Des fils électriques 69 relient chacune des électrodes 62, 64 à un circuit de mesure. L'ensemble est éventuellement muni d'un circuit de compensation en température. Le capteur 60 est en outre muni d'un dispositif de chauffage, de protection contre l'humidité et la corrosion, tel que décrit dans le brevet FR 2 656 418. La protection mécanique est obtenue par l'apposition d'une plaque de verre conducteur thermique.
Le dispositif est mis en œuvre de la manière suivante : une mesure initiale absolue peut être obtenue par des instruments de topographie traditionnels. La mesure relative continue est donnée par le signal du capteur, après échantillonnage temporel à une fréquence de 100 Hz et calcul d'une moyenne glissante sur 10s.
En référence à la figure 3, un deuxième mode de réalisation reprend les deux référentiels supérieur 10 et inférieur 30 du premier mode, reliés par un pendule 50 à fil en invar 54 relié électriquement à la terre. Par soucis de simplification, les éléments identiques ou semblables à des éléments correspondants du premier mode de réalisation portent des signes de référence identiques et l'on se reportera au premier mode pour leur description. Le support 32 du deuxième référentiel 30 comporte une plate-forme supérieure 32' et une plate-forme inférieure 32". II faut souligner que la plateforme supérieure 32' est, contrairement à ce que pourrait suggérer la figure très schématique, beaucoup plus proche de la plate-forme inférieure 32" que du support du référentiel supérieur 10, la longueur du fil 54 du pendule se mesurant en mètres. La plate-forme supérieure supporte un capteur de proximité 70 capacitif, par exemple du type décrit dans la demande FR 2 741 147 pour la mesure des écarts axiaux d'un système d'alignement à fil tendu ou préférentiellement du type décrit dans le document FR 2 656 418, mais avec une section rectangulaire ou carrée, comme décrit précédemment. Le fil 54 du pendule passe entre les électrodes 72, 74 du capteur 70, qui délivre un signal représentatif de l'écart du fil 54 par rapport à une position médiane située à mi-distance des électrodes 72,74, donc de la variation de la distance entre le fil 54 et la surface plane verticale perpendiculaire au plan de la figure, sur laquelle affleure l'électrode 74.
Ce dispositif permet donc non seulement, comme dans le mode de réalisation précédent, la mesure de la différence d'altitude entre les deux référentiels 10 et 30 ou de la variation de la différence d'altitude entre ces référentiels, mais également une mesure des variations de positionnement du référentiel inférieur 30 par rapport au référentiel supérieur dans la direction de l'axe 76 symbolisé sur la figure 3.
La plate-forme supérieure 32' comporte en outre un autre capteur de proximité 80 destiné au raccordement du référentiel inférieur 30 à un système d'alignement axial à fil tendu 82 horizontal en fibres de carbone du type décrit dans le document FR 2 741 147.
Le dispositif permet donc indirectement de connaître les variations de positionnement du fil 82 de cette installation d'alignement par rapport au référentiel supérieur 10.
Il est clair que l'on pourrait également envisager le raccord, dans les mêmes conditions, du référentiel supérieur 10 à un système d'alignement à fil tendu en fibres de carbone au niveau supérieur, par adjonction d'un capteur identique au capteur 80.
Si l'on souhaite utiliser un capteur capacitif universel pour l'ensemble des fonctions décrites, l'étude de la forme des électrodes du capteur devient importante. Une forme de disque, du type du capteur 62a de la figure 2, est naturellement la mieux adaptée pour la mesure des déviations du capteur 158, alors que les mesures des déplacements sur fil tendu 80 nécessitent un capteur rectangulaire. Un compromis satisfaisant est trouvé avec la forme d'électrode carrée 62b. Cette forme d'électrode sera mise en œuvre pour chacun des capteurs dès lors qu'elle se révélera compatible avec la précision de mesure recherchée.
En référence à la figure 4, un référentiel de nivellement 110 comporte un pot 112 faisant partie d'une installation de nivellement 114 du type décrit dans le document FR 2 656 418 et comportant d'autres pots 112' identiques. Chaque pot 112, 112' est partiellement rempli d'un liquide 118 et relié par des conduites de liquide 120 aux autres pots, de manière à former un circuit de liquide.
De même, les parties supérieures des différents pots communiquent entre elles par des conduites de gaz 122. Le circuit est complété par un réservoir de liquide et de gaz de grande dimension non représenté et par un dispositif de communication du liquide et du gaz entre les pots et le réservoir. Par effet de vases communicants, la surface libre 124 du liquide épouse à peu près le géoïde local et fournit un référentiel de base, pratiquement constant à température constante, du fait du volume important du réservoir. Un capteur capacitif de proximité 126 situé dans la partie supérieure de chaque pot 1 12, 116 permet une mesure la variation de la hauteur du liquide dans le pot, donc de la variation de la hauteur du pot par rapport au niveau de l'eau. Le pot 112 constitue donc un référentiel secondaire de nivellement. En pratique, la mesure est corrigée par une mesure thermométrique. On renvoie au document FR 2 656 418 pour les détails de mise en œuvre de cette installation. Le pot 112 est surmonté d'une sphère 128 métrologique du type décrit précédemment de manière à permettre de réaliser une transmission du référentiel par mesure optique si nécessaire.
Le dispositif comporte également un référentiel de nivellement inférieur 130 comportant un pot 132 inséré dans une installation de nivellement du même type que l'installation supérieure, mais non représentée sur la figure. Un capteur de proximité 136 livre un signal représentatif de la hauteur de la surface du liquide dans le pot 132. Le référentiel inférieur 130 comporte une plate-forme supérieure 134 supportant deux capteurs de proximité 170, 180 identiques dans leur positionnement et leur fonction aux capteurs 70 et 80 du deuxième mode de réalisation, et un capteur de proximité 190 semblable aux précédents, mais tourné à 90°.
Les deux référentiels sont reliés par un pendule 150 identique à celui du premier mode de réalisation de l'invention comportant une masse 152 pendue au bout d'un fil 154. Le fil 154 est placé entre les électrodes des capteurs 170 et 190. Le capteur 190 permet une mesure de la position du fil 154 suivant un axe perpendiculaire au plan de la figure, c'est-à-dire la distance entre le fil et un plan parallèle au plan de la figure.
Le dispositif est complété par un capteur de proximité 160 identique au capteur 60 du premier mode de réalisation. Les trois capteurs de proximité 160, 170, 190 permettent d'accéder au déplacements tridimensionnels du référentiel inférieur 130 par rapport au référentiel supérieur 110.
Le référentiel inférieur 130 est complété par un capteur de proximité 195 faisant partie d'une installation aitimétrique à fil tendu. Dans cette installation, la variation verticale relative de hauteur entre le fil tendu et le capteur est mesurée, ce qui suppose un fil pratiquement rectiligne et horizontal. Naturellement, le fil a tendance à se conformer en chaînette. On aplanit cette forme de chaînette en choisissant un fil de très faible masse tendu par un dispositif de mise en tension de fil connu de l'homme du métier et décrit par exemple dans le document FR 2 741 147 déjà cité. En référence à la figure 5, les signaux fournis par les capteurs sont traités par une unité de traitement 200 comportant des moyens d'échantillonnage 202 à une fréquence donnée, et des moyens de calcul 204 permettant le calcul d'une moyenne du signal pris sur un nombre donné d'échantillons. L'unité comporte également des moyens d'ajustement de la fréquence d'échantillonnage 206. La fréquence d'échantillonnage est en pratique choisie de manière à être supérieure à dix fois la fréquence du pendule. Le nombre d'échantillon pris pour le calcul de la moyenne glissante est tel que la fenêtre temporelle correspondant à la moyenne soit supérieure à dix fois la période du pendule.
Naturellement, de nombreuses variations sont possibles sans sortir du cadre de l'invention. Les modes de réalisation montrent que l'on peut utiliser le pendule avec divers types de référentiels de nivellement : référentiel tridimentionnel optique tel que la sphère métrologique, référentiel aitimétrique hydrostatique ou référentiel de nivellement à fil tendu, par exemple. Il est également possible d'envisager un référentiel électronique par adjonction d'une antenne de liaison à un système GPS pour l'une ou l'autre des stations supérieure et inférieure, voire les deux. Les référentiels à fil tendu peuvent être utilisés pour compléter le référentiel supérieur et/ou le référentiel inférieur. Il est également possible de combiner pour chaque station plusieurs des moyens précédents, l'intérêt étant que chacun des types de référentiel permet un transfert de coordonnées à un type différent de réseau ou d'installation extérieurs. Ces référentiels peuvent ou non être complétés par des installations d'alignement suivant un ou plusieurs axes horizontaux.

Claims

R EVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure de la variation de position d'un référentiel de positionnement inférieur (30, 130) par rapport à un référentiel de positionnement supérieur (10, 1 10) situé au dessus du précédent, caractérisé en ce qu'il comporte :
• un pendule (50, 150) comportant
• une masse pendulaire (52, 152) et « un fil métrologique (54, 154) fixé d'un côté à la masse pendulaire et de l'autre au référentiel supérieur, et
• un premier capteur de proximité (60, 160) apte à fournir un signal représentatif de la position ou de la variation de position dans le sens vertical d'une zone plane (58, 158) de la surface de la masse pendulaire par rapport au référentiel inférieur.
2. Dispositif de mesure selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte en outre :
• un deuxième capteur de proximité (70, 170) apte à fournir un signal représentatif de la position ou de la variation de position d'une zone du fil (54,
154) par rapport à une première surface plane verticale de mesure solidaire du référentiel inférieur.
3. Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre :
• un troisième capteur de proximité (190) apte à fournir un signal représentatif de la position ou de la variation de position d'une zone du fil par rapport à une deuxième surface plane verticale de mesure solidaire du référentiel inférieur et perpendiculaire à la première surface plane verticale de mesure.
Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins l'un des capteurs de proximité (60, 160, 70, 170, 190) est un capteur capacitif.
5. Dispositif de mesure selon la revendication 4, caractérisé en ce que le capteur capacitif comporte une électrode centrale (62) ayant une surface carrée (62b).
6. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif comporte par ailleurs des moyens de traitement (200) des signaux fournis par le ou les capteurs de proximité, comportant des moyens d'échantillonnage (202) à une fréquence donnée et des moyens de calcul (204) permettant le calcul d'une grandeur représentative de la position de la masse pendulaire par rapport au référentiel inférieur.
7. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le référentiel supérieur et/ou le référentiel inférieur comportent une sphère métrologique (18, 38, 128) centrée sur un alésage chanfreiné métrologique (16, 36) et/ou un pot de mesure (112, 132) apte à être intégré à un réseau de mesure aitimétrique par moyen hydrostatique et/ou un référentiel électronique GPS et/ou un référentiel à fil tendu vertical et/ou un référentiel aitimétrique à fil tendu horizontal.
8. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le référentiel supérieur (10, 110) et/ou le référentiel inférieur (30, 130) sont solidaires d'une unité de raccordement (80) à un réseau de mesure d'alignement axial à fil tendu.
9. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le référentiel supérieur (10, 110) et/ou le référentiel inférieur (30, 130) sont solidaires d'une unité de raccordement (36) à un réseau de mesure de distances absolue ou relative.
10. Procédé de mesure selon d'altitude mettant en œuvre un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que : • on mesure ou on calcule un indice représentatif de la moyenne du signal délivré par le premier capteur de proximité sur un intervalle de temps donné;
• on mesure ou on calcule un indice représentatif de l'écart type du signal délivré par le premier capteur de proximité (60, 160) et représentatif de la position ou de la variation de position dans le sens vertical d'une zone plane (58, 158) de la surface de la masse pendulaire par rapport au référentiel inférieur sur ledit intervalle de temps ; on retient l'indice représentatif de la moyenne si l'écart type est inférieur à un seuil fixé, et on rejette l'indice sinon.
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