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La présente invention concerne un dispositif de
mesure dynamométrique pour tige de forage.
Pour réaliser un dispositif dynamométrique de
mesure des forces et contraintes exercées sur la tige de
forage, le problème majeur n'est pas de prélever la mesure
mais de la transmettre dans des conditions optimales vers
l'ensemble d'acquisition chargé de la traiter. Ainsi,
compte tenu de la longueur des câbles reliant l'ensemble de
mesure à l'ensemble d'acquisition, il est capital de se
prémunir de toutes les causes imaginables de dégradation des
signaux à transmettre.
Par ailleurs, il est nécessaire de transmettre les
signaux électriques de l'ensemble en rotation constitué par
la garniture de forage vers un repère fixe constitué par le
mât.
Enfin, il est nécessaire de prendre des mesures
pour éviter que les signaux envoyés soient perturbés par le
passage des pièces mobiles aux pièces fixes.
Un but de l'invention est donc de pallier au moins
un de ces inconvénients.
Un autre but de l'invention est d'améliorer
significativement l'information que l'on peut exploiter en
provenance des capteurs.
Un autre but de l'invention est de limiter au
minimum le nombre de voies compatibles tout en maintenant la
meilleure qualité d'analyse de signal.
Selon la présente invention, il est prévu un
dispositif de mesure dynamométrique pour tige de forage
tournante, incluant:
- des capteurs disposés à l'intérieur d'une gorge
de la tige, chacune de ces capteurs transmettant des signaux
de mesure sur une voie de mesure,
,.,. ~
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- un premier circuit électronique solidaire de la
tige de forage tournante pour le conditionnement des signaux
fournis par les différents capteurs,
- un ensemble collecteur tournant-balais fixes
pour transmettre les signaux dudit premier circuit électro-
nique à une partie fixe,
- la taversée de ces signaux de l'ensemble
collecteur-balais s'effectuant à courant nul,
- un deuxième circuit électronique monté sur la
lo partie fixe, ce deuxième circuit éectronique comprenant, en
aval de l'ensemble collecteur-balais, un étage d'amplifica-
teurs suiveurs à très haute impédance d'entrée, et en aval
de chaque amplificateur suiveur de chaque voie, un circuit
de séparation de la composante statique et un circuit de
séparation de la composante dynamique du signal.
De préférence, chacun des capteurs constitue une
voie de mesure et les balais fixes sont rendus solidaires de
ladite partie fixe.
De préférence, ledit étage d'amplificateurs
suiveurs à très haute impédance d'entrée est placé en aval
de chaque paire de balais.
Selon une autre particularité préférentielle de
l'invention, les signaux de chaque voie de mesure fournis
par chaque capteur ou jauges sont transmis par une voie
constituée d'une piste indépendante et une piste de masse.
De préférence, chacune des deux pistes est en
contact avec une double paire de balais, chaque balai ayant
une fréquence de résonnance propre.
Selon un mode de réalisation préférentiel, le
dispositif comprend des capteurs pour mesurer la traction,
la torsion, les accélérations longitudinales et transver-
sales, la température et la vitesse de rotation de la tige
de forage.
, . ..~
.; ~4
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Un autre but de l'invention est d'assurer un
compromis entre la manoeuvrabilité et l'emplacement de
l'électronique.
Ce but est atteint par le fait que l'électronique
solidaire des pièces tournantes est de préférence branchée
entre les capteurs et le collecteur tournant, et est
constituée d'étages amplificateurs à basse impédance de
sortie pour chaque voie de mesure.
De préférence, l'alimentation de l'électronique
lo entraînée en rotation est assurée par deux voies supplémen-
taires.
Selon un autre mode de réalisation préférentiel,
la voie ou circuit de séparation de la composante statique
comporte un filtre passe-bas de fréquence de coupure égale
à 10 KHz en série avec un amplificateur de ligne et un
élément de protection.
Selon un autre mode de réalisation préférentiel,
la voie ou circuit de séparation de la composante dynamique
comprend un condensateur de coupure de la composante
statique en série avec un filtre dynamique passe-bande de
fréquence de coupure comprise entre 0,1 Hertz et 1 KHz, un
amplificateur de ligne et un circuit de protection.
Un autre but de l'invention est de constituer un
dispositif fiable, étanche et anti-déflagrant.
Ce but est atteint par le fait que l'ensemble est
monté de préférence dans un volume limité à ses extrémités
par des collerettes supérieures et inférieures montées tour-
nantes par rapport à la tige de forage et de fa,con étanche,
et un fourreau cylindrique de longueur correspondant à la
distance séparant les collerettes supérieures et inférieures
pour former un espace annulaire étanche entre la tige de
forage et l'intérieur du fourreau.
3a 2 0 3 ~ 4 7 7
D'autre particularités et avantages de la présente
invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la
description ci-après faite en référence aux dessins annexés
dans lesquels:
- la figure 1 représente une vue d'ensemble du
dispositif de mesure dynamométrique;
- la figure 2 représente le schéma de principe des
composants électriques et électroniques de l'ensemble;
- la figure 3A représente le schéma du circuit
électronique tournant situé en amont du collecteur à balai;
- la figure 3B représente le schéma du circuit
électronique fixe situé en aval du collecteur à balai;
- la figure 4 représente le schéma de la partie
alimentation du circuit électronqiue.
Le dispositif de mesure dynamométrique est placé
sur une tige de forage (1) dans un espace délimité par une
collerette supérieure (110) montee tourna ~
/
~0 gl/00413 rcr/FRso/00~6
4 20~547~
façon étanche par rapport à la tige au moyen d'un
roulement (11). De même, une collerette inférieure (120)
est montée tournante au moyen d'un roulement (12) sur la
tige (1). Un fourreau (100) vient se mettre en place pour
former un volume étanche délimité par la collerette
supérieure (110) et la collerette inférieure (120) et le
diamètre intérieur du fourreau (100).
A l'intérieur du volume annulaire compris entre
le fourreau (100) et la tige (1) on dispose, dans une
gorge (10) de la tige (1), des jauges de traction
(60,61), un couple (70,71) de jauges formant une jauge de
torsion, une jauge de température (50), un couple de jauges
d'accéléromètres longitudinaux (20,21) et trois jau~es
accélérometres transversaux (40,41,42). Chacune de ces
jauges constitue une voie de mesure. Un circuit
électronique (3) de traitement des signaux fournis par
ces différents capteurs est monte solidaire de la tige de
forage (1) a l'intérieur du volume délimité par les
collerettes. Au-dessus de la gorge (10) et solidaire de
la tige (1) est monté un ensemble de pistes formant un
collecteur tournant (80). Une paire de pistes est
associée a chaque voie de mesure. Les signaux delivrés
par chaque paire de pistes sont prélevés par deux paires
de balais associés a chaque voie et représentés par la
référence (81). L'ensemble porte balais (81) est rendu
solidaire de la collerette supérieure (110) qui est elle-
même rendue solidaire, au moyen d'un bras d'arrêt en
rotation, de la partie fixe constituée par le mât du
forage. Les balais sont reliés a un second circuit
électronique de traitement des signaux de chaque voie de
mesure dont les sorties sont envoyées par l'intermédiaire
d'un connecteur (90) vers un câble de transmission a N
paires blindees individuellement par un blindage
extérieur pour N/2 voies de mesure. Les signaux délivrés
35! par les capteurs (20,40,70,60) sont envoyés a un premier
circuit électronique (3) situé en amont du collecteur
tournant (80) et de l'ensemble balai fixe (81) Les
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signaux récupérés par l'ensemble balai fixe (81) sont
envoyés sur un circuit électronique (9) situé en aval de
ces derniers et les sorties de ce circuit électronique
sont envoyées à un connecteur ADF (90) pour transmission
au c~ble blindé. En plus de chaque voie de mesure
constituée par une paire de pistes collecteur tournant,
1'ensemble collecteur-balai comporte deux autres paires
de pistes destinées à transmettre l'alimentation
provenant du circuit électronique fixe pour alimenter les
capteurs et le circuit électronique tournant (3).
Une première paire de pistes du collecteur (80)
est reliée par un condensateur (395), comme representé ~
la figure 4. Cette paire de pistes fou~nit d'un côté une
tension de + 1~ volts, de l'autre côté la masse au
circuit electronique tournant. La paire de pistes est
reliée a une double paire de balais (81) branchés aux
bornes d'un condensateur (955~ lui-même connecté en
parallèle aux bornes d'un -condensateur (954). Ce
condensateur (954) est branché d'une part à la sortie
d'un circuit régulateur (953) et d'autre part à une des
bornes d'un condensateur (952) dont l'autre borne est
reliée a l'entrée de ce ~circuit regulateur (953). Un
autre condensateur (951) est également branché en
parallèle entre les bornes du condensateur (952). Enfin
un dispositif auto-protecteur (950) est branché en
parallèle aux bornes du condensateur (951) et reçoit, par
le connecteur (90), d'une part l'alimentation ~18 volts
et, d'autre part la masse.
Un circuit identique a celui représenté ~ la
figure 4 et portant la r~férence (96) sera utilisé pour
constituer l'alimentation négative -12 volts nécessaire
au fonctionnement des capteurs et de l'électronique
tournante (3).
Une voie de mesure du dispositif constituant le
circuit électronique (3) situé en amont est représenté a
la figure 3A. Cette voie de mesure comprend une jauge
(~0) constitué, par exemple, un pont de Wheatstone
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.
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constitué par association de quatre résistances
(20,31,32,33). La diagonale de ce pont est reliée, d'une
part a la borne positive, d'autre part à la borne
négative d'un amplificateur différentiel (34) tandis que
1'autre diagonale de ce pont de Wheatstone est reliée,
d'une part à l'alimentation de ~ 12 volts, d'autre part à
l'alimentation de - 12 volts. La sortie de
l'amplificateur différentiel (34) est relié a l'entrée
positive d'un deuxième amplificateur différentiel (35)
dont la sortie est bouclée sur son entrée négative. Ce
deuxième amplificateur (35) constitue un étage suiveur à
trés basse impédance de sortie. La sortie de cet
amplificateur (35) est envoyée sur une bague de
l'ensemble collecteur (80), l'autre bague du collecteur
constituant la voie de mesure est formée par la masse.
Le signal envoyé par la paire de bagues est
prélevé dans une double paire de balais (81,fig 3B) et
envoyé sur l'entrée positive d'un amplificateur
différentiel (91) dont la sortie est rebouclée sur son
entrée négative. La sortie de cet amplificateur (91) est
envoyée, d'une part vers un circuit d'extraction de la
composante statique, d'autre part vers un circuit (94)
d'extraction de la composante dynamique du signal de
mesure. Ces étages sont suivis d'un étage amplificateur
de ligne et de protection. L'amplificateur (91) constitue
un étage suiveur à trés haute impédance d'entrée.
L'association de l'étage suiveur à basse impédance de
sortie avec l'étage suiveur à tres haute impédance
d'entrée situes respectivement en amont et en aval de
l'ensemble - collecteur balai, permet d'assurer une
transmission des signaux de mesure à courant nul. Ceci
permet de disposer d'une bande passante relativement
large et de conserver à la mesure sa prècision, bien que
l'état de propreté ou d'usure des disques et balais du
collecteur constitue la principale source de bruit a
l'intérieur du dispositif de mesure dynamométrique. Par
ailleurs, la séparation des composantes statiques et
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dynamiques et l'amplification extrême de cette derniere
avant transmission permet d'ameliorer significativement
l'information que l'on va par la suite exploiter. L'étage
de séparation des composantes statiques des signaux de
mesure est constitue d'un circuit intégrateur formé d'une
résistance (920) montée en série avec un condensateur
(921) entre la sortie de l'amplificateur (91) et la
masse. Le point commun a la résistance (920) et au
condensateur (921) est relié a l'entrée positive d'un
amplificateur de ligne (930) dont la sortie est rebouclée
sur l'entrée négative. La sortie de cet amplificateur de
ligne (930) est envoyée sur une résistance (931) dont la
sortie est reliée d'une part au connecteur (9O), d'autre
part à la masse, par l'intermédiaire d'un élement
protecteur (932), tel que, par exemple, une diode Zener.
Le circuit d'extraction de la composante dynamique (94)
est constitué d'un condensateur (940) branché a la sortie
de l'amplificateur (91). Ce condensateur (940) est
d'autre part relié a la masse par un circuit constitué
d'une résistance (941) en série avec un condensateur
(943). Le point commun à la résistance (941) et au
condensateur (943) est relié, d'une part, par une
résistance (942), a l'entrée négative d'un amplificateur
différentiel (945) et, d'autre part, par une résistance
(947), a la sortie de cet amplificateur (945). La sortie
de l'amplificateur (945) est également reliée par un
condensateur (946) à l'entree négative de ce dernier.
L'entrée positive de l'amplificateur (94S) est reliee,
par une résistance (944) a la masse. La sortie de cet
amplificateur (945) est envoyée sur un filtre passe-bas
constitué d'une resistance (922) ~ reliee par un
condensateur (923) ~ la masse. Le point commun a la
résistance (922) et au condensateur (923) est relié à
l'entrée positive d'un amplificateur de ligne (930) dont
la sortie est rebouclée sur l'entrée negative. La sortie
de cette ampli~icateur est envoyee sur une résistance
(931) reliée, d'une part au connecteur (9O), d'autre
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.
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part, par un fusible (932) ~ la masse. Le condensateur
(940) permet l'élimination de la composante continue des
signaux et le circuit constitué par l'amplificateur
(945), les résistances (941f942,944,947), les
con~enc~teurs (943,946) constituent un filtre passe-bande
dont ~es fréquence de coupure sont comprises entre 0,1 et
KHz .
La séparation des composantes statiques et
dynamiques et l'amplification extrême de cette dernière
avant transmission permet d'améliorer significativement
1'information que 1'on peut espérer exploiter apres
mesure. Par exemple, le transport séparé de la composante
statique et de la composante dynamique amplifiée 300 fois
permet d'espèrer un rapport signal sur bruit 300 fois
supérieur après transmission.
Si l'on suppose que cette composante dynamique
est par la suite traitee par un ensemble numérique, c'est
un accroissement non négligeable de la résolution que
permet la technique de séparation des composantes
statique et dynamique du signal.
La séparation des composantes statiques et
dynamiques est effectuée en aval du collecteur pour
diminuer le nombre de bagues du collecteur et ainsi le
volume et le coût du dispositif.
Le dispositif ainsi réalisé correspond à un
encombrement réduit, à un nombre de pièces minimum et à
une sécurité et une qualité de mesure optimum.
Enfin la présence d'autant d'amplificateurs de
lignes que de canaux à transmettre en amont de la
connectique (90) permet d'améliorer les caractéristiques
des signaux transmis et en particulier de diminuer le
niveau de bruit de la transmission, notamment quand les
équipements vieillissent. Par ailleurs, les étages de
protection prévus soit au niveau des étages de sortie,
c'est-à-dire après les amplificateurs de ligne soit au
niveau des étages d'entrée des alimentations, protegent
l'équipement contre les aleas du chantier ou plus
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simplement contre les parasites lies à la foudre ou a la
commutation de machines electriques importantes situees a
proximité.
D'autres modifications de l'invention a la portee
S de l'homme de metier font egalement partie de l'esprit de
l'invention.
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