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Topic: Un outil pour les foreurs (Read 705 times) previous topic - next topic

Barsa972

Bonjour à tous,

J'ai eu il y a quelques années, alors que je suivais des forages profonds et que je me coltinais de mesurer leur profondeur avec un petit plomb au bout d'un câble gradué, l'idée qu'il serait théoriquement possible de mesurer la longueur du train de tiges de forage en mesurant les modes propres du guide d'ondes que constitue ce train de forage. En fait, on mesurerait plutôt la profondeur de la nappe s'il y a de l'eau mais c'est pas mal aussi. D'un point de vue pratique, il s'agirait de dévisser la tête de forage, de faire résonner le train de tige en donnant un bon coup de masse dessus, de capter le son produit, d'analyser le spectre et de mesurer la fréquence de l'harmonique fondamentale.

Mes ressources technologiques à l'époque ne me permettaient pas de tester l'idée mais aujourd'hui ça doit être envisageable pour un coût modéré et je ressors l'idée de son sac. Il y a déjà des bibliothèques pour faire une analyse de spectre sur une arduino (FHT et FFT), ça paraît a priori incroyablement simple de faire un petit outil portatif pour 3 sous, d'autant qu'en réalité je n'ai pas vraiment besoin de mesurer la fréquence de l'harmonique fondamentale mais seulement le demi-écart entre harmoniques successives, ce qui signifie que je n'ai pas besoin de m'encombrer à trouver ou fabriquer un micro basse fréquence.

Là où ça se corse, c'est qu'une précision de 0.1 Hz est un minimum pour obtenir une estimation correcte sur un forage profond. Je ne suis pas sûr que ce soit envisageable. Du point de vue de l'échantillonnage, si je pars sur un signal dans le domaine audible donc avec une fréquence max de 2 kHz, il me faut au moins 4.10^5 points pour avoir une telle précision. Si on part du principe que la durée d'échantillonnage ne peut excéder 100ms (et encore ça me paraît long), la fréquence d'échantillonnage devrait être supérieure à 4 MHz. Probablement trop pour une carte Uno mais dans les capacités d'une Due, non ? Mais j'ignore l'influence du bruit de fond et de la distortion du micro sur la précision de la mesure.

Si vous pouvez m'apporter vos lumières sur ces questions et des conseils pratiques, je vous en serai reconnaissant.

ChPr

Si vous voulez une étendue de mesure de 2 kHz avec une résolution de 0.1 Hz, il vous faut faire une transformée de Fourier (rapide ou non) sur (2000 / 0.1) x 2 = 40000 points. De plus, l'analyse doit satisfaire à la relation Durée = Nb points / Fréq max = (40000 / 2000) / 2 = 10 secondes ( le coefficient 2 est pour respecter le théorème de Shannon).

En conséquence, il faut échantillonner à 4 kHz sur une durée de 10 secondes. Ça, ce n'est pas un problème. Par contre, une transformée de Fourier sur 40000 points ...

Cordialement.

Pierre
Pourquoi faire simple alors qu'il est si facile de faire compliqué !

Barsa972

#2
Jan 12, 2018, 07:24 pm Last Edit: Jan 12, 2018, 07:29 pm by Barsa972
Si vous voulez une étendue de mesure de 2 kHz avec une résolution de 0.1 Hz, il vous faut faire une transformée de Fourier (rapide ou non) sur (2000 / 0.1) x 2 = 40000 points. De plus, l'analyse doit satisfaire à la relation Durée = Nb points / Fréq max = (40000 / 2000) / 2 = 10 secondes ( le coefficient 2 est pour respecter le théorème de Shannon).

En conséquence, il faut échantillonner à 4 kHz sur une durée de 10 secondes. Ça, ce n'est pas un problème. Par contre, une transformée de Fourier sur 40000 points ...

Cordialement.

Pierre
En fait c'est pas 2 khz mais 20khz soit 20000 Hz donc sauf erreur de ma part, ça fait 400000 points plutôt.
Une durée de 10 s n'est pas envisageable car la résonnance est très amortie. A moins de l'entretenir mais ça devient plus compliqué. Des idées ?

Barsa972

Autre idée : utiliser un petit HP de 3 ohm comme micro basse fréquence + une filtre passe-bas pour ne garder que les fréquences en-dessous de disons 100 Hz pour se limiter à 2000 points. Est-ce qu'une arduino peut faire la transformée dans ce cas ou bien faudrait-il envisager plus de puissance de calcul ?

Quant à la durée d'échantillonnage, je ne saisis pas tellement le critère énoncé. En fait, plus les fréquences sont élevées, moins il me semble nécessaire d'avoir une durée importante. Intuitivement, ce serait plutôt avec une période longue (fréquence basse) qu'il faudrait une durée d'échantillonnage élevée. Quelqu'un peut confirmer ou infirmer ?

68tjs

Je n'ai pas tout compris.

Quote
il s'agirait de dévisser la tête de forage, de faire résonner le train de tige en donnant un bon coup de masse dessus, de capter le son produit
Tu va générer une onde c'est sûr.
Mais sur quoi tu te bases pour dire que tu va générer un son une onde avec un fondamental dans les fréquences audibles ?
Il me semble que plus le train de tige sera long, plus les fréquences seront basses.

Je te dis tout de suite je n'ai pas la réponse, je suis simplement curieux.

Barsa972

Salut,

Merci pour ton intérêt. J'espère qu'il y aura un peu de monde pour me mettre sur la bonne voie. Les questions comme la tienne sont très utiles pour déceler les failles éventuelles de mon idée.

Mes compétences en physique théorique sont limitées mais c'est pas les sources qui manquent sur le problème archi-classique du guide d'onde tubulaire. On est ici dans le cas d'un tube fermé d'un côté (roche ou eau) et ouvert de l'autre. L'onde stationnaire résultante aura en effet un fondamental inaudible si le tube fait plus de 4 m (et ce qui m'intéresse c'est justement quand le tube devient long, c'est là qu'il est laborieux de mesurer la profondeur.) Mais peut importe finalement le fondamental parce qu'il y aura des harmoniques audibles. Leurs fréquences seront des multiples impairs de celle du fondamental donc la demi-différence entre deux harmoniques successives nous donne la fréquence du fondamental.

Pour me rendre compte de ce que je devais réussir à obtenir comme précision, la première chose que j'ai faite est un abaque (ci-joint) qui représente la longueur du tube en fonction de demi-écart entre harmoniques à différentes températures (la vitesse du son est sensible à la température) et en supposant le diamètre du tube très petit devant sa longueur. Je m'étais demandé si je ne pouvais pas effectuer une première confrontation pratique avec une appli d'analyse de spectre audio sur smartphone mais en faisant l'abaque je me suis bien rendu compte que je ne m'en sortirai qu'avec une résolution suffisante donc un montage dédié (ou alors avec du matos pro mais ça c'est très cher et hors de question).

ewaca

Bonjour,

Je ne comprend pas trop, tu parles de sondages profond et de mesure du toit de la nappe.
Pour moi tout ce qui est sondage profond, c'est tout ce qui est minier/pétrolier où on a plusieurs centaine de mètre très couramment.
Le 1er aquifere est très majoritairement dans les 100 premier mètres.

tu parles de faire des mesures sans retirer le train de tige, mais pour des forages profond, tu va forer à la bentonite si tu a des terrains qui ne se tienne pas ou a l'eau si t'es dans tes terrains qui se tiennent. Ce qui veut dire que si tu ne retire pas le train de tige pour souffler le forage,tu aura forcément de l'eau très haut dans ton forage, limitant la profondeur que tu vas mesure avec ta méthode.

Pour mesurer la profondeur du train tige, tu peux te pencher sur une méthode utiliser pour déterminer, entre autre, une profondeur de pieux, qu'on appelle l'impédance. voici un image qui illustre le truc :
Le capteut de vitesse, marqu" sur l'image, c'est plutot un géophone

si tu visses une plateforme sur la tete de sondage, tu peux faire quelque chose comme ça, après a voir si tu ne va pas avoir une réflexion a chaque train de tige.


ChPr

#7
Jan 13, 2018, 01:57 pm Last Edit: Jan 13, 2018, 02:00 pm by ChPr
...Quant à la durée d'échantillonnage, je ne saisis pas tellement le critère énoncé. En fait, plus les fréquences sont élevées, moins il me semble nécessaire d'avoir une durée importante. Intuitivement, ce serait plutôt avec une période longue (fréquence basse) qu'il faudrait une durée d'échantillonnage élevée. Quelqu'un peut confirmer ou infirmer ?

Ce qui fait qu'il vous faut un temps long d'échantillonnage est simplement lié à résolution fréquentielle  de 0.1 Hz que vous souhaitez.

Cordialement.

Pierre
Pourquoi faire simple alors qu'il est si facile de faire compliqué !

Barsa972

@ Pierre : j'ai bien compris que la résolution était le problème mais êtes-vous sûr de la validité du critère que vous appliquez pour calculer un temps d'échantillonnage de 10 s? La durée ne peut-elle vraiment pas être réduite par l'augmentation de la fréquence d'échantillonnage?

@ ewaca,

je crois comprendre à tes posts que tu es géophysicien ou géotechnicien. Je serais curieux de savoir si tu as réussi à fabriquer ton microgravimètre.

Quand j'utilise le terme "profond", c'est à l'intention d'un public d'électroniciens pas de géologues : je ne parlais pas de forages pétroliers de 5000m mais de forages entre 10 et 100m. Au-delà, l'incertitude sur la longueur du tube devient trop importante avec cette méthode. De toutes façons, les foreurs pétroliers ont un monitoring pointu de leur machine et savent très bien où ils en sont dans leur forage. Ce n'est pas nécessairement le cas dans des conditions plus "artisanales". De plus il est en effet très probable de rencontrer au moins un aquifère avant d'atteindre 100m. Je suppose que l'eau agit comme une fermeture du tube avec réflexion totale de l'onde mais j'avoue que c'est un point qui demande vérification. A vrai dire, s'il y avait possibilité de déterminer à la fois la hauteur de la colonne d'eau et celle de la colonne d'air, ce serait idéal.

Il n'est pas nécessaire de retirer le train de tige pour nettoyer un forage, au contraire, pas de nettoyage sans insufflation du fluide en fond de trou. On relève généralement légèrement le train de tige en cours d'opération et c'est tout. Sur un forage de 100m on ne nettoiera pas complètement le trou vu que les compresseurs utilisés travaillent en général à 8 bars quel que soit leur débit. Je suis conscient qu'il y a donc plein de boue et/ou d'eau en fond de trou mais si on prend la mesure un matin avant de débuter les opérations, on peut raisonnablement s'attendre à ce que les fluides se soient infiltrés (forage sec) ou que le niveau d'eau se soit stabilisé au niveau hydrostatique de l'aquifère.

En ce qui concerne l'essai d'impédance, il s'agit je crois de mesurer la réflexion d'une onde pour tester l'intégrité d'un pieu. Une variation de la continuité des caractéristiques mécaniques du matériau du pieu affectera la réponse. Ce n'est pas une méthode adaptée à ce que je veux faire et surtout c'est une méthode complexe qui demande un traitement des données. Je cherche de mon côté à créer un appareil très bon marché donnant une mesure immédiate.

ChPr

@ Pierre : j'ai bien compris que la résolution était le problème mais êtes-vous sûr de la validité du critère que vous appliquez pour calculer un temps d'échantillonnage de 10 s?  ...
Oui.

... La durée ne peut-elle vraiment pas être réduite par l'augmentation de la fréquence d'échantillonnage? ...
Cela ne sert à rien d'augmenter la fréquence d'échantillonnage. Par contre, si votre signal en retour est la réponse à une pseudo impulsion et que toute l'énergie est contenue dans les premières fractions de ces 10 secondes, alors vous pouvez ne garder que cette fraction et remplir le reste avec des zéros. Pour autant, votre transformée sera entachée d'artefacts, d'autant plus importants que l'énergie tronquée est grande, qui altèreront la précision de la mesure.

Cordialement.

Pierre
Pourquoi faire simple alors qu'il est si facile de faire compliqué !

Barsa972

Bon,

Si c'est ça, je pense que la méthode est impraticable.

En fait, il faudrait peut-être procéder de la manière suivante : exciter le tube avec une série de signaux de fréquence décroissante (en partant de la fréquence de résonance d'un tube de 1m) et détecter la fréquence de résonance en mesurant le pic d'amplitude au niveau d'un récepteur. Le problème, en dehors du fait que le résultat dépendra du moment quadratique du tube, c'est que pour le coup, je n'ai aucune idée de l'influence de la présence d'eau sur la résonance. Normalement elle devrait être intrinsèque au tube mais j'ai du mal à croire que l'eau n'agit pas d'une manière ou d'une autre comme un encastrement imparfait. Il faudrait que je fasse un essai sur un carillon trempé dans l'eau mais je n'en ai pas sous la main. Si un physicien passe sur ce forum, peut-être pourra-t-il m'éclairer?

ChPr

Je ne pense pas non plus que la méthode par analyse fréquentielle soit adaptée.

Je ne suis pas du tout dans ce métier. Pour autant, j'aurais tendance à considérer ces tiges de forage comme une ligne de transmission dans laquelle une onde se propage est se réfléchit.

Dans la théorie, il suffit donc d'appliquer un choc à son extrémité et d'attendre le signal de retour. Connaissant la vitesse de propagation dans le matériau considéré, on en déduit le chemin parcouru.

Maintenant, si on passe à la pratique, tout un tas de phénomènes parasites vont perturber ce signal, entre autres :

  • l'homogénéité des tiges,
  • la qualité d'assemblage des tronçons,
  • la viscosité et l'homogénéité du milieu traversé,
  • les interfaces aux extrémités : sur du vide, du liquide, un solide dur ou mou ...
  • la température,
  • ...
Ne connaissant pas les valeurs de ces différents paramètres, je ne saurais vraiment pas dire s'il faut en attendre un résultat ou non.

Cordialement.

Pierre

Pourquoi faire simple alors qu'il est si facile de faire compliqué !

Barsa972

Quote
l'homogénéité des tiges,
c'est des produits industriels qui passent par un contrôle qualité, ça doit être un facteur négligeable

Quote
la qualité d'assemblage des tronçons,
tronçons assemblés par vissage (la rotation du train de tige dans le bon sens assure un serrage optimal) ==> là encore un facteur qu'on peut mettre de côté (mais par contre il faut peut-être corriger le moment quadratique en tenant compte de la surépaisseur d'acier au niveau des pas de vis - ça doit pouvoir se calculer)

Quote
la température,
un simple facteur de correction devrait faire l'affaire

Quote
les interfaces aux extrémités : sur du vide, du liquide, un solide dur ou mou ...
On peut considérer un tube encastré au fond (ne serait-ce que par le poids du train de tige à partir du moment où il n'est plus retenu par la tête d'entraînement) et libre en surface

Quote
la viscosité et l'homogénéité du milieu traversé,
Là est le vrai problème. Il y a un espace annulaire autour du tube du fait que le marteau fond de trou ou le carrotier ou le taillant (suivant la technique) a un diamètre supérieur à celui des tiges. Mais il peut y avoir de l'eau (dans ce cas, au moins le milieu est homogène et de caractéristiques physiques connues) et des boues en fond de forage (mais si on fait la mesure après plusieurs heures de repos, on peut considérer que les boues ont décanté) ==> on en revient au problème de l'influence de l'eau sur la résonnance

ewaca

Quote
je crois comprendre à tes posts que tu es géophysicien ou géotechnicien. Je serais curieux de savoir si tu as réussi à fabriquer ton microgravimètre.
Pas encore, non, j'ai lu le manuel du FG5 de scintrex qui explique tout, j'ai regardé ce qui était envisageable de faire, faudrait que je me lance déja dans un interféromètre laser, mais je suis parti sur d'autres trucs entre temps et c'est devenu une tache de fond sur laquelle je réfléchie de temps en temps (parce que meme en low cost pour une précision du miligal, ça demande déja un petit budget entre un prisme coin de cube correcte, un laser qui ne dérive pas etc ... ).

Quote
Il n'est pas nécessaire de retirer le train de tige pour nettoyer un forage, au contraire, pas de nettoyage sans insufflation du fluide en fond de trou. On relève généralement légèrement le train de tige en cours d'opération et c'est tout. Sur un forage de 100m on ne nettoiera pas complètement le trou vu que les compresseurs utilisés travaillent en général à 8 bars quel que soit leur débit. Je suis conscient qu'il y a donc plein de boue et/ou d'eau en fond de trou mais si on prend la mesure un matin avant de débuter les opérations, on peut raisonnablement s'attendre à ce que les fluides se soient infiltrés (forage sec) ou que le niveau d'eau se soit stabilisé au niveau hydrostatique de l'aquifère.
Ok je visualisais un truc en fin de forage, je pensais pas que les mesures seraient faites le matin.

Quote
En ce qui concerne l'essai d'impédance, il s'agit je crois de mesurer la réflexion d'une onde pour tester l'intégrité d'un pieu. Une variation de la continuité des caractéristiques mécaniques du matériau du pieu affectera la réponse. Ce n'est pas une méthode adaptée à ce que je veux faire et surtout c'est une méthode complexe qui demande un traitement des données. Je cherche de mon côté à créer un appareil très bon marché donnant une mesure immédiate.
Je ne connais pas les maths qui sont derriere cette méthode, mais normalement l'impédance sert a vérifier l'intégrité et la forme du pieux. Je pense que la partie ardue de la méthode réside surtout dans la détermination de la forme du pieux.
Mais je pense que si on part du principe qu'un train de tige est d'un seul et meme tenant (qu'il n'y ait pas de réflexion a chaque tiges) en mesurant juste le temps entre la frappe et le retour on peut déterminer une profondeur (si on connait la vitesse dans le train de tige).

Sinon il reste la solution des enregistrements de paramètres ^^ là au moins tu connais la profondeur exacte de ton forage.


Barsa972

Quote
Sinon il reste la solution des enregistrements de paramètres
Evidemment mais tu sais bien que même en France toutes les machines n'en sont pas équipées. D'ailleurs je m'étais posé aussi la question de fabriquer un enregistreur de paramètre maison. Après tout ce n'est pas un équipement de sécurité et sa fiabilité n'est pas primordiale (une fois sur deux les enregistrements sont faussés de toutes façons). En plus la plupart des capteurs existent déjà sur les machines, il faut juste récupérer les données. J'ai ouvert le capot d'une foreuse pour regarder le système électrique et quand j'ai vu la forêt de câbles, j'ai laissé tomber...

Pour en revenir à mon sujet, je ne cherche pas à réinventer le fil à couper le beurre, juste à faire un outil simple qui puisse avoir une certaine utilité dans des conditions artisanales. Ca n'a aucun potentiel économique mais du point de vue intellectuel je trouve ça beaucoup plus intéressant que les poulaillers automatisés (je ne veux pas offenser les éleveurs de poules, c'est juste qu'il y a tellement de tutos sur ce sujet qu'on se demande pourquoi certains trouvent encore moyen de faire des posts sur ce sujet...)

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