Le resistivimetre electrique

Le résistivimètre électrique est un appareil géophysique utilisé à l’ Institut et Observatoire de Géophysique d’Antananarivo (IOGA) . Il est conçu pour injecter un courant d’intensité I en deux points A et B de la surface du sol et mesurer la tension en deux points M et N. Il déduit de cette mesure la résistivité d’une partie du sous-sol.

LE RESISTIVIMETRE ELECTRIQUE

La résistivité électrique caractérise le sol par sa capacité à laisser passer le courant électrique. La méthode géophysique associée, appelée prospection électrique, repose sur l’étude de la circulation d’un courant dans le sol et, par conséquent, fait intervenir les contrastes de résistivité électrique des roches. L’appareil qui sert à mesurer la résistivité électrique du sol est appelé résistivimètre.

LES PRINCIPALES FONCTIONS D’UN RESISTIVIMETRE

Le résistivimètre est conçu pour délivrer un courant suffisant pour une distance d’électrodes allant jusqu’à 1000m, dans les conditions normales de mesure. Cet appareil est muni de deux dispositifs :
– un dispositif d’émission comprenant deux électrodes d’injection A et B reliées par un câble à un générateur de courant continu et un ampèremètre,
– un dispositif de réception utilisant deux électrodes M et N reliées aux bornes d’un voltmètre.

L’émetteur, isolé électriquement, injecte un courant constant dont le signal correspondant est défini selon le besoin de mesure de résistivité. L’amplitude varie de 2 à 200 mA pour une tension de 150V. Le récepteur traite le signal composite obtenu et élimine le bruit. Il mesure, ensuite, la tension corrélée avec le courant émis. Ce signal résulte de la superposition de tensions d’origines et de formes différentes comme la polarisation spontanée( PS) et le courant tellurique. La PS est normalement continue tandis que le courant tellurique est variable dans le temps et sa gamme de fréquence est très large. L’étage de discrimination permet d’éliminer ces signaux ou de ne conserver que les composantes utiles. Le signal servant à la mesure de la résistivité est extrait des différentes alternances.

Le microprocesseur assure la coordination et le contrôle des opérations citées auparavant. Il commande l’affichage des résultats, la durée d’accumulation du signal reçu, et surtout la détection des erreurs d’opération et/ou des conditions de mesures incorrectes. Un code des principales erreurs peut être affiché à la fin de chaque mesure. Le microprocesseur récupère également les valeurs répétées et en calcule la moyenne avant de donner le résultat correspondant.

L’ ASSISTANCE D’UN ORDINATEUR

L’assistance d’un ordinateur à un appareil de mesure intervient le plus souvent au sein d’une chaîne d’acquisition numérique. L’appareil de mesure y constitue l’unité d’acquisition des informations. Son rôle est de donner une image interprétable d’une grandeur ou d’un phénomène physique de manière à pouvoir l’intégrer dans un processus plus vaste. L’ordinateur assume les tâches de traitement, de gestion (archivage) et de surveillance (visualisation des informations acquises). Ces deux entités sont les pièces maîtresses de la chaîne. Une unité de mise en forme et d’adaptation des signaux est donc introduite pour interpréter les informations résultant de l’acquisition dans un langage compréhensible par l’ordinateur. Cette unité établit aussi la communication entre l’acquisition et le PC en jouant le rôle d’interfaces matériels et/ou logiciels .

Le résistivimètre électrique tel que nous l’avons décrit ci-dessus satisfait à toutes les conditions requises pour être considéré comme une chaîne d’acquisition numérique complète. En effet, les électrodes jouent les rôles de l’élément d’acquisition. L’émetteur et le récepteur sont les éléments de mise en forme et d’adaptation des signaux. Le microprocesseur assume les fonctions de stockage, de calcul et de visualisation. Afin de mieux comprendre le fonctionnement interne d’un résistivimètre électrique, sans chercher à devenir des spécialistes des instrumentations géophysiques, nous avons conçu notre Résistivimètre, Assisté par un Ordinateur PC portable (RAO).

ARCHITECTURE DU SYSTEME

L’adaptation des signaux et les échanges d’information sont assurées par le CAN et l’interface RS232. L’interface RS232 utilise un circuit UART pour connecter le système d’injection au PC par l’intermédiaire du port série. Les signaux analogiques résultant de la mesure sont numérisés à l’aide d’un Convertisseur Analogique Numérique [5][10], puis acheminés vers le PC à travers l’UART .

Le système d’injection  :

● la trame de commande d’injection transformée en parallèle par l’UART [9] [11],
● un relais commandé par un monostable, permettant d’alimenter le générateur de courant et le convertisseur continu – continu,
● un générateur de courant régulé à transistor bipolaire,
● un sélecteur de courant muni d’un multiplexeur,
● un convertisseur continu-continu transformant la tension 12 volts en une tension continue 150 volts utilisée dans l’injecteur.

Pour des raisons de commodité, le système d’injection est équipé d’un sélecteur à multiplexeur pour traiter les signaux composites résultant de la mesure. Notre injecteur va jouer le rôle d’élément d’acquisition de la chaîne.

LE SYSTEME D’INJECTION/MESURE : LES BASES THEORIQUES

LE GENERATEUR DE COURANT

Le niveau logique des trames du PC ne peut fournir un courant d’intensité suffisante pour être acheminé directement aux électrodes d’injection. Le courant traversant ces électrodes doit avoir une valeur très précise. C’est pourquoi il est nécessaire d’introduire un générateur de courant à transistor bipolaire .

Le principe de base d’un tel générateur de courant est celui d’un amplificateur à impédance de sortie élevée à charge faible. Le courant circulant dans les électrodes d’injection est déterminé à partir de la tension VE et de la résistance RE de l’émetteur du transistor bipolaire.

VE = RE. IE (1)

Le générateur de courant délivre l’intensité nécessaire pour augmenter la tension aux bornes de RE. Ce montage permet d’avoir un courant constant dans les électrodes d’injection, indépendant des variations de résistances pouvant intervenir dans le circuit alimenté, en particulier celle de la charge. En effet, pour une tension de référence Vz, les courants de l’émetteur Ie et de charge Ic sont pratiquement identiques à cause du gain b très élevé (~100) de l’amplificateur. Ils s’écrivent :

IE ≈ β. IB = IC (2)

IC = IE = (VZ – VBE)/ RE (3)

Dans l’ expression (3), nous pouvons constater que IC ne dépend que de VZ et de RE car VBE est une constante qui dépend de la nature du transistor (0,6V pour le Silicium). Nous en concluons que Ic et IE sont complètement indépendants de la résistance de charge Rc .

LA MESURE DE TENSION

Les signaux électriques issus des électrodes de mesures sont analogiques par nature. Ils nécessitent une conversion analogique numérique pour les relier au processeur numérique. Conceptuellement, on peut considérer la conversion A-N comme un processus faisant intervenir trois actions successives : l’échantillonnage à période fixe Te, la quantification du signal et son codage. Pratiquement, ces opérations sont effectuées dans un même élément, le convertisseur A-N (CAN) [1], qui reçoit le signal analogique et le convertit en un signal discret quantifié .

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : LE RESISTIVIMETRE ELECTRIQUE
1. LES PRINCIPALES FONCTIONS D’UN RESISTIVIMETRE
2. L’ ASSISTANCE D’UN ORDINATEUR
3. ARCHITECTURE DU SYSTEME
CHAPITRE 2 : LE SYSTEME D’INJECTION/MESURE : LES BASES THEORIQUES
1. LE GENERATEUR DE COURANT
2. LA MESURE DE TENSION
2-1 LA CONVERSION
2-2 LES ETAPES DE LA CONVERSION
2-3 CAN A APPROXIMATION SUCCESSIVE
3. ADAPTATION ET MISE EN FORME DES SIGNAUX
CHAPITRE 3 : FONCTIONNEMENT DU SYSTEME D’INJECTION ET MESURES
1- INJECTION DU COURANT
1-1 STRUCTURE DU SYSTEME
1-2 MONTAGE
2. MESURE DE TENSION
2.1 SELECTION DE LA MESURE
2.2 CONVERSION ANALOGIQUE – NUMERIQUE
CHAPITRE 4 : LA SERIALISATION
1. DESCRIPTION DE AY5 1013
2. CONFIGURATION MATERIELLE
3. MONTAGE
4. TEST DE TRANSFERT DE DONNEES
4.1 LIAISON SERIE – PARALLELE
4.2 LIAISON PARALLELE – SERIE
5. L’INTERFACE
5-2 MONTAGE GENERAL
5-3 PROGRAMMATION
CONCLUSION

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