Brevet FR2269715A1 — publié le 19751128

L'invention concerne un procédé de détection de la présence de verglas sur une surface, par exemple sur un revêtement de route ; elle s'étend à un dispositif de détection pour la mise en oeuvre de ce procédé. Le procédé et le dispositif de l'invention s'appliquent également à la détection de givre, neige, glace, etc.. ; pour simplifier l'exposé, l'ensemble de ces substances sera désigné par la suite par le vocable verglas. I1 existe actuellement un type de dispositif apte à déterminer si les conditions de formation de verglas sont réunies dans une zone donnée ; ce dispositif disposé sur les routes aux emplacements où le verglas apparatt le plus fréquemment permet d'avertir les automobilistes des risques de formation de verglas. Ce type de dispositif fonctionne en exécutant des séries de mesures sur le taux d'humidité de l'atmosphère, la température ambiante et la vitesse du vent et en vérifiant si ces paramètres remplissent certaines conditions ; dans l'affirmative il y a présomption de verglas et le dispositif génère un signal qui avertit les usagers des risques de présence de verglas. Ces dispositifs existants sont donc aptes à déceler, non pas la présence effective de verglas, mais uniquement les risques de formation ; en conséquence, il arrive fréquemment que ce type de dispositif déclenche en l'absence de verglas, ce qui conduit les automobilistes à négliger quelque peu I,iniormation qui leur est- ainsi fournie. La présente invention se propose d'indiquer un procédé de détection de verglas, permettant de déceler la présence effective de verglas sur une surface. A cet effet, le procédé conforme à l'invention consiste - à générer sur la surface deux ondes de surface à haute fréquence, - à guider la propagation de ces ondes le long de deux trajectoires s'étendant sur ladite surface, - à chauffer localement ladite surface le long d'une de ces trajectoires dite trajectoire de référence, de façon à maintenir sur cette trajectoire l'humidité existant à l'état liquide, - à recueillir après propagation chaque onde de surface et à comparer leur constante de propagation, - à engendrer un signal différentiel, lié à la différence des constantes de propagation des deux ondes et à traiter ledit signal pour le rendre apte à commander des moyens de signalisation. En l'absence de verglas sur la surface, les ondes se propageant le long des deux trajectoires conservent des constantes de propagation égales et aucun signal différentiel npest engendré. En cas de formation de verglas, seule la trajectoire non chauffée en est recouverte, le chauffage de la trajectoire de référence maintenant l'eau à l'état liquide le long de celle-ci ; en conséquence, sur une trajectoire la propagation des ondes de surface steffectue le long d'une surface mouillée, tandis que sur l'autre elle s'effectue le long d'une surface verglacée. Or on sait que le verglas (de mbme que la glace, la neige ou le givre) présente des caractéristiques à l'égard de la propagation des ondes de surface haute fréquence, qui sont extrêmement différentes de celles de l'eau liquide. La constante de propagation dtune onde haute fréquence est représentée par deux paramètres essentiels : l'amplitude et la phase de l'onde un matériau déterminé se caractérise, d'une part par son angle de perte dont dépend l'atténuation de l'amplitude de l'onde se propageant dans le matériau, autre part, par sa constante diélectrique dont dépend le déphasage introduit par le matériau. A titre d'exemple pour une onde de fréquence égale à 3 Gigahertz la constante diélectrique de liteau est approximativement égale à 75,5 cependant que l'angle de perte de ce liquide présente une 4 tangente égale à 2 400 0 10 - ; les mêmes paramètres ont pour la glace ou le verglas des valeurs de tordre de 3,2 pour ce qui concerne la constante diélectrique et 9 . 10 - 4 pour ce qui concerne la tangente de l'angle de perte.On voit donc que la glace a une influence négligeable sur la propagation de l'onde et se trouve à peu près transparente à l'égard de celle-ci, tandis que l'eau a une influence substantielle : en particulier, son angle de perte étant élevé, l'eau provoque une atténuation très notable de l'amplitude de l'onde. Selon un premier mode de mise en oeuvre du.procédé, ce sont les amplitudes des.deux ondes recueillies qui sont comparées après propagation pour engendrer, en cas de déséquilibre, le signal deexcitation des moyens de signalisation. Selon un autre mode de mise en oeuvre, ce sont les phases des deux ondes recueillies qui sont comparées. Selon un troisième mode de mise en oeuvre permettant d'accrottre la sensibilité du procédé, on compare après propagation d'une part, les amplitudes des ondes recueillies, d'autre part, leur phase. Par ailleurs, l'invention s'étend à un dispositif de détection de présence de verglas permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus décrit ; ce dispositif peut, en particulier, être associé à un système classique apte à déceler les conditions de formation de verglas, de sorte que le dispositif de l'inven- tion ne soit activé que lorsque ces conditions rendent possible la formation de verglas. Dans le cas contraire, le dispositif ne sera pas alimenté.Le dispositif conforme à l'invention comprend - un générateur hyperfréquence, - deux lignes de propagation s'étendant au voisinage de la surface à surveiller, - deux coupleurs d'émission, agencés à l'origine de chaque ligne de propagation pour coupler l'énergie haute fréquence fournie par le générateur à chacune desdites lignes, - des moyens de chauffage adaptés pour chauffer localement la surface le long d'une des lignes de propagation, dite ligne de référence, en vue de maintenir à l'état liquide l'humidité existant le long de cette ligne, - un comparateur raccordé aux deux coupleurs de réception et adapté pour fournir un signal différentiel lié au déséquilibre du pont formé par les deux lignes de propagation, - enfin, des moyens de traitement dudit signal adaptés pour le rendre apte à commander des moyens de signalisation. Chaque ligne de propagation comprend de préférence au moins un fil noyé au dessous de la surface précitée. Chaque fil peut notamment être-en un matériau conducteur électrique ; les moyens de chauffage associés à la ligne de référence comprennent dans ce cas une source électrique basse fréquence agencée pour alimenter les fils de la ligne de référence en un courant basse fréquence dans le but de provoquer un échauffement de ceux-ci. La puissance de ce courant est ajustée pour que l'échauffement des fils soit apte à maintenir à l'état liquide l'eau ou lthumidité se trouvant sur la surface le long de cette ligne de référence. Les deux lignes de propagation sont avantageusement séparées entre elles d'une distance au moins égale à approximativement dix fois la longueur d'onde des ondes de surface qu'elles guident ; sont ainsi éliminés les risques influence d'une ligne sur l'autre. Par ailleurs, le dispositif peut comporter un système d'équilibrage préalable en amplitude et en phase du pont formé par les deux lignes de propagation ; ce système permet d'éliminer les déséquilibres accidentels qui, en l'absence de verglas, peuvent exister entre les deux lignes. D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention se dégageront de la description qui suit en référence aux dessins annexés, lesquels, description et dessins, présentent, à titre d'exemples non limitatifs, des modes de réalisation de l'invention ; sur ces dessins - la figure 1 schématise, vue en plan, un dispositif conforme à l'invention, - la figure 2 est une coupe verticale selon aa de ce dispositif, - la figure 3 est une coupe partielle par un plan vertical bb dudit dispositif, - la figure 4 schématise, en vue partielle, un autre mode de réalisation du dispositif. Le dispositif représenté à titre d'exemple aux figures i, 2 et 3 comprend un générateur hyperfréquence 1, notamment un oscillateur à transistor ou-à diode, débitant sur un té diviseur 2, qui distribue la puissance que lui fournit le générateur, en deux fractions égales vers des lignes d'alimentation, par exemple des câbles coaxiaux 3 et 4. Le câble coaxial 3 alimente un coupleur d'émission 5 constitué, notamment, par un cornet pyramidal d'excitation 6 ; de façon analogue, le câble coaxial4 alimente un cornet d'excitation 6. Les cornets 5 et 6 sont disposés sur le bord d'une route 7 de façon à rayonner perpendiculairement à l'axe longitudinal de celle-ci. Sous le revêtement de la route au droit du cornet 5 est disposée transversalement une ligne de propagation comprenant quatre fils conducteurs tels que 8, qui traversent la route de part en part. Ces fils noyés à environ un centimètre sous la surface du revêtement sont rectilignes et parallèles entre eux ils sont appelés à guider tonde de surface rayonnée par le cornet 5. De plus, au dessous des fils 8, est noyé dans le revete- ment, un réflecteur métallique constitué par un grillage 9 qui évite que l'onde ne se propage en profondeur et réduit son atténuation par unité de longueur. De l'autre côté de la route en regard dru cornet 5 est disposé un cornet de réception 10 de même structure ; ce cornet 10 est excité par tonde de surface qui lui parvient et débite sur un cable coaxial ll. De façon analogue, le cornet d'émission 6 est associé à un cornet de réception 12 situé en regard de l'autre c8té de la route et à une ligne de propagation composée de fils tels que 13 noyés dans le revêtement de la route et courant d'un côté à l'autre de celle-ci. Un réflecteur est disposé sous ces fils de façon similaire au réflecteur de l'autre ligne de propagation. Le générateur hyperfréquence 1 est choisi pour osciller à une fréquence prédéterminée comprise entre 100 Mégahertz et 10 Gigahertz par exemple de l'ordure de 2,5 Gigahertz ; les dimensions des cornets pyramidaux sont adaptées en fonction de la largeur de la route de sorte que chaque cornet de réception 10 ou 12 soit situé dans la zone de Rayleigh du cornet d'émission correspondant 5 ou 6. De la sorte la quasi totalité de l'énergie rayonnée par chaque cornet 5 ou 6 reste très approximativement confinée dans un volume ayant pour section droite la section de l'orifice du cornet d'émission ; le cornet de réception disposé en regard recueille sans perte notable l'énergie ainsi émise et guidée par les lignes de propagation. De plus, les deux lignes de propagation sont écartées l'une de l'autre d'une distance de l'ordre de 10 fois la longueur tonde des ondes de surface générées ; pour des ondes de surface ayant une fréquence de 2,5 Gigahertz, la longueur d'onde est de l'ordre de 20 cm et la distance entre ces lignes est de l'ordre de 2 m. De ce fait, le couplage mutuel des deux lignes est très faible et l'influence d'une ligne sur l'autre est négligeable. Par ailleurs, pour exciter les ondes de surface il n'est pas nécessaire qu'il y ait contact entre les fils 8 ou 13 et les cornets d'émission correspondants 5 ou 6. Les fils 8 guidant l'onde de surface engendrée par le cornet Ssont excités uniquement en haute fréquence et la puissance mise en jeu est suffisamment faible pour n'entrainer aucun-échauffement notable desdits fils ; ces fils sont simplement placés les uns près des autres de façon que leurs extrêmités arrivent sous le cornet d'émission 5 et sous le cornet de réception 10. Les fils 13 guidant l'onde de surface engendrée par le cornet 6 sont réunis et forment un circuit électrique en forme de grecque comme le représente la figure 1 ; ce circuit est alimenté par une source de courant basse fréquence 14 qui débite un courant basse fréquence (ou à la limite un courant continu). La puissance de la source 14 est ajustée de sorte que les fils 13 soient le siège d'un échauffement suffisant pour réchauffer le revêtement situé à leur aplomb et empêcher la formation de verglas en surface, Le cornet de réception 12 associé à la ligne de référence débite dans un câble coaxial 15 sur lequel se trouve interposé un ensemble atténuateur-déphaseur 16. Le câble coaxial 11 déjà cité est raccordé à un des bras collatéraux C1 d'un té magique 17, cependant que le câble coaxial 15 est raccordé, à la sortie de l'organe 16, à l'autre bras collatéral C2 de ce té magique. Le bras différence n du té est relié par l'intermédiaire d'un détecteur 18 à un amplificateur 19 ; à la sortie de ce dernier le signal émis est injecté dans un système de signalisation 20 qui peut être de nature quelconque : alarme visuelle, alarme sonore, panneaux de signalisation, etc..0 Le fonctionnement du dispositif décrit est le suivant Après la mise en place de celui-ci sur une portion de route fréquemment verglacée, l'ensemble atténuateur-déphaseur 16 est réglé pour équilibrer le pont formé par les fils 8 et 13 de sorte que, en l'absence de verglas, les signaux délivrés dans les bras Cl et C2 du té magique soient en phase et présentent des amplitudes égales, aucun signal n'apparaissant dans le bras différence du té. En cas de formation de verglas sur la route, la surface du revêtement se trouve verglacée à l'aplomb des fils 8, cependant que les fils chauffés 13 empêchent le verglas de se former sur le revêtement situé à l'aplomb de ces fils: en raison des comportements différents de l'-eau et de la glace à l'égard de la propagation des ondes haute fréquence, l'onde de surface excitée par le cornet 5 et guidée par les fils 8 subit une atténuation beaucoup plus faible que celle subie par l'onde se propageant à la périphérie des fils 13 ; le pont formé par ces fils est brusquement déséquilibré et il apparat dans le bras t du té magique 17 un signal de déséquilibrequi, amplifié par l'amplificateur 19, déclenche le système de signalisation 20. Dans le cas de la figure 1, c'est le déséquilibre en am plitude des deux ondes qui est mis en évidence dans le bras du té magique. I1 est à noter que dans le bras somme $ de ce té apparaît la somme des ondes ; ce bras peut être utilisé pour déceler les pannes du dispositif et déclencher un moyen d'avertissement en cas d'absence de signal. La figure 4 présente un montage légèrement différent, appelé à mettre en évidence le déséquilibre en phase du pont dans-ce montage le bras somme L et le bras différencen du té magique (référencé en 17 ' à cette figure) sont reliés par l'entremise de détecteurs 21 et 22 à un amplificateur différentiel 23. L'ensemble atténuateur-déphaseur (16') est ajusté pour que, en l'absence de verglas, les signaux injectés dans les bras CI et C2 du té magique soient en quadrature de- phase et présentent des amplitudes égales ; comme on le sait, les signaux apparaissant dans les bras somme et différence du té ont alors des amplitudes égales.En cas de déphasage introduit par la présence de verglas le long de la ligne de propagation non chauffée, les amplitudes de ces signaux deviennent inégales et il apparaît à la sortie de l'amplificateur différentiel 23 un signal apte à déclencher le dispositif de signalisation 20'. D'autres systèmesde mise en évidence du déséquilibre du pont peuvent bien entendu être imaginés ; par exemple, le té magique peut être remplacé par une jonction hybride. De la même façon, les cornets pyramidaux 5, 6, 10 et 12 peuvent être remplacés par des organes équivalents, par exemple, par desgroupements de dipoles ou autres dispositifs connus d'excitation d'une onde de surface. Pour simplifier la structure de l'amplificateur, il est possible de prévoir un générateur hyperfréquence modulé, fournissant des signaux haute fréquence modulés à quelques centaines de hertz, soit sinusoidalement, soit encore par tout ou rien. Le dispositif décrit est avantageusement disposé en série après un dispositif de type classique apte à déterminer par la mesure des conditions ambiantes s'il existe ou non un risque de verglas ; ;le dispositif de l'invention est activé en cas de risque de verglas et permet de déceler la présence effective ou l'absence de verglas Le dispositif de signalisation n'est déclenché que dans le premier cas, l'information ainsi fournie devenant crédible pour l'usager. Le dispositif de détection conforme à l'invention est applicable dans tous les cas où il est nécessaire de détecter de façon sûre la présence de verglas et, plus généralement, la présence d'une couche de verglas, givre, neige, glace, etc.0. modifiant les qualités d'adhérence d'une surface. R EVE NDI CATI 0 NS 1 - Procédé de détection de présence de verglas sur une surface caractérisé en ce qutil consiste - à générer sur ladite surface deux ondes de surface à haute fréquence, - à guider la propagation de ces ondes le long de deux trajectoires s'étendant sur ladite surface, - à chauffer localement ladite surface le long d'une de ces trajectoires de façon à maintenir sur cette trajectoire lthumidité.existant à l'état liquide, - à recueillir après propagation chaque onde de surface et à comparer leur constante de-propagation, - à engendrer un signal différentiel, lié à la différence des constantes de propagation des deux ondes et à traiter ledit signal pour le rendre apte à commander des moyens de signalisation 2 - Procédé de détection selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux ondes de surface sont guidées sur la surface le long de deux trajectoires sensiblement parallèles. 3 - Procédé de détection selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les ondes de surface générees ont une fréquence comprise entre 100 Mégahertz et 10 Gigahertz. 4 - Procédé de détection selon l'une des revendications 1 2 ou 3 caractérisé en ce que l'on compare après propagation les amplitudes des deux ondes recueillies. 5 - Procédé de détection selon l'une des revendications 1, 2 ou 3 caractérisé en ce que l'on compare après propagation les phases des deux ondes recueillies. 6 - Procédé de détection selon l'une des revendications 1 2 ou 3 caractérisé en ce que l'on comparue, d'une part les amplitudes des ondesrecueillies, d'autre part leur phase. 7 - Dispositif de détection de la présence de verglas sur une surface, ledit dispositif étant destiné à mettre en oeuvre le procédé conforme à l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6 et étant caractérisé en ce qu'il comprend un générateur hyperfréquence, deux lignes de propagation s'étendant au voisinage de la surface, deux coupleurs d'émission agencés à ltorigine de chaque ligne de propagation pour coupler l'énergie haute fréquence fournie par le générateur à chacune desdites lignes, daux coupleurs de réception disposés à l'extrémité de chaque ligne, des moyens de chauffage adaptés pour chauffer localement la surface le long d'une ligne de propagation, dite ligne de référence, en vue de maintenir à l'état liquide, l'humidité existant en surface le long de cette ligne, un comparateur raccordé aux deux coupleurs de réception et adapté pour fournir un signal différentiel lié au déséquilibre du pont formé par les deux lignes de propagation, enfin des moyens de traitement dudit signal adaptés pour le rendre apte à commander des moyens de signalisation. 8 - Dispositif de détection selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque ligne de propagation comprend au moins un fil noyé au dessous de la surface précitée. 9 - Dispositif de détection selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'un réflecteur d'onde est noyé au dessous des fils de chaque ligne de propagation. 10 - Dispositif de détection selon l'une des revendications 8 ou 9 caractérisé en ce que, les fils des lignes de propagation étant en un matériau conducteur électrique, les moyens de chauffage associés à la ligne de référence comprennent une source électrique basse fréqence agencée pour alimenter les fils de cette ligne en un courant basse fréquence en vue de provoquer un échauffement de ceux-ci. Il - Dispositif de détection selon l'une des revendications 7, 8, 9 ou 10, caractérisé- en ce que les deux lignes de propagation sont séparées entre elles d'une distance au moins égale à approximativement dix fois la longueur d'onde des ondes de surface. 12 - Dispositif de détection selon l'une des revendications 7, 8, 9, 10 ou Il caractérisé en ce que le générateur hyperfréquence est relié aux coupleurs d'émission par l'entremise dwun té diviseur débitant avec une puissance identique dans deux lignes d'alimentation raccordées auxdits coupleurs d'émission. 13 - Dispositif de détection selon l'une des revendications 7, 8, 9, 10, Il ou 12 caractérisé en ce que les coupleurs d'émission et coupleurs de réception sont des cornets pyramidaux. 14 - Dispositif de détection selon la revendication 13, caractérisé en ce que les coupleurs d'émission et coupleurs de réception sont adaptés en fonction de la longueur des lignes de propagation, de sorte que chaque coupleur de réception soit dans la zone de Rayleigh du coupleur d'émission correspondant. 15 - Dispositif de détection selon l'une des revendications 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 ou 14, caractérisé en ce que le comparateur sus-évoqué comprend un té magique comportant deux bras collatéraux, chacun raccordé à un coupleur de réception. 16 - Dispositif de détection selon l'une des revendications 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 ou 15, caractérisé en ce qu'il comporte un système d'équilibrage préalable du pont formé par les lignes de propagation.