Brevet FR2473721A1 — publié le 19810717

Dispositif d'indication de la présence de verglas sur une route asphaltée ou analogue. La présente invention concerne un dispositif destiné à indiquer l'état verglacé de la surface d'une piste d'aérodrome ou d'une route en asphalte, ou d'une surface similaire, ce dispositif comportant un organe émetteur associé à la surface revêtue à observer. En automne ou au printemps une mince couche d'eau étendue à la surface d'une piste d'aérodrome ou d'une route en asphalte peut geler de façon imprévue, ce qui la rend glissante et dangereuse pour la circulation. Ce phéno- mène de formation de verglas constitue un problème du fait qu'il est souvent très difficile de dire si la surface noire d'une route en asphalte est verglacée ou est seulement cou- verte par une mince couche d'eau. On a essayé d'observer la formation de verglas en employant par exemple des détecteurs de température,qui sont installés sous la surface de l'asphalte, et des détecteurs de conductivité. Ces procédés de mesure n'ont pas donné satisfaction, à cause de plusieurs inconvénients. La surface de la route a pu par exemple être salée, auquel cas on ne peut plus se fier aux mesures de température et de conductivité. Un but de l'invention est de réaliser un disposi- tif qui indique de façon sûre s'il existe ou non une couche de glace à la surface d'un revêtement d'asphalte. L'inven- tion a également pour but de réaliser un dispositif simple, durable et fonctionnant de façon sûre. Pour atteindre les buts indiqués ci-dessus, les caractéristiques principales de l'invention consistent en ce que: l'organe émetteur du dispositif comprend un tube à ondes ultrasonores, en forme de fil ou de bande, dimensionné de façon appropriée, qui est installé sur le revêtement à observer; le dispositif comprend le matériel électronique qui est nécessaire pour produire et détecter les ondes ultra- sonores qui se propagent dans ce tube à ondes; et l'organe émetteur ainsi que le matériel associé sont conçus de façon à détecter l'état verglacé du revêtement par l'atténuation de l'onde ultrasonore qui est produite dans ce tube à ondes, du fait que le degré d'atténuation dépend de la différence des viscosités et d'autres propriétés mécaniques de l'eau et de la glace. Un indicateur correspondant à l'invention est basé sur l'utilisation d'ultrasons d'une manière selon laquelle une impulsion ultrasonore appropriée est émise dans un fil ou une bande métallique, dans lequel l'impulsion commence à se propager en se réfléchissant d'une paroi sur une autre. On appelle quelquefois-tube à ondes ultrasonores ce genre de fil ou de bande. Lorsqu'un tel tube à ondes est étendu en travers d'une route en asphalte ou d'une structure similaire, conformément à l'invention, les propriétés de propagation de l'onde permettent de déterminer si la surface de la route est verglacée ou non. Ceci est basé sur le fait qu'une onde qui se propage dans le tube à ondes est soumise aux proprié- tés mécaniques de son environnement d'une manière telle que l'atténuation de l'onde varie en fonction de la viscosité de la matière qui l'entoure. La différence entre la viscosité de l'eau et celle de la glace est extrêmement grande et le dispositif ultrasonore correspondant à l'invention est basé sur l'observation de cette grande différence de viscosité. Dans un dispositif correspondant à l'invention, on peut utiliser comme tube à ondes un fil à magnétostriction, par exemple un fil de Ni. Si on enroule autour-du fil une bobine appropriée, on peut créer une impulsion ultrasonore dans le fil en appliquant une impulsion de tension à cette bobine. On observe l'onde ultrasonore de retour au moyen du phénomène dit de magnétostriction inverse qui consiste en ce qu'une impulsion se propageant dans le fil crée une ten- sion dans la bobine. Dans un tube à ondes en forme de bande, un moyen très commode de créer une impulsion ultrasonore con- siste à souder un tube à ondes en forme de fil à une extré- mité de la bande. Les impulsions ultrasonores destinées à la détection du gel de l'eau à proximité immédiate de la bande sont alors transférées du fil vers la bande par le phénomène dit de conversion de mode. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est un schéma synoptique d'un disposi- tif correspondant à l'invention. La figure 2 représente un émetteur à magnétostric- tion au moyen duquel on crée une onde ultrasonore dans la bande ou le fil et au moyen duquel on reçoit l'onde atténuée, conformément à l'invention. La figure 3 représente schématiquement comment le fil émetteur est installé dans le revêtement d'asphalte d'une route. La figure 4 représente une section possible de la bande du tube à ondes. Comme le montrent les figures 1 et 2, le généra- teur d'impulsions 10 produit des impulsions ultrasonores de fréquence f qui sont dirigées versun.amplificateur d'impul- sions 11, puis ensuite vers un commutateur émission/récep- tion, 12, connu en lui-même. Le dispositif comprend également un récepteur d'impulsions 13, un détecteur 14 et un disposi- tif d'affichage et d'alarme 15. Le commutateur émission/ réception 12 est connecté par un câble coaxial 16 à un dis- positif émetteur 17. Le dispositif émetteur 17 comprend un barreau 19 en une matière à magnétostriction, comme par exemple du nickel ou un alliage approprié,'autour duquel se trouve un mandrin de bobine 21, en une matière isolante, et une bobine 18. Des impulsions de tension à fréquence ultra- sonore sont appliquées aux bornes 23 de la bobine 18 par le câble coaxial 16. Le barreau 19 en matière à magnétostriction est accouplé par un raccord approprié 24 à un tube à ondes ultrasonores 20, ayant une section circulaire ou aplatie. Comme le montrent les figures 1 et 3, le tube à ondes 20 est installé dans une rainure 25 formée dans le revêtement d'asphalte d'une route, d'une piste d'aérodrome ou d'une structure similaire. Le tube à ondes est fixé au revêtement, par exemple au moyen d'agrafes 26. La fixation au moyen d'agrafes ou d'éléments similaires n'est pas obli- gatoire et la bande ou le fil constituant le tube à ondes 20 ne doit en aucune façon être installé dans le revêtement d'une manière telle qu'une couche d'eau ou de glace ne puisse pas se former entre la bande ou le fil et les surfaces environnantes. Le tube à ondes 20 s'étend sur toute la largeur de la route T et l'une de ses extrémités 20" se trouve sur un bord de la route tandis que son autre extrémité 20' est à l'extrémité de la bobine 18. Le fil ou la bande formant le tube à ondes 20 consiste en un tube de nickel, en un alliage contenant du titane, en acier résistant aux acides ou en une autre matière équivalente présentant une résistance suffi- samment élevée à l'usure mécanique, pour que l'intervalle entre les remplacements du tube à ondes soit suffisamment long. Le dispositif décrit ci-dessus fonctionne de la manière suivante. Le générateur d'impulsions 10 produit des impulsions de tension de fréquence ultrasonore. Lorsque le commutateur 12 est dans la position "émission", les impul- sions de tension sont acheminées par le câble coaxial 16 vers la bobine 18 dans laquelle les impulsions créent un champ magnétique qui, du fait de la magnétostriction, produit des vibrations correspondantes dans le barreau 19, ces vibrations se propageant dans le tube à ondes 20 en se réfléchissant sur ses parois. On observe l'atténuation de l'impulsion qui se propage dans le tube à ondes 20 selon les mêmes principes qu'en sondage par ultrasons. Du fait de la magnétostriction inverse, l'impulsion d'écho atténuée produit une impulsion de tension dans la bobine 18 et cette impulsion est acheminée par le câble coaxial 16 et le commu- tateur 12, qui est maintenant en position "réception", vers le récepteur d'impulsions 13. Ce dernier est connecté par le détecteur 14 au dispositif d'affichage et d'alarme 15. L'eau présente sur la chaussée d'une route en asphalte ou d'une structure similaire peut venir en contact avec la bande ou le fil formant le tube à ondes 20. L'atténuation de l'impulsion qui se propage dans le tube à ondes n'est pas la même selon que l'eau présente sur le revêtement est à l'état de glace (I) ou à l'état liquide (W). Ce phénomène résulte du fait qu'il existe une différence de viscosité considéra- ble entre l'eau et la glace. L'état de gel observé par ultrasons peut être indiqué par exemple sous forme numérique, au moyen du dis- positif émetteur/récepteur décrit ci-dessus, la valeur maxi- male de la tension numérique indiquant l'état sec ou humide de l'asphalte, tandis qu'un signal numérique au niveau zéro indique la présence d'une couche de glace sur l'asphalte. On peut alors utiliser ce signal numérique dans divers systèmes de signalisation dans des stations d'observation, des aéroports, etc. Il convient également de noter que l'indication que fournit un dispositif correspondant à l'invention est indépendante d'un salage éventuel du revêtement, du fait que le dispositif ne détecte que l'état de gel, tandis qu'un détecteur de température, qui détecte la température de 0C, n'indique pas nécessairement si la surface est gelée ou non. Conformément à la définition, le gel implique toujours une formation de glace ou une forte variation de viscosité. La fréquence f des ultrasons qu'on utilise dans l'invention doit de préférence être comprise dans la plage allant de 100 à 150 kHz. Du fait que la vitesse du son dans les métaux qu'on utilise pour les tubes à ondes est d'envi- ron 3000 m/s, cette plage de fréquence correspond à une plage de longueur d'onde X allant de 2 à 3 cm. On a remarqué que la dimension maximale de la section du fil formant le tube à ondes doit être de préfé- rence inférieure à environ A /10. Le diamètre D du fil de section circulaire 20 formant le tube à ondes qui est représenté sur la figure 3 est de préférence d'environ 2 mm et, pour le tube à ondes en forme de bande qui est représenté sur la figure 4, la plus petite dimension A est d'environ 2 mm et la plus grande dimension B est d'environ 6 mm. Les dimensions de la section du tube à ondes 20 peuvent varier par exemple dans la plage indiquée ci-dessus, en fonction de la longueur d'onde. Cependant, le diamètre D du fil doit être inférieur à X/io et la plus grande dimension B de la bande doit être infé- rieure à A/io pour éviter la dispersion. Lorsque c'est nécessaire, on peut également utiliser des fréquences ultra- sonores supérieures ou inférieures à la plage de fréquence f = 100 à 150 kHz mentionnée ci-dessus. Il convient également de souligner qu'un disposi- tif correspondant à l'invention peut être basé sur la mesure de l'atténuation d'une impulsion qui se propage ou sur la mesure d'une onde stationnaire. Si on compare l'invention au sondage par ultrasons, on peut simplement dire que, conformément à l'invention, on reçoit un écho à partir d'un tube à ondes 20 lorsque l'environnement du tube à ondes est sec ou mouillé, tandis qu'on ne reçoit pas d'écho lorsque l'environnement du tube à ondes est gelé. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif destiné à indiquer l'état verglacé de la surface du revêtement d'asphalte d'une route, d'une piste d'aérodrome ou d'une structure similaire, ce disposi- tif comportant un organe émetteur et détecteur qui est installé en association avec la surface à contrôler, carac- térisé en ce que l'organe émetteur et détecteur est consti- tué par un tube à ondes ultrasonores (20) en forme de fil ou de bande, dimensionné de façon appropriée, qui est installé sur la surface à contrôler; en ce que le dispositif comprend du matériel électronique (10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) qui permet à la fois d'émettre et de recevoir les ondes ultrasonores qui se propagent dans le tube à ondes et en ce que l'organe émetteur et détecteur ainsi que le matériel associé sont conçus de façon à détecter l'état verglacé du revêtement par l'atténuation de l'onde ultrasonore qui se produit dans le tube à ondes (20), du fait que le degré d'atténuation varie sous l'effet de la différence entre les viscosités et d'autres propriétés mécaniques de l'eau et de la glace. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le tube à ondes ultrasonores (20) comprend un barreau (19) ou un élément similaire qui est constitué totalement ou partiellement par une matière à magnétostric- tion, et en ce que, autour de ce barreau ou élément similaire, se trouve une bobine ou un enroulement électromagnétique (18) qui à à la fois pour fonction de produire et de détecter les ondes ultrasonores qui se propagent dans le tube (20). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 ou 2, caractérisé en ce que la fréquence de la vibration ultrasonore qui est utilisée est comprise dans la plage allant de 100 à 150 kHz. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que la plus grande dimension de la section du tube à ondes (20) en forme de fil ou de bande, constitué par un métal approprié, est inférieure au dixième environ de la longueur d'onde (A) de la vibration Z473721 ultrasonore utilisée. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que le tube à ondes (20) consiste en un fil (figure 3) dont la section est pratique- ment circulaire, dont la résistance mécanique est suffisam- ment élevée et dont le diamètre (D). est d'environ 2 mm. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que le tube à ondes (20) consiste en une bande de métal (figure 4) dont la section transversale est pratiquement rectangulaire, avec une grande dimension d'environ 6 mm et une petite dimension d'environ 2 mm, et dont la résistance mécanique est suffisamment élevée. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 6, caractérisé en ce que le tube à ondes est installé dans une rainure (25) formée à la surface du revê- tement d'asphalte, dont la profondeur est pratiquement égale à la dimension verticale du tube à ondes(20); et en ce que cette rainure (25) est ouverte pour permettre le passage de l'eau ou de la glace entre la paroi de la rainure (25) et la surface du tube à ondes (20).