Brevet FR2476849A1 — publié le 19810828

L'invention a pour objet un appareil pour la mesure d'un champ électrique, notamment du champ électrique atmos- phérique. Le champ électrique atmosphérique en un lieu déter- miné subit généralement des variations lentes, en fonction du déplacement des masses nuageuses, et des variations très rapides, provoquées par les décharges électriques pendant les orages (éclairs). On a déjà proposé, pour mesurer le champ électrique atmosphérique, d'utiliser un électromètre constitué par une électrode métallique disposée dans le champ et dont le poten- tiel par rapport au sol est mesuré au moyen d'un dispositif amplificateur à courant continu ayant une impédance d'entrée élevée. Un tel appareil ne peut donner une information qu'en cas de variations du champ résultant des décharges électriques mais n'est pas sensible à la composante continue du champ. En outre, une variation accidentelle de son impédance d'entrée due à l'environnement modifie la sensibilité de l'appareil. On a aussi utilisé un appareil comportant un capteur à sonde ionisante qui détecte le courant provoqué par le champ dans la charge d'espace créée par une sonde à rayonnement a. Mais un tel capteur est particulièrement sensible, d'une part à l'humidité qui fait cesser l'émission ionisante et, d'autre part, à l'écoulement aérodynamique de l'air autour du capteur qui modifie la valeur du courant électrique. Plus récemment, on a proposé des appareils du type à courant alternatif, communément appelés "moulins à champ",, dans lesquels on mesure le courant électrique circulant dans le capteur entre une électrode de mesure ou de détection et la masse par l'intermédiaire d'une modulation périodique du champ électrique appliqué à l'électrode de mesure obtenue au moyen d'un masque rotatif appelé électrode de modulation. Le champ électrique mesuré est proportionnel à la différence des signaux captés par l'électrode de détection, d'une part lorsqu'elle n'est pas masquée et d'autre part lorsqu'elle est masquée. Dans certains de ces appareils, la mesure consiste à lire sur un oscilloscope, préalablement étalonné, la valeur du courant électrique circulant dans une résistance faisant partie d'un 2 2476849 circuit reliant l'électrode de mesure à la masse. La mesure du champ est alors dépendante de la vitesse de rotation de l'électrode de modulation. D'autres appareils de ce type, plus élaborés, comprennent un amplificateur intégrateur dont l'entrée est reliée à l'électrode de détection: l'amplitude de la tension de sortie ne dépend alors plus de la vitesse de rotation de l'électrode de modulation. Cependant, tous ces appareils, s'ils permettent de mesurer la valeur du champ atmosphérique et ses variations lentes, sont incapables d'en restituer les variations rapides telles que celles qui appa- raissent à la suite de décharges atmosphériques en périodes orageuses. L'invention a pour objet un appareil qui permet de connaître à tout moment la valeur statique d'un champ élec- trique, d'en déterminer les variations lentes et simultanément d'en mesurer les variations rapides. L'appareil selon l'invention fonctionne d'une manière satisfaisante dans les conditions d'environnement sévères (pluie, grêle, vent) qui sont celles de nombreux appareils de surveillance du champ électrique atmosphérique. L'invention part de cette constatation que la partie utile du signal électrique fourni par un capteur disposé dans un champ uniforme et comprenant une électrode de détection et une électrode de modulation de mêmes dimensions n'est pas la traduction fidèle du champ et cela en raison du fait que, même si le masquage géométrique de l'électrode de détection est bien réalisé, des lignes de champ peuvent encore atteindre celle-ci. D'une part, l'électrode de détection délivre alors, lorsqu'elle est complètement masquée par l'électrode de modu- lation, un signal parasite qui limite l'amplitude du signal utile. D'autre part, le gain du capteur dépend de l'amplitude des variations du champ électrique. Pour améliorer le rapport signal/bruit, l'invention prévoit donc des moyens permettant de réduire notablement la valeur du signal parasite lors du masquage de l'électrode de détection. Ainsi, non seulement on peut optimiser le traite- ment du signal utile dont la partie périodique est à moyenne nulle, au moyen d'un dispositif électronique, mais aussi on peut mesurer les variations rapides du champ consécutives à des décharges atmosphériques en conservant un gain de mesure constant. L'invention vise un capteur dechamp électrique à modulation, caractérisé en ce qu'il comprend, interposé entre l'électrode de détection et le modulateur, un écran fixe conducteur de l'électricité relié à la masse électrique du capteur pour empêcher que l'électrode de détection subisse l'influence d'un champ lorsqu'elle est masquée par le modu- lateur. Selon une forme de réalisation, dans laquelle l'élec- trode circulaire de détection est associée à un disque métal- lique tournant comportant des secteurs ajourés, l'écran est constitué par un disque fixe ayant la même découpe que le disque modulateur mais débordant par sa partie périphérique non ajourée tant par rapport au disque modulateur que par rapport au disque de détection. L'invention vise également un appareillage qui com- porte une chaîne de mesure pour le traitement du signal délivré par l'électrode de détection comprenant des moyens pour fournir un signal démodulé, caractérisé en ce que la démodulation est effectuée suivant deux voies parallèles dont les sorties sont appliquées à un amplificateur différentiel, chacune des voies comprenant un échantillonneur-bloqueur commandé par des signaux de synchronisation décalés temporellement entre eux d'une demi-période de la fréquence d'échantillonnage. Un tel appareillage est particulièrement avantageux pour la mesure des variations brutales du champ électrique, notamment du champ électrique atmosphérique,résultant des décharges électriques en périodes orageuses. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue d'ensemble d'un appareil capteur; la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un capteur faisant partie dudit appareil; la figure 3 est une vue schématique perspective de disques faisant partie du capteur; la figure 4 est une vue schématique par la tranche de tels disques; les figures 5 sont des diagrammes de signaux; la figure 6 est un bloc-diagramme d'un appareillage comportant une chaîne de mesure pour le traitement de signaux; la figure 7 est une vue analogue à la figure 6, mais pour une autre réalisation. On se réfère d'abord aux figures 1 à 4. Le capteur 11 (figure 1) est porté par trois pieds 12, 13, 14, en matériau conducteur, formant un tripode 15, repo- sant sur un socle métallique 16 mis à la masse par un conduc- teur 17 enfoui dans le sol 18. Le capteur 11 comprend un corps de capteur 21 (figure 2) supporté par le tripode 15. Le corps 21 est en forme de cuvette renversée avec un fond supérieur 22 et un bord 23, l'orifice 24 de la cuvette étant tourné vers le bas. La cuvette loge un premier disque 25, fixé à l'extrémité épanouie 26 d'un manchon conducteur 27 formant le prolongement d'un arbre de sortie 28 d'un moteur électrique 29. Ledit moteur est logé à l'intérieur d'un boîtier cylindrique 31 qui forme le prolongement de la cuvette 21 et dont l'axe 32, aligné avec celui du moteur 29, est perpendiculaire au fond 22 de la cuvette. Le moteur 29 est porté par le fond 33 du boîtier 31 et il est alimenté par deux conducteurs 34 et 35 provenant d'une alimentation 30. Le disque 25 présente une succession de découpes 36 (figure 3) délimitant des secteurs 37 à périphérie 38 et bords radiaux 39 et 41. Au-dessus du disque 25 se trouve un second disque 42, coaxial au disque 25 et dont l'orifice central 43 permet le passage du manchon 27. Le disque 42 présente des découpes 44, régulièrement réparties au point de vue angulaire autour de l'axe 32 et qui sont en forme de secteurs, chaque secteur étant limité par un bord périphérique 45 et des bords radiaux 46j 47. L'envergure angulaire des découpes 44 est égale à l'envergure angulaire des secteurs 37: l'angle entre les bords 39 et 41 d'un secteur 37 est égal à l'angle entre les bords 46 et 47 des découpes 44. La distance radiale d'un bord périphérique 45 d'ur.e découpe 44 est plus petite que la distance radiale du bord périphérique 38 d'un secteur 37, comme évoqué sur la figure par la ligne 38', projection d'un bord 38 sur le plan du disque 42. Le disque 42, qui peut jouer ainsi le rôle d'écran, est porté par des entretoises métalliques 48 dépen- dantes d'une plaque de revêtement 49, conductrice, appliquée sur la surface interne 51 du fond 22 de la cuvette. Le dis- que 42 est ainsi un disque fixe. Un troisième disque 52,ou électrode de détection, également fixe, surmonte le disque 42 et il présente une ouverture centrale 53 pour le passage du manchon 27. Ce disque a un bord circulaire 54 de même diamètre que le bord circulaire 55 du disque 25. Il est fixé à des plots isolants 56 fixés d'autre part sur le revêtement 49. Sur le disque 52, métallique, ouvert vers le bas, est érigé un plot isolant 57 traversé par un conducteur 58, en contact avec le disque 52 et qui pénètre dans le bottier 31 par un trou 50 du fond 33 et sort du bottier 31 par un trcu 59 prévu dans ce dernier, le conducteur 58 étant à son autre extrémité relié à des appareils de mesure. Du revêtement 49 dépendent deux plots conducteurs 61, 62 porteurs de balais, respectivement 63 et 64, qui frottent contre la périphérie 60 du manchon 27. Sur un second arbre 65 du moteur 29, opposé à l'arbre 28, est monté, par son moyeu 66, un quatrième disque 67 dont la périphérie est découpée de manière à former des dents 68 dont les bords 69 et 71 limitent, avec des dents adjacentes, des intervalles interdentaires 72, la denture du disque 67 étant de même disposition angulaire que les secteurs et ajours des disques 25 et 42. Le disque 67 passe entre les deux barrettes 73 et 74 d'un dispositif opto-électronique 75, l'une des barrettes 73 comprenant une source de lumière 76 et l'autre barrette 74 une cellule photosensible 77 dont le circuit de sortie 78 traverse le bottier 31 par un trou 79. Le dispositif opto-électronique 75 dépend d'un cou- vercle 81 dont la paroi latérale 82 prolonge la paroi latérale 83 du bottier 31, des moyens schématisés en. 84 étant prévus pour ajuster la position angulaire du couvercle 81 par rapport au bottier 31. 6 206849 L'ensemble du dispositif capteur 11 est couvert par une calotte métallique hémisphérique 91 reliée à la masse du capteur ouvert vers le bas dont le bord inférieur 92 est légèrement en dessous du fond supérieur 22 de la cuvette 21 et ménage avec celle-ci un faible intervalle 93. Le fonctionnement du dispositif capteur 11 est le suivant: Les lignes de force f (figure 1) du champ électrique inducteur qui sont des verticales descendantes dans le cas du champ électrique atmosphérique, sont déviées vers le haut, comme montré par les flèches f1 en raison des masses métal- liques constituées par le tripode 15 et la cuvette 21. Les lignes de force entrent dans la cuvette 21 par l'orifice 24 de cette dernière, tombent ou bien sur la face inférieure du premier disque 25 ou bien dans l'intervalle 94 ménagé entre le bord 55 dudit premier disque, ou disque modu- lateur, et la surface interne 95 du bord 23 de la cuvette. Parmi les lignes de force tombant sur le disque 25, seules traversent ce dernier celles qui tombent dans les Intervalles sectoriels 36 compris entre deux secteurs 37 dudit disque. Ces lignes de champ rencontrent successivement sur le disque des ajours ou découpes 44 et des parties pleines 97. Elles ne traversent le disque 42 que par leurs aiours 44. Il en résulte que le disque 52 n'est rencontré par sa face inférieure 98 que par des lignes de force ayant traversé les ajours 44, donc celles ayant traversé les ajours 36 du disque modulateur 25. Une ligne de force telle que f2 (figure 4) pénétrant dans la cuvette 21 dans l'intervalle 94 entre le contour 55 du disque 25 et la bord 23 de la cuvette est ou bien arrêtée par la partie périphérique 99 du disque 42, dépourvue de dé- coupes, faisant saillie radialement par rapport au bord 55, ou bien, cornîme le ligne de force f3, ne peut parvenir sur le disque 52, en raison de la saillie que fait le disque 42 par rapport au disque 52. L'évolution, au cours du temps, du champ électrique capté par le disque 52 est donc représentée par un diagramme de forme sensiblement triangulaire, comme montré en q1 sur 7 2476849 la figure 5b. Aux instants correspondant aux minimums d'ampli- tude, le disque 52 n'est rencontré par aucune ligne de force du champ électrique. Aux instants correspondant aux maximums, le disque 52 reçoit le maximum de champ électrique. Le signal fourni par le circuit 58 est appliqué à l'entrée 111 (figure 6) d'un amplificateur opérationnel 112 à circuit de réaction 113, comprenant une capacité 114, et à la sortie 115 duquel est présent un signal modulé v(t) appli- qué à l'entrée 116 d'un démodulateur synchrone 117 comprenant deux portes analogiques 118 et 119. La commande des portes est effectuée en appliquant à une autre entrée 121 du démodu- lateur un signal fourni, par l'intermédiaire d'un dispositif électronique approprié, par le dispositif opto-électronique : les portes 118 et 119 sont ainsi commandées en synchro- nisme de la modulation. La sortie 122 de la porte 118 est appliquée à une pre- mière entrée 123 d'un amplificateur différentiel 124 et la sortie 125 de la porte 119 est appliquée à la seconde entrée 126 dudit amplificateur. La sortie 127 de l'amplificateur différentiel est appliquée à l'entrée 128 d'un filtre passe- bas 129 et à la sortie 131 de ce dernier on obtient une ten- sion dont la valeur est représentative du champ électrique influençant le dispositif capteur 11. - On se réfère maintenant à la figure 7, relative à une autre forme de réalisation du dispositif électronique de traitement. La liaison 58 issue du dispositif de capteur 11 est appliquée à l'entrée 132 d'un amplificateur opérationnel 133 avec circuit de contre-réaction 134 comprenant un conden- sateur 135. La sortie 136 de l'amplificateur 133 se divise suivant une première branche 137 appliquée à l'entrée 138 d'un premier dispositif échantillonneur-bloqueur 139 et une seconde branche 141 appliquée à l'entrée 142 d'un second dispositif échantillonneur-bloqueur 143. - La liaison 78 de sortie du dispositif opto-électronique est appliquée à l'entrée 144 d'un dispositif 145 de mise en forme du signal, fournissant sur sa sortie 146 un signal de commande constitué par une succession des signaux dont la fréquence dépend de la période de modulation et sur une seconde sortie 147 une succession de signaux de même période, mais décalés d'une demi-période par rapport à ceux fournis sur la sortie 146. La sortie 146 est reliée par une liaison 148 au premier dispositif échantillonneur-bloqueur 139 pour commander ce dernier et le circuit 147 est relié par une liaison 149 au dispositif échantillonneur-bloqueur 143 pour commander ce dernier. A la sortie 151 du dispositif échantillonneurbloqueur 139 est préser.te une tension continue d'un certain signe et à la sortie 152 de l'autre échantillonneur-bloqueur est pré- sente une tension continue de signe opposé à la première. Ces deux tensions sont appliquées aux entrées respectives 153 et 154 d'un amplificateur différentiel 155 à la sortie 156 duquel est présente une tension représentative du champ élec- trique influençant le dispositif capteur 21. Cette tension est utilisable directement sur une sortie analogique 157 du dis- positif de traitement électronique. Aussi bien dans la forme de réalisation selon la figure 6 que dans celle selon la figure 7, le signal présent à la sortie 131 et 157 respectivement est indépendant de la vitesse de rotation du moteur 29. On se réfère maintenant d'une manière plus complète aux figures 5. La grandeur physique à mesurer, à savoir le champ E(t), est représentée sur la figure 5a: dans l'exemple choisi, le champ croît d'abord lentement, comme montré par la partie rectiligne pl légèrement ascendante puis, très rapidement, en correspondance d'un éclair, comme montré en P2, et ensuite la variation lente se poursuit, comme montré par la partie p3, mais à un niveau supérieur. La courbe Q(t) de la figure 5b représente, comme déjà indiqué, l'évolution correspondante au cours du temps de la charge induite sur l'électrode de capteur 52. Avec le dispo- sitif de capteur, le signal à la sortie de l'électrode est un signal sensiblement triangulaire dont la période est celle de la modulation. Le signal varie entre une valeur nulle et une valeur maximale, et c'est l'amplitude du signal qui est re- présentative du champ. 9 2476849 En correspondance de la partie lentement croissante Pl de la figure 5a, l'amplitude varie d'abord progressive- ment, comme montré par la partie ql. Puis, à l'apparition de l'éclair, il y a une brusque variation du signal suivant la droite pratiquement verticale q2 et ensuite le signal continue sa variation quasitriangulaire sur la partie q3 mais avec des amplitudes correspondant à la partie lentement ascendante p3 de la valeur du champ. A la sortie de l'amplificateur 133, on obtient un signal v(t) comme montré sur la figure 5c, qui est directe- ment proportionnel à la charge Q(t). Après une première partie vi, correspondant à la lente montée de la valeur du champ, la courbe v(t) comporte une partie pratiquement verticale v2, à laquelle se raccordent, sur la partie v3, des parties périodiques d'amplitude plus grande que sur la partie v1 I mais qui ne redeviennent symé- triques par rapport à l'axe des abscisses que d'une marnière progressive et cela en raison du temps de réponse de l'ampli- ficateur 133. Le signal de la figure 5d, Op(t), est fourni par le dispositif optoélectronique et present sur la sortie 78 du dispositif capteur. Les signaux HI1 et E2 des figures 5e et 5f sont, respectivement, les signaux fournis par le dispositif de traitement électronique du signal Op(t) prévu pour la commande des échantillonneurs-bloqueurs, respectivement 139 et 143. Le diagramme de la figure Sq est représentatif du signal B] présent à la sortie 151 de l'échantillonneur-bloqueur 139 et celui montré sur la figure 5h représente le signal B2 présent à la sortie 152 de l'échantillonneur-bloqueur 143. Pendant une période du signal opto-électronique, égale à la période de modulation, les signaux B1 et B2 des diagrammes des figures 5g et 5h ont une valeur constante et on distingue entre deux valeurs successives l'existence d'un transitoire habituel. La partie bl1 et la partie b1 correspondent à la montëe lente du champ b1. L'éclair se produit et c'est l'échan- tillonnage au moyen de l'échantillonneur 139 qui, dans cet exemple de fonctionnement, est le premier qui est opératoire après l'éclair il y correspond la brusque montée verticale montrée en b12; à l'échantillonnage suivant, par l'échan- tillonneur 143, la partie b2.2 est plus faible. Si, par suite de la constante de temps de l'amplifi- cateur 133, les valeurs du signal B1 montrées en b1 3 sont ensuite plus faibles que celles qui correspondraient aux valeurs de champ montrées par la ligne p3, par contre les valeurs absolues de*la partie b2.3 sont plus grandes, de sorte qu'après passage dans l'amplificateur différentiel, dont la sortie U(t) est montrée sur le diagramme de la figure 5i, on obtient une partie u3 de courbe qui est la traduction fidèle du champ p3. Un appareil de mesure fonctionnant avec une période de modulation de 0,5 ms et une constante de temps de l'ampli- ficateur 133 égale à 50 ms permet de mesurer, à l'apparition d'un éclair d'une durée de 50 microsecondes, c'est-à-dire dix fois plus petite que la période de modulation, le champ élec- trique atmosphérique avec une erreur inférieure à 1% qui s'annule ensuite en 50 millisecondes. Dans la réalisation selon la figure 7, le signal U(t) est appliqué en outre à l'entrée 161 d'un convertisseur analo- gique-numérique 162 dont l'entrée de commande de numérisation 163 est reliée à la sortie 164 d'un additionneur 165 dont une entrée 166 est reliée par une liaison 167 au circuit 146 et dont l'autre entrée 168 est reliée par une liaison 169 au circuit 147. Un dispositif 171 interposé sur la liaison 172, reliant la sortie 164 de l'additionneur 165 à l'entrée 163 du dispositif de conversion analogique/numérique, introduit un décalage de quelques millionièmes de seconde sur le signal pour que la numérisation s'effectue aux temDs convenables. Le signal de commande de la numérisation a été représenté en H3 sur la figure 5j. La sortie numérisée présente dans le circuit 173 peut être appliquée à l'entrée d'un dispositif d'enregistrement, ainsi d'ailleurs que la sortie présente sur le circuit 157. L'ensemble du dispositif électronique 174 (figure 1) de traitement des signaux est alimenté par un circuit 175 provenant d'un dispositif d'alimentation qui alimente par le circuit 176 le dispositif capteur 21. il 2476849 REVENDICATIONS 1.- Capteur de champ électrique, notamment en vue de la mesure du champ électrique atmosphérique, comprenant une électrode de détection fixe et un modulateur rotatif, carac- térisé en ce qu'entre l'électrode de détection et le modula- teur rotatif est interposé un écran fixe ajouré conducteur de l'électricité et relié à la masse du capteur. 2.- Capteur selon la revendication 1, dans lequel -l'électrode de détection et le modulateur sont en forme géné- rale de disque, le modulateur comportant une succession de secteurs pleins séparés par des secteurs ajourés, caractérisé en ce que l'écran interposé entre le modulateur et l'électrode de détection comporte une succession de secteurs pleins et de secteurs ajourés de même configuration respectivement que les secteurs pleins et les secteurs ajourés du disque modulateur et en ce qu'il est d'un plus grand diamètre que le disque modulateur, sa partie périphérique en saillie par rapport au disque modulateur étant pleine. 3.- Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le disque modulateur et l'électrode de détection ont le même diamètre. 4.- Appareil capteur de champ électrique comprenant un capteur selon l'une des revendications 1 à 3. 5.- Appareil selon la revendication 4, comprenant un moteur d'entraînement du disque modulateur, caractérisé en ce que le capteur est logé dans une cuvette métallique dont l'orifice est tourné vers le bas et porté au-dessus du sol par des pieds métalliques, le disque de modulation étant le plus près de l'orifice de la cuvette. 6.- Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que la cuvette est surmontée par un boîtier cylindrique contenant le moteur d'entraînement du disque modulateur. 7.- Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le bottier d'entraînement est surmonté par un couvercle contenant un disque denté solidaire du moteur d'entraînement et interposé entre une source de lumière et un récepteur photo-électrique portés par le couvercle et faisant partie d'un dispositif opto-électronique. 8.- Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le couvercle est de position angulairement ajustable par rapport au boitier.- 9.- Appareil selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que l'ensemble constitué par la cuvette et le bottier est protégé par une calotte hémisphérique conduc- trice dont le bord entoure le bord de la cuvette et qui est reliée à la masse du capteur. 10.- Appareillage de mesure de champ électrique détecté par le capteur selon l'une des revendications 1 à 3, associé à un dispositif opto-électronique à disque denté tournant comme le disque de modulation, et-dans lequel l'électrode de détection est reliée à un amplificateur, caractérisé en ce que la sortie de l'amplificateur est reliée à l'entrée de deux portes analogiques montées en parallèle et dont la ferme- ture est commandée à partir du signal opto-électronique, les sorties de chacune des portes étant respectivement appliquées aux entrées d'un amplificateur différentiel, lequel est suivi par un filtre passe-bas. 11.- Appareillage de mesure de champ électrique détecté par le capteur selon l'une des revendications 1 à 3, compre- nant un dispositif opto-électronique fournissant un signal périodique synchronisé sur la modulation, et dans lequel le signal fourni par le capteur est appliqué à l'entrée d'un amplificateur, ledit appareillage étant caractérisé en ce que la sortie de l'amplificateur est appliquée à deux échantillon- neurs-bloqueurs montés en parallèle et commandés successivement, à partir du signal fourni par le dispositif opto-électronique, par des signaux décalés temporellement l'un par rapport à l'autre d'une demi-période de modulation, les sorties de chacun des échantillonneurs-bloqueurs étant respectivement appliquées aux entrées d'un amplificateur différentiel. 12.- Appareillage selon la revendication 11, caractérisé en ce que la sortie de l'amplificateur différentiel est reliée à l'entrée d'un convertisseur analogique/numérique dont le signal de commande de la numérisation est obtenu à partir du signal opto-électronique.