Brevet FR2528584A1 — publié le 19831216

La présente invention concerne un dispositif de détection d'orage Un tel dispositif est destiné à produire un signal d'alarme en cas de forte probabilité d'orage Ce signal d'alarme peut être soit une alarme simple pour l'information des personnes, soit un signal de commande de divers dispositifs de protection. Dans de nombreux cas o la foudre présente un danger pour le personnel ou les équipements, la con- naissance de la probabilité d'un orage peut permettre de prendre les précautions appropriées Ceci peut se produire lorsque des personnes sont amenées à travail- ler sur des installations émergeant de l'environnement ou des installations non pourvues d'équipements de pro- tection contre la foudre, lorsque des explosifs sont manipulés à des fins civiles ou militaires, pendant des opérations de manipulation de combustibles liquides tels que le mazout ou l'essence, lorsque des appareils électroniques ne peuvent pas être complètement protégés des surtensions créées par la foudre La présente invention concerne donc un dispo- sitif apte à prévenir d'un danger de foudre La prévi- sion obtenue grâce à ce dispositif peut toujours être améliorée par une interprétation plus soignée des si- gnaux délivrés, par l'usage conjoint d'équipements an-> nexes ou par la connaissance d'informations météorolo- giques Toutefois le dispositif selon l'invention cons- titue:une technique de prévision utilisable par du per- sonnel sans qualification particulière; il peut signa- ler le danger d'apparition de la foudre même quand ce danger ne peut être déduit de l'aspect visuel des nua- ges ou d'autres mesures classiques. On connaît un dispositif de détection d'ora- ge, qui est décrit dans la demande de brevet français n O 7736949 du 2 décembre 1977 et qui mesure le champ électrique terrestre, encore appelé champ électrique atmosphérique, à l'aide d'un moulin à champ composé d'électrodes alternativement isolées du champ électri- que terrestre et soumises à ce champ, par un écran con- ducteur relié à la masse et tournant à l'aide d'un mo- teur Ce dispositif présente l'inconvénient d'être complexe, coûteux et peu fiable, du fait de son moteur. La présente invention a pour objet un dispo- sitif de détection d'orage qui ne présente pas l'incon- vénient du dispositif précédent, notamment en ce qu'il est simple, bon marché et fiable Il est facilement réalisable à l'aide d'un matériel commercialement dis- ponible et ne comporte ni moteur rotatif, ni pièces en rotation. De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de détection d'orage, caracté- risé en ce qu'il comprend: des moyens détecteurs comportant: une première et une seconde surfaces conductrices de l'électricité, en regard et électriquement isolées l'une de l'autre, et des moyens de vibration de la première surface par rapport à la seconde, des moyens électroniques de traitement et de compa- raison, après traitement, à un seuil réglable de ten- sion, d'une tension électrique alternative engendrée entre la première et la seconde surfaces conductrices par le champ électrique atmosphérique, lorsque ladite vibration a lieu, et des moyens de signalisation du dépassement dudit seuil réglable par ladite tension électrique une fois traitée. On sait en effet que par beau temps le champ électrique atmosphérique est de l'ordre de 100 à 150 V/m; à l'approche d'un nuage chargé électriquement susceptible d'engendrer un orage, ce champ croit brus- quement pour atteindre et dépasser 10 k V/m Il y a donc une grande différence entre le champ électrique atmos- phérique de beau temps et le champ en période d'orage. L'expérience montre que, même par temps nuageux mais non orageux, il est très rare que la valeur de ce champ prenne des valeurs intermédiaires de l'ordre du kilo- volt par mètre par exemple. Les première et seconde surfaces conductri- ces forment les armatures d'un condensateur et des charges électriques de signes opposés sont respective- ment créées sur ces deux surfaces conductrices placées dans le champ électrique atmosphérique, par ledit champ Il existe donc une tension électrique entre ces surfaces conductrices, tension qui est d'une part pro- portionnelle au champ électrique atmosphérique et d'autre part alternative étant donné que la première surface vibre par rapport à l'autre. A l'approche d'un orage, le champ électrique augmente, comme on l'a indiqué plus haut Les charges électriques respectivement portées par les première et seconde surfaces conductrices augmentent donc en valeur absolue et il en est de même pour l'amplitude de la tension électrique alternative existant entre ces sur- faces Cette tension est traitée électroniquement et comparée à un seuil, et un signal est créé lorsque ce seuil est dépassé par la tension une fois traitée Ce signal peut être un signal avertisseur, sonore ou lumi- neux, ou un signal de commande de dispositifs de pro- tection contre la foudre Grâce à l'invention, on dis- pose ainsi d'un appareil de détection efficace, four- nissant une information pendant la période d'accumula- tion des charges électriques dans les nuages suscepti- bles d'engendrer les orages, avant l'apparition de tout éclair. De préférence, les première et seconde surfa- ces conductrices sont tournées vers une direction ver- ticale, c'est-à-dire vers le sol ou vers le ciel En effet, la disposition générale des surfaces équipoten- tielles du champ électrique atmosphérique est horizon- tale. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, les moyens de vibra- tion sont des moyens électriques, conçus pour fonction- ner à l'aide d'une tension électrique alternative et pourvus de deux bornes électriques d'alimentation en courant électrique, l'une des deux bornes est électri- quement reliée à la première surface conductrice et la- dite tension électrique alternative engendrée par le champ électrique atmosphérique est recueillie entre les première et seconde surfaces conductrices. Les moyens électroniques de traitement et de comparaison peuvent alors comporter des moyens pour dé- terminer la différence de phase entre ladite tension électrique alternative prévue pour faire fonctionner les moyens de vibration et ladite tension électrique alternative engendrée par le champ électrique atmosphé- rique, de façon à connaître le sens de ce champ. Selon un autre mode de réalisation particu- lier, les moyens électroniques de traitement et de com- paraison comportent en outre des moyens d'enregistre- ment des variations temporelles de la tension électri- que alternative engendrée par le champ électrique at- mosphérique. De préférence, cet enregistrement est effec- tué pendant un temps suffisamment long comportant des périodes de beau temps et des orages L'examen dudit enregistrement permet de régler le seuil. Ce seuil est choisi réglable car il est très difficile de prérégler un seuil d'alarme pour le dispo- sitif objet de l'invention En effet, la valeur absolue du champ électrique atmosphérique est très difficile- ment mesurable La mesure de ce champ est perturbée par le relief local, par la hauteur au-dessus du sol des moyens détecteurs, éventuellement par la présence de bâtiments, d'arbres, toutes causes qui déforment les lignes de champ Par ailleurs, la tension électrique présente entre les première et seconde surfaces conduc- trices a une amplitude proportionnelle au champ mais il n'y a aucun moyen pratique de savoir a priori la valeur du coefficient de proportionnalité qui ne reste le même que tant que l'environnement du dispositif ne change pas Ainsi, la sensibilité du dispositif selon l'inven- tion est-elle fonction de sa hauteur, de son emplace- ment, etc On ne peut donc prérégler le seuil d'alar- me. Les moyens détecteurs peuvent être consti- tués par un cristal piézoélectrique commandé par une tension électrique alternative et sur les deux faces opposées duquel sont respectivement fixées la première et la seconde surfaces conductrices Ils peuvent être également constitués par une bobine magnéti 2 uc antmen tée par un courant alternatif, et par un ainmant perma- nent prévu pour faire vibrer la bobine, les première et seconde surfaces conductrices étant alors respective- ment rendues solidaires de la bobine et die laimant. Mais de préférence, les moyens détecteurs sont consti- tués par un haut-parleur électrodynamique comportant une bobine magnétique, une membrane pourvue d'un revê- tement métallique et rendue solidaire de la bobine, un saladier électriquement conducteur et un aimant perma- nent rendu solidaire du saladier et prévu pour faire vibrer la bobine magnétique lorsque celle-ci est ali- mentée par un courant électrique alternatif, les moyens de vibration sont constitués par la bobine magnétique associée à l'aimant permanent, et la première et la seconde surfaces conductrices sont respectivement constituées par le revêtement métallique et par le sa- ladijer. Enfin, de préférence, les moyens détecteurs sont placés dans un bottier étanche à l'eau, de façon a être protégés de la pluie et, plus généralement, des intempéries. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre indicatif et non limitatif, en référence au dessin annexé Sur ce dessin, on a représenté schématique- ment un mode de réalisation particulier du dispositif de détection d'orage objet de l'invention ïl comprend des moyens détecteurs 2, des moyens électroniques de traitement et de comparaison 3 et des moyens de sign- alisation 4. Les moyens détecteurs 2 sont constitués par un haut-parleur électrodynamique comportant essentiel- lement, de façon -,cnnue dans l'état de la technique, un aimant permanent 5, une bobina magnétique mobile 6, un saladier métallique 7 et une membrane vibrante 8 Lai- mant permanent 5 c Importe "n p 1 lo celntrai 9 et un p 8 ie annulaire 10 qui dlimintent 'entrefer de l'aimant. Dans cet entrefer, o règne un champ magnt-iqîie se trouve la bobine magnétiqua mobile 6 capable de e e mou- voir longitudinalement L'aimant 5 est rendu solidairc du saladier 7 et la bobine 6 est disposée sur un man- chon 11 rendu solidaire de la membrane 8 Enfin, cette membrane 8 est raccordée as saladier 7 par une suspen- sion élastique 12 électriquement isolante, disposée sur le pourtour de cette membrane 8. Le haut-parleur 2 est adapté à l'invention de la façon suivante: la membrane 8 est pourvue d'un re- vêtement métallique 13 qui la rend électriquement con- ductrice Ce revêtement 13 est par exemple constitué par une laque ou une peinture d'argent déposée sur la membrane 8 De plus, un conducteur électrique 14 est soudé par l'une de ses extrémités au saladier 7 Enfin, une liaison électrique est établie entre le revêtement métallique 13 et le conducteur électrique 15 dont est constituée la bobine 6 Ce conducteur 15 constituant la bobine est pourvu d'une première extrémité 16 et d'une seconde extrémité 17 qui, après traversée du saladier 7 par des passages isolants 18 pratiqués dans ce dernier, débouchent à l'extérieur du haut-parleur 2 et consti- tuent respectivement une première et une seconde bornes d'alimentation de la bobine 6 en courant électrique. Pour établir ladite liaison électrique entre le revêtement 13 et le conducteur 15 constituant la bobine 6, on procède par exemple de la façon suivante: à la sortie de la bobine 6, une partie libre 19 de ce conducteur 15, partie conduisant à ladite première borne 16, est coupée, ce qui crée deux nouvelles extré- mités 20 et 21 qui sont ensuite passées par un trou 22 pratiqué dans la membrane 8 et mises en contact élec- trique avec le revêtement métallique 13 à l'aide d'un point de soudure 23 déposé à la fois sur ces nouvelles extrémités 20 et 21 et sur le revêtement 13 pour assu- rer ledit contact On rétablit ainsi la liaison élec- trique entre la bobine 6 et sa première borne 16 Cette première borne 16 est de plus mise à la masse Lors- qu'on établit une différence de potentiel alternative UA entre les seconde et première bornes de la bobine 6 pour alimenter celle-ci en courant électrique, la se- conde borne 17 se trouve ainsi portée à un potentiel alternatif UA. Le revêtement 13 et le saladier 7 constituent respectivement une première et une seconde surfaces conductrices, et l'ensemble formé par l'aimant 5 et par 252 584 la bobine 6 constitue des moyens de vibration de la membrane 8, et donc du revêtement 13, par rapport au saladier 7. Le haut-parleur 2 est placé dans un boîtier 24 étanche à l'eau de pluie Ce boîtier est maintenu à environ 1 à 2 mètres du sol 25 grâce à un support 26 De plus, le haut-parleur 2 est disposé dans le boîtier 24 de telle façon que sa membrane 8 soit tournée vers le sol 25 Par ailleurs, le haut-parleur 2 est, de préfé- rence, situé en dehors de tout bâtiment, arbre, pylône, point haut Les moyens électroniques 3 de traitement et de comparaison comprennent essentiellement un amplifi- cateur 28, une cellule redresseuse 29, un détecteur de phase 30, un comparateur à seuil 31 et des moyens d'en- registrement 32 L'entrée de l'amplificateur 28 est électriquement reliée au saladier 7 par l'intermédiaire du conducteur 14 La sortie de cet amplificateur 28 est électriquement reliée, d'une part, à l'entrée de la cellule redresseuse 29, à diode et capacité par exem- ple, et d'autre part, à une entrée du détecteur de phase 30, connu dans l'état de la technique et dont le rôle sera expliqué plus loin L'autre entrée de ce dé- tecteur de phase 30 est portée au même potentiel alter- natif UA que la seconde borne 17 d'alimentation de la bobine 6 La sortie de la cellule redresseuse 29 est électriquement reliée à une borne P d'un condensateur de filtrage 33 dont l'autre borne est mise à la masse. La borne P du condensateur 33 est électriquement reliée à une entrée du comparateur à seuil 31 dont le seuil est fixé par un potentiomètre 34 alimenté par un géné- rateur continu 35 (L'autre entrée du comparateur 31 est électriquement reliée au curseur du potentiomètre 34) La sortie de ce comparateur à seuil 31 est élec- triquement reliée aux moyens de signalisation 4 La borne P du condensateur 33 est également électriquement reliée à une entrée de l'enregistreur 32 Une autre entrée de ce dernier est électriquement reliée à la sortie du détecteur de phase 30. Le fonctionnement du dispositif selon l'in- vention représenté sur le dessin annexé est le sui- vant: la tension alternative UA est appliquée entre les bornes 16 et 17 de la bobine, cette tension résul- tant par exemple du secteur 220 V alternatif (frequen- ce: 50 Hz) convenablement transformé pour être adapté à la bobine Par conséquent, la membrane 8 et son reve- tement métallique 13 vibrent par rapport au saladier métallique 7 Or, ce dernier et le revêtement se com- portent, dans le champ électrique atmosphérique, comme les deux armatures d'un condensateur chargé proportion- nellement à ce champ électrique atmosphérique il exis- te donc une différence de potentiel alternative UC pro- portionnelle audit champ, entre le saladier 7 et le revêtement 13 qui, on le rappelle, est à la masse Par conséquent, le saladier 7 se trouve porté à un poten- tiel alternatif UC et un signal correspondant à ce po- tentiel Uc est transmis à l'amplificateur 28 par le conducteur électrique 14 Le signal est amplifié par cet amplificateur, puis redressé par la cellule redres- seuse 29 et filtré par le condensateur 33 Ce signal est ensuite appliqué, d'une part, aux moyens d'enregis- trement 32, par exemple constitués par un enregistreur graphique, et d'autre part, au comparateur à seuil 31 dont la sortie se trouve portée au niveau logique O si la tension d'entrée UC est inférieure au seuil, et au niveau logique 1 si la tension d'entrée Uc est supé- rieure au seuil Celui-ci est réglé, comme on l'a indi- qué plus haut, à l'aide de l'enregistrement des varia- tions de la tension Uc en fonction du temps, effectué à l'aide de l'enregistreur 32. Lorsque la sortie du comparateur 31 est por- tée au niveau logique 1, un signal est émis par les moyens 4 de signalisation Ceux-ci sont par exemple ap- tes à émettre un signal sonore ou lumineux Ces moyens 4 peuvent être également choisis de façon à émettre un signal électrique prévu pour commander un appareil de protection contre la foudre Lorsque la sortie du com- parateur 31 est portée au niveau logique O, aucun si- gnal n'est émis par Les moyens 4 de signalisation. Le détecteur de phase 30, par exemple réalisé à l'aide d'un amplificateur différentiel associé à un circuit à seuil, reçoit des signaux correspondant res- pectivement à la tension UC proportionnelle au champ électrique atmosphérique et à la tension UA d'alimenta- tion de la bobine 6 et détermine la difference de phase entre lesdites tensions UA et UC, par comparaison de celles-ci Le résultat de la comparaison est représenté graphiquement grâce à l'enregistreur 32 et l'on peut donc déterminer facilement, grâce au dispositif selcl l'invention, le sens du champ électrique atmosphérique, c'est-à-dire déterminer si ce champ est dirigé du ciel vers le sol ou en sens inverse, puisque dans l'un de ces deux cas, les tensions UA et UC sont en phase et que dans l'autre cas elles sont en opposition de phase. Bien entendu, les moyens électroniques 3 de traitement et de comparaison et les moyens 4 de signa- lisation peuvent être situés ( proximité des moyens dé- tecteurs 2 ou, au contraire, en être éloignés. 252858 i le il REVENDICATIONS 1 Dispositif de détection d'orage, caracté- risé en ce qu'il comprend: des moyens détecteurs ( 2) comportant une première ( 13) et une seconde ( 7) surfaces con- ductrices de l'électricité, en regard et électrique- ment isolées l'une de l'autre, et des moyens ( 5, 6) de vibration de la première sur- face ( 13) par rapport à la seconde ( 7), des moyens électroniques ( 3) de traitement et de com- paraison, après traitement, à un seuil réglable de tension, d'une tension électrique alternative (Uc) engendrée entre la première ( 13) et la seconde ( 7) surfaces conductrices par le champ électrique atmos- phérique, lorsque ladite vibration a lieu, et des moyens ( 4) de signalisation du dépassement dudit seuil réglable par ladite tension électrique (Uc) une fois traitée. 2 Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les première ( 13) et seconde ( 7) surfaces conductrices sont tournées vers une direction verticale. 3 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens ( 5, 6) de vibration sont des moyens électriques, conçus pour fonctionner à l'aide d'une tension électrique al- ternative (UA) et pourvus de deux bornes électriques ( 16, 17) d'alimentation en courant électrique, en ce que l'une ( 16) des deux bornes est électriquement re- liée à la première surface conductrice ( 13) et en ce que ladite tension électrique alternative (Uc) engen- drée par le champ électrique atmosphérique est recueil- lie entre les première ( 13) et seconde ( 7) surfaces conductrices. 4 Dispositif selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que les moyens électroniques ( 3) de traitement et de comparaison comportent des moyens ( 30) pour déterminer la différence de phase entre ladite tension électrique alternative (U A) prévue pour faire fonctionner les moyens de vibration et ladite tension électrique alternative (Uc) engendrée par le champ électrique atmosphérique, de façon à connaître le sens de ce champ. 5 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens électroniques ( 3) de traitement et de comparaison comportent en outre des moyens ( 32) d'enregistrement des variations temporelles de la tension électrique al- ternative (Uc) engendrée par le champ électrique at- mosphérique. 6 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens détecteurs ( 2) sont constitués par un haut-parleur électrodynamique comportant une bobine magnétique ( 6), une membrane ( 8) pourvue d'un revêtement métallique ( 13) et rendue solidaire de la bobine ( 6), un saladier ( 7) électriquement conducteur et un aimant permanent ( 5) rendu solidaire du saladier ( 7) et prévu pour faire vibrer la bobine magnétique ( 6) lorsque celle-ci est alimentée par un courant électrique alternatif, en ce que les moyens ( 5, 6) de vibration sont constitués par la bobine magnétique ( 6) associée à l'aimant permanent ( 5) et en ce que la première et la seconde surfaces conductrices sont respectivement constituées par le re- vêtement métallique ( 13) et par le saladier ( 7). 7 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens détecteurs ( 2) sont placés dans un bottier ( 24) étanche à l'eau.