Brevet FR2587135A1 — publié le 19870313

i Procédé et appareil pour déterminerun élément recouvrant sur la surface d'une chaussée L'invention concerne un procédé pour déterminer un élément recouvrantsur lasurface d'une chaussée, selon lequel on envoie un signal de mesure à un couple d'électrodes insé- rées dans la surface de la chaussée et agissant en tant que détecteur, et on détermine le rapport du courant de mesure sur la tension s'établissant aux bornes du détecteur,de manière à dé- terminer la conductivité de l'élément recouvrant sur la surface de la chaussée. L'invention concerne en outre un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé. - Le procédé et l'appareil sont utilisés en vue de déterminer tout élément recouvrant sur la surface d'une chaussée et de noter les modifications qui apparaissent, afin de prévoir un état glissant éventuel. Pour le per- sonnel d'entretien des routes, l'élément le plus important est d'obtenir une estimation fiable de l'apparition de l'état ge- lé de la surface de la chaussée, de préférence environ deux heu- res avant l'apparition de cet état. Des systèmes antérieurs d'avertissement de l'état glissant sont basés sur la mesure de l'humidité ou de l'eau à la surface de la route à l'aide d'un détecteur de conducti- vité électrique,ainsi que sur l'observation simultanée de la température. Si la température dimihue et tombe au-dessous d'une limite préréglée, le système délivre une alarme (système fabriqué par exemple par la société dite Malling Kontrol, Stamholmen 173, DK-2650 Hvidovre, Danemark). Dans des systèmes plus avancés de détecteurs de l'état glissant, on uti- lise des détecteurs de conductivité refroidis et chauffés, dans lesquels l'effet de la teneur en sel sur l'abaissement du point de congélation est pris en compte (systèmes fabriqués par exemple par la société dite Boschung Mecatronic Ltd., CH- 3185 Schmitten, Suisse, et Findlay, Irvine Ltd., Penicuik Mi- dlothian, Scotland EH26 9BU, Ecosse). En outre,on utilise des détecteurs d'état glissant basés sur une détection directe de la glace. L'inconvénient le plus important des détecteurs ba- sés sur la conductivité électrique de la surface de la chaus- sée est qu'une simple indication de conductivité ne peut pas fournir à elle seule l'information concernant la quantité d'hu- midité ou d'eau à la surface de la chaussée, sauf si l'on con- nait la concentration en sel. D'autre part, il est difficile d'établir une distinction entre une surface de chaussée en train de sécher et une surface de chaussée passant à l'état gelé. Les détecteurs de conductivité chauffés et refroi- dis doivent être isolés du point de vue thermique, au moins partiellement, par rapport à la chaussée, ce qui a pour effet qu'ils ne suivent pas nécessairement d'une manière fiable dans tous les cas la température de la surface de la chaussée. En outre, le séchage de détecteurs témoins à différents instants entraîne des conditions d'erreur. Les détecteurs basés sur la détection directe de la glace possèdent une constitution résistant mal à l'usure de la chaussée. A titre d'exemple, il faut mentionner le dé- tecteur SCAN de la société dite Surface System Inc., à l'aide duquel il est possible d'établir une distinction, par voie ca- pacitive, entre un état sec, un état humide et un état vergla- cé. Les électrodes du détecteur sont protégées par une couche époxy d'environ 6 mm qui s'use trop rapidement, au moins dans des zones o l'on utilise des pneus cloutés. Le but de la présente invention est d'éliminer les inconvénients présents dans la technologie de l'art antérieur décrit ci-dessus, et de fournir un procédé d'un type entière- ment nouveau pour déterminertout élément recouvrant sur la surface d'une chaussée. L'invention est basée sur le fait que l'on mesure la conductivité électrique de tout élément recouvrantsur la surface d'une chaussée, à l'aide d'un couple d'électrodes non recouvertes, insérées dans la surface de la chaussée, la con- ductibilité thermique dudit couple d'électrodes étant réglable à la même valeur que celle du pavement de la chaussée, ladite mesure étant réalisée de telle sorte que le courant de mesure traversant le détecteur est un courant alternatif symétrique possédant un faible ampérage et une basse fréquence, la symé- trie signifiant l'absence d'une composante de courant continu. De façon plus spécifique, avec une tension/un courant symé- trique, l'intégrale dans le temps de la tension/du courant pen- dant un cycle est nulle ou est au moins nulle en moyenne. Le signal est symétrique afin d'empêcher une polarisation conti- nue en courant continu. Dans la forme de réalisation donnée à titre d'exemple, on mesure la conductivité à l'aide d'une impulsion relativement brève et ensuite on mesure la polari- sation électrique des pôles du détecteur, qui est provoquée par le courant de mesure. Le signal de polarisation obtenu de cette manière fournit une information supplémentaire essentiel- le sur la nature et également sur la quantité d'élément re- couvrant présent sur la surface de la chaussée. Afin de rece- voir un signal symétrique, le sens du courant de mesure est inversé entre chaque impulsion. De façon plus spécifique, le procédé conforme à la présente invention est caractérisé en ce qu'on envoiedans le détecteur un signal de tension alternatif symétrique, possé- dant une basse tension et une faible fréquence, et on mesure la polarisation électrique entre les pôles du détecteur qui est produite par le courant de mesure, afin de déterminer l'épaisseur de l'élément recouvrant sur la surface de la chaussée. D'autre part, l'appareil conforme à la présente in- vention, qui sert à déterminer l'élément recouvrant sur la sur- face d'une chaussée et qui comporte un oscillateur délivrant des impulsions et agencé de manière à produire un signal de mesure, un circuit de mesure du courant agencé de manière à mesurer le courant de mesure fourni par le signal produit par l'oscillateur, un détecteur bipolaire inséré dans la chaussée et auquel le signal produit par l'oscillateur peut être envoyé, et un circuit de mesure du signal de conductivité agencé de manière à mesurer le rapport du courant de mesure délivré par l'oscillateur sur la tension entre les pâles du détec- teur, afin de déterminer la conductivité de l'élément recouvrant sur la surface de la chaussée,estcaractérisé par un interrupteur servant à ouvrir le circuit de mesure de la conductivité, de manière à permettre la mesure du signal de surface, un cir- cuit d'inversion de la polarité du détecteur servant à inver-- ser le sens du courant de mesure, un circuit de mesure du si- gnal de surface servant à mesurer l'épaisseur de lélement recouvrar sur la surface de la chaussée, ainsique par un circuit logique d'alarme agencé de manière à indiquer un état gelé éventuel de la chaussée sur la base des valeurs de tension du signal de conductivité et du signal de surface. La présente invention permet d'obtenir des avanta- ges considérables. L'avantage le plus important de la mesure de la po- larisation est que l'on peut également détecter de la neige pire. En outre,le signal de polarisation augmente de façon mo- notone lorsque l'épaisseur de la couche d'eau/de neige à la surface de la chaussée augmente, et la grandeur du signal ne dépend pas fortement de la pureté de l'eau. C'est pourquoi, à l'aide d'un détecteur fonctionnant conformément à ce princi- pe, on obtient également une information quantitative concer- nant l'élément recouvrant pr6sent sur la surface de la chaussée. A l'aide du détecteur,il est également possible de détecter l'état gelé de l'eau présente à la surface de la chaussée en observant le comportement des signaux de conduc- tivité et de polarisation. Si la glace formée est du type à cristaux multiples, à savoir ce qu'on appelle de la glace blan- che, le détecteur l'indique. Cependant, la plupart du temps dans les conditions présentes sur une route, il se forme ce qu'on appelle du verglas. Ceci ne peut pas être indiqué par le détecteur d'une autre manière, hormis par observation de la formation de ce verglas, les si- gnaux se comportant d'une manière exceptionnelle. Si cela est nécessaire, on peut détecter le verglas de façon capacitive en utilisant un détecteur semblable, par exemple en raccor- dant le détecteur en tant que partie d'un circuit oscillateur RC, la présence de verglas étant détectée par modification de la fréquence dans le circuit. La simplicité d'un détecteur bipolaire permet de donner à ce dernier une configuration résistant à l'usure. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci- après en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective en coupe partielle d'un détecteur de surface d'une chaussée; - la figure 2 représente un schéma-bloc du système de mesure; la figure 3 représente le schéma de câblage d'un oscillateur inverseur utilisé pour la mesure du verglas; et - la figure 4 représente un schéma-bloc d'un pro- cédé pour la mesure du verglas, basée sur une détection à ver- rouillage de phase. La figure 1 représente une forme de réalisation pos- sible d'un détecteur de surface. Des feuilles de fibres de car- bone 14 possédant une épaisseur de deux millimètres sont em- pilées à des intervalles 15 d'une valeur de 0,5 mm afin de former un détecteur bipolaire, de sorte qu'une feuille sur deux est raccordée au même pôle. Le détecteur est formé par moulage d'un mélange 16 d'araldi D et d'un colorant noir. On a choisi la fibre de carbone en tant que matériau pour le dé- tecteur, principalement pour des questions d'ordre thermique et pour des raisons d'usure. Le gradient de température à la surface de la chaussée est souvent de l1K/cm, ce qui a pour effet qu'un détecteur métallique s'étendant sur une profondeur de quelques centimètres suivrait mal la température de la sur- face de la chaussée. La conductivité thermique de l'asphalte est d' environ 0,7 W/m K et celle de la fibre de carbone suivant la direction perpendiculaire aux fibres est comprise entre 1 et 5 W/m K. D'autre part, la conductivité de l'aral- dite D est de 0,23 W/m K, valeur qui peut être réglée à un ni- veau allant jusqu'à 1 W/m K par addition de poudre de quartz. Dans ces conditions, la conductivité thermique moyenne du détecteur peut être réglée de manière à être égale à celle de l'asphalte. La figure 2 représente un mode possible de réalisa- tion d'un système de mesure, basé sur la polarisation électri- que. L'oscillateur 1 délivrant des impulsions fournit des im- pulsions de tension positives possédant une durée d'environ 0,5 s et une amplitude d'environ 10 V, par exemple à des in- tervalles de 10 s. Ces impulsions sont transmises aux pôles du détecteur 5 par l'intermédiaire du circuit 2 de mesure du courant, de l'interrupteur 3 et de l'inverseur de polarité 4. Pendant l'impulsion, on mesure le signal de conductivité au moyen du circuit 6 de mesure de la conductivité. Une fois que l'impulsion est terminée, l'interrupteur 3 est ouvert, le signal dit de surface qui est provoqué par la polarisa- tion étant ainsi mesuré au moyen du circuit 7 de mesure du signal de surface, c'est-à-dire au moyen d'une inté- gration de la tension de polarisation effectivement présente entre les pôles du détecteur. Au début de l'impulsion suivan- te, les pôles du détecteur sont permutés réciproquement au mo- yen du circuit 4, de sorte que du point de vue du détecteur, le sens du courant de mesure est inversé symétriquement par rapport au potentiel de la terre. De cette manière, on évite une polarisation permanente en courant continu du détecteur, qui est sensible à des perturbations provoquées par le trafic et qui peut provoquer une erreur de décalage de l'instant es- timé du passage à l'état gelé. Les niveaux du signal peuvent être réglés par exem- ple dans la gamme de 0 à 10 V, de telle sorte que le ni- veau 0 V du signal correspond à une surface de chaussée sèche et le niveau 10 V correspond à une couche d'eau d'environ 1 mm, saturée de sel. La tension de polarisation augmente de façon monotone lorsque l'épaisseur del8lémentreccuvrant sur la chaussée aug- mente, et, dans la pratique, ladite tension de polarisation peut être considérée comme indépendante de la conductivité. Afin de prédire le passage à l'état gelé de l'eau présente à la surface de la chaussée, on observe le comportement des si- gnaux. Si le signal de conductivité tombe au-dessous d'une li- mite préréglée, alors que simultanément le signal de surface reste supérieur à une valeur préréglée, une alarme concernant le risque de gel peut être délivrée. Dans la pratique, ceci peut être obtenu soit au moyen d'un circuit logique d'alarme réglable 8, soit au moyen d'un processeur programmable. La fia- bilité de la prévision est améliorée si l'on tient compte du comportement de la température au niveau de la surface de la chaussée. La détection du verglas est basée sur une capacité parasite provoquée par la glace présente à la partie supérieu- re du détecteur. Une couche de glace possédant une épaisseur égale à l'interstice 15 entre les électrodes du détecteur en- traine, aux basses fréquences, pour chaque unité de longueur de l'interstice, l'apparition d'une capacité parasite: AC/10t 4 ú80 x 8,8 pF/mN7 pF/cm (1) La capacité propre du détecteur, lorsqu'il est enrobé d'aral- dit D, est, par unité de surface des feuilles: AC/A V 0/d^J7 pF/cm2 (2) lorsque l'interstice 15 possède une valeur de 0,5 mmo Si l'on prévoit une tolérance d'usure de 5 cm pour le détecteur, une couche de glace de 0,5 mm entraîne par conséquent une modifi- cation d'environ 20 % de la capacité, dont la détection en la- boratoire est usuelle, mais qui requiert une compensation de température et d'usure dans les conditions présentes sur rou- tes. - Afin de détecter le verglas, on peut raccorder le détecteur représenté sur la figure 1, de la manière indiquée sur la figure 3. La fréquence f de l'oscillateur inverseur con- cerné répond à la formule f = 1/(2 RC In (1 + R1/R2)), (3) dans laquelle C est la capacité série du détecteur Ca et du condensateur de blocage C1. Il est nécessaire d'utiliser un condensateur de blocage afin d'éliminer le potentiel en cou- rant continu du détecteur et de garantir l'oscillation lors- que le détecteur est humide. On notera que, en raison d'une interférence à 50 Hz, le rapport R1/R2 ne devrait pas être choisi supérieur à 10. Dans ce cas,les valeurs R = 5, 6 M/Let C = 100 pF fournissent une fréquence d'environ 400 Hz, qui est une fréquence suffisamment basse pour la détection de la glace, même si elle est à une température légèrement inférieu- re à 0 C. Si on le désire, on peut également réduire la fré- quence au moyen d'une capacité shunt, mais ceci réduit de fa- -çon-o-orrespondant-e---la sensibilité. A la fois la compensation de température et la com- pensation d'usure sont réalisées d'une manière extrêmement sim- ple au stade du traitement des résultats de mesure au moyen d'une programmation. L'inconvénient le plus important d'un détecteur ba- sé sur un oscillateur inverseur est que le détecteur est sen- sible à toutes les impédances. Dans ces conditions, le début de l'apparition de la rosée peut entrainer l'apparition d'un signal ressemblant à un signal correspondant à l'existence de la glace, en raison de la résistance finie de 10 MJLqu'elle entraine. Cependant, compte tenu de l'instabilité de cet état, il est possible de le différencier d'un signal stable corres- pondant à la glace, grâce à une programmation. Un avantage de l'oscillateur inverseur est le faible volume d'éléments élec- troniques devant être placés à côté du détecteur. A l'aide d'une détection à verrouillage de phase, il est pos- sible de se débarrasser de l'effet de la résistance du détec- teur. La figure 4 illustre le principe d'une détection à ver- rouillage de phase. Les composants les plus importants sont un oscillateur 9 délivrant des ondes sinusoïdales, un pont d'impédances 10, un préamplificateur 11, un déphaseur 12 et un multiplicateur 13. On suppose que le signal préamplifié et déphasé du pont est: x = x0 sin (ut + ) (4) Si le signal de référence est y = y0 sin St (5 le signal de sortie du multiplicateur est xy/10 = x0y0/20 (cos 0 - cos(2W t + 0)) (6) En réglant la différence de phase 0 au niveau dési- ré, il est possible de rendre la composante en courant conti- nu de la sortie du multiplicateur, sensible uniquementoaux va- riations désirées d'impédance, dans le cas présent aux varia- tions capacitives. Avec un détecteur à verrouillage de phase, au moins le pont et le préamplificateur doivent être placés en étant raccordés au détecteur, sur la chaussée. Un avantage par rapport à un oscillateur inverseur est que la détection à verrouillage de phase fournit également une indication quan- titative sur les quantités de gelée blanche et de glace. En varianteon peut mesurer le signal de conductivité et le signal de surface en envoyant une tension alternative au détecteur, par l'intermédiaire d'une résistance branchée en série. La composante, qui possède la même phase que la ten- sion d'alimentation, correspond au signal de conductivité, et la composante déphasée de 90 correspond au signal de surface provoqué par la polarisation. Dans le cadre de la présente invention, il est éga- lement possible de concevoir des solutions qui diffèrent des exemples donnés ci-dessus. Ainsi,la présente invention peut être également utilisée pour la détection de glace sur des pis- tes d'aéroports ainsi que sur des avions. REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer un élément recouvrant sur la surface d'une chaussée, selon lequel - on envoie un signal de mesure à un couple d'électrodes in- sérées dans la surface de la chaussée et agissant en tant que détecteur (5), - on détermine le rapport du courant de mesure sur la tension s'établissant aux bornes du détecteur de manière à déterminer la conductivité de l'élément recouvrant sur la surface de la chaussée sée, caractérisé en ce que - on envoie dans le détecteur (5) un signal de tension alter- natif symétrique, possédant une basse tension et une faible fréquence, et - on mesure la polarisation électrique présente entre les pô- les du détecteur (5)qui est produite par le courant de mesure, afin de déterminer l'épaisseur de l'élément recouvrant sur la sur- face de la chaussée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on - produit un signal de mesure qui possède un taux d'impulsions d'une onde rectangulaire unipolaire basse, et - on inverse la polarité du détecteur après chaque impulsion au moyen d'un circuit inverseur de polarité (4) de manière à produire le signal requis du détecteur, et - on mesure la tension de polarisation du détecteur au moyen de la partie non active du signal de mesure à l'aide du cir- cuit (7) de mesure du signal de surface, afin de déterminer l'épaisseur de l'élément recouvrant sur la surface de la chaus- sée,en ouvrant le montage de mesure de la conductivité au mo- yen d'un interrupteur (3). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le taux d'impulsions du signal de mesure est réglé à 3... 7 %, de préférence à environ 5 %. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fréquence du signal de mesure est réglée à envi- ron 0,07... 0,2 Hz et de préférence à environ 0,1 Hz. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur (5) est monté en tant que partie d'un montage en pont, et - la polarisation électrique entre les pôles du détecteur est détectée à l'aide d'un détecteur à verrouillage de phase de sorte que l'on détecte, à l'aide d'un déphaseur (12) et d'un multiplicateur (13), une tension présentant un déphasage de par rapport à la tension d'alimentation, l'amplitude de ladite tension indiquant l'intensité de la polarisation du dé- tecteur. 6. Appareil pour déterminer un élément recouvrant sur la surface d'une chaussée, du type comportant - un oscillateur (1) délivrant des impulsions et agencé de ma- nière à produire un signal de mesure, - un circuit (2) de mesure du courant, agencé de manière à me- surer le courant de mesure fourni par le signal produit par l'oscillateur (1), - un détecteur bipolaire (5) inséré dans la chaussée et auquel le signal produit par l'oscillateur (1) peut être envoyé, et - un circuit (6) de mesure du signal de conductivité, agencé de manière à mesurer le rapport du courant de mesure délivré par l'oscillateur (1) sur la tension présente entre les pôles du détecteur, de manière à déterminer la conductivité de l'élé- ment recouvrant sur la surface de la chaussée, caractérisé par - un interrupteur (3) servant à ouvrir le circuit (6) de mesure de la conductivité, de manière à permettre la mesure du signal de surface, - un circuit (4) d'inversion de la polarité du détecteur, ser- vant à inverser le sens du courant de mesure, - un circuit (7) de mesure du signal de surface, servant à me- surer l'épaisseur de l'élément recouvrant sur la surface de la chaussée, ainsi que par - un circuit logique d'alarme (8) agencé de manière à indiquer un état gelé éventuel de la chaussée sur la base des valeurs de tension du signal de conductivité et du signal de sur- face. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que les électrodes du détecteur (5), constituées de fibre de carbone, sont forméespar moulage d'araldit D (16), ce qui permet d'accroître leur durabililté et d'améliorer la compatibilité thermique entre le détecteur et la route.