Brevet FR2624319A1 — publié le 19890609

Perfectionnements aux dispositifs de Drotection contre la foudre. Pour protéger les édifices contre la foudre, on connaît les paratonnerres, appareils composés d'une pointe ou tige métallique dressée verticalement sur le faîte des édifices à protéger et reliée au sol. Pour accroitre l'efficacité de ces appareils, il a été proposé de leur faire émettre des ions par temps d'orage, ce qui renforce leur pouvoir attractif de la foudre en créant dans l'espace aérien des chemins privi- légiés pour celle-ci. Pour écarter l'obligation de prévoir une alimen- tation électrique spéciale pour ces émetteurs d'ions, il a déjà été prévu de placer une source radioactive au voisinage de la tige, mais une telle formule présente l'inconvénient de disséminer dans la nature des sources potentiellement dangereuses. Dans le même but, il a été également prévu de produire les ions par décharge électrique d'éléments piézo-électriques sollicités mécaniquement par les vents d'orage, mais ces éléments et leurs supports sont fragi- les et onéreux et leur fonctionnement suppose que souf- flent des vents suffisamment forts. Encore dans le but indiqué, il a été prévu d'as- surer l'alimentation électrique des émetteurs d'ions à partir du potentiel électrostatique naturellement créé lors des orages entre le sol et les nuages, en ayant re- cours à cet effet à des organes de prise de potentiel atmosphérique. Ces organes sont encombrants et peu esthétiques. L'invention a également pour but de supprimer au moins en partie le recours à une source d'alimentation électrique permanente pour l'émission des ions, et à cet effet d'exploiter l'un des phénomènes qui se manifestent naturellement par temps d'orage. Le phénomène ici exploité est l'émission d'ondes électromagnétiques à fréquence élevée par les utraceurs" ionisés qui sont eux-mêmes formés dans les nuages ou près du sol et qui sont habiles à acheminer la foudre. Les demandeurs ont en effet réalisé que ces ondes, qui se propagent à la vitesse de la lumière, par- venaient au niveau de l'appareil de protection bien avant les traceurs émetteurs eux-mêmes, lesquels se pré- sentent sous la forme de plasmas se propageant à environ 100 km par seconde, et suffisamment en avance pour que leur exploitation immédiate puisse se traduire par l'é- mission ionique désirée en temps voulu, c'est-à-dire juste avant la chute de la foudre acheminée par lesdits traceurs à proximité de l'appareil. Pour exploiter cette observation, les appareils de protection contre la foudre selon l'invention com- prennent encore des moyens pour provoquer des émissions d'ions à proximité immédiate d'une pointe métallique ou analogue reliée à la terre et ils sont essentiellement caractérisés en ce qu'ils comportent en outre une sonde propre à détecter les ondes électromagnétiques de fré- quence supérieure à 100 kHz émises par les traceurs, et à transformer ces ondes en la haute tension nécessitée par l'émission ionique. Dans des modes de réalisation préférés, on a re- cours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes: - la sonde comprend comme organe d'entrée une bobine présentant un grand nombre de spires, nombre compris notamment entre 5000 et 20.000, enroulées autour d'un noyau de perméabilité magnétique élevée, savoir de préférence supérieure à 1000, - la sonde comprend comme organe d'entrée un condensa- teur à électrodes parallèles et rapprochées dont la capacité est supérieure à 50 pF, - l'organe d'entrée de la sonde est directement raccordé à une électrode de décharge propre à engendrer des ions au voisinage de la pointe dès qu'elle est alimen- tée en une haute tension, notamment supérieure à 3 kV, - la sonde comprend successivement, après son organe d'entrée, un condensateur monté en dérivation sur cet organe de façon à être chargé par la sortie de celui- ci à travers un redresseur, un comparateur agencé de façon à délivrer une tension continue U dès que la tension V développée aux bornes du condensateur dépas- se un seuil prédéterminé Vs, un oscillateur déclenché par la tension U, un interrupteur électronique excité par la sortie de cet oscillateur et monté en série avec le primaire d'un autotransformateur, et une élec- trode de décharge montée en série avec le secondaire de l'autotransformateur, électrode de décharge propre à engendrer des ions au voisinage de la pointe dès qu'elle est alimentée en une haute tension, notamment supérieure à 3 kV, - dans la sonde selon l'alinéa précédent, l'oscillateur est alimenté par la tension V, - dans la sonde selon l'alinéa qui précède le précédent, l'oscillateur est alimenté par une source électrique permanente. L'invention comprend, mises à part ces disposi- tions principales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après. Dans ce qui suit, l'on va décrire plusieurs modes de réalisation de l'invention en se référant au dessin ci-annexé d'une manière bien entendu non limita- tive. La figure 1, de ce dessin, illustre le principe de fonctionnement d'un appareil de protection contre la foudre conforme à l'invention. La figure 2 est le schéma d'un premier mode de réalisation d'un tel appareil. La figure 3 est le schéma d'un second mode de réalisation d'un tel appareil. La figure 4 montre la forme des tensions déve- loppées respectivement en plusieurs points de l'appareil schématisé sur la figure 3. Sur la figure 1 on voit une pointe métallique 1 dressée verticalement à partir du faite d'un édifice 2 et reliée à la terre par un conducteur 3. A proximité de l'extrémité de la pointe 1 se trouve une électrode de décharge 4 propre à engendrer des ions 5 lorsqu'elle est alimentée par une tension élevée, généralement supérieure à 3 kV. Cette électrode de décharge 4 est elle-même re- liée à une sonde 6 par l'intermédiaire d'un circuit 7 de liaison et/ou de traitement sur lequel on reviendra plus loin. Les nuages qui se forment au-dessus de l'édifice 2 par temps d'orage sont visibles en 8. Lorsqu'il se produit des décharges électriques en un point 0 de ces nuages 8, on peut considérer en première approximation que ces décharges se traduisent par la création d'un traceur 9 se présentant sous la forme d'un plasma de particules ionisées oscillant à une fréquence de l'ordre de 1 MHz et se propageant à une vitesse relativement faible, de l'ordre de 100 km par seconde, ledit traceur émettant lui-même un rayonnement ou onde électromagnétique 10 se propageant à la vitesse de la lumière (environ 300.000 km par seconde) à la même fréquence que ce traceur. Vu ces différences de vitesse, l'onde en ques- tion parvient à la sonde 6 avant que le traceur ait pu l'atteindre: c'est ainsi que, si le point 0 est situé à 1000 m de la sonde 6, le délai entre les arrivées suc- cessives de l'onde et du traceur au niveau de la sonde est de l'ordre de 10 ms. Il existe donc à ce niveau un délai non négli- geable entre l'instant o l'arrivée de la foudre est annoncée et l'instant de cette arrivée effective. C'est ce délai qui est exploité conformément à l'invention pour provoquer immédiatement l'émission des ions susceptibles d'aiguiller correctement la foudre vers la pointe 1 lorsqu'elle parvient à proximité de cette pointe. A cet effet les ondes électromagnétiques 10, de fréquence supérieure à 100 kHz, sont détectées et ex- ploitées pour engendrer la haute tension nécessaire à l'émission des ions. L'appareil ou "sonde" destiné à cette exploita- tion comprend une "antenne" ou organe d'entrée 11 sen- sible aux ondes indiquées, lesquelles engendrent un champ électromagnétique à haute fréquence correspondant à des tensions électriques de l'ordre de quelques volts. Cet organe d'entrée 11 est notamment une bobine comprenant un grand nombre de spires enroulées autour d'un noyau à perméabilité magnétique élevée. Le nombre des spires est de préférence compris entre 5000 et 20.000, étant par exemple de l'ordre de 10.000, alors que la perméabilité du noyau, dont la section droite est par exemple de l'ordre du cm, est supérieure à 1000, ce noyau étant notamment constitué en ferrite. Ledit organe d'entrée 11 pourrait également être constitué par un condensateur présentant deux électrodes parallèles et rapprochées l'une de l'autre, leur écarte- ment étant notamment de l'ordre de 1 à 100 mm, ce qui produit des capacités de l'ordre de 50 pF à 50 nF, de préférence de l'ordre de quelques nF. Si l'énergie collectée par l'organe d'entrée 11 est suffisante pour engendrer une tension électrique supérieure à 3 kV, cet organe peut être directement branché sur l'électrode de décharge 4 comme il a été schématisé sur la figure 2. Dans des modes de réalisation plus élaborés schématisés sur la figure 3, un circuit électronique 7 de traitement est interposé entre l'organe d'entrée 11 et l'électrode de décharge 4. Ce circuit 7 comprend successivement: - un redresseur 12, - un condensateur 13 monté en dérivation de façon à être chargé progressivement par la sortie de l'organe d'en- trée 11 redressée en 12, - un comparateur 14 dont une entrée est branchée aux bornes du condensateur 13, agencé de façon à comparer la tension V développée aux bornes de ce condensateur avec une tension de seuil Vs définie par une diode Zener 15, - un oscillateur 16 relié à la sortie du comparateur 14, - et un interrupteur électronique 17 excité par la sor- tie de l'oscillateur 16 et monté en série avec le pri- maire 18 d'un autotransformateur dont le secondaire 19 - est branché sur l'électrode de décharge 4. Le rapport de transformation de l'autotransfor- mateur 18,19 est avantageusement compris entre 500 et 2000, étant par exemple égal à 1000. Le fonctionnement de ce circuit est le suivant. Dès que la tension V développée aux bornes du condensateur 13 dépasse le seuil Vs, le comparateur 14 délivre sur sa sortie A une tension continue U (voir figure 4) propre à déclencher l'oscillateur 16, lequel délivre alors sur sa sortie B un train d'impulsions de tension W à une fréquence F qui est par exemple de l'ordre de 10 kHz ou supérieure, chaque période corres- pondant alors à un déplacement de traceur de l'ordre de m ou moins. Ce train d'impulsions W commande alternativement l'ouverture et la fermeture de l'interrupteur 17, ce qui développe aux bornes du primaire 18 (point C sur la fi- gure 3) un train d'impulsions X dont chacune présente un pic P. A ces impulsions X correspondent aux bornes du secondaire 19 des impulsions de tension Y comportant chacune un pic R dont l'amplitude est très élevée cette amplitude peut facilement atteindre ou même dépas- ser 10 kV et il correspond à la succession de ces pics une émission chronique d'ions 5 à l'extrémité de la pointe 1, au rythme de la fréquence F. Dans le mode de réalisation schématisé sur la figure 3, la tension d'alimentation du circuit est di- rectement prélevée sur le condensateur 13, lequel emma- gasine en permanence l'énergie recueillie par l'antenne 11, énergie prélevée sur le rayonnement électromagnéti- que 10. Selon une variante, la tension d'alimentation est engendrée par une source permanente telle que la pile 20 représentée en traits mixtes sur la figure 3; dans ce cas, il faut supprimer du schéma de ladite figu- re le tronçon de fil vertical désigné sur celle-ci par la référence T. Les circuits électroniques du comparateur et de l'oscillateur 16 ont été représentés schématiquement sur la figure 3, mais ils n'ont pas été détaillés du fait qu'ils sont connus en eux-mêmes du technicien. On notera toutefois que le schéma adopté pour l'oscillateur 16 correspond à une réalisation extrême- ment simple, consommant très peu de courant, et suscep- tible d'être réalisée, tout comme le comparateur 14 d'ailleurs, à l'aide de composants semi-conducteurs du type C MOS. En suite de quoi, et quel que soit le mode de réalisation adopté, on dispose finalement d'appareils de protection contre la foudre dont la constitution, le fonctionnement et les avantages résultent suffisamment de ce qui précède. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ail- leurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réali- sation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection contre la foudre, comprenant une pointe métallique ou analogue (1) dressée verticalement et reliée à la terre et des moyens (4) pour provoquer des émissions d'ions (5) à proximité immédiate de la pointe, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une sonde (6,7) propre à détecter les ondes électromagnétiques (10) de fréquence supérieure à 100 kHz émises par des traceurs (9), et à transformer ces ondes en la haute tension nécessitée par l'émission ionique. 2. Dispositif de protection selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que sa sonde (6,7) comprend comme organe d'entrée (11) une bobine présentant un grand nombre de spires enroulées autour d'un noyau de perméabilité magnétique élevée. 3. Dispositif de protection selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que sa sonde (6,7) comprend comme organe d'entrée un condensateur à électrodes pa- rallèles et rapprochées dont la capacité est supérieure à 50 pF. 4. Dispositif de protection selon l'une quel- conque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe d'entrée (11) de la sonde est directement raccordé à une électrode de décharge (4) propre à engen- drer des ions au voisinage de la pointe (1) dès qu'elle est alimentée en haute tension. 5. Dispositif de protection selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la sonde comprend successivement, après son organe d'en- trée (11), un condensateur (13) monté en dérivation sur cet organe de façon à être chargé par la sortie de celui-ci à travers un redresseur (12) ,'un comparateur (14) agencé de façon à délivrer une tension continue U dès que la tension V développée aux bornes du condensa- teur dépasse un seuil prédéterminé Vs, un oscillateur (16) déclenché par la tension U, un interrupteur élec- tronique (17) excité par la sortie de cet oscillateur et monté en série avec le primaire (18) d'un autotransfor- mateur, et une électrode de décharge (4) montée en série avec le secondaire (19) de l'autotransformateur, élec- trode de décharge propre à engendrer des ions au voisi- nage de la pointe (1) dès qu'elle est alimentée en haute tension. 6. Dispositif de protection selon la revendica- tion 5, caractérisé en ce que l'oscillateur (16) est alimenté par la tension V. 7. Dispositif de protection selon la revendica- tion 5, caractérisé en ce que l'oscillateur (16) est alimenté par une source électrique permanente (20).