Brevet FR2998676A1 — publié le 20140530

La présente invention concerne un détecteur de coups de foudre dans une zone de détection donnée autour dudit détecteur. La présente invention sera particulièrement utilisée pour la détection de coups de foudre et des agressions foudre dans des installations 5 industrielles, et notamment dans des installations sensibles du point de vue de la sécurité. Toutefois, bien que particulièrement prévu pour une telle application, le détecteur de coups de foudre pourra également être utilisé pour venir équiper toute zone dans laquelle il est important de compter le nombre 10 d'impacts de coups de foudre reçus dans la zone de détection. Dans les installations industrielles, les conséquences d'un impact de foudre peuvent être considérables. Pour limiter les risques liés aux coups de foudre, de nombreux bâtiments appartenant à ces installations industrielles sont équipés de 15 paratonnerres, tandis que les éléments électriques sont équipés de systèmes de protection de type parafoudre. Compte tenu de la surface parfois très étendue de ces installations industrielles, les différents paratonnerres ne permettent pas d'éviter de manière certaine que les coups de foudre ne viennent toucher directement ces 20 installations. Par ailleurs, les nombreux systèmes parafoudres disposés sur les équipements électriques de l'installation ne peuvent pas non plus être vérifiés en continu, ou encore à chaque démarrage des installations, de manière à établir si ces derniers sont encore actifs ou s'ils ont été détériorés par un coup 25 de foudre, de sorte que les installations électriques ou électroniques ne seraient plus protégées. La taille de l'installation industrielle augmente le risque que cette dernière soit touchée par des coups de foudre, ainsi de manière statistique, une installation industrielle d'un km2 reçoit en moyenne un coup de foudre au 30 sol par an. Le risque pour l'industriel, lorsque le coup de foudre n'a pas été remarqué, par exemple lorsque celui-ci survient la nuit ou encore le week-end, est que ce dernier provoque des dégradations sur le site, sans pour autant que ces dégradations n'apparaissent de manière évidente aux agents de 35 maintenance. Dans ce cas, notamment parce que les sites industriels comportent de plus en plus d'ordinateurs sensibles aux décharges électriques et que ces usines sont de plus en plus automatisées, il y a un risque important d'accident lors du redémarrage des installations. On connaît différents systèmes permettant, soit de prévoir, soit de détecter un coup de foudre dans une zone géographique donnée. Ces systèmes fonctionnent sur la détection d'une variation de champ électrique, à l'aide de détecteur électromagnétique de localisation. Pour permettre de détecter un point d'impact de la foudre, on utilise 10 plusieurs de ces détecteurs, au minimum trois, et par triangulation en fonction des données reçues par chacun de ces capteurs, on parvient à déterminer une zone probable d'impact. Cette technique est utilisée de manière relativement efficace pour constituer un réseau permettant le suivi du déplacement d'un orage. 15 L'inconvénient de cette technique est qu'elle nécessite un nombre de détecteur important et par conséquent se révèle très coûteuse. Par ailleurs la précision obtenue par ces réseaux est en général de l'ordre de 5 km, de sorte que cette technique n'est pas suffisamment précise pour être adaptée au comptage de coup de foudre sur une zone resserrée telle 20 que celle correspondant à une installation industrielle moyenne ou même importante. Pour des raisons économiques, il n'est pas non plus envisageable de resserrer le maillage de ces capteurs, afin d'obtenir une précision plus importante. Enfin cette technique n'est pas non plus prévue pour la surveillance 25 de zones isolées ou encore dans des pays dans lequel la densité des installations industrielles est insuffisante pour rentabiliser le déploiement d'un réseau de surveillance. La présente invention a pour but de proposer un détecteur de coups de foudre dans une zone de détection donnée, telle que lesdits 30 détecteurs de coups de foudre permettent de comptabiliser de manière fiable le nombre de coups de foudre reçu sur la zone surveillée. Un autre objet de la présente invention est de proposer un détecteur de coups de foudre indépendant, c'est-à-dire ne nécessitant pas la présence d'autres détecteurs de coups de foudre pour déterminer une zone 35 probable d'impact d'un coup de foudre. Un autre objet de la présente invention est de proposer un détecteur de coups de foudre dans lequel la zone de détection est circulaire et dont le rayon peut être ajusté de manière à couvrir un site industriel de plusieurs kms2. Un autre objet de la présente invention est de proposer un détecteur de coups de foudre permettant d'alerter l'agent de maintenance du site de l'existence d'impact de coup de foudre, soit à distance et en temps réel, soit sur place lorsque les agents de maintenance reviennent sur le site. A cet effet, le détecteur de coups de foudre, dans une zone de 10 détection donnée, comprend selon l'invention : - des premiers moyens de mesure du champ électromagnétique ou électrostatique, - des seconds moyens de mesure d'une onde acoustique, - des moyens de stockage des données mesurées couplées à 15 une horloge, - des moyens de traitement de calcul de la distance d'impact du coup de foudre par rapport audit détecteur en fonction des données mesurées, - des moyens d'enregistrement du nombre d'impacts de la foudre 20 dans la zone de détection donnée de rayon R autour du détecteur. La présente invention vise également un procédé de comptage des coups de foudre pour la mise en oeuvre du détecteur tel que précité, ledit procédé de comptage comportant : 25 - une étape de mesure en continu du champ électromagnétique ou électrostatique, - une étape de mesure en continu d'une onde acoustique à au moins une fréquence donnée, - une étape de traitement permettant de coupler la variation du 30 champ électromagnétique ou électrostatique à une détection d'un signal sonore sur au moins une fréquence donnée permettant de déterminer la distance d'impact d'un coup de foudre par rapport au détecteur, - une étape d'enregistrement du nombre d'impacts de la foudre 35 dans la zone de détection autour du détecteur. La présente invention sera mieux comprise à la lecture ci-après d'un exemple détaillé de réalisation, fourni à titre d'exemple non limitatif et en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 représente de manière schématique un exemple de répartition des charges électriques à la fois dans le nuage orageux et sur le sol, avant le coup de foudre ; - la figure 2 représente une courbe d'évolution dans le temps du champ électrostatique pendant une série de coups de foudre entre un nuage et le sol ; - la figure 3 représente un exemple de réalisation schématique d'un détecteur de coups de foudre dans une zone de détection donnée, réalisée conformément à la présente invention. En se reportant à la figure 1, on voit un exemple classique de 15 répartition des charges électriques entre les différentes couches de nuages et également entre la base du nuage et la surface de la terre. On constate qu'avant la décharge, le nuage constitue un dipôle, les charges positives ayant été entraînées par les courants ascendants vers le sommet du nuage, tandis que les charges négatives plus lourdes sont restées 20 à la base du nuage. Cette répartition n'est qu'approximative mais décrit bien l'ensemble du phénomène. Au niveau du sol, lorsque le terrain est sensiblement plat et que les conditions atmosphériques sont calmes, à savoir par beau temps, le champ électrique est de l'ordre de 100 à 250 volts par mètre. 25 De manière connue, lorsque le nuage est en formation au-dessus du sol ou à son arrivée, le champ électrique s'inverse au niveau du sol sous l'effet des charges négatives réparties à la base du nuage. Lorsque l'intensité du champ électrique au niveau du sol atteint une certaine intensité, à savoir en valeur absolue 10 à 15 kv/m, les risques de 30 décharge au sol sont importants. En se reportant à la figure 2, on voit un exemple de variation du champ électrostatique en fonction du temps, l'enregistrement correspondant à plusieurs décharges autrement appelées coups de foudre entre les nuages et le sol. Dans la présente invention, le détecteur de coups de foudre utilise des premiers moyens de mesure du champ électromagnétique ou électrostatique. Toutefois, on utilisera avantageusement des moyens de mesure du champ électrostatique, l'enregistrement du champ électromagnétique présente en effet de nombreux signaux secondaires ou encore des éléments parasites, rendant plus complexe l'analyse et le traitement des mesures du champ électromagnétique. A la figure 2, on voit représenté un certain nombre de décharges ou coup de foudre. A chaque fois le signal électrostatique varie avec une première partie correspondant à la décharge du condensateur formé par le sol et la base du nuage, cette première partie étant appelée «saut de champ» et représentée par les segments notés A sur la figure 2. Après cette phase de décharge de condensateur, le signal varie à 15 nouveau, ce qui correspond à la recharge du condensateur, et est représenté à la figure 2 par les segments B. Dans la présente invention, c'est l'identification des sauts de champ électrostatiques qui va permettre de déterminer de manière précise, la réalité d'un coup de foudre. 20 En plus de la décharge de courant, l'arc de foudre crée une onde de chocs qui se transforme en onde acoustique après quelques dizaines de mètres de propagation, et qui correspond au bruit reçu par un observateur, lorsqu'il se trouve à proximité d'un coup de foudre. De manière connue, on sait que les fréquences basses de l'onde 25 acoustique rayonnent dans toutes les directions, tandis que les fréquences élevées ont tendance à rayonner de manière radiale par rapport à l'orientation du segment du canal de foudre. En se reportant cette fois principalement à la figure 3, on voit représenté un détecteur de coups de foudre 1, avec des premiers moyens de 30 mesure du champ électrostatique 2. Dans un mode de réalisation préféré, ces moyens de mesure du champ permettent la mesure du champ électrostatique, et plus particulièrement de la variation de ce champ électrostatique avantageusement à l'aide d'un moulin à champ. Toutefois, dans d'autres modes de réalisation, on pourra mesurer non pas le champ électrostatique, mais le champ électromagnétique et, notamment, dans sa partie visible. Par ailleurs, le dispositif utilisé pour réaliser la mesure n'est pas 5 limitéau moulin à champ, et d'autres moyens de mesure pourront être utilisés, tels que notamment un électromètre. Selon l'invention, le détecteur 1 comporte en outre des seconds moyens de mesure 3, ces seconds moyens de mesure 3 permettent de mesurer l'onde acoustique émise par le coup de foudre à une fréquence 10 donnée. Le détecteur de coups de foudre 1 comporte également des moyens de stockage 4 des données mesurées par à la fois les premiers moyens de mesure 2 et les seconds moyens de mesure 3. De manière avantageuse, ces moyens de stockage seront 15 constitués par un mémoire de type EEprom. Ces moyens de stockage 4 des données sont également couplés à une horloge 5, permettant d'associer les mesures issues des premiers moyens et seconds moyens de mesure 2 et 3. Le détecteur de coups de foudre 1 comporte également un module 20 de traitement 6, avec des moyens de traitement 7 permettant le calcul de la distance d'impact de coups de foudre par rapport au détecteur 1, en fonction des données mesurées. Le module de traitement 6 comporte en outre des moyens d'enregistrement 8 du nombre d'impacts de la foudre. Avantageusement, ce module de traitement 6 comporte également 25 des moyens de réglage 9 permettant de régler le rayon de la zone de détection autour du détecteur 1. Enfin, le détecteur 1 comporte également des moyens d'affichage 10, ces moyens d'affichage 10 pouvant se situer soit au niveau du détecteur 1, soit de manière déportée et, par exemple, reliés au moyen d'un émetteur 12à 30 une unité centrale disposée au niveau du site industriel auquel le détecteur 1 est rattaché. Le détecteur 1 peut comprendre également de manière avantageuse des moyens d'alarme 11 en interne, mais là encore ces moyens d'alarme 11 peuvent être déportés, par exemple au niveau de l'unité centrale 35 citée précédemment, les données étant transmises par l'intermédiaire d'un émetteur 12. 2 9986 76 7 Le procédé de comptage de coups de foudre mettant en oeuvre le détecteur de coups de foudre 1 comporte une première étape qui est une étape de mesure en continu du champ électrostatique de préférence, ou encore du champ électromagnétique dans une variante de réalisation. Cette étape de mesure en continu du champ électrostatique permet de suivre l'évolution du champ électrostatique, afin d'enregistrer un évènement pouvant correspondre à un coup de foudre. Dans le mode de réalisation décrit dans cette présente demande, on considère que lorsque la variation du champ électrostatique correspond à un saut de champ supérieur à 10kv/m par seconde, cette variation correspond à un coup de foudre possible dans la zone de détection de rayon R autour du détecteur 1.Le procédé de comptage comporte également une étape de mesure en continu, cette fois du champ acoustique en valeur crête et à au moins une fréquence donnée. De manière avantageuse, on privilégiera une surveillance d'au moins une fréquence élevée, les fréquences élevées permettant de mieux détecteur la distance entre le détecteur 1 et la source de l'onde acoustique, compte tenu du rayonnement essentiellement radial de ces fréquences. En effet, les fréquences basses rayonnent de manière omnidirectionnelle et l'analyse ces fréquences basses pourrait engendrer des erreurs d'interprétation sur la distance entre la source de l'onde acoustique et le détecteur 1. De manière avantageuse, la fréquence mesurée en continu lors de l'étape de mesure est comprise entre 1 000 hertz et 20 000 hertz. Par ailleurs, on considérera que le signal sonore dans cette gamme 25 de fréquences sera considéré comme un signal en provenance d'un coup de foudre, lorsque son amplitude sera supérieure à 100 décibels. Le procédé de comptage des coups de foudre comprend également une étape de traitement permettant de coupler la mesure de la variation du champ électrostatique à celle du signal sonore sur ladite au moins 30 une fréquence donnée. Ce couplage permet de déterminer la distance d'impact du coup de foudre par rapport au détecteur 1. Ainsi, lorsque la variation du champ électrostatique est enregistrée comme un coup de foudre, il faut encore déterminer si ce coup de foudre a lieu dans la zone de détection de rayon R autour du détecteur 1, ou au-delà. 35 Pour ce faire, le couplage entre la mesure de la variation du champ électrostatique et celle du signal sonore est nécessaire, ainsi, le coup de foudre est comptabilisé lorsque l'intervalle de temps entre une variation de champ enregistrée et un signal sonore enregistré est inférieur à une durée correspondant au temps de propagation de l'onde acoustique sur la distance R du rayon de la zone de détection autour du détecteur 1. De manière concrète, si la variation du champ électrostatique correspond à une valeur supérieure au saut de champ, elle est enregistrée comme un coup de foudre. Ce coup de foudre a donné lieu à un signal sonore également enregistré et l'étape de traitement permet de coupler ces deux mesures et leurs horaires associés, de manière à déduire une distance d'impact par rapport au détecteur 1. Lorsque la durée de l'intervalle de temps entre ces deux mesures est inférieure au temps de propagation de l'onde sur la distance R, le procédé de comptage enregistre dans une nouvelle étape un impact de foudre supplémentaire, dans la zone de détection autour du détecteur 1. A titre d'exemple, l'intervalle de temps entre la mesure du champ électrostatique enregistrée et celle du signal sonore enregistrée pourrait être de l'ordre de 2 secondes, ce qui correspond à une distance R autour du détecteur 1 de l'ordre de sept cents mètres, en prenant comme approximation une vitesse du son de l'ordre de 350 mètres par seconde et en considérant que l'onde électrostatique est mesurée de manière pratiquement instantanée par le détecteur 1. De manière avantageuse, le procédé de comptage du coup de foudre comporte une étape d'avertissement, à l'aide des moyens d'alarme précités, du personnel en charge de la maintenance de l'installation. Cette étape d'avertissement pourra par exemple être décalée aux heures d'ouverture de l'installation ou encore être envoyée instantanément, notamment en direction du personnel soumis à des astreintes. Le détecteur de coups de foudre 1 et le procédé de comptage associé permettent par conséquent de prévenir de l'existence de coups de foudre dans l'installation, que du personnel soit présent sur place ou non et permet par conséquent d'éviter des reprises de fonctionnement sans contrôle des installations qui auraient eu à subir des coups de foudre. En fonction des tailles des installations, ou encore de leur géométrie, on pourra également envisager de disposer sur un même site 35 industriel plusieurs détecteurs de coups de foudre réalisés conformément à la présente invention. Bien entendu, d'autres modes de réalisation et variantes à la portée de l'homme de l'Art auraient également pu être envisagés, sans pour autant sortir du cadre de l'invention défini par les revendications ci-après.5 REVENDICATIONS1. Détecteur de coups de foudre, caractérisé en ce qu'il comporte : - des premiers moyens de mesure du champ électromagnétique ou 5 électrostatique (2), - des seconds moyens de mesure d'une onde acoustique à une fréquence donnée (3), - des moyens de stockage des données mesurées (4) couplés à une horloge (5), 10 - des moyens de traitement (6) de calcul de la distance d'impact du coup de foudre par rapport audit détecteur (1) en fonction des données mesurées, - des moyens d'enregistrement (8) du nombre d'impacts de la foudre dans une zone de détection de rayon R autour du détecteur. 15 2. Détecteur selon la revendication 1, dans lequel les premiers moyens de mesure (2) permettent la mesure de la variation du champ électrostatique. 20 3. Détecteur selon la revendication 2, dans lequel les premiers moyens de mesure (2) comportent un moulin à champ. 4. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les seconds moyens de mesure (3) comportent un 25 analyseur de spectre. 5. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de traitement (6) comportent des moyens de calcul et de filtrage (7), permettant de détecter les sauts de champ 30 électrostatiques. 6. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant des moyens d'affichage (10) du nombre d'impacts de coups de foudre reçus sur la zone de détection. 7. Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant des moyens d'alarme (11) permettant d'avertir de l'existence d'impacts de coup de foudre dans la zone de détection. 8. Procédé de comptage de coups de foudre pour la mise en oeuvre du détecteur (1) sur l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on réalise : - une étape de mesure en continu du champ électromagnétique ou électrostatique, - une étape de mesure en continu du champ acoustique à au moins une fréquence donnée, - une étape de traitement permettant de coupler la mesure de la variation du champ électrostatique enregistré à celle d'un signal sonore enregistré sur ladite au moins une fréquence donnée, permettant de déterminer 15 la distance d'impact d'un coup de foudre par rapport au détecteur, - une étape d'enregistrement du nombre d'impacts de la foudre dans la zone de détection autour du détecteur (1). 9. Procédé de comptage selon la revendication 8, dans lequel on 20 mesure la variation du champ électrostatique, cette variation est enregistrée comme un coup de foudre, lorsqu'elle correspond à un saut de champ supérieur à 10Kv/m par seconde. 10. Procédé de comptage selon la revendication 8, dans lequel le 25 signal sonore est enregistré lorsque son amplitude est supérieure à 100décibels. 11. Procédé de comptage selon la revendication 8, dans lequel le coup de foudre est comptabilisé lorsque l'intervalle de temps entre la variation du champ enregistré et le signal sonore enregistré est inférieur à une durée 30 correspondant en temps de propagation de l'onde acoustique sur la distance R du rayon de la zone de détection autour du détecteur 1.