DEVICE FOR DETECTING THUNDERSTORMS

Abstract: 1. Device for detecting an electric field, comprising ; - detector means (2) comprising ; . first (13) and second (7) electrically conductive surfaces facing and and electrically insulated from one another and spaced apart, and . vibration means (5, 6) adapted to vibrate in a given direction through the action of an alternating electric current, fastened to the first (13) and second (7) surfaces, and adapted to vibrate the first surface (13) relative to the second surface (7) and - electronic means (3) for processing signals emitted from the surfaces when the latter vibrate in the electrical field, said device being characterized in that the electrical field is the atmospheric electrical field, in that the first surface (13) and the second surface (7) are fastened to the vibration means in such a manner that the amplitude of the space between them can be counted parallel to said direction and that, when thus counted, this amplitude varies in the course of time when this vibration occurs, in that the electronic means (3) are designed to process and, after the processing, to compare with an adjustable voltage threshold an alternating voltage (UC ) generated between the first (13) and second (7) conductive surfaces by the atmospheric electrical field when said vibration takes places, and in that the device further comprises means (4) for signalling the exceeding of said adjustable threshold by said voltage (UC ) after it has been processed, in such a manner as to permit detection of a thunderstorm.

Description: 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 où la foudre présente un danger pour le personnel ou les équipements, la connaissance de la probabilité d'un orage peut permettre. de prendre les précautions appropriée. Ceci peut se produire lorsque des personnes sont amenées à travailler sur des installations émergeant de l'environnement ou des installations non pourvues a'équipements de protection contre la foudre, lorsque des explosifs sont manipules 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 dispositif apte à prévenir d'un danger de foudre. La prev- sion obtenue grâce à ce dispositif peut toujours entrez améliorée par une interprétation plus soignée des signaux délivrés, par l'usage conjoint d'équipements annexes ou par la connaissance d'informations météorologiques. Toutefois le dispositif selon l'invention constitue un technique de prévision utilisable par du personnel sans qualification particulière ; il peut signaler le danger d'apparition de la foudre même quand ce danger ne peut être déduit de l'aspect visuel des nuages ou d'autres mesures classiques. On connaît un dispositif de détection d'orage, qui est décrit dans la demande de brevet français nb 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 électrique terrestre et soumises à ce champ, par un écran conducteur relié à la masse et tournant à l'aide d'un moteur. 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. I1 est facilement réalisable à laide d'un matériel commercialement disponible 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, caractérisé 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 sur-face 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 croît brusquement pour atteindre et dépasser 10 kV/m. I1 y a donc une grande différence entre le champ électrique atmosphérique 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 kilovolt par mètre par exemple. Les première et seconde surfaces conductrices forment les armatures d'un condensateur et des charges électriques de signes opposés sont respectivement créées sur ces deux surfaces conductrices placées dans le champ électrique atmosphérique, par ledit champ. I1 existe donc une tension électrique entre ces surfaces conductrices, tension qui est d'une part proportionnelle 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 conductr-ices augmentent donc en valeur absolue et il en est de meme pour l'amplitude de la tension électrique alternative existant entre ces surfaces. 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 lumineux, ou un signal de commande de dispositifs de protection contre la foudre. Grâce à l'invention, on dispose ainsi d'un appareil de détection efficace, fournissant une information pendant la période d'accumulation des charges électriques dans les nuages susceptibles d'engendrer les orages, avant l'apparition de tout éclair. De préférence, les première et seconde surfaces conductrices sont tournées vers une direction verticale, c'est-à-dire vers le sol ou vers le ciel. En effet, la disposition générale des surfaces équipotentielles du champ électrique atmosphérique est horizontale. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, les moyens de vibras tion-sont des moyens électriques, conçus pour fonctionner à l'aide dtune tension électrique alternative et pourvus de deux bornes électriques d'alimentation en courant électrique, l'une des deux ornes est électri quement reliée à la première surface conductrice et ladite 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 déterminer 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 atmosphérique, de façon à connaître le sens de ce champ. Selon un autre mode de réalisation particulier, les moyens électroniques de traitement et de comparaison comportent en outre des moyens d'enregistrement des variations temporelles de la tension électrique alternative engendrée par le champ électrique at mosphér ique. De préférence, cet enregistrement est effectué pendant un temps suffisamment long comportant des périodes de beau temps et des orages. Llexamen 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 difficilement 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 conductrices 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'invention est-elle fonction de sa hauteur, de son emplacement, etc... On ne peut donc prérégler le seuil d'alarme. Les moyens détecteurs peuvent être consti- tués par un cristal pié-zonlectrique 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 magnétique, alimen tée par un courant alternatif, et par un aimant permanent prévu pour faire vibrer la bobine, les première et seconde surfaces conductrices étant alors respectivement rendues solidaires de la bobine et de l'aimant. Mais de préférence, les moyens détecteurs sont constitués par un haut-parleur électrodynamique comportant une bobine magnétique, une membrane pourvue d'un reve- tement métallique et rendue solidaire de la bobine, un saladier électriquement conducteur et un aimant permanent rendu solidaire du saladier et prévu pour faire vibrer la bobine magnétique lorsque celle-ci est alimentée 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 revetement métallique et par le saladies Enfin, de préférence, les moyens détecteurs sont placés dans un boitier étanche à l'eau, de façon à être protégés de la pluie et, plus généralement, des intemper es. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donne a titre indicatif et non limitatif, en référence au dessin annexe Sur ce dessin, on a représenté schématique- ment un mode e réalisation particulier du dispositif de détection dorage objet de 11 invention. Il comprend des moyens détecteurs 2, des moyens électroniques de traitement et d 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 connue dans l'état de la technique, un aiat permanent 3, une bobine magnétique mobile 6, un saladier métallique 7 et une membrane vibrante 8. L'aimant permanent 5 comporte un pôle central 9 et un pôle annulaire 10 qui délimitent l'entrefer de l'aimant. Dans cet entrefer, où règne un champ magnétique, se trouve à bobine magnétique mobile 6 capable de se mouvoir longitudinalement. L'aimant 5 est rendu solidaire du saladier 7 et la bobine 6 est disposée sur un man eon il rendu solidaire de la membrane 8. Enfin, cette m rare 5 est raccorde au saladier 7 par une suspension élastique 12 électriquement isolante, disposée sur le pourtour d cette membrane 8. Le haut-parleur 2 est adapté à l'invention de la façon suivante : la membrane 8 est pourvue d'un revêtement métallique 13 qui la rend électriquement con ductrice. Ce revetement 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 revetement 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 constituent respectivement une première et une seconde bornes d'alimentation de la bobine 6 en courant électrique. Pour établir ladite liaison électrique entre le reveAtement 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 extrémités 20 et 21 qui sont ensuite passées par un trou 22 pratiqué dans la membrane 8 et mises en contact électrique 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 assurer ledit contact. On rétablit ainsi la liaison électrique entre la bobine 6 et sa première borne 16. Cette première borne 15 est de plus mise à la masse. Lorsqu'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 seconde 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 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 bottier 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 lesol 25. Par ailleurs, le haut-parleur 2 est, de préférence, situé en dehors de tout bâtiment, arbre, pylône, point haut... Les moyens électroniques 3 de traitement et de comparaison comprennent essentiellement un amplificateur 28, une cellule redresseuse 29, un détecteur de phase 30, un comparateur à seuil 31 et des moyen$ d'enregistrement 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 exemple, 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 détecteur de phase 30 est portée au meme potentiel alternatif 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 rater 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 électriquement reliée aux moyens de signalisation 4. La borne P du condensateur 33 est également él-ectriquement 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'invention représenté sur le dessin annexé est le suivant : la tension alternative UA est appliquée entre les bornes 16- et 17 de la bobine, cet-te tension résul- tant par exemple du secteur 220V alternatif (fréquence : 50 Hz) convenablement transformé pour être adapté à la bobine. Par conséquent, la membrane 8 et son revê- tement métallique 13 vibrent par rapport au saladier métallique 7. Or, ce dernier et le revêtement se comportent, dans le champ électr-ique atmosphérique, comme les deux armatures d'un condensateur chargé proportionnellement à ce champ électrique atmosphérique. Il ex is- 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 potentiel alternatif Uc et un signal correspondant à ce potentiel UC est transmis à l'amplificateur 28 par le conducteur électrique 14. Le signal est amplifié par cet amplificateur, puis redressé par la cellule redresseuse 29 et filtré par le condensateur 33. Ce signal est ensuite appliqué, d'une part, aux moyens d'enregistrement 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 indiqué plus haut, à l'aide de l'enregistrement des variations 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 aptes 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 comparateur 31 est portée au niveau logique o, aucun signal 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 respectivement à la tension UC proportionnelle au champ électrique atmosphérique et à la tension UA d'alimentation de la bobine 6 et détermine la différence 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 selon 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 ut 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 signalisation peuvent etre situés à proximité des moyens détecteurs 2 ou, au contraire, en être éloignés.

Claims: REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection d'orage, caractérisé 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 (U) une fois traitée. 2. Dispositif selon la revendication 1, Ca- ractérise en ce que les première (13) et seconde (7) surfaces conductrices sont tournées vers une direction verticale. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 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 alternative (UA) et pourvus de deux bornes électriques (16, 171 d'alimentation en courant électrique, en ce que l'une (1S) des deux bornes est électriquement reliée à la première surface conductrice (13) et en ce que ladite tension électrique alternative (Uc) engendrée par le champ électrique atmosphérique est recueillie entre les première (13) et seconde (7) surfaces conductrices. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé 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 (UA) 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 revendications 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 alternative (UC) engendrée par le champ électrique atmosphérique. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications-l à 5, caractérisé en ce que les moyensdétecteurs (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 revêtement métallique (13) et par le saladier (7). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens détecteurs (2-) sont placés dans un boîtier (24) étanche à l'eau.

Inventors: BERLANDIS, JEAN-PIERRE
Applicants: COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ETABLISSEMENT DE CARACTERE SCIENTIFIQUE TECHNIQUE ET INDUSTRIEL
Application year: 1983
Main classification: G01W1
IPC codes: G01W1