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Etre
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RC1
(3)
[8][_]
CORONA
(2)
[9][_]
DANS
(2)
[10][_]
CES
(1)
[11][_]
Cou
(1)
[12][_]
Physical
(20/ 23)
[13][_]
25 micron
(3)
[14][_]
50 microns
(2)
[15][_]
approximately 10 mm
(1)
[16][_]
de 1 metre
(1)
[17][_]
de 10 millimetres
(1)
[18][_]
10 coulomb
(1)
[19][_]
de 490 millibars
(1)
[20][_]
900 V/cm
(1)
[21][_]
65 kV/cm
(1)
[22][_]
45 kV
(1)
[23][_]
de 3,2 megavolts
(1)
[24][_]
2 kV
(1)
[25][_]
de 1000 millibars
(1)
[26][_]
200 millibars
(1)
[27][_]
40 kilometres
(1)
[28][_]
10 millimetres
(1)
[29][_]
5 millimetres
(1)
[30][_]
de 8 centimetres
(1)
[31][_]
de 6 centimetres
(1)
[32][_]
1 volt
(1)
[33][_]
Molecule
(5/ 8)
[34][_]
GOLD
(3)
[35][_]
monter
(2)
[36][_]
DES
(1)
[37][_]
carbon
(1)
[38][_]
RCl
(1)
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Polymer
(1/ 4)
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Rayon
(4)
[41][_]
Substituent
(1/ 1)
[42][_]
epoxy
(1)
[43][_]
Generic
(1/ 1)
[44][_]
radioactive
(1)
[45][_]
Disease
(1/ 1)
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Tic
(1)
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2518756A1
Family ID 8076899
Probable Assignee Onera Off Nat Aerospatiale
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA MESURE DU POTENTIEL ELECTRIQUE
D'UN CORPS ISOLE
EN Title ELECTROSTATIC POTENTIAL MEASUREMENT APPTS. FOR AIRCRAFT BODY
- USES GOLD WIRE PROXIMAL TO EXTERNAL BODY SURFACE TO PROVOKE CORONA
DISCHARGE PULSES WHOSE DISCHARGE CURRENT IS DETERMINED
Abstract
_________________________________________________________________
AFIN DE MESURER LE POTENTIEL ELECTRIQUE D'UN CORPS CHARGE 10 ISOLE AU
MILIEU, TEL QUE L'AIR ATMOSPHERIQUE DANS LE CAS D'UN AERONEF, ON
PRODUIT UNE DECHARGE CORONA PAR IMPULSIONS A PARTIR DE CE CORPS DANS
LE MILIEU EXTERNE A CELUI-CI AU VOISINAGE DE SA SURFACE 14. LES
QUANTITES D'ELECTRICITE MISES EN JEU PAR CHAQUE DECHARGE SONT
EXTREMEMENT FAIBLES GRACE AU CHOIX D'UNE ELECTRODE 20 TRES FINE TELLE
QU'UN FIL D'OR RELIE AU CORPS 10 PAR UNE RESISTANCE R23 DE VALEUR TRES
ELEVEE. LA PERIODE DE REPETITION DES IMPULSIONS EST RELATIVEMENT
GRANDE DEVANT LE TEMPS DE DISSIPATION DE LA CHARGE D'ESPACE CREEE PAR
CHAQUE DECHARGE DE SORTE QUE LA FREQUENCE DE CES DECHARGES VARIE
LINEAIREMENT EN FONCTION DU POTENTIEL DU CORPS 10 SUR UNE LARGE PLAGE.
In this process, a series of corona discharge pulses are generated
from the body (10) at a point (20) of the neighbouring medium situated
very close to the outside surface of the body (10). Each pulse
provides an amount of electricity which is very small in relation to
the charge of the body being less than 10 to the -10 C. A parameter of
the electrical current formed by this discharge is measured. The
device used in this process contains an electrode (20) connected to
the ground of the body (10) through a high resistance (R23) and whose
emitting point (22), situated near the outside surface of the body,
produces corona electrical discharges. The emission electrode
comprises a 25 micron dia. gold wire extending over approximately 10
mm. and having one end connected to a reistor, the other end being
left free to form the emissive point.
Description
_________________________________________________________________
Procede et dispositif pour la mesure du potentiel electrique d'un
corps isole.
L'invention est relative a la mesure du potentiel electrique d'un
corps isole, notamment d'un corps libre dans l'espace, et susceptible
d'accumuler des charges electriques, par frottement ou sous d'autres
influences, qui en elevent le potentiel jusqu'a des valeurs pouvant
atteindre plusieurs dizaines de kilovolts par rapport au milieu
ambiant.
Dans le cas de corps tels que des avions, des helicopteres ou des
engins evoluant dans l'atmosphere, ces charges electriques peuvent
etre la cause de perturbations fonetionnelles, notamment sur les
equipements de radionavigation et de radiocommunication embarques.
Elles representent egalement, lorsque ces aeronefs se rapprochent de
la terre et lorsqu'ils se posent, un danger d'electrocution pour les
personnes au sol qui entrent en contact avec ces corps. Elles peuvent,
enfin, etre a l'origine de la formation d'etincelles dans des milieux
explosibles.
Un moyen de faire face aux difficultes entrainees par l'accumulation
de charges electriques sur des corps isoles consiste a les equiper de
dispositifs denommes deperditeurs de potentiel qui provoquent ou
facilitent l'elimination des charges electriques dans le milieu
environnant, en empechant ainsi le potentiel d'atteindre des valeurs
dangereuses.
I1 arrive cependant qu'une connaissance de la valeur du potentiel
atteint par un corps isole puisse etre utile, par exemple a des fins
d'etude ou de controle. I1 en est ainsi lorsqu'on desire verifier
l'efficacite du fonctionnement des deperditeurs equipant un engin et
etire averti d'une eventuelle defaillance afin d'en prevenir les
consequences.
Les dispositifs utilises a cet effet sont des capteurs sensibles au
champ electrique et qui fournissent en consequence des mesures qui
dependent non seulement du potentiel electrique atteint par le corps
mais aussi de la forme geometrique de celui-ci. En effet, lorsque la
surface d'un corps charge est relativement conductrice, les charges
electriques se repartissent le long de celle-ci pour atteindre un
equilibre dans lequel le champ electrique varie localement en fonction
de la geometrie de cette surface en passant par des maxima locaux aux
emplacements ou les rayons de courbure sont minima.
En outre, il est frequent que le milieu ambiant soit luimeme le siege
d'un champ electrique qui s'ajoute vectoriellement au champ electrique
cree a la surface du corps par la charge propre de celui-ci.
Les capteurs connus pour la mesure du potentiel d'un corps
electriquement isole sont sensibles a la resultante du champ
electrique propre de ce corps et du champ d'origine externe.
On connait notamment les dispositifs du type "moulins a champ" dans
lesquels une electrode fixe de detection, occultee periodiquement par
une electrode mobile, se charge sous l'effet du champ electrique et
produit un courant electriquerepresentatif de cette charge. Ces
dispositifs presentent l'inconvenient de necessiter un systeme
d'entrainement de l'electrode mobile. Ils sont donc relativement
complexes, sensibles aux vibrations et leur encombrement les rend
souvent peu propices a une utilisation embarquee.
On connait egalement des capteurs dans lesquels une sonde radioactive
produit, par ionisation des gaz composant l'atmosphere environnante,
des charges qui sont entrainees par le champ electrique, le courant
resultant fournissant la valeur du potentiel mesure. Ces dispositifs
peuvent etre, en principe, montes sur le corps dont on desire mesurer
le potentiel. Cependant, l'emploi d'un produit radioactif impose le
recours a des moyens de protection lourds et encombrants qui
s'opposent a leur utilisation embarquee dans de nombreux materiels
aeronautiques ou spatiaux.
On a par ailleurs deja propose, par exemple dans le Brevet
Etats-Unis NO 3 760 268 (Ruhnke) delivre le 18 septembre 1973, de
mesurer le champ electrique atmospherique a l'aide d'un conducteur
allonge propulse par une fusee et dote d'un dispositif de
retransmission des mesures. Le champ electrique atmospherique produit
une difference de potentiel entre les extremites du conducteur. Si la
longueur de celui-ci est suffisante, cette difference de potentiel
donne naissance a une decharge electrique en couronne, ou decharge
corona, de nature pulsee, dont on peut mesurer le courant. Celui-ci
varie d'une maniere non lineaire en fonction des variations du champ
electrique mesure.Ce defaut peut etre corrige, en partie, en
connectant entre les deux extremites du conducteur, une resistance
electrique de valeur elevee qui linearise la relation entre le courant
et le champ electrique mesure. Cependant, un tel dispositif ne permet
pas de mesurer le potentiel d'un corps isole dans l'espace car son
fonctionnement implique que lecorps portant le conducteur ne soit pas
lui-meme charge. A tout champ electrique du a la chargedu corps
viendrait en effet se superposer le champ electrique atmospherique, de
valeur inconnue, qui fausserait la mesure ou la rendrait totalement
depourvue de signification.
Au regard de cet etatde la technique, l'inventioa vise a fournir un
moyen de mesure ou de surveillance du potentiel d'un corps isole,
notamment dans l'espace, de constitution tres simple et peu
encombrante, qui puisse etre facilement installe sur le corps
lui-meme, meme dans un espace de peti tes dimensions.
A cet effet, l'invention a pour objet, selon un premier aspect, un
procede caracterise en ce qu'on provoque une serie d'impulsions de
decharge corona a partir de ce corps en un point de l'espace
environnant situe au voisinage immediat de la surface exterieure dudit
corps, chaque decharge mettant en jeu une quantite d'electricite tres
petite par rapport a la charge du corps, et on mesure un parametre du
courant electrique constitue par cette serie de decharges. De
preference, la quantite d'electricite mise en jeu par chaque
impulsionde decharge est maintenue a une valeur inferieure a 10 10
Coulomb.
Ainsi, l'invention permet en creant une deperdition de charge
electrique tout a fait minime, et par consequent insuffisante pour
influencer sensiblement la valeur du potentiel a mesurer, d'obtenir un
signal qui varie en fonction du potentiel de ce corps, dans la mesure
ou la frequence des impulsions de decharge varie avec le champ
electrique au point de mesure.
On provoque de preference la decharge a l'aide d'une electrode effilee
reliee electriquement au corps et dont la pointe emissive est-situee
au voisinage immediat de la surface exterieure du corps, de facon a
soustraire, au moins pour une large part, la mesure du courant de
decharge a l'effet du champ electrique d'origine exterieure au corps.
Selon un mode de realisation -tout a fait prefere de l'invention, on
determine en outre les conditions de formation de la decharge corona
de telle maniere que la periode de ces impulsions, sur la plage de
mesure de potentiel que l'on cherche a surveiller, soit superieure a
la constante de temps de dissipation de la. petite charge d'espace
creee dans les alentours immediats de la pointe emissive par chaque
-impulsion pour des raisons qui apparaissent ci-apres.
La geometrie de cette pointe favorise l'accumulation de charges
electriques a son extremite et l'apparition consecutive d'un champ
electrique superieur a un seuil d'amor cage, ou seuil critique, dans
le milieu environnant la pointe. Ce champ electrique est atteint avec
une accumulation de charges electriques d'autant plus faible que le
rayon de courbure de la pointe d'emission est petit. Des que le champ
electrique a l'extremite de la pointe emissive depasse le seuil
critique, l'emission de charges electriques dans le milieu environnant
a pour effet de ramener sa valeur a un niveau inferieur a ce seuil
critique. La decharge cesse. tes charges electriques emises forment
aux alentours immediats de cette pointe une charge d'espace dont la
dissipation dans le milieu environnant depend d'un ensemble de
facteurs physiques, notamment de la quantite de charges emises par
chacune des impulsions. Des etudes approfondies menees sur les
phenomenes de decharge electrostatique ont montre que chaque emission
d'impulsions par une pointe est suivie d'un temps de recharge de cette
derniere jusqu'a ce que le champ electrique de la pointe depasse a
nouveau le seuil critique mentionne precedemment. Ces etudes ont
montre egalement que la charge d'espace regnant aux abords immediats
de la pointe tendait a s'opposer a une nouvelle augmentation du champ
au-dela du seuil critique.En consequence, si la pointe emissive est
raccordee au corps par une liaison relativement conductrice, il faut
attendre, pour qu'une nouvelle decharge se produise, que la charge
d'espace issue de l'emise sion precedente soit suffisamment dissipee
pour que le champ depasse a nouveau le seuil d'amorcage a l'extremite
de la poilte. Dans ces conditions, la frequence d'emission des
impulsions d'une decharge corona depend non seulement du potentiel du
corps a partir duquel est engendree la decharge mais egalement de la
vitesse de dissipation de la charge d'espace dans le milieu
environnant.
Conformement a l'aspect prefere de l'invention qui vient d'etre
evoque, on fixe la constante de temps du circuit de charge de la
pointe emissive a une valeur suffisamment elevee pour que le temps de
dissipation de la charge d'espace engendree a la suite de chaque
impulsion soit faible devant le temps necessaire pour que le champ a
l'extremite de la pointe atteigne a nouveau la valeur critique. On y
parvient, notamment, en prevoyant entre le corps charge et la pointe
emissive, une liaison electrique de forte resistance R de facon a ce
que la constante de temps RC de charge de la capacite parasite C
existant entre la pointe emissive et une surface telle que la terre
constituant une electrode de reference situee pratiquement a l'infini,
soit relativement elevee.
En meme temps, on prevoit de realiser la pointe emissive de telle
facon que cette capacite parasite soit tres faible afin, comme
explique ci-dessus, -que la quantite d'electricite accumulee sur cette
pointe au moment de chaque decharge, soit tres petite. Ces
dispositions ont pour effet que la dissipation de la charge d'espace
correspondante est extremement rapide. La frequence des decharges peut
etre ainsi rendue independante des conditions de dissipation imposees
par le milieu ambiant, en particulier lorsque les mesures de potentiel
sont effectuees sur un corps en mouvement, et elle varie alors
lineairement avec le potentiel du corps. En pratique, cette condition
est atteinte lorsque la constante'de temps du circuit de charge de
l'electrode est superieure a la periode propre des impulsions.En
outre; grace a la faible valeur de la quantite d'electricite dechargee
lors de chaque impulsion, le courant de mesure reste dans des limites
ou il n'influence que d'une facon qui peut etre rendue negligeable, la
charge du corps qui fait l'objet de la mesure et donc- son potentiel.
Enfin, il est avantageux, pour limiter la quantite d'les tricite emise
par chaque impulsion, d'utiliser une pointe emissive aussi aceree que
possible afin d'atteindre le seuil de champ critique a son extremite
avec une charge minimale. Cette disposition permet en outre d'abaisser
la limite inferieure de la plage de potentiel accessible a l'aide de
ladite methode de mesure.
Selon un autre aspect, l'invention vise un dispositif de mesure de
potentiel d'un corps isole dans un milieu, caracterise en ce qu'il
comprend une pointe d'electrode propre a etre reliee electriquement
par une resistance de valeur elevee au corps qui fait l'objet de la
mesure, la capacite de cette electrode vis-a-vis de la surface de
reference telle que la terre etant tres petite, et un moyen de mesure
d'un parametre du courant engendre a travers la resistance par
l'emission d'impulsions de decharge corona par ladite pointe.
De preference, la valeur de la capacite parasite dudit circuit
d'emission vis-a-vis de la terre est choisie egale ou inferieure a
10'13 Farad. En outre, ladite resistance est determinee pour que la
constante de charge de cette capacite parasite soit superieure a la
periode propre des impulsions emises, eu egard, notamment, a la valeur
de la tension d'amorcage de la decharge a la pointe emissive et a la
plage de mesure de potentiel choisie. Une valeur de constante- de
temps preferee est superieure a 10 3 seconde.
En pratique, la tension d'amorcage de l'electrode dans le milieu
environnant le corps fixe le seuil de champ electrique au-dessous
duquel la decharge ne se produit pas, ce qui determine la limite
inferieure du potentiel accessible a la mesure. En outre, la valeur de
la constante de temps de charge de cette electrode determine une
valeur superieure du potentiel au-dela de laquelle la frequence
d'emission des impulsions devient suffisamment elevee pour que le
temps de dissipation de la charge d'espace creee par chacune de ces
impulsions ne puisse plus etre considere comme negligeable devant la
periode de recurrence de ces impulsions. A partir d'une telle valeur,
cette frequence de recurrence test plus uniquement fonction des
caracteristiques electriques du circuit resistance-capacite a partir
duquel est formee la decharge corona. La linearite de la relation
entre le potentiel mesure et la frequence des impulsions de courant
s'en trouve alors affectee.
Selon un mode de realisation, l'electrode est constituee par un
filament ou "cheveu" metallique de quelques microns de diametre relie
a un circuit resistif ou resistor de valeur elevee.
Selon une autre forme de realisation, l'electrode et la resistance
sont constituees en materiau composite. de faible diametre et de forte
resistivite, par exemple un materiau comportant au moins, une fibre de
carbon enrobee dans une une resine thermodurcissable.
Le dispositif comprend avantageusement des moyens permettant de le
monter sur le corps dans une position ou la pointe de llelectrode
emissive est maintenue a l'exterieur du corps au voisinage immediat de
la surface de celui-ci.
Les explications et la description d'exemples non'limitatifs qui
suivent sont donnees-en reference aux dessins annexes, sur lesquels la
figure 1 represente de facon tres schematique un corps isole equipe
d'un circuit de mesure conforme a l'invention; la figure 2 est un
diagramme de charge illustrant les resultats obtenus a l'aide de
l'invention; les figures 3 et 4 representent deux variantes de
realisation d'un capteur selon l'invention.
Un corps creux isole 10 (figure 1) -de forme spherique de 1 metre de
diametre accumule dur sa surface externe conductrice 14 des charges
electriques, par exemple par frottement. I1 est isole dans un milieu
que l'on suppose etre ici i'atmos- phere et possede a l'egard de la
terre 12 une capacite C0.
Sous l'effet de la charge acquise Q, la surface externe du corps 10
est elevee a un potentiel VO de valeur VO = Q/Co.
La repartition du champ electrique a la surface de ce corps depend de
sa geometrie, les charges ayant tendance a se concentrer dans les
zones a faible'rayon de courbure aux depens des zones a fort rayon de
courbure pour atteindre une situation d'equilibre. Dans le cas present
d'un corps de forme spherique, le champ est reparti de facon uniforme
a la surface 14 de celui-ci.
En un point 18 de cette surface 14, on a menage une petite ouverture
par laquelle fait saillie a l'exterieur du corps, dans une direction
sensiblement radiale, une courte electrode 20 d'extremite 22. A son
autre extremite, a l'interieur du corps 10, la pointe 20 est reliee a
une resistance R 23 de valeur elevee, dans cet exemple egale a 101O
ohms, dont l'extremite 24, opposee a l'electrode 20 est reliee a un
point 21 de la masse du corps 10 par une liaison electrique 25. Un
dispositif de mesure 27 permet de capter un parametre du courant
parcourant la liaison 25.
L'electrode 20 est constituee par un cheveu d'or de diametre de
preference inferieur a 50 microns, et dans cet exemple egal a 25
microns, et de 10 millimetres de long. Sa capacite parasite C1
vis-a-vis de la terre est alors voisine de 10 13F.
En fonctionnement, l'electrode 20 aequiert des charges en provenance
du corps 10 par l'intermediaire de la liaison 25 et a travers la
resistance R 23, ce qui correspond a la charge de la capacite parasite
C1 que l'on a representee schematiquement entre la terre 12 et
l'extremite 22 de l'electrode 20. Celle-ci est le siege d'un champ
electrique croissant qui finit par atteindre la valeur critique de
decharge corona dans l'air correspondant a une tension YA
L'impulsion emise decharge la capacite parasite C1 en evacuant dans
l'atmosphere une petite quantite d'electricite q C1 x Va d'environ 10
coulomb dans cet exemple.
Cette quantite d'electricite cree une petite charge d'espace qui, en
raison meme de sa faible valeur, s'evacue rapidement -par rapport au
temps necessaire a la recharge de l'electro- de 20. I1 existe entre la
pointe 22 et le point 21 du corps 10 une petite capacite 'parasite C2
qui recharge partiellement mais quasi-instantanement l'electrode a la
fin de l'impulsion de decharge.
La capacite C1 acheve de se recharger sous l effet d'un courant
traversant la resistance R23 jusqu'a ce que le champ electrique a
l'extremite 22 de l'electrode 20-atteigne a nouveau le seuil
d'amorcage evoque precedemment. On a s'electionne les parametres du
circuit de decharge de telle maniere que le temps necessaire pour que
le champ electrique a l'extremite 22 revienne au seuil d'amorcage
apres une decharge soit grand par rapport au temps necessaire d la
dissipation de la charge d'espace creee par cette decharge precedente.
Ainsi, l'instant d'apparition de la nouvelle decharge ne depend que
des caracteristiques electriques du circuit constitue par la
resistance R 23 et l'electrode 20, ainsi que du niveau de champ
electrique au point 21 du corps 10. Ce champ traduit le niveau
d'accumulation de charges au voisinage de ce point constate en outre
que la duree de chaque impulsion est tres breve par rapport a la
periode de recurrence de ces impulsions, Cette condition resulte
notamment du fait que l'arret de l'impulsion est determine par la
neutralisation de la charge de la capacite parasite C1 et non par la
formation d'une charge d'espace suffisamment elevee pour abaisser le
champ electrique de la pointe emissive audessous du seuil
d'amorcage.L'experience montre que la frequence f r des impulsions de
decharge varie lineairement avec le niveau de champ electrique au
point 21 dans une large plage. Le courant moyen im dans la liaison 25
est proportion nel a cette frequence (1) im-= f r x A q On peut donc
mesurer soit la valeur moyenne de ce courant i m a l'aide d'un
amplificateur courant-tension, soit la frequence de ces impulsions par
un convertisseur frequence tension ou par un compteur numerique pour
determiner la valeur du champ electrique au point 21 ou la liaison 25
est raccordeeau corps 10.
Dans le cas d'un corps spherique, ce champ electrique est uniforme. La
determination du potentiel VO a partir de la mesure de l'intensite du
courant de charge ou de sa frequence ne depend donc pas de la position
du point de raccordement 21 sur le corps 10. Dans le cas d'une autre
forme geometrique que la sphere, le champ electrique pour un potentiel
donne du corps varie en fonction de la courbure de la surface externe
du corps. Un etalonnage prealable permet, pour une position donnee du
capteur sur le corps isole, de determiner les valeurs de potentiel
correspondant aux mesures de courant.
La variation lineaire du signal de mesure, exprimee en unites
arbitraires est representee en ordonnees sur la figure 2 en fonction
du potentiel Vg du corps charge 10, tant pour les valeurs positives de
ce potentiel (exprimees en kilovolts) que pour les valeurs negatives.
Cette relation est representee par la courbe 30 obtenue au cours d'un
essai pour un corps plonge dans de l'air a la pression atmosphe- rique
et par la courbe 32 lorsque ce corps est plonge dans de l'air a une
pression de 490 millibars, soit environdeux fois et demie plus faible.
Si l'on considere notamment les applications embarquees, l'ecart entre
ces courbes est suffisamment faible dans un large intervalle de
pression pour que, meme en l'absence de moyens de mesure de la
pression, on puisse cependant utiliser le signal obtenu comme controle
pour declencher une alarme lorsque le potentiel du corps croit
au-dessus d'un seuil approximatif determine a l'avance.
En raison de la tres faible quantite d'electricite mise en jeu par
chaque decharge, la deperdition de charges resultant de la mesure
influence peu le niveau de potentiel mesure. Selon les cas, on peut
prevoir de faire fonctionner le dispositif par intermittence-pour
limiter la-duree de mesure.
En pratique, ce dispositif n'est operatoire que si le champ electrique
a l'extremite de l'electrode-20 atteint la valeur du champ disruptif
dans l'air. Compte tenu de l'effet multiplicateur du champ cree par la
forme aceree de la pointe par rapport au champ regnant au point 21 du
corps 10, il existe une valeur minimum E. du champ en ce point qui
constitue une limite 'inferieure de la plage de- fonctionnement du
dispositif. A cette valeur de champ E. correspond une limite
inferieure V. en valeur absolue, correspondant aux points 31 de la
figure 2, du potentiel du corps qui, dans le cas d'un corps spherique,
ne depend pas de la position du point 21.
On constate que dans la mesure ou les conditions precedemment enoncees
sont realisees, la relation entre le parametre de courant mesure et le
potentiel du corps est lineaire des. que la limite inferieure V. pour
laquelle la decharge s'amorce a ete atteinte. Au fur et a mesure que
le potentiel du corps croit, la frequence de recurrence des impulsions
de la decharge augmente en proportion. Ce n'est que lorsque cette
periode de recurrence devient suffisamment breve par rapport au temps
de dissipation de la charge d'espace resultant de chaque decharge, que
la frequence de recurrence des impulsions ne depend plus seulement des
caracteristiques electriques du circuit dans lequel est connectee
l'electrode 20 et qu'une relation de non-linearite apparait entre le
signal de mesure et le potentiel du corps. Ce phenomene se produit
pour une valeur de champ electrique Es au point ou est connecte le
capteur qui fixe ainsi la valeur limite superieure Vs de la plage de
potentiel dans laquelle ladite relation est lineaire.
Dans l'exemple ici decrit, en reference a la figure 1 ou le champ a
l'extremite 22 de l'electrode 20 est environ 120 fois superieur au
champ. a la surface duoorps 10, la valeur de E. est d'environ 900 V/cm
et celle de E est d'environ i s 65 kV/cm.
Pour un corps spherique tel que 10 dans un milieu ou le champ
inducteur exterieur est nul, le potentiel correspon dant a E. est
d'environ V. = 45 kV. La valeur du potentiel i i
V correspondant au champ Es est de 3,2 megavolts. En pra s tic, les
corps isoles sur lesquels on opere, presentent des parties dont le
rayon de courbure est relativement faible et qui sont le siege
d'elevations locales du champ elec tiique du fait de l'accumulation
des charges electriques qui tendent a s'y produire. Afin d'abaisser le
niveau du seuil V. limitant la plage de fonctionnement lineaire du
capteur, on place celui-ci dans ces zones. Dans le cas illustre par la
figure 2 par exemple, on a obtenu un seuil inferieur de potentiel
d'environ 2 kV en valeur absolue sur un corps de forme allongee en
placant le capteur a une des extremites de ce corps. es bornes E. et E
de la plage de fonctionnement lineaire i s sont des fonctions de la
pression du milieu dans lequel se produit la decharge. E. est divisee
par deux lorsque la pression passe de 1000 millibars a 200 millibars,
cette derniere valeur correspondant a une altitude de 10 Wilometres
environ. Le capteur peut etre utilise dans l'atmosphere terrestre
jusqu'a 30 ou 40 kilometres d'altitude. I1 permet d'effectuer un
controle d'un depassement de seuil d'une limite de potentiel et de
surveiller les variations de celui-ci.
Le dispositif selon l'invention est avantageusement monte directement
sur le corps dont on cherche a mesurer la charge.
I1 peut etre rendu pratiquement insensible au champ electrique
exterieur, par exemple au champ atmospherique pour un aeronef. I1
suffit a cet effet de choisir la longueur de l'electrode 20 et de la
monter par rapport au corps 10 de telle facon que sa pointe emissive
22 se trouve a proximite immediate de la surface chargee 14 du corps
10. I1 en resulte que le gradient de champ electrique le long de la
portion de cette electrode a l'exterieur du corps est extremement
faible et que la difference de potentiel correspondante est
insuffisante pour influencer les caracteristiques de la de charge
utilisee pour la mesure.
En pratique, le champ atmospherique a des valeurs tres faibles par
rapport au champ E.. Sa valeur au sol est environ a 1000 fois plus
faible que la valeur de 900V/cm indiquee precedemment. Meme en cas
d'orage, cette valeur, qui peut etre centuplee, reste notablement
inferieure a celle du champ a la surface du corps.
I1 est en outre possible de disposer l'electrode 20 sur la ligne
neutre du corps qui est la courbe sur laquelle le champ electrique a
la surface de celui-ci est nul lorsqu'il est plonge dans un champ
electrique exterieur mais ne porte pas de charge electrique propre.
Cette ligne est connue au moins approximativement dans le cas ou la
position du corps vis-a-vis du champ exterieur est connue. Dans le cas
d'aeronefs, la ligne neutre de ces derniers est normalement comprise
dans un plan horizontal.
Si on se refere a la figure 1, on peut donner une explication au moins
approximative du fait que l'amplitude moyenne ou la frequence du
courant de decharge mesure est proportionnelle a la valeur du
potentiel recherche.
Si on neglige l'effet de la capacite C2 pendant la charge de la
capacite parasite liee a l'electrode 20, la tension v de celle-ci par
rapport a la masse 12 a chaque instant peut s'ecrire: (2) v = VO (1 -
exp (-t/RC1)) ou V0 est le potentiel du corps 10.
La decharge se produit a un instant t1 ou v = Va En pratique, au-dela
de la tension d'amorcage Va, le temps t1 est petit devant la constante
de temps RC1, tl etant en outre grand devant la duree d'une impulsion
corona et devant la duree de la decharge de la capacite parasite C2.Il
en resulte que: (3) V a o x tl/RC1 En consequence, la frequence f r
peut s'ecrire (4) fr l/tl = l/RCl x V/Va
Le courant moyen correspondant est alors (5) im = f r x Aq q =
Un capteur 50 (figure 3) mettant en oeuvre les principes selon
l'invention est monte dans une ouverture circulaire 52 percee dans la
paroi 54 d'un corps metallique qui peut etre celui d'un engin
aeronautique en vol et dont on cherche a controler le potentiel.Le
dispositif 50 se compose d'un boitier 56 de forme cylindrique
presentant un fond 58 et termine a son extremite opposee par une
collerette 59 qui vient se loger a l'interieur d'une cuvette annulaire
60 taillee dans l'epaisseur de'la paroi 54 autour de l'ouverture 52.
Le boitier 56 est ferme par un couvercle 62 qui affleure a la surface
exterieure de la paroi 54 et est fixe, avec la collerette 59, a
l'interieur de la cuvette 60.
Une electrode d'emission est constituee par un fil d'or 65 ayant un
diametre d'environ 25 microns et une longueur d'environ 10 millimetres
dont une extremite 68 est reliee a un resistor 70, son autre extremite
69 etant laissee libre a l'exterieur du corps 54 au voisinage de sa
paroi pour former une -pointe emissive. Le fil 65 est maintenu par un
tube en alumine 66 qu'il traverse avant d'aboutir au resistor 70.
La resistance de celui-ci a une valeur de 101O ohms. I1 est monte a
l'interieur d'un tube 72 perpendiculaire au couvercle 62 et dont une
extremite 73 depend de ce dernier, ce tube se prolongeant a
l'interieur du boitier 56. L'ensemble du tube d'alumine 66 et du
resistor 72 est enrobe dans une resine de resistivite tres elevee,
telle qu'une resine epoxy, qui remplit entierement l'intervalle entre
le resistor 72 et le tube 70. L'extremite libre du fil 65 fait saillie
hors du tube d'alumine 66 sur environ 5 millimetres et la pointe 69
est brute de coupe. L'extremite 68 du resistor 72 se trouve
sensiblement dans le plan externe du couvercle 62.
L'extremite posterieure du resistor 70 est reliee electriquement, par
un conducteur 75, a un amplificateur opera- tionnel convertisseur
cou-rant-tension 76 a la sortie posterieure du tube 72. La sortie 78
du convertisseur est reliee electriquement par une traversee isolante
80 a travers le fond 58 du boitier a une prise de sortie 82. Deux
-batte- ries 84 sont prevues pour l'alimentation de l'amplificateur 76
par des conducteurs 86 a partir d'un pole 88, l'autre polie 90 de
chacune de ces batteries etant relie a la masse du boitier 56 par des
conducteurs 92.Ce boitier 56 est une enveloppe metallique qui, dans
l'exemple decrit, a une longueur de 8 centimetres et un diametre de 6
centimetres environ et qui se trouve portee au potentiel de la paroi
54 par l'intermediaire de la collerette de liaison 59. L'amplifi-
cateur 76 est pourvu d'une borne 95 reliee au boitier 56 par un
conducteur 98.
En fonctionnement, lorsque l'amplificateur 76 est place sous tension
par un commutateur- represente, une decharge corona composee d'une
serie d'impulsions peut s'etablir a l'extremite 69 de l'electrode en
or 65. Le courant correspondant est fourni par la circulation de
charges en provenance de la paroi 54 du corps charge a travers
l'amplificateur 76 et le resistor 70 jusqu'a l'electrode 65. Ce
courant donne naissance a la sortie de l'amplificateur a une tension
qui varie de quelques dizaines de millivolts a environ 1 volt en
fonction du niveau de potentiel de la paroi 54. Grace a son
alimentation par batterie, le capteur fonctionne de facon autonome.
A la place d'une electrode conductrice de tres petites dimensions
connectee a une resistance tres elevee, on peut utiliser directement
des fibres de haute resistivite et tres faibles dimensions telles que
par exemple des fibres de car bonze. la faible dimension de telles
fibres, dont le diametre est de quelques microns, permet d'obtenir a
leur extremite des valeurs elevees du champ electrique.
Une variante de realisation d'un capteur selon l'invention est
representee a la figure 4 dans le cas ou on desire eviter de percer la
paroi du corps charge en vue d'en maintenir l'integrite structurelle.
Dans cette figure, les memes numeros de reference ont ete utilises
pour les elements identiques a ceux de la figure 3. Le capteur 100
comprend un boitier forme par une calotte metallique 102 terminee par
un rebord peripherique annulaire plat 104 qui est fixe par des rivets
106 a la paroi metallique 108 du corps charge.
La face exterieure de la calotte 102 forme un dome au sommet duquel
fait saillie l'electrode 65 a l'extremite du tube d'alumine 66, ce
dernier etant monte comme precedemment a l'extremite du resistor 70 et
enrobe d'une resine qui remplit egalement l'intervalle annulaire 71
entre le resistor et le tube 72. Entre la paroi 108 et la face
interieure de la calotte 102 sont logees les batteries 84 et
l'amplifi- capteur 76 dont la sortie 78 est connectee a une prise de
sortie 110 vers l'interieur du corps par une traversee 112 dans la
paroi 108 de celui-ci.
Claims
_________________________________________________________________
Revendications.
1. Procede de mesure du potentiel electrique d'un corps isole dans un
milieu, caracterise en ce qu'on provoque une serie d'impulsions de
decharge en couronne apartir de ce corps (10) en un point (20) du
milieu environnant situe au voisinage immediat de la surface
exterieure dudit corps, chaque impulsion fournissant une quantite
d'electricite tres petite par rapport a la charge du corps, et on
mesure un parametre du courant electrique constitue par cette
decharge.
2. Procede selon la revendication 1, caracterise en ce que la quantite
d'electricite mise en jeu par chaque impulsion de decharge est
inferieure a 1O10 coulomb.
3. Procede selon l'une des revendications precedentes, caracterise en
ce qu'on produit les impulsions recurrentes de la decharge en couronne
a des intervalles de temps qui sont grands devant le temps de
dissipation de la charge d'espace engendree par chacune de ces
impulsions.
4. Dispositif de mesure du potentiel electrique d'un corps isole dans
un milieu, caracterise en ce qu'il comprend une electrode (20, 65)
reliee a la masse du corps (10, 54) par une resistance de valeur
elevee (R 23, 70) et dont la pointe emissive (22, 69), situee au
voisinage immediat de la surface exterieure du corps, engendre des
decharges electriques en couronne, la capacite (C1) parasite de
l'electrode vis-a-vis de la terre (12) etant tres faible par rapport a
celle de ce corps,-et un moyen de mesure (76) d'unparametredu courant
circulant dans la resistance (R 23, 70).
5. Dispositif selon la revendication 4, caracterise en ce que la
capacite parasite de l'electrode est inferieure a 10-13F.
6. Dispositif selon l'une des revendications 44;ou 5, caracte- rise en
ce que la resistance 4.R 23, 70) est determinee pour que le temps de
charge de la capacite parasite de l'elec- trode (20, 65) jusqu'a une
valeur ou le champ electrique a l'extremite de cette electrode atteint
le seuil d'amorcage de la decharge, soit grand par rapport au temps de
dissipation de la charge d'espace creee par chacune des impulsions de
decharge.
7. Dispositif selon l'une des revendications 4 a 6, caracterise en ce
que l'electrode emissive est constituee par un fil dont le diametre
est inferieur a 50 microns.
8. Dispositif selon la revendication 7, caracterise en ce que
l'electrode emissive (20, 65) est constituee par un filament
metallique tel que de gold.
9. Dispositif selon la revendication 7, caracterise en ce que
l'electrode et la resistance sont constituees en materiau composite de
forte resistivite.
10. Dispositif selon l'une des revendications 4 a 9, caracterise en ce
que la resistance de valeur elevee est superieure a 101O ohms.
11. Dispositif selon l'une des revendications 4 a 10, caracterise en
ce qu'il comprend des moyens de montage (56, 102) sur le corps,
permettant de maintenir la pointe emissive (22, 69) de l'electrode
(20, 65) a l'exterieur du corps a proximite immediate de sa surface.
12. Dispositif selon la revendication 11, caracterise en ce que
lesdits moyens de montage (65) sont adaptes a etre loges dans une
ouverture dans la paroi (54) du corps.
13. Dispositif selon la revendication 11, caracterise en ce que
lesdits moyens de montage comprennent un boitier (102) propre a etre
plaque a la surface externe de la paroi (108) dudit corps.
14. Dispositif selon l'une des revendlcations 4 a 13, caracterise en
ce que-lesdits moyens de mesure comprennent un amplificateur (76)
connecte a la sortie de la resistance de valeur elevee et des moyens
d'alimentation autonomes (84).
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