Détecteur de grêle

Détecteur de grêle (et orage)

1 Détecteur à 2 aspects différents
2 Grêle : quel principe choisir
3 Le montage du détecteur de grêle
4 Détecteur d'orage, son abandon
4.1 Perturbations lors d'un orage
5 Un schéma "orage et grêle"
6 Conclusions

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Avant propos

A l'origine, je pensais réaliser un détecteur d'orage et de grêle associés. Je suis allé jusqu'à réaliser un CI et après quelques essais infructueux sur les différents principes et relativement au temps perdu pour un piètre résultat, j'ai dû réduire mes ambitions à des valeurs plus modestes.

Cet article décrit donc seulement un détecteur de grêle très simple. Il est à réaliser soit même avec peu d'outillage et pratiquement aucune électronique. Il est connectable directement à un PIC, mais devra être traité par interruption, car il ne mémorise pas les chocs de grêlons.
J'ai tout de même gardé la description de ce qui n'a pas fonctionné, car cela sert aussi pour ne pas perdre son temps...
Cet article est une publication préliminaire  à l'article sur le pilotage aux équations solaires d'un panneau solaire thermique avec un PIC 16 F 886. (Cet article est seulement en gestation et ne sortira que dans plusieurs semaines).

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1 Détecteur à 2 aspects différents

Pour le particulier que je suis ou les autres qui seraient intéressés, la détection de la grêle présente un intérêt certain.
Pour les uns, il s'agira de tirer des protections sur des fruits ou autres…
Pour d'autres ce sera la fermeture des volets, ou au contraire leur ouverture si l'on préfère prendre le risque des vitres cassées au lieu de grêler les volets…ce sont des choix cornéliens !).

Pour ma part, ce sera pour faire pivoter à la verticale mon panneau solaire pour éviter que des grêlons ne cassent la vitre.
Bref toutes les raisons sont bonnes pour réaliser ce détecteur, y compris pour rentrer les voitures au garage avant d'avoir un pavillon de voiture ayant eu la "petite vérole"…

Mais il va de soi, que la réponse à la grêle doit être très rapide et que démarrer une sirène ne sert pratiquement à rien à cause de la soudaineté du phénomène. La réponse doit être immédiate, et donc de préférence automatique.
(Il existe des radars "grêle" qui ne sont pas à la portée financière des amateurs)

En ce qui concerne un orage, il y a souvent 2 aspects conjugués qui sont le vent et la grêle.
Le vent fait souvent son apparition sous forme de bourrasques et le vieux proverbe "mieux vaut prévenir que guérir" est d'actualité, car un panneau solaire thermique de 2M² bouge très lentement, surtout à cause des inerties et du bruit, mais aussi pour raisons d'économies d'énergie.

Détecter le vent est bien, mais pouvoir le prévoir par la détection d'orage serait encore mieux. Mais il n'y a pas toujours non plus tous les phénomènes à la fois, lors d'un orage !

Dans le cas de vent, il faut en premier lieu laisser le panneau dans sa hauteur actuelle mais tout de suite le placer par la tranche, dans la direction du vent dominant, en général Est/Ouest (Il n'est pas question de faire comme pour une grue, car il y a les tuyaux qui ne peuvent pas faire 3 tours…!)

Dans le cas de grêle il faut basculer le panneau à la verticale en premier lieu.
Ces aspects vent et grêle sont souvent liés, mais les actions à entreprendre (pour mon panneau solaire) sont opposées. Si les deux arrivent en même temps, alors…on pourrait faire les deux mouvements conjugués, (mais ce ne sera pas le cas ?!)
(Voir l'article sur le vent et l'anémomètre )

2 Grêle : quel principe choisir

La grêle produit des CHOCS lorsqu'elle tombe sur une surface. Il va donc s'agir de détecter ces chocs. Naturellement ce détecteur est une réalisation d'amateur et ne saurait représenter une somme d'argent importante.
Aussi quoi de mieux que de récupérer ce qui est partiellement "foutu" et de lui donner une seconde vie.

Alors c'est quoi ?
C'est une pastille piézo-électrique d'une montre hors service ou d'un buzzer. C'est le détecteur proprement dit, voir divers types sur la photo ci-dessous.

En effet, cette pastille "piezo", (On va simplifier l'orthographe !) est totalement réversible, car si à l'origine elle diffuse les bips d'une montre (Sous l'action d'un signal), à l'inverse elle va pouvoir fournir une tension sous une excitation mécanique (Force mécanique exercée).

Si vous n'avez pas de vieille montre à "dépoiler", certains buzzers, (mais pas tous), sont sur ce principe. On peut peut-être les reconnaître à leur plus grand diamètre mais très faible épaisseur en général (# 5/10 mm environ).
Les autres buzzers sont sur un principe électromagnétique (Aimant et bobine un peu comme un haut parleur). Voir les photos de plusieurs modèles.

Revenons à ces pastilles piezo très fines dont le diamètre varie suivant les appareils qu'elles équipent. Ces pastilles sont constituées d'une plaque rigide soit en acier nickelé ou chromé, (peut-être en inox magnétique) le plus souvent mais aussi parfois en laiton.
Cette plaque de nature non fonctionnelle constitue seulement la première électrode et assure seule une certaine rigidité mécanique.
Une pastille très mince (environ 15/100 mm) de matériau piézoélectrique est "collée" sur ce support. Cette même pastille est également recouverte du côté libre, d'un dépôt argenté micrométrique…qui constitue la deuxième électrode.

Le schéma électrique est des plus simples...
Les deux composants sont (maintenant) montés directement sur l'appareil et protégés par la cloche aluminium qui recevra les chocs des grêlons.
Un trou taraudé de Ø3 permet de fixer le fil de masse sur l'écrou à l'aide d'une petite cosse. Une éventuelle deuxième cosse permet de mettre les deux éléments à la masse.

Quelques remarques au sujet de la mécanique :

- La pastille piezo est rarement bien centrée sur la plaque support. Ce n'est pas très gênant mais il faudra en tenir compte pour la suite.

- Le dépôt argenté supporte très difficilement une soudure à l'étain à cause de sa très faible épaisseur et s'arrache le plus souvent à la première petite contrainte mécanique. Dans notre cadre d'utilisation d'amateur, il me semble préférable "d'oublier de souder" !  (Vous pouvez constater une soudure arrachée sur un des modèles)

- Le collage de la pastille piezo à tendance à déborder et à créer une légère surépaisseur dont il faudra se méfier.
Aussi pour éviter ce problème de soudure, le détecteur sera très légèrement pincé entre ses deux surfaces, ainsi les contacts seront fiables sans altérer l'intégrité de la pastille piezo. Le montage sera ainsi :

Ce choix "piezo" est important, car la grêle est destructrice, et une membrane serait vite percée !
Choisir un microphone serait possible aussi, mais sa protection entraînerait aussi quelques complications, ainsi qu'un problème d'immunité aux bruits extérieurs. Il faudrait de plus amplifier le signal pour atteindre des valeurs logiques de 3 à 5V. En d'autres termes les aboiements du chien d'un voisin ne devraient pas faire déclencher !

Ainsi seul un grêlon doit déclencher. De même la goutte de pluie qui tombe mais qui va "se répandre" sur la surface captante ne doit pas non plus déclencher.
Seul un véritable choc "dur" est donc en mesure de faire une vraie détection de la grêle. La pastille piezo me semble donc bien adaptée au sujet à traiter.

On veillera particulièrement à l'étanchéité entre l'axe du marteau et la cloche, car de l'eau à l'intérieur fausserait tout !

Je ne me prononcerai pas sur la résistance de cet appareil face à des grelons de la taille d'une balle de tennis, car je pense que la pastille pourrait être cassée ? Mais qu'est-ce qui n'est pas cassé à ce stade ?

J'ai pensé aussi à l'allumeur piezo d'un briquet bon marché, mais ce dispositif est pratiquement indémontable et je n'ai pas réussi à isoler le seul crital piezo, mais il est peut être possible de garder l'ensemble en éliminant seulement le cliquet qui actionne le marteau ...
Bref c'est une variante que je vous laisse le soin d'explorer...

3 Le montage du détecteur de grêle

Ce détecteur sera placé dans des raccords de plomberie avec de très petits "usinages manuels" (perçage, taraudage et lime)… On utilisera pour ce faire un écrou collet battu de 20x27 ainsi qu'un bouchon laiton 20x27 également.

De cette "plomberie/mécanique/électrique" sortiront 2 fils actifs qui véhiculeront le signal et sa référence (0 Volts) ainsi que le blindage éventuel de ces signaux. En effet ce raccord 20x27 sera porté au potentiel de la masse électrique.
Il devra donc être isolé de la terre par un morceau de plastique ou mieux de polycarbonate, pour éviter des circulations de courants parasites.
Le fil de terre éventuel sera séparé et ne sera en aucun cas une référence de potentiel.

Il faut tout de même se rappeler que ce genre de capteur est capable de fournir une tension très élevée, voir pour cela les allume-gaz piezo qui génèrent une étincelle dont la longueur permet raisonnablement de penser que l'on atteint facilement 2 à 5000 Volts. (Pour donner un ordre de grandeur, environ 1cm d'arc pour 10000V).
Un gros grêlon pourrait donc donner une assez forte tension, (Mais avec un courant extrêmement faible) et les mesures de limitation de tension avant d'atteindre l'électronique ne seront pas superflues.

Les schémas et photos du raccord 20x27 utilisé représentent bien comment la pastille piezo est coincée entre les deux surfaces de contacts.
On remarquera le micro circuit imprimé dont un "doigt" sort de l'écrou par un petit trou (Il est placé "retourné" pour la photo).
Seul un fil imprimé utilise ce passage, mais centré sur le doigt. De même la partie centrale devra être beaucoup plus petite que le diamètre de la métallisation pour 2 raisons.
Cette électrode est le plus souvent mal centrée, et le deuxième point est qu'il y a souvent des rebords de colle sur le pourtour de la pastille, et qu'en rétrécissant ainsi le diamètre du contact central, on assure un bon contact électrique entre la métallisation et le circuit imprimé, sans court-circuits.

Le micro CI associé à un matériel de plomberie standard représente certainement l'intérêt principal de cette réalisation.

Pour ce micro CI, je l'ai réalisé très simplement à la main avec du vernis à ongle et une plume réservoir. Ce n'est pas très "joli", mais la fonction est préservée avec une métallisation d'étain à froid, pour éviter tout mauvais contact et ainsi protéger du vert de gris.
J'ai préféré percer un trou pour passer le doigt du CI plutôt que de réaliser une fente verticale, plus facile à réaliser, car cela donne un peu plus de solidité. Il faudra veiller à entailler largement jusqu'à la surface de référence de l'écrou pour que le fil imprimé sur le doigt ne soit jamais en contact avec l'écrou.

Pour le serrage, il faut mettre à peine en "tension" (mécanique) écrou et bouchon, car on pourrait briser le cristal. Le seul petit problème est qu'une fois le fil central soudé, le démontage nécessite de dessouder, mais c'est la rançon de la solidité. (On introduit simplement le petit CI en biais, doigt en avant. Faire quelques petits CI d'avance résoudra un démontage raté. avec décollage du fil imprimé..)

Il n'y a aucune électronique active DANS ce capteur. Seules une résistance de 82K et une diode zener de 4.7V sont nécessaires pour ne pas véhiculer de tensions élevées. On sait que la tension générée peut être élevée (Plusieurs milliers de Volts parfois), mais avec un très faible courant. (ou dit autrement, avec une résistance interne du générateur très élevée ! )

Cette tension sera donc limitée par la zener et la résistance tant en direct qu'en inverse avec l'effet zener vers les tensions positives, mais aussi en charge par la résistance de 82K en accord avec l'entrée rappelée par 470K au +5V et 22K en série.

La cloche, partie active, est un vieux pot de vernis en aluminium, qui a été coupé à la hauteur voulue. Cela permettra d'éviter les problèmes de rouille et assure une acoustique très directe lors de l'impact, contrairement à la matière plastique qui amorti les chocs.

Ce dispositif est simple mais nécessite de faire attention aux tensions générées qui peuvent être très élevées, aussi on trouvera à l'entrée du PIC qui recevra l'information, (et qui est déjà protégée en interne) une autre diode de rappel au +5V.

On trouve dans l'ordre depuis le fond du collet battu vers l'ouverture :
- plaque circulaire métallique assurant le rôle d'enclume. Elle peut être assez épaisse mais sa nature est indifférente pourvu qu'elle soit conductrice. De mémoire, j'ai utilisé une petite plaque d'INOX mince.
- puis la pastille piezo que l'on centrera à peu près (au besoin un minuscule point de colle sur un bord l'immobilisera au centre. (ne pas mettre de rondelle)
- vient enfin le petit CI que l'on engage en biais dans le trou en premier. (Côté cuivre contre la pastille piezo)
- à la suite un joint 20x27 en fibre assurera un petit serrage "mou" de l'ensemble. (Ne pas trop serrer) car cela pourrait casser le cristal piezo. Un serrage à la main du bouchon est suffisant pour immobiliser la pastille piezo au centre)
- enfin le bouchon avec son axe qui fait office de marteau et qui va transmettre le choc sur le CI, puis la pastille piezo.

J'avais initialement pensé placer une rondelle en clinquant cuivre (visible sur la photo), pour centrer le capteur piezo sur l'enclume, mais c'est illusoire car vu les faibles épaisseurs l'un des éléments arrive à passer au dessus de l'autre allègrement. D'autre part, le pas de vis empêche d'avoir un véritable centrage et peut entraîner la rondelle dans le pas de vis et de mal la déplacer.
La seule formule pratique reste de positionner l'ensemble avec précaution et précision au centre et de serrer ensuite le bouchon 20x27 très modérément. à la main.

4 Détecteur d'orage, son abandon

4.1 Perturbations lors d'un orage

Il faut faire tout de suite une petite parenthèse sur ce qui se passe réellement car on parle de perturbations
électriques, électromagnétiques, du champ électrique, d'électrostatique, de charges  etc…etc… et ce n'est pas toujours très clair si on a pas regardé le sujet depuis longtemps.

L'électricité statique : Un champ électrique s'exprime en Volts par Mètre. Il représente un gradient (loi de variation progressive ici) de potentiel entre deux points ou surfaces conductrices.
Prenons l'exemple d'un nuage chargé à 50 000 Volts entre ses extrémités (On ne s'occupera pas du signe + ou -) Ce nuage est supposé de 500 mètres de long. Cela signifie que sur deux électrodes distantes de 1 mètre, on pourrait mesurer 100 Volts. On dira alors qu'il y a cet endroit un champ électrique de 100 V/M.

Ce champ électrique est dit électro…statique. Il est présent mais ne réalise rien ! 

Statique indique que les charges (Les électrons ou les absences d'électrons ne se déplacent pas, elles sont statiques). Cette situation est typique de l'orage, mais il est difficile de réaliser dans la pratique les mesures, pour de nombreuses raisons qui sont l'absence de répétabilité et la dangerosité en cas de foudre, avec la destruction prévisible de tout matériel électronique si des précautions draconiennes ne sont pas prises.

On aura remarqué qu'à ce niveau il y a seulement des charges, mais que celles-ci ne se sont pas neutralisées puisque l'éclair n'a pas encore jaillit. Tout est encore en gestation.
Ces mesures possibles ne concernent pas vraiment l'amateur, car difficiles à mettre en œuvre, et surtout à protéger.
De plus les essais réels sont très hypothétiques, car il n'y a pas d'autre solution que d'attendre l'été et les orages...!

Le point suivant concerne cette fois le champ électromagnétique.
Ce champ électromagnétique n'apparaît que lors de la décharge électrique, c'est-à-dire lors de l'éclair (Il faut un courant pour le magnétisme non permanent!)

Ce champ est fait d'une composante électrique, mais également d'une composante magnétique. Rappelez vous un simple conducteur parcouru par un courant a un effet magnétique qui dévie la boussole, mais fait dévier aussi le galvanomètre !
C'est ce principe, mais cette fois en courant alternatif, bien que la décharge lors de l'éclair produise un arc en courant continu très puissant, il lui sera associé des composantes hautes fréquences dont j'aurais quelque mal à vous expliquer la raison physique précise, représentons les simplement par les "CRACS" que vous entendez dans la radio en cas d'orage. (Ce sont vraisemblablement des "di/dt", avec de multiples "di" tous azimuts très variables car un éclair ou un arc mettent en jeu des phénomènes d'ionisation complexes)

Ces "cracs" font à la fois partie du domaine électrique et par conséquence aussi du domaine magnétique. Les hautes fréquences touchées vont s'étaler dans toute la gamme des fréquences radio avec plus ou moins d'intensité.

Les différentes informations que j'ai pu trouver indiquent une forte présence d'impact en GO et PO. Les OM (Radio amateurs) sont en général très au fait de ces éléments qui les touchent de très près par leurs installations d'antennes souvent très hautes et donc très sensibles et vulnérables

Mon premier essai par la composante électrique.
Il s'agissait donc de prendre le champ électrique alternatif produit lors de l'éclair cette fois. Une antenne reçoit normalement ce champ et un amplificateur à fréquence fixe aux alentours de 300 KHz amplifie ce signal.
J'avais trouvé un schéma avec des bobines d'entrée de valeur élevée. (Voir photo ci-contre, d'un CI d'essais, "plusieurs fois canibalisé" pour modifications)
A cette fréquence radio assez basse, il est nécessaire d'utiliser des ferrites pour la self. Une valeur de 10mH est une self non négligeable.
Suivant le matériel que l'on possède, l'accord est rapidement trouvé avec des condensateurs de l'ordre du nf.

Le problème de la fréquence "d'écoute" est seulement dû au fait qu'il ne faut pas écouter l'orage sur RTL ou EUROPE 1, car il faudrait alors "séparer le bon grain de l'ivraie".
Autant trouver une zone sans émission tout de suite ! Cette fréquence de 300 KHz est donc à priori une bonne fréquence, qui se trouve d'ailleurs entre les PO et les GO, loin d'une affluence radiophonique connue!

J'avais ensuite trouvé un transformateur MF à 455 KHz dont j'ai retiré le condensateur (Pour mesurer la self)pour le régler ensuite sur 300 KHz. Ceci était le circuit // d'entré qui devrait amplifier les "cracs". Une antenne a décoré le montage pour capter la partie électrique du signal "foudre".
J'ai eu la chance d'avoir quelques orages pour vérification, et le résultat a été déplorable. La radio GO marchait mieux que le montage !
Je n'ai pas cherché plus loin, car j'avais quelques doutes sur l'amplification directe mono fréquence, et j'ai donc abandonné ce principe.

Le dernier principe qui semble à ce jour donner de meilleurs résultats est basé sur la composante magnétique de cette haute fréquence de 300 KHz.
La réception se fera donc cette fois majoritairement par la composante magnétique, mais à un petit bémol près, cela signifie aussi que l'orientation de la bobine sur ferrite sera importante pour capter au mieux.
Qu'à cela ne tienne, on ajoutera au besoin une petite antenne associée à la bobine, et ainsi un peu de la composante électrique du champ.
On va garder le principe d'amplification à fréquence fixe qui est simple, mais cette fois on va utiliser un amplificateur à super réaction qui place le circuit juste en limite d'oscillation, et donc procure un gain très élevé.
Ce principe me semble adapté pour une telle application de détection. On amplifiera ensuite les signaux avec un seuil de niveau de détection réglable, puis l'enregistrement du "crac" par un monostable qui gardera un certain temps le "crac" fugitif, juste le temps pour qu'une logique d'acquisition ne le perde pas !
Ce même monostable alimentera un transistor qui pilotera aussi une LED et fera en même temps la sortie du signal (Assez faible impédance pour pouvoir être envoyé vers un processeur distant de quelques mètres ou dizaines de mètres)

Ce montage ne donne pas satisfaction non plus pour la partie orage, et un peu pressé, je suis donc resté sur la seule très simple détection de grêle !

5 Un schéma "orage et grêle"

On peut dire LE schéma, car il n'y avait qu'un seul circuit imprimé pour les deux activités orage et grêle. En effet, à l'origine, j'avais inclus la détection de grêle.

On remarquera en partie supérieure les deux transistors du montage à  super réaction, l'amplificateur à seuil avec une possibilité de réaction positive, le monostable et un transistor de sortie avec LED et sortie du signal "orage".
La partie super réaction n'est pas de mon cru mais tirée de je ne sais plus où en réalité.
Sur la partie inférieure, c'est le détecteur de grêle avec zener, résistance et condensateur, et un schéma parfaitement identique à l'autre.
(Ces éléments ont été placé directement dans le capteur maintenant).

Sur la partie "orage", j'ai gardé un connecteur pour vérifier avec des écouteurs ce qui se passe sur les ondes…Pour le reste, les LED sont témoins d'une activité.
Le circuit a été tiré, mais je ne l'ai jamais monté, car le pilotage du panneau solaire était beaucoup plus urgent, aussi, j'en reste donc avec le seul détecteur de grêle, en attente d'un peu plus de temps, pour faire des essais complémentaires…(Peut-être aux prochaines calendes….)

Inutile de dire que vu la simplicité du détecteur de grêle actuel, ce schéma qui a tout de même eu un CI (photo juste avant) n'a cependant jamais été monté, et donc pas plus essayé. Si vous voulez le schéma du CI, dites le, mais pour moi cela n'offre que peu d'intérêt puisqu'il n'a jamais été essayé !

6 Conclusions

Ce tout simple détecteur de grêle fonctionne correctement, et une vis de Ø3 mm (ou écrou de 4 mm) qui tombe de 25 cm de hauteur fait détecter au PIC.
Je rappelle que ce détecteur (Avec ses deux composants) ne donne que des impulsions positives de l'ordre de la milliseconde.
Il est donc nécessaire soit de mémoriser ces impulsions, soit d'attaquer directement une entrée avec interrupt sur un PIC, ce qui sera le cas, et cette dernière utilisation simplifie encore puisque aucun autre circuit n'est nécessaire, et qu'il n'est pas nécessaire de mobiliser des ressources programme en scan au risque de perdre des pics.

Tout PIC même à 4 Mhz devrait pouvoir détecter sans problème ces impulsions de quelques millisecondes.

Voir sur la photo ci-contre, le montage d'essai réalisé avec l'enregistrement de l'onde générée qui est un pic (Pas un PIC) alternatif avec 1 voire 2 alternances avec parfois des rebonds auxiliaires de l'objet qui rebondit. (Oscillogrammes sans la zener et la résistance)
Vous aurez remarqué également sur la photo ci-contre, l'aspect bombé de la cloche, (à réaliser soi-même) pour ne pas accumuler l'eau de pluie qui fausserait les chocs en les amortissant.

En résumé une petite application, surtout mécanique, qui sera mise en place au printemps 2012 sur le panneau solaire thermique piloté aux équations solaires par un PIC 16F886.
Ce dernier montage est actuellement en cours d'essais et son article sortira prochainement.

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Comments

[lokistagnepas]

Bonjour,

Certes c'est un peu tard et j'aurais préféré détecter les éclairs pré-annonciateurs, mais par contre la mesure de température des nuages n'est pas à ma portée...

N'hésitez pas à m'aider pour quelques Euros seulement en utilisant mes seuls composants.

Meilleures salutations

bricolsec

[asf21]

Bonjour.

Ce montage est intéressant mais une fois la grêle détectée, au sol, il est déjà trop tard, non?

S'aurait été pas mal de faire une mesure de température du nuage en comparaison à la température au sol, et en déduire la potentialité du nuage à créer des grêlons.

Cdt.