CA1199386A - Methode et systeme de detection de proximite de lignes electriques - Google Patents

Abstract

Un ensemble capteur recevant par effet capacitif, un courant dont l'intensité est une fonction de la distance séparant cet ensemble capteur d'une ligne électrique. Les autres facteurs influençant le courant sont fixés, constants ou rendus négligeables. Une unité de mesure et de conditionnement du courant recueilli par l'ensemble capteur convertit ce courant en un signal codé et le transmet vers une unité de contrôle et de commande. Cette unité de contrôle et de commande compare ce signal codé à des valeurs prédéterminées qui y sont emmagasinées. L'unité de contrôle et de commande génère des alarmes lorsque le courant recueilli excède des conditions prédéterminées.

Description

3~

La présente invention a trait ~ la détection de proximité d~une ou plusieurs sources haute-tension et concerne plus par-ticulierement une méthode et un système destinés à détecter la proximité de lignes électriques c.a~
haute-tension~ Le but est de fourni.r une aide ~ l'opéra-teur d~un équipement lourd en llavertissant du danger de contact avec une ligne électrique haute-tension~
Chaque année, un nombre de plus en plus impression~
nant de travailleurs subissent des blessures ou des lésions physiques ou physiologiques pouvant parfois créer des pathologies sévères dues à des chocs électriques résultant du contact de la structure métallique de la flèche cl'une grue mobile pivotan-~e, d~une plate ~orme élévatrice ou tout autre équipement analogue~ Afin de pallier à ce danger, plusieurs systèmes de détection de proximité de lignes électriques sont disponibles sur le marché. Ces appareils préconisent essentiellement des arrangements équivalents basés sur la mesure des tensions d'équipotentielles. Nous ~avons qu7il se batitautour des lignes électriques actives, un champ électrique dont l'intensité décro~t suivant des lignes d'équipotentielles de sorte que le potentiel captable augmente au fur et à mesure que décroit la distance entre le capteur et la ligne électrique le maximurn étant atteint lorsque cette distance devient nulle. Dans les capteurs connus, la tension d'équipotentielle captée est mesurée et comparée à une tension seui.l dorlt tout dépassernent déclenche un signal d'alarme~
Un des défauts majeurs est que le signal r~cueilli tend vers une valeur limite qui est la tension phase~terre de la ligne. Ceci implique qu'en présence de deux lignes de niveaux de tensions différentes,on risque de toucher à la ligne ~9J

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de plus basse tension sans déclencher l~alarme. En e~fe~9 un seuil d'alarme acceptable pour la ligne de plus haute tension peut être supérieure ~ la ten~ion même de 11autre ligne. Mentionnons aussi la vulnérabilité des mesures d'équipotentielles facilement perturbées par le changement des structures environnantes. A ces inconvénients s'ajoute la difficulté de rnesurer les equipotentielles dues au~ très ~autes impédances impliquées.
La présente invention vise ~ contrer les inconvé-nients des systèmes connus en préconisant une méthode et unsystème de détection de pxoxirnité de lignes électriques qui est basé sur la mesure du courant capacitif émanant d'une ligne électrique sous tension. Pour une ligne donnée, à une tension donnée, l'intensité de ce courant capacitif est une fonction de la distance séparant le capteur de la ligne électrique. Dans une telle situation on peu-t donc utiliser cette information pour évaluer la proximité de la ligne.
Cette méthode de détection amène une arnélioration importante par rapport aux principes de mesure de la tension d t équipotentielle puis~ue l'intensité du courant capacitif augmente très rapidement lorsque décroit la distance séparant le capteur de la ligne électrique, elle devlent théoriquement infinie lorsque cette distance est nulle~ Rar cette méthode~
la valeur seuil qui indique le point limite au delà duquel le danger de contact s'avère imminent est toujours atteinte quelle que soit la tension de la ligne électrique. De plu5 le principe de mesure basé sur le courant capacitif réduit considérablernent les effets de perturbations dus aux change-ments des structures environnantes. Finalernent la mesure du courant n'implique plus l'utilisation de circuits à très haute impédance.

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En consé~uence, la présente invention vise de ~a~con générale un systeme de détection de proximité de lignes électriques sous tension c~a. et créant un champ électrique résultant. Le système comporte un ensemble capteur recueil-lant par effet capacitif, un courant dont l'intensité est principalement une fonction de la distance séparant ledit ensemble capteur de ladite ligne électrique. Le système comporte aussi une unité de mesure et de conditionnement qui convertit ledit courant en un signal codé. Des moyens avertisseurs reliés à l'unité de mesure et de conditionnement génèrent un avertissement lorsque ledit signal codé atteint des valeurs prédéterminées.
La présente invention concerne également une méthode de détection de proximité d'une ligne électrique sous tension c~a.~ créant un champ électrique résultant7 qui est définie par les étapes suivanteso on capte par effet capacitif un courant dont llintensité est une fonction de la distance séparant un ensemble capteur de la ligne électrique, on mesure ensuite l'intensité du courant ~0 recueilli dans llensernble capteur à l'aide d~une unité de mesure et de conditionnement, on conditionne et l'on code cette mesure dans cette même unité afin de transmettre un signal vers un poste-ma~tre, on manipule ce signal dans le poste-maitre afin d~établir des relations de comparaison avec des consignes prédéterminées, on déclenche finalernent des moyens avertisseurs si le résultat de ces comparaisons rencontre certains criteres préétablis.
Un e~emple d1application est décrit ci-après avec référence aux dessins annexés.
La figure 1 présente de fa~on tres schéma-tique l'installation sur une grue d'un détecteur de lignes électriquesO
-- 3 ~

La ~i~ure 2a est un graphique montrant le si~nal de mesure de tension d'équipotentielle en fonction de la distance séparant le capteur de la ligne électrique.
La figure 2b est un graphique montrant l~allure des signaux de mesure du courant capacitif en fonction de la distance séparant le capteur de la ligne électrique.
La figure 3 illustre un schéma des impédances de charge d'une surface métallique qu'on utilise comme élément de mesure vis-~ vis une ligne électrique.
La ~igure 4 est un graphique montrant des courbes de variations de signaux mesurées en fonction de la distance capteur-structure métallique, pour les deux méthodes de mesure.
La ~igure 5 montre de façon schématique un diagramme bloc d'une unité de mesure et de conditionnement appelée aussi poste-satellite pour ce système de detection.
La figure 6 montre un schéma bloc d'une installation typique d~un système de détection de lignes électriques.
La figure 1 illustre de facon tres schématique le principe de détection de proximité d'une ligne électrique 1 par effet capacitifO ~ne grue 2 manoeuvre près de la ligne électrique 1 et comporte une ~lèche 5 à llextrémité de laquelle est monté un ensemble capteur 3 qui est disposé à
une distance D du faisceau de conducteurs de la ligne électri-que 1 et à une distance d de la structure métallique de la flèche 5. A une certaine distance D de la ligne électrique, la tension de la ligne induit dans le capteur 3 un courant dont l'intensité est mesurée à l'aide de llunité de mesure et de conditionnement dans le poste-satellite 4 situé près de l~antenne 3. L~unité de commandes et de contrôle 6, appelée aussi poste ma~tre, est reliée au poste-satellite 4 par un cable de liaison 7. Ce poste-maitre 6 est aussi 3~

relié à des organes avertisseurs afin de générer des alarmes comme moyens d'aide à l'opérateur dans l'évaluation de situa-tions dangereuses et aussi muni d'un dispositif de cornmande d'auto-ajustement lors de la procédure ~e mise en route.
A la figure 1, l'ensemble capteur-ligne électrique forme un condensateur C~ Cette capacité s~exprime par la re-lation générale suivante:
C = G' (D,d~S~r~ll 2) où G est un signe définissant une fonction, D est la distance ligne-capteur, d la distance capteur-flèche, s la surface du capteur, r la permittivité relative du milieu,ll est l'effet de la géométrie de la ligne,~2 est l'effet de la géométrie des structures métalliques environnant le capteur. Dans le cas du présent système de détection de lignes électriques cer-tains de ces paramètres sont fixes, d'autres sont volontaire-ment fixés lors de la conception, enfin certains sont négligea-bles ou rendus négligeables par la méthode de mesure utilisée.
Le seul paramètre significatif est devenu la distance capteur-ligne D. On en déduit donc une relation simplifée de forme:
C = G(D) où G est un signe définissant la -fonction et D est la distance ligne-capteur. Cette relation permet de considérer que le cou-rant recueilli dans l'ensemble capteur a une intensité Ic qui est une fonction de la distance D séparant le capteur de la li-gne et de la tension V de la ligne. Ceci peut s'exprimer par l~équation suivante: Ic = (2~fV) C C = G(D) où C est la capacite ligne-capteur, D la distance ligne-capteur, Ic le courant capacitif, f la fréquence de la tension Y de la ligne électrique.
Le présent système de détection par mesure du courant capacitif, offre des avantages considérables lorsque comparé

aux systèmes antérieurs basés sur la mesure des tensions d'équi-potentielles. La figure 2a illustre graphiquement les signaux ~ f ~;
,~

de mesure de tension d'équipotentielle en fonction de la distance séparant le capteur de la ligne électrique. Le graphique présente l'évolution du signal de tension Vc lorsque le capteur est dans le voisinage d~une ligne de 230 kV, ou dans le voisinage d'une ligne à 25 kV. On no-te que dans le cas ou le seuil de déclenchemen-t d'alarme d~un tel système a été fixé à une valeur Vl afin de limiter la course de l'equipement ~ une distance Dl de la ligne~ ce même systèrne pourrait être inopérant lorsq~'utilisé à proximité d'une ligne de 25 kV puisque le seuil Vl est une tension supérieure à la tension même de la ligne de 25 kV. Cette situation est excessivement dangereuse car dans ce cas il pourrait ~ avoir contact de l'équipement avec la ligne sans déclenchement d'alarme.
On pallie à cet inconvénient grave par la méthode de mesure du courant capacitif. La figure 2b illustre ce courant Ic dont l'intentisé est une fonction de la distance ligne~capteur et de la tension de la ligne. Cette figure illustre l'évolution des signaux Ic pour deux cas particuliers soit une ligne de 230 kV et une ligne de 25 kV. Dans cet exemple on voit que même si le seuil de déclenchement d'alarme est fixé à la valeur Il afin de limiter l'excursion de la flèche à une distance Dl dans le cas d'une ligne de 230 kV:
il y aurait effectivement un déclenchement D2 même au seuil non corrigé Il. Ainsi dans cet exemple un signal d'alarme sera quand meme émis meme si la distance D2 risque d'être moindre que la distance réglementaire exigée pour une ligne de 25 kVo Tout ceci tient au fait que la valeur du courant capacitif Ic tend théoriquement vers l'infini et non pas à
une valeur fixe comme dans le cas de la mesure de tension d'équipotentielle~ En conséquence, le fait d'utiliser la mesure du courant capacitif arnène un élément de fiahilité

supplémentaire~
L'utilisation du principe de la mesure du courant capacitif sur lequel s~appuie la présente invention, offre d'autres avantages importants lorsqu'on considère la réalisation technique de l'unité de mesure et de conditionne-ment de ce système. En effet un aspect important associé à
cette méthode réside dans la valeur de l'impédance d'entrée du circuit de mesure dans le poste satellite. Dans le cas de la mesure de tension d'équipotentielle, comme pour toute mesure de tension d'ailleurs, un circuit à haute impédance dlentrée par rapport ~ l~impédance de source doit etre utilisé. Dans le cas spécifique des éqvipotentielles, l'impédance de source vue par le système de mesure est de l'ordre de plusieurs centaines de mégohms. Il devient extremement difficile de réaliser des systèmes de mesure qui ne perturbent pas le-phénomène en cause. Par c~ntre une mesure de courant capacitif nécessite l'utilisation d 7 une très faible impédance d'entrée par rapport à l'impédance de source, ce qui est fort avantageux dans ce cas particulier.
~ a figure 3 permet d'expliquer un autre avantage relié à l'utilisation du principe de base de la présente invention utilisant la mesure du courant capacitif recueilli dans un ensemble capteur. Cette figure 3 est un schéma du modèle électrique montrant les effets causés par la présence de structures métalliques d'une grue ou d'autres équipements analogues sur la rnesure du signal présen-t sur une plaque métallique 3. Pour obtenir une mesure valable du signal, qu'on veut une représentation de la dis-tance ligne-capteur~
il est nécessaire de minimiser les ~uites CF et RF qui drainent le signal vers la terre via des struc-tures métalliques environnantes. Dans la mesure d'équipotentielles~ les impédances dSentrée Zi d'un circuit de mesure 8 étant tres élevées, les fuites perturbent considérablement la mesure qui devient tout à fait inacceptable dès qu'il y a présence de structures métalliques avoisinant le capteur. Sachant que la capacité de ~uite CF est un terme variable qui dépend principalement de la position relative du cap-teur par rapport aux structures métalliques, il apparalt que dans la mesure d'équipotentielles le signal recueilli sera fortement dépendant de la distance séparant le capteur de cette structure. Cependant, dans le cas de la mesure de courant capaciti~, 1 t impédance d'entrée Zi d'un circuit de mesure 8 étant ~aible, l'influence des fuites à la structure sera considérablement diminuée et ainsi la mesure demeure tout à fait acceptable.
La figure 4 illustre bien le précédent énoncé où
la courbe A montre l'évolution du signal de mesure d'une tension d~équipotentielle en fonction de la distance séparant le capteur de la flèche dtune grue; la courbe B montre l'évolution du signal de mesure de courant capacitif en onction de cette meme distance capteur-flèche. On note que la rnesure est appréciablement moins perturbée par la présence cle structures métalliques lorsque la présente méthode de mesure de courant capacitif est utilisée. Ceci ajoute d'autres avantages au syst~me proposé puisque le c~pteur peut être monté de fa~on ponctuel et près de la flèche d t un équipe-ment réduisant du meme coup 1 t encornbremerlt .
Dans le présent mode de réalisation, le processus de traitement pour l~extraction de l~inforrnation contenue dans la mesure de courant capacitif est réalise en deux étapes distinctes. On procède en premier lieu a une série de -trans~

:~orma~ions ~ 1 ' intérieur d t une urli té cle mesure e t ~le conditionnement 4 appelée poste-satellite et situe près de ltensemble capteur 3. cette unité est illustrée ~ la figure 5~ Par ailleurs, le traitement ~inal ainsi que les décisions d'alarme sont réalisés dans l'unité de commande et de contrôle appelée poste-maitre 12 ~ la figure 6. Ce poste-maître est 1 t unité du système qui est accessible à 1 t opérateur de la grue pour interaction via les commandes 15.
Se référant à la ~igure 5, le poste-satellite 4 est relié d'une part au capteur 3 ~ui recueille le courant capacitif et dtautre part au poste-ma~tre 12 de la figure 6 par un cable de liaison 7 qui véhicule des signaux codés entre ces deux postes. Le poste-satellite 4 comporte un circuit de mesure de courant 8. Le signal de tension issu du circuit de mesure 8, est traité localement par les circuits de conditionnement 9 a~in de fournir une mesure fiable en un premier temps et aussi afin d~être codé pour la transmission vers le poste-ma~tre en dernier lieuO Un dispositif de contr81e et de commande local 10~ constitué d'un micro-processeur et de ses circuits annexes, est responsable dudéroulement de ltensemble des opérations du poste-satellite 49 y compris les opérations relatives ~ la cornmunication sur le câble de liaison 7~ Un dispositif d1auto-surveillance 11 assiste 1 t unité 10 dans la supervision du bon fonctionne-ment de 1 t ensemble du poste-satellite 4 y cornpris le capteur 3.
Il est entendu que les circuits 8, 9, 10 et 11 peuvent etre de nature variée comMe celà est évident pour l'homme de l'art.
La figure 6 montre le schéMa bloc d'une installation typique cons-tituée d'un poste-maître 12 et de plusieurs postes-satellites 4A, 4B, 4C, respectivement reliés aux capteurs 3~, 3B, 3C; le tout étant .i.nterconnecté à l'aide ~' 3~

du câble de liaison 7O Ce c~ble de liaison 7 véhicule les signau~ codés du poste-ma~tre 12 vers les postes satellites et de chacun des postes-satellites vers le poste-maltre. Il permet aussi d'acheminer l~alimentation électrlque vers les postes-satellites.
L~installation type d t un système de détec-tion de proximité de lignes électri~ues présenté aux figures 5 et 6 comporte plusieurs niveaux de traitement de signaux a~in de réaliser la fonction finale qui est d~assister l'opérateur dans la détection de la proximité d'une ligne électrique~
Le traitement se divise en deux étapes principales qui corres-pondent d'ailleurs aux deux types d'unités composant le système soit les pos~es satellites et le poste-maitre~
Dans chaque poste-satellite le traitement concerne principalement la mesure de courant capacitif ainsi que le conditionnement sur ce signal afin de le rendre fiable pour le système et disponible au poste-maitre. La première phase consiste à mesurer un courant capacitif qui peut évoluer sur une plage dynamique d'environ 100 dB. Cette opération est exécutée par le convertisseur courant-tension dans 8 à la figure 5. Ce convertisseur étant cornmandable par 17 unité de contr~le et de co~nande locale 10~ on réalise ainsi un dispositif de mesure adaptatif avec lequel on peut mesurer des signaux sur une grande plage dynamique avec une précision suffisante pour nos besoins. Dans le but d'é~iminer la plupart des effets des bruits parasites du milieu, nous avons implanté dans le poste-satellite des mécanlsmes de réjection de ces perturbations. L~imrnunité aux bruits du système se réalise en particulier en trois points précis. Premièrement un dispositif de filtrage des signaux analogiques est incorporé
au niveau de l'unité 8 de la figure 5. Deuxièmement un ~3~

processus de filtrage numérique est réalisé ~ans llunité de controle et de commande locale 10. Troisièmement, l'unité
de conditionnement réalise avec l'aide de l'unité de controle et de commande locale 10, une synchronisation des mesures7 prises par le poste-satellite, avec la fréquence de la tension de la ligne électrique. Cette synchronisation permet dYaugmenter la réjection des phénomènes parasites ~ui eux ne sont pas synchrones à la tension de la ligne. hfin de palller aux défaillances possibles du poste-satellite, un processus d'auto-surveillance a été intégré afin de permettre de détecter les bris et d'informer l'opérateur des difficultés rencontrées par les postes-satellites. Cette vérificationa dans le cas de la figure 5, steffectue de l'antenne 3 jusqu'au niveau du câble de liaison 7. La vérification de l'antenne elle-m8me s'effectue en polarisant celle-ci avec un signal qui se situe en dehors de la bande passante des signaux ~ mesurer a 1'aide du dispositif d'auto-surveillance llr De cette fa~con9 un court-circuit ou un circuit ouvert sur le capteur est immédiatement détecté. Cette polarisation permet aussi de vérifier le reste de la chaine de mesure 8 puisque le système doit reconna~tre la présence continuelle du signal de vérification. Le malfonctionnement de l~unité
de contr81e et de commande locale 10 est détecté par le poste-maitre.
Au poste-ma~tre 12 de la figure 6, le traitement consiste principalement à s'assurer de la validlté des signaux provenant des postes-satellites 4 ainsi qu'a réaliser les manipulations et calculs nécessaires sur ces signaux afin de commander les fonctions d'avertissement fournies à l~opérateurO
Ce poste-ma~tre est réalisé à l'aide dlun microprocesseur et 3~

de ses circuits annexes. Ie signal provenant d'un poste-satellite ~ sur le lien 7 est sous ~orme d~un message codé
contenant des informations sur llétat de ~onctionnement du poste-satellite ainsi que la valeur codée et conditionnée des mesures du poste-satellite. Le poste-maitre peut donc juger du bon fonctionnement de tous les postes-satellites par l'analyse de la première partie des messages. Si le fonc-tionnement est bon, il utilise la deuxieme partie des messages afin de juger des conditions de proximité de la grue face à
une ou des lignes électriques et déclencher les fonctions diavertissement 14~si nécessaire. Si le fonctionnement est jugé mauvais9 il avertit l'opérateur par un moyen spécifique à cette situation. Le poste-ma~tre peut égalemen-t imposer des conditions de fonctionnement aux postes-satellites par le lien de communication 7 afin de procéder à des vérifications, des ajustements de seuils ou toutes autres commandes nécessai-res aux processus de traitement du pos~e-ma~tre lui-rnême.
Finalement afin d'assurer la fiabilité de l'ensemble du système, on incorpore au poste-ma~tre des moyens de vérifier son fonctionnement~
Chaque ~ois que l'on utilise de la machinerie équipée d'un tel système près d'une ligne électrique, liopérateur doit d'abord exécuter une procédure simple de réglage via une commande manuelle 15 indiquée sur la figure ~. Par ces réglages on peut décider dtun avertissement sur le dépassement d'un seuil ou choisir un avertissement progressif dans une zone donnée.
~ 1 est entendu que les modes de réalisation décrits ci-haut incorporent également toutes modifications évidentes de ceux-ci et sont donnés à titre d'exemple de réalisation de ~ 12 -3~

, la présente invention et ne SOIlt nullement limitati-fs, L~ampleur de la présente invention n'est restreinte ~ue par la portée des revendications qui suivent.

Claims (9)

Les réalisations de l'invention au sujet desquelles un droit exclusif de privilège ou de propriété sont définis comme suit:-

1. Système de détection de proximité d'une ligne élec-trique sous tension c.a. et créant un champ électrique résul-tant, ledit système comportant un ensemble capteur recevant par effet capacitif un courant dont l'intensité est fonction de la distance séparant ledit ensemble capteur de ladite ligne électrique; une unité de mesure et de conditionnement pour convertir ledit courant en un signal codé, ladite unité
de mesure et de conditionnement comportant une faible impé-dance d'entrée par rapport à l'impédance de source et dont l'influence des fuites à une structure supportant ledit cap-teur est considérablement diminuée, et des moyens avertis-seurs reliés à ladite unité de mesure et de conditionnement pour générer un avertissement lorsque ledit signal codé
atteint des valeurs prédéterminées.

2. Système de détection selon la revendication 1, dans lequel ladite unité de mesure et de conditionnement comporte un convertisseur adaptif courant-tension et des circuits de conditionnement et de contrôle qui transforment ledit courant capté en ledit signal codé pour transmission vers un poste-maître comportant lesdits moyens avertisseurs.

3. Système de détection selon la revendication 2, dans lequel lesdites consignes sont déterminées à chaque fois que l'équipement muni d'un tel système se situe dans un nou-vel environnement de lignes électriques par le système lui-même à la demande de l'opérateur.

4. Système de détection selon la revendication 2, comportant une pluralité de postes-satellites, chaque poste-satellite incluant respectivement un ensemble capteur rece-vant par effet capacitif un courant dont l'intensité est fonction de la distance séparant ledit capteur de ladite ligne électrique et un poste-maître relié à chaque poste-satellite au moyen d'un câble de liaison et incluant lesdits moyens avertisseurs générant un signal d'avertissement lors-que ledit poste-maître le commande.

5. Système de détection selon la revendication 4, dans lequel ledit système comporte des moyens d'auto-surveillance continue par l'envoi d'un signal, en dehors de la bande passante du signal à mesurer, dans l'ensemble cap-teur et par l'analyse des signaux reçu du poste-maître.

6. Méthode de détection de proximité d'une ligne électrique sous tension c.a. et créant un champ électrique résultant, ladite méthode comportant les étapes suivantes:
on capte par effet capacitif un courant dont l'intensité est fonction de la distance séparant un ensemble capteur de la-dite ligne électrique; on mesure l'intensité dudit courant recueilli par ledit ensemble capteur à l'aide d'une unité de mesure et de conditionnement, ladite unité de mesure et de conditionnement comportant une faible impédance par rapport à
une impédance de source et dont l'influence des fuites à une structure supportant ledit capteur est considérablement dimi-nuée; on conditionne et l'on code cette mesure dans cette même unité afin de transmettre un signal vers un poste-maître;
on manipule ce signal dans le poste-maître afin d'établir des relations de comparaison avec des consignes prédéterminées, on déclenche finalement des moyens avertisseurs si le résultat de ces comparaisons rencontre certains critères préétablis.

7. Méthode de détection selon la revendication 6, dans laquelle on surveille en permanence le fonctionnement du système par l'injection d'un signal dans le système, en de-hors de la bande passante du signal à mesurer, dans l'ensem-ble capteur.

8. Méthode de détection selon la revendication 7, dans laquelle on capte différents signaux de mesure par l'intermé-diaire d'une pluralité de capteurs et d'unités de mesure et de conditionnement pour traitement dans ledit poste-maître.

9. Méthode de détection selon la revendication 7, dans laquelle on analyse le signal reçu dans ledit poste-maître afin de déterminer ledit fonctionnement du système de détec-tion.