Voile et Electronique : Christian Couderc

J'ai déjà longuement évoqué le sujet en page voile / girouette-anémomètre, spécifiquement pour les application marines, mais je vais l'aborder très différemment dans cette note pour une centrale terrestre.

Nous allons nous intéresser à la réalisation pratique, la plus simple possible, de l'anémomètre à coupelles ou godets.
C'est celui qui offre les meilleures performances en linéarité par vent fort.
Les autres solutions possibles évoquées en page voile ne conviennent pour une réalisation artisanale.

Trois godets sont placés aux extrémités de bras légers,
l'ensemble tourne autour d'un axe vertical.
La vitesse de rotation est (presque) proportionnelle à la vitesse du vent.

Le principe est très simple., mais voyons maintenant l'ensemble des conditions pour que cela fonctionne.

Les frottements en rotation doivent être extrêmement réduits. C'est le point très critique si vous voulez que cela tourne 10 ans sans gripper, il faut prendre beaucoup de précautions. Le moindre frottement empêche le démarrage dans les petits airs, rend une réponse non linéaire et erratique, et détruit l'aérien par vibrations aux vents forts.
Il y a plusieurs réalisations pratiques, toujours sur axe inox ou titane, poli :

Deux excellents roulements à rouleaux, inox étanches et miniatures, graissés à vie, c'est le plus classique.

Deux paliers rubis, mais il faut bloquer le débattement longitudinal de l'axe, généralement par butées à équilibrage magnétique.

Les paliers virtuels, c'est la solution la plus high tech, l'axe doit être magnétique, il est en suspension dans un champ torique. C'est parfait mais les tolérances sont au micron ! Il n'y a aucun contact, les matériaux ont le même coefficient de dilatation et sont équilibrés thermiquement. Cette solution courante en très haut de gamme est hors de portée de l'amateur.
Il est impossible de réaliser autre chose, comme des paliers Ertalon si l'on veut fiabiliser le capteur. Soyons fous, supposons donc que l'axe tourne librement, et voyons le reste.

Les godets sont fixés aux extrémités de l'étoile à trois branches. En théorie c'est très simple. Les branches n'ont pas de prise au vent. La partie concave des godets est entraînée à la vitesse du vent, la partie convexe ayant un très bon Cx ne freine pas.

Les principes d'aérodynamique montrent que c'est le centre de la coupole qui se déplace à la vitesse du vent. Si le rayon (de l'axe au centre de la coupole) est " R ", le centre parcoura 2 * Pi * R par tour.

Si la vitesse du vent est de " V ", l'axe tournera donc à " V / 2 * Pi * R "
Exemple vent de " V " 10 m s^-1, " R " rayon de 5 cm, " T " nombre de tours par seconde :
T = 10 / ( 2 * 3.14 * 0.05) = 31.8 t s^-1
Pour des applications marines, les vitesses de vent sont toujours données en nœuds, qui sont des milles (1852 mètres) par heure. La désignation est "k" (= knots) et surtout pas en "K" qui représente des degrés Kelvin…
Exemple : 10 m/s = 10 * 1852 / 3600 = 5.4 k
Donc en gros, un vent de 10 m s^-1, soit 5 k (nœuds), fera tourner notre anémomètre à 30 tours par seconde.

Pour fixer les idées, en prenant une moyenne 5 k pendant 10 ans, l'axe tournera : 30 * (3600 *24) * 365 * 10 = 10 milliards de tours…

Vous commencez à comprendre le problème redoutable des paliers qui devront tenir autant de tours.

Nous avons donc vu qu'il est très facile de calculer la vitesse d'un anémomètre.
Bon maintenant calmons nous, la vérité est bien loin de tout cela. Tout cela serait vrai s'il n'y avait pas de multiples effets pervers dont nous n'allons lister que les principaux :

Il n'y a aucun frottement sur l'axe, à des vitesses infimes, le système démarre.
Ce n'est jamais le cas en pratique, il faut un vent très sensible pour décoller, les vents faibles ne sont pas vus, ce qui explique le départ retardé de la courbe. Ce frottement freine évidemment à toutes les vitesses et introduit des vibrations désastreuses pouvant aller jusqu'à bloquer le mécanisme à des vitesses critiques.

L'écoulement est parfaitement linéaire.
Cela est assez vrai aux vitesses moyennes de 3 à 15 k, ce qui donne la partie la meilleure et la plus linéaire, proche de la théorie.
Quand le vent forcit, les lois de l'aérodynamique interviennent. Je ne veux pas introduire ici de lourds calculs faisant intervenir le nombre de Reynolds, ce qui alourdirait considérablement la page. Disons simplement que l'écoulement devient turbulent, les filets d'air décrochent et s'enroulent en spirales, la traînée de la coupole montante perturbe énormément. Cela a pour conséquence une perte de linéarité, avec des effets de résonance. Pour des vents très forts, tout s'arrache et la girouette explose…

Pour améliorer cela il faut particulièrement soigner l'étoile à godets.
Il est donc exclu de penser coller des demi balles de ping-pong sur des cordes à piano soudées sur un clou !
Les branches doivent être très fines et profilées.
Les godets ont des profils très soignés, petits et légers, parfaitement symétriques et équilibrés.
Les quatre branches sont abandonnés ainsi que les gros godets à cause des performances aérodynamiques médiocres.
Les bons matériels sont en carbone, peints en stratifié blanc pour assurer la résistance aux UV.
Remarque: Il ne faut jamais laisser un quelconque matériel en carbone noir et brut sans protection aux rayonnements solaires, il se dégraderait rapidement.

En faisant tourner une croix de Malte à quatre branches devant un optocoupleur à fenêtre. C'est beaucoup plus fiable qu'un disque à secteurs noirs/transparent qui de salit à la longue.

C'est la solution maintenant toujours privilégiée. L'axe porte un aimant céramique qui produit un signal sinusoïdal. Dans les temps préhistoriques, un ILS (Interrupteur à lames souples) était employé en donnant deux contacts par tour, avant de mourir définitivement collé.
Maintenant c'est toujours un petit capteur à effet hall, d'un prix négligeable et au fonctionnement parfait. Il comporte son amplificateur incorporé et se présente comme un minuscule composant CMS fournissant une sinusoïde idéale. C'est le seul choix réaliste.

Il faudra le choisir résistant aux UV pour ne pas le voir détruit en quelques années par oxydation du cuivre. Dans tous les cas, si le signal se sortie est carré, un petit filtre RC est indispensable pour casser les fronts raides qui induiraient des parasites dans le câble de descente.
Des paires torsadées différentielles seront toujours préférées au coaxiaux pour diminuer le rayonnement. Un fil certifié aviation est le meilleur choix, en gainant toute partie exposée aux UV.
Les composants et les jonctions des soudures seront tropicalisées par plusieurs couches de vernis époxyde et de joint silicone. Cet élément ne pose que peu de problèmes, une fois que les risques sont connus.

Les grandes vitesses sont simples. Il faut installer une galerie sur la voiture, monter une petite structure pour éloigner le capteur à plus d'un mètre de la carrosserie, et attendre une nuit sans vent pour se lancer sur l'autoroute déserte.
Un GPS facilite beaucoup la mesure, il faut attendre quelques minutes en vitesse bien stabilisée pour faire un relevé stable, sinon il faut être trois.
Le pilote maintiendra la voiture en ligne à vitesse absolument constante et ne peut rien faire d'autre, cela demande beaucoup de concentration.
Le premier observateur a un chrono dans chaque main et déclenche au passage de chaque borne kilométrique (un arrêt un départ).
Le deuxième observateur ne regarde que l'indicateur de l'anémomètre et note sur un cahier les valeurs toutes les 10 secondes, en écrivant en face le temps et son inverse (donc la vitesse vraie) donnés par le premier.
Les résultats seront rentrés sous Excel une fois à la maison ou sur le portable à l'arrêt.
Il faut choisir un moment sans aucun vent, il est impossible de compenser par un aller retour s'il y a le moindre vent perceptible, de face ou latéral.

Les relevés sont meilleurs avec un caméscope fixé par un sandow à l'appui-tête passager (sur son pied), il filmera le bord de la route, le GPS, l'anémomètre, le chrono, enregistrera les commentaires sonores et les tops. Le conducteur et un aide suffisent alors. Le dépouillement sera beaucoup plus facile ensuite.

Les bornes kilométriques, sur les portions droites, sont placées à un mètre près, avec l'erreur de visée depuis la voiture, le déclenchement du chrono se fera à quelques mètres près sur la visée et à mieux que la demi-seconde réflexe en s'appliquant.
Donc à 60 kmh^-1 , soit 1 km par 60 secondes, mesure au 1/120 de seconde, erreur de position de quelques millièmes, nous sommes dans des précisions de l'ordre du pour-cent.
C'est le meilleur point possible. Pour les autres vitesses, ce sera moins bon, mais avec du soin il est possible de rester à mieux que 2 %, cela est très correct pour ce capteur délicat.
Au maximum de vitesse, vers 200 kmh^-1, attention aux radars…
Il sera très difficile de mesurer aux faibles vitesses, imaginez la difficulté tenir une vitesse constante se l'ordre de 20 km^-1 pendant au moins un quart d'heure sur autoroute.
Il faut faire les tests avec des vitesses quelconques mais très constantes, une dizaine de points espacés entre 20 et 150 kmh^-1 est vraiment un minimum.
Si les résultats reportés et lissés sous Excel montrent trop de dispersion, il faudra recommencer une campagne de mesures.
N'oubliez pas que les mauvais matériels ont une courbe très chaotique et des valeurs aberrantes à certaines vitesses.

La voiture nous a permis de tester au-delà de 20 kmh^-1. Il faut maintenant tester les conditions dans les petits airs et le démarrage.
La méthode est totalement différente et se fera en salle. If faut bloquer une grosse perceuse à réducteur sur un bâti solide, mandrin vers le haut.
Fabriquer un bras symétrique en cornière de rayon 1 mètre (donc cornière de 2 m) avec un axe soudé au centre. L'ensemble doit tourner sans ballant.
À 10 tours par minute, l'extrémité se déplacera à 10 * 2 * Pi * R soit environ 60 ms^-1, donc environ 60*3600 mh^-1, environ 20 kmh^-1.
Nous recoupons la plage de la mesure voiture. L'anémomètre sera vertical monté en bout de bras, parfaitement équilibré, le signal sera renvoyé par bagues isolantes et balais sur l'axe moteur ou plus simplement par un petit émetteur embarqué à un transistor, antenne axiale et récepteur quelconque.
Attention, il faut très bien équilibrer car un bras de 1 mètre tournant à 10 tours mi^-1 peut éclater facilement. Soyez prudents à ces vitesses.
Cela marche parfaitement aux vitesses très lentes, commencez toujours très doucement, le dispositif risquant fort d'exploser par vibrations vers les 10 tours mi^-1. La mesure et très simple en prenant un repère optique sur l'alignement du bras. J'utilise un petit pointeur laser à piles scotché au bras qui envoie un bip sur une cellule pour les mesures très précises en automatique au périodemètre.
Ces mesures lentes sont extrêmement précises, bien mieux que le pour-cent.
Il faut mesurer le rayon d'axe à axe et évidemment pas de l'axe au centre de la coupole externe ! Prenez de très nombreux points.

Il faudra évidemment aussi vérifier l'équilibrage de l'équipage tournant.
Cela se fait en couchant l'axe horizontalement et en mettant un petit point de couleur sur un des godets.
L'anémomètre sera lancé à diverses vitesses en soufflant ou au sèche-cheveux (pas à coup de pichenettes !). Les positions d'arrêt seront relevées de 0 à 360 degrés à quelques degrés près. Les résultats sont rentrés sous Excel et lissés. Il en faut quelques centaines au moins. S'il y a un pic Gaussien visible, l'équipage est déséquilibré, il faut tout reprendre. Si la moyenne est horizontale de 0 à 360 degrés, c'est parfait.

Je développerai ultérieurement cette partie avec la carte d'acquisition. La mise en forme de la sinusoïde en carrés est très simple, la centrale mesure la période.
Ce n'est qu'un fréquencemètre, le plus rustique possible. Il est possible d'exploiter aussi le capteur seul avec un seul circuit intégré fréquencemètre et un autre gérant un afficheur, cela est utile pour les tests d'étalonnage, si l'on ne veut pas emporter toute la centrale dans la voiture.
Il est souvent intéressant d'utiliser un compteur divisant par dix ou cent afin de diminuer les interruptions et de lisser la mesure.
Une autre très bonne solution est d'embarquer une minuscule électronique dans la tète, avec un Pic à quelques euros qui sous-traite tout le calcul brut (sans étalonnage) de l'anémomètre et de la girouette. Il est interrogé par une liaison série très lente pour fournir les résultats bruts moyennés ce qui décharge le calculateur (bien qu'il n'ait presque rien à faire..).
La table d'étalonnage calculée sous Excel sera rentrée dans le soft et le résultat obtenu par la méthode des look-up tables.

Il en existe des dizaines d'autres très bons, de un à quelques euros ! Cherchez "Hall effect ou sensor", plus d'un million de réponses...

Il existe très peu de capteurs sérieux disponibles à un prix acceptable (100 €). Attentions aux matériels chers, médiocres et à vie brève.
Un capteur marine est très bien mais très cher.

Le fameux Dallas, mais attention, 3 bits seulement, 8 points... Il est très regrettable que la résolution ne soit pas meilleure, il est disponible à moins de 100 € sur Ebay (neuf, rendu) et dispose de l'excellent bus un fil, très facile à interfacer.
Il y a beaucoup de page sur les projets météos basés sur cette lignée de capteurs : ibutton.com/weather
ibutton.com/weather/1wire_weather_stn

Nous garderons toujours présent à l'idée dans ce chapitre que tous les éléments du projet de la centrale multi-paramètres doivent avoir une fiabilité de dix ans.

Ce capteur est le plus délicat à réaliser, du projet de la centrale multi-paramètres !

Les chapitre précédents ont évoqué les points délicats. C'est pour ces diverses raisons principales que je déconseille tout bricolage farfelu, si vous voulez un bon résultat, vous devrez passer par une tête commerciale. Il n'y a pas moyen d'économiser.
Cela semble curieux de parler des possibilités artisanales de réalisation et de terminer en disant que c'était impossible, mais le but est de montrer les difficultés,

La page suivante traite de la girouette, cela va beaucoup changer car c'est un capteur vraiment très simple (sauf la version Rotavecta…).

Ce brouillon de page doit être complété par courbes et schémas

Note annexe de la centrale multi-paramètres

Merci aux journalistes qui pillent sans vergogne mon site,
d’avoir au moins la courtoisie de citer leurs sources…

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Dernière retouche le 31 Août 2004 à 16 h

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