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 la girouette à pale, un des capteurs simples et facilement fiable.
Cette page est le pendant de la page centrale météo / anémomètre.

J'ai insisté en page anémomètre sur la difficulté du projet de faire tourner un axe sans frottements sur des milliards de tours. Pour le capteur girouette, cela change tout, la réalisation est très facile.

La direction du vent est très peu variable et avec des changements très lents, cela fait que l'axe tournera très peu.
Il n'y a aucun problème de frottements cette fois, un simple palier avec un bon jeu suffit. La pale a un couple très important et vaincra tous les frottements par vents même faibles.

Nous ne cherchons aucune précision, une indication inter-cardinale à 8 points suffit :

Autre facilité de ce capteur, tout l'étalonnage se fera à l'établi, avec un rapporteur d'écolier
Toute forme de pale convient.

Nous supposons le problème trivial de l'axe entraîné résolu. Il suffit maintenant de transmettre l'information.

Nous oublions évidemment les antiques potentiomètres 360 °, fragiles et hors de prix. Ici encore il y a deux approches

- L'encodage Gray n'est plus beaucoup utilisé dans les girouettes car le matériel optique est trop sensible à la salissure. Toutefois, le principe est tellement intéressant que je lui consacre le paragraphe suivant. Si l'on est capable de mettre le disque à l'abri, c'est une solution à considérer .

- Le disque Polaroïd n'est pas utilisé pour les raisons identiques. Il fonctionnait comme dans le compas magnétique, avec deux barrières optiques décalées de 90° et polarisées perpendiculairement. Le dispositif sort le sinus et le cosinus de l'angle avec une précision du degré hors poussières

- Le secteur à trou ou à occultation passant devant 8 optocoupleurs revient beaucoup trop cher et n'est jamais utilisé.

C'est maintenant toujours le seul choix, un aimant céramique bipolaire passe devant deux capteurs à effet Hall disposés perpendiculairement.
Les sorties donnent le sinus et le cosinus de l'angle, les deux valeurs sont numérisées. 8 bits suffisent pour résoudre 64 positions en utilisant une table de sinus pré-calculée en dur.
Comme pour l'anémomètre, l'information peut être envoyée sous forme de deux tensions analogiques, mais je préfère coder avec le Pic en local dans la tête ( qui sert déjà pour l'anémomètre) et envoyer deux mots en série lente, vitesse et direction.
La solution magnétique est parfaite car elle est totalement insensible au agressions par l'eau, les embruns et les salissures.

Ce système a été imaginé pour résoudre le délicat problème le la transmission des signaux numériques à variation lente.
Le passage d'une valeur à la suivante peut impliquer le changement de nombreux bits, représentant par exemple l'état d'un contact, mais la transition d'un niveau haut/bas ayant une plage d'incertitude pour chaque bit, le changement de valeur passe par une quantité de valeurs aberrantes et inacceptables.

Par exemple, pour passer de 0 à FFh soit 256 décimal, soit 11111111 en binaire, le passage impliquera un changement des 8 bits. Autour de cette frontière instable ("glitch" en anglais), l'affichage est totalement inexploitable. Toutes les valeurs parasites vont apparaître, cela n'a aucun sens.

L'idée de génie a été de modifier le code pour que la transition d'une position à la position adjacente ne fasse changer qu'un seul bit, ce qui résout parfaitement le problème, il n'y a plus de position incertaine (pour les théoriciens, la distance de Hamming est minimale, de 1). Frank Gray a breveté ce système en 1953.

L'encodage Gray est extrêmement utilisé dans les applications industrielles de recopie de position, il n'y a ni frottement ni usure (hors les paliers), il supporte les vitesses très lentes ou très rapides. La résolution peut être étendue à la demande.

Voici un exemple. Supposons que nous voulions coder la direction du vent en numérique, en utilisant des cellules masquées par des secteurs opaques puis transparents sur un disque tournant.
Avec un seul bit, une seule cellule, donc un seul secteur blanc / noir de 180°, la position peut être codée à deux niveaux, disons Nord ou Sud, 0 ou 1.
En rajoutant une cellule, donc une piste avec secteurs alternés de 90°, nous avons 4 points, N,E,S,W, soit 00,01,10,11 (L'abréviation de Ouest est toujours le W comme le West anglo-saxon).
Avec trois bits, une piste de plus à secteurs de 45°, nous obtenons 8 points (2 exposant trois) , les inter-cardinaux :
N, NE,E, SE, S, SW, W, NW soit 000,001,010,011,100,101,110,111.
Chaque nouveau bit demande une nouvelle piste, avec des secteurs deux fois plus étroits. Il n'est pas possible d'aller très loin avec ce système, mais des codeurs industriels très chers sortent 8 bits soit 256 positions. Il existe des 13 bits (et même plus !), mais la grande difficulté de graver 8192 secteurs sur un disque explique les prix du marché.

Voici un exemple possible
de codage Gray sur 4 bits :

/ 0 0 0 0 / 0 0 0 1 / 0 0 1 1 / 0 0 1 0
/ 0 1 1 0 / 0 1 1 1 / 0 1 0 1 / 0 1 0 0
/ 1 1 0 0 / 1 1 0 1 / 1 1 1 1 / 1 1 1 0
/ 1 0 1 0 / 1 0 1 1 / 1 0 0 1 / 1 0 0 0

Comparez avec un disque non codé
source d'innombrables erreurs
lors des transitions !

Avec l'encodeur Gray, toutes les transitions n'impliquent qu'un seul bit. Le microcontrôleur traite ce code très simplement avec une table, ou un petit bout de programme en C (ce sujet classique est abondamment traité partout) il n'est pas possible de faire encore mieux. C'est un système très séduisant, toujours utilisé dans l'industrie comme recopie angulaire.

Il a été testé en marine avant d'être définitivement abandonné car il est impossible de faire une bonne étanchéité de l'aérien avec un palier tournant freinant peu et vieillissant bien à faible coût. La bonne résolution demandée rendait la gravure du masque trop sensible aux dépôts de poussières et de sel. Cela n'est pas gênant pour l'anémomètre, une croix de Malte fonctionne bien, mais la solution girouette optique est trop onéreuse et peu fiable.

La solution magnétique concurrente, avec trois capteurs Hall et les deux aimants, toute l'électronique du capteur de la girouette + anémomètre revient à quelques euros, la solution optique ne peut rivaliser, elle est éliminée.

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 10 Octobre 2002 à 11 h

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