mercredi, 19 décembre 2018
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Loch et speedomètre

Loch et speedomètre

   Roue à aube, non clickable de 2 ko

Introduction 
Loch traîné 
Hélice ou roue à aube 
Le système électromagnétique 
Les systèmes Doppler 
Les méthodes dérivées 
Loch sans capteur 
La VMG 
FAQ
Liens

Maj : 17/04/07

 Abstract :
A digest of all existing systems to determine speed and distance on a boat, direct methods giving a distance and speed by derivation, or indirect ones deducted from calculation of the position. These devices will replace classic systems with sensors under the hull.

 Résumé :
Un résumé de tous les systèmes existants pour déterminer vitesse et distance sur un bateau, les méthodes directes donnant la distance et dérivant la vitesse, les méthodes indirectes les déduisant du calcul de la position. Ces dispositifs remplaceront les systèmes classiques à capteurs sous la coque.

 

 

 Introduction

Loch et speedomètre. Plus précisément mesure de la distance et de la vitesse à bord d'un bateau. Il existe deux méthodes pour connaître la vitesse.

 Mesure directe par un capteur donnant une valeur numérique de vitesse. C'est la méthode traditionnelle ancienne. Le résultat n'est pas un vecteur mais une valeur absolue, la direction est indéterminée ainsi que le sens (sauf système électromagnétique).
 Mesure indirecte, par une dérivation de la position connue (maintenant toujours par GPS ), qui donne un vrai vecteur vitesse.
[Vitesse x = d X / d T] et [Vitesse y = d Y / d T]

Il est bien évident que tous les systèmes de mesure directe donnent une indication de vitesse relative, en mesurant le déplacement par rapport à la masse d'eau, jamais une vitesse fond. Les systèmes de mesure indirecte par dérivée de la position donnent une vitesse fond. Nous allons envisager tous les systèmes existants.
Je ne parlerai pas des premiers systèmes à sablier, consistant à jeter un flotteur ou à dérouler une cordelette à nœuds (d'où le nom) avec planchette frein, qui ne débouchaient pas sur des applications modernes, car ils ne pouvaient pas fournir d'indication continue.

 

 

 Le loch à poisson traîné

C'est le système classique le plus ancien. L'ancêtre est le loch à poisson traîné. Une hélice montée sur un fuseau lesté était traînée à l'arrière du bateau, par un câble d'une cinquantaine de mètres ou plus. Ce câble était relié à un réducteur à engrenages, sur cardan, affichant la distance sur aiguilles et compteurs à rouleaux. Ce beau système marchait parfaitement, avec une précision de quelques pour-cent. L'inconvénient était que la lecture ne pouvait se faire que directement au balcon arrière. L'absence de répétiteur était un handicap gênant pour les gros navires. La vitesse était mesurée par un chronomètre sur un tour de l'aiguille (0.1 ou 1 mille) puis division à la règle à calcul ou par lecture d'une table.
Rappel : Vitesse = Distance / Temps
Vous trouvez dans les magasins d'antiquités marines ces superbes pièces en bronze, avec le mécanisme d'horlogerie magnifiquement réalisé pour tourner cent ans, de chez Vion par exemple pour le français et beaucoup de modèles anglais et autres.
Il a été modernisé par transmission électrique des impulsions à une petite électronique qui affichait vitesse et distance.
L'autre énorme inconvénient était la contrainte de mouiller la ligne après l'appareillage et de le rentrer en arrivant dans des eaux fréquentées. Autre problème, l'hélice était parfois avalée par de gros prédateurs, le remplacement était très cher.

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 Hélice ou roue à aube

Modernisation du système précédent, l'hélice se réduit au centimètre, elle est fixée sur un passe-coque rétractable. Hélice ou roue à ailettes comportent un petit aimant noyé, la rotation produit un champ magnétique sinusoïdal. Dans le corps de sonde une bobine sur noyau fer doux comprend quelques milliers de tours de fil et fournit une petite tension, une période (ou plusieurs si aimants multiples) pour un tour d'hélice. Une variante moderne remplace la bobine par un capteur à effet Hall (voir page girouettes). Un fil relie le capteur au loch speedomètre. Le loch est un simple compteur, réalisé par un seul circuit diviseur CMOS. Le speedomètre est un fréquencemètre rustique. Il n'est pas possible de faire un montage plus simple. Mais comme dans tout système marine, la difficulté est triple :

 Réaliser un capteur étanche et fiable, tous les fabricants le font bien maintenant, ce n'a pas été toujours le cas.

 Réaliser un bon affichage, tout existe et l'étanchéité n'est pas toujours une réussite, les instruments ont parfois de la buée ou se remplissent en lavant au jet (voir les classes d'étanchéité, dans "Astuces du bord ").

 Réaliser une électronique fiable, y compris au niveau de la connectique. L'électronique actuelle tombe peu en panne, mais les liaisons sont souvent médiocres et l'oxydation vient à bout de bien des systèmes.

 

 Le bonus : Une sonde thermique, donnant la température pour la baignade est souvent incluse, dans le capteur. C'est un gadget astucieux, mais souvent mal exploité. Le calcul est fait grossièrement en Fahrenheit. La conversion en centigrades se fait par gros paliers avec deux décimales ridicules. Il ne faut donc pas y compter pour savoir si la baignade sera possible.

Ce système de capteur n'évolue plus du tout, il fonctionne correctement et aucune innovation n'est possible. L'affichage analogique a été remplacé par un numérique, seuls quelques progrès mineurs sur la visibilité des afficheurs interviennent régulièrement.
Ce capteur miniature présente toutefois un défaut rédhibitoire par rapport au vieux système à hélice traînée. Cette grosse hélice tournait en eau calme, peu perturbée par le sillage à une cinquantaine de mètres de la poupe, et l'indication était très fiable.
Les petits capteurs sont collés contre la coque, dans une zone d'écoulement perturbée, la couche laminaire n'est pas immobile, les filets d'eau sont instables et la mesure très imprécise.
Il faut bien orienter l'axe dans le sens des filets d'eau, ce qui est gênant car l'écoulement sur la coque dépend de la vitesse, de laminaire à faible vitesse, à turbulent quand la vitesse augmente. Les filets d'eau ont une orientation différente suivant la vitesse, l'écoulement pouvant être même tourbillonnaire, et de plus, suivant le bord de gîte, l'orientation change radicalement.

Il ne faut donc pas demander trop de précision à ces systèmes, qui ne donnent que des indications relatives en fonction de l'état de salissure à quelques dixièmes de noeuds près. La vitesse de démarrage dépend aussi de la salissure du capteur.
C'est le principe même qui est en cause, il n'est pas possible de faire mieux. Par rapport à la contrainte de la ligne traînée, c'est quand même un gros progrès.

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 Le système électromagnétique

Ce produit définitivement enterré était basé sur une idée astucieuse. En déplaçant un fil conducteur dans un champ magnétique, une tension apparaît aux bornes du conducteur. Ce conducteur est l'eau de mer, grâce à deux électrodes faites par deux boulons inox dépassant du sabot du capteur.
Le champ d'excitation est fourni par une bobine alimentée en basse fréquence. La tension recueillie est une sinusoïde, d'amplitude proportionnelle à la vitesse, la phase donne même le sens du déplacement. C'est magique !
Ce qui l'est moins, c'est que cela ne marche pas en pratique…
La société Ben, spécialiste en robinetterie a utilisé ce principe astucieux pour mesurer les débits de fluides dans les canalisations industrielles, avant de l'adapter à la mesure de vitesse de bateaux. Les premiers modèles destinés à la marine de commerce marchaient correctement, avec une sonde rétractable, et un énorme passe-coque à vannes, mais étaient très chers, avec une électronique lourde. Une adaptation a été sortie pour la plaisance, en boîtier aluminium, assez soignée, mais trop chère, qui marchait un peu. Vint ensuite une version très dégradée, Toplog en coffret plastique, qui fut désastreuse, faute d'avoir voulu trop baisser les prix. La sonde a existé sous deux formes, avec un gros perçage de coque, soit fixe, pour laquelle il faut plonger toutes les semaines pour brosser, soit rétractable. Ces versions avaient deux problèmes :

 Une fabrication de la sonde était très médiocre, il se produisait d'innombrables pannes. Le principe est pourtant simple, une bobine et deux électrodes par vis inox, mais elle n'a jamais été étanche et les fils s'oxydent et se coupent au bout d'un temps variable. Il n'y a pas de solution, toutes les sondes sont mauvaises.

 Une électronique déplorable, totalement instable, à l'arrêt la vitesse varie jusqu'à quelques nœuds, en positif ou négatif. Aucune amélioration possible, pour des raisons qu'il serait trop long de développer ici, les amplificateurs glissent. Si ce sujet intéresse les foules, je compléterai.
En résumé la seule solution est d'éliminer ce matériel. Si vous en avez un, n'investissez surtout pas un Euro pour remplacer la sonde, changez tout. Le problème est que le diamètre de perçage est plus gros que pour les capteurs modernes, il faut faire tourner une bague Ertalon, de l'épaisseur de la coque, pour compenser.

Ce système était tombé dans les oubliettes, mais depuis la publication de cette page, il y a du remake dans l'air ! Vous verrez ressortir périodiquement des copies sous diverses marques, il y aura toujours des opportunistes flairant le gogo qui relanceront le capteur magique sans pièce mobile, méfiez-vous, je vous aurai prévenu… Voir Pochon, Nke...

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 Les systèmes Doppler

Ils ont été à la mode vers 1970 à 1980, le principe était séduisant, plus aucune hélice qui dépasse, se bloque et se casse. Un petit capteur/transmetteur piézo à ultrasons, comme sur les sondeurs, envoyait des impulsions faibles et rapides et mesurait le déplacement relatif des bulles de cavitation par effet Doppler. Cela fonctionne très bien en médical, avec une électronique lourde, mais n'a jamais marché sur un bateau. Il s'en est vendu beaucoup, ce fut un désastre. Le principe était mauvais, cette voie est définitivement enterrée, mais comme pour le système précédent, il ressortira.

 

 Remarque : Applications professionnelles

Des matériels évolués existent utilisant les systèmes Doppler et électromagnétiques. Ils fonctionnent parfaitement, mais sont réservés aux gros navires. Leurs prix très élevés empêche toute transposition ou adaptation à la plaisance.

 

 

 Les méthodes dérivées

Elles découlent toutes d'un même principe, calculer la position de temps en temps, et donc déduire vitesse et distance. C'est la méthode idéale, donnant la route fond, mais le résultat est conditionné pat l'obtention du point. Comme je ne parlerai que des méthodes économiquement réalistes pour un petit voilier, le choix se restreint.
La majorité des lecteurs n'ayant vu un sextant qu'en photo, je ne détaillerai pas le point astronomique qui donne cap et vitesse sur des périodes de l'ordre de l'heure au minium.
L'heureux abandon de la dégradation en 05/00 (voir page DGPS ), nous a donné une précision considérable et inespérée sur le GPS.
Nous pouvons maintenant calculer avec une précision meilleure que celle du capteur de base la vitesse fond grâce au GPS.
Dans les zones à courant, l'affichage simultané des vitesses loch et vitesses fond est très intéressant, mais à l'avenir, le montage d'un speedomètre impliquant un trou dans la coque sera à considérer et les nouveaux bateaux s'orienteront vers un tout GPS en abandonnant le capteur immergé.

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 Le loch presque magique sans capteur immergé

Ce chapitre ne concerne que les possesseurs de speedomètres anciens, non reliés à un bus avec tous les autres dispositifs dont le GPS en NMEA, dans ce cas, l'information SOG (Speed Over Ground), vitesse fond, est déjà disponible en standard sur les afficheurs.
Sur un de mes anciens bateau, qui possédait un vieux speedo Sumlog analogique des années 1980, le bus n'existait pas. Étant de nature fainéante, je rechignais de rentrer et sortir mon capteur de loch pour le brosser. Il se salit très vite hors navigation continue en été, et il reste rangé au sec dans le coffre 9 mois sur 12.

L'idée est ici !  
Envoyer au boîtier un signal équivalent
à celui qu'il recevrait si le capteur était en place.

 

Cela à l'énorme avantage de ne rien modifier à l'installation de l'électronique de bord et d'utiliser normalement les vieux instruments analogiques existants.
Le principe est très simple : Utiliser un petit microcontrôleur qui lit le bus en sortie du GPS , extrait la vitesse et génère un signal carré, proportionnel à la vitesse, envoyé à une bobine. Cette bobine est collée sur un bout de tube PVC, clipsé dans le coffre, qui sert de support au capteur de loch au repos. Le champ induit simule la rotation de la roue à aubes.
Il existe une autre variante en renvoyant sur un inverseur (relais) ce signal et celui du capteur, la sortie attaquant le boîtier du loch-speedomètre. Cela permet de commuter les deux options.
Je détaille le mode de calcul de la vitesse dans la page : GPS et interface NMEA 183 - série RS-232  et la réalisation pratique en partie électronique avec la minicarte.

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 La VMG

C'est la vitesse équivalente de remontée vers une marque au vent. Elle est très utilisée en régate pour optimiser la montée à la bouée à l'intérieur de la "lay line ". Cette indication existe sur les instruments modernes, mais évidement pas sur les anciennes générations analogiques.
C'est un simple produit de la vitesse sur le fond par le cosinus de l'angle du vent réel. Si vous faites un bord carré, la VMG est nulle. Elle a été très popularisée par le logiciel "Virtual Spectator " lors de la Coupe América.

Illustration du VMG

La réalité est un peu plus compliquée qu'il ne semble. Ce petit schéma illustre une régate improbable entre deux bateaux très différents. Ils sont en match racing et remontent vers la bouée au vent en choisissant l'allure la plus favorable sur leur polaire (les chiffres ont été arrondis pour la simplicité).

Un superbe Class América, qui serre très fort à 25 degrés du vent

Vitesse réelle 11 k
Cos 25°= 0.9
VMG = 11*0.9 = 10 k

 

Catamaran qui a tout son potentiel en abattant beaucoup plus

Vitesse réelle 14 k
Cos 45°=0.7
VMG = 14*0.7 =10 k

 

Ces deux bateaux très différents, qui partent lancés sur la même perpendiculaire au vent sont réglés au mieux et ne commettant pas de faute.

Pour commencer, il ne faut pas considérer la perpendiculaire au vent mais l'arc de cercle centré sur la bouée visée.

Ils vireront au même instant à la bouée car ils ont la même VMG !
Vous voyez sur le dessin deux lay lines, correspondant aux polaires respectives de ces deux bateaux très différents.
Celle du Class America matérialise une surface triangulaire d'angle au sommet de +/- 25 °, celle du catamaran de +/- 45°
La lay line est une ligne qui matérialise la limite extrême qui permet de remonter sur la bouée en un seul bord de près.
Toute sortie de la zone obligera à tirer un bord supplémentaire désastreux ou à abattre inutilement pour passer la bouée. En régate personne ne sortira de la zone, sauf en match racing si l'on tente de coincer son adversaire par le jeu dangereux des priorités en le poussant à l'extérieur.
Nous avons vu que la VMG est la projection du vecteur vitesse réel sur l'axe du vent, mais nous avons considéré l'angle du bateau avec le vent comme si celui-ci était sur des rails dans dériver. En réalité un bateau au prés serré dérive beaucoup et s'il remonte à 25 degrés de son vent apparent, en route fond , avec une dérive de 10°, il ne remontera réellement que de 25+10=35°. Il faut impérativement comprendre de quoi on parle en définissant la polaire, l'angle est-il celui du vent relatif, facile à mesurer simplement ou de l'écart route réelle, vent réel.

J'aborde le problème de l'affichage de ces données dans la page GPS et interface NMEA 183 - série RS-232 
Il faut utiliser un petit calculateur intégrant les données de divers capteurs, girouette, anémomètre, loch, DGPS ...

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 FAQ

 Compatibilité capteurs

 Je change de marque de loch speedo. Puis-je garder le même capteur pour éviter le changement de passe coque ?

La compatibilité n'existe pas entre les marques !
Un ou des aimants tournent dans une roue à aube.
La bobine détectant le signal peut avoir de quelques centaines à quelques dizaine de milliers de spires.
Pour chaque marque, il y a donc une tension et une fréquence différente à vitesse donnée, et la relation n'est pas linéaire.
Chaque constructeur a un perçage de coque différent, donc si vous changez de matériel, il faut tirer à terre et changer le passe coque.
Quatre cas se présentent (coque plastique)
 Le nouveau est à peine plus grand que l'ancien : râpe à bois, lime à métal et papier abrasif permettent d'ajuster le diamètre en quelques minutes.
 Le nouveau est beaucoup plus gros : plaquer un morceau de bois à l'intérieur, solidement bloqué par épontille, pour servir de guide et permettre de repercer à la scie cloche.
 Le nouveau est plus petit : Il faut prévoir avant de tirer, pour faire tourner une bague de rattrapage en Ertalon, de l'épaisseur de la coque (moins 5 dixièmes), et éventuellement une rondelle d'appui intérieure inox.
° Si vous déplacez le capteur, il faut reboucher en stratifiant très solidement de l'intérieur. On plaque une feuille plastique sur une planche épontillée à l'extérieur, le temps pour les premières couches de polymériser.

 

 Tester son capteur

Si l’installation ne fonctionne plus, il faut en priorité vérifier le capteur. 
Démonter la prise et regarder si les broches ne sont pas cassées.
La bobine comporte un millier de spires, tester à l’ohmmètre et trouver environ 1 kilo Ohm. Si la résistance est infinie :
 Le fil est coupé, vérifier tous les passages critiques et les cisaillements au passage de cloisons et les écrasements par le plancher ou objets sur le capteur. Si la coupure est trouvée, le dépannage est facile.
 La bobine est coupée, de l’eau a pénétré dans le capteur, le fil s’est oxydé, c’est irréparable, il faut changer la sonde.
Si la bobine semble bonne, il faut souffler sur la turbine pour la faire tourner très vite et mesurer la tension, avec un millivoltmètre alternatif ou mieux à l’oscilloscope, calibre 1 milliVolt.
Il peut y avoir aussi une fuite à la masse (début d’infiltration), la sonde immergée, l’ohmmètre entre un fil de la bob,ne et la masse du bateau doit montrer un isolement meilleur que le MégOhm.
Si la sonde est bonne, il faut alors dépanner le boîtier ou la liaison vers les répétiteurs.

 

 Panne du capteur de loch après carénage

Le loch speedomètre fonctionnait avant tirage à terre. Lors de la vérification après carénage, il s’avère en panne. Plusieurs causes sont possibles.
 Aimant arraché pendant le brossage. C'est facile à vérifier en approchant un élément magnétique qui doit influencer la position de la roue. 
 Fuite du corps protégeant la bobine. En immersion cela peut ne pas s'être manifesté. Une fois au contact de l'air, oxydation et corrosion très rapide amenant la rupture de la bobine. 
 Fil cassé pendant les manipulations, à ras de la sonde.

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 Liens loch et speedomètre

Fort curieusement, il n'y a que très peu de liens utiles sur ce sujet, autres que les catalogues constructeurs et vendeurs ! 
N'hésitez-pas à me signaler un bon lien technique si vous trouvez.

Loch à bateau classique à planchette : banik.org/pratique/loch_a_bateau

Dernière modification le lundi, 06 février 2017 06:09
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