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6 pages à l'impression
version initiale 2002
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dernière mise à jour
22 mars 2013
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CAPTEURS CLIMATOLOGIQUES
deuxième partie(2/3): les capteurs de vent

girouette analogique
la classique
girouette numérique
une plus moderne
anémomètre
classique
anémomètre-girouette combinés
un système statique compact
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girouette analogique
La mesure de la direction du vent constitue une donnée très importante en microclimatologie. La grande majorité des dispositifs sont basés sur le principe de la girouette, principe auquel on a ajouté un dispositif électronique de mesure de la position angulaire.

Ce dernier peut-être analogique, il s'agit alors d'un simple potentiomètre dont le curseur est aligné avec la direction de la girouette : c'est le principe retenu dans les ensembles commercialisés par Plastimo (bloc mixte Solent) pour les applications nautiques. Ce principe a le mérite de la simplicité, cependant s'il s'avère adapté pour un voilier qui par hypothèse ne recule pas, il pose un réel problème pour un système fixe pour lequel, a priori, la totalité des 360° sont susceptibles d'être affectés par le vent à un instant ou un autre. En effet le potentiomètre ne possède qu'une piste de 355° environ et par conséquent une zone inexploitable de 3° à 5°environ.


Mais le curseur peut se trouver dans cette zone et, dans ces conditions, indiquer n'importe quelle valeur simulant évidemment une direction erronée du vent. Pour cela une solution a été élaborée, dont il résulte une connaissance permanente de la vraie direction du vent, mais une réponse non linéaire impliquant un décodage un peu plus complexe.

capteur numérique

Une autre solution consiste en la réalisation d'un codeur optique associé à l'axe pivotant de la girouette. Dans ce cas la résolution dépendra de celle du codeur. Avec un codeur à 6 pistes on pourra différencier 64 directions de vent ce qui est considérable.


Le principe est le suivant sur une plaque émettrice on dispose un alignement de 6 diodes infrarouge et, en face d'elles, un jeu de 6 récepteurs qui reçoivent le faisceau IR s'il n'est pas arrêté. On dispose donc entre émetteurs et récepteurs un disque solidaire de l'axe de la girouette et comportant des zones opaques gravées en code gray. Ce qui permet d'identifier numériquement la position angulaire de la girouette. Comme il est clair que, selon les cas, la girouette peut se déplacer très lentement ou au contraire osciller rapidement selon l'existence d'un vent tourbillonnant ou non, le franchissement d'une zone opaque vers une zone dégagée peut ne pas être très franc. Il convient donc de mettre en forme le signal via une batterie de triggers de Schmitt avant de l'envoyer au système d'acquisition.


Il convient de noter qu'en pratique dès lors qu'il y a du vent une girouette oscille et qu'on devra effectuer un moyennage des positions de la girouette pour obtenir la direction moyenne du vent sur une période de temps de durée donnée.

Si la girouette numérique ne présente pas l'inconvénient du système potentiométrique elle n'en est pas moins imparfaite. Deux cas extrèmes peuvent en effet se présenter :
  • absence de vent, dans ce cas la girouette est immobile, mais dans une position quelconque, et le système d'acquisition identifiera cette direction comme une direction de vent. Et on ne peut discriminer parfaitement ce cas en utilisant l'information vitesse du vent, car ainsi qu'on va le voir l'anémomètre présente un seuil en dessous duquel il ne mesure plus le vent, et on ne peut donc savoir s'il y a un vent très faible ou pas de vent du tout.
  • Le second problème se produit en cas de pluie verglaçante, le mécanisme risque alors d'être bloqué par la glace et de ne plus pouvoir identifier la direction réelle du vent.
Une solution purement électronique sera examinée plus loin pour résoudre simultanément le problème de la mesure de la vitesse et de la direction du vent et éviter ces difficultés.

anémomètre
L'anémomètre traditionnel comporte un tourniquet à coupelles (fig.a) ce qui n'est pas la solution idéale car il ne mesure qu'une composante horizontale du vent. Si par contre on utilise une hélice (fig.b) celle-ci peut fournir de précieuses indications. En effet son sens de rotation permet de déduire si le vent vient de face ou de dos. Enfin en employant 3 anémomètres disposés selon les axes XYZ on détermine les 3 composantes du vent tant de vitesse que de direction.

Pour identifier la vitesse de rotation et discriminer le sens de rotation on va disposer un aimant multipôle solidaire de l'axe qui, en tournant, va induire une variation de champ dans une bobine et donc une impulsion. En plaçant deux bobines légèrement décalées par rapport au diamètre on aura deux signaux dont le décalage dans le temps dépendra du sens de rotation. Un compteur comptabilise les impulsions et on en déduit aisément la vitesse du vent. Ainsi le constructeur nous indique qu'à 140km/h l'hélice tourne à 8000 trs/mn dont il résulte, compte tenu du nombre de pôles de l'aimant, 400 impulsions par seconde dans chaque bobine. Selon la périodicité des calculs de vitesse moyenne du vent et la taille du compteur, on devra placer avant le compteur un diviseur par 2n adapté à la résolution souhaitée.

A axe

B hélice

C aimant multipôle

B1 et B2 bobines

E platine électronique

anémomètre-girouette combinés

Pour éliminer les difficultés liées aux frottements et à l'usure une solution multicapteur statique purement électronique peut-être envisagée. En effet, depuis longtemps est connu le principe dit de l'anémomètre à fil chaud dans lequel on identifie la vitesse d'un courant gazeux à partir d'une mesure de température d'un capteur, placé à proximité d'une source de chaleur calibrée (fil chaud) et dont la température résulte d'un transfert thermique lié au courant d'air. Cette idée peut être étendue pour identifier simultanément la vitesse et la direction du vent.

On admet ne devoir identifier que les 16 directions de la rose des vents. Pour cela on va placer sur un disque constituant en fait un circuit imprimé un ensemble de 8 microcapteurs de température (de type thermistance perle miniature). Ces thermistances seront parcourues par un courant constant tel qu'en l'absence de vent leur température sera supérieure à la température ambiante de 10°C par exemple.


fig. principe du multicapteur (vue de dessus couvercle enlevé)

Elles sont isolées les unes des autres par des parois en forme d'entonnoir de telle sorte que seule celle face au vent soit refroidie par celui-ci. On imagine aisément qu'une analyse rapide des diverses températures permettra d'identifier la zone la plus froide et donc la direction d'où vient le vent et que la mesure de cette température sera un excellent moyen de quantifier cette vitesse. On obtient ainsi un capteur combiné de direction et vitesse du vent. Notons que dans l'exemple figuré ci-dessus le vent va avoir rigoureusement le même effet sur les thermistances 1 et 2 et dans ce cas on pourra en déduire que sa direction est exactement celle de l'axe horizontal de la figure (ce que confirmeront les mesures 3 et 4). Ainsi, avec simplement 8 capteurs, on peut identifier les 16 aires de la "rose des vents".

Comme on le voit sur la figure ci-dessus, chaque entonnoir débouche sur une ouverture vers le bas pour l'évacuation de l'air. Dans l'axe central constitué d'un tube creux on positionnera une 9ème thermistance destinée à identifier la température ambiante, donnée indispensable pour déterminer la vitesse du vent puisque la quantité de chaleur emmenée par le vent ne dépend pas de la température mais de la vitesse du vent. La figure ci-dessous montre un résultat d'étalonnage.


Chaque thermistance est alimentée par un générateur de courant constant, ainsi la tension à ses bornes est directement liée à sa température. Notons enfin que ce principe possède une certaine inertie ce qui interdit la connaissance d'une direction ou d'une vitesse instantanées, mais au contraire produit un effet de moyennage sur quelques secondes. Cet inconvénient n'est en général pas rhédibitoire puisque ce qui intéresse les climatologues ou les utilisateurs ce sont justement les valeurs moyennes sur des périodes sensiblement plus élevées.