Brevet FR2031376A1 — publié le 19701120

La présente invention est relative à un procédé de mesure, en grandeur et direction, d'un vecteur vitesse, notamment applicable à la mesure de courant fluide au moyen d'un courantomètre électromagnétique, ainsi qu'à des dispositifs pour la mise en oeuvre de 05 ce procédé. Plus précisément, l'invention est relative à un procédé permettant de convertir les composantes d'un vecteur vitesse suivant deux directions perpendiculaires quelconques en deux autres composantes suivant deux directions perpendiculaires référencées, ou tO encore de déterminer son argument par rapport à une direction de référence, de préférence le ÏTord magnétique. Parmi les problèmes rencontrés en océanographie se pose en particulier la détection des courants marins et sous-marinset, de façon plus précise, la connaissance de leur orientation et de leur 15 vitesse en un point considéré. On connaît déjà des appareils appelés courantomètres permettant de mesurer la vitesse d'un courant fluide, ces dispositifs étant généralement basés sur des principes hydro-dynamiques et ayant pour principal défaut d'être instables dans le courant à mesu-20 rer et, par suite, de donner une indication peu précise de sa direction. En effet, l'utilisation d'un rotor entraîné par le courant fluide impose certaines limitations : la vitesse doit être supérieure à une vitesse minimale au-dessous de laquelle la relation n'est plus linéaire en raison de l'inertie du rotor ; celui-ci est, 25 en outre, facilement freiné ou bloqué par des salissures marines d'où des indications fausses ; enfin l'appareil ne donne qu'une mesure de vitesse moyenne sur un intervalle de temps nécessitant 30s. à 1mn. On connaît aussi des courantomètres basés sur le principe 30 électromagnétique, dans lesquels on obtient la vitesse d'un courant fluide conducteur en mesurant la tension induite par son mouvement propre dans un champ magnétique alternatif auxiliaire auquel il est soumis. En utilisant deux paires d'électrodes suivant deux directions perpendiculaires, on obtient les composantes du vecteur 35 vitesse représentatif du courant fluide à mesurer suivant les deux directions considérées. Cependant ces dispositifs connus, bien que stables hydrodyna-miquement, ont encore l'inconvénient de ne fournir la direction du courant que rapportée à leur propre orientation, autrement dit, de 40 ne pas fournir la direction du courant par rapport à une direction de référence, indépendante et parfaitement déterminée» 69 03999 2 2031376 L'invention a essentiellement pour but de pallier ce dernier inconvénient en associant un courantomètre du type électromagnétique à un compas magnétique horizontal, cette association permettant d'obtenir par rapport au Nord magnétique indiqué par le compas au 05 point considéré et pris comme direction de référence : ■ - soit les composantes Nord-Sud et Est-Ouest du vecteur vitesse du courant fluide à mesurer, - soit 1'argument de ce vecteur et son module. En plus de ce résultat, l'invention se propose également 10 d'obtenir d'autres avantages, à savoir : la possibilité de mesures précises et instantanées, et surtout la possibilité d'obtenir facilement, par simple intégration des composantes du vecteur vitesse, la valeur moyenne du courant fluide en grandeur et direction, alors que ceci n'est guère réalisable lorsque le vecteur vitesse du cou-15 rant est donné en coordonnées polaires par son module et son argument o Suivant l'invention, le procédé de mesure d'un vecteur vitesœ défini par deux tensions alternatives issues d'un appareil de mesure et représentant les composantes de ce vecteur suivant deux directions 20 perpendiculaires est notamment applicable à la mesure, d'un courant fluide au moyen d'un courantomètre électromagnétique et il est caractérisé en ce qu'il consiste à : - accoupler audit appareil de mesure une paire de magnéto-mètres fournissant deux tensions continues proportionnelles aux 25 composantes du champ magnétique terrestre suivant ces deux mêmes direction perpendiculaires. é - élaborer une première tension à partir des tensions issues de l'appareil de mesure par addition de l'une de ces tensions avec l'autre mise en quadrature de phase, 30 - élaborer une seconde tension à partir des tensions issues des magnétomètres par découpage de ces tensions à l'aide de deux tensions rectangulaires en quadrature de phase à la fréquence des tensions alternatives d'origine, suivi d'une sommation et d'un filtrage, 35 - et convertir cette seconde tension en au moins une tension rectangulaire pour commander au moins un circuit découpeur à l'entrée duquel est appliquée la première tension élaborée, la tension de sortie de ce dernier découpeur représentant après intégration, une information sur le vecteur vitesse référencée au Nord aagnéti-40 que. 69 03999 3 2031376 Selon la représentation du vecteur vitesse que l'on désire obtenir, en coordonnées cartésiennes ou en coordonnées polaires, la seconde tension élaborée est utilisée soit avec une tension en quadrature de phase pour commander deux circuits découpeurs fournis-05 sant les composantes Word-Sud et Est-Ouest du vecteur vitesse, soit seule pour commander un circuit découpeur fournissant l'argument du vecteur par rapport au Hord magnétique, le module de ce vecteur est alors obtenu dans ce dernier cas par démodulation synchrone de la première tension élaborée. 10 L'invention vise également des dispositifs pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, ces dispositifs comprenant essentiellement un appareil de mesure fournissant deux tensions alternatives représentant les composantes du vecteur vitesse suivant deux directions perpendiculaires, une paire de magnétomètres ayant leur 15 élément sensible disposé respectivement suivant ces deux mêmes directions perpendiculaires, un circuit d'élaboration de la première tension relié à la sortie de l'appareil de mesure et comportant un circuit déphaseur deTT/2 et un circuit de sommation, au circuit d'élaboration de la seconde tension relié à la sortie des magnéto-20 mètres et comportant deux circuits découpeurs commandés par des "tensions rectangulaires en quadrature de phase à la fréquence des tensions alternatives d'origine suivis d'un circuit de sommation et de filtrage, un circuit de mise en forme de cette seconde tension, et au moins tin circuit découpeur relié à la sortie dudit circuit 25 de mise en forme et dudit circuit d'élaboration de la première tension, suivi d'un circuit d'intégration. L'invention est généralement applicable aux bouées océanographiques immergées en certains points des océans et destinées à mesurer et à transmettre ou enregistrer divers autres paramètres rela-30 tifs au milieu marin : pression, température, conductivité, etc... Pour mieux faire comprendre les caractéristiques de l'invention on Trapfonner, à titre d'exemples non limitatifs, deux modes de réalisation en se référant à la description suivante et au dessin annexé. 35 Sur ce dessin, Les figures 1 et 2 sont des schémas explicatifs utilisant la représentation dans le plan de Fresnel. La figo 3 représente le cireuit d'un dispositif de mesure des composantes d'un vecteur vitesse suivant le procédé de l'inven-4-0 tion. 69 03999 4 2031376 La fig. 4 représente le circuit modifié d'un dispositif de mesure de l'argument et du module d'un vecteur vitesse selon l'invention. On suppose qu'un vecteur H est connu par ses deux composantes 05 Hx, Hy dans un système de coordonnées rectangulaires Ox, Oy représenté à la fig 1» Par construction graphique, on peut déterminer 1'angle Avariant de 0° à 360° j on a ainsi l'orientation du vecteur H avec une seule information au lieu de deux. Si 'dans le complexe de Fresnel, on porte des tensions 10 Ux.cos wt et Uy.sin wt, les valeurs Ux et Uy étant proportionnelles à Hx et Hy, on obtient la même figure géométrique que précédemment. La tension résultante Ux„cos wt + Uy.sin wt est représentée par la somme vectorielle U, et son déphasage avec Ux.cos wt. est précisément 1'anglef. Pratiquement, pour obtenir Ux.cos wt et Uy.sin wt, 15 il suffit de découper les deux tensions continues Ux et Uy par une^ tension rectangulaire alternative de pulsation w, le découpage de Uy étant avancé d'un quart de période. Par addition suivie d'un filtrage à la fréquence f = w/21F, on obtient une tension U.cos (wt + 20 En supposant maintenant que l'on veuille transmettre l'angle' f, on convertit la tension U.cos (wt+f) en signaux rectangulaires en phase avec cette tension; en découpant une tension auxiliaire à l'aide d'une porte ouverte par les fronts avant de ces signaux et fermée par les fronts avant des signaux rectangulaires en phase 25 avec la tension Ux.cos wt, on obtient à la sortie, des impulsions dont la durée est proportionnelle au déphasagey. Il suffit donc d'intégrer les signaux de sortie pour obtenir une tension moyenne proportionnelle à ce déphasage. Dans le dispositif suivant l'invention, appliqué au cas d'un 30 courantomètre électromagnétique, celui-ci est muni de deux paires d'électrodes disposées suivant deux directions perpendiculaires ; les tensions induites par le courant fluide conducteur dans un champ magnétique alternatif auxiliaire, par exemple à la fréquence de 20 Hz, sont recueillies sur ces deux paires d'électrodes et, après 35 amplification et détection de phase,fournissent deux tensions alternatives Vx et Vy représentant les composantes du vecteur vitesse V du courant fluide à mesurer suivant les deux directions considérées. Le courantomètre est solidaire d'une paire de magnètomètres, par exemple du type usuel à arturation, dont les sondes sont dispo-40 sées suivant ces deux mêmes directions et de préférence maintenues 69 03999 5 2031376 horizontalement à l'aide d'une suspension à la Oardan# de manière à fournir deux tensions continues Ux et Uy représentant les composantes horizontales du champ magnétique terrestre suivant ces deux directions. 05 Sur la fig. 2, on a représenté les tensions Ux, Uy, Vx, Vy, et les tensions résultantes U et V ains^fêurs angles respectifs ip et «C avec l'axe Ox. le vecteur U indique par conséquent la direction du Nord magnétique, et l'angle^C-est l'angle du vecteur vitesse à mesurer avec cette direction. 10 En appliquant la méthode exposée précédemment, on élabore à partir des tensions Ux et Uy fournies par les magnétomètres, des tensions Ux.cos wt et Uycsin wt dont la somme est U.cos (wt+ f), étant l'angle entre le Nord magnétique et le magnétomètre disposé suivant la direction Ox. 15 En appliquant la même méthode pour élaborer à partir des tensions Vx et Vy issues du courantomètre une tension Vx.cos wt + Vy.sin wt = V.cos (wt +° 20 Le problème qui se pose est alors de décomposer la tension V.cos (wt+® D'après l'analogie entre le plan de Eresnel et les vecteurs 25 réels, on constate que les deux tensions et VgQ représentent bien les deux composantes Nord-Sud et Est-Ouest du vecteur vitesse V du-courant fluide à mesurer0 Or, il est facile d'obtenir les tensions V^-g et 7^ en grandeur et en signe en démodulant la tension V.cos (wt + ©O avec deux 30 tensions rectangulaires, l'une en phase avec la tension U.cos . (wt+tf), l'autre en quadrature de phase. On a représenté à la fig. 3 le circuit d'ensemble permettant, à partir des tensions de sortie Vx, Vy du courantomètre et Ux, Uy des magnétomètres d'engendrer les tensions V^g et V^q . 10 et 20 35 désignent respectivement le courantonètre et les magnétomètres. 11 désigne un circuit de sommation sur lequel sont appliquées la tension Vx directement et la tension Vy par l'intermédiaire d'un déphaseur 12 introduisant un déphasage de Tr/2. 13 est l'oscillateur déjà utilisé pour exciter la bobine produisant le. champ magnétique 40 alternatif du courantomètre» Le signal de sortie de cet oscillateur 69 03999 6 2031376 est appliqué, d'une part directement sur un circuit de mise en forme 14 relié à un circuit découpeur 15, d'autre part, par l'intermédiaire d'un déphaseur deTT/2 16, sur un autre circuit de mise en forme 14A relié à un circuit découpeur 15A. Ces découpeurs sont par 05 exemple réalisés au moyen d'un transistor fonctionnant par tout ou rien. les tensions Ux et Uy des magnétomètres sont appliqués respectivement à l'entrée des circuits 15 et 15A dont les sorties sont reliées à un circuit de sommation 17 suivi d'un filtre 18 accordé 10 sur la fréquence de 1'oscillâteur 13. La tension de filtrage est à son tour convertie en deux tensions rectangulaires en quadrature de phase par un circuit déphaseur defr/2 Î9 et par les circuits de mise en forme 21, 21 A. Ces deux tensions rectangulaires commandent respectivement deux découpeurs 22, 22A à l'entrée desquels est appli-15 quée la tension issue du circuit 11 élaborée par ailleurs. Les filtres passe-bas 23» 23A branchés à la sortie des découpeurs 22, 22A fournissent les tensions continues moyennes V^g et V cherchées» On voit que la première tension à élaborer V.cos (wt +« En ce qui concerne les tensions Ux et Uy qui sont des tensions continues, il est nécessaire de les convertir préalablement en ten-25 sions alternatives à l'aide des circuits 15 et 15A pour élaborer la tension U.Cos (wt+ Dans le cas où l'on désire connaître le vecteur vitesse en module et en argument, le circuit est modifié, comme indiqué fig.4» 30 où les mêmes éléments que sur la fig. 3 portent les mêmes numéros de référence. L'élaboration des deux tensions V.cos (wt+oC) et U.cos (wt+ *j>) est réalisée de façon analogue de sorte que, en ce qui concerne leur élaboration, le circuit reste inchangé. C'est au niveau 35 de la démodulation que le circuit est modifié pour opérer comme on l'a préalablement indiqué dans l'exposé de la méthode. Les tensions précédentes sont converties en signaux rectangulaires par des circuits de mise en forme 31 et 21, et les fronts positifs de ces signaux sont utilisés pour respectivement débloquer Tin circuit-porte 40 32 à l'entrée duquel est appliquée une tension auxiliaire de réfé 69 03999 7 2031376 rence ¥. A la sortie, on recueille ainsi des impulsions de durée variable, proportionnelle au déphasages^-des tensions d'entrée, qui sont ensuite appliquées sur un circuit intégrateur 33. Ce dernier fournit donc une tension continue dont la valeur moyenne est 05 proportionnelle à l'angleo^-^du vecteur vitesse avec le Hord magnétique. Pour obtenir le module du vecteur vitesse, on effectue une détection synchrone de la tension V.cos (wt+c^) à l'aide de signaux rectangulaires en phase avec celle-ci, par exemple au moyen des 10 circuits découpeur 34 et intégrateur 35 à la sortie duquel on recueille une tension continue moyenne proportionnelle au module de la tension V. Bien que plus particulièrement applicable à la mesure de courant fluide au moyen d'un courantomètre électromagnétique, l'inven-15 tion n'est pas limitée à ce seul exemple d'application et son domaine s'étend à tous les cas où, connaissant un vecteur défini par deux composantes suivant deux directions rectangulaires quelconques, on désire les convertir en composantes suivant deux autres directions parfaitement référencées, ou connaître son argument par rapport à 20 une direction de référence, définie elle-même par ses deux composantes suivant les deux directions initiales. Ainsi, elle s'applique également à la mesure de courant fluide au moyen de courantomètres acoustiques, ainsi qu'à la mesure de vents au moyen d'anémomètres directionnels, par exemple à fil chaud. Il est bien entendu possible 25 d'étendre aussi le procédé à la mesure dans les trois dimensions prises deux à deux. 69 03999 8 2031376 HEVENDIOATIONS 1/Procédé de mesure d'un vecteur vitesse défini par deux tensions alternatives issues d'un appareil de mesure et représentant les composantes de ce vecteur suivant deux directions perpendiculaires, notamment applicable à la mesure d'un courant fluide au moyen 05 d'un courantomètre électromagnétique, caractérisé en ce qu'il consiste à : - accoupler audit appareil de mesure une paire de magnétomètres fournissant deux tensions continues proportionnelles aux composantes du champ magnétique terrestre suivant ces deux mêmes direc- 10 tions perpendiculaires, - élaborer une première tension à partir des tensions issues de l'appareil de mesure par addition de l'une de ces tensions avec l'autre mise en quadrature de phase, - élaborer une seconde tension à partir des tensions issues 15 des magnétomètres par découpage de ces tensions à l'aide de deux tensions rectangulaires en quadrature de phase à la fréquence des tensions alternatives d'origine, suivi d'une sommation et d'un filtrage , - et convertir cette seconde tension en au moins une tension 20 rectangulaire pour commander au moins un circuit découpeur à l'entrée duquel est appliquée la première tension élaborée, la tension de sortie de ce dernier découpeur représentant après intégration, une information sur le vecteur vitesse référencée au Nord magnétique» 2^ 2/Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la seconde tension est convertie en deux tensions rectangulaires en quadrature de phase qui sont utilisées pour commander deux circuits découpeurs à l'entrée desquels est appliquée la première tension élaborée, la tension de sortie de chacun desdits découpeurs repré-2Q sentant après intégration, les composantes du vecteur vitesse suivant les directions magnétiques Nord-Sud et Est-Ouest. 3/Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première et seconde tensions élaborées sont converties en tensions rectangulaires et sont utilisées pour bloquer et débloquer un cir-35 cuit découpeur sur lequel est appliquée une tension auxiliaire de référence, la tension de sortie dudit découpeur représentant, après intégration, l'angle du vecteur vitesse avec le Nord magnétique. 4/Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la 69 03999 9 2031376 première tension élaborée est convertie en une tension rectangulaire pour opérer une démodulation synchrone à l'aide d'un circuit découpeur, la tension de sortie dudit.découpeur représentant, après intégration, le module du vecteur vitesse. 05 5/Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la re vendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un appareil de mesure fournissant deux tensions alternatives représentant les composantes du vecteur vitesse suivant deux directions perpendiculaires, une paire de magnétomètres ayant leur élément sensible disposé respecti-10 vement suivant ces deux mêmes directions perpendiculaires, un circuit d'élaboration de la première tension relié à la sortie de l'appareil de mesure et comportant un circuit déphaseur de 7T/2 et un circuit de sommation, un circuit d'élaboration de la seconde tension relié à la sortie des magnétomètres et comportant deux circuits découpeurs 15 commandées par des tensions rectangulaires en quadrature de phase à la fréquence des tensions alternatives d'origine suivis d'un circuit de sommation et de filtrage, un circuit de mise en forme de cette seconde tension, et au moins un circuit découpeur relié à la sortie dudiisis'ttfeÈ en forme et dudit circuit d'élaboration de la première 20 tension, suivi d'un circuit d'intégration. 6/Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit de mise en forme de la seconde tension comporte un circuit déphaseur de "Tf/2 et fournit deux tensions en quadrature de phase appliquées respectivement sur deux circuits découpeurs reliés à la 25 sortie du circuit d'élaboration de la première tension. 7/Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'un circuit de mise en forme est intercalé entre la sortie du circuit d'élaboration de la première tension et le circuit découpeur, et en ce qu'une tension auxiliaire de référence est appliquée à 30 l'entrée dudit découpeur. 8/Dispositif suivant les revendications 5 et 7, caractérisé en ce que les sorties des circuits d'élaboration dè la première tension et de son circuit de mise en forme sont reliées à un démodulateur synchrone suivi d'un circuit d'intégration.