Brevet FR2096892A1 — publié le 19720303

La présente invention concerne un dispositif de mesure de la vitesse instantanée des vents dans leauel les mesures, faites de façon précise et à des instants mpprochés, sont susceptibles de définir la structure fine des vents dans le but de définir leur régime en un site donné et dans des conditions climatiques déterminées. Dans les dispositifs connus de ce genre, du type anénomètre ou girouette, l'analyse de la vitesse est très imprécise et, de plus, ces dispositifs réagissent avec un certain retard par suite de leur inertie. Pour ce qui concerne la technologie particulière à 3 con construction des antennes des stations de télécommunications par satellites, il est apporu nécessaire de connaître avec précision l'amplitude instantanée de la vitesse du vent en un point de l'ospace dans le but de définir des structures mécaniques paraboloïdes aptes à résister aux saures des vents et des dispositifs d'asservissement de leur position susceptibles de méagir avec la vitesse convenable aux efforts impulsionnels rie ces vents en des points précis de l'espace. Les dispositifs utilisés en aéronoutique ou en météorologie sont impronnes à ces mesures. Selon la présente invention, on se propose de réaliser un dispositif susceptible d'effectuer des mesures instantanées de la vitesse du vent à des intervalles de temps rapprochés afin de mieux mettre en évidence des phénomènes de résonance constatés dans le comportement des grandes surfaces exposées aux vents, par exemple celles de réflecteurs paraboliques utilisés en radiocommunications. la structure d'un réflecteur réfléchissant pour les on des radioélectriques utilisées daus les télécommunications spatiales doit répondre à certains critères de rigité et de trécision, et la concention des cadres qui le aeintiennent dans sa forme dait répondre à des exigences de noids, de résistauce mécapique et de moniabilité. A ces conditions est liée la concention des systèmes mécaniques d'asservissement eu position dont le délai de réponse est tributaire de la vitesse des variations du vent et de la trendeur instantenée de ces variations. Le dispositif réalisé selon l'inveution commerte des sondes à dépression capables de fournir la différeuce des prescjons statique et drnamique exercée par le vent en un eint derné. Ces différeneos sont conventies ou tenstons électriques alterntives dont l'amplitude représente l'information à trapsmettre. Ces emplitudes sont ensuite fétectées écedressées) et envegistrées comme des données analogiques. Le dispositif de l'invention comprend aussi des moyens de mesure classique, tel qu'un anenomètre nanillon et une girouette, dont les indications sont également enregistrées. Les sondes dannant des mesures globales des vitesses, qui comnrennent les vitesses dites de rafales et les vitesses dites de tur bulenee, il est aisé de séparer les composanfes de ces vitesses an moven d'un ordihateur traitant les enregistrements magnétiques ou sur cartes perforées obtenus à partir desdites vitesses. L'enregistrement graphique que comporte l'appareil permet ainsi de suivre visuellement les opérations de mesure et de vérifier l'apparition des rafales. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description détaillée donnée ci-après t faite avec référence aux dessins eiannexés, dans lesquels - La Fig. i est un diagramme de blocs montrant 11 organisation générale d'un dispositif selon l'invention - La Fig. 2 montre un élément important des moyens de mesure utilisés nar l'invention ; et - Les Figs. 3a et 3b montrent, à titre d'exemples, des graphiques enregistrés au moyen du dispositif de l'invention. La Fig. 1 représente le schéma du dispositif selon l'in- Invention sous forme d'un diagramme de blocs, dans lequel les sondes à dépression 100, 101, 102 et 1.03 sqnt placées à des altitudes différentes variant de 7,50m à 30m et délimitant un volume corresnondant au réflecteur. de l'antenne. Les indications de ces sondes sont complétées par celles d'une girouette 104 et d'un anénomètre 105 du tyre "panillon" avec moulinet à cupules. Ces instruments donnent seulement des indications movennes par intégration des valeurs instantanées, car suite de leur inertie propre. Leurs indications constituent cependant des repères.Ces indications sont transformées en données électrioues nar un notentiomètre 107 alimenté par la spurce d'alimentation 108 pour la girouette 104 et par le générateur alternatif 106 pour l'anémomètre 105. les sondes 100 à 103 feront l'objet d'une description plus particulière donnée à l ide de la Fig. 2. T1 est rappelé aile ces appareils mesurent des différences entre des pression statiques et des pressions dynami- ques.Ces différences sont matérialisées par les déformations d'un diaphragme qui agit sur un transducteur tel que 110 ou 113 constitué par un transformateur électrique double, alimenté par une source de courant alternatif, dont les circuits magnétiques comportent parties fixes symétriques et un noyau mobile sous l'action du dia- phragme. Une variation de pression se traduit donc or.r une varia- tion du couplage entre les enroulements primaire et secondaire du trarsformateur : ces deux enroulements étant bobinés sur les deux parties fixes magnétiques, toute variation de couplage entre cellesci se traduit par une variation proportionnelle de la tension électrique développée.Pour un déplacement de 0,05 mm du diaphragme, la variation relative de la tension alternative à 1000 Hz "eut être de l'ordre de 15%. Cette tension alternative est fournie avec une valeur efficace de 175 mV par un générateur dont il sera parlé dans la suite. Par un vent nul, il existe iine certaine teiision résiduelle qui doit être comnensée. Cette opération est facilitée au moyen de ponts d'éauilibrage 120 à 123 auxquels la tension est appliquée de façon symétrique. il est donc loisible de rechercher un point de tension nulle à l'aide de potentiomètres dont les curseurs (contacts mobiles) alimentent des amplificateurs 130 à 133. Le gain d'un amplificateur tel que 130 est de o0 dB. Cet amplificateur alimente une ligne téléphonique 140 d'impédance égale à 600 #. D'autres lignes identiques 131 à 133 sont desservies par les autres amplificateurs. Tous les amplificateurs 130 à 133 ainsi que le notentiomè- tre 107 et le générateur 106 sont reliés par des câbles du tvne téléphonique au répartiteur 150 situé à proximité des appareils. Ce rénartiteur 150 alimente ainsi, en signal alternatif les rrnns- ducteurs 110 at 113. De répartiteur 150 est par ailleurs réuni, par un câble à plusieurs paires 151, à un second répartiteur 152 situé dans les bâtiments d'exploitation et qui répartit les diverses tensions re çues aux organes de mesure. Par ailleurs, c'est arr ce répartiteur que sont aussi acheminées les différentes tensions alternatives et continues dont les grganes transducteurs ont besoin. De ce répartiteur 1r2 les signaux recus vont vers des filtres de bande de dréguences 160 à 163 dont la fonction est d'élimi- ner tous les signaux parasites en dehors de la bande de fréquences 900 - 1100 Hz, ouvant être induits dans les connexions. A la son tie de ces filtres des signaux à 1000 Hz modulés en amplitude selon la vitesse du vent sont disponibles. Ils sont scheminés vers des démondulateurs à diodes 170 à 173. Ces démodulateurs alimentent ensuite des enregistreurs 180 et 181. Le génénateur 106, counlé au moulinet 105, fournit un signal de fréquence et d'amalitude variables avec la vitesse du vent. Le générateur 106 est par exemple un simple eimant permanent mobile autour d'un axe et qui tourne entre ? inducteurs fixes. Tension et fréquence du signal fourni sont donc sensiblement proportionnels aux éléments correspondants de la vitesse du vent. Le sénérateur 106 alimente un démodulateur 174 à travers les répartiteurs 150 et 152 et le câble 151. Par eilleurs, la girouette 104 qui, comme il a été dit, entraîne le curseur du potentiomètre 107 alimenté par la source d imentation 108 soirs tme tension continue de 9 volts donne au galvanomètre 175 des indications sur l'angle de la direction du vent avec le méridien du lieu. Pet angle est défini par multiples de 20 degrés et et 1 l'indication du galvanomètre 175 est enregistrée dans les enregistreurs 180 et 181. L'enregistreur 180 est un enregistreur magnétique à 7 canaux. Cinq de ces canaux enregistrent les variations de tensions qui llli sontfonrnies sous forme de modulation de fréquence du signal de base à 1000 Hz fourni par l'oscillateur 182. Ce signal de base fourni aux transducteurs 120 à 123 est aussi enregistré sur l'un des deux canaux restants ; il sera utilisé lors du dé- pouillement des résultats, en tant que repère du temps. Enfin, le dernier canal est utilisé pour enregistrer les observations météorologiques qu'un opérateur dicte à l'aide du téléphone 183 en ême temps que les indications de l'heure, de date et s'il y a lieu, des circonstances excentionnelles qui méritent d'être mentionnées. L'installation comporte aussi un enregistreur graphique visuel 181 à plusieurs pistes, qui permet un contrôle/pendant les mesures et la rise on évidence des corrélations entre les diverses chaines de mesure. La ig. 2 représente un anénemètre à dépression utilisé en tant que sonde dans le dispositif de l'invention. Cet anénomètre est dérivé d'un tube de PTTOT et comprend deux prises de pression, l'une statique, constituée par un disque creux 210 dont la ligne équatoriale est percée de 32 trous équidistants de diamètre égal à 0,8mm, l'autre dynamique 211 qui est un tube 200 percé de 24 trous équidistants de diamètre 0,4 mm. Le tube 200 est en relation avec un côté de la membrane du transducteur 202 l logée dans le canot 201. Dans le tube 200 est disnosé un tube concentrique 203 qui ét blit la liaison entre la Prise de nression 210 et l'autre coté de la membrane du transducteur 202. La membrane du transducteur peut se dépalcer de 25 à 30 microns, la bande passante est de O à 100 Hz et sa constante de temps est inférieure à 10 millisecondes. On sait que la différence des pressions entre les deux côtés de la membrane est proportionnelle au produit du carré de la vitesse par la densité de l'air. Le transducteur est calibré de manière correspondante, de O à 10 millibars par exemple. L'axe de la sonde occupe une position verticale. Elle est maintenue en place par la hamne 210. Les Figs. 3a et 3b montrent des enregistrements obtenus sur l'enregistreur graphique 181. La Fig. 3a montre la structure fine d'un coup de vent bref, d'une durée a proximative de 4 secondes. La pression enregistrée PU début de l'expérience est proportionnelle à 400 qui est le carré de la vitesse V, égale à ce moment à 20 m/s, par exemple. Les accidents que subit la courbe pendant la première seconde traduisent les-variations instantanées de cette vitesse, veriations- qui portent le nom de turbulence. du temps T1 la vi- tesse subit un accroissement important, puis l'allure générale de la courbe est décroissante et présente des variations ranides. Au temps T2, la vitesse déeroît puis son carré se stabilise à nouveau autour d'une valur moyenne égale à 280 environ jusqu'austemps T3 où elle reprend une valeur moyenne de carré proche de 440.Les valeurs moyennes corresnondantes prises n?.r la pression nendant tout le temps de l'expérience sont renérées MO, Mi, M? et M?. Elles peu- vent étre obtemles, avec une bonne approximation, Par l'anémomètre 105 (Fig. 1). En retranchant ces valeurs moyennes de,la courbe de la Fig. 3a on obtient la courbe de la Fig. 3h oui traduit la structure fine du vent, c1 est à dire la turbulence seulement ; les parties hachu- rées de la courbe 3a en représentent les rafales. Le svstème de l'invention permet de mettre en évidence les variations ranides des vents, dont la connaissance conditionne la construction et la conception des ouvrages d'art (nonts suspendus, antennes, etc.) ayant à subir des efforts sous la- ponssée du vent. Ces efforts subissent des variations dues à la turbulence. Ces variations sont fonction du temps et de l'emplacement et peuvent mener localement des efforts de déformation on de mise en vibration, préjudiciablees au bon fonctioanement de l'ouvrage ou à sa bonne tenue. Ces efforts sont particulièrement sensibles dans la construction des réflecteurs peraboliques pour antennes de télécommuni- cations Ppr satellite qui doivent, en prévision de ces efforts et des déformations qui pourraient en résulter, présenter une solidité de structure adaptée à ceux-ci. . L'étude de le strlleture fine du vent a révélé, pour un site donné, des phénomènes transitoires dont les fréquences ont pu être analysées. La structure des constructions doit être conçue pour que les fréquencces de résonance mécanique de l'ensemble soient suffisamment espacées des fréquences mises en évidence par cette analyse. Par ailleurs, il est indispensable de connattre, avant la mise en service d'une antenne, la réponse de son dispositif dXasser- vissement en position aux noussées du vent. Possédant des enregistrements du vent typique du site où l'antenne doit être installée, il est facile de soumettre le dispositif d'asservissement à des tensions qui simulent celles que les capteurs de pression de ltan- tenne retransmettront en service normal et d'observer les réactions de ce disnositif d'asservissement.Ces simulations peuvent conduire a certaines modifications du système ; elles permettent aussi de réaliser tout l'éventail des types de vents enregistrés au cours dtobservations préalables en un temps réduit et à des dates choisies. Ces types de vents peuvent aussi faire 11 objet d'une analyse plus précise et être trad dits en bruits électriques dans une bande de fréquences déterminée ; le spectre de ces bruits est limité par la alus haute fréquence découverte lors de l'analyse. Enfin, les eiire,istrements obtenus à laide de luta pareil de l'invention permettent, à partir d'observations systématiques, de dresser des tableaux de prévision d'alarme. Il est prescrit en effet qu'en cas de coup de vent violent, dépassant 24 m/s, les installations doivent Qtre disposées en "nosition de survie" pour éviter toute détérioration et en particulier n'offrir au vent nue le minimum de prise. Ces dispositions devant pouvoir être prises à tout instant. il a naru nécessaire de ménager un palier dit d'observation attentive avant d'arriver aux "dispositions de survie". Ce nalier est déterminé par des mesures des vitesses instantanées du vert rappor- tées à sa vitesse moyenne. En nortant en abscisses les vitesses moyennes et en ordonnées les vitesses instantanées il est possible de définir une zone opérationelle normale, une zone d'observation attentive et une zone de survie séparées par des vitesses critiques. La connaissance continue des vitesses permet de situer la zone à laquelle correspond le vent mesuré et d'en tirer des prévisions sur le vent probable dans un délai raisonnable, et de prendre éventuel- lement toute disposition utile. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de mesure de la vitesse du vent et d'enregis- trement graphique de cette vitesse, utilisant plusieurs sondes à dépression placées à des altitudes différentes et comprenant chacune deux prises de pression, l'une statiaue dérivée dune Pression de référence, l'autre variable en fonction de la vitesse du vent, caractérisé par des moyens pour faire agir différentiellement les "ressionsdesdites prises sur une membrane flexible, pAr Ces trans docteurs traduisant en signaux électriques alternatifs les dépla- cements de ladite membrane flexible, et nar des moyens d'enregistrer graphiquement l'amplitude desdits signaux alternatifs. 2 - Disnositif selon la revendication 1, caractérisé en ce cue lesdits transducteurs sont constitués par des transformateurs alimentés par une source alternative et dont le couplage entre -enroulements est modifié par le déplacement d'un noyau magnétique lié à ladite membrane relativement à deux parties fixes de circuit magnétique portant lesdits enroulements. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce oue les courants de sortie desdits transducteurs sont utilises dans des réseaux d'équilibrage alimentés par ladite source alternative de manière à compenser la composante permanente desdits courants de sortie. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les courants compensés issus desdits réséaux d'équilibrage sont amplifiés n-r ries amplificateurs dont les courants de sortie sont appliqués après redressement à des enregistreurs. 5 - Dispositif selon 7 revendication 1, e ractérisé par l'djonction d'une gironette dont l'axe de rotation entraîne le curseur d'un cotentiomètre elimenté par une source de courant contine, la tension continue variable obtenue à pertir dudit notentiomètre étant trousmise à un enregistreur. 6 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par l'adionction d'un arémomètre elassique dit "papillon" à moulinet à cuplues, cont l'ave de rolalion entraîne un ménéroteur de courant alternatif dont le courant, après redressement, est anoliqué à un enregistrour.