Brevet FR2401431A1 — publié le 19790323

La presente invention concerne un pluviographe du genre pluviomètre totalisateur-enregistreur pour mesurer notamment des intensites de precîpitations elevee. Ce pluviographe comprend un entonnoir recueillant I'eau de pluie, un reci- pient accumulant l'eau de pluie, un dispositif de vidange du recipient et un dispositif d'enregistrement de l'intensite des précipitations. Il est connu que la propagation d'ondes d'une liaison electromagnetique dont les longueurs d'ondes sont inférieures a environ 3cm, est très fortement influencée par les pluies éventuelles entre l'emetteur et le récepteur de la liaison. L'affaiblissement provoqué par la pluie augmente rapidement avec l'in tensité de pluie qui est habituellement exprimée en millimetres par heure. Pour realiser une telle liaison, comme par exemple une liaison hertzienne, il est necessaire d'évaluer les caractéristiques pluviométriques de la région environnant cette liaison. Les services météorologiques utilisent généralement un pluviographe tota lisate. -enregistreur dans lequel deux augets basculant sont remplis alternativement avec l'eau de pluie déversée par l'entonnoir. Lorsque l'un des augets est completement rempli, celui-ci se vide par basculement dans un récipient de vidange, et simultanément une impulsion électrique est transmise vers le dispositif d'enregistrement, tandis que l'autre auget est en position de réception de I'eau de pluie déversée par l'entonnoir. L'utilisateur connaît alors l'intensite de pluie non pas a des intervalles de mesure réguliers mais à des intervalles de mesure dépendant incommodément de l'intensité de pluie, puisque la durée entre deux impulsions électriques est fonction du volume de chaque auget basculant. Ainsi, les résultats des mesures fournis par le dispositif enregistreur sont des moyennes d'intensités de précipitation mesurées pendant des durées variables, les intensités moyennes étant déduites généralement gu cours d'intervalles de mesure égaux a 6 minutes- t alors que pour l'étude de la propagation d'ondes électromagnétiques, les mesures doivent être beaucoup plus instantanées. En addition, le tube de l'entonnoir est relativement petit afin d'éviter tout éclaboussement lors de la chute de l'eau de pluie dans les augets I1 apparaît qu'un tel pluviographe est adapte seulement aux mesures d'in tensités de précipitation faibles et moyennes, ctest- -dire inférieures a 70mm/ heure. Lors de mesures d'intensités de précipitation supérieure a lOOmmiheure, il est nécessaire d'effectuer des corrections tres élevées et difficiles a estimer. En effet dans ce dernier cas, le tube terminal de l'entonnoir limite le débit d'eau de pluie, et si le diamètre de celui-ci est agrandi, la rapidité des basculements des augets engendre des pertes d'eau dont l'appréciation est délicate.Or, ces fortes intensités sont justement celles qui ont le plus d'importance pour l'étude de la propagation des ondes électromagnétiques, La présente invention a pour but de s'affranchir des inconvénients précités en mesurant a des instants de mesure déterminés la pression exercée par la colonne d'eau contenue dans le récipient et en évaluant par différence de pression l'intensité de précipitation à chaque instant de mesure, la durée entre deux instants de mesure étant très petite de l'ordre de iO secondes. A cette fin, un pluviographe conforme à l'invention est caractérisé par le fait que l'eau recueillie par l'entonnoir est amenée dans un récipient cylindrique, qu'un capteur de pression engendre un signal électronique ayant une caractéristique proportionnelle à la hauteur de la colonne de l'eau de pluie contenue dans le récipient au-dessus de la prise d'eau du capteur, et que des moyens appropriés permettent d'évaluer l'intensité de précipitation par différentiation des valeurs de ladite caracteristique à des instants de mesure déterminés. Selon une autre caractéristique de l'invention, des moyens de commande du dispositif de vidange permettent la vidange rapide du récipient lorsque la hauteur de colonne d'eau est supérieure a une valeur prédertiminée, cette vidange ayant toujours lieu entierement entre deux instants de mesure successifs. Enfin, selon une autre caractéristique de l'invention, des moyens pour détecter un seuil de précipitation occulte sont prévus pour arrêter le dispositif d'enregistrement apres un nombre déterminé d'instants de mesure successifs correspondant à des différences de ladite caractéristique- inférieures audit seuil. L'invention sera mieux comprise a la lecture de la description d'un exemple de réalisation et a l'examen des dessins annexés dans lesquels - la Fig. 1 représente schematiquement la partie mécanique et, sous la forme d'un diagramme de blocs, la partie electronique-d'un pluviographe conforme a l'invention - la Fig. 2 est un diagramme de blocs détaillé de la partie électronique. En se référant à la Fig. 1, la partie mécanique d'un pluviographe conforme à l'invention comprend essentiellement un ensemble de réception d'eau de pluie 1, un capteur de pression 2 et une électro-vanne 3. L'ensemble 1 recueille l'eau de pluie par la section réceptrice 100 d'un entonnoir 10 terminé par un tube vertical 101 plongeant dans un récipient cylindrique 11. La section du tube 101 est choisie convenablement de maniere a écouler l'eau avec des débits au moins égaux à 500 mm par heure. Ainsi le récipient se remplit d'eau avec une vitesse exactement proportionnelle å l'intensité de pluie. On notera que la section du récipient est choisie convenablement en fonction de la gamme des intensités a mesurer. A la base du récipient 11 est reliée par l'intermédiaire d'une canalisation étanche 110 l'électro-vanne 3 qui vidange rapidement le récipient Il lorsque la hauteur de la colonne d'eau est supérieure a une hauteur H2 correspondant a un niveau supérieur déterminé dans le récipient 11. Les hauteurs Hmentionnees dans la description sont référées par rapport au niveau Ho de la prise d'eau 20 du capteur de pression 2. Les commandes d'ouverture et de fermeture de l'électro- vanne 3 sont élaborées par un dispositif 4 signalant que la hauteur de la colonne d'eau est soit supérieure à la hauteur -H2, soit égale à tne hauteur H1 correspondant à un niveau inférieur au dessus de la prise d'eau 20. En outre, au voisinage de l'eitrémité inférieure du tube vertical 101 est prévu un dispositif d'amortissement des turbulences dues a la chute et a l'écoule- ment de l'eau (non représenté) de maniere à éviter tout remous au niveau de la canalisation de la prise de pression 20. Ce dispositif est, par exemple, une plaque percée de trous ou des anneaux placés convenablement au dessus de la base du récipient 11. Le capteur de pression 2 dont l'entrée à haute pression est reliée à la canalisation de prise d'eau 20 et l'entrée à basse pression est en communication avec l'atmosphere, fournit un signal électronique dont une caractéristique C (tension, courant ou fréquence) est proportionnelle à Ia hauteur H de la colonne d'eau au dessus du niveau Ho de la prise de pression 20. Ainsi, l'intensité de précipitation instantanée est la dérivée de cette caractéristique par rapport au temps. En fait, la dérivée de cette caractéristique est évaluée par les différences correspondantes de pression prises à des intervalles de temps espacés régulierement de A t. A cet égard, la partie électronique du pluviographe comprend une base de temps 5 qui, outre les différents signaux de commande propres à l'enre- gistrement des mesures décrits plus loin, génere un signal d'horloge SH dont les créneaux régulierement espacés d'un intervalle A t, par exemple de 10 secondes, signalent les instants précis t n pour évaluer les écarts #H de la hauteur de la colonne d'eau pendant les durées iit. Conformément à l'invention, la partie électronique comprend un dispositif d'évaluation 6 des écarts AH (tn) à chaque instant de mesure tn qui engendre les valeurs de l'intensité de précipitation. Ca dispositif 6 a pour fonctions essentielles à chaque instant de mesure tn : a) la réception de la valeur de la caractéristique C (tn) transmise par le capteur 2; b) la soustraction de la valeur C (t n dt) reçue et mémorisée à l'instant précédent (t n tt) à la valeur C (tn) c) la conversion de cette différence C (tn) - C (tn -#t) en unités d'intensité de précipitation (mm/heure) ; et d) la mémorisation de la valeur C- (t ) pour l'évaluation de l'intensité de précipitation à l'instant suivant (t + At). Outre le dispositif 6 et la base de temps 5, la partie électronique du pluviographe comprend une imprimante 7 pour enregistrer les intensités de précipitation prélevées à certains moments de la journée choisis au gré de l'utilisa teur, un détecteur de précipitation occulte 8 qui arrête l'impression des résultats des mesures lorsque les intensités de précipitation sont inférieures pendant une durée déterminée à un seuil prédéterminé réglable, et le dispositif de détection 4 des hauteurs H1 et H2 qui commande outre l'ouverture et la fermeture de l'electro-vanne 3, l'impression de données d'horodatage à l'imprimante 7 apres chaque vidange du récipient 11. En se référant maintenant à la Fig. 2 dans laquelle on retrouve les blocsdiagrammes énoncés précedemment, la partie électronique du pluviographe a été détaillée selon un exemple de réalisation préférée de l'invention. Le capteur 2 du genre capteur statique à pression différentielle délivre au dispositif 6 un signal alternatif S (C) dont la fréquence est ladite caractéristique C proportionnelle à chaque instant à la hauteur H de la colonne d'eau au dessus du niveau de prise d'eau Ho du récipient 11. En premier lieu dans le circuit 6, un dispositif électronique 60 comprenant un détecteur de fréquence transforme le signal alternatif S en un signal V dont l'amplitude est proportionnelle à chaque instant à la fréquence du signal S. Ce signal V est transmis d'une part au dispositif de commande de l'electro-vanne 4 et d'autre part à un dispositif d'évaluation 61 des écarts d'hauteur H pendant les durées de mesure At. Le dispositif 61 comprend une mémoire analogique 610 à deux étages, un soustracteur 611 de niveaux d'amplitude du signal V, et un générateur de trains d'impulsions 612. A l'instant t du début d'une durée de mesurent et sous la commande de n la base de temps 5, la mémoire analogique 610 mémorise la valeur V (t ) du signal V et transmet sur deux voies parallèles au soustracteur 611 la valeur V (tn) et la valeur V (tn -nt) du signal V mémorisée à l'instant précédent (t -nt). n Le soustracteur 611 élabore la différence V (tn) - V (t -At) proportionnelle n à ltecart tH (tn) de la hauteur de la colonne d'eau dans le récipient 11 pendant ln durée considérée. Cette différence V (tn - V (tn -a t) est transformée par le générateur 612 en un train d'impulsions T dont la fréquence est proportionnel le à ladite différence. Par exemple, au cours des mesures le générateur 612 reçoit à son entrée un signal d'amplitude compris entre 0 et 10 V et restitue à sa sortie des trains d'impulsions de fréquences comprises entre 0 et 10 kHz et d'amplitude égale à 15 Volts. En second lieu, le dispositif 6 comprend une logique permettant de transmettre à l'imprimante 7 les résultats de mesure propres à la lecture convenable par l'utilisateur, c'est-à-dire les valeurs des intensités de préCipitation en millimetre/heure. A cet égard, au début de chaque durée de mesurent, pendant un intervalle de temps At' de créneaux d'horloge issps de la base de temps 5, un comteur 62 compte les impulsions transmises par le générateur 612 à travers une porte ET 63 dont l'une des entrées reçoit les créneaux d'horloge de durée'. Ce compteur 62 comprend un codeur du nombre binaire de comptage des impulsions en code décimal codé binaire qui transmet à sa sortie sur un bus à quatre groupes de quatre fils le nombre de comptage MCDU-correspondant à l'intensité de prétipitation mesurée ( M H millier, C " centaine, D t dizaine, U = unité).Ce nombre MCDU est trans- féré dans une mémoire tampon 64 dont la lecture est autorisée par un signal d'horloge issu de la base de temps 5 au tythme de 10 secondes et succedant les créneaux atl. Le nombre MCDU est alors imprimé par l'imprimante 7. En considérant à nouveau le dispositif 60, celui-ci transmet également le signal V vers le dispositif 4 de commande de l'électro-vanne 3. Le dispositif 4 comprend deux détecteurs 41 et 42 des hauteurs d'eau in férieure Hî et supérieure H2 et un circuit de commande 43 de l'electro-vanne 3. Chaque détecteur 41, 42 comprend respectivement un comparateur 410, 420 de l'amplitude du signal V et de l'une des amplitudes V (H1), V (H2) qu'aurait le signal V, si la hauteur H de la colonne d'eau dans le récipient 11 était égale à la hauteur H ou Hp. Ces dernières amplitudes V (il1), V (H2) sont prises aux bornes 2 de sortie de potentiomètres 411 et 421 préalablement étalonnés.Ainsi, les niveaux inférieur et supérieur d'une tranche pluviométrique (H2 - H1) recueillie par le pluviographe sont choisis au gré de l'utilisateur en fonction de la moyenne des précipitations au lieu de mesure et de sorte que pendant la durée de remplissage d'une tranche pluviométrique comprise entre deux vidanges successives du récipient 11 par l'electro-vanne 3 un nombre déterminé relativement grand de mesures de différences de pression soient effectuées. La sortie du comparateur 420 transmet un signal continu S2 des que la hauteur H de la colonne d'eau est égale à H2, ctest- -dire V = V (H2). Ce signal de commande d'ouverture S2 de l'electro-vanne 3 est transmis à une bascule 44 à travers une porte ET 45. L'autre entrée de la porte 45 reçoit un signal de fin d'intervalles de mesure, et par conséquent de fin d'impression de résultats de mesure sur l'imprimante 5 de manière à ne pas vidanger le récipient 11 pendant i'elaboration d'une mesure de duréet'. A cet égard, le signal de commande d'ouverture de la porte 45 est par exemple au plus le complément logique' du signal t t'. La bascule 44 modifie l'état de son signal logique de sortie qui excite le dispositif 43 pour l'ouverture de l'êlectro-vanne 3 et l'arrêt de l'imprimante 7. L'eau du récipient 11 est évacuée par exemple par gravitation à travers la canalisation de vidange 110 jusqu'à ce que le capteur de pression 2 détecte le niveau de hauteur H1-d'amplitude égale ou sensiblement inférieure à V (H1). Le comparateur 410 émet alors unbsignal S1 sur l'entrée de la bascule 44 dont le signal de sortie revient à l'état initial. Ce changement -d'état commande la fermeture de l'électro- vanne 3 et & mise en marche de l'imprimante 7 au début du second intervalle de temps t suivant.La vidange du récipient 11 étant rapide et de durée inférieure à une durée de mesure at, il apparaît qutune mesure seulement est perdue, puisqu' au début du premier intervalle tt suivant la fermeture de l'électro-vanne 3, la valeur du signal V correspondant au niveau inferieur est enregistrée dans la mémoire 610, mais ne peut être évidemment soustrait à la valeur précédente de V correspondant au niveau supérieur de la colonne d'eau immédiatement avant la vidange. On utilise cet intervalle de mesure pour imprimer des données d'horodatage. Comme déjà précisé, outre les circuits sus-mentionnes, la partie logique du pluviographe comprend le détecteur de précipitation occulte 8. Ce détecteur 8 est constitué d'un comparateur 80 des amplitudes du signal de différence v (tn) - V (tn - a t) issu du soustracteur 611 et diun seuil v d'absence de chute d'eau, ou plus précisément d'intensité de précipitation tres faible transmis par un potentiometre 81 réglable au gré de l'utilisateur. La sortie du comparateur 80 transmet un signal de remise à zéro RAZ d'un compteur 82 chaque fois que la dif férence V (t ) - V (t - n t3 est supérieure au seuil prédéterminé v.Dans le cas n n contraire, c'est-à-dire en l'absence du signal RAZ, le compteur 82 comptabilise les impulsions d'horloge Att. Des que le compte du compteur 82 est supérieur à un nombre déterminé, par exemple huit, celui-ci émet un signal de commande (un un) d'arrêt de l'imprimante 7 au rythme des créneauxat' à travers une porte ET 83. L'imprimante 7 ne fonctionne pas tant qu'un signal RAZ n'est pas détecté. En accord avec la description précédente, une unité de commande 50 commandée par une horloge de référence 51 par exemple à 100kHz est contenue dans la base de temps 5. L'unité 50 élabore principalement à partir du signal de l'horloge de référence 51 les signaux de commande suivants (dont une partie n'est pas représentée dans la Fig. 2 pour des raisons de clarté des liaisons entre blocs - d'écriture et de lecture de la mémoire analogique 610 - At' déterminant la durée de comptage des impulsions du train T ; - d'écriture et de lecture de la mémoire tampon 64 ; et - de l'impression des nombres MCDU par l'imprimante 7. En outre, l'unité de commande 50 comprend un commutateur permettant de sélectionner une durée de mesure At dans la gamme des dizaines de secondes et des minutes. Complémentairement, un circuit de validation extérieure 9 contenant un programme préalablement enregistré, permet de commander l'impression et l'arrêt de l'imprimante pendant des périodes déterminées par l'utilisateur à des moments précis de la journée. Enfin, un horodateur excité par exemple uniquement par la bascule 44 apres chaque vidange permet par exemple l'impression de données dthorodatage comme l'heure et le quantieme des instants de vidange. Bien entendu, l'homme de l'art conçoit aisément que la structure et l'or- ganisation de la partie électronique du pluviographe décrit ci-dessus ne sont pas limitatives et que d'autres composants et dispositifs électriques peuvent être utilisés pour obtenir des caractéristiques de fonctionnement du pluviographe analogues. En outre, la partie électronique d'un pluviographe selon des réa- lisations préférées de l'invention est totalement intégrée soit dans un boitier contenant la partie mécanique de maniera à former un ensemble unitaire, soit dans un bottier séparé de la partie mécanique recevant à distance le signal transmis par le capteur de pression. En addition, on notera que l'imprimante peut être remplacée par un microprocesseur permettant d'engendrer certaines courbes ou paramètres pluviométriques nécessaires par exemple à l'étude de la propagation d'ondes électromagnétiques selon un programme enregistré choisi au gré de l'utilisateur. A titre d'exemple non limitatif, le demandeur a réalisé un pluviographe tel que décrit ci-dessus ayant les caractéristiques fonctionnelles suivantes 2 - section réceptrice 100 de l'entonnoir 10 : 2000 cm 2 - section du récipient 11 : 50 cm ; - hauteur de la colonne d'eau H comprise entre 0 et 250 mm - capteur de pression du type statique propre à des mesures de pression inférieure à 30 bars ; - durée d'une mesureS5t - 10 secondes (ou 30 secondes;ou 1 minute par commutation) ; - durée de vidange du récipient Il par l'électro-vanne 3 : 3 secondes environ ; et - gamme des intensités de précipitation mesurées: 5 mm/heure (inférieure à cette valeur : précipitation occulte) à 500 mm/heure, REVENDICATIONS 1 - Pluviographe comportant un recipient cylindrique accumulant l'eau de pluie recueillie par un entonnoir, un capteur de pression engendrant un signal électrique ayant une caractéristique proportionnelle à la hauteur de la colonne de l'eau de pluie contenue dans ledit récipient au-dessus de la prise d'eau dudit capteur, une électro-vanne propre à la vidange du récipient ainsi que des moyens de commande de l'ouverture et de la fermeture de ladite électro-vanne permettant à la hauteur de l'eau dans le recipient d'entre maintenue entre des hauteurs prédétermi- nées supérieure et inférieure, caractérisé en ce qu'il contient des moyens pour déterminer et enregistrer périodiquement l'intensité quasiinstantanée de précipitation, ladite intensité étant obtenue par la différence entre les hauteurs de colonne d'eau à un instant de mesure et à I'instant de mesure précédent, I'intervalle de temps entre ces deux instants étant de préférence inférieur à la minute. 2 - Pluviographe conforme à la revendication I, caractérisé en ce que lesdits moyens de détermination de 1' intensité de précipitation comprennent une memoire qui, à chaque instant de mesure, enregistre la valeur de ladite caractéristique correspondant audit instant de mesure et restitue sa sortie la valeur précédemment citée ainsi que la valeur de ladite caractéristique mémorisée à l'instant de mesure precedent, un soustracteur desdites deux valeurs de ladite caractéristique, un générateur d > im- pulsions générant un train d'impulsions dont une caractéristique comme la fréquence ou le nombre d'impulsions est proportionnelle à la différence desdites valeurs de ladite caractéristique, un compteur desdites impulsions transmises pendant une durée déterminée nettement inférieure à la durée entre deux instants de mesure et transmettant l'intensité de précipitation en un code approprié correspondant audit instant de mesure vers lesdits moyens d'enregistrement. 3 - Pluviographe conforme a l'une quelconque des revendications 1 et 2 , caractérisé en ce que la durée de la vidange dudit recipient entre lesdites hauteurs supérieure et inférieure est inférieure à celle entre deux instants de mesure successifs et en ce que lesdits moyens de commande de ladite electro-vanne arrête le fonctionnement desdits moyens d'enregistrement après l'enregistrement de 1' intensité de précipitation précédant la vidange et commande à nouveau le fonctionnement desdits moyens d'enregistrement au second instant de mesure succédant à la fermeture de ltélectro-vanne . 4 - Pluviographe conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande de ltélectro-vanne comprennent des moyens pour régler les valeurs desdites hauteurs supérieure et inférieure. 5 - Pluviographe conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de détection d'un seuil prédéterminé de précipitation occulte permettant d'arrêter lesdits moyens d'enregistrement après un nombre déterminé d'instants de mesure successifs correspondant à des différences de ladite caractéristique inférieures audit seuil. 6 - Pluviographe conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection comprennent des moyens pour régler la valeur dudit seuil de précipitation occulte. 7 - Pluviographe conforme à l'une quelconque des revendications I à 6, caractdrisé en ce qu'il comprend des moyens pour transférer pendant des durées déterminées les valeurs des intensités de précipitation vers lesdits moyens d'enregistrement. 8 - Pluviographe conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un horodateur permettant de transforer des données dthorodotage vers lesdits moyens d'enregistrement soit périodiquement soit après chaque vidange sous le contrôle desdits moyens de commande de ladite électro-vanne. 9 - Pluviographe conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit récipient comprend au voisinage de sa base des moyens pour amortir les tourbillons créés par les chutes d'eau de pluie issue dudit entonnoir. 10 - Pluviographe conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour régler la durée séparant deux instants successifs de mesure.