Brevet FR2465234A1 — publié le 19810320

l'appareillage ci-dessus défini représente une invention résultant des recherches de Messieurs Robert GELCI et Ladislas ERDELY. L'interface air-mer est un niveau d'échanges permanents e tre l'atmosphère et l'océan, échanges chimico-physiques oui, à court terme, conditionnent la météorologie au jour le jour et, à long terme, le climat terrestre général. Une agitation à peu prè incessante anime cette étendue et, un échantillon de celle-ci, limité à queloues mètres carrés, forme un plan moyen présentant, d'instant en instant, une inclinaison différente par rapport au plan horizontal. L'inclinaison de ce plan se traduit généralemeni par une pente comprise entre 0 et 15 dans un azimut quelconque. En outre, le plan de l'échantillon peut se situer momentanément au-dessus comme au-dessous du niveau moyen de l'océan. Trois 7a- riables interviennent donc simultanément pour déterminer la posai tion d'un échantillon de la surface marine. L'évolution dans le temps de ces trois variables est féconde de renseignements sur l'ensemble du comportement physique des mers. Son observation et son enregistrement sont de nature à fournir des solutions à des problèmes non encore éclaircis en météorologie maritime. te dispositif dont la description suit est destiné à enre gistrer simultanément les trois variables ci-dessus ou à les tra] mettre par voie hertzienne depuis la mer à une station d'enregis trement terrestre. L'outillage capteur comporte trois éléments fonctionnant en liaison permanente tour suivre l'évolution conti] des trois variables et pour en faire la synthèse instantanée. Po la clarté de l'exposé, ils seront décrits un à un. L'appareillage appartient par conséquent au secteur de la métrologie. Il est conçu pour exécuter automatiquement le traitement analytique et synthétique de trois variables a) inclinaison d'un plan surface marine b) azimut de cette inclinaison c) niveau d'élévation de l'évènement L'ensemble de l'appareillage ci-dessus indioué et le source d'énergie qui l'alimente sont logés dans une bouée en forme de dis- que, diamètre : 2,50 m, flottabilité positive. La bouée (Pl.I,f.l' est conçue pour s'adapter à tout moment à la surface changeante de la mer. La bouée est réalisée en polyester armé de fibres de verre. Elle est insubmersible. Le logement intérieur permet l'installation de la batterie de piles alimentant les divers éléments électro-mécanioues et électroniques de l'appareillage, l'appareillage lui-meme et les organes d'enregistrement ou de transmission. j son extérieur, la bouée est munie d'un mât de support de feu et, le cas échéant, d'une antenne de transmission. Les deux derniers éléments seront définis en fonction du type de matériel de signalisation et de transmission à utiliser. Il entre dans la constitution de la bouée : une virole extérieure (1) 2500 mm, épaisseur : 4 mm, enroulement filamentaire virole intérieure (2) 1400 mm, épaisseur : 4 mm, enroulement filamentaire ; fond (3) sandwich polyester 3 mm, bois dur 50 m, polyester 3 mm ; pont de bouée (4) sandwich comme le fond ; rem- plissage mousse de polyuréthane (5) 40 kg/m3 ; inserts métalliques (6) ; fixation (7) mât de feu, antenne, anneaux de levage ; transe de fermeture (8) ; compartiment piles et appareillage (9) ; plan cher de compartiment démontable (10). La bouée doit satisfaire à trois exigences primordiales être maniable au cours des opérations de mise en place et de main- tenance, avoir un volume restreint pour favoriser la maniabilité, et surtout - avoir les qualités marines et mécaniques garantissant une bonne résistance aux assauts de la mer. Le choix des mat érl aux et du profil de la bouée-(disque aplati) correspondent a ces préoccupations. Les trois variables mentionnées trécédemment et aüi déterminent les positions successives de la bouée dans les trois dimen- sions sont captées par l'outillage ci-dessous. I.) - L'inclinaison est mesurée par le déplacement ap@@rent d'une goutte de mercure (12), 2 mm, au fonc d'une ne cuvette C xiglass (Fig.3) munie, à son fond, de paires de plots électriques. La cuvette est solidaire de la bouée. Le passage de lp goutte de mercure sur une des Paires de plots ferme un circuit leauel désir l'angle de l'inclinaison. Les figures N#2 et N#3 représentent, r@ tectivement en coupe et en supervision cet élément d'outillage. Le fond de la cuvette est une calotte sphérique dimensionnée en sorte qu'une inclinaison de 15 grades torte la goutte de mercure près du bord de la cuvette. Les inclinaisons dont la pent est comprise entre 0 et 1.5 grades portent la goutte de mercure r- un parallèle différent, caractéristique de l'inclinaison. le posi tionnement des paires de plots est d'une densité suffisante tour que le passage de la goutte de mercure en tous Doints du fonte de la cuvette détermine un signal. Le positionnement sera orthogonal par préférence à une disposition polaire. En effet, l'azimut aus. bien que l'angle de l'inclinaison varient d'une manière abrutie, surtout en cas de vagues croisées. Par conséquent, le trajet de goutte de mercure sera rarement un simple aller-retour entre le centre de la cuvette et un parallèle auelconaue correstondant à l'angle d'inclinaison ; généralement, le trajet sera une ligne aléatoire passant par plusieurs angles et plusieurs azimuts. Le tracé ainsi obtenu sera enregistré, point par point, sur bande m@ gnétique, soit à bord de l'appareillage, soit à distance. La description ci-dessus a un caractère illustratif et ne: limitatif quant aux éléments matériels qu'elle comporte. Ainsi, la goutte de mercure pourra être remplacée par une bille d'acier ou de bronze ( 10 mm) auquel cas les paires de Dalots seront rem Dlacées par autant de senseurs piézo-électriques. L'appareil mesure à 1 grade très la pente de ses Dosib on successives. Chaque groupe de senseurs (électriques ou piézo-éle triques) correspondant à un des ouinze grades de tente possibles est relié ensemble électriquement et identifié Dar un traitement électronique élémentaire avant l'enregistrement du signal reste tif. La détermination de l'azimut de la tente engage un out ge plus complexe. La bouée Dorteuse dont l'instrument cafteur est solidaire tourne librement à la surface de la mer. L'azimut de l'incli@@@s se détermine par référence au pole magnétique terrestre utillsé cette fin au moyen de l'élément d'outillage dont la descriptio suit. II. Soit 32 azimuts à relever et à enre@istrer. nombre arbitrairement choisi comme exemple. Fig@#4.-Deux aimants ferroxdure (102) sont fixés en parallèle, solidaires d'un disque amagnétique (103) monté sur pivot cantral. De chaque côté du disque qui servira d'obturateur ontique, sont nositionnées 32 diodes infra-rouges (104, 105, 106...) en tant nue sources lumineuses, en face de 32 phototransistors (150) détecteurs. Une fente (151) à la DériDhérie du disque n'autorise l'éclairage que d'un seul phototransistor. La position angulaire du disque et donc de la fente, est fixe Dar rapport au Nord magnéti- que. Le thototransistor éclairé, s'il est repéré à nartir d'une référence angulaire, détermine l'écart angulaire entre la référence et le Nord magnétiaue. Il suffit, à cette fin, de compter le nombre de diodes entre la référence et la fente.Ce résultat s'obtient en procédant à un balayage qui effectue l'interrogation successive des couples diodes IR - phototransistors. Le balayage commence tar un couple quelconque dès qu'une vague est détectée tar le capteur (152) logé au sunDort dé la boussole et ne s'arrête qu'au moment a le comptage est terminé. Le système comprend un générateur d'impulsions (horloge) lesquelles sont successivement utilisées tour l'éclairage rapide de chaque diode IR (une impulsion par diode). Parallèlement, un compteur sur ordre à la première impulsion s'arrête seulement lorsqu'une impulsion délivre un signal à un Dhototransistor. L'or- dre du départ du balayage et du comptage est donné tar le détecteur d'inclinaison incorporé à la boussole. Ce dernier est constitué tar le disque (103) monté sur pivot et par 32 contacts (152) solidaires de la platine supérieure.Le disoue conducteur (bronze chrysocal nickelé), fermera le circuit (153) sur l'un des 32 contacts (152) sur ordre du cafteur détectant une inclinaison, effectuant ainsi le retirage de la direction de celle-ci. Afin d'éliminer les oscillations parasites, les déplacements du disque sont amortis par un liquide de remplissage (kérosène). Une bulle d'air assure la compensation élastique des dilatations. Une variante de l'élément d'appareillage ci-dessus effectue la détermination de l'azimut de l'inclinaison à partir de l'organe I, (101,100). A cet effet, la surface de la cuvette (ion) est divisée en 2 secteurs radiaux correspondant aux 32 azimuts à détecter.Les senseurs garnissant flaque secteur sont successivement reliés aux diodes 104, 105, 10@ et ainsi de proche en proche. Les 32 contacts (152, 153) sont supprimés et la diode correspondant à l'azimut de l'inclina son est actionnée tar la fermeture du circuit effectua par la goutte de mercure lors de son passage sur un des senseur dc 1' pareillage 100. Le Processus de mesure se déroule donc ainsi 1) - détection d'inclinaison et déclenchement du balayage 2) - déclenchement du comptage lorsque le balayage rencor tre la diode montée en face du contact ayant détecte l'inclinaison ; 3) - arrêt du comptage et du balayage lorsaue ce dernier rencontre un phototransistor éclairé. En résumant ce qui précède, le système mesure le nombre d diodes entre le contact de référence de direction de l'inclinais et la fente du disque indiquant le Nord magnétioue. Le choix du fonctionnement en infra-rouge du système de détection angulaire est motivé tar le fait que la courbe de rép@ se spectrale de l'ensemble diode phototransistor se situe à une longueur d'onde de l'ordre de 0,94 micromètre pour un maximum de rendement (Pl.VII.) La durée de l'impulsion lumineuse sur chaoue diode est de 0,5 mS avec une vitesse d'avance du balayage de 1 mS par pas, sc une durée maxima de 32 mS par inclinaison détectée et une consol mation d'énergie pendant 16 mS max. Pour une période de houle de l'ordre de 7 sec. la consommation moyenne est de 3,8 mW. (Alimer tation : 1,5 V à partir de 6 V général). Une partie de l'électronique est montée sur les circuits imprimées de la boussole, afin d'éliminer toute transmission parc sitaire venue depuis le détecteur. Le compteur stockera les infc mations numériques sur 5 bits (32 = 25) qui pourront être transn ses entre deux inclinaisons. Les circuits électroniques du capteur d'azimut (boussole) sont construits à partir d'un système de comDtage binaire compos d'un compteur normal 4 bits auquel est adjointe une division binaire supplémentaire pour obtenir un ensemble diviseur tar 32. Les informations de sortie codées binaire ainsi obtenues sont utilisées par un groupe de deux démultiplexeurs de 10 volo: chacun. Les voies de sortie libérées successivement permettent @ balayage impulsionnel des 32 diodes génératrices d'infr-rou0e. Puisque la technologie MOS employée ne permet tas l'alimentation directe des diodes, des transistors drivers, commandés par es démultiplexeurs, sont insérés dans les circuits diodes. Le cycle de balayage est interromnu lorsque l'échancrure dans le disque de la boussole autorise l'éclairage d'un phototransistor. Le contage est bloqué dans l'état correspondant et les informations codées prises en parallèle sur les entrées des démultinlexeurs neuvent être enregistrées ou transmises après passage nar des bascules flip-flop et 5 transistors drivers d'isolement pour la liaison avec le système capteur. A chaque détection d'inclinaison, l'ensemble est réinitialisé (RAZ) et le comptage recommence. le top de détection d'inclinaison et celui de fin de comptage seront transmis aux circuits logiaues montés dans la bouée ou leur exploitation offre un intérêt évident. L'enregistrement des signaux à bord de l'appareillage (bande magnétique) fait appel à un traitement et à un outillage considérablement moins élaborés que la transmission à distance. Par conséauent, c'est la seconde solution qui sera retenue dans la suite. Le mode de transmission des informations étant obligatoirement séauentiel, il y a lieu de prévoir des dispositifs de synchronisation dans les circuits de bouée, en conséauence, aussi, d'ajouter au système une source d'information supplémentaire (déplacements verticaux de la bouée porteuse). La cadence des passages de voies est fixée à 1 ms tar la base de temps 1 KHz du système d'horloge fournissant les imDulsions à compter. Afin d'être transmises par voie hertzienne, les informations codées binaires au niveau du système de détection sont disponibles entre deux mouvements de la bouée par mémorisation dans les circuits électroniques du capteur. Le mode de codage les met en réserve en parallèle, il est donc nécessaire de les sérialiser aux fins de transmission. Les rafales d'impulsions obtenues sont transmises à un modulateur type FSK tour être utilisables tar la voie unique de l'émetteur ES. (Système MODEM). Les deux valeurs 0 et 1 du code correspondent à deux fréquences différentes généralement choisies dans la bande 1 à 2 KHz. Elles sont ensuite amplifiées par le modulateur de l'émetteur Dour cue le taux de modulation (de l'ordre de 906d donne la meilleure efficacité d'émission. La Duissanc HF de l'émetteur est de 2 ;' dans la bande 30 40 M@@, le calage en fréquence restant à préciser.En plus des informations codée le capteur fournit un top mesure lorsqu'une inclinaison est détectée. Le top permet le déblocage de l'ensemble de transmissio uniquement tendant le tens nécessaire à la la liaison (env. Toutefois, afin d'éviter des instabilités sur la fréquence d'ém sion, le pilote reste en service permanent, de même que le st me de déblocage qui doit rester disponible à tout instant. L'en semble de ces deux circuits devra être constitué en sorte d'obt le minimum de consommation. L'alimentation générale est affecta sous 12 V continus. L'ensemble (Pl. VI) est étudié en vue de l'adjonction d' éauiDement de mesure de la hauteur des vagues (blocs an pointil du schéma). Les circuits déjà établis n'auront, de ce fait, uc modification à subir. Ils seront prêts à recevoir les blocs cor respondants. III.) Le capteur de mouvements verticaux (Pl.IV,f.5) écrue le 1) est un accéléromètre dont la partie sensible forme w tr@ formateur différentiel capable de fournir un signal corresponda à de très faibles valeurs d'accélération et sans atténuation de signaux de valeur constante et/ou de longue durée. Il est prévu pour la gamme de mesure de # 2 g et adaptable à d'autres valeur par variation de la masse de l'éauipage mobile. Le transformateur est construit à partir de deux pots an ferrite composés, chacun, de deux demi-pots identiques (Pl.IV e VIII, fig 201 F1 à F4). Les deux demi-pots F2 et F3 sont soli@ daires et constituent l'équipage mobile sensible aux accélérati@ Cet équipage est maintenu par deux lames de ressort (202, 203o autorisent les déplacements axiaux mais non les transversau::. L deux autres demi-pots sont fixes respectivement au suttort de l'appareil et renferment, chacun, un bobinage.Les groupes F1 e e F2 d'une Dart, F3 et F4 d'autre part, forment ainsi deux se identiaues en valeur Dour les mêmes entrefers (204 B1 et 32)- Sous l'effet d'une accélération axiale, l'inertie de l'é quipage mobile modifie les cotes d'entrefers. Quand les deux de pots F1 et F2 se rapprochent, les demi-pots F3 et F4 s'éloignen Dans ces conditions le self F1 - F2 augmente de valeur et, par@ lèlement, celle F3 - F4 diminue. Le signal de mesure résulte de la détection de ce déséquilibre. La réalisation de @et effe. s'obtient par un montage en pont équilibré. e ton de mesure est alimenté en courant soïdal à une fréquence de 5 KHz. Le choix de cette fréquence est consécutif aux faibles valeurs a self obtenues r en chamn magnétique ouvert. Le signal en courant alternatif sera transformé par redressement en courant continu proportionnel. Ce courant se arête au filtrage à fréquence élevée et, d'autre part, le constant de temps étant tolus faible, la réponse aux phénomènes ranimes est assurée. Comme résultat de ce montage, on obtient entre es bornes V1 et V2 (Pl. IX, fig.13.) une tension proportionnelle @ l'accélération, avec son signe de polarité. La tension sera positive pour une accélération au cours d'un déplacement de l'ensemble vers la crête d'une vague et négative tour le déplacement vers le creux. Seule, la composante verticale de l'accélération doit être perçue Dar le système et il est Dourvu à cette nécessite comme suit. Le capteur est monté sur un support cardan (205) comportant des masses d'équilibrage calibrées et réglées tour réaliser un équilibre troche de l'indifférence avec une légère surcna-r:ao assurant la verticalité de l'axe de l'appareil. Afin de compenser les effets dynamiques de cette faible surcharge lors des oscillation transversales, un -freinage aérodynamique aérofreins 4 voles (206) s'oppose aux déplacements parasites.D'autre part, tour prévenir l'oscillation sur la propre fréquence de l'équipage mobile lors des sollicitations brutales, un amortisseur pneumatique garnit l'extrêmité de l'axe. Il est réglé par "dash pot" en sorte que l'amortissement s'effectue à la valeur critique, c'est-à-@ire dans dépassement de la valeur de la mesure. Il semble utile de signaler ici les raisons qui ont rôvaiU tour la création d'un accéléromètre nouveau dont les principes de construction diffèrent radicalement de ceux des accéléromètres existant dans le commerce. En effet, ceux-ci comportent des incom- patibilités structurales avec le système de mesures à obtenir, incompatibilités de trois ordres a) impédance trop élevée, b) impropriété à traiter les basses fréquences, c) instabilité d'intensité des signaux non-instantanés. Le système fournit (Pl. IX, fig.12) deux tensions par rapport à la masse V1 et V2 - il convient donc d'obtenir une seule tension s'annulant à l'équilibre du pont. cette fin, on utilise des amplificateurs opérationnels suivant le schéma indiqué ci-dessus permettant d'obtenir @@@ tension V3 proportionnelle à l'accélération. Celle-ci étant la dérivée seconde des espaces par rapport au temps, il @ @ lieu de nrocéder à une intégration double tour que la tension soit prop@ tionnelle aux déplacements. Or, le choix des constantes d'intég@ tion et la limitation de la fidélité à 1% des valeurs crête te offrent la tossibilité de n'utiliser qu'un seul circuit dans un schéma comportant un amùlificateur oDérationnel avec un circ@ annexe de remise à zéro Dar décharge du condensateur intégrateu (Pl. IX, fig.13).La tension V4 est le signal de mesure effectif, mais il effectue aussi la mise à zéro de l'intégration et l'obt@ tion du signal annexe de détection de vague. A cet effet, il y lieu de réaliser de nouveaux circuits opérationnels (Pl.IX , fi@ 14.) Si la tension V4 était appliquée simultanément au: deux entrées + et - de A5, la tension V5 sortirait nulle. Par consé- quent, il est nécessaire que, sur l'entrée positive la tension soit retardée nar le circuit A6, le condensateur C et le circuii A7. La tension est donc décalée dans le temps tar la charge du condensateur C lorsque V@ évolue.Parallèlement, cette valeur e@ mémorisée (Pl. X , fig. 15). Dans ces conditions, tour des valez de gain très grandes de A5, la tension de sortie V5 change de s: gne au niveau des valeurs de crête de la houle, Permettant ains: d'obtenir 2 tops max. et min. qui seront utilisés à la fois tar le circuit intégrateur pour sa remise à zéro et tour le léclenc] ment des circuits logiques de mesure qui suivent (Pl. XI , fig. Le convertissement du signal analogique de sortie en val numérique est effectué par un registre à approximations success: ves monté en système bouclé. La valeur maximum de V4 est compar@ à la valeur de la tension fournie par le registre 12 bits (Pl. XIII). les valeurs binaires obtenues à l'équilibre des tensions sont disponibles à l'entrée du "D A C" selon le mode parallèle (entrées 1 à 12). La vitesse de conversion est d'env. 1 ms et d pend de la fréquence d'horloge. Tous les circuits sont réalisés en technologie C M O S fonctionnant à la fréquence limitée à 100 KHz afin de réduire la consommation d'énergie qui augmente avec la fréquence. Sur les 12 bits fournis par le système convertisseur, 10 seulement sont utilisés compte tenu de la précision exigée. On dispose d'un signal de 5 bits (direction) et d'un aut de 10 bits (hauteur) disponibles en mode parallèle et stoc@és dans des circuits "latch". Pour la transmission, il est nécessaire de sérialiser ces données et d@r incorporer des informetions de service selon un format utilisable à la réception, en particulier tar un microtrocesseur. En général, les entrées s'effectuent sur 15 bits.Il en résulte un format comprenant - 16 bits de codage de début de message - 5 bits de mesure (direction) comnarés à la réception - 1 bit d'espacement (S A P) 16 bits Dour validation - 10 bits de mesure (hauteur) - 16 bits de codage de fin de message 16 bits 5 bits 1 10 bits 16 bits Transmission du message Toutes ces données sont stockées dans une mémoire registre tampon qui, par l'intermédiaire d'un circuit U A R T (universel synchronous receiver and transmitter) sérialise les 48 bits du message sur ordre et à la cadence de la fréquence d'horloge (100 KHz). (Pi. XIII). Les valeurs digitales ainsi obtenues sont utilisées tar un modulateur F S K (déplacement de fréquence) d'où résulte un signai adapté à la transmission par un émetteur H F classique. Cet émetteur ne sera sous tension que durant la transmission des données, soit env. 100 ms. Par contre, le pilote est alimenté en permanence afin d'assurer la stabilité de la fréquence d'émission. L'alimentation générale s'effectue à partir de la bouée sous une tension de 12 volts continus (piles de 50 Ah). L'émetteur fonctionne dans la gamme de 30 à 40 MHz avec une puissance de 2 4, le fréquence restant à préciser. Le taux de modulation est d'au moins 90% afin d'assurer une parfaite efficacité d'émission. La sortie antenne s'effectue sur prise coaxiale. L'antenne fouet est du type quart d'onde, construite en fibre de verre. REVENDICATIONS 1 - Un appareillage pour exécuter automatiquement le > raitemena analytique et synthétique de trois variables : a) inclinaison d'un plan de surface marine ; b) azimut de cette inclinaison c) niveau d'élévation de 11 événement, caractérisé en ce que lie semble de l'appareillage et la source d'énergie qui l'alimente sont logés dans une bouée en forme de disque, conçue pour s'ada ter à tout moment à la surface changeante de la mer. 2 - Un appareillage selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'inclinaison est mesurée par le déplacement apparent d'une goutte de mercure (12) au fond d'une cuvette munie, à son fond, de paires de plots électriques, le passage de la goutte de merci re fermant un circuit lequel désigne l'angle de l'inclinaison. 3 - Un appareillage selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'azimut de l'inclinaison est déterminée par rapport au pôlc magnétique terrestre. 4 - Un appareillage selon la revendication 3 caractérisé en ce que deux aimants sont fixés en parallèle solidaires d'un c sot-:- monté sur pivot central, la position angulaire du disque étant ainsi fixe par rapport au Nord magnétique. 5 - Un appareillage selon la revendication 4 caractérisé en ce que 32 diodes infra-rouges sont positionnées en face de 32 photc transistors détecteurs de chaque côté du disque, une fente à la périphérie du disque n'autorisant l'éclairage que d'un seul phototransistor. 6 - Un appareillage selon la revendication 6 caractérisé en ce que la phototransistor éclairé, s'il est repéré à partir d'une référence angulaire, détermine l'écart angulaire entre la référence et le Nord magnétique, il étant suffisant, à cette fin, de compter le nombre de diodes entre la référence et la fente 7 - Un appareillage selon la revendication 6 caractérisé en ce que le résultat s'obtient en procédant à un balayage qui effectu l'interrogation successive des couples diodes IR - phototransss- tors. 8 - Un appareillage selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'ordre de balayage et de comptage est donné par le détectez d'inclinaison constitué par le disque (103) et par 32 con9acbs (152) solidaires de la platine supérieure, le disque fermant circuit (153) sur l'un des 32 contacts (152) sur ordre du capteur détectant une inclina son. 9 - Un appareillage selon les revendications 7 et 8 caractérisé en ce qu'il effectue l'élaboration électronique des signaux captés par l'outillage. 10 - Un appareillage selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'il effectue la transmission des signaux par voie hertzienne. Il - Un appareillage selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il exécute le traitement analytique et synthétique du niveau d'élévation d'un plan de surface marine et donc des mouvements verticaux de celui-ci. 12 - Un appareillage selon la revendication Il caractérisé en ce qu'il effectue l'élaboration électro-mécanique et électronique des signaux captés par l'élément d'outillage. 13 - Un appareillage selon la revendication 12 carattérlsé en ce qu'il effectue la transmission des signaux par voie hertzienne.