Brevet FR2538119A1 — publié le 19840622

Anémomètre à sortie analogique adaptable à la mesure de la pression dynamique et de la puissance du vent La présente invention concerne les anémomètres à sortie analogique comprenant un moulinet porté par un arbre et un capteur ayant un organe d'entrée couplé à l'arbre et fournissant un signal électrique analogique fonction de la vitesse du moulinet. On connaît déjà de nombreux anémomètres de ce type destinés à mesurer la vitesse du vent. Le moulinet, constitué par une hélice dont l'axe horizontal est orientable par une girouette ou par un jeu de coupes hémisphériques portées par un axe vertical, entraîne un capteur de vitesse, en général constitué par un alternateur ou une génératrice à courant continu. Ces appareils présentent des frottements solides importants et il faut en particulier noter que le couple antagoniste exercé par le capteur conduit à utiliser des paliers ayant des frottements solides notables. En conséquence, les appareils connus à l'heure actuelle présentent des frottements solides et souvent un seuil de détection nuisibles a la précision de la mesure. On peut également noter qu'il existe des anémomètres à disque codeur qui occulte un faisceau lumineux. Ces anémomètres ont l'avantage de frottements réduits, mais exigent un traitement numérique du signal relativement coûteux, puisque les circuits d'utilisation doivent comporter une horloge et un organe de calcul, tel qu'un microprocesseur. La présente invention vise à fournir un anémomètre répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il ne présente que des frottements solides très réduits et n'emprunte pas au vent lui-même l'énergie nécessaire à son fonctionnement. Dans ce but, l'invention propose notamment un anémomètre du type ci-dessus défini dont le capteur est à très faibles frottements, fournissant un signal de sortie proportionnel au déplacement dudit organe d'entrée qui est couplé à l'arbre par un dispositif de transformation de vitesse en déviation angulaire proportionnelle à cette vitesse, sans frottements solides. Le capteur,a excursion limitée, a alors pour rôle de transformer l'information mécanique donnée par ledit dispositif en information électrique. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, le capteur analogique est constitué par un capteur angulaire capacitif dont l'organe d'entrée est couplé à l'arbre par un coupleur d'entraînement par courants de Foucault dont l'élément menant est solidaire du moulinet et dont l'élément mené est rappelé vers une position de repos par des moyens élastiques fournissant un couple de rappel proportionnel à la déviation. Les capteurs capacitifs ont l'avantage d'avoir une caractéristique tension/déplacement qui est linéaire et dépourvue de seuil. Le coupleur à entraînement par courants de Foucault permet de transformer la vitesse du moulinet en une déviation angulaire proportionnelle à cette vitesse. I1 peut être réalisé de façon très simple sous forme d'un disque ou cylindre circulant dans l'entrefer d'aimants permanents portés par l'élément mené, équipé des moyens élastiques de rappel. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le capteur analogique, encore capacitif, n'est Das limité dans sa course angulaire et il est associé à un générateur haute fréquence de façon à fournir, lors de sa rotation, un signal répétitif ; un circuit différentiateur et redresseur permet d'obtenir, à partir de ce signal répétitif, un signal analogique directement représentatif de la vitesse. Dans un mode particulièrement avantageux d'exécution de l'invention, l'anémomètre est muni de circuits permettant de fournir non seulement un signal analogique représentatif de la vitesse, mais aussi un signal représentatif de la pression dynamique et/ou un signal représentatif de la puissance du vent. Pour cela, l'anémomètre utilise le fait que la pression dynamique du vent est proportionnelle au carré de la vitesse, tandis que la puissance P récupérable dans une veine d'air en mouvement est donnée par la formule de Betz P = 0,37 S x V3 S étant la surface d'action et V la vitesse du vent. En utilisant trois capteurs disposés en.cascade, le signal de sortie de chaque capteur étant appliqué comme signal d'entrée au capteur placé immédiatement en aval, on peut obtenir finalement un signal de sortie proportionnel au cube de la vitesse de rotation du moulinet, elle-même proportionnelle à la vitesse du vent et, donc, disposer directement d'un signal analogique représentatif de la puissance. Une autre solution consiste à utiliser un capteur unique associé à deux multiplieurs en cascade permettant de porter le signal an carré,-puis au cube. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels. - la Figure 1 est un schéma de principe en élévation, montrant une constitution possible des parties mécaniques de l'anémomètre, - la Figure 2 est une vue éclatée en perspective mon-- trant les composants du capteur capacitif ; - la Figure 3 est un schéma synoptique.montrant une constitution possible d'un circuit associé au capteur pour fournir des signaux représentatifs de la vitess ,e de la pression dynamique et de la puissance du vent - la Figure 4 est un schéma de la partie du circuit de la Figure 3 destinée à fournir un signal représentatif de la vitesse du vent - la Figure 5 est un synoptique montrant un circuit destiné à être associé à une partie mécanique a trois capteurs pour fournir un signal de sortie représentatif de la puissance du vent - la Figure 6 est un schéma représentant une consti tution possible de certains composants du circuit de la Figure 5 ; - la Figure 7 est un schéma montrant une constitution possible d'un circuit fournissant la vitesse du vent à partir d'un capteur capacitif dont la course n'est pas limitée ; - la Figure 8 est un schéma montrant l'allure des signaux qui apparaissent aux points A et B de la Figure 7. L'anémomètre dont le schéma de principe est donné en Figure 1 comporte un moulinet 10 de type Robinson à trois coupes hémisphériques 11 portées par un axe 12 tournant dans des roulements à faibles frottements. A cet axe 12, placé verticalement, est fixé un disque 13 en matériau conducteur non magnétique, typiquement en aluminium. Ce disque tourne-dans un équipage 15 libre en rotation autour du même axe que le moulinet. Cet équipage comprend une enveloppe dans laquelle sont placés des aimants 14 dont les armatures enserrent sans contact le disque 13. Les frottements solides qui s'opposent à la rotation de l'équipage 15 doivent être aussi réduits que possible. Pour cette raison l'équipage, qui peut être très léger et qui n'a pas à transmettre u-n couple (contrairement aux capteurs inductifs), est monté sur des paliers de type horlogerie. On a représenté schématiquement un tel palier 16 porté par une embase 17 et constitué par une crapaudine à rubis d'appui, sur laquelle porte la partie terminale conique d'une tige 18 appartenant à l'équipage. L'équipage 15 est muni d'un dispositif de rappel élastique dans une position de repos, correspondant à un signal nul. Dans le mode de réalisation illustré sur la Figure 1, le dispositif de rappel comporte une poulie memante 19 solidaire de la tige 18, un arbre de torsion 20 qui porte un secteur de poulie 21, et un brin souple enroulé sur la poulie 19 et s'enroulant plus ou moins sur le secteur 21 suivantl'élongation angulaire de l'équipage à partir du repos. Le capteur 25 de l'anémomètre, de type capacitif, comprend un rotor 26 fixé à la tige 18, encadré par deux électrodes statoriques 23 et 24 solidaires de l'embase 17. Comme le montre la Figure 2, les deux stators présentent deux secteurs de 1800 séparés l'un de l'autre par une bande isolante, la bande de l'électrode 23 étant à 90" de celle de l'électrode 24. Le rotor 22 porte de son côté deux secteurs conducteurs de 90" qui, en position de repos, sont disposés symétriquement par rapport aux bandes isolantes. On constitue ainsi un capteur capacitif présentant une plage de mesure de 450. L'électronique associée au capteur 21 peut être placée dans l'embase 17. Cette électronique peut avoir la constitution montrée en Figure 3 et comporter un oscillateur HF 27 dont la tension de sortie est appliquée à l'électrode 23 (Figure 2). La sortie du capteur, prélevée sur l'électrode 24, est appliquée à un amplificateur 28 accordé sur la fr- quence de l'oscillateur. Le signal de sortie amplifié fourni par l'amplificateur est appliqué à un détecteur synchrone 29 qui fournit le signal de sortie Vs1. La Figure 4 montre une constitution possible de l'oscillateur 27, de l'amplificateur 28 et du détecteur synchrone 29. L'oscillateur 19 est de type classique. Il peut être prévu pour fournir une tension de sortie de 50 V de crête à crête, à une fréquence de l'ordre de 300 kHz. Le signal de sortie de cet oscillateur est appliqué en tant que tension d'entrée Ve à l'électrode 23. Il est également appliqué, en tant que signal de référence de phase, au détecteur synchrone 29, de constitution également classique, couplé par transformateur à l'amplificateur 28 à deux transistors, qui reçoit le signal Vs prélevé sur l'électrode 24.La tension de sortie Vs1 du détecteur synchrone est prélevée entre le point milieu du transformateur et le point commun de deux transistors à effet de champ du type commutation qui reçoivent sur leurs grilles le signal de référence de l'oscillateur (alternances négatives de la détection). Ce signal de sortie Vs1 peut être appliqué à deux circuits multiplicateurs analogiques 30 et 31 placés en cascade, destinés à porter respectivement au carré et au cube la tension de sortie Vs1 de façon à disposer d'un signal de sortie Vs2 représentatif de la pression dynamique et d'un signal Vs3 représentatif de la puissance. Ce signal Vs3, variable avec la vitesse du vent, peut être appliqué à un circuit d'intégration de façon à déterminer l'énergie qu'il est possible d'extraire de la force du vent sur un intervalle de temps déterminé ou la valeur moyenne de la puissance. Dans la variante de réalisation schématisée en Figure 5, l'équipage mobile 15 porte trois disques rotoriques 26a, 26b et 26c appartenant à trois capteurs qui sont disposés en cascade. Ces trois capteurs ont la même caractéristique de réponse : lorsqu'ils sont attaqués par une tension d'entrée haute fréquence d'amplitude constante, de la forme vO sin wt, ils fournissent une tension de sortie v = vO ka sinti > t (a étant l'angle de rotation et k une constante). Les trois capteurs sont montés en cascade, le signal de sortie du premier excitant le second et le signal de sortie du second excitant le troisième.Dans ce cas, on disposera, à la sortie du troisième capteur, d'une tension v3 = vO k a3 sin t qu'il suffira de détecter et de filtrer pour obtenir un signal de sortie proportionnel à la puissance, débarrassé de la porteuse. L'électronique associée aux capteurs 25a, 25b et 25c peut avoir la constitution montrée en figure 6. L'oscillateur 27, identique à celui montré en Figure 4, attaque le capteur 25a dont le signal de sortie est appliqué à un premier amplificateur 28a, de constitution similaire à celle du capteur 28 de la Figure 4. Le signal de sortie de l'amplificateur 28a est appliqué au second capteur 25b, puis amplifié de nouveau par un amplificateur 28b identique à l'amplificateur 28a. Le signal de sortie de l'amplificateur 28b est enfin appliqué au capteur 25c qui attaque l'amplificateur final 28c identique aux deux précédents et suivi d'un détecteur synchrone ou non 29 muni d'un filtre LC de sortie. Des détecteurs similaires peuvent être prévus en 29a et 29b pour disposer également d'une indication de vitesse et de pression dynamique (Figure 5). Le dispositif suivant l'invention est susceptible de nombreuses variantes et de nombreux compléments. En particulier, on peut ajouter au redresseur 29c un dispositif d'intégration comportant un convertisseur tension/fréquence et un compteur de totalisation des impulsions recueillies, compteur qui fournit l'énergie extractible du vent sur une période donnée. Dans une autre variante encore, le capteur capacitif, qui a la constitution montrée en figure 2, est couplé au moulinet 10 sans interposition d'un dispositif de transformation de vitesse en déviation angulaire. L'électronique destinée à fournir le signal analogique de sortie doit alors comprendre, en aval du circuit de la figure 3, un diffé- rentiateur et un redresseur. La Figure 7 montre, à titre d'exemple, un ensemble comprenant un filtre d'entrée 32 à selfs et capacité qui reçoit le signal de sortie Vs1. Ce filtre attaque un différentiateur classique 33 à un transistor en signaux triangulaires montré sur la première ligne de la Figure 8, dont la période dépend de la vitesse du rotor 26. Les signaux carrés de sortie du différentiateur (seconde ligne de la Figure 8) attaquent à leur tour un redresseur doubleur 34 qui fournit le signal de sortie Sà un appareil de mesure ou d'enregistrement. Le signal de sortie peut également être porté au carré ou au cube par un ou des multiplieurs, comme déjà indiqué. REVENDICATIONS 1. Anémomètre a sortie analogique, comprenant un moulinet (10) porté par un arbre et un capteur (25) ayant un organe d'entrée couplé à l'arbre et fournissant un signal él-ectrique analogique représentatif de la vitesse du moulinet, caractérisé en ce que le capteur (25) est d'un type à très faible frottement fournissant un signal de sortie proportionnel au déplacement dudit organe d'entrée qui est couplé à l'arbre par un dispositif (13-21) de transformation de vitesse en déviation angulaire, sans frottement solide. 2. Anémomètre à sortie analogique, comprenant un moulinet (10) porté par un arbre et un capteur (25) ayant un organe d'entrée couplé à l'arbre et fournissant un signal électrique analogique représentatif de la vitesse du mouli- net, caractérisé en ce que le capteur est constitué par un capteur analogique, angulaire, de type capacitif dont l'organe d'entrée est couplé a l'arbre par un coupleur à entraînement par courants de Foucault dont l'élément menant (13) est solidaire du moulinet (10) et l'élément mené (14) est rappelé vers une position de repos par des moyens élastiques (20) fournissant un couple de rappel proportionnel à la déviation. 3. Anémomètre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit d'élaboration d'un signal représentatif de la vitesse, de la pression dynamique et de la puissance du vent, comprenant un oscillateur (27) pour appliquer au capteur une tension d'excitation haute fréquence et un circuit analogique (29, 30, 31) pour porter au carré, et éventuellement au cube, le signal représentatif de la vitesse et pour éliminer la porteuse haute fréquence. 4. Anémomètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit circuit analogique comprend un détecteur synchrone (29) pour fournir, à partir du signal de sortie du capteur, une tension de sortie proportionnelle -a la vitesse et au moins un circuit multiplicateur de ladite tension (30, 31). 5. Anémomètre selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte trois capteurs identiques (25a, 25b, 25c) et en ce que ledit circuit analogique applique le signal de sortie du premier capteur à l'entrée du second, le signal de sortie du second capteur à l'entrée du troisième et le signal de sortie du troisième à un détecteur d'élimination de la porteuse haute fréquence. 6. Anémomètre à sortie analogique, comprenant un moulinet (10) porté par un arbre et un capteur (25) ayant un organe d'entrée couplé à l'arbre et fournissant un signal électrique analogique représentatif de la vitesse du mouli -net, caractérisé en ce que le capteur est constitué par un capteur analogique, angulaire, de type capacitif dont l'organe d'entrée est couplé à l'arbre, ledit capteur étant associé à un générateur haute fréquence de façon à fournir lors de sa rotation un signal répétitif à un circuit différentiateur et redresseur capable de fournir, partir du signal répétitif, un signal analogique représentatif de la vitesse du vent.