Brevet FR2571138A1 — publié le 19860404

Cette invention est relative à-un appareil de mesure du flux solaire incident, appelé Pyrhéliomètre. Ce type d'appareil est destiné à mesurer le flux solaire incident à l'aide d'une cellule de mesure photosensible appropriée, et montée mobile en rotation parallèlement à l'axe de la Terre pour viser le Soleil en mouvement apparent dans le ciel. Un pyrhéliomètre connu comprend un support muni, de manière analogue à certains téléscopes utilisés en astronomie, d'une monture équatoriale qui permet de régler l'inclinaison de la'axe de xn*ation d'un équipage mobile pour l'amener parallèlement à celui de la Terre. La cellule de mesure est montée sur cet équipage mobile qui est entrainé en rotation par un moteur d'azimut, suivant une vitesse angulaire de 150 par heure correspondant à celle de la course apparente du Soleil dans le ciel,cette cellule de mesure est en outre montée oscillante sur cet équipage dans un plan perpendiculaire à celui de rotation de l'équipage mobile pour permettre de lui donner une inclinaison, sur l'axe de ce dernier, égale à la déclinaison solaire.Le Pyrhéliomètre ainsi réglé, tourne de manière continue à l'aide du moteur d'azimut,la cellule de mesure étant pointée en direction du Soleil. Un tel agencement présente l'inconvenient de nécessiter l'intervention fréquente et périodique d'un opérateur pour d'une part, détortiller le câble qui provient de la cellule de mesure après que celle-ci à décrit plusieurs rotations, égales chacune à environ 24 heures de fonctionnement et d'autre part,réajuster le pointage de la cellule sur le Soleil c'est à dire, corriger l'inclinaison de cette dernière en fonction de la nouvelle déclinaison de l'astre qui évolue en permanence et eventuellement, s'assurer que le mouvement de-rotation de l'équipage mobile n'a pas pris d'avance ou de retard sur le Soleil. Pour réduire ces inconvénients un Pyrhéliomètre perfectionné comporte une horloge qui limite le fonctionnement du moteur d'azimut à une période de la journée allant de 2 heures à 24 heures (heure solaire), ce qui correspond à une rotation de 3000 degrés de la cellule de mesure pour la poursuite du soleil et évite ainsi la torsion excessive des câbles électriques. En outre, un dispositif de pointage sur le Soleil et un moteur de déclinaison sont prévus pour permettre au Pyrhéliomètre de rattraper des petits ecarts de pointage qui peuvent se produire pendant les périodes où le Soleil n'est pas visible. Ce dispositif de pointage du type à "quadricellule",d'axe parallèle à celui de la cellule de mesure,permet de réorienter correctement la cellule de mesure en agissant sur les moteurs d'azimut et de déclinaison. De tels perfectionnements permettent de réduire notablement la fréquence des interventions d'un opérateur, sans toutefois les supprimer réellement,dans la mesure où des interruptions de fonctionnement d'une durée suffisante pour induire une erreur de pointage supérieure à celle que le dispositif de pointage à quadricellule peut corriger (de l'ordre de 300) sont inévitables,car liées aux conditions météorologiques suseptibles d'occulter le Soleil. La présente invention vise donc à fournir un Pyrhéliomètre automatique et autonome qui ne nécessite à aucun moment l'intervention d'un opérateur pour assurer un fonction nement normal et qui penttte une maintenance aisée. A cet effet, l'invention a pour objet un Pyrhéliomètre comprenant un support équipé d'une monture équatoriale pour amener l'axe de rotation d'un équipage mobile parallèlement à celui de la Terre, un moteur d'azimut qui entraîne en rotation l'équipage mobile en synchronisme avec la course apparente du Soleil dans le ciel, l'équipage mobile comportant une quadricellule photosensible de pointage du Soleil, destinée à permettre de rattraper des écarts modérés du pointage sur le Soleil en azimut et en déclinaison solidaire d'une~cel- lule photosensible de mesure du flux solaire incident et d'axe parallèle à celui de cette dernière et un moteur de déclinai- son pour entraîner en rotation l'ensemble. formé par les cellules de polntages et de mesure dans un plan perpendiculaireitplan de rotation de l'équipage mobile sous la commande de la quadricellule de pointage, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de repérage du Soleil, relié à des moyens d'exploitation de signaux délivrés par le dispositif de repérage et la quadricellule de pointage et à des moyens de pilotage du moteur d'azimut. Ainsi, lors d'une interruption prolongée du fonctionnement du dispositif de pointage, par exemple, en raison de la présence de nuages. Le dispositif de pointage sur le Soleil permet une réorientation de la cellule de mesure en direction de ce dernier sans nécessiter l'intervention d'un opérateur. Suivant d'autres caractéristiques essentielles de l'invention - Le dispositif de repérage est statique - Le dispositif de repérage a un champ de vision de 3600 autour de l'équipage mobile - Le dispositif de repérage du soleil comprend au moins quatre cellules photosensibles disposées à peu prés régulièrement à la périphérie 'de l'équipage mobile dans un plan à peu près parallèle au plan de rotation de ce dernier. - Les moyens d'exploitation des signaux fournis par le dispositif de repérage et les moyens de pilotage du moteur d'azimut comprennent un microprocesseur. - La monture équatoriale comprend une articulation du type à rotule. - Le sommet du mat est équipé d'un dispositif de fixation rapide du support sur ce dernier. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d'une forme de réalisation particulièrement adaptée pour un fonctionnement autonome. Celle-ci étant donnée uniquement. à titre d'exemple et est faite en référence aux dessins annexés, sur- lesquels - la Fig. 1 est une vue schématique en élévation d'un Pyrhéliomètre conforme à la présente invention - la Fig. 2 est une vue schématique, de côté avec arrachement partiel, à plus grande échelle, montrant les organes essentiels de la partie supérieure du Pyrhéliomètre de la Fig. 1 - la Fig. 3 est une vue partielle de dessus d'un pyrhéliomètre suivant l'invention, une partie du capotage supérieur étant découpée ; et - la Fig. 4 est une vue éclatée schématique montrant le dispositif de fixation rapide du support sur le mât. Le pyrhéliomètre représente aux Fig. 1 et 2 est disposé au sommet d'un mât 1 d'une hauteur de l'ordre de 3 mètres afin de préserver les éléments de mesures-, situés dans la partie supérieur, des présences perturbatrices tel qu'un homme ou un animal passant à proximité de l'appareil. Le mât 1 rigidement fixé au sol est renforcé à sa base par des ferrures 1a Le pyrhéliomètre proprement dit comprend un support 2 dont une partie cylindrique 2a se raccorde sur le mât 1 et une autre partie 2b de forme tronconique, limitée par une extrémité inclinée, revoit les organes du pyrhéliomètre qui sont enfermés dans deux capotages distincts sous la forme d'une sphère inférieure tronquée 3a portée par le support 2 et d'une sphère supérieure tronquée 3b, disposée sur le capotage inférieur 3a, les plans de troncature des deux capotages 3a, 3b étant en regard l'un de l'autre. Par ailleurs, un dispositif de fixation rapide est prévu pour fixer le support 2 au sommet du mât 1. Ce dispositif comprend plusieurs rainures 4 formées dans la direction axiale du mât 1 sur la périphérie d'une partie sommitale chamfreinée lb de section réduite (Fig. 4). Les rainures axiales 4 débouchent dans une gorge annulaire 5 munie d'un gradin annulaire 6.De plus, des ergots 7 sont prévus sur la périphérie intérieure du support 2 au voisinage de l'ex trémité de la partie cylindrique 2a de celui-ci, opposée à la partie tronconique 2b et sont disposées en regard de chaque rainure axiale 4 pour les traverser et pénétrer ainsi dans la gorge annulaire 5 où, après rotation du support 2 sur le mât 1, un des ergots 7 vient en contact avec une butée 8 en saillie sur la gorge annulaire 5 Le support 2 étant en place sur le mât 1, l'extrémité correspondante dudit support 2 repose sur le rebord de la gorge annulaire 5 adjacent au gradin 6 et une vis 7 a de blocage qui traverse le support 2 et pénétre dans un trou fileté 8a formé sur le gradin 6 solidarise l'ensemble.Une marque 8b de repère est, en outre prévue sur le mât 1 pour positionner la vis 7a de blocage an regard du trou fileté sa. Le raccordement des deux capotages 3a, 3b est réalisé de manière étanche à l'aide d'un joint labyrinthe 11. La capotage inférieur 3a enferme un moteur d azi mut 9 pas à pas associé à un réducteur 10 muni d'un arbre de sortie 14 et piloté par une horloge (non représentée), églés sur 1 heure solaire En n outre un manchon 12 cannelé intérieurement qui supporte un équipage mobile 13, contenu dans le capotage supérieur 3b traverse le joint labyrinthe @ @@ @on centre en étant solidaire dudit capotage supérieur @b mais non fixé au capotage inférieur 3a pour recevoir l'arbre de sortie 14 cannelé du réducteur 10. L'équipage mobile 13 et le capotage supérieur 3b sont ainsi calés en rotation @vec l'arbre 14.Par ailleurs, l'alimentation électrique et la sortie mesure des organes de l'équipage mobile 13 sont assurées par un câble 15 enroulé autour du manchon 12 de sortie du réducteur 10 dans un plan parallèle aux troncatures des s capotages 3a. 3b et enfermé dans le joint labyrinthe il Une telle disposition évite 1 'emploi d'un collecteur tournant coûteux tout en offrant une bonne fiabilité sans entretien pour une rotation de 1 ordre de 300 degrés tel que cela sera @plicité dans la suite. De plus pour réduire les risques de blocage de la rotation du capotage supérieur 3b par exemple , par la glace il est prévu des moyens de réglage du jeu existant entre les deux capotages 3a, 3b. Ces moyens comprennent une vis 16 qui traverse le manchon 12 en alignement et an regard de laxe 14 de sortie du réducteur 10. La partie de la vis 16 qui pénètre alors dans le manchon 12 prend appui sur l'arbre 14 et soulève ainsi le capotage supérieur 3b pour ménager un espace entre ce dernier et le capotage inférieur 3a, un écrou 17 permettant de bloquer la vis 16 dans une position déterminée. Ces moyens permettent de faire varier le jeu par exemple, entre 2 et 7mm en fonction des conditions météorologiques. Le support 2 est équipé d'une monture équatoriale du type à rotule qui est destinée à amener l'axe de rotation de l'équipage mobile 13 parallèlement à celui de la terre. Cette monture comprend une cavité sphérique 18 formée à l'extrémité de la partie tronconique 2b du support 2 avec un rayon de courbure correspondant à celui de capotage inférieur 3a dont une partie formant calotte sphérique est montée à rotation dans cette cavité 18. Le réglage de la latitude et donc, la position relative du capotage inférieur 3a par rapport au support 2 est effectué par l'intermédiare de deux boulons 19 qui font saillie dans la cavité sphérique 18 et pénétrent chacun dans une ouverture 15a oblongue formée dans la partie sensiblement diamétralement opposée à la troncature du capotage inférieur 3a. Une échelle graduée (non représentée) disposée sur ce dernier permet par lecture directe de régler l'inclinaison du capotage inférieur 3a en fonction de la latitude locale. L'équipage mobile 13 (Fig. 3) comprend un boîtier 20 contenant divers dispositifs électroniques et un moteur de déclinaison ou de site 21 pas à pas qui par l'interdédiaire d'un réducteur 21a entraîne en rotation dans un plan perpendiculaire au plan de rotation de l'équipage mobile 13, une cellule de mesure 22 et une quadricellule de pointage 23 cylindriques et photosensibles,disposées en regard d'une fenêtre 24 découpée dans le capotage supérieur 3b. La cellule de mesure 22, entraînée en rotation par un axe du réducteur 21a, du moteur de déclinaison 21 porte à son extrémité adjacente à la fenêtre 24, une plaque 25 emmanchée sur elle au moyen d'une ouverture centrale afin de limiter l'espace libre de la fenêtre 24. La cellule de mesure 22 peut comprendre, par exemple,une chermopile qui, de manière connue en soi, délivre un courant électrique proportionnellement au flux de certaines radiations. La quadricellule de pointage 23 est disposée sur la cellule de mesure 22 au moyen d'une tige support de telle façon que son axe soit parallèle à celui de la cellule de mesure 22. Cette quadricellule de pointage 23 peut-être du type à photodiodes disposées en croix dans l'ombre projetée d'un cache carré, cet agencement qui est connu en soi ne sera pas décrit en détail dans la suite. Conformément à l'invention il est prévu, un dispositif de repérage statique du Soleil comprenant quatre cellules photosensibles 27 disposées respectivement à 60, 140, 220 et 300 degrés à partir de l'axe de la cellule de mesure 22,sur la périphérie du capotage supérieur 34 dans un plan à peu prés parallèle au plan de rotation de l'équipage mobile 13, passant par le centre de l'ouverture de la cellule de mesure 22. Ces cellules de repérage 27 qui comportent chacune une photodiode de type connu ont un champ de vision d'une ouverture d'environ 120 degrés, ce qui leur permet en combinaison d'assurer le repérage du Soleil sur 360 degrés autour de l'équipage mobile 13. Le dispositif de repérage est en outre relié à un microprocesseur (non représenté) qui exploite les signaux issus de ce dispositif et pilote le moteur d'azimut 9. Par ailleurs, des commandes manuelles 28, 29 des organes du pyrhéliomètre sont respectivement prévues au niveau des capotages supérieur 3a et inférieur 3b et sont isolées de l'environnement extérieur par des trappes, respectivement 28a, 29-a. De plus pour évacuer l'eau qui pénétre par la fenê- tre 24 dans le capotage supérieur 3b, des ouvertures 30 sont ménagées à la périphérie du j-oint labyrinthe 11,l'étanchéité des différents organes du pyrhéliomètre étant assurée au niveau de chacun de ceux-ci sous la forme de couvercles et de connecteurs étanches pour les organes électriques et de Joints d'étanchéité pour les organes mécaniques. Enfin, le mât 1 comprend à mi-hauteur un compartiment (non représenté) accessible par l'intermédiaire d'un volet 31 (Fig. 1). Ce compartiment est destiné à contenir des accumulateurs, par exemple, du type cadmium-nickel qui sont alimentés par des cellules photovoltaiques (non- représentées) elles-mêmes incorporées au mât 1. Un autre compartiment (non représenté) contient un appareil d'acquisition et d'enregistrement des mesures. A cet effet , un câble 32 d'alimentation électrique et de signal de mesure part de ces compartiments et s'étend à l'intérieur du mât 7 pour être relié aux organes inclus dans les capotages 3a, 3b.Ce câble 32 est visible à la Fig 4 au niveau de son connecteur 33 qui permet l'enlèvement du support 2. Le fonctionnement normal de pyrhXliomdtre est semblable à celui d'un pyrhéliomètre classique équipé d'une quatricellule de pointage et d'un cellule de mesure. Ainsi à 2 heures (heure solaire) du matin la poursuite du Soleil par l'équipage mobile 13 est déclenchée par l'horloge à partir d'un contact fin de-couse"matin". De 2 heures à 22 heures (heure solaire), la cellule de mesure 22 est entrat- née en rotation sur 3000 par le moteur d'azimut 9 en direction du Soleil à raison de 15 degrés par heure .Au cours de cette poursuite, une erreur modérée de pointage (jusqu'à environ 30 ) active la quadricellule de pointage 23 qui de façon connue en soi .agit sur les moteurs d'azimut 9 et de déclinaison 21. pour corriger cette erreur en resynchronisant simultanément l'horloge. Si le pointage est correct, un contact fin de course "soir" est activé à 22 heures solaire pour arrêter le mouvement de l'équipage mobile et 3 heures 45mn plus tard, l'horloge déclenche un mouvement de retour rapide vers le contact fin de course "matinal pour qu'un nouveau cycle de poursuite débute à 2 heures solaire. En cours de poursuite du Soleil le microprocesseur reçoit les signaux des cellules de mesures 22, de pointage 23 et de repérage 27 de même que les informations relatives à l'état des deux contacts de fin de course "matin" et "soir" Toutefois, ce microprocesseur est amené, en cas d'absence de signaux- en provenance de la quadricellule de pointage 23 à exploiter les seuls signaux des cellules de repérage 27. Il pilote alors le moteur d'azimut 9 de façon à orienter l'équipage mobile 13 sensiblement en direction du Soleil et donc à peu près dans l'orientation occupée précédemment par la cellule de repérage 27 la plus éclairée,pour que la quadricellule de pointage 23 fournisse à nouveau un signal et permette d'achever la réorientation précise de la cellule de mesure 22.Dans le cas ou aucune cellule de repérage 27 ne délivre un signal en raison de l'absence du Soleil, le microprocesseur pilote le moteur d'azimut 9 à la vitesse de 15 /heure pour entraîner l'équipage mobile 13 jusqu'au déclenchement de contact fin de course "soir"lhorloge est alors rasynchronisée .au cours de la journée suivante. Ainsi, seuls les arrêts prolongés dus à des incidents graves obligent l'opérateur à intervenix-pour remettre le pyrhéliomètre en position de mesure. Après une interruption momentanée due, par exemple,à la présence- de nuages, les cellules de repérage assurent un réglage automatique qui provoque le redémarrage. Les perfectionnements apportés à ce pyrhéliomètre permettent donc avantageusement dJobtenir sur des durées prolongées, des enregistrements continus destinés à constituer des statistiques solaires, avec un fonctionnement entièrement automatique et autonome qui ne nécessite qu'une visite périodique d'un opérateur pour récupérer les informations enregistrées et pour renouveler leur support. En variante, une resistance chauffante contrôlée par un thermostat est disposée sur la partie fixe au voisinage du plan de raccordement entre les deux capotages , afin d'éviter les problèmes de blocage dus au gel. REVENDICATIONS 1- Pyrhéliomètre comprenant un support (2) équipé d'une monture équatoriale pour amener l'axe de rotation d'un équipage mobile (13) parallèlement à celui de la Terre, un moteur d'azimut (9) qui entraîne en rotation l'équipage mobile (13) en synchronisme avec la course apparente du Soleil dans le ciel, l'équipage mobile (13) comportant une quadricellule photosensible de pointage (23) du Soleil, destinée à permettre de rattraper des écarts modérés du pointage sur le Soleil en azimut et en déclinaison,solidaire d'une cellule photosensible de mesure (22) du flux solaire incident et d'axe parallèle à celui de cette dernière, et un moteur de déclinaison (21) pour entraîner en rotation l'ensemble formé par les cellules de pointage (23 > et de mesure (22) dans un plan perpendiculaire au plan de rotation de l'équipé page mobile (13) sous la commande de la quadricellule de pointage (22), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de repérage (27) du Soleil, relié à des moyens d'exploitation de signaux délivrés par le dispositif de repérage et la quadricellule de pointage et à des moyens de pilotage du moteur d'azimut(9). 2 - Pyrliéliomère suivant la revendication 1,caractérisé en ce que le dispositif de repérage (27 > est statique. 3- Pyrhéliomètre suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif de repérage (27) a un champ de vision de 3600 autour de l'équipage mobile (13). 4 - Pyrhéliomètre suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3,caractérisé en ce que le dispositif de repérage du Soleil comprend au moins quatre cellules (27) photosensibles disposées à peu près régulièrement à la périphérie de l'équipage mobile (13) dans un plan à peu près parallèle au plen de rotation de de dernier. 5 - Pyrhéliomètre suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'exploitation des signaux fournit par le dispositif de repérage (27) et les moyens de pilotage du moteur d'azimut (9) comprennent un microprocesseur. 6 - Pyrhéliomètre suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la monture équatoriale comprend une articulation du type à rotule. 7 - Pyrhéliomètre suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur d'azimut (9) et l'équipage mobile (13) sont disposés chacun dans un capotage (3a, 3b) présentant au moins une face plane, ces faces étant disposées en regard l'une de l'autre pour définir un plan de rotation, le dispositif de repérage (27) étant porté par le capotage (3b) de l'équipage mobile. 8 - Pyrhéliomètre suivant les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la monture équatoriale comprend une cavité sphérique (18) du support (2) dans laquelle est montée à rotation une partie du capotage inférieur 130) formant calotte sphérique. 9 - pyrhéliomètre suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le réglage de la monture équatoriale est effectué par l'intermédiaire debcolons (19) qui traversent la cavité sphérique (18) et le capotage infdrieur (3a), des ouvertures oblongues (19a) traversées par les boulons étant ménagées à travers la cavité sphérique ou le capotage inférieur. 10 - Pyrhéliomètre suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le passage de l'alimentation électrique et de la sortie mesure, de part et d'autre du plan de rotation de l'équipage mobile est assuré par un câble (15-) enroulé autour de 11 axe de rotation de l'équipage mobile. 11 - Pyrhéliomètre suivant la revendication 10 dépendant de l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le câble d'alimentation électrique et de sortie mesure est enfermé dans un joint labyrinthe (11) qui assure le raccordement étanche des deux capotages. 12 - Pyrhéliomètre suivant l'une quelconque des re vendications précédentes,caractérisé ce ce que le support (2) est fixé au sommet d'un mât (1). 13 - Phyrhéliomètre suivant la revendication 12, caractérisé en ce que le sommet du mât (1) est équipé d'un dispositif de fixation rapide (4, 5, 6, 7, 8) du support sur ce dernier. 14 - Pyrhéliomètre suivant la revendication 13, caractérisé en ce que le dispositif de fixation rapide comprend plusieurs rainures (4) formées dans la direction axiale du mât sur la périphérie d'une partie sommitale .(lb) de section réduite, ces rainures débouchant dans une gorge annulaire (5), des ergots (7) formessur la périphérie intérieure de support au voisinage de son extrémité adjacente au mât, disposés pour traverser les rainures axiales et au moins une butée (8) en saillie sur la gorge annulaire pour coopérer avec au moins un des ergots. 15 - Pyrhéliomètre suivant l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que le mat comprend au moins un compartiment destiné à contenir des appareils d'acquisition et d'enregistrement des mesures ainsi que des batteries d'accumulateurs. 16 - Pyrhéliomètre suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qutil est prévu des moyens de réglage du jeu (16, 17) existant entre la partie mobile en rotation azimutale et la partie fixe 17 - Pyrhéliomètre suivant la revendication 16, caractérisé en ce que les moyens de réglage du jeu comprennent une vis solidaire de l'équipage mobile qui prend appui sur l'extrémité d'un arbre (14) entraîné par le moteur d'azimut (9). 18 - Pyrhéliomètre suivant l'une quelconque des revendications 7 à 17, caractérisé en ce qu'une resistance chauffante contrôlée par une thermostat, est disposée au voisinage du plande raccordement de la partie mobile en rotation azimutale sur la partie fixe.