Brevet FR2751413A1 — publié le 19980123

La présente invention concerne les engins flottants se déplaçant sur ou dans l'eau, en particulier les bateaux et les planches à voile. Elle se rapporte plus particulièrement mais non exclusivement à la mesure de la vitesse de déplacement de tels engins. Traditionnellement, la mesure de la vitesse relative d'un fluide par rapport à un engin en immersion totale ou partielle dans ce fluide est effectuée par des systèmes mécaniques mobiles dont le mouvement est déterminé par la vitesse relative du fluide par rapport à un capteur tel qu'une roue à aubes, une hélice ou autre. Les caractéristiques de tels capteurs connus sont généralement fortement altérées par la corrosion entraînée par l'immersion prolongée du capteur dans le milieu sujet à la mesure et l'usure mécanique des pièces en mouvement, ce qui entraîne une dégradation de la précision des mesures dans le temps. Certains dispositifs thermiques sont utilisés pour mesurer les vitesses relatives fluide-capteur. De tels dispositifs mettent généralement en oeuvre deux capteurs de température dont l'un n'a pour fonction que de saisir l'information de température du fluide, l'autre capteur étant chauffé électriquement, généralement par l'intermédiaire d'un pont de résistances figeant la résistance du capteur. La mesure de la vitesse est assurée par la mesure de l'énergie nécessaire pour garantir l'équilibre thermique pour une résistance donnée. On connaît diverses variantes de dispositifs de mesure fonctionnant sur ce principe. L'énergie peut être figée et le calcul de la vitesse se fait par mesure de la résistance du capteur. Ces dispositifs mettant en oeuvre un seul et même procédé, présentent toutefois certains inconvénients. La consommation d'énergie constitue généralement un problème pour embarquer de tels dispositifs sur des engins n'ayant que peu d'autonomie énergétique. De tels dispositifs nécessitent toujours l'utilisation d'un capteur de référence de température qui doit être rendu insensible à la vitesse du fluide, ce qui entralne des exigences techniques supplémentaires telles que l'immobilité du capteur de référence par rapport au fluide et/ou température identique du capteur et du fluide. Des dispositifs plus efficaces ont été développés et comprennent une alimentation à découpage du capteur de température, garantissant de la même manière que précédemment, un équilibre thermique. Un bouclage rétroactif module la commutation en largeur d'impulsions et la détermination de la vitesse est obtenue par conversion fréquence-tension. Des dispositifs fonctionnant selon cette technique ont été réalisés sous la forme de circuits intégrés sur une seule puce dits "monochip" incluant l'ensemble des moyens de traitement analogique et numérique. Cependant, de tels dispositifs ne sont pas affranchis de l'utilisation d'une sonde de référence et énergie nécessaire à l'alimentation du capteur utilisé à cet effet n'est pas limitée. Des dispositifs plus performants mettent en oeuvre une analyse de l'évolution d'une caractéristique physique d'un capteur porté à une température différente de celle du fluide avec lequel il échange de l'énergie. Cette technique décrite notamment dans la demande WO 92/01940 est plus difficilement maîtrisée de manière théorique et beaucoup moins utilisée. L'invention vise à créer un dispositif de mesure perfectionné qui mette précisément en oeuvre la technique précitée de l'utilisation d'un capteur porté à une tempé rature différente de celle du fluide dans lequel doit avoir lieu la mesure. Elle a donc pour objet un dispositif de mesure de la vitesse relative d'un fluide et d'un corps plongé dans celui-ci, comprenant un capteur de température monté dans le corps en contact avec le fluide et comprenant une thermistance et un élément chauffant de celle-ci, des moyens d'alimentation de l'élément chauffant en énergie électrique, des moyens de mesure de la valeur de la thermistance à des intervalles de temps déterminés et des moyens de calcul de la vitesse du fluide par rapport au corps à partir des valeurs mesurées de la thermistance, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation de l'élé- ment chauffant du capteur, sont des moyens d'alimentation impulsionnels, en ce que les moyens de mesure de la valeur de la thermistance du capteur comprennent un amplificateur logarithmique de linéarisation de la réponse en température de la thermistance aux sollicitations thermiques impulsionnelles, ledit amplificateur logarithmique étant relié à son tour à un convertisseur analogique-numérique des signaux de sortie analogiques de l'amplificateur logarithmique en signaux numériques exploitables par un microprocesseur destiné à calculer la vitesse du fluide par rapport audit corps à partir des signaux numériques résultant de la conversion des signaux analogiques de mesure de la thermistance, ledit microprocesseur assurant en outre la commande de l'alimentation de l'élément chauffant du capteur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig.l est un diagramme représentant le réchauffement d'une thermistance dans un fluide en fonction du temps; - la Fig.2 est un diagramme représentant la relaxation thermique d'une thermistance en fonction du temps; - la Fig.3 est un schéma synoptique d'un dispositif de mesure suivant l'invention, incorporé à un aileron de planche à voile; - la Fig.4 représente plus en détail la construction du capteur du dispositif de mesure suivant l'invention; - la Fig.5 est une vue schématique montrant la disposition du capteur de la Fig.4 sur la coque d'un bateau; - les Fig.5a et 5b sont des vues en coupe longitudinale et transversale à grande échelle montrant le montage du capteur sur la coque du bateau de la Fig.5; et - la Fig.6 est un schéma électronique global du dispositif de mesure suivant l'invention. Avant de procéder à la description de l'invention proprement dite, on va donner quelques indications relatives aux échanges thermiques d'un corps avec un fluide dans lequel il est plongé. Un corps quelconque porté à une certaine température et plongé dans un fluide porté à une autre température échange avec ce fluide une quantité de chaleur variable dans le temps. Cette énergie se décompose en une énergie de convection naturelle liée à la différence de température entre le corps et le fluide et une énergie liée à la convection forcée du fluide, c'est-à-dire à la vitesse du fluide par rapport au corps. Comme représenté à la figure 1, qui représente le réchauffement d'une thermistance dans un fluide, la température du corps varie en fonction du temps suivant une loi exponentielle. A partir de trois valeurs au moins de température, on peut extraire le temps caractéristique de la relaxation thermique dont on peut déduire la vitesse du fluide. La vitesse du fluide s'exprime comme suit où : C, A, B et a sont calculées lors d'une étape de calibration avant que le système ne soit complètement opérationnel. A, B et C sont des constantes qui ne dépendent que des caractéristiques géométriques du capteur. a ne dépend que du fluide. Ce coefficient a été évalué empiriquement à 0,2 pour l'eau et à 0,5 pour l'air. z est le temps caractéristique de la relaxation thermique. Cette formule résulte de la confrontation de deux modèles physiques fondamentalement différents - le modèle de King, purement empirique caractérise l'énergie échangée entre un corps et un fluide portés à deux températures différentes en fonction de leur vitesse relative. Cette loi s'énonce ainsi P = A + B Va (2) où : P est la puissance thermique échangée entre deux corps. A et B sont des constantes de dissipation du capteur. A représente la convection, l'échange thermique, entre le capteur et le fluide au repos, quand V = O. B représente l'échange thermique entre le capteur et le fluide en mouvement. V est la vitesse du fluide relativement au capteur. a est un coefficient propre au fluide. La deuxième loi est l'expression de la dissipation temporelle de chaleur par convection, connue et appliquée dans de nombreux domaines. Cette loi s'énonce ainsi C*dT/dt = ô (T-Tf) (3) C: Capacité thermique du capteur. T: température à l'instant t. Tf: Température finale. Cette loi s'intègre dans le temps en T = Tf+(To-Tf) exp(-t/n) (4) avec t = C/ô t représente alors une constante de temps caractérisant le refroidissement de la thermistance plongée dan un milieu à une température différente. Cette formule ne tient pas compte d'une éventuelle convection forcée. En reprenant l'équation (3), on constate que celle-ci n'est pas sans rappeler la loi de King : P = A AT + BAT va = AT(A+B Va) = CdT/dt = 6 (AT), (5) On peut donc identifier 6 = A + B va. D'où t = C/fA+BVa). Le temps de relaxation thermique d'une thermistance (ou de tout autre objet) est indépendant des temperatures initiale et finale et ne dépend donc que des caractéristiques mécaniques et géométriques. Ainsi qu'on le voit clairement à la figure 2, le temps caractéristique de la relaxation thermique est indépendant de la température de départ To et de la température d'arrivée Tfl ou Tuf 2. Ce résultat est la base de tout ce qui sera développé par la suite. On peut faire une analogie entre un corps se refroidissant et une capacité se déchargeant dans une résistance. Le temps caractéristique RC de la décharge du condensateur est indépendant de la tension de charge et ne dépend que des valeurs de la capacité et de la résistance. Dans le cas de la relaxation thermique, ce temps est indépendant des températures initiale et finale, il ne résulte que des caractéristiques thermiques et dimensionnelles du capteur et de la vitesse relative du fluide par rapport au capteur. Quoique ne constituant pas réellement une nouveauté physique fondamentale, cette formule n'a a priori jamais fait l'objet d'une formulation explicite. D'après ces considérations, on peut se contenter d'utiliser un capteur unique qui évaluera la convection du fluide sur lui-meme. En effet, il suffit de disposer d'un capteur réunissant deux sous-ensembles fonctionnellement dissociés - un sous-ensemble de chauffage dont la fonction est de modifier la température d'un corps qui sera l'objet de la mesure de température. Cette modification est un réchauffement du corps mesuré effectué par exemple par un courant électrique (effet Joule). - un sous-ensemble mesurant la température du corps échangeant la chaleur avec le fluide, par exemple un thermocouple ou une résistance C.T.N. Ces deux sous-ensembles peuvent être réunis par l'utilisation d'un capteur qui s'échauffe et mesure simultanément sa température par la quantité d'énergie nécessaire à cet échauffement par exemple une thermistance C.T.N. dont la résistance varie avec la température de manière connue. La première originalité du système réside dans le fait que le corps sujet à une variation de température peut être constitué par le support local du capteur. Par exemple, pour un dispositif inséré sur le bord d'attaque d'un aileron ou d'une dérive d'engin flottant, le corps dont la température est mesurée peut être la masse locale de l'aileron qui est refroidi par la convection du fluide sur l'aileron. Le lieu d'implantation du dispositif devient alors le corps du capteur, la masse locale dans laquelle est implanté le capteur devient le corps dont on mesure la température. La dérive ou l'aileron est chauffé (localement) et refroidi par le fluide s'écoulant. En examinant l'évolution de sa température et sa vitesse instantanée de refroidissement, on détermine la vitesse du fluide. Le capteur de température peut être ainsi directement intégré dans une masse immergée de manière à ne pas modifier la forme du support d'implantation. Le système s'avère particulièrement efficace s'il est implanté sur le bord d'attaque d'un aileron de planche à voile par exemple puisqu'il ne modifie pas la géométrie de la dérive. Le système doit nécessairement être solidaire du corps de l'engin flottant objet de la mesure. Le système doit nécessairement être disposé en amont de toute perturbation des filets de fluide assurant la convection. Le capteur doit opposer au mouvement relatif du fluide une forme profilée afin d'éviter des turbulences néfastes à une bonne mesure. Le dispositif de mesure de vitesse suivant l'invention représenté à la figure 1, est implanté directement sur un aileron de planche à voile 1, lui-même fixé sur le flotteur 2 de la planche. Dans le cas d'un bateau pourvu d'une quille ou d'une dérive, le capteur peut être incorporé à la quille ou à la dérive. Ce dispositif comporte un capteur 3 incorporé par moulage dans le corps de l'aileron 2 au moment de sa fabrication. Le capteur 3 comprend principalement une thermistance à coefficient de température négatif CTN, reliée à un module électronique 4. Ce module qui est constitué d'une carte électronique est lui-même également intégré au corps de l'aileron 1 sans en modifier la géométrie. La carte 4 est réalisée à l'aide d'une technologie mixte, analogique et numérique. Le moulage de l'ensemble est réalisé simultanément lors du moulage de l'aileron 1 proprement dit. Ainsi que cela sera décrit plus précisément par la suite, l'étage analogique de conditionnement des signaux de sortie du capteur 3 comporte notamment un amplificateur logarithmique qui linéarise la réponse en température de la thermistance à la sollicitation impulsionnelle thermique. L'étage numérique comporte un convertisseur numérique-analogique. Les acquisitions numériques sont exploitées par un microprocesseur programmé. Le dispositif comporte en outre un module 5 d'affichage à diodes à cristaux liquides LCD placé sur le flotteur 2 à un endroit visible pour l'utilisateur. I1 peut être disposé au pied du mât ou bien à proximité des étriers cale-pieds. L'afficheur 5 peut éventuellement disposer de fonctions annexes accessibles par pression sur des boutons tels que 6, pour sélectionner une vitesse maximum, la distance parcourue ou autres. L'ensemble est alimenté en énergie par une pile électrique 7 éventuellement disposée dans le boîtier du module d'affichage 5. La transmission de l'information entre le microprocesseur 4 et l'afficheur 5 et de l'énergie entre la pile 7 et le microprocesseur 4 s'effectue par un câble électrique 8 éventuellement inséré dans un passage 9 ménagé dans le flotteur 1. Sur la figure 4, on a représenté un mode de réalisation préféré du capteur entrant dans la construction du dispositif selon l'invention. Le capteur 3 comporte un corps 10 chauffé par une résistance électrique 12, s'étendant sur trois côtés d'un capteur thermique 14 de mesure de la température du corps 10. Le corps 10 peut, soit faire partie intégrante de l'aileron 1 du mode de réalisation de la figure 3, soit être spécialement créé en vue du montage du capteur, par fixation directe sur la coque 15 d'un bateau comme représentée à la figure 5. Ainsi qu'on peut mieux le voir sur les figures 5a et 5b, le capteur 3 est disposé dans une pièce 16 en forme de chape dont les ailes 17 forment des ailerons latéraux profilés, canalisant le fluide dans le sens du mouvement et évitant la détection de mouvements parasites latéraux sous l'effet par exemple du roulis. L'âme 18 de la pièce en forme de chape est fixée à la coque 15 du bateau, dans l'axe de celui-ci et en avant de sa quille comme représenté à la figure 5. La forme profilée des ailerons 17 évite à des objets flottants de se prendre dans le capteur 3. L'ensemble mesure environ de l'ordre de cinq centimètres. Bien entendu, le capteur 3 peut être disposé à un endroit quelconque de la coque à condition d'être en amont de toutes perturbations parasites de la mesure, engendrée par exemple par l'hélice de propulsion du bateau. Sur la figure 6, on a représenté le schéma électrique du dispositif de mesure suivant l'invention. Le capteur 3 est connecté à un amplificateur d'alimentation 20 commandé par un microprocesseur 21, qui, selon sa programmation peut, soit déclencher une lecture de vitesse à la demande, soit assurer un affichage périodique ou systématique de la vitesse. L'amplificateur 20 est en outre relié à la pile 7 dont il est chargé de transmettre l'énergie électrique au capteur 3. La pile 7 est connectée à une entrée d'état 22 du microprocesseur 21. La sortie du capteur 3 est connectée à l'entrée d'un amplificateur logarithmique 24 dont la sortie est reliée à l'entrée d'un convertisseur analogique-numérique 25. La sortie du convertisseur analogique-numérique 25 est connectée à une entrée 26 du microprocesseur 22. Le microprocesseur est en outre connecté à une horloge 28 lui délivrant des signaux de cadence connue permettant de fixer les calculs de vitesses relatives du fluide et du capteur 3. Enfin, le microprocesseur 21 est connecté au dispositif d'affichage 5. La mesure de vitesse consiste en l'acquisition d'au moins trois valeurs de température du capteur 3 après une période d'échauffement de sa thermistance 14 par la résistance 12. A partir de ces trois valeurs sera calculée la vitesse. Ce calcul est effectué par le microprocesseur 21 de la manière suivante Il s'agit de mesurer le refroidissement de la thermistance au cours du déplacement de l'engin sur lequel est monté le dispositif par rapport au fluide dans lequel l'engin est immergé. En reprenant les deux équations de la thermistance R(T)=R(T0)exp(B(1/T-1/T0)) (Loi Résistance/température) (6) B étnt une constante propre à la thermistance. T = Tf + (To-Tf) exp(-t/ç) (7) On exprime la résistance en fonction du temps R(t)=R(To)exp(-B/To)expF-B/(Tf+(To-Tf)exp(-t/t))J. R(To) est la résistance à la température To, à l'instant to, elle peut être connue si l'on commute suffisamment rapidement une lecture de la résistance au début du refroidissement. Ce temps de commutation doit être faible devant le temps de refroidissement de la thermistance 14, ce qui ne présente aucune difficulté si l'on sait que la constante de temps d'une thermistance est de l'ordre de la dizaine de secondes dans l'air, et de l'ordre de 2 secondes dans l'eau. Connaissant la résistance de départ, on peut en déduire la température de départ du refroidissement. En effet, si l'on suppose la thermistance 14 étalonnée, B connu ainsi que sa résistance à une température donnée, on peut en extraire la résistance à n'importe quelle température R(T)=R(TO)exp[B(l/T- 1/T0). On peut donc considérer les termes R(To) et exp(-B/To)) comme connus. L'expression devient en posant Kz=B(To)exp(-B/To] R(t)= K exp[-B(Tf+(To-Tf)exp(-t/t))]. (8) Si l'on forme ln(R(t)/K), on a ln(R(t)/K) = -B/(Tf+(To-Tf)exp(-t/x)). (9) On pose f(t) = (ln(R(t)/K))-1, -Tf/B = a, -(To Tf)/B = ss; l'équation (9) devient f(t) = a + ss exp(-t/t) (10) On comprend donc l'intérêt de l'utilisation d'un amplificateur logarithmique qui fournira directement la fonction f(t) à une constante près. La composée de deux fonctions logarithmiques si elles sont toutes les deux calculées numériquement a pour effet de diminuer la sensibilité du système. En pratique, l'amplificateur logarithmique 24 amoindrit le besoin en résolution du convertisseur analogique numérique 25. Si l'on échantillonne au cours du refroidissement de la thermistance 14 (Fig.4) outre la première valeur à l'instant to, deux valeurs à des instants tl et t2 tels que t2 = 2tl, on obtient, en posant x = exp(-tl/x) et to = 0 f(to) = a + ss f(tl) = a + f(t2) = a + ssX2 On forme alors (f(t2) - f(to))/(f(tl)-f(to)) = (X2-1)/(X-1) = X+1 d'où : A+BV =(C/tl)*ln[(f(tl)-f(tO)/(f(t2)-f(tl))]. On dispose ainsi de la puissance thermique P échangée entre le capteur 3 et le fluide et comme indiqué plus haut, on en tire de la relation (2) la vitesse V recherchée. Le dispositif suivant l'invention présente un certain nombre d'avantages. Un avantage immédiat réside dans le faible encombrement lié à l'intégration du système de mesure qui peut être installé dans une partie immergée et existante d'un engin flottant sans en modifier le profil. Tel est le cas notamment du mode de réalisation de la figure 1 dans lequel le capteur est incorporé à l'aileron d'une planche à voile, les caractéristiques mécaniques et hydrodynamiques de l'aileron restant inchangées. Le système est parfaitement insensible à l'usure puisqu'aucune partie n'est sujette à un mouvement. A condition de garantir une surface du capteur toujours homogène et constante, le système s'avère d'une très bonne fidélité même en utilisation prolongée dans un milieu agressif tel que l'eau de mer. Les mesures de température par le capteur sont impulsionnelles, de sorte que la consommation du dispositif est considérablement réduite car chaque mesure peut être commandée par un opérateur. Le système est alors en veille et passe en phase de consommation nominale pendant un temps très court, car la durée de la mesure est inférieure à une seconde. Bien que dans les divers modes de réalisation décrits ci-dessus, le dispositif de mesure de vitesse soit considéré comme étant appliqué à la mesure de la vitesse d'une embarcation se déplaçant dans l'eau, ce dispositif peut également trouver de nombreuses applications dans le domaine de la mesure de débit de fluide auquel cas, le dispositif de mesure est monté de façon fixe dans une veine de fluide dont on mesure la vitesse. Bien que dans les exemples décrits précédemment, le capteur comprenne une thermistance et un élément chauffant séparé, il est également possible d'utiliser un capteur dans lequel la thermistance et l'élément chauffant sont confondus. L'invention est applicable à tout type de fluide tel qu'huile, air ou autre. Seul l'étalonnage et le dimensionnement des constantes de calcul sont à adapter au fluide dans lequel le corps est plongé. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de la vitesse relative d'un fluide et d'un corps plongé dans celui-ci, comprenant un capteur de température (3) monté dans le corps en contact avec le fluide et comprenant une thermistance (14) et un élément chauffant (12) de celle-ci, des moyens (7,20) d'alimentation de l'élément chauffant en énergie électrique, des moyens de mesure de la valeur de la thermistance (14) à des intervalles de temps déterminés et des moyens de calcul de la vitesse du fluide par rapport au corps à partir des valeurs mesurées de la thermistance, caractérisé en ce que les moyens (7,20) d'alimentation de l'élément chauffant (12) du capteur, sont des moyens d'alimentation impulsionnels, en ce que les moyens de mesure de la valeur de la thermistance (14) du capteur (3) comprennent un amplificateur logarithmique (24) de linéarisation de la réponse en température de la thermistance (14) aux sollicitations thermiques impulsionnelles, ledit amplificateur logarithmique étant relié à son tour à un convertisseur analogique-numérique des signaux de sortie analogiques de l'amplificateur logarithmique (24) en signaux numériques exploitables par un microprocesseur (4;21) destiné à calculer la vitesse du fluide par rapport audit corps à partir des signaux numériques résultant de la couversion des signaux analogiques de mesure de la thermistance (14), ledit microprocesseur assurant en outre la commande de l'alimentation de l'élément chauffant du capteur (3). 2. Dispositif de mesure suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (5) d'affichage de la vitesse relative du fluide et du corps, commandés par le microcontrôleur. 3. Dispositif de mesure suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation de l'élément chauffant (12) du capteur (3) comprennent une pile (7) connectée au capteur par l'intermédiaire d'un amplificateur (20) commandé de façon impulsionnelle par le microprocesseur (21). 4. Dispositif de mesure suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le microprocesseur (21) comporte une entrée d'état connectée à la pile (7). 5. Dispositif de mesure suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le calcul de la vitesse par le microprocesseur (4;21) met en oeuvre la relation AT (A + BAVA) = CdT/dt dans laquelle A est une constante de dissipation du capteur (3) représentant l'échange thermique entre le capteur et le fluide au repos, B est une constante de dissipation du capteur (3) représentant l'échange thermique entre le capteur et le fluide en mouvement, V est la vitesse du fluide relativement au capteur, C est la capacité calorifique du capteur (3), a est un coefficient propre au fluide, AT est la différence de température entre le capteur et le fluide. 6. Dispositif de mesure suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, destiné à la mesure de la vitesse d'un engin flottant se déplaçant sur ou dans l'eau, caractérisé en ce qu'au moins le capteur (3) est monté sur l'engin flottant de manière à opposer au mouvement relatif du fluide une forme hydrodynamique évitant les turbulences néfastes à une bonne mesure. 7. Dispositif de mesure suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'engin flottant étant une planche à voile, le dispositif de mesure est incorporé à l'aileron (1) de la planche à voile. 8. Dispositif de mesure suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le capteur (3) est connecté à une carte électronique (4) portant les circuits du dispositif, et l'ensemble formé par le capteur (3) et la carte électronique (4) est incorporé par moulage à l'aileron (1) lors du moulage de l'aileron (1) proprement dit. 9. Dispositif de mesure suivant la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens d'affichage (5) sont portés par le flotteur (2) à un emplacement visible par l'utilisateur. 10. Dispositif de mesure suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'engin flottant étant un bateau, le capteur (3) est monté sur la coque du bateau dans une pièce de protection (16) disposée selon l'axe du bateau et comportant des ailerons profilés (17) axiaux de guidage du fluide en déplacement le long du capteur (3). 11. Dispositif de mesure suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la thermistance et son élément chauffant sont séparés ou confondus.