Ce principe est celui du godet déséquilibré. Il n'y a plus de pale orientable
! Un des godets est un peu différent des autres et c'est tout…. Le principe est
pourtant très simple !
Si les trois godets sont strictement identiques, comme sur un
anémomètre
normal, pour un vent constant, la vitesse de rotation de l'axe sera constante,
et la rotation de l'aimant produira une sinusoïde parfaite sur un capteur à effet
hall fixe..
Modifions maintenant un des trois godets, par exemple en l'agrandissant
ou en
lui adjoignant une ailette supplémentaire. Dans les mènes conditions la vitesse
de rotation de l'axe ne serra plus constante.
Quand le "grand" godet montera au vent , il sera freiné, quand il passera le
lit du vent il accélérera.
Cela produit une déformation de la sinusoïde reçue. Il suffit de disposer de
deux capteurs fixes à effet hall décalés de 90° (les mêmes que pour le système
de girouette à pale !) ou encore mieux, trois décalés de 120°, et la direction
du vent est parfaitement connue, ainsi que la vitesse. L'électronique est très
simple, un petit microcontrôleur dans l'aérien fait cela simplement. Vous
remarquez alors que ce curieusement système est identique à celui du fluxgate.
La résolution de direction par les trois sinusoïdes déformées décalées de 120°
est un des grands classiques des applications à base de microcontrôleur. Je
développerai cette technique dans le cadre du logiciel du fluxgate. La seule
différence est qu'avec le fluxgate, le signal pilote est constant et connu,
c'est un peu plus délicat avec les godets, car la période étant variable, il
faut reconstituer le signal horloge à chaque période, soit en analogique en
verrouillant une PLL, soit par le logiciel. Le résultat obtenu sera une
direction relative en degrés, la précision est très bonne.
Pour obtenir un godet déséquilibre, il suffit donc de lui adjoindre une petite
surface ou changer son diamètre ou la longueur d'un bras. La
girouette-anémomètre se réduit alors à un simple moulinet à trois godets.
Il n'y a plus à se préoccuper de l'orientation de l'aérien. Après l'avoir
installé, il suffit de régler au clavier l'axe du bateau depuis les instruments.
Cela se fait au près, en équilibrant sur les deux bords, ou au mouillage venté sur
corps mort et plan d'eau calme.
Le seul défaut du système est que les godets ne tournent pas par
vent faible, il n'y aura pas d'indication dans les petits airs.
Petite
remarque, pourquoi trois capteurs à 120° et pas deux à 90° ?
La théorie montre que deux capteurs à 90° permettent d'obtenir le résultat
attendu.
De la même manière, l'intersection de deux droites donne un point unique, mais
les erreurs dues à l'imprécision des origines et des angles donnent une zone
d'incertitude difficile à matérialiser, les erreurs n'étant pas bien connues par
définition.
Le croisement de trois droites donnera un triangle d'incertitude, la position
la
plus probable étant le centre de gravité. La surface du triangle matérialise les
imprécisions de la mesure.
Ceux qui ont manié le sextant et la règle Cras comprendront parfaitement...
C'est cette même raison qui fait passer à trois capteurs à 120 °, l'électronique
rendra une linéarisation meilleure.
Les
systèmes
abandonnés
Comme pour l'anémomètre, l'optique a été tentée, par un disque transparent
gravé et un encodage Gray. Le sel a tué ce système inadapté au milieu marin
(voir en annexe la codage Gray), le capteur et cher le le montage étanche avec
joint torique freine trop..
Pour l'anecdote il existe d'autres systèmes de girouettes, mais seulement
utilisables à terre car ils sont détruits par le brouillard salin et sont moins
précis.
La rose à Polaroïd tournant devant un Polaroïd fixe avec trois cellules à 120°
n'a jamais marché.
Les 8 ILS disposés en étoile qui donnent les 8 inter cardinaux, c'est suffisant
pour une petite station météo à terre. Certains ont même 16 points. La variante
utilisant 8 cellules optiques est moins répandue.
Et n'oublions pas le doigt mouillé, que la plupart des navigateurs possèdent à 10
exemplaires (sans compter les pieds), sauf Mickey qui n'en a que 8.
Bien mieux que tous ces dispositifs, et beaucoup plus fiable, installez
toujours en arrière de la tête du mât, une très bonne girouette mécanique, montrant les
angles de près, une Windex par exemple qui fonctionne à la perfection pour
quelques dizaines d'€. Cette girouette a des compléments indispensables, les
pennons sur les voiles qui permettent de visualiser les écoulements.
Limitation
du principe
L'anémomètre est un équipement utile, il permet de donner une force de vent
relatif objective, c'est une bonne alarme quand le vent monte pour obliger à
réduire la voilure sans faire intervenir des éléments psychologiques (fatigue,
peur, paresse à l'approche du but..) qui empêchent de prendre la bonne décision
de réduire.
Une girouette n'est qu'un gadget, cela fait joli sur la console mais ne sert
pas à grand chose sauf en haute compétition. Il vaut mieux regarder les
voiles. C'est toutefois une petite aide la nuit, mais sans plus.
Il ne faut pas demander l'impossible à des dispositifs, en particulier à cause
du fait que force et direction du vent changent considérablement entre le plan
de la bôme et la tête du mat, l'indication n'est donc que ponctuelle, en zone
marginale, alors que le vent le plus intéressant à connaître serait celui du
centre de poussée vélique, en dessous de la première barre de flèche. Il faut se
contenter de la mesure de tête de mat, cette zone centrale est inaccessible.
Installation
L'installation de fait évidement sur l'avant de la tête de mat, plus le bras
de déport est long et relevé, moins il y aura de perturbations. Il est
impossible de la monter sur l'arceau arrière, même avec une rallonge de deux
mètres, les perturbations sont trop grandes.
Avec les anciens systèmes à potentiomètre, il était impératif de bien régler
l'axe de la girouette dans l'axe du bateau, c'est pratiquement impossible, on ne
voit rien monté en tête de mât sur la chaise, et le bras est toujours décalé de
plusieurs degrés. Les indications ne sont donc pas symétriques sur les deux
bords, c'est gênant au près, avec 5° de décalage, vous ferrez un près serré à
30°sur un bord, 40° sur l'autre.... Avec les nouveaux systèmes à effet hall, il
n'y a plus du tout à se préoccuper de l'axe, le zéro se règle au degré près à la
console,au clavier, c'est un gros avantage.
Traditionnellement, une girouette mécanique simple sera montée sur l'arrière
du mât pour prendre le relais en cas de panne et être bien vue des équipiers
occupés aux réglages. Au prés serré, en conditions de course, l'observation de
la girouette mécanique est très utile car elle réagit beaucoup plus vite que
l'électronique.
Évolution
Alors que les loch speedomètres, comme nous l'avons vu, n'ont que très peu
évolué en vingt ans, les girouettes ont subi sinon des révolutions, du moins des
évolutions.
Une
exclusivité des effets hall qui se
sont répandus dans toutes les applications industrielles, et l'abandon des
capteurs à potentiomètres ou optiques.
Une
technologie complètement inattendue,
avec le godet déséquilibré, une vraie surprise, qui dépend de cessions du brevet
Autohelm !
Le remplacement de toutes les bagues et
roulements par des paliers virtuels.
Il ne semble pas qu'une autre innovation soit à attendre dans les dix ans à venir…
L'affichage du vent réel est simple en lisant sur le bus NMEA cap et vitesse du
GPS, mais ce gadget n'offre aucun intérêt, sauf dans le cas du système expert
pour le contrôle du pilote après déclenchement de l'alarme "homme à la mer".
Annexe :
Encodeur Gray
Ce système a été découvert lorsque les signaux numériques grandeurs à
variation de valeur lente ont commencé à être transmis, je le cite en annexe car
il est très utilisé.
Le problème est simple, supposons que nous voulions coder la direction du vent
en numérique, en utilisant des cellules masquées par des secteurs opaques puis
transparents sur un disque tournant.
Avec un seul bit, une seule cellule, donc un seul secteur blanc / noir de
180°,
la position peut être codée à deux niveaux, disons Nord ou Sud, 0 ou 1.
En rajoutant une cellule, donc une piste avec secteurs alternés de 90°, nous
avons 4 points, N,E,S,W, soit 00,01,10,11 (L'abréviation de Ouest est toujours
le W comme le West anglo-saxon).
Avec trois bits, une piste de plus à secteurs de 45°, nous obtenons 8 points
(2
exposant trois) , les inter-cardinaux :
N, NE,E, SE, S, SW, W, NW soit 000,001,010,011,100,101,110,111.
Chaque nouveau bit demande une nouvelle piste, avec des secteurs deux fois
plus étroits. Il n'est pas possible d'aller très loin avec ce système, mais des
codeurs industriel très chers sortent 8 bits soit 256 positions et jusqu'à 13
bits (et plus..), la grande difficulté de graver 8192 secteurs sur un disque
explique le prix.
Le problème est simple, prenons par exemple la transition sur 3 bits entre deux
postions adjacentes …000… et …111…
Comme la réalisation mécanique ne permet pas à tous les bits de basculer
exactement au même instant, une oscillation autour de cette position donnera les
8 cas possibles pour une même position, en anglais c'est le "glitch",
l'affichage est totalement inexploitable.
L'idée de génie est de modifier le code pour que la transition d'une position à
la position adjacente le fasse changer qu'un seul bit, ce qui résout
parfaitement le problème, il n'y a plus de position incertaine (pour les
théoriciens, la distance de Hamming est minimale, de 1). Frank Gray a breveté ce
système en 1953.
Le
grand public n'a pas compris ce très intéressant
principe. Raytheon communique très mal sur se produit, il est caché et mal
présenté et expliqué dans les documents, on dirait qu'ils en ont honte.
