Anemometer

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Projet réalisé par fma38.

Abandonné

Présentation

Le but de ce projet est de construire un anémomètre permettant de relever de manière automatique des stores brise-soleil orientables (BSO) en cas de tempête. La partie électronique doit s'interfacer avec une installation domotique (KNX).

Il ne s'agit pas réellement de faire une mesure, mais simplement de donner un ou deux seuils d'alerte pour relever les BSO. L'objectif premier est la fiabilité et la longévité.

Il existe plusieurs façons de mesurer la vitesse du vent. On se reportera à l'excellent article de Wikipédia pour plus d'informations. Ici, le type retenu est l'anémomètre à coupelles.

Électronique

Mesure

Il y a plusieurs façon de procéder :

  • mesure optique : un disque perforé, solidaire de l'axe du capteur, tourne devant une cellule photo-électrique ; celle-ci envoie un certain nombre d'impulsions à chaque tour du capteur
  • mesure magnétique :
    • bobine de pick-up : un aimant, solidaire de l'axe du capteur, tourne devant une petite bobine de pick-up, générant une tension sinusoïdale (courants de Foucault)
    • capteur à effet Hall : l'aimant tourne devant un capteur à effet Hall qui génère une impulsion
    • relais reed : l'aimant tourne devant un relais reed qui se ferme momentanément

L'avantage de la mesure optique est la légèreté du système monté sur l'axe du capteur. Par contre, elle est très sensible à l'encrassement (poussières, insectes...), et nécessite une électronique plus complexe et plus fragile au niveau de l'anémomètre.

La solution à aimant est préférable. On écarte tout de suite le relais reed, trop peu fiable. Des tests avec des bobines de pick-up montrent qu'il faut pas mal de tours pour avoir un signal correct, ce qui implique d'utiliser du fil très fin, donc assez fragile. Du coup, le capteur à effet Hall semble le plus adapté.

Afin d'équilibrer la partie en rotation, il faut au minimum 2 aimants ; en mettre 3 ou 4 est sans doute préférable.

Traitement du signal

Avec une bobine de pick-up, on obtiendrait directement une tension sinusoïdale. Il faudrait donc un système de redressement et de lissage pour obtenir au final une tension continue, dont l'amplitude est fonction de la vitesse de rotation, et donc de la vitesse du vent. Mais le signal étant au départ très faible, l'ajout de diodes dans le système ne va pas dans le bon sens !

Avec un capteur à effet Hall, qui délivre une impulsion (collecteur ouvert), il faut faire une mesure de fréquence. On peut se ramener à une tension via un convertisseur fréquence/tension (un simple NE555 fait l'affaire), ou utiliser l'entrée d'interruption d'un petit µ-contrôleur. L'avantage de cette dernière solution, c'est qu'on peut étalonner assez précisément le système, et délivrer à la fois un seuil pour le pilotage des BSO (via le module d'entrée KNX) et une mesure précise, pour un système de station météo complet. J'utiliserai vraissemblablement un petit AVR, après avoir fait des tests sur un Arduino.

Le capteur retenu est un Allegro A1227. C'est un modèle bipolaire : il bascule à un lorsqu'il voit un pôle sud, et revient à zéro lorsqu'il voit un pôle nord. En l'abscence de champ, il conserve son état précédent. Il faudra donc alterner l'orientation des aimants pour générer un signal en créneau.

Mécanique

La majeur partie des pièces sont imprimables sur une RepRap.

Le design, modulaire, est constitué d'un empilement de disques, chacun ayant une fonction précise (guidage en rotation, mesure...). Les divers étages sont tenus via des vis ou tiges filetées inox M3 traversant l'ensemble des disques.

Anemometre split v0.9.png Anemometre v0.9.png

Capteur

La partie capteur proprement dite est constitué de 3 coupelles (coniques plutôt que sphériques, à cause des contraintes d'impression) au bout d'un bras, disposées à 120°. Outre le fait d'être plus facile à imprimer, disposer de 3 pièces indépendantes permet un équilibrage aisé de l'ensemble ; il suffit pour cela de jouer sur la longueur des bras.

À noter que la taille des coupelles joue sur la vitesse mini et maxi que l'anémomètre sera capable de supporter. Avec des grandes coupelles, on peut démarrer par vent très faible, mais l'anémomètre risque d'exploser en cas de tempète ! En utilisant des coupelles plus petites, il résistera mieux, mais démarrera beaucoup plus tard.

Étage de guidage

Deux solution principales :

  • montage de roulements
  • guidage sur paliers lisses

L'avantage des paliers lisses est l'absence de frottement visqueux que l'on a avec les roulements (graisse) ; cela permet un démarrage du capteur même en cas de très faible vent. L'inconvénient est la moins bonne tenue à la charge (vitesses élevées) et la durée de vie plus faible.

Ici, comme on ne cherche pas à faire une mesure, mais seulement à déclencher un contact en cas de fort vent, le montage de roulements (étanches) est préférable. Il faudra bien sûr des versions Inox.

Le disque de l'étage de guidage est constitué de deux 1/2 coquilles (identiques) qui maintiennent à la fois les bras du capteur et le roulement central.

Étage de mesure

Ce disque a pour fonction de contenir et protéger la partie mesure. Il abrite les aimants et le capteur à effet Hall (ou les bobines de pick-up).

Montage

Le montage ne pose pas de problème.

Il faut commencer par la partie fixe : tige filetée (inox), roulement 608 (inox), entretoise et support de capteur Hall. Ensuite, on prépare le câblage du capteur, puis on place les aimants dans leurs logement. On assemble les différents étages (sans oublier les joints), et on visse le tout.

Tests

Le capteur est alimenté en 5V directement depuis l'Arduino. Sa sortie est tirée au VCC par une résistance de 1kOhm, et reliée à l'entrée 2 de l'Arduino (entrée d'interruption).

Le code de test est très simple, et permet seulement de visualiser la vitesse de rotation. La conversion en vitesse de vent ne pourra se faire qu'après étalonnage.

// Original code by Crenn from http://thebestcasescenario.com
 
#define HALL_SENSOR_PIN 2
#define LED 13
#define NB_PULSES_PER_TURN 4
 
volatile int pulses;
int calc;
 
 
// Interrupt routine
void rpm() {
  pulses++;
}
 
void led() {
  digitalWrite(LED, not digitalRead(HALL_SENSOR_PIN));
  if (digitalRead(HALL_SENSOR_PIN)) {
    pulses++;
  }
}
 
// Init routine
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(LED, OUTPUT);
  pinMode(HALL_SENSOR_PIN, INPUT);
  attachInterrupt(0, rpm, RISING);
}
 
 
// Main loop
void loop() {
  pulses = 0;   // Init pulses
  sei();        // Enable interrupts
  delay(1000);  // Wait 1 second
  cli();        // Disable interrupts
  calc = pulses * 60 / NB_PULSES_PER_TURN;
  Serial.print(calc, DEC);
  Serial.print(" tr/min\r\n");
}

Étalonnage

D'après Wikipédia, la formule théorique est V = 2.pi.F(N).R.N, où :

  • V = vitesse du vent, en m/s
  • R = rayon moyen des bras (de l'axe de rotation jusqu'au centre des coupelles), en m
  • N = nombre de tours par seconde, en 1/s
  • F(N) = fonction d'étalonnage

Tout ça, c'est bien beau, mais seuls des essais en soufflerie permettent de déterminer F(N). On utilisera la bonne vieille méthode de la voiture !

Conclusion

Les premiers tests de la partie rotation sont concluants : ça tourne très bien. À voir si les coupelles ne sont pas trop grosses, risquant de casser par fort vent.

Par contre, comme dit, les bobines de pick-up ne sont finalement une solution ni très pratique, ni très fiable (finesse du fil). On partira donc sur un capteur à effet Hall. À noter que le design permet de rajouter facilement un (ou plusieurs) étage de mesure, en fonction des besoins, et donc d'utiliser les 2 systèmes simultanément.

Pour conserver la mécanique et l'électronique au sec, il est prévu d'intercaler des joints plats entre chaque étage. Ces joints seront découpés à la machine laser, mais il faut trouver la bonne matière (l'EPDM serait parfait), dans la bonne épaisseur (~0.1mm).

Une autre chose importante à prévoir : un système de dégivrage, pour l'hiver ! Cela peut se faire en enroulant un petit fil chauffant autour de la tige filetée servant d'axe central, et en l'isolant ; la conduction thermique permettra de conserver une température > 0°C au niveau du roulement.

Enfin, il faudra protéger l'ABS des UV, en lui appliquant une peinture (plutôt claire). À priori, la peinture à maquette doit faire l'affaire.

Annexes

Photos

Liens externes

Datasheets