Christian Couderc

Un anémomètre est un dispositif destiné à indiquer la vitesse relative du vent, affichée traditionnellement en noeuds, avec option en force Beaufort. Tout a été essayé, il s'est avéré que le seul produit fiable était l'étoile à 3 branches à godets. La grande difficulté est la limitation des frottements, l'axe inox vertical est monté sur deux petits roulements étanches qui sont sensés résister à l'oxydation. Sur cet axe est toujours fixé un aimant tournant. Un signal sera fourni, dont la période correspond à un tour des godets. Ce système simple à deux inconvénients de fond, liés au principe :

Il ne démarre pas pour des vents faibles, à cause des frottements des roulements qui s'usent et s'oxydent (bien qu'inoxydables !). Ce n'est pas un problème majeur.

Il n'est pas linéaire, car quand le vent augmente, l'écoulement de l'air perturbé par les godets devient turbulent, plus le vent est fort, plus l'écart est grand. Cet écart dépend de la technologie de l'étoile à godets.
Les étoiles à trois godets sont bien meilleures que les quatre godets, le godet sous le vent étant moins perturbé.
Les étoiles à bras longs et fins avec petits godets sont supérieures pour les mêmes raisons.

L'électronique (ou la graduation du cadrant) compense en partie la non-linéarité (Vitesse du vent) / (Vitesse de rotation), mais pour les vents très forts, la vitesse n'augmente plus sensiblement…
Pour capter le signal de l'aimant, deux systèmes sont possibles.

Ils utilisaient un ILS (interrupteur à lames souples) qui mettait à la masse une résistance d'une dizaine de kilo ohms reliée au 5 volts. Ce système rustique avait un très gros inconvénient, un signal carré de 5 volts qui était véhiculé de la tête du mât aux instruments par du fil non blindé est un gros générateur de parasites, produisant un claquement sur la radio, tout comme le sondeur. Il suffisait de le couper pendant la réception.

Ils utilisent un capteur a effet hall, qui supprime tous ces inconvénients en fournissant un petit signal sur une paire différentielle non bruyante. Le traitement par le microcontrôleur permet de compenser la non-linéarité jusqu'à force 7, au-delà il faut imaginer…
Les systèmes à occultation lumineuse, utilisant une croix de malte et un photo transistor n'ont jamais marché, le sel venant très vite à bout de l'optique.
Il existe un principe très différent, utilisé par les stations à terre mais incompatible avec le brouillard salin. Deux fils identiques sont alimentés en série et constituent les branches d'un pont de Wheatstone. Un fil est à l'air libre, l'autre abrité du vent, plus le vent est fort, plus le fil libre se refroidit, donc sa résistance. La mesure donne une force du vent approximative, mais le sel bloque ce dispositif.
Un autre gadget abandonné car trop imprécis utilisait une pale fixe montée sur jauge de contrainte, couchée par le vent.

Les rotors à axes verticaux, voir aérogénérateurs

, saturent par vent fort et vibrent.

Il existe un autre système très ancien qui présente la grande originalité de ne présenter aucune pièce mobile. Il se compose d'une cage à grillons comportant une série de fils verticaux montés autour d'un tambour central. Le vent refroidit différemment les fils suivant leur position par rapport à l'abri central. Une simple mesure de résistance sur les fils permet de connaître le vecteur vent.
Ce principe est très séduisant en théorie car il peut encaisser des vents très forts, mais présente le très grave défaut de ne pas supporter la pluie avec vent fort qui peut mouiller les fils et surtout les embruns qui laissent un dépôt de sel sur les fils qui fausse toute mesure.
C'est un bon système pour les stations à terre en régions sèches, bien que les stations météorologiques ne l'aient jamais homologué à cause de des problèmes cités. Il est utilisé dans les tunnels des souffleries à cause de sa très grande plage.
Comme le monstre du Loch Ness (ils ont le même âge) il est redécouvert périodiquement et proposé par divers fabricants. C'est l'équivalent marketing des lochs électromagnétiques ou doppler.

En disposant dans un flux d'air un couple émetteur récepteur à ultrasons, il est possible de calculer la vitesse d'écoulement d'après le temps de propagation. Il est facile de comprendre que si l'on place trois couples à 120 degrés (ou mieux quatre à 90 degrés), on en déduira le vecteur vent (vitesse et direction) dans le plan. Ce système sans pièces d'usure semble idéal, mais en pratique, les choses se compliquent. Il faut éloigner au maximum les têtes ultrasons et compenser la vitesse du son en fonction de la température et de la pression. Les têtes sont chauffées pour les dégivrer par temps glacial.
Il existe de très bons systèmes pour la météo professionnelle, mais l'arbre des têtes est trop encombrant pour l'envisager en plaisance et le prix totalement dissuasif.
Il ne faut pas se faire d'illusions sur les performances des petits modèles vendus à moins de quelques milliers d'€uros, ils sont trop rustiques avec les éléments ultrasons trop proches.

La technologie va bientôt corriger le problème des roulements. La recherche a développé pour les micromoteurs rapides des paliers virtuels. Ils n'utilisent plus de bague de frottement ou roulement, l'axe flotte sans contact en suspension dans un champ magnétique toroïdal. Les nouveaux ventilateurs haut de gamme de PC (depuis fin 2000) bénéficient déjà de cette superbe technique. Il n'y a ni bruit, ni vibration, ni usure, ni frottement. La marine intégrant les nouveautés avec un grand retard, cela viendra dans quelques années.

Une girouette est un dispositif destiné à indiquer la direction relative du vent affichée par rapport à l'axe du bateau. Un cadran 360° est complété par une loupe de près et de vent arrière pour amplifier la zone +/- 60°. Une pale équilibrée s'oriente dans le lit du vent. Le même problème des frottements de roulements empêche le fonctionnement par vents très faible, par contre les vents forts ne gênent pas. Ici encore deux grands systèmes ont existé :

Ils utilisaient un potentiomètre. Ce composant était très cher car c'est un véritable exploit technologique. Il doit être étanche, avec une course de 350 degrés (le trou est vent debout), bien évidement sans butée. Le balai est réalisé par un double pinceau en fils d'or, pour ne pas cracher aux oscillations de changement de direction. La piste ne doit présenter aucun mauvais contact par oxydation. Bien peu de fabricants ont réussi à relever le challenge ! Les doubles pistes pour l'amplification au près et vent arrière ont été tentées mais ont été abandonnées car beaucoup trop complexes à réaliser. Un peu d'électronique résout ce problème.
Les nouveaux systèmes ont éliminé ce potentiomètre coûteux. L'axe porte maintenant un aimant et deux capteurs proportionnels à effet hall, montés à 90° sur la platine, résolvent parfaitement ce problème délicat pour moins d'un Euro de composants… La résolution du degré ne pose pas de problème.

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 meilleure linéarisation.

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 le codage Gray), le capteur et cher et 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. Une girouette mécanique fonctionne à la perfection pour un prix dérisoire. Cette girouette est très précise et réactive et permet d’estimer des écarts d’un degré impossibles à voir avec des cadrans. Les pennons sur les voiles qui permettent de visualiser les écoulements sont les compléments indispensables. Les fins barreurs n'ont besoin que de cela. Pour la nuit, il faut installer une petite ampoule protégée éclairant la girouette par-dessous évidement sans être visible de la barre.
La girouette mécanique a pour seul inconvénient qu’il faut lever la tête ce qui distrait de l’observation du plan d’eau.

Ce principe est celui du godet déséquilibré. Il n'y a plus de pale orientable ! C'est pourtant très simple, un des godets est un peu différent des autres et c'est tout…

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 sera 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 aucune d'indication dans les petits airs.

Le succès commercial n’a pas été au rendez-vous et le produit a été retiré des catalogues après une dizaine d’années de présence discrète.

Mon camarade Gérard Samblancat a eu la bonne idée de poursuivre mon travail et de mettre en ligne un article très soigné avec une réalisation clefs en mains, dans le numéro d’Elektor France n° 311 de mai 2004. Qu’il en soit remercié.

Les catalogues proposent des aériens de girouettes anémomètres sans fil.
Les aériens comportent un petit émetteur qui envoie des données codées au récepteur contenu dans le bloc afficheur. Pour fournir l’énergie, le tourniquet de l’anémomètre sera remplacé par une grosse hélice qui constitue un mini aérogénérateur. Cela évite le fil d’alimentation et de signal courant de la tête de mât à l’afficheur lui-même relié à la batterie.
Que faut-il en penser ?

C’est une très bonne idée que de supprimer ce câble à multiples problèmes qui se promène dans le mât ne demandant qu’à s’user ou s’arracher en s’emmêlant avec les drisses et se faire décapiter en pied de mât. La connectique externe source de mauvais contacts est supprimée.
La simplification d’installation est très appréciable.

Le système ne fonctionne que si le vent relatif est suffisamment fort pour alimenter l’électronique. Comme pour le Rotavecta, il ne faudra pas espérer lire d’indication en régate dans les très petits airs. Cela est l’inconvénient majeur en navigation très fine, pour exploiter les risées évanescentes.
Il y a eu des tentatives de couplage d’un minuscule panneau solaire, mais la moindre mouette fienteuse ou les dépôts de sel et de salissures annulent la charge ajoutée.
Pour des questions de taille et de prix, il n’y a aucune de capacité de stockage qui restituerait l’énergie des jours de brise les jours de petit temps…

Pour économiser l’énergie, les trames sont très espacées par vent faible. Cela conduit à un affichage mou, un changement de vent n’est pris en compte qu’avec retard.

Problèmes de réception :
- La réception locale peut être parasitée par les électroniques bruyantes, en particulier par les mauvais convertisseurs et les Wi-Fi du réseau de bord local et les téléphones. Les fréquences ne sont pas identiques, mais le récepteur qui est un vrai entonnoir attrape tour ce qui est proche.
- La réception ne passe pas au travers d’une tôle sur les bateaux métalliques.
- En cas de bateaux proches, au passage d’une bouée en régate, il peut y avoir des interférences avec d’autres matériels identiques, le codage n’étant pas individualisé.

Il faut bien s’assurer que le zéro se règle d’en bas à la console pour compenser un alignement toujours approximatif en tête de mât. C’est généralement vrai, mais il faut toujours le confirmer.

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, mal de mer, paresse à l'approche du but...) qui empêchent de prendre la bonne décision de réduire.
Une girouette est moins utile, sauf en haute compétition. Il vaut mieux regarder les voiles. C'est toutefois une aide la nuit.
Il ne faut pas demander l'impossible à ces 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 mât, 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 mât, cette zone centrale est inaccessible.

L'installation se fait évidemment sur l'avant de la tête de mât, 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 un mât aile tournant en carbone, il est complexe de mesurer fiablement l’angle de rotation du mât pour compenser l’axe du bateau sur les afficheurs.

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.

Alors que les lochs 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 Halll 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 ne se répandra que si le brevet Autohelm s'ouvre !

L'introduction (encore confidentielle et pour les très haut de gammes seulement !) des paliers virtuels sans contact, en remplacement de toutes les bagues et roulements peu fiables.

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 utilisant sur le bus NMEA cap et vitesse du GPS, mais ce gadget offre peu d' intérêt, sauf dans le cas du système expert pour le contrôle du pilote après déclenchement de l'alarme "homme à la mer ".

Un système très original a été tenté. L’idée est simple et astucieuse. L’anémomètre est un classique équipage à aimant tournant.

Un ILS (interrupteur à lames souples) est fixé dans l’axe de la girouette et envoie un top à chaque passage de l’aimant au zéro degré. Rien d’original jusque-là ! L’astuce est que l’équipage girouette embarque lui aussi un autre ILS mobile. Il enverra une impulsion au passage de l’aimant. Vent debout les deux impulsions sont simultanées, vent arrière, le retard de l’ILS mobile est d’une demi période.

L’affichage du pourcentage de retard donne l’angle avec une électronique simpliste. Cela ne marche évidemment pas par vent nul, il faut que l’anémomètre tourne régulièrement pour obtenir une période de référence stable.
La seule difficulté est de transmettre le contact tournant des deux fils de la girouette. Cela a été abandonné à cause du manque de fiabilité des contacts tournants.

Les anémomètres à godets marchent de manière plus ou moins satisfaisante, mais seulement pour des vitesses de vent moyennes.
Il n’en est pas de même des dispositifs de girouettes qui sont parmi les plus médiocres du bord. L’usage montre de nombreux inconvénients.

Le premier n’a aucune solution, le vent en tête de mât est très différent de celui qui nous intéresse au centre de poussée vélique. La plus élaborée des girouettes ne peut pas faire mieux.

Le second inconvénient est lié au retard de l’affichage par rapport au changement de direction. Un bon barreur regardera sa Windex, ses voiles, ses penons et le plan d’eau pour barrer finement mais certainement pas ses cadrans de girouette.

Le troisième inconvénient est le glissement du zéro, très pénible surtout au près, les écarts d’un bord sur l’autre finissant par rendre les instruments inutilisables.
Il n’existe peu de systèmes ergonomiques et pratiques permettant de recaler le zéro et les gains en navigation pour corriger ces inévitables glissements produisant les écarts d’affichage.

Une girouette est très utile pour faire beau dans un tableau d’instruments qui paraîtrait bien pauvre et vide sans ces deux jolis indicateurs.

Le navigateur se servira en priorité de la girouette mécanique, des penons et des brins de laine sur le génois pour naviguer finement, mais les instruments aident dans certaines circonstances et sont plus simples à interpréter pour les débutants.

Les girouettes sont toujours montées trop près de la tête de mât. Ce n’est pas vraiment très gênant par petit temps car les écoulements sont assez linéaires, mais quand le vent forcit au-delà de 5, aux allures portantes, la tête de mât est soumise à de grosses perturbations en particulier quand le bateau tangue dans la houle (le roulis diminuant l’effet). En observant les instruments vous constaterez une fluctuation de l’indication qui peut pomper entre zéro et trente nœuds avec des sautes de direction erratiques.
Non le vent n’est pas devenu fou, l’électronique n’a aucun problème c’est simplement que les écoulements sur la tête de mât sont très turbulents. Avec le même matériel, sur un bateau mouillé à proximité, le vent affiché serait bien constant. Observez la girouette, vous verrez le moulinet s’arrêter, et repartir en arrière puis dans le bon sens avec la pale agitée dans tous les sens.
Pour éviter ce comportement catastrophique, il n’y a qu’une seule solution ! Ne pas monter l’embase de la girouette à plat sur la tête de mât, mais la surélever de quelques dizaines de centimètres par un petit poteau carbone ou alu bien rigide. Cela dégagera la tête des turbulences et rétablira un affichage stable.

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