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Anémomètre à ultrasons – Vitesse et direction du vent

Les stations météos sont de plus en plus répandues dans nos maisons (et jardins) et, de plus en plus, on découvre des tutoriels pour fabriquer sa propre station météo.

Il y a quelques temps, j’avais fait des recherches autour de la mesure du vent et j’étais tombé sur une technologie qui m’avait fortement intéressé.

Dans cet article, je vais vous présenter les anémomètres à ultrasons. (Whaou ça fait vachement futuriste… mais en fait non 🙂 )

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Présentation de l’anémomètre à ultrasons

La méthode classique

On connait tous les anémomètres classiques permettant de récupérer la vitesse du vent et les girouettes pour avoir la direction du vent.

anemometre_girouette

Illustration d’un anémomètre + girouette

Son fonctionnement est assez simple. Le vent fait tourner une sorte d’éolienne et la vitesse est traduite de différentes manières possibles. (magnétiquement, mécaniquement ou électroniquement).

Pareil pour la girouette, selon le vent, sa direction sera déduite mécaniquement.

Alors, vous l’aurez remarqué, le maître mot de ce type d’anémomètre est que tout est « mécanique« . Et c’est assez logique d’utiliser cette méthode pour en déduire la force et la direction du vent.

Mais ces capteurs sont-ils précis ? Je me suis toujours posé la question car dès que l’on parle d’exploitation mécanique, on peut s’attendre à une incidence sur la valeur réelle. Il y a forcément des pertes, un entrainement, une inertie …

Du coup, en cherchant sur ce sujet, je suis tombé sur un type de capteur particulier.

Les ultrasons

Au départ, moi je ne connaissais les capteurs à ultrasons uniquement pour une fonction:

« Evaluer la distance d’un objet ».

Pour nous, les bricoleurs du dimanche, on connait tous ce genre de capteur facilement exploitable avec un arduino ou autre.

Capteur-ultrasonique-HC-SR04-Module-de-mesure-de-distance

Hé bien, les ultrasons peuvent être utilisés pour une autre fonction : la vitesse et la direction du vent.

Alors pour vulgariser grossièrement, le principe est d’obtenir la vitesse du vent en calculant la durée de déplacement d’une onde ultrasonique. Grosso modo, le vent va influer sur cette onde (son temps de propagation).

On place donc un émetteur et un récepteur à une distance connue et on va calculer le temps de propagation de l’onde. Selon la vitesse du vent, cette onde sera ralentie (ou accélérée) et on pourra en déduire sa vitesse.

Plus la distance est grande entre les deux sondes, plus c’est précis et pour obtenir un capteur plus petit sans dégrader la précision, on fait rebondir l’onde. 🙂

Pour la direction, même chose, on utilise 4 capteurs à ultrasons (placés stratégiquement en coordonnées) qui permettront d’obtenir la direction du vent en déduisant la propagation de l’onde.

Voici le principe de fonctionnement (tiré de la datasheet de mon appareil) :

Principe_general_ultrason

Si vous souhaitez avoir plus d’informations sur le fonctionnement de tous les anémomètres (il y en a pleins) et en particulier les ultrasons, vous pouvez suivre le lien suivant : Wikipédia

Les avantages / inconvénients

Bien entendu, cette technologie existe car elle a des avantages :

Les atouts

  • Pas de pièces mécaniques :

En effet, contrairement à l’anémomètre classique, l’anémomètre à ultrasons n’a aucune pièce mécanique et ceci lui permet de limiter l’entretien, de résister dans le temps (pas d’usure) mais pas que …

En effet, l’anémomètre mécanique a forcément une inertie qui ne lui permet pas de mesurer précisément des rafales de vent (ou bourrasques). D’ailleurs, il subit souvent aussi un effet d’entrainement qui ne lui permet pas d’avoir une valeur précise dans un laps de temps court.

  • Un encombrement plus petit.

De part la technologie, l’anémomètre à ultrasons prend beaucoup moins de place q’un anémomètre + girouette classique. En effet, la vitesse et la direction sont mesurées par les mêmes capteurs.

  • Mobile et adaptable

Ce type de capteur associé à d’autres peut permettre d’améliorer les mesures mais aussi de rendre une station météo mobile.

Par exemple, si on associe cet anémomètre à un GPS et un compas, on peut facilement déterminer la vitesse et la direction du vent tout en étant mobile. Et ça, c’est génial ! (C’est difficilement faisable avec un anémomètre classique).

Les points faibles

Comme on pouvait bien entendu l’imaginer, l’anémomètre à ultrasons coûte plus cher. Il est aussi beaucoup moins répandu dans le commerce.

Mon achat

Alors comme je viens de le dire, ce type d’anémomètre est cher et peu répandu. Donc pour m’en procurer un, pas trop cher, j’ai pas mal galéré et j’ai arrêté mon choix sur celui-ci :

HY-WDC2E-Mini-Low-Price-Ultrasonic-Anemometer

Que vous pouvez retrouver sur le site Alibaba.

Le prix de 265$ est plutôt correct pour cette gamme de produit.

Plusieurs options d’interfaçage sur cet anémomètre:

  • RS232
  • RS485
  • SDI-12 (que je ne connais pas)

Plusieurs choix protocolaires :

  • MODBUS-RTU
  • NMEA-0183

J’ai choisi le couple RS232 + NMEA-0183.

Alors pourquoi RS232 ? Tout simplement parce que c’est un standard que j’apprécie et que je maîtrise.

Pourquoi NMEA-0183 ? C’est un protocole particulièrement adapté pour le RS232. Facilement déchiffrable (notamment visuellement). C’est un protocole très utilisé dans les stations météo mais aussi pour les données GPS.

Récupération des données du capteur

Bon c’est bien jolie d’avoir ce capteur mais maintenant, il va falloir récupérer les données pour les interpréter.

Alors comme dit auparavant, j’ai choisi un interfaçage en RS232. Bien entendu le constructeur m’a envoyé la datasheet avec les spécifications suivantes :

technical_datas

RS232

Alors attention, on confond souvent RS232 et TTL. Mais le RS232 « natif » est physiquement différent car les signaux varient, en général, entre -12v et +12v.

Rs232_oscilloscope_trace.svg

Donc bien évidement, il ne faut pas brancher l’interface directement sur un micro sous peine de provoquer quelques dégâts.

Cependant, pas de panique, il existe un composant (très connu) permettant de remonter le signal dans les plages positives.

Le driver MAX232 de chez Maxim

On peut trouver ce composant un peu partout Amazon, Aliexpress, etc …

Il permet en entrée de prendre le signal RS232 et de ressortir un signal TTL pour être exploiter par un micro.

Voici la Datasheet

Voici un schéma de montage type :

 

 

En entrée RS232_TX et RS232_RX et en sortie vers un ESP.

Montage électronique

Bon, le montage est très simple. Vous pouvez utiliser une plaque à trous (comme sur la photo) mais personnellement et pour étendre le projet, j’ai fait aussi fabriqué un PCB (avec pleins d’autres chose dessus) mais on verra ça dans un futur article.

Voici à quoi ça ressemble une fois montée :

Max232max232 ultrason anemometre

Comme on peut le voir c’est assez simple (quand on prend le temps de lire la datasheet des composants ;))

Il ne reste plus qu’à brancher à l’ordinateur avec un convertisseur USB-TTL et à ouvrir un terminal

Voici le paramétrage de connexion :

9600 bauds 8N1

Et magie !

données vents

Chaque seconde, une trame de données est remontée. Voilà à quoi correspond les données :

NMEA_protocol

Et voici ce qui se passe si je souffle dessus :

datas_vents_ultrasons

On s’aperçoit que la direction du vent change et que la vitesse (en m/s) aussi.

Sur cet exemple on voit clairement la finesse et la réactivité de l’anémomètre. En effet, rien qu’en regardant les valeurs, on voit que j’ai soufflé 2 fois en 7 secondes.

Avec un anémomètre classique… impossible. On aurait vu une valeur augmenter progressivement, redescendre, puis ré-augmenter sans repasser par 0.

Dommage que je n’ai pas pu faire la comparaison pour cet article, mais pour avoir déjà manipulé, c’était le cas.

Maintenant que l’on arrive à récupérer les données de l’anémomètre sur un port série, il ne reste plus qu’à traiter l’information soit avec un microcontrôleur, soit avec un ordinateur.

Pour ma part, je vais utiliser un ESP32 dans le cadre d’un projet pour une station météo mobile, mais ça sera pour un autre article. 😉

Conclusion

Comme vous avez pu le voir, l’anémomètre à ultrasons est redoutable. J’adore vraiment la technologie et son principe de fonctionnement. (Et puis ça change réellement des habitudes). Malgré son prix élevé, sa mobilité et sa capacité d’adaptation ouvre la porte à de nombreuses perspectives.

Associé à d’autres capteurs électroniques et avec un peu de mécanique, je vais tenter de vous proposer un projet complet pour une station météo mobile.

Du coup, je vous proposerai un article pour chaque partie / concept du projet. N’hésitez pas à réagir et à me dire dans les commentaires si ce sujet vous intéresse.

Je suis ouvert aussi aux idées et savoir quelles fonctionnalités vous aimeriez avoir sur une station météo mobile (ou pas).

A bientôt.

 

2 comments

  1. Merci pour cet article,
    j’avais déjà cherché les moyens de faire un anemometre, mais pour des questions de coûts je m’étais arrêté sur les sondes Pitot.
    Mes recherches avaient débutaient suite a la découverte de la station netatmo. D’ailleurs leur anemometre a ultrason coûte beaucoup moins cher que le vôtre. Je suis même étonné que vous ne soyez pas parti sur celui ci, vous qui êtes fan de deboggage RF 😉

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