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Indicateur de Position Inertiel pour ascenseurs

Une nouveauté ancienne


Détails & généralités
Gyroscope électrique
Historique

Dans les années 90 les nouvelles normes européennes concernant les ascenseurs ont, entre autres, amené le problème de l'affichage du niveau dans les petits immeubles de 4-5 étages équipés d'armoire à relais simples sans affichage de niveau et sans liaisons disponibles avec la cabine. Le coût pour l'ajout d'un afficheur de niveau était élevé pour de petites installations. C'est sur cette base qu'est née l'idée de réaliser un afficheur capable d'indiquer l'étage sans aucune liaison matérielle avec l'extérieur de la cabine. Au départ les ultrasons ont été essayés, il s'agissait de déduire la distance entre la cabine et le plafond (qui supporte le treuil) pour en déduire par calcul l'étage. Les nombreux pièges qu'apportent les réflexions aléatoires qui apparaissent dans une gaine d'ascenseur ainsi qu'une installation pas nécessairement aisée ont amené à l'abandon de l'idée. Quelques années plus tard, à la suite d'un défi du genre : "c'est impossible, ça ne peut pas marcher..." votre webmaster décida de développer une de ses idées anciennes sur l'argumentation suivante : si l'on peut positionner un avion de chasse dans un vaste espace 3D depuis son point de départ par sa centrale de navigation inertielle on doit certainement pouvoir localiser une cabine d'ascenseur qui se déplace en 1D à 80 cm/s dans une gaine de 25 mètres de haut !
L'appareil décrit n'a plus d'utilité aujourd'hui, les armoires de contrôle ayant été remplacées par des armoires à technologie micro-contrôleur ou des liaisons ajoutées entre armoires et cabine, etc. (Une application de maintenance consistant à identifier et localiser les zones éventuelles de vibrations a été envisagée)
Néanmoins cet objet mérite d'être décrit ne serait-ce que parce qu'il existe, qu'il fonctionne et qu'il a requis pas mal de travail, mais surtout pour l'intérêt qu'un amateur peut éventuellement avoir pour un type de composant comme les accéléromètres intégrés simple axe ou double axe, maintenant très abordables en dehors du milieu industriel.


Description sommaire

Principe de fonctionnement

Un capteur d'accélération ADXL105 (Analog Devices) interfacé avec un microcontrôleur de la série PIC16C715 cadencé à 8 MHz, un jeu de roues codeuses contenant les caractéristiques de l'immeuble, un afficheur principal donnant l'étage, deux afficheurs visibles seulement pour le service et sur lesquels on peut lire :

  1. les accélérations (sur 3 digits XXX - cm/s²);

  2. la vitesse de la cabine (sur 3 digits XXX, cm/s);

  3. la distance parcourue entre chaque arrêt (sur 3 digits XX,X m, dm);

ainsi qu'un indicateur d'occupation du processeur.

La position de la cabine est calculée à partir des accélérations positives ou négatives, du temps de voyage de la cabine ainsi que des caractéristiques de l'immeuble programmées à l'installation laquelle se résume à part ça à fixer le boîtier sur la cloison à l'endroit adéquat et à connecter l'adaptateur basse tension à une source présente en permanence dans la cabine.
La complexité du programme réside dans l'identification des événements et dans la gestion des nombreuses situations pouvant amener à la perte de synchronisation entre la position de la cabine et l'affichage. Dans un tel cas l'API se resynchronise très rapidement par l'analyse de différents facteurs, de nombreux cas sont prévus. La totalité de la mémoire disponible est utilisée.



Extérieur du prototype d'afficheur inertiel (sans filtre - afficheur principal temporaire)

Affichage de la vitesse 1,00 m/s dans cet exemple.
Intérieur : Au centre l'afficheur principal (dimension temporaire) en mode normal qui affiche le niveau 5, et les deux afficheurs de service normalement éteints, en bas le bloc de commutateurs contenant les données de l'immeuble Intérieur : la carte des afficheurs enlevée. En haut au centre l'accéléromètre, sur la partie droite la base de temps, en bas à gauche le PIC16C715 en version développement


Vue de l'accéléromètre ADXL105 en version "évaluation" Vue des commutateurs de programmation


Trouver le Nord avec des vieux disques durs?
pas vraiment avec ce montage mais...

en travaillant très fort et très bien on pourrait presque...

Ce montage très imparfait ne sert qu'à illustrer le comportement d'un gyroscope monté sur double cardan.
Ne jetez plus les disques durs périmés mais si précis en terme de qualité mécanique, des montagnes de disques durs croupissent en tas quelque part dont des Caviar 2100, 22500 entre (1 Go et 2,5 Go). Au moins quatre h.d. de même marque sont nécessaires, les plus intéressants seraient de type 2100 et de type 22500, les premiers faciles à trouver pour récupérer 10 plateaux, l'autre pour l'espace disponible sur le "spindle" afin d'empiler le maximum de plateaux, ce modèle en comporte 14 au total.
Tout est récupérable, y compris la visserie, les plateaux magnétiques, les axes montés sur roulement à billes des têtes de lecture (après sciage du plastique au dessus des bobines), les circuits imprimés.
Le maximum de plateaux sera monté sur l'axe moteur (spindle) afin d'obtenir plus d'inertie gyroscopique.
Dans l'exemple montré sur les photos deux h.d. on été raccourcis et remontés face à face, les cadres sont constituées de profilé d'aluminium en U de 3/4" (16 mm) et de L de 1/2"x3/4" (13x19 mm).
L'alimentation électrique des disques se fait pour ce modèle d'expérience par des vis en laiton (4-40) partiellement vissées au centre des roulements à billes remplissant ainsi le rôle de contacts glissants (mais limitant le nombre de rotations dans le même sens), les deux roulements insérés dans le circuit +12 volts sont isolés, des broches recevant les fils d'alimentation sont soudées sur les têtes de vis et les fils équipés de connexion adéquate courent à la sortie suivante dissimulés dans les profilés en U.

Sur chaque carte de contrôle un régulateur 7805 est inséré entre le +12V et le +5V, le cadre fixe reçoit les bornes d'alimentation : le négatif à la masse et le +12V en provenance d'une source adéquate au travers d'un relais (contact NFermé) excité par un générateur de fonction configuré: ondes carrées, fréquence approximativement entre 1/20Hz et 1/30Hz, voltage adéquat, les microcoupures générées lorsque le relais retombe au passage à zéro permet d'entretenir la rotation du moteur par réinitialisation du processeur.

Les critères suivants doivent être approchés au mieux :
  • les 2 axes caractéristiques du cardan et l'axe de rotation du gyro doivent se couper sur son centre de gravité, ce qui n'est pas facile,
  • les cadres doivent être rigides, parfaitement d'équerre avec les axes pivots dans tous les plans, ce qui n'est pas non plus facile, mais comme il ne s'agit pas de trouver le Nord...
  • Une fois le modèle assemblé, non alimenté, les mouvements autour des deux axes de liberté doivent être sans point dur, l'ensemble posé dans n'importe quelle orientation, le gyro et le cadre mobile doivent conserver leur position.
Le montage, tel qu'il a été réalisé, permet tout de même l'observation aisée du phénomène de précession par plusieurs personnes simultanément, un jeu de broches mâles et femelles connectées aux pistes coupées alimentant le moteur de chaque gyro permet d'inverser leurs sens de rotation (un côté inversé pour obtenir la précession). Egalement un verrouillage mécanique permet d'immobiliser le gyro sur la cage mobile annulant ainsi le phénomène de précession.

Un gyroscope suspendu à la cardan à partir de disques durs périmés

Les deux disques durs constituent un gyroscope, l'ensemble sur son axe ici horizontal est inséré dans le cadre mobile dont l'axe de rotation est ici vertical.
Si l'équilibrage est réussi, le gyro et le cadre porteur restent stables sur leurs axes quelles que soient les orientations données ultérieurement. On peut apercevoir les 2 contrepoids d'équilibrage montés symétriquement sur des cornières fixées à chaque disque.
Pour l'occasion les contrepoids sont constitués de ferrites de protection EMI pour câble plats, des aimants ronds de 12,5 mm sont utilisés de chaque côté pour affiner l'équilibrage ! En haut et en bas du cadre porteur fixe, les roulements à billes de l'axe, ici vertical, sont immobilisés par des plaquettes et des entretoises filetées (idem pour l'axe porteur du gyro). Le verrouillage mécanique du gyro sur la première cage n'est visible sur aucune des images.




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Gyroscope électrique

Détails & généralités

Les roulements à billes de l'axe porteur du gyroscope dans son cadre mobile sont montés sur deux plaquettes cuivrées enserrées par des cornières 13x19x2 mm, le déplacement de ces plaquettes participe à l'équilibrage du gyro autour de l'axe porteur. Un espace de moins de 1mm sépare les deux moteurs. On aperçoit la vis laiton alimentant le cadre au travers de l'axe du roulement à billes lui-même isolé par une feuille de plastique.
Ce système de contacts glissants utilisé pour la démo peut être facilement amélioré.



Prêt pour l'expérience de Foucault et en route pour le Nord

Vue avant du nouveau gyroscope constitué du volant gyroscopique provenant d'un jouet, adapté et monté sur un moteur de disque dur (spindle). Là, ça commence à devenir intéressant. Vue arrière de l'ensemble réintégré au cadre du jouet.
Voir plus bas une version plus pratique de ce montage.



Mise en suspension magnétique du gyro autour de l'axe vertical


Gyrocompas

Cette expérience applique les propriétés physiques du gyroscope telles qu'elles le sont depuis longtemps dans l'équipement de marine, les personnes non impliquées dans ces professions ont peu de chances de rencontrer ces technologies. Plusieurs sites existent autour des mots "gyroscope", "gyrocompas", "gyrocompass".
L'expérience s'appuie sur les deux propriétés fondamentales des gyroscopes : rigidité de l'orientation dans l'espace et précession combinées à la gravité et la rotation de la planète.
Suspendu à la manière d'un pendule, en rotation dans le sens horaire (vu de l'extrémité Sud) autour de son axe horizontal orienté O-E, donc perpendiculaire au méridien, le gyroscope est libre en rotation autour de son axe vertical et libre de décrire un cône de révolution de 6° d'angle max. limité par le diamètre intérieur de la bobine primaire du transformateur rotatif. La rigidité gyroscopique combinée à la rotation de la Terre dans le sens Ouest-Est amène la force de gravité en dehors de l'axe du pendule en direction de l'Est et conséquemment provoque l'apparition d'un couple sur l'axe horizontal au droit du plan de rotation ; ce couple entraîne la précession du gyroscope à l'Ouest, passé le point neutre du méridien, ce couple diminuera puis s'inversera (bilan de l'énergie potentielle emmagasinée par le pendule) et la précession sera vers l'Est, l'axe de rotation du gyroscope aligné NS, horizontal, correspond à un minimum donc à une position stable... à l'équateur, oui mais à 45° de latitude?
Supposons l'amortissement de l'oscillation N/S terminée, le gyro maintenant rigide et sans couple perturbateur va sembler dériver à l'Est conséquence de la rotation du globe et de l'angle formé entre l'axe N-S du gyro et l'axe de rotation de la terre. Des astuces seront nécessaires pour régler ce problème et beaucoup d'autres lorsque l'on placera ce gyroscope à bord d'un vaisseau navigant à vitesse variable, dans une mer déchaînée, à n'importe quel cap, dans les deux hémisphères et que l'on demandera ± 0,5° max. d'erreur.

Modifié
  • De chaque côté : l'électronique de contrôle du "spindle", qui utilise en sortie le circuit intégré : L6232, récupéré sur la carte de contrôle du disque dur, au bas, la bobine secondaire du transformateur assurant sans frottement, le transfert de l'énergie requise pour l'alimentation du moteur.

  • En haut l'aimant permanent nécessaire à la suspension magnétique et la rose des vents 32 points, 360° qui permet d'observer le comportement du gyroscope. Cela constitue la base d'un gyrocompas de type "pseudo-pendulaire", "pendulaire" car à l'évidence on a une masse suspendue librement en dessous d'un point d'articulation, mais "pseudo" car un vrai gyrocompas de type pendulaire oscille autour d'un axe passant par le centre de gravité du gyro.


  • Modifications (curseur sur image) :
  • Carénage du volant afin de réduire les perturbations générées par le phénomène de pompage d'air.
  • Essai d'un système d'amortissement balistique tel qu'utilisé dans certains gyrocompas : deux réservoirs de liquide disposés l'un au sud et l'autre au nord, reliés par un tube, complété par un contrôle de la vitesse de tranfert du liquide entre les deux.
Vue du gyroscope "suspendu" magnétiquement, moteur à l'arrêt, dans sa cage elle même suspendue à la cardan.
De chaque coté une carte servo : l'une contrôle la suspension magnétique du gyroscope (en mode "opto") et l'autre adaptée, fournit l'énergie à la bobine primaire du transformateur rotatif.
Le système de suspension cardan est celui décrit en début de page, il n'est pas indispensable mais il rend l'expérimentation plus facile : mobilité, pas de soucis de remise a niveau... le nouvel emplacement trouvé, les deux axes de liberté sont verrouillés. (l'expérience doit débuter avec le secondaire du transformateur rotatif bien centrée dans la bobine primaire)

Quelques valeurs concernant le gyroscope :
Poids total en suspension : 300 g
Position du centre de gravité : sur l'axe vertical de symétrie, à environ 72 mm du haut (13 mm en dessous de l'axe de rotation)
Volant (partie métallique) :
Poids : 82 g
Diamètre extérieur : 62 mm ;
Diamètre intérieur : 42 mm ;
Epaisseur : 9,5 mm .
Vitesse de rotation : Réglable de 80t/s à 100 t/s (4800 à 6000 t/mn).



En lévitation, le moteur de disque dur trouve le Nord !

  • Le gyroscope en rotation à 90 tours/s sur son axe orienté O-E, va entraîner très lentement la rose des vents et pointer son axe au Nord après un cycle d'oscillations amorties.

  • La suspension magnétique du gyroscope permet, par l'absence totale de friction et malgré sa modeste inertie gyroscopique, d'obtenir une grande sensibilité aux très faibles forces mises en oeuvre.
Note : Un défaut inhérent à ce montage : le couple de renversement s'applique légèrement décalé de l'axe vertical passant par le centre de gravité du volant... Une masse de 2g non visible, réglable, orientable Nord/Sud a été ajoutée en bas de la structure.
Après une demi heure, le gyro et sa rose des vents pointent fixement au nord : l'index indique 318°, valeur crédible pour l'orientation du building relevée sur une carte urbaine et aussi confortée par une mesure du Nord magnétique relevé en extérieur.

A bord d'un navire c'est plus simple : on dispose pour chaque port de cartes marines sur lesquelles tous les quais sont référencés, il suffit alors d'aligner correctement la coque au long du quai et de comparer le cap donné sur le gyrocompas avec la valeur donnée par la carte pour l'emplacement correspondant (de plus on a aucun doute sur la qualité du gyrocompas...)

Note : Cette expérience n'est pas facile et demande une certaine précision dans sa réalisation mécanique : répartition des masses, alignements des axes, les symétries, réglage du système d'amortissement éventuel, etc.

Le fichier de la rose des vents en [.pdf]


Détails & généralités

Gyroscope électrique
Intégration d'un circuit très simple


Video - cliquer sur l'image

Video 750 ko (.AVI) (cliquer sur l'image)
Suggestion de volants gyroscopiques [.pdf]

Circuit de base alimenté en ±12Vcc

Un circuit très simple et peu couteux, intégrable à la structure du gyro permet la réalisation d'un gyroscope électrique à partir d'un moteur de disque dur.
Le démarrage est automatique et a permis d'obtenir en régime continu : 200t/s - 12000 t/m, (testé jusqu'à 300 t/s, - 18000 t/m). La vitesse maximum raisonnable pour les roulements à billes de ces moteurs anciens ainsi que pour l'électronique semble se situer aux environs de 100 t/s à 170 t/s (6000 t/m à 10200 t/m). Dans cette démo la vitesse est de 125 t/s (7500 t/m). pour ±12.5 V.
Le volant et la structure de la démo proviennent toujours du même gyroscope jouet montré plus haut.

Attention sécurité : risques de brûlures notamment, voir la note qui suit.

Note sécurité : Le cercle entourant le volant devient insuffisant dans le cas d'un gyroscope électrique, le volant doit absolument être enveloppé de telle façon qu'il soit impossible que des doigts entrent en contact avec le pourtour du volant, ou pire être pris entre la structure et le volant. Le support de pivot doit être fixé sur une surface plus grande afin d"assurer sa stabilité. Pendant les phases d'accélération et d'arrêt (interupteur sur un des 2 fils du 12 Vca) maintenir la structure du gyroscope, autrement il suffit de le sortir du support et de le poser sur la table.

Circuit de base [.pdf].

Video - cliquer sur l'image

Video 700 ko (.AVI) - (cliquer sur l'image)
Circuit alimenté en 12 Vca


Le circuit de base, complémenté d'un circuit d'alimentation symétrique (±12 V typique) régulé et ajustable, assume la limitation de courant et le démarrage progressif au moyen d'un simple adaptateur murale 12 Vca. Alimentation par 2 fils - 1 fil en utilisant le support modifié.
La répartition des composants sur le circuit imprimé tend à garder le CM sur l'axe de rotation. Dans cette photo-vidéo le CM de l'ensemble du gyroscope est situé en dessous du CM du volant gyroscopique, même après une forte perturbation, l'axe de rotation du volant revient à la verticale.

Circuit complet [.pdf].



Video 600 ko - (.AVI)


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