Sondeurs à ultrasons dépannage et autres applications originales

 

 

 Principe d'action

Applications originales de la sonde à ultrasons déjà installée sur le bateau. Toutes ces applications utilisent la sonde déjà en place pour divers usages liés aux activités sous-marines. Soit le sondeur est modifié, soit un petit relais est rajouté à proximité de la prise au dos du sondeur et redirige la sonde vers l'application.

Il existe bien d'autres applications ultrasons sous-marines trop pointues pour être publiables ici car liées à des technologies protégées, je ne parlerai ici que des applications publiques. Je mets cette page dans la section électronique plutôt que dans la section voile, bien que l'application soit typiquement sinon marine, du moins sous-marine…

 

 Rappel du fonctionnement des sondeurs

Un sondeur, tout comme un radar (mais avec antenne fixe et sur une basse fréquence), envoie une impulsion puissante et très brève dans une antenne (un cristal piézo pour un sondeur), puis se met en réception pendant un temps très long pour écouter les échos en retour. Le récepteur est très sensible, son gain augmente avec le temps à compter du top d'émission, plus les échos arrivent tard, plus ils sont faibles (la surface de la calotte sphérique du front de l'onde augmente comme le carré de la distance, et comme il y a aller-retour un facteur 4 intervient).
Petit rappel de physique de collège :
Le son se propage environ à 1500 m/s dans l'eau et 330 m/s dans l'air, alors que la lumière et les ondes radio ont une vélocité de 300 mille kilomètres/s.

 Principe des sondeurs historiques à bras tournants

Pour mémoire, voyons le fonctionnement très simple des antiques sondeurs à bras tournants :

Un moteur fait tourner un bras à vitesse régulée. Ce bras comporte deux éléments :
Un petit aimant qui au passage à zéro devant une bobine fixe provoque un pic de tension qui déclenche la brève émission ultrasonore puis met le sondeur met en réception.qui donne le top zéro de déclenchement de l'impulsion en passant devant une bobine.
Un élément d'affichage, autrefois un néon, comme dans les "Seafarer " de 1960, puis ensuite une led. L'alimentation se fait par un frotteur carbone (simple mine de crayon) frottant sur une piste du bras, le retour par l'axe et la masse du moteur.
Après un aller-retour sur le fond, un faible écho revient, est amplifié et allume la Led. 
Le bras a tourné pendant cette attente et la position de l'éclat indique la profondeur, la vitesse du moteur étant réglée par exemple pour un tour correspondant à 20 mètres de fond en fonction de la vitesse moyenne de propagation du son dans l'eau.
Il est très simple de connaître la vitesse du bras. 
Sur l'échelle 20 mètres, l'écho devra parcourir l'aller-retour soit 40 mètres. La vitesse du son étant de 1500 m/s, il faudra faire un tour en 40/1500 seconde soit (1500/40)*60= 2250 tours/minute.
Sur l'échelle 120 mètres, la vitesse sera 6 fois plus faible, soit 375 tours/minute.

Cela était d'une simplicité géniale et réalisé avec une électronique à transistors minimaliste, bien avant les premiers microcontrôleurs qui équipent nos matériels actuels beaucoup plus évolués.
Ces matériels rustiques permettaient d'apprécier la nature du fond avec un peu d'habitude en examinant la trainée lumineuse, ce que ne permet pas du tout un affichage simplement numérique et qui ne se retrouve que sur les enregistreurs bien plus complexes. Ils étaient plus fiables que les matériels modernes et très faciles à dépanner.

Attention à l'affichage pervers, sur l'échelle 20 mètres, un écho à 25 mètres sortira au tour suivant soit 5 mètres affichés. Il faut lever le doute en changeant d'échelle et en jouant sur le gain.

 Sondeurs modernes

Les sondeurs à affichage numérique n'ont plus de bras tournant. Une horloge donne le top synchro et un compteur mesure le temps d'arrivée du premier écho significatif. La profondeur est affichée en multipliant simplement ce temps par 1500/2 (aller retour).

Comme pour un radar, la même " antenne " (cristal piezo électrique) sert alternativement à l'émission et à la réception. Un affichage donne le résultat, distance en chiffre du premier écho pour un simple sondeur, balayage horizontal pour un sondeur enregistreur, balayage radial pour un radar. Revenons maintenant au cas du seul sondeur à ultrasons.

L'idée de cet article est d'utiliser la sonde en place pour d'autres applications en profitant de son excellent emplacement et de ses performances.

Il ne faudra pas oublier que dans les applications décrites par le suite, les systèmes ne fonctionneront que dans le cône d'éclairage de la sonde, en gros +/- 30 degrés pour nos petits modèles, moins pour les sondeurs professionnels. Les petits sondeurs travaillent autour de 200 kHz, les gros 50 kHz et moins.

Je décrirai le principe de quelques applications, et détaillerai en privé celles qui suscitent un intérêt.

 Le défaut des afficheurs digitaux

Dans les systèmes anciens à bras, le cerveau du navigateur interprétait une variation d'intensité sur un cercle pour déterminer la profondeur, en fonction de la luminosité et de la stabilité et du gain. Cette approche fine se retrouve aussi sur les enregistreurs à écran ou papier.
Les sondeurs à simple afficheur ne montrent qu'un chiffre, ne laissent plus aucune place à l'intelligence, ils affichent un résultat calculé par un programme astucieux. C'est une sécurité illusoire qui enlève le sens critique de l'opérateur, des confusions se produisent suivant la nature du fond et des couches de densité différente.
Cette approche fait perdre beaucoup d'information sur la nature et l'évolution du fond, un enregistreur est bien meilleur pour ceux qui ont le sens marin. Pour l'utilisation sur un voilier, surtout limitée à mesurer quelques mètres d'eau sous la quille au moment de mouiller, cela est peu important, mais la nature du fond (rocher et failles, sable algues ou posidonies) est totalement perdue.

Nous retrouvons une problématique identique du prédigéré, avec le GPS. Il a tué la règle Cras et le sextant et rend le navigateur totalement assisté en lui enlevant toute analyse critique, et en lui faisant perdre le faculté de savoir faire un point et d'utiliser une carte.

 Perte d'écho

Les sondeurs à afficheurs présentent un autre problème quand l'écho est perdu, en particulier quand le fond augmente. Beaucoup de modèles ne l'indiquent pas bien et gardent affiché un chiffre erratique, en faisant parfois flasher l'indication, mais cela est très ambigu. Il serait préférable de montrer des barres à la place des chiffres sans signification.

 Nous n'aurons bientôt plus besoin de nous mouiller le ciré pour naviguer, un bon logiciel saura sortir le bateau du port, une caméra vidéo nous restituera les meilleurs moments, et avec le son d'ambiance nous pourrons depuis le fauteuil du salon prendre parfois le main en télécommande assistée. Les moments clefs (naufrage, planche à voile cisaillée, nageur broyé, seront archivés pour pouvoir les revendre à vidéo gag). Évidement le logiciel interdira de faire n'importe quoi et annulera les décisions qu'il ne jugera pas bonnes.

 Sondeurs enregistreurs

Les sondeurs enregistreurs lcd voient leur prix baisser suivant les mêmes règles que celles expliquées pour le radar. Ils donnent beaucoup plus d'informations qu'un simple chiffre. Ils sont indispensables pour la plongée et la pêche. Sur nos voiliers, ils n'ont pas encore pu trouver leur place pour une simple question d'encombrement. Au moment du choix, n'hésitez pas, si vous trouvez un emplacement pour l'intégrer dans le cockpit à portée du barreur, optez pour l'enregistreur.
Les gammes évoluent pour intégrer de petits écrans compatibles avec les lignes d'instruments actuelles.

Sur le plan technique, c'est très simple, le spot ne tourne pas comme avec un bras mais balaye l'écran verticalement, le balayage lent horizontal simule le déroulement d'un papier (comme un téléviseur tourné de 90 °). La couleur n'est pas indispensable mais agrémente l'affichage.

 

 Sondeurs panoramiques

Ces matériels autrefois réservés aux professionnels, commencent à être disponibles pour la plaisance. Le sondeur EME Echopilot, par exemple, est un mini sonar plaisance qui offre une bonne vision vers l'avant.
Les sondeurs à vision avant sont une superbe extrapolation des simples enregistreurs. Ces affichages donnent une mine d'informations sur l'espace sous-marin autour du bateau. La puissance des microcontrôleurs permet toutes sortes de représentations spatiales du fond en trois dimensions. C'est un vrai bonheur pour naviguer entre les cailloux ou faire une approche dans un mouillage peu profond.
Il est normal que le prix de ces matériels soit de quelques fois supérieurs à un simple enregistreur.

La taille du boîtier d'affichage complique l'installation sur voiliers comme pour les enregistreurs, mais le problème majeur est toutefois la taille de la sonde.  Il est évident qu'une vision multidirectionnelle impose une sonde très proéminente. Cela est un casse-tête pour l'installation sous la coque, mais il ne peut exister d'autre solution. Une sonde escamotable électriquement n'est pas possible sur nos petits bateaux, le prix serait prohibitif et le diamètre de perçage difficilement acceptable dans cette zone sensible de jonction des demi-coques (la sonde doit être centrée).

 FAQ sondeurs

 Sondes et antifouling

Certaines publications vous menacent d'excommunication si vous peignez la sonde à l'antifouling. Il faut raison garder et voir les conséquences de ce crime. Sur le plan de la performance absolue, il est vrai que cela produira une absorption qui se traduira par une baisse de la résolution à la profondeur maximale. Si vous faites de l'océanographie dans la fosse des Mariannes, ne peignez pas la sonde, envoyer un plongeur la brosser chaque jour. Si vous êtes plaisancier et utilisez le sondeur pour mouiller, n'ayez aucune angoisse. Peignez là (une couche suffit), l'absence de concrétions en fin de saison est bien plus positive.
Faites attention lors du carénage, pas de coup de Karcher direct sur la pastille qui risquerait de se délaminer et de détruire la sonde. Grattez légèrement, au besoin finissez avec un chiffon imbibé de diluant, mais sans insister.

 Raccourcir le câble

La sonde est accordée avec une longueur de câble standard, mais n'oublions pas que nous sommes à des fréquences de l'ordre d'une centaine de kiloHertz donc des longueurs d'onde de :

L = C/F avec la célérité de la lumière C = trois cent mille km/s = 3 * 10⁸ m/s et F= 100 kHz= 10⁵ Hz

soit : L = 3 *10⁸ / 10⁵ = 3 10³ m, de l'ordre de quelques kilomètres.

Devant les quelques mètres de longueur du câble original, il y a un rapport 1000, donc une influence absolument nulle sur l'accord si vos coupez ou ajoutez quelques mètres, c'est insignifiant devant la longueur d'onde.
L'alignement de la bobine de sortie est loin d'être dans cette classe de précision ! Il faut simplement respecter l'impédance du câble et réaliser des raccords coaxiaux propres, des prises DIN audio ou des manchons en thermorétractable suffisent, s'ils sont parfaitement protégés de l'humidité.

Le risque majeur est d'avoir un raccord non étanche qui baigne dans l'eau des fonds, le câble serait alors très vite détruit sur une grande longueur, le cuivre se corrodant par capillarité. Si donc vous coupez le câble, faites une étanchéité surabondante à la liaison.

 Discrimination des faibles profondeurs

Il faut un sondeur de qualité pour mesurer les faibles profondeurs car un sondeur à grande échelle utilise une impulsion d'émission longue pour envoyer plus d'énergie possible, elle écrase les échos à retour rapide des faibles profondeurs. 
Les sondeurs évolués réduisent considérablement la largeur de l'impulsion et l’énergie émise pour les petites échelles, les bas de gammes ne savent pas le faire. Nous avons la même problématique sur les radars, il est difficile de séparer des échos proches et d’avoir une grande portée.

 Le sondeur est en panne

Comment faire un test basique du sondeur: Autre approche pragmatique

Si vous maîtrisez l’usage de l’oscilloscope, c’est simple, en prenant le signal dans le boîtier sur la prise femelle de la sonde.
Vous devez vous attendre à une impulsion d’émission de l’ordre de la milli seconde, d’amplitude la centaine de Volts.
Attention, le signal est à très haute impédance, la sonde de l’oscilloscope ne doit pas trop l’écrouler. Il est préférable de passer par une bobine de couplage sur l’âme du coaxial.
Le son se propage environ à 1500 m/s dans l'eau, la période dépend évidement de la profondeur affichée, par exemple pour 20 mètres, l’aller retour est de 40/1500 seconde, soit une trentaine de millisecondes, la période des impulsions sera plus longue de l’ordre du dixième de seconde et proportionnellement avec la profondeur.
Il est beaucoup plus difficile de voir les échos de retour qui sont à des niveaux très inférieurs au millivolt.

La sonde est cassée

En grande navigation, il est très utile d’avoir une sonde de rechange car c’est une cause fréquente de panne, et au bout du monde il sera difficile d’en approvisionner une nouvelle.
Cela permet de tester facilement le sondeur en la passant par l’extérieur.
Dans la majorité des cas, le problème vient de la sonde. 
J'ai entendu bien des fois cette antienne !

Principe de la sonde
L’élement actif est constitué par une pastille, de la taille d’une pièce de monnaie, très fine, qui est une lame piezo coincée entre deux fines électrodes.
Elle vibre autour de quelques centaines de kHz, en mode émetteur, excitée par le générateur du sondeur sous une centaine de volts, puis en réception, à de très faibles niveaux de quelques millivolts.
L’électrode interne s’appuie sur un bloc rigide, l’autre sur l’eau.
Elle est protégée par une pellicule de résine qui doit ètre la plus mince possible pour vibrer sans trop absorber d’énergie.

Détérioration coté mer
La sonde est un élément fragile, un coup de spatule ou de Karsher malheureux lors du carénage, une sangle ou une cale mal placée, altèrent la fine protection de la pastille piezo.
Un début d’oxydation de l’électrode interne, qui est reliée à la masse du coaxial, produit des effets curieux, par exemple une forte sensibilité aux parasites, aux vibrations du moteur, avec évidement une perte de portée. Une oxydation plus profonde coupe carrément la sonde.
Il n’y a aucun moyen de ressusciter une sonde dont la pastille est dégradée.

Détérioration à l'intérieur
Si la protection n'est pas bien faite par un compartiment solide et capoté, un objet lourd (boite à outils, ancre de secours...) aura tôt fait de la cisailler par mer agitée.
Le câble coaxial est aussi très vulnérable car il parcourt la moitié du bateau dans les coffres. Il est particulièrement fragile au passage de cloisons et aux pliages brusques. S'il n'est pas bien protégé par une gaine collée, les ennuis sont prévisibles.

La réparation du câble est facile en coupant la partie abîmée et en remanchonnant avec de la gaine thermo rétractable, pour peu que l’on ait bien identifié l’endroit blessé, il y en a parfois plusieurs. La rupture d’impédance n’est pas très critique à ces fréquences basses de quelques centaines de kHz.
Si le câble est cisaillé à raz de la sonde c’est plus délicat.

Changer la sonde ou l'ensemble ?

Considérons le cas de la sonde jugée irréparable à votre niveau, alors que l’électronique fonctionne.
Il faut se demander si la recherche d’une sonde compatible est un bon choix.

Pour :

 Ce sera moins cher (à vérifier !) que d’acheter un ensemble neuf.
 Le remplacement est plus facile, sans démonter la console.
 C’est un cadeau de ma mémé, j’y tiens sentimentalement…

Contre :

 Il ne sera pas facile de trouver une pièce d’origine. Voir le chapitre Sonde compatible.
 L’électronique évolue très vite et les matériels récents sont meilleurs que les anciens. 
 Le prix de la sonde seule est à comparer à celui d’un matériel complet du moment avant de se décider.

Remplacer la sonde

Si la sonde était montée à l’intérieur dans l’huile, le remplacement sera simple, mais dans ce cas elle ne tombe jamais en panne (sauf fil cisaillé).
Si la sonde est cassée, elle était à coup sûr montée en externe et le remplacement demandera du travail lors d’un grand carénage, en particulier si la nouvelle sonde à un trou de passage plus petit que l’ancienne.
Il est bien plus simple d’agrandir le trou que de le réduire proprement, car stratifier une contre plaque en renfort, est très long et demande plusieurs étapes.
Pensez-y en choisissant la nouvelle sonde à tester.

Sonde compatible

Si le matériel a plus de quelques années, la pièce d’origine n’existe plus.
Il faudra alors essayer les divers modèles du moment, en espérant en trouver un disponible qui soit à peu près compatible, quitte à perdre en portée maximale, ce qui est peu gênant.
Cela demande d’avoir de bonnes relations avec le shipchandler local qui acceptera de vous sortir d’un emballage de sondeur neuf une sonde qui vous sera confiée pour le week-end, histoire de lui faire faire trempette dans l’eau salée.
C’est assez délicat, de plus l’expérience peut se renouveler deux ou trois fois si cela n’a pas marché. 
Si la prise et différente, ce n’est pas un problème il est toujours possible de bricoler une adaptation provisoire, le temps de tester la sonde par-dessus bord.

Avant de la monter définitivement, il est impératif de sortir sur un fond d’une centaine de mètres pour vérifier si sonde tenue à la main hors du bateau l’écho est acceptable.
Si l’expérience est désastreuse, il faut la rincer et la remettre en condition de neuf avant de tester la suivante.
En principe, toutes les petites sondes du moment sont compatibles et ont des pastilles piezo identiques.

Le répétiteur est cassé

La problématique de la pièce d’origine introuvable est la même que précédemment. Cela est d’ailleurs valable pour tous les matériels, sondeur, speedomètre, girouette, etc.
Le répétiteur d’origine est cassé, ce modèle n’existe plus, comment adapter un modèle du moment ?
Les matériels actuels sont pilotés par bus et les modèles d’autres marques seront beaucoup plus délicats à adapter que les vieux modèles à galvanomètres. Ces générations ne sont pas compatibles, sauf à bricoler une petite interface à microcontrôleur pour adapter les standards.
Faire l’essai en volant d’un répétiteur est simple car le résultat est instantané et sauf grosse bêtise, le risque de griller le neuf est acceptable.
Si vous doutez de vos compétences, faites-le faire par quelqu’un sensé savoir…

 Interphone plongeur-surface

C'est évidemment la première application qui est venue à l'idée au moniteur de plongée que je suis, lors de l'implication dans des plongées très techniques. Il est très utile de pouvoir dialoguer depuis une barge avec les plongeurs travaillant au-dessous. La liaison est en duplex alterné seulement. Côté surface, c'est très simple, un petit boîtier module la porteuse en émission et repasse en écoute après l'envoi du message. Je détaillerai la réalisation dans un chapitre suivant.

Coté plongeur, c'est plus compliqué si l'on veut réaliser soi-même du matériel fiable dont le laryngophone étanche et l'embout buccal . Je conseille d'adopter ceux du commerce.

Coté transmission du son au plongeur, un haut-parleur étanche ne marche pas sans un casque, l'astuce classique est de ne pas entendre avec les oreilles mais en transmettant la vibration aux os de la boite crânienne et en faisant vibrer les sinus sphénoïdaux. Ces techniques sont très connues, ce n'est pas mon propos. La seule partie intéressante à bricoler est le bloc émission-réception, qui se fixe entre les bouteilles par une sangle velcro, le fil de sortie comportant un jack inoxydable trois contacts pour déconnecter l'équipement (laryngophone + "écouteur " vibreur). Le plus simple est de fixer la commande de l'alternat au culot de la bouteille pour éviter les fils baladeurs.

Rien d'original sinon l'idée d'utiliser la sonde en place.

 Télécommande guindeau ou treuil

Toujours pour un chantier sous-marin, si l'interphone est trop cher (pour la partie plongeur), le plongeur relevant de lourdes charges via un treuil de barge a besoin de pouvoir commander le treuil depuis le fond. L'application consiste à réaliser un boîtier de télécommande, envoyant trois signaux vers la surface par l'intermédiaire d'interrupteurs à glissières.

<Treuil Monte> <Treuil Descend> <Klaxon>.

Cette dernière fonction permet de communiquer par un code morse quelques messages très simples et pré-convenus, mais vitaux du plongeur vers la surface. Ce dispositif est très fiable et économique, il est très pratique dans le relevage d'épaves.

 Déclencheur de mine à orin

 Lors d'une découverte d'épave, il faut retrouver ultérieurement l'emplacement. Il n'est pas d'usage de laisser un flotteur en surface qui sera arraché par une hélice et attirera les prédateurs. Ce système larguera une bouée à la demande lors de la plongée suivante avec une parfaite sûreté et permettra de retrouver le point exact.

 Les plus farceurs mettront une vraie mine avec sa charge militaire qui remontera et explosera juste sous leur coque. (Mais non, je plaisantais, cette application amusante est rare...).

Des individus malhonnêtes (si, ça existe !) qui font des croisières sur de superbes yachts rapides entre l'Amérique du sud et les côtes américaines exploitent à fond ce principe. Ils traînent entre deux eaux des containers avec lest et flotteur comme décrit. A l'approche des Coast Guards, ils larguent tout et saisissent le way point au GPS. Tout est légal à bord. Un chalutier vient quelques jours ou semaines plus tard, quand le calme est revenu, sans aucun équipement particulier à bord. Seul le soft du sondeur a un petit patch pour envoyer la bonne trame codée de déclenchement par une combinaison de touches. Le containeur contenant quelques centaines de kilogrammes de sucre en poudre remonte à la surface accroché à son flotteur.

Ce chapitre n'est en aucune manière destiné de donner des idées aux voyous mais veut exposer une technique originale.
Lire le chapitre " du schéma au kit  " avant de remplir le bon de commande pour ce matériel.

 Développement du projet

L'étude de départ avait porté sur la modification logicielle d'un gros sondeur commercial, sans aucune modification matérielle.
Il s'agissait d'une étude de reverse engineering consistant à désassembler le firmware existant, le comprendre puis le patcher pour rajouter la fonction d'envoi de la trame de commande de déclenchement du récepteur.
Cela a parfaitement fonctionné mais posait deux problèmes majeurs : 
° Cette étude ne portait que sur un cas particulier de matériel, il fallait tout refaire pour s'adapter à un autre modèle de sondeur.
° Le pinceau d'émission de la sonde originale était très étroit, il fallait donc passer exactement à la verticale du système déclencheur pour l'actionner, ce qui a posé d'énormes problèmes pour retrouver la position, lors des premiers essais, le GPS n'existait pas et l'application était strictement militaire.

Cette expérience a permis de développer un récepteur fiable. La suite du projet a amené un système beaucoup plus évolué.
Le sondeur modifié a été abandonné, une électronique totalement indépendante a été développée, sur la base d'un émetteur de puissance à ultrasons.
L'électronique et sa sonde ont été montées dans un cylindre inox lesté, trainé derrière le bateau par un ombilical de 15 mètres.
La sonde baigne dans l'huile et transmet les vibrations au tube inox qui devient omnidirectionnel grâce à une optimisation acoustique.
Ce nouveau dispositif a permis de déclencher avec certitude un récepteur jusqu'à 300 m du bateau ce qui simplifiait considérablement la recherche.
Très rapidement, il s'est avéré indispensable d'ajouter un répondeur au récepteur.
Le récepteur répond à la trame d'appel, et sa distance s'affiche sur l'afficheur du bateau. En quelques coups de barre le bateau se positionne rapidement à la verticale, le pilote appuie sur un bouton pour envoyer alors la trame de déclenchement. C'est un système très simple, le récepteur répond avec un retard parfaitement connu à l'appel, connaissant la vitesse approximative de propagation dans l'eau, l'affichage de la distance est évident. La précision s'est avérée d'une dizaine de mètres.
La version finale n'utilisait que deux fils dans l'ombilical pour amener l'alimentation de 48 V 1 A alternatif au poisson, les signaux de commande HF et la réception étant superposés à l'alimentation.
Toute l'électronique, des cylindres émetteurs et récepteurs baigne dans l'huile en equipression pour résoudre tous les problèmes d'étanchéité et de résistance.

Il est évident qu'il fallait récupérer le récepteur à chaque largage, il était donc solidaire de la bouée, le largage s'effectuant en partie basse. Il ne reste au fond que la manille solidaire du lest perdu. 
La première version utilisait un boulon explosif pour libérer la pince d'ouverture. Un système avec motoréducteur a été ensuite essayé pour libérer un axe, puis abandonné pour incompatibilité entre l'huile et le rotor du moteur sans balais tournant très vite. La version finale a utilisé un électroaimant surpuissant alimenté par la violente décharge d'un condensateur pour rétracter l'axe secondaire qui verrouille un axe primaire poussé par un gros ressort. Ce système s'est avéré le plus fiable en conditions extrêmes. Ce largage par goupille a été beaucoup plus délicat à mettre au point que l'électronique et l'acoustique. Le cahier des charges imposant un taux d'échec inférieur à un pour mille, les tests ont été très poussés pendant deux ans dans les pires conditions de mise à l'eau de l'équipement.

Ce développement étant une application confidentielle pour un client, il n'est pas possible de fournir plus de détails.
Une application civile pour protéger du vol les casiers des pécheurs a été envisagée, mais le marché est trop étroit pour en amortir le développement et le lancement commercial. Une application pour marquer les sites de fouille en plongée serait encore moins rentable.

Ce chapitre n'est en aucune manière destiné de donner des idées aux voyous mais veut exposer une technique originale.
Lire le chapitre " du schéma au kit  " avant de remplir le bon de commande pour ce matériel.

 Réalisation de l'interphone

C'est de loin la plus complexe des trois !

 Coté surface :

Je ne conseille pas de modifier le sondeur existant mais de faire une boîte avec relais à part. La modification est possible mais il faut beaucoup adapter l'électronique existante, en particulier l'étage de puissance, qui est prévu pour travailler en impulsions et ne supporte pas une émission continue. En l'absence d'alimentation, le sondeur marche normalement. La qualité du relais rajouté n'est pas critique, les relais bas de gamme passent sans problème la bande 50 à 200 kHz et la faible puissance sans aucune perte notable
Une bonne astuce est d'utiliser un petit talkie-walkie qui permet de se déplacer sur la barge sans fil à la patte, avec un kit mains libres. Le boîtier ultrasons comporte la liaison BF à l'émetteur récepteur correspondant au talkie-walkie en 400 mHz. A ces très courtes portées, quelques milliwatts suffisent en émission. Cela évite de mettre en œuvre la grosse et onéreuse valise interphone professionnelle et supprime le fil du transducteur mobile à laisser pendre par dessus le bordé.
Le fonctionnement est parfait et le bricolage économique.

 Côté fond :

Il faut une bonne expérience des matériels immergés pour réaliser un système fiable.
Une des difficultés est que le piézo sur le boîtier placé entre les bouteilles doit éclairer la sonde du bateau en surface. C'est délicat, il faut prendre un cristal à grande ouverture et le plongeur doit passer en position verticale pour transmettre. Il est impossible de monter le piézo sur un cardan dans le boîtier car il doit impérativement être collé pour transmettre les vibrations au boîtier.
Le deuxième problème est la connectique, le jack 3 fils étanche est long à mettre au point.
Par sécurité j'utilise toujours un fil fin qui s'arrache en cas d'incident si largage des bouteilles, pour ne pas étrangler le plongeur avec le laryngophone. L'électronique est très classique et sans problème, montée conne d'habitude dans une lampe de plongée récupérée. 

 Réalisation de la télécommande

 Coté surface :

Il n'est pas absolument pas indispensable de créer une nouvelle chaîne réception , il y a tout dans le sondeur. La partie émission n'est bien sûr pas utilisée. Il faut prendre le signal en sorti de l'ampli réception, après le passe-bas, avant le trigger formant le pic de réception d'écho.
Il suffit de rajouter un seul condensateur à l'électronique existante et sortir ce signal vers un jack externe dont l'insertion coupera la commande du modulateur. Allumer normalement le sondeur, c'est magique… cette BF est filtrée et envoyée à une petite carte microcontrôleur qui identifie les 3 seules commandes attendues. Ces trois commandes sont envoyées classiquement par des optocoupleurs aux relais monte-descend du treuil et au Klaxon.

 Côté fond :

C'est beaucoup plus simple que l'interphone. Pour un premier essai, utilisez un sondeur à main, qui se présente comme une lampe torche, distribué par Plastimo, en vente chez tous les shipchandlers autour de 220 Euros. Il contient toute l'électronique d'émission et le piézo. La seule modification est de coller sur une génératrice opposée à l'interrupteur d'origine, une longue glissière plastique dans laquelle coulisse un aimant plastifié. A l'intérieur, trois ILS (interrupteurs à lames souples) ou effets Hall en ligne sont rajoutés pour fournir les trois codes au modulateur. La solution la plus rustique est d'utiliser un compteur CMOS et une matrice à diodes reliée aux trois signaux, si nous n'aimez pas les microcontrôleurs…

 Réalisation du déclencheur de mines

 Coté surface :

Il n'y a pas la moindre modification physique de l'électronique. Il faut désassembler le logiciel de l'eprom et patcher la routine qui commande le top émission, pour une position donnée du réglage de l'échelle (généralement en rajoutant un pas après l'échelle maximale). A l'impulsion simple originale est rajoutée par une trame codée d'une dizaine de bits. L'impulsion initiale constitue un long Start. C'est tout, le sondeur travaille parfaitement normalement, vous voyez même le fond comme avant sur la position suplémentaire !
Remarque sur les sondeurs : En augmentant l'échelle de profondeur, on augmente la durée du pulse d'émission pour avoir plus d'énergie sur l'écho retour, ainsi que la période entre les pulses pour laisser assez de temps au trajet du front d'onde. Par exemple, pour une échelle de 75 mètres, trajet aller retour 150 mètres, donc période entre les pulses d'un dixième de seconde maximum à 1500 m/s.

 Côté fond :

Dans les deux cas précédents, un des problèmes était de viser depuis le fond le bateau en surface. Ce problème disparaît ici, le boîtier récepteur étant en tension entre le crochet à largage et le flotteur via la charge, il est absolument vertical, donc vise à coup sûr le bateau passant au-dessus ! Le dispositif comprend un récepteur à très faible consommation, réveillé par un timer qui attend un quelconque signal. Dés réception d'un écho, le contrôleur passe en mode actif, il cherche à identifier sa bonne trame, s'il la reconnaît la commande d'ouverture est envoyée au crochet. Un tel dispositif bien conçu peut rester en attente des années. L'électronique est triviale, les seuls problèmes simples sont de rester parfaitement étanche et d'assurer une mécanique d'ouverture fiable.
Pour l'étanchéité à grands fonds je conseille une boîte souple, genre bidon plastique avec joint torique, l'électronique baignant totalement dans l'huile (pas au graphite !) est en équipression donc résiste à toutes les profondeurs. Curieusement les composants électroniques sont extraordinairement résistants à la pression. Si vous êtes inquiets, noyez d'abord la carte dans la résine (mais cela bloque le refroidissement des composants).

Pour le crochet, il faut un peu d'habitude, le pélican relié à une manille inox est très sûr. Ne jamais passer un gros bout directement dans le crochet, il peut s'entortiller lors d'une mauvaise immersion. Pour rétracter le doigt de commande, je ne conseille pas un électro-aimant à noyau plongeur, il coince si l'énergie est basse ou s'il est corrodé et concrétionné.. Il faut toujours préférer un moto réducteur qui tire via un fil gainé ou tige filetée, il marche à tous les cas si l'étanchéité a été maintenue. Pour mémoire, un moteur électrique tourne parfaitement bien immergé dans l'huile, au prix d'une baisse de rendement, vous pouvez l'intégrer au bidon contenant l'électronique. Pensez-aussi au boulon explosif, très fiable en le protégeant les fils de la corrosion (dans l'huile).

 Annexe

Montage de la sonde à l'intérieur du bateau.

Cela n'a pas grand rapport avec le sujet précédent, mais cette question m'ayant été posée tant de fois, je préfère en parler. C'est une lapalissade. Une sonde bien montée verticalement sur sabot en fond de coque dans les règles de l'art, marchera toujours bien mieux que tout montage interne, mais demande un travail de pose soigné avec tirage à sec. Le choix d'un montage interne dans un bout de tube collé à l'intérieur de la coque pour faire tremper la sonde bien verticale dans un fond d'huile ne se justifie que si :
 Des travaux sur la coque ne sont pas possibles.
 Il n'y a pas de sandwich balsa bloquant à cet endroit, la coque conduit bien.
 La sonde doit être changée souvent, si l'on veut tester divers matériels.

La coque absorbera toujours, mais dans la majorité des cas, un sondeur de voilier ne servant qu'à voir la profondeur en approche de mouillage, le sondeur marchera parfaitement à petits fonds. Le fait de perdre quelques dB en émission et réception est peu important en petite échelle. Dans le cas d'un bateau métallique, on hésitera plus encore à faire des trous inutiles. Il faut tester, le résultat est parfois bon en collant la sonde dans un époxy très liquide avant polymérisation et surtout sans la moindre micro-bulle.
De toutes manières si le résultat est trop mauvais, il est très facile de supprimer ce bricolage provisoire et revenir au montage classique qui lui est irréversible.

Revenons dans l'huile

Ce détail me valant beaucoup (trop) de mails, j'en remets une couche (d'huile).
L’huile sert au couplage acoustique, de l’eau serait mieux adaptée, mais on ne l’utilise pas tout simplement car elle s’évapore…
L’impédance acoustique de l’huile n’est pas identique à celle de l’eau, il y aura donc désadaptation et pertes, mais comme la couche doit être très fine, cela sera peu critique. Il y aura bien une portée plus un peu plus faible avec une sonde interne, mais cela ne nous importe pas, car sur un voilier, nous n’utilisons le sondeur qu’à des profondeurs faibles.
Le problème serait très différent sur un navire océanographique relevant les abysses, le compromis ne serait plus acceptable.
Les anglo-saxons utilisent du « castor oil », que nous traduisons par « huile de vaseline », mais un fond de bidon d’huile moteur conviendra. Il faut éviter l’huile hydraulique agressive.

Vous en savez assez pour le moment sur ces sujets très rarement abordés, j'espère que cela vous fera voir différemment votre sonde et incitera les plongeurs à bricoler. Si vous voulez exploiter ces idées, parlons-en...

 Liens et compléments

Oh grand Gourou, quel modèle dois j'acheter ? La réponse est ici 

Un exemple de la méthode de dépannage du plaisancier est donné dans la page : Dépannage 

Liens généraux sur les ultrasons seulement dans la page triangulation 

Diverses sondes pour sonars : interphase-tech.com/transducers.htm

 Modules de tableau

Il est indispensable d'installer sur le tableau électrique un ou deux afficheurs lcd à quatre digits avec un commutateur à galettes qui sert à la fois de : 
.Voltmètre pour tester avec précision la tension de chaque batterie individuellement.
. Ampèremètre général, et par sous-circuits, acceptant les 300 ampères du démarreur tout en montrant aussi les quelques centaines de mA de charge du panneau solaire.
. Niveau des cuves d'eau et gazole en litres vrais.
. Compte tours moteur.
. Compteur de longueur de chaîne dévidée.
. Température de l'eau de mer...
Les applications sont multiples et toutes basées sur un simple module d'affichage.

Il y a deux solutions équivalentes que je détaillerai ultérieurement dans des projets.
. Soit utiliser un module voltmètre du commerce, vous en trouvez chez tous les distributeurs :
4 digits, point sélectable, 200 mV pleine échelle, entre 10 et 20 euros suivant la qualité, le type d'encadrement et de montage plastique et le distributeur, en kit ou monté. En réalité ce n'est qu'un 3 digits 1/2 car il affiche seulement de 1999 à 0000.
Soit utiliser un afficheur 4 (vrais) digits multiplexé commandé par un petit microcontrôleur avec convertisseur analogique numérique, qui affiche lui de 9999 à 0000.

Cela permet de tout faire ! Avec une forte résistance en série, c'est un voltmètre universel
Branché aux bornes des gros câbles batterie, qui constituent un très bon shunt de résistance non négligeable, il mesure la perte en ligne du câblage, c'est un ampèremètre (l'étalonnage est facile, pour faire le calibre 200 mV, il y a une résistance série qui peut être modifiée pour s'adapter au calibre de tension voulu.
Pour mesurer le niveau des cuves et autres affichages, un petit microcontrôleur fournira une tension par le convertisseur numérique analogique et la position du point. Ce convertisseur DA n'est pas utile si l'afficheur seul est utilisé.

 L'alimentation flottante

Tout est possible, avec un module 4 digits, analogique ou à microcontrôleur, il suffit de résoudre un petit problème. Pour mesurer toutes sortes de tensions, le module doit impérativement être alimenté par une tension flottante, totalement isolée de la tension du bord. Attention au choix du module, un panneau lcd consommera environ 1 mA, mais un afficheur à led une centaine de fois plus !

J'ai réalisé de très nombreuses alimentations flottantes. Voici un des principes très simple, par commutation.

Alimenté par la tension du bord, un oscillateur (NE555, 2 transistors, un UJT…) fournit une horloge de quelques dizaines ou centaines de kHz. Cette horloge attaque simplement la commande (gate) d'un transistor (mosfet) dont la source comporte quelques dizaines de tours de fil sur un petit tore ferrite, très courant ou récupéré dans une vieille alimentation de PC. Un bobinage identique constitue le secondaire, suivi d'une diode de redressement et d'un condensateur. Comme la charge est connue est constante, il n'est même pas nécessaire de faite une régulation (feedback) en rajoutant un optocoupleur. Cela constitue une très bonne tension flottante utilisée pour des quantités d'applications. Le rendement est supérieur à 80%.

Ce dispositif n'a que des avantages mais aussi un énorme défaut. Il est impossible de l'empêcher de rayonner, les fronts raides de la commutation polluent tout le spectre radio, il est impossible d'utiliser un récepteur radio à proximité.
Il est évidemment possible de blinder en boîtier soudé en fer étamé, sorties à perles ferrite afin de beaucoup réduire la pollution, mais cela complique beaucoup, il faut monter des filtres cloisonnés à 2 étages au moins avec selfs et condensateurs, en entrée et sortie.

Il faut donc réfléchir au système avant de se lancer, une petite batterie 12 v flottante est une solution beaucoup plus simple, et la faible consommation du système à voltmètre autorisera plus d'un mois de marche en continu entre deux charges.
C'est cette solution qui est privilégiée après que les convertisseurs aient été longuement utilisés…

La charge de l'accumulateur étant peu fréquente, il n'est pas utile de prévoir un interrupteur à 3 positions (marche, arrêt, charge) sauf si l'accumulateur flottant est très sollicité par d'autres applications plus gourmandes. Un simple bloc secteur, comme celui utilisé pour le GSM , donne toujours une tension flottante. Il peut servir à charger, avec surveillance manuelle, sinon un circuit spécialisé fera cela très bien sans avoir à s'en préoccuper. Le bloc serra branché sur le secteur du quai ou sur le groupe, ou sur le convertisseur 12/220 V.

 Le doubleur de tension flottant

Une autre idée peut sembler bonne, utiliser une variante du doubleur à commutation rapide. Ce système très classique utilise un condensateur intermédiaire, branché pendant une période sur la source pendant laquelle il se charge, l'autre période sur la sortie ou il se décharge dans le condensateur d'exploitation. Ce système double presque la tension, les pertes sont d'autant plus réduite que la consommation est faible.

La commutation est très rapide, le condensateur de transfert se charge en position basse et se décharge dans le tampon en position haute, la tension de sortie est bien double, en négligeant les pertes.

Il pourrait sembler intéressant d'utiliser le condensateur de sortie en flottant (non relié au + 12 V), mais ce n'est pas une bonne idée, car le double inverseur est réalisé par des transistors mosfet qui, malgré leur grande impédance, ne sont pas des isolateurs parfaits à grande vitesse.

Il y aurait toujours un couplage capacitif entre les tensions ce qui fausserait totalement la mesure. Ce système n'est donc pas exploitable ici.

Pour ces diverses réalisations de pompes de charges, il existe des réalisations commerciales, en circuit intégré de très bonne qualité. De nombreuses variantes sont possibles, le condensateur réservoir étant souvent remplacé par des montages à selfs.
Ces pompes existent avec toutes les tensions et courants possibles en entrée et en sortie, il suffit de puiser dans les énormes catalogues, chez Maxim par exemple. Les rendements sont remarquables, de l'ordre de 90 % avec très peu de composants.
Ces montages sont utilisés partout en électronique, ils permettent par exemple d'alimenter un montage à partir d'une simple pile R6 de 1.2 V.

 Le problème de la stabilité

Il faut faire très attention avec les modules bas de gamme, ils dérivent énormément en vieillissant. J'en ai réglé plusieurs avec soin, alimentation de qualité, références de tension à la place des zeners, résistances de précision à couche métallique à la place des potentiomètres. Les calibres étaient réglés à mieux que le millième, et horreur, après deux saisons ils avaient dérivé de 10 %…
J'améliore beaucoup la situation en faisant cuire longuement le montage final au four ménager, ou dans une enceinte bricolée avec semelle de vieux fer à repasser dont le thermostat marche encore, vers 100 degrés pendant de longues heures. Il faut évidemment enlever l'afficheur et les électrochimiques qui exploseraient. Il existe plusieurs constructeurs des variantes du circuit ICL7106, le Maxim est considérablement plus stable que la concurrence.

 Choisir entre module tension ou microcontrôleur

Pour le débutant, le kit voltmètre universel semble certainement le plus simple, mais c'est aussi le moins performant. Un petit contrôleur gérant un afficheur 4 digits est plus souple et permet de tout afficher avec une précision extrême. Cela est de toute manière indispensable si vous voulez aussi afficher le niveau des cuves, ou la longueur de la chaîne, car il faudra toujours rentrer une table d'étalonnage. N'oubliez pas que tous ces petits microcontrôleurs ont une horloge et que les bus sont bruyants, cela s'entendra sur les récepteurs. Le blindage n'est jamais simple.

 Comment identifier un tore inconnu ?

L'accumulateur isolé ne vous plait pas, vous voulez faire une alimentation flottante. En bon bricoleur, vous avez accumulé dans une jolie boite une quantité de tores récupérés sur des alimentations réformées, mais vous n'avez aucune idée de leurs caractéristiques. Il faut donc les tester mais vous n'avez pas de gros moyens.
Choisissez celle dont la taille vous parait raisonnable, pour la puissance que vous voulez tirer. Bobinez une trentaine de spires en passant deux fils isolés simultanément. Vous avez maintenant deux bobines identiques, repérez les extrémités, l'une sera baptisée primaire, l'autre secondaire.

Supposons que vous vouliez tirer 8 volts 100 ma. En attaquant en 12 V, c'est ce que vous obtiendrez avec les pertes. Si vous voulez une tension quelconque, il suffira ensuite de jouer sur le rapport des spires. Sur le secondaire nous allons monter une diode en série avec un condensateur réservoir. Pour cet exemple nous chargerons donc V=R*I donc R=V/I =8/0.1, environ 80 ohms. La puissance dissipée sera P=V*I=8*0.1=0.8 watt, une résistance de 83 ohms, 1 watt convient parfaitement. Branchez un voltmètre continu sur cette résistance, nous allons maintenant alimenter le primaire pour lire les 8 volts.

Pour cela alimentez le primaire, une borne au +12, au travers d'un ampèremètre analogique (la lecture est plus stable et les grands mouvements de l'aiguille se voit beaucoup mieux pour accorder), l'autre au transistor de commutation, drain d'un Fet, la source étant à la masse. La gate est tirée à la masse par une résistance quelconque (disons 1 kohm) pour éviter la mise en court circuit par charges statiques. Il vaut mieux utiliser une alimentation dont le courant est limité au double de la sortie (exemple 0.2 A), sinon des fusibles. Il faut maintenant attaquer la gate par un signal carré variable, un générateur convient parfaitement pour les tests, sinon un oscillateur à NE555 et potentiomètre. Le Fet travaillera évidement à saturation afin de ne pas chauffer, il faut donc attaquer avec une tension suffisante de quelques volts. En balayant de quelques kHz à quelques centaines de kHz, vous trouverez la plage de fréquence nominale du tore, le rendement sera optimal, à mieux que 80% pour une la bonne fréquence. Un oscilloscope est indispensable pour regarder les signaux, cela est très instructif et dépend énormément de la fréquence.

Une remarque pour nos amis les pauvres
Vous êtes dans la déchéance la plus totale, et vous n'avez même pas un oscilloscope numérique couleur qui pourtant ne coûte qu'à peine le prix d'une Twingo. Mais rusé comme un renard vous voulez utiliser l'entrée line-in de la Sound Blaster et un logiciel d'oscilloscope gratuit pour voir les signaux. La déception sera totale, vous ne pouvez passer que du signal BF d'une dizaine de kHz. Pour cette application nous restons en dessous du MHz, mais les signaux sont très raides et à grande dynamique, il faut passer quelques dizaines de MHZ pour observer les pics, oubliez la SB…

Une fois l'accord trouvé, il faut augmenter progressivement la charge et diminuant la résistance, pour trouver le point ou le rendement commence à tomber. C'est le début de la saturation de la ferrite, qui commence à chauffer. Il faut rester en dessous de la moitié de cette limite.
Une fois le montage finalisé, il faudra filtrer entrée et sortie avec soin comme évoqué précédemment.

 Utiliser le câble à batterie comme shunt

Avec ce système la totalité des courants de charge et de décharge passent par ce tronçon commun de quelques dizaines de centimètres. Il est évident qu'avec un ampèremètre classique de tableau à shunt, les forts courants ne peuvent pas passer, les démarreurs, guindeaux et autres moteurs de winches sont câblés en direct.

Pour réaliser le shunt idéal, il suffit de souder en même temps l'énorme câble batterie, et un câble plus petit de mesure. Il vaut mieux partir assez gros, pour éviter la corrosion sur la cosse, puis ressouder un fil fin une dizaine de centimètres plus loin. Cette bretelle d'une cinquantaine de centimètres, de résistance approximative d'un centième d'ohm, chutera environ un volt pour une centaine d'ampères, les pertes sont considérables à forts courants !

Vous comprendrez qu'il faille un câble énorme, qui fait deux fois la longueur du bateau, pour alimenter un guindeau qui tire 100 ampères… C'est pour cela que les belles installations ont la batterie servitude guindeau dans le pic avant, malgré que cela soit déplorable pour la gestion des poids.

 Voltmètre à aiguille décalée

Il existe une autre approche, sans afficheur, seulement pour le voltmètre, en utilisant un instrument à cadran analogique. Il est évidemment stupide d'utiliser un galvanomètre gradué de 0 à 15 volts, alors que la tension lue sera toujours entre 11 et 14 V, l'écart est trop faible pour être perçu.
Il faut donc un instrument qui affiche la plage 10 à 15 volts seulement entre butées, la position de l'aiguille est alors très visible.
Il y a deux solutions pour cela. Si le cadre a été prévu pour cela, décaler mécaniquement le zéro. Le cadre est toujours alimenté par deux ressorts spiraux, l'un est réglable pour caler le zéro de l'aiguille. Si l'instrument a une butée sur aiguille renforcée, en forçant un des ressorts, l'aiguille est écrasée sur la butée et ne décolle qu'à 10 pour une pleine échelle de 15. C'est un instrument classique sur les tableaux, gradué d'origine de 10 à 15.
Autre solution, avec un galvanomètre classique gradué de 0 à 5, l'alimenter au travers d'une zener 10 volts. Le résultat est identique.

 Liens

Table des matières Elektor, très nombreux articles sur le sujet : matthieu.benoit.free.fr/elektor
Catalogue, afficheurs : gotronic.fr
Kits : velleman.be
qkits.com
electronickits.com/kit/complete/meas/ck101
Réalisation : chez.com/xizard/Les_montages/Voltmetre_LCD

* Liens vérifiés le 16/06/09