CH673538A5

CH673538A5 -

Info

Publication number: CH673538A5
Application number: CH1967/87A
Authority: CH
Inventors: Robert S Djorup
Original assignee: Djorup Robert Sonny
Priority date: 1986-05-23
Filing date: 1987-05-21
Publication date: 1990-03-15
Also published as: FR2599153A1; FR2599153B1; FI872268A0; CH676048A5; CA1319836C; CH676049A5; JPS6325562A; JP2511456B2; FI872268A; US4794795A; DE3717331A1

Description

DESCRIPTION

La présente invention concerne un anémomètre à transducteur thermique directionnel destiné à mesurer le mouvement d'une masse de fluide qui entoure le transducteur, ou inversement le mouvement du transducteur par rapport à ce fluide. L'invention concerne en particulier un anémomètre pourvu d'un transducteur directionnel à dissipation thermique pour mesurer des caractéristiques du fluide, notamment la vitesse et la direction de déplacement d'un fluide liquide ou gazeux dans lequel le transducteur est plongé. L'invention concerne également des moyens pour l'excitation et la commande du transducteur et pour le traitement des signaux qu'il fournit.

En l'état actuel de la technique, il est bien connu d'utiliser des fils ou des films chauffés comme éléments de transducteurs dans un anémomètre. Dans ces dispositifs, un élément résistant chauffé sert d'élément de détection et sa géométrie détermine sa réponse spatiale par rapport à l'écoulement incident du fluide. L'élément détecteur a une résistance dont le coefficient de température est différent de zéro et on le maintient à une résistance constante, donc à une température constante. On peut trouver des exemples connus de transducteurs ou de capteurs thermiques pour anémomètres, ainsi que de leurs circuits de commande, dans les brevets US-3 363 462, 3 352154, 3 604261, 3677085, 3 900819,4024761,4206638,4279147 et 4549433.

Les brevets US-3 352154 et 3 677 085 décrivent des transducteurs radiaux ayant des bandes ou des fils placés sur un bord cylindrique ou arrondi d'un transducteur. Le brevet US-3 352154 montre d'étroites bandes de détection de la direction, disposées parallèlement à l'axe d'un cylindre de telle manière que ces bandes se trouvent dans la zone de stagnation de l'écoulement du fluide sur le cylindre. Une telle-position de montage n'est pas du tout utilisable sur un transducteur soumis à un flux incident qui se déplace dans la direction axiale du transducteur. Des bandes ou fils minces et allongés sont utilisables dans un écoulement radial, mais pas dans un écoulement axial. Le brevet US-3 677 085 décrit des fils, bandes et films qui sont noyés et qui sont disposés en paires et largement espacés sur un corps dont l'allongement, c'est-à-dire le rapport entre la largeur du corps et son épaisseur, est presque de 3 à 1. La géométrie du débit-mètre tandem décrit dans ce document est agencée en vue de son usage dans un conduit ou tuyau limité déterminant un écoulement radial forcé contre le transducteur, et non pas un écoulement libre non limité. La description relève qu'on s'efforce d'abriter chacun des éléments de détection par rapport à l'écoulement sur le corps de support, par la présence du corps lui-même agissant comme un obstacle.

Le brevet US-3 604261 décrit des films de détection larges, segmentés et à supports cylindriques, dans une géométrie de transducteurs qui est prévue pour un écoulement incident radial. On se base sur les variations de la répartition des transferts de chaleur pour détecter la direction au moyen de la partie de la surface de détection qui tombe dans la traînée turbulente se formant derrière le cylindre de support, au-delà des points de séparation dynamique.

Les transducteurs thermiques d'anémomètres connus qui n'utilisent pas de pièces mobiles présentent spécialement certaines difficultés lorsqu'on veut obtenir une conformité étroite avec la caractéristique «idéale» cosinusoïdale, avec une transition douce et continue d'un sens d'écoulement au sens opposé. L'utilisation de signaux électriques dits d'«oscillation» et d'une commutation artificielle «par lobes» d'un côté à l'autre a contribué à réduire les irrégularités quand les axes se croisent. Les brevets US-4 206 638 et 4 279 147 indiquent qu'un autre perfectionnement consiste en l'utilisation d'un sillage turbulent auto-induit pour produire naturellement un signal d'« oscillation aérodynamique» dans les domaines de croisement des axes. Le brevet US-4 549 433, bien que ne décrivant pas un anémomètre thermique, montre comment monter des éléments détecteurs supportés par une plaque plane de manière à ne pas créer d'efforts.

La présente invention fournit une amélioration significative dans la réponse angulaire ou la réponse en azimut du transducteur thermique pour anémomètre, avec une amélioration concomitante du rapport signal/bruit perçu ou du signal effectif de sortie par rapport à la puissance entrante de chauffage du transducteur, ainsi qu'une amélioration des moyens de commande et de traitement des signaux.

Selon la présente invention, l'anémomètre à transducteur thermique directionnel comporte un substrat électriquement non conducteur ayant au moins deux zones superficielles électriquement et ther-miquement isolées l'une par rapport à l'autre et recouvertes chacune d'un conducteur de détection ayant une résistance électrique dont le coefficient de température est différent de zéro, ce conducteur ne s'étendant sur le substrat du transducteur que dans une région où l'écoulement du fluide à mesurer est laminaire sur la surface du transducteur.

On décrira plus loin des formes de réalisations dans lesquelles le substrat comprend une paire d'éléments cylindriques à section circulaire, dont chacun comporte un conducteur de détection recouvrant uniquement la région d'écoulement laminaire. Une autre forme de réalisation comporte un seul substrat cylindrique à section circulaire. Une autre réalisation importante utilise un substrat cylindrique à section rectangulaire où les conducteurs de détection sont disposés respectivement sur deux faces opposées. Une autre réalisation comporte une ou plusieurs barres qui sont placées en dessus, ou en dessus et en dessous des éléments du transducteur pour les supporter et les protéger, et aussi pour produire automatiquement une turbulence ou oscillation aérodynamique afin d'améliorer la réponse pour un écoulement incident sous un angle faible. On décrira aussi des circuits analogiques pour commander les conducteurs de détection par résistance et délivrer des signaux de sortie utilisables.

D'autres aspects et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description suivante de différents exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés, dans lesquels:

la fig. 1 est une vue en perspective d'un transducteur thermique directionnel pour un anémomètre selon l'invention,

la fig. 2 est une vue en coupe transversale suivant la ligne 2-2 de la fig. 1, dans la direction des flèches,

la fig. 3 est une vue schématique de l'écoulement d'un fluide à faible vitesse autour d'un cylindre circulaire, la direction générale de l'écoulement étant normale à l'axe du cylindre,

la fig. 4 est une vue en coupe analogue à celle de la fig. 2, montrant une deuxième forme de réalisation dans laquelle deux substrats sont raccordés rigidement l'un à l'autre,

la fig. 5 est une vue en coupe analogue à celle de la fig. 2, montrant une troisième forme de réalisation dans laquelle une paire d'éléments de détection est portée par un seul substrat en forme de cylindre circulaire,

la fig. 6 est une vue en coupe analogue à celle de la fig. 5, dans laquelle la paire d'éléments de détection est portée par un seul substrat en forme de cylindre creux,

la fig. 7 est une vue en perspective d'une quatrième forme de réalisation d'un transducteur d'anémomètre selon l'invention,

la fig. 8 est une vue en coupe transversale suivant la ligne 8-8 de la fig. 7, dans la direction des flèches,

la fig. 9 est une vue analogue à celle de la fig. 5, illustrant une cinquième forme de réalisation dans laquelle la paire d'éléments de détection est portée par des faces opposées d'un seul substrat cylindrique à section rectangulaire,

la fig. 10 est une vue en coupe analogue à celle de la fig. 9, dans laquelle un élément de détection est porté par un substrat en forme de plaque qui est collé au dos d'un substrat identique portant un élément de détection, les deux plaques formant ainsi une section rectangulaire,

la fig. 11 est une vue en coupe analogue à celle de la fig. 10, illustrant une sixième forme de réalisation du transducteur, dans laquelle les deux éléments de détection portés par des plaques sont montés de part et d'autre d'une barre centrale de support,

la fig. 12 est une vue en coupe illustrant une autre variante du transducteur de la fig. 11, dans laquelle la paire d'éléments illustrée

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en fig. 2 est séparée et montée de part et d'autre d'une barre centrale de support,

la fig. 13 est une vue en coupe illustrant encore une autre variante du transducteur des fig. 2 et 12, dans laquelle chaque élément de la paire représentée en fig. 12 comporte deux éléments de détection sur le même substrat cylindrique,

la fig. 14 représente une septième forme de réalisation qui utilise le transducteur de la fig. 1 et dans laquelle la paire d'éléments de détection est montée en position centrale entre deux barres parallèles de support,

la fig. 15 est une vue en coupe d'une variante de la fig. 14, comportant la paire d'éléments de détection de la fig. 10 montée en position centrale entre deux barres parallèles de support,

la fig. 16 est une vue en perspective d'une huitième forme de réalisation, comportant le transducteur de la fig. 1 et une plaque d'obstruction montée à chaque extrémité du transducteur, transversalement à la paire d'éléments de détection,

la fig. 17 est un schéma électrique simplifié montrant des moyens d'excitation et de traitement des signaux pour un transducteur à deux éléments de détection du type illustré en fig. 1, avec des sorties séparées pour les signaux indiquant le sens et la vitesse de l'écoulement, et la fig. 18 est un schéma électrique simplifié illustrant un dispositif analogique d'excitation et de traitement des signaux d'un transducteur à deux éléments de détection du type illustré en fig. 1, ce dispositif étant particulièrement conçu pour être utilisé avec les montages des fig. 14,15 et 16, en fournissant un seul signal de sortie composé pour la direction et la vitesse d'écoulement.

En référence aux dessins, et en particulier à la fig. 1, le numéro 20 désigne d'une manière générale un transducteur thermique directionnel d'anémomètre selon la présente invention. Le transducteur 20 comporte deux éléments parallèles de détection 21a et 21b qui sont des éléments de détection par résistance. Ces éléments ont la forme de cylindres dont la longueur est nettement supérieure au diamètre. Par exemple, les éléments de détection 21a et 21b peuvent avoir un diamètre extérieur de 0,6 mm et une longueur totale de 25 mm, si bien que leur rapport longueur/diamètre est presque de 42:1. Comme on le voit sur les fig. 1 et 2, les éléments 21a et 21b sont matériellement distincts l'un de l'autre et ils sont liés ensemble sur leur longueur par un adhésif 22 ou un autre moyen de liaison, bien qu'ils puissent aussi n'être liés l'un à l'autre qu'à chaque extrémité pourvu qu'il ne subsiste aucun passage ouvert pour le fluide entre les deux éléments 21a et 21b. Ces deux éléments sont de construction semblable et il est souhaitable qu'ils soient aussi identiques que possible.

Les corps des éléments de détection 21a et 21b sont pourvus de fils de connexion électriques 23a et 23b à une extrémité, et respectivement 24a et 24b à l'autre extrémité. Les corps des éléments 21a et 21b sont recouverts uniformément d'un film conducteur résistant, mais seulement sur la portion de leur surface qui est directement exposée à l'écoulement incident du fluide. Les fils de connexion 23a, 23b, 24a et 24b sont faits du même matériau pour éviter les effets indésirables de thermocouple et pour contribuer ainsi à maintenir le bruit de fond électrique intrinsèque du transducteur 20 le plus bas possible, ainsi qu'une stabilité maximale à long terme. Le matériau utilisé habituellement est le platine métallique. C'est lui qui est présenté ici comme forme préférée, mais on peut aussi utiliser d'autres matériaux tels que le nickel. Divers matériaux utilisables pour les éléments de détection 21a et 21b sont décrits dans le brevet US-3 352154.

Pour obtenir un maximum de résistance mécanique et de qualité de la liaison entre l'élément de détection et les fils conducteurs, les fils 23a, 23b, 24a et 24b sont tous insérés à la même profondeur dans le trou central des éléments de détection cylindriques creux 21a et 21b et ils sont fondus en place à l'aide d'une matière vitreuse à haute température telle que le verre au borosilicate utilisé dans l'industrie des circuits à couche épaisse, par exemple la glaçure à couche épaisse A-3025 d'Engelhard Industries, qui est chauffée à l'air à 900° C. Il est nécessaire de contrôler soigneusement l'insertion du conducteur dans l'élément de détection de manière que la distribution thermique dans la masse de l'élément soit aussi identique que possible d'une extrémité à l'autre et d'un élément à l'autre afin d'assurer des caractéristiques dynamiques de dissipation thermique qui soient reproductibles. Le film résistant est appliqué sur les éléments de détection 21a et 21b une fois que les fils conducteurs 23a, 24a, 23b et 24b ont été fondus ou fixés à leur place. Le film résistant recouvre partiellement le corps de l'élément 21a, 21b et les fils respectifs 23a, 24a, 23b, 24b en assurant une bonne connexion électrique. Le transducteur 20 peut être supporté mécaniquement par sa paire de fils conducteurs 23a, 23b et 24a, 24b. Par exemple, les fils 23 et 24 peuvent avoir un diamètre de 0,25 mm et être coudés et façonnés pour s'adapter à une monture.

Le transducteur thermique directionnel 20 est construit de manière à être sensible principalement à l'écoulement d'un fluide (indiqué par la flèche F) transversalement au transducteur, dans le plan défini par les deux axes parallèles des éléments de détection 21a et 21b. La réponse est maximale pour un écoulement transversal perpendiculaire aux éléments 21a et 21b et elle est minimale pour un écoulement parallèle, c'est-à-dire le long des éléments 21a et 21b. A l'aide d'un dispositif approprié d'excitation et de traitement des signaux, on peut déterminer directement la vitesse du fluide incident F et le signe de son sens d'écoulement. On observe une faible variation de sensibilité quand le flux incident sort du plan défini par les axes des éléments 21a et 21b. Cela n'est qu'une des raisons pour lesquelles on peut utiliser une combinaison de transducteurs 20 pour mesurer en coordonnées cartésiennes la vitesse et la direction du vent en météorologie, trois de ces transducteurs 20 pouvant être orientés de manière à permettre de détecter l'écoulement dans les trois dimensions pratiquement sur 360°. Sur un bateau par exemple, un instrument utilisant des transducteurs 20 seuls ou en paires orthogonales en disposition horizontale présente une réponse exploitable et précise même dans des conditions extrêmes de tangage et de roulis.

On peut faire valoir que l'élément détecteur directionnel «idéal» est formé par un seul élément cohérent, ce qui élimine tous les problèmes d'adaptation et d'équilibrage des paires d'éléments, de réglage et autres. Cela est toutefois difficile sinon impossible à réaliser, puisqu'il faut avoir deux organes détecteurs distincts pour détecter le sens en même temps que la vitesse d'écoulement. Ces deux organes ne peuvent pas occuper la même place. Un compromis utilisable consiste à réunir une paire d'éléments sensibles sur un seul substrat cylindrique commun où leur séparation est minimale. Plus les éléments sont proches l'un de l'autre, mais en évitant les interactions thermiques, plus leur indication directionnelle d'ensemble se rapprochera de la forme idéale cosinusoïdale dans une large gamme de vitesses. Les pertes thermiques d'un élément opposé tendent à réduire le rapport signal/bruit puisque les pertes thermiques représentent une puissance de chauffage gaspillée, ne contribuant pas à la détection du transfert de chaleur à l'écoulement du fluide.

La fig. 2 est une vue en coupe transversale de la structure du transducteur 20 illustré en fig. 1, suivant la ligne 2-2 et dans la direction des flèches 2. L'élément de détection 21a comporte un substrat tubulaire fait d'un mince corps cylindrique creux 25a réfractaire et électriquement non conducteur, en oxyde d'aluminium dense. Un film ou revêtement résistant en platine métallique 26a est déposé sur une partie de la surface du substrat 25a. Le corps de support formé par le substrat 25a peut être réalisé en d'autres matières appropriées électriquement non conductrices, par exemple le quartz, le verre dur, la mullite, le silicate d'aluminium et d'autres matériaux réfractaires. Les diverses formes de substrats décrites ici peuvent être fournies par Degussa Corp. sous la forme de minces tubes à un ou plusieurs trous, en oxyde d'aluminium, en silicate d'aluminium et en matières réfractaires similaires, dans une large gamme de dimensions selon un catalogue de produits standard. Si l'on utilise de faibles températures de fabrication et de fonctionnement pour le dépôt et l'utilisation du film 26a, par exemple dans des procédés de revêtement par éva-

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poration sous vide, le substrat 25a peut être fait d'un tube en verre doux ou même en matière synthétique. Le film résistant 26a est pourvu ensuite d'une couche 27a d'émail vitreux, de glaçure à verre, de silice fondue, de vernis au silicone, d'une matière plastique telle que le Téflon (marque déposée), ou un autre revêtement protecteur contre l'abrasion et l'usure du film résistant 26a. Il est important que la matière choisie pour le revêtement protecteur 27a soit stable et ne se modifie pas avec le temps et une exposition prolongée dans l'environnement prévu pour le transducteur 20. Un exemple de glaçure vitreuse inerte compatible à la fois avec le platine métallique et l'oxyde d'aluminium est le vernis N° 6624 d'Engelhard Industries, qui est traité thermiquement à 625° C. La couche protectrice 27a peut être appliquée par trempage, brossage ou projection sur toute la surface du corps de l'élément 21a, ou être limitée à la zone couverte par le film résistant 26a sans effet négatif sur les performances ou la longévité. L'épaisseur de la couche protectrice 27a est en général inférieure à 0,025 mm et elle est le plus souvent de l'ordre de 0,006 mm après traitement thermique. La couche protectrice 27a s'étend de manière à englober la zone où le film résistant en platine 26a recouvre les fils conducteurs en platine 24a et 23a, pour protéger la connexion électrique aux deux extrémités de l'élément 21a. Des dimensions typiques du substrat 25a sont un diamètre de cylindre de 0,6 mm, un diamètre d'alésage de 0,3 mm et une longueur d'environ 25 à 30 mm, mais l'élément 21a peut avoir une taille plus grande ou beaucoup plus petite suivant les applications. L'épaisseur du film métallique résistant 26a est en général de l'ordre de 2 à 10 jim, avec une résistance électrique de plusieurs ohms. Elle peut varier selon le procédé d'application qu'on choisit. Différents procédés d'application peuvent être employés. Si l'on dispose d'installations de projection sous vide, on peut les employer pour déposer le film 26a en platine ou en un autre métal sur l'ensemble formé par le substrat 25a et les fils conducteurs 23a et 24a, en alignant côte à côte une série d'ensembles de manière qu'ils se touchent sur leur longueur. De cette façon, le film résistant peut être placé sur près de 180° de la circonférence du substrat 25a. Avec ces techniques de projection, le film 26a sera plus épais dans ses parties les plus proches de la source de projection, et il sera plus mince et aura une résistance supérieure le long de ses bords, loin de la source. Un procédé moins coûteux pour l'application du film 26a consiste à emprunter les techniques traditionnelles utilisées dans l'imprimerie ou dans l'industrie moderne des microcircuits à couche épaisse et d'employer de la pâte de platine en guise d'encre d'imprimerie.

A titre d'exemple d'une pâte de platine, on citera les produits Nos 6082 ou 6926 d'Engelhard Industries, qui peuvent être traités thermiquement entre 800 et 850° C, c'est-à-dire moins que la température de 900° C de fixation des fils conducteurs. La pâte de platine peut être appliquée à la raclette sur une plaque en métal poli ou en verre et l'on peut employer un rouleau en caoutchouc tendre pour la transférer sur le substrat 25a en roulant dans la direction longitudinale du substrat. On peut régler l'angle de recouvrement du film 26a sur la surface du petit cylindre 25a grâce à la dureté du rouleau en caoutchouc et la pression de contact exercée. Un rouleau tendre avec une forte pression de contact peut produire de grands angles de couverture, allant de 120 à 180° et plus, tandis que des pressions de contact plus faibles peuvent limiter l'angle de couverture à 90° ou même moins. Après application de la pâte de platine, l'élément est traité thermiquement selon les prescriptions du fabricant du produit utilisé. Un film épais appliqué au rouleau sera plus mince au centre et plus épais le long des bords. Le vernis protecteur 27a peut aussi être appliqué par transfert au rouleau. Il est souhaitable que la température de traitement du film 26a se trouve dans la gamme de températures de retraitement de la matière d'enrobage à haute température, qui a été utilisée pour fixer les fils conducteurs 23a et 24a dans le substrat 25a. Pour une description plus complète des matériaux, de la construction, de l'utilisation et des applications de ce genre d'élément détecteur, on se reportera aux brevets US-4 206 638 et 4 279 147.

L'élément de détection 21b est réalisé de la même manière que l'élément 21a et il porte les mêmes numéros de référence, suivis de la lettre b.

Comme le montre notamment la fig. 2, un écoulement transversal entre les éléments de détection 21a et 21b est empêché par les élé-5 ments eux-mêmes ou par un matériau de liaison 22 qui sert aussi à maintenir mécaniquement les éléments 21a et 21b alignés côte à côte. Si le matériau de liaison 22 est suffisamment solide et stable, il peut n'être appliqué qu'à chaque extrémité de la paire d'éléments 21a et 21b, puisqu'un écoulement entre ces deux éléments est empêché par io le fait que les cylindres sont tangents sur toute leur longueur. Par conséquent, on peut appliquer une petite goutte de colle 22 au cya-noacrylate, par exemple du type Eastman, entre les extrémités respectives des éléments 21a et 21b. Quand la colle n'est appliquée qu'à chaque extrémité, on peut effectuer facilement une réparation ou un 15 remplacement d'un des éléments en cas de dommages. On peut alors dissoudre le matériau de liaison 22 par un solvant approprié ou, s'il s'agit d'un matériau semi-souple, on peut le trancher avec une lame de rasoir très fine. Le matériau de liaison 22 peut aussi être un matériau adhésif semi-souple tel qu'une résine au silicone Dow-Corning, 20 un vernis au silicone, un adhésif au silicone ou une résine époxy plus rigide. Il faut noter que les films de détection chauffés 26a et 26b se trouvent sur les côtés extérieurs du transducteur 20, à l'écart de tout contact direct avec la liaison 22. Cela minimise ou évite tout effet qu'une variation du matériau de liaison 22 avec le temps et l'exposi-25 tion aux conditons ambiantes pourrait avoir sur les performances des éléments de détection 21a et 21b. En outre, on n'a pas besoin d'appliquer précisément la même quantité de matière adhésive 22 sur chaque paire 20 d'éléments de détection 21a et 21b.

En général, la résistance des films de platine 26a et 26b dans un 3o transducteur 20 de la taille indiquée ci-dessus est comprimé entre 2 ohms et 6 ohms à température ambiante. La résistance optimale du film est déterminée particulièrement par les caractéristiques de l'appareillage électronique de commande utilisé pour exciter le transducteur 20, ainsi que par d'autres facteurs tels que la puissance d'ali-35 mentation disponible, les types d'amplificateurs utilisés, le procédé d'exploitation adopté, le fluide concerné et des facteurs similaires qui sont connus du créateur de l'instrument.

Une valeur élevée du rapport entre la longueur et le diamètre d'un élément de détection 21a, 21b produit une sensibilité angulaire 40 à l'écoulement du fluide ou de l'air quand le vecteur d'écoulement s'écarte de l'écoulement normal F perpendiculaire aux axes des cylindres des éléments 21a et 21b, c'est-à-dire quand l'incidence de l'écoulement varie dans les 360° du plan passant par les axes parallèles des éléments 21a et 21b. On peut déterminer le signe du sens 45 d'écoulement en mesurant électriquement la variation des résistances relatives de chaque élément 21a et 21b, par comparaison dans un circuit pont équilibré, ou en comparant la puissance dissipée par chaque élément 21a ou 21b par rapport à son voisin si chacun d'eux est commandé séparément à température constante. On détermine la 50 vitesse du fluide en mesurant l'amplitude du signal différentiel de sortie du circuit pont équilibré, qui varie approximativement avec la racine quatrième des variations de vitesse, ou en mesurant la puissance dissipée par chaque élément 21a ou 21b maintenu à température constante.

55 La fig. 3 est un diagramme représentant des lignes d'écoulement à faible vitesse 31 sur un cylindre circulaire droit 30, la vitesse d'ensemble du fluide étant normale à l'axe du cylindre 30. On observe un écoulement laminaire ou non turbulent. La figure représente en coupe transversale le cylindre 30 et un écoulement de droite à 60 gauche, qui bute tout d'abord contre le cylindre 30 au point 32. Le point 32 est défini comme le point de stagnation avant et il peut être appelé plus correctement la zone de stagnation si l'écoulement présente le moindre degré de turbulence. La vitesse relative au point de stagnation 32 est toujours nulle, quelle que soit la vitesse d'ensemble 65 de l'écoulement 31. Le point de stagnation 32 où l'écoulement se divise autour du cylindre 30 ne se trouve pas en un point unique bien déterminé, à moins que l'écoulement ait une turbulence nulle. Comme ce dernier cas n'est pas possible, il est plus correct de parler

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d'une région de stagnation 32. L'écoulement se poursuit autour du cylindre sur des surfaces 33a et 33b et il se sépare du cylindre 30 à environ 108,8° du point de stagnation 32 pour de faibles vitesses. La région située derrière le cylindre 30 contient deux tourbillons 34a et 34b dont la taille et l'intensité dépendent de la vitesse générale de l'écoulement, parmi d'autres facteurs. En référence à la fig. 2, un film de détection 26a qui s'étendrait sur l'élément 21a au-delà des régions d'écoulement laminaire 33a et 33b de la fig. 3 aurait tendance à diminuer le signal perçu en fonction de l'écoulement. On peut réaliser un élément de transducteur dont les performances sont optimales en s'abstenant d'étendre la zone active de détection au-delà de la région du flux laminaire. On peut tirer parti de la région de stagnation 32 si l'on veut, par exemple en segmentant ou en divisant le film de détection parallèlement à l'axe du cylindre du substrat, réaliser une forme de transducteur en porte à faux ou en console dont les deux fils de connexion d'un film se trouvent à la même extrémité, grâce à un film revenant sur lui-même. Le segment de film enlevé se trouve simplement dans la région de stagnation 32.

On trouvera une description de l'écoulement d'un fluide autour d'un cylindre dans les pages 21 à 26 et 59 à 65 d'un livre intitulé «Modem Developments in Fluid Dynamics», vol. 1, rédigé par S. Goldstern et publié en 1965 par Dover Publications, Inc., New York, N.Y.

La fig. 4 représente une vue en coupe transversale d'une seconde forme de réalisation d'un transducteur d'anémomètre thermique directionnel 20a, semblable à tous égards sauf un au transducteur 20 de la fig. 2. Les matériaux et les procédés de fabrication sont les mêmes. La seule différence est que les corps 25a et 25b servant de substrat sont tangents le long d'une génératrice et que le vernis protecteur 27c couvre complètement la paire d'éléments de détection 21a et 21b, en les liant rigidement l'un à l'autre sur toute leur longueur. Quand on utilise un vernis inerte tel que Engelhard N° 6624, il en résulte une liaison qui ne varie pas pendant la durée de vie du transducteur 20a et une stabilité améliorée à long terme. On ne fait pas usage du matériau de liaison 22 des fig. 1 et 2, puisqu'il n'est pas nécessaire. L'élément de détection 21a peut être isolé thermiquement de manière efficace par rapport à l'élément 21b au moyen de cales d'épaisseur placées entre les substrats 25a et 25b, dans les zones de liaison par le revêtement protecteur 27c au point de contact entre les éléments 21a et 21b.

La fig. 5 représente en coupe transversale une troisième forme de réalisation d'un transducteur 20b d'anémomètre thermique directionnel, dans lequel une paire de films résistants 26a et 26b est déposée sur un seul et unique substrat 25c à double alésage. La totalité du transducteur 20b est couverte d'un revêtement protecteur 27c. Les matériaux et méthodes de fabrication sont ceux du transducteur 20 des fig. 1 et 2, mais il peut y avoir intérêt à adopter pour le substrat 25c un matériau ayant une conductivité thermique inférieure à celle de l'oxyde d'aluminium si le substrat porte des films 26a et 26b qui sont proches l'un de l'autre, de manière à réduire le couplage thermique à travers le substrat 25c. A cet égard, un matériau particulièrement avantageux est la porcelaine de mullite qui est une combinaison d'oxyde d'aluminium, de dioxyde de silicium et de dioxyde de magnésium, dont la conductivité thermique est un dixième de celle de l'oxyde d'aluminium à 100° C. Comme ci-dessus, on peut utiliser les alésages du substrat pour la fixation des fils conducteurs. L'emploi de deux films 26a et 26b réunis sur un même substrat cylindrique 25c permet de se rapprocher de la structure «idéale» d'un unique transducteur cohérent lorsqu'on désire qu'un seul organe matériel puisse remplir plus d'une fonction de détection avec le moins possible de volume perturbé dans l'écoulement du fluide F.

La fig. 6 représente une vue en coupe transversale d'un transducteur 20c analogue à celui de la fig. 5. Le transducteur 20c comporte un seul substrat tubulaire 25d sur lequel sont déposés deux films de détection 26a et 26b, recouverts tous deux d'un revêtement protecteur 27c. Par l'emploi d'un cylindre creux 25d comme substrat de support, on minimise la masse thermique du transducteur 20c. Là aussi, on peut prendre en considération la porcelaine mullite pour sa faible conductivité thermique. La mullite a une résistance mécanique sensiblement inférieure à celle de l'oxyde d'aluminium, mais elle ne constitue nullement un matériau faible ou marginal pour des applications de ce genre. Les fils conducteurs peuvent être fixés par s soudure ou par d'autres moyens aux extrémités de chaque film 26a et 26b, où l'on peut omettre le revêtement protecteur 27c dans une petite surface.

La fig. 7 est une vue en perspective d'une quatrième forme de réalisation d'un transducteur 7 d'anémomètre thermique direction-io nel selon la présente invention. Dans la configuration représentée, les films de détection 28a et 28b ont en quelque sorte une forme recourbée pour faciliter une disposition en porte à faux ou à une seule extrémité de raccordement. La construction en porte à faux est particulièrement utile lorsque par exemple trois éléments de ce genre 15 sont orientés orthogonalement les uns par rapport aux autres en formant un ensemble capable de mesurer trois composantes de l'écoulement du fluide. Si trois transducteurs 7 sont montés au moyen de leurs fils de raccordement 23a, 24a, 23b et 24b sur un support ou une tige de petite taille, ils peuvent être disposés suivant 20 les arêtes sommitales d'une pyramide dont la base est dépourvue de fils extérieurs perturbant le champ d'écoulement. On utilise un substrat cylindrique 25e à quatre alésages pour supporter les films 28a et 28b qui sont tous deux fendus ou séparés en leur milieu sur la majeure partie de leur longueur, le long des régions de stagnation 32 25 mentionnées en référence à la fig. 3. Le film est laissé intact dans la zone A pour qu'un courant électrique puisse passer entre les deux moitiés du film. Les fils conducteurs 23a, 23b, 24a et 24b sont fixés au substrat 25e comme on l'a décrit pour le transducteur 20 des fig. 1 et 2. On peut obtenir le segment manquant en 32 dans le film 30 28b en plaçant sur le substrat 25e une mince tige d'oxyde d'aluminium ou de quartz en guise de masque si l'on emploie un procédé de revêtement par projection sous vide. Autrement, on peut enlever un segment du film déjà déposé, au moyen d'un faisceau laser ou d'une technique de découpage par abrasion.

35 La fig. 8 est une vue en coupe transversale du transducteur 7 illustré en fig. 7, suivant la ligne 8-8 et dans la direction des flèches. Les éléments résistants 28a et 28b sont séparés l'un de l'autre et sont appliqués sur le substrat 25e de manière qu'il subsiste au milieu de chaque film 28b et 28a un segment manquant 32 et 32a, comme on 40 l'a décrit en référence à la fig. 7. Un revêtement protecteur 27c est appliqué sur la totalité du transducteur 7 et des zones de connexion des films 28a et 28b aux fils conducteurs respectifs 23a et 24a, 23b et 24b.

La fig. 9 est une vue en coupe transversale d'une cinquième 45 forme de réalisation, montrant un transducteur 9 analogue à celui de la fig. 5, mais dans lequel la paire d'éléments résistants 26g et 26h est portée par des faces opposées d'un unique substrat 25f en forme de cylindre à section rectangulaire. La face apparente des films 26g et 26h est recouverte d'un revêtement protecteur respectif 27d et 27e. 50 Quand le transducteur 9 à section rectangulaire reçoit un écoulement transversal F contre une arête, l'écoulement se divise forcément sur cette arête et il n'y a pas de région de stagnation où l'écoulement est indéterminé ou nul. L'écoulement se sépare de la surface toujours aux arêtes représentées au sommet et au bas du rectangle. 55 Le champ d'écoulement est rigoureusement défini par la géométrie d'un parallélogramme fixe au lieu de la géométrie d'un cercle. La fabrication du transducteur 9 diffère de celle qu'on emploie pour les transducteurs à section circulaire. On utilise une plaque plane de substrat en oxyde d'aluminium ou en matériau réfractaire similaire 60 pour réaliser un grand nombre de paires d'éléments de détection en même temps, en appliquant par sérigraphie de la pâte de platine des deux côtés de la plaque et en la chauffant dans un four à convoyeur, un four périodique ou autre. On applique un revêtement en vernis protecteur par sérigraphie sur le film de platine après traitement 65 thermique, en laissant des zones d'extrémité découvertes pour la connexion des fils conducteurs par sourure ou d'autres moyens. On peut obtenir des plaques d'oxyde d'aluminium, en général de 25,4 mm sur 25,4 mm sur 0,635 mm (1' x 1' x 0,025') chez TDK

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Corp., Coors Porcelain Co. et bien d'autres fournisseurs. Après traitement thermique, les plaques peuvent être découpées à la largeur voulue, par exemple 0,635 mm, pour fournir le transducteur 9 ayant une section pratiquement carrée. Le découpage se fait d'habitude au moyen d'une batterie de scies diamantées. Ce procédé assure une grande uniformité entre les transducteurs découpés dans une même plaque. Il est souhaitable que les films réalisés des deux côtés de la plaque soient aussi identiques que possible.

La fig. 10 représente en coupe transversale un transducteur 10 qui est analogue à ceux des fig. 5 et 9, mais dans lequel une paire d'éléments de détection 21c et 21d comporte deux films résistants 26i et 26j portés par des faces opposées d'un seul substrat composite cylindrique à section rectangulaire, formé de deux substrats séparés 25g et 25h qui sont collés ou liés ensemble par une matière 22a. Chaque film 26i et 26j est protégé contre l'usure et l'abrasion par un revêtement respectif 27f et 27g. La matière de liaison 22a peut être semi-souple ou rigide, comme on l'a décrite en référence aux fig. 1,2 et 4. Cette configuration peut être moins coûteuse que celle de la fig. 9, parce que les plaques de substrat 25 ne sont revêtues que d'un côté avant d'être découpées à la taille voulue. La fabrication est analogue à celle des plaques du transducteur de la fig. 9. Avec des plaques revêtues d'un seul côté, on peut choisir des paires de pièces adjacentes pour former les éléments 21c et 21d et arriver ainsi à une identité presque parfaite des caractéristiques électriques et physiques. Les connexions des fils électriques sont réalisées à chaque bout des éléments 21c et 21d, comme dans le transducteur 9 de la fig. 9.

La fig. 11 représente en coupe une sixième forme de réalisation du transducteur, semblable à celle de la fig. 10, mais dans laquelle les deux éléments plats de détection 21c et 2ld de la fig. 10 sont montés de part et d'autre d'une barre centrale de support 29. Cette barre axiale peut être utilisée pour le montage et le positionnement du transducteur dans d'autres structures. Une matière adhésive semi-souple 22a, telle qu'un adhésif élastomère au silicone ou une résine époxy, peut être utilisée pour coller le support métallique 29 sur les plaques céramiques de substrat 25g et 25h. Les connexions des fils électriques sont réalisées à chaque bout des éléments 21c et 21d, comme dans les transducteurs 9 et 10 des fig. 9 et 10.

La fig. 12 représente en coupe une autre variante selon le principe de la fig. 11, dans laquelle la paire d'éléments de détection 21a et 21b illustrée en fig. 2 est séparée et montée de part et d'autre d'une barre centrale de support 29a. Cette barre axiale 29a peut être utilisée pour le montage et le positionnement du transducteur de la fig. 12 dans d'autres structures, et elle renforce également la paire d'éléments de détection 21a et 21b en les supportant sur toute leur longueur. On peut utiliser une matière adhésive semi-souple 22b et 22c telle qu'un adhésif élastomère au. silicone ou une résine époxy pour coller la barre métallique de support 29a aux éléments de détection 21a et 21b du transducteur. Les connexions des fils électriques sont réalisées à chaque extrémité des éléments 21a et 21b, comme on l'a décrit pour les éléments semblables des fig. 1 et 2. Il faut remarquer que les films résistants 26a et 26b sont représentés couvrant environ 150 à 180° des substrats cylindriques respectifs 25a et 25b, et que chaque élément de détection 21a et 21b est couvert d'un revêtement protecteur respectif 27a et 27b. Le brevet US-4 024 762 indique qu'on peut réaliser un transducteur d'anémomètre directionnel à films chauffés en utilisant deux films cylindriques qui entourent complètement leur substrat respectif, les deux éléments cylindriques de détection étant portés de part et d'autre d'une barre centrale disposée axialement. Il faut remarquer qu'une partie considérable de la puissance de chauffage des éléments de détection d'un tel transducteur est gaspillée en chauffant le support central, et qu'une grande portion du film sensible est couverte par la matière utilisée pour fixer les éléments de détection à la barre de support, ce qui affecte la sensibilité du transducteur à l'écoulement incident et réduit de manière significative le rapport signal/bruit.

La fig. 13 est une vue en coupe montrant encore une autre forme de réalisation d'un transducteur analogue à ceux des fig. 2 et 12,

dans lequel chaque élément de détection 21c et 21 d est formé de deux éléments résistants 26c et 26d, respectivement 26e et 26f sur un même substrat cylindrique 25a et 25b. Il s'agit de films segmentés 26c à 26f qui sont réalisés de la même manière que pour le transducteur 7 illustré dans les fig. 7 et 8. Chaque élément 21c et 21d est 5 séparé et monté de part et d'autre d'une barre centrale de support 29a qui peut être supportée à une seule extrémité, facilitant une construction et un montage en porte à faux si on le désire. On utilise une matière à deux liaisons adhésives 22b et 22c pour fixer les éléments 21c et 21d sur la barre de support 29a. La construction est io semblable à celle du transducteur représenté en fig. 12. Les substrats 25a et 25b peuvent être des tubes réfractaires cylindriques à un seul ou plusieurs alésages. Les fils électriques de connexion peuvent être fixés soit dans le ou les alésages du substrat, soit sur la surface extérieure des films 26c à 26f, comme on l'a décrit plus haut. 15 La fig. 14 illustre une septième forme de réalisation, avec le transducteur 20 de la fig. 1 monté en position centrale entre deux barres parallèles de support 35a et 35b. La barre 35a est coudée vers le bas dans sa partie 35c en formant un U renversé pour faciliter le montage et le support du transducteur 20 et de ses fils de connexion. 20 La barre inférieure 35b est raccordée aux montants 35c. Les barres parallèles de support 35a et 35b contribuent à former une protection mécanique et, conjointement avec la barre 35c et son homologue disposé symétriquement à l'autre bout du transducteur 20, elles exercent une influence aérodynamique sur les performances du transduc-25 teur 20 quand celui-ci est utilisé dans un courant d'air F pour indiquer la direction du vent. Le brevet US-4 206 638 montre l'utilisation d'une seule barre au-dessus d'éléments de détection et il explique le concept d'« oscillation aérodynamique» induite automatiquement afin d'améliorer les performances d'un transducteur d'anémomètre 30 thermique directionnel dans un écoulement sous un faible angle, c'est-à-dire presque parallèle, de manière à améliorer la détection des croisements d'axes, c'est-à-dire des domaines où le signe du sens du vent incident change de plus à moins, par exemple de nord à sud. Le brevet US-4 279147 montre l'utilisation d'une seconde barre pour 35 arriver à une symétrie d'écoulement sur la paire d'éléments de détection placée entre deux barres d'une structure de support du transducteur d'un anémomètre thermique directionnel, la paire d'éléments décrite utilisant des films résistants qui entourent complètement un substrat cylindrique tubulaire. La structure selon la fig. 14 40 permet de combiner les caractéristiques du transducteur 20, décrit plus haut en référence aux fig. 1, 2, 4, 5 et 6, avec les avantages obtenus par le montage entre la double barre décrit dans le brevet US-4 279 147, tout cela résultant en une amélioration marquée des performances du transducteur dans le vent.

45 La fig. 15 est une vue en coupe d'une structure semblable à celle de la fig. 14, dans laquelle le transducteur 10 illustré en fig. 10 est monté en position centrale entre deux barres parallèles de support 35a et 35b. On a représenté des fils électriques de connexion 24c et 24d qui sont raccordés à la surface d'une extrémité du transducteur so 10 et peuvent passer à l'intérieur de la partie verticale 35c du support. De même, on peut combiner les transducteurs des fig. 9 et 11 avec la double barre de la fig. 15 afin de bénéficier d'une protection mécanique supplémentaire en plus de performances aérodynamiques améliorées.

55 La fig. 16 est une vue en perspective d'une huitième forme de réalisation, montrant le transducteur 20 de la fig. 1 sur lequel des obstacles à l'écoulement 36a et 36b sont montés à chaque extrémité du transducteur 20, transversalement à ces éléments de détection et perpendiculairement à l'axe longitudinal du transducteur. Les plaques 60 36a et 36b peuvent être supportées par les paires de fils conducteurs 23a et 23b, respectivement 24a et 24b à chaque extrémité du transducteur. Ces plaques devraient être électriquement isolantes ou, si elles sont en métal, devraient être isolées des fils conducteurs. Selon la longueur du transducteur 20, les plaques 36a et 36b peuvent avoir 65 une taille comprise entre une fois et dix fois la largeur de la section du transducteur 20 et elles peuvent être de forme ronde, carrée ou irrégulière pour autant que la symétrie soit maintenue entre les deux extrémités du transducteur. La fonction des obstacles 36a et 36b est

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de produire intentionnellement un blocage ou une interférence dans le parcours de l'écoulement parallèle sur le transducteur 20 afin de créer un sillage turbulent entre les plaques 36a et 36b. L'effet obtenu peut être appelé une «oscillation aérodynamique» ou un changement rapide d'un côté à l'autre pour un écoulement parallèle ou presque parallèle à l'axe du transducteur 20. L'écoulement sur une partie du transducteur 20 est bloqué par la plaque 36a ou 36b, et chaque pulsation du sillage turbulent derrière la plaque provoque une alternance d'un côté à l'autre le long du transducteur. Cet effet diminue d'intensité quand le vecteur d'écoulement s'écarte de la direction parallèle à l'axe du transducteur 20 pour se rapprocher de la perpendiculaire indiquée par F. Le sillage turbulent derrière une plaque plane est décrit dans les pages 36 à 41 de l'ouvrage «Modem Developments in Fluid Mechanics» cité précédemment.

On peut avantageusement utiliser de la même manière des plaques d'obstruction 35a et 35b montées à chaque extrémité des transducteurs illustrés par les fig. 7, 9,10,11,12 et 13.

La fig. 17 est un schéma électrique simplifié représentant un dispositif analogique d'excitation et de traitement des signaux d'un transducteur à deux éléments de détection 21a et 21b du type illustré en fig. 1, ce dispositif comportant des sorties séparées pour un signal 54 indiquant le signe du sens d'écoulement et un signal 55 indiquant la vitesse d'écoulement. La paire d'éléments de détection 21a et 21b est connectée de manière à former deux bras d'un premier pont de Wheatstone à quatre branches qui comporte d'autre part des résistances 42 et 43. Les résistances 42 et 43 servent à équilibrer le pont quand le milieu fluide entourant le transducteur est au repos ou à vitesse nulle. L'excitation de ce premier pont s'effectue entre des bornes 40 et 41, tandis que l'équilibre du pont entre les points 50 et 51 est détecté et amplifié par un amplificateur différentiel 53, lequel fournit un signal 54 qui est une mesure de degré d'équilibre ou de déséquilibre du pont. Le signal 54 indique un déséquilibre en passant à une polarité positive ou négative selon que l'un ou l'autre des éléments de détection 21a ou 21b est ventilé à une plus grande vitesse que l'autre. Le pont formé par les résistances 42 et 43 parallèlement à la paire d'éléments 21a et 21b peut être considéré comme une seule résistance électrique qui forme à son tour une branche d'un second pont de Wheatstone qui comprend une résistance de puissance 44 montée en série avec le premier pont appelé aussi pont de direction, et des résistances 45 et 46 servant à équilibrer le second pont à un état de fonctionnement déterminé par les valeurs des résistances 45 et 46. On peut faire varier chaque résistance 45 ou 46 au moment de la réalisation du pont, ou on peut utiliser un potentiomètre ou une résistance variable pour l'une ou l'autre, mais pas les deux. Cela permet à l'opérateur une sélection de l'état de fonctionnement et de la sensibilité de l'instrument. Un amplificateur différentiel 48 débite un fort courant de sortie qui est délivré en boucle fermée de rétroaction sur le point 49 du pont. L'entrée de l'amplificateur 48 est prise entre les points opposés 41 et 47 du pont, en prêtant attention à la mise en phase afin d'assurer une contre-réaction.

Un amplificateur différentiel 52 est connecté aux ponts opposés 41 et 42 du pont de direction et il est utilisé pour déterminer la vitesse du fluidepar rapport aux éléments de détection 21a et 21b, comme si ceux-ci formaient un seul élément. Pour l'amplificateur 52, les éléments de détection 21a et 21b et les résistances 42 et 43 fonctionnent apparemment comme une seule résistance qui est sensible à toute variation dans ses constituants. Les éléments 21a et 21b sont en fait des résistances ayant un coefficient de température non nul et, quand on utilise du platine métallique pour le film, le coefficient de température a une valeur fortement positive. Ce fait permet de régler les valeurs des résistances 45 et 46 de telle manière que les valeurs de résistances nécessaires pour équilibrer le second pont sont satisfaites quand la résistance série-parallèle totale du pont de direction, considérée comme une seule résistance, équilibre avec la résistance 44 les résistances 45 et 46 de manière qu'on ait les mêmes rapports de résistance de chaque côté du pont. Le côté actif se compose de la résistance 44 et du pont de direction, tandis que le côté de référence se compose des résistances 45 et 46.

Quand les éléments de détection 21a et 21b sont froids ou ne fonctionnent pas, leur résistance est inférieure à la valeur de fonctionnement. En contrôlant leur valeur de fonctionnement par le réglage du rapport des résistances de référence, on peut choisir les valeurs de résistance à chaud qui sont nécessaires pour équilibrer le pont, tout cela étant commandé par la contre-réaction opérée sur le pont au point 49 par l'amplificateur 48. La boucle de contre-réaction a pour effet de régler automatiquement le courant à travers la combinaison totale du pont jusqu'à ce que la résistance des éléments de détection 21a et 21b atteigne la valeur qui équilibre le pont. Il faut qu'une petite tension de suppression soit présente à la sortie de l'amplificateur 48 quand on enclenche le circuit et que les éléments sont à température ambiante, de manière que le courant minime qui circule dans le pont du fait de la tension de suppression soit suffisant pour développer un petit signal d'erreur entre les points 41 et 47, ce qui permet au circuit d'atteindre automatiquement l'état de fonctionnement. Le mode de commande décrit ci-dessus peut être appelé un procédé de commande à température constante (et à résistance constante) d'un anémomètre à fil ou film chauffé.

Dans un exemple typique, la résistance de chacun des éléments de détection 21a et 21b est de 3,3 ohms à température ambiante. Il faut prendre des précautions quand on doit mesurer la valeur des résistances sensibles à la température. La résistance de puissance 44 est de 2 ohms et elle présente un faible coefficient de température, ainsi qu'une taille adéquate, pour qu'un autoéchauffement ne cause pas de variation appréciable de sa résistance nominale pour les diverses intensités de courant pouvant la traverser. Pour le transducteur 20, selon les fig. 1 et 2, lorsqu'il est à l'échelle indiquée dans les exemples, les intensités typiques de courant peuvent être de l'ordre de 0,1 A à vitesse nulle, tandis qu'on peut mesurer pour la vitesse maximale du fluide des intensités voisines de 1 A dans des cas extrêmes. La résistance 45 est de 499 ohms et elle peut être constituée par une résistance de précision à film ou fil enroulé. Les valeurs des résistances 42 et 43 sont de 20 000 à 30 000 ohms pour chacune afin d'éviter une charge inutile sur les éléments de détection 21a et 21b. Une valeur d'environ 2245 ohms pour la résistance 46 fait monter à 9 ohms la résistance totale du pont de direction, en équilibrant le pont. La température de surface qui en résulte dans les éléments 21a et 21b sera de l'ordre de 125 à 135° C. La résistance 46 peut être utilisée pour équilibrer la température des éléments de détection 21a et 21b. A la place de la résistance fixe 46 à bas coefficient de température, on peut utiliser un détecteur de température à résistance en platine ou un thermomètre à résistance en nickel ou une résistance similaire sensible à la température pour suivre et capter les variations de température ambiante et régler automatiquement la sensibilité de l'anémomètre aux variations de température. Habituellement, on utilise une résistance série de réglage pour atténuer ou abaisser le coefficient de température de la branche du pont formée par la résistance 46, afin d'équilibrer le coefficient de température de la résistance du côté de référence du pont vis-à-vis du coefficient de température de la résistance des éléments chauffés 21a et 21b. Une discussion détaillée de cette technique est présentée dans le brevet US-3 363 462, et les équations de Sabin sont spécialement applicables pour l'anémomètre thermique en général.

La sortie 54 est bipolaire et elle indique quel élément 21a ou 21b se trouve en face de l'écoulement incident du fluide. L'élément de détection situé en face de l'écoulement aura de ce fait une résistance plus basse que l'élément situé à l'opposé, dont la résistance augmente puisque leur résistance totale reste constante. La sortie 55 est unipolaire et elle fournit une mesure de vitesse qui est non linéaire, en indiquant la quantité de chaleur ou puissance perdue dans la masse de l'écoulement du fluide.

Les amplificateurs 48, 52 et 53 peuvent être des amplificateurs opérationnels à circuit intégré, alimentés par des sources positives ou négatives de 12 ou 15 V. Le fonctionnement sous 15 V peut produire des amplitudes de signaux d'au moins 10 V aux sorties 54 et 55. Quand on emploie plusieurs circuits en pont du type de la fig. 17 avec un groupe de deux ou plusieurs transducteurs, il faut prévoir

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des câblages appropriés pour les circuits de masse et d'alimentation afin d'éviter une diaphonie fâcheuse entre transducteurs et les défauts de fonctionnement qui en résulteraient.

La fig. 18 est un schéma électrique simplifié illustrant un dispositif analogique d'excitation et de traitement des signaux d'un trans- 5 ducteur à deux éléments de détection 21a et 21b du type illustré en fig. 1, ce dispositif étant particulièrement conçu pour être employé avec les transducteurs illustrés en fig. 14,15 et 16 et pour fournir un seul signal composé 61 représentant la direction et la vitesse de l'écoulement. Comme dans la fig. 17, la paire d'éléments de détec- 10 tion 21a et 21b est connectée de manière à former deux branches d'un premier pont de Wheatstone à quatre branches qui comporte d'autre part des résistances 42 et 43. Les résistances 42 et 43 servent à équilibrer le pont quand le milieu fluide entourant le transducteur est au repos ou à vitesse nulle. Dans le cas de la fig. 18, l'excitation 15 de ce pont est assurée entre les bornes 40 et 41, et le fonctionnement de ce pont de direction sous la forme d'un pont à résistance constante est tel qu'on l'a décrit pour la fig. 17. L'équilibre du pont entre les points 50 et 51 est détecté et amplifié par un amplificateur différentiel 56 fournissant un signal 61 qui est une mesure du degré de déséquilibre du pont de direction. Le signal 61 indique le déséquilibre en passant à une polarité positive ou négative quand l'un ou l'autre des éléments de détection 21a ou 21b est ventilé à une plus grande vitesse par l'écoulement incident du fluide. L'élément situé sous le vent «sentira» une vitesse d'écoulement plus faible à cause du blocage causé par l'autre élément situé «au vent». L'amplitude qui en résulte dans le signal différentiel de sortie 61 est une mesure directe de la vitesse. Des résistances 57 et 59 forment les résistances d'entrée de l'amplificateur 56, tandis que des résistances 58 et 60 forment des résistances de réaction. Le gain différentiel est défini par le rapport entre les résistances de réaction 58 et 60 et les résistances d'entrée 57 et 59. Un gain typique de l'amplificateur peut être de l'ordre de 20 ou 25 pour une vitesse d'ensemble de l'écoulement se montant par exemple à 25 m/s.

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3 feuilles dessins

Claims

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2

REVENDICATIONS

1. Anémomètre à transducteur thermique directionnel (20, 7, 9, 10) comportant un substrat électriquement non conducteur (25a à 25h) ayant au moins deux zones superficielles électriquement et ther-miquement isolées l'une par rapport à l'autre et recouvertes chacune d'un conducteur de détection (26a à 26j) ayant une résistance électrique dont le coefficient de température est différent de zéro, ce conducteur ne s'étendant sur le substrat du transducteur que dans une région ou l'écoulement du fluide à mesurer est laminaire sur la surface du transducteur.
2. Anémomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat comporte une paire d'éléments cylindriques (25a, 25b).
3. Anémomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat est un cylindre à section rectangulaire (25f) où les conducteurs résistants sont disposés respectivement sur deux faces opposées.
4. Anémomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat est constitué par un cylindre unique à section circulaire (25c, 25d).
5. Anémomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un revêtement protecteur (27a à 27g) est appliqué sur le conducteur résistant.
6. Anémomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins une barre cylindrique (35a, 35b) disposée à proximité des conducteurs résistants et parallèlement à ceux-ci, de manière à créer une turbulence aérodynamique améliorant la réponse de l'anémomètre pour de faibles angles d'incidence du fluide.
7. Anémomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une paire d'obstacles (36a, 36b) montés respectivement à chaque extrémité du transducteur (20) et en travers de l'axe de celui-ci, ces obstacles étant agencés pour créer une turbulence aérodynamique améliorant la réponse de l'anémomètre pour un écoulement incident presque parallèle à l'axe du transducteur.
8. Anémomètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux éléments cylindriques (25a, 25b) sont liés l'un à l'autre au moyen d'un adhésif (2).
9. Anémomètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux éléments cylindriques (25a, 25b) sont liés l'un à l'autre au moyen d'un revêtement protecteur (27c) appliqué sur le substrat à conducteurs résistants.
10. Anémomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conducteur résistant (28a, 28b; 26c à 26f) de chacune desdites zones superficielles est divisé longitudinalement (en 32) sur la majorité de sa longueur axiale dans la zone de stagnation de l'écoulement sur le substrat, pour permettre un montage en porte à faux du transducteur (7).
11. Anémomètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit substrat à section rectangulaire est composé de deux éléments cylindriques à section rectangulaire (25g, 25h) qui sont accouplés, chacun d'eux comportant une surface pourvue d'un conducteur à résistance variable (26i, 26j).
12. Anémomètre selon la revendication 2 ou 11, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une barre de support (29,29a) entre les deux éléments cylindriques.
13. Anémomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que:

a) les deux conducteurs résistants (21a, 21b) sont connectés en série, et une paire de résistances d'équilibrage (42, 43) connectées en série est en parallèle avec cette série de deux conducteurs résistants pour former un premier pont de Wheatstone à quatre branches;

b) ce premier pont de Wheatstone est connecté à une résistance série (44), cet ensemble étant connecté en parallèle avec une série de deux résistances d'équilibrage (45,46) pour former un second pont de Wheatstone;

c) le second pont de Wheatstone est connecté à un premier amplificateur différentiel d'erreur (48) formé par un amplificateur de courant dont la sortie est raccordée en contre-réaction au sommet du second pont de Wheatstone, ce sommet étant défini comme la jonction (49) de ladite série de résistances d'équilibrage (45, 46) avec la résistance série (44) connectée au premier pont de Wheatstone, et le bas du second pont de Wheatstone étant défini comme le point (40) de jonction opposé et de retour à la masse de ladite série de résistances d'équilibrage (45,46) et du bas du premier pont de Wheatstone, pour assurer l'excitation des ponts et faire fonctionner l'anémomètre à transducteur thermique directionnel comme anémomètre à température constante commandé par contre-réaction, le signal d'erreur étant pris entre d'une part la jonction (41) du sommet du premier pont de Wheatstone avec la résistance série, et d'autre part la jonction (47) entre les résistances série d'équilibrage du second pont de Wheatstone;

d) des moyens électriques de comparaison (53) sont connectés entre les bornes médianes du premier pont de Wheatstone, à savoir d'une part la jonction (51) entre les deux conducteurs résistants (21a et 21b) connectés en série, et d'autre part la jonction (50) entre les deux résistances d'équilibrage, et effectuent une comparaison entre ces bornes médianes pour délivrer un signal de sortie (54) indiquant le signe du sens d'écoulement transversal du fluide circulant sur lesdits conducteurs à résistance variable, et e) un second amplificteur différentiel (52) est connecté entre le sommet (41) et le bas (40) du premier pont de Wheatstone, de manière à amplifier le signal de tension apparaissant à travers ce pont et fournir un signal électrique de sortie (55) à un niveau permettant son traitement ultérieur.
14. Anémomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que:

a) les deux conducteurs résistants (21a, 21b) sont connectés en série, et une paire de résistances d'équilibrage (42, 43) connectées en série est en parallèle avec cette série de deux conducteurs résistants pour former un premier pont de Wheatstone à quatre branches;

b) ce premier pont de Wheatstone à quatre branches est connecté à une résistance série (44), cet ensemble étant connecté en parallèle avec une série de deux résistances d'équilibrage (45,46) pour former un second pont de Wheatstone;

c) le second pont de Wheatstone est connecté à un premier amplificateur différentiel d'erreur (48) formé par un amplificateur de courant dont la sortie est racordée en contre-réaction au sommet du second pont de Wheatstone, ce sommet étant défini comme la jonction (49) de ladite série de résistance d'équilibrage (45, 46) avec la résistance série (44) connectée au premier pont de Wheatstone, et le bas du second pont de Wheatstone étant défini comme le point (40) de jonction opposé et de retour à la masse de ladite série de résistances d'équilibrage (45,46) et du bas du premier pont de Wheatstone, pour assurer l'excitation des ponts et faire fonctionner l'anémomètre à transducteur thermique directionnel comme anémomètre à température constante commandé par contre-réaction, le signal d'erreur étant pris entre, d'une part, la jonction (41) du sommet du premier pont de Wheatstone avec la résistance série, et, d'autre part, la jonction (47) entre les résistances série d'équilibrage du second pont de Wheatstone, et d) un second amplificateur différentiel équilibré (56 à 60) est connecté transversalement sur le premier pont de Wheatstone à quatre branches, les deux signaux d'entrée de ce second amplificateur étant pris respectivement sur la borne médiane ou jonction (51) entre les deux conducteurs résistants et la borne médiane ou jonction (50) entre les deux résistances d'équilibrage connectées en série, ce second amplificateur différentiel équilibré produisant un signal de sortie composé et amplifié représentant une mesure de la vitesse et du sens de l'écoulement transversal du fluide sur les deux conducteurs résistants (21a et 21b).
15. Anémomètre selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que l'une des résistances série d'équilibrage (45,46) formant le second pont de Wheatstone connecté au premier pont présente un coefficient de température différent de zéro et sert de capteur de température ambiante qui modifie l'équilibrage du second pont de Wheatstone en fonction des variations de la température ambiante.

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