EP2368127A1 - Sonde anemometrique a un ou plusieurs fils et son procede de realisation - Google Patents

Sonde anemometrique a un ou plusieurs fils et son procede de realisation

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EP2368127A1
EP2368127A1 EP09798922A EP09798922A EP2368127A1 EP 2368127 A1 EP2368127 A1 EP 2368127A1 EP 09798922 A EP09798922 A EP 09798922A EP 09798922 A EP09798922 A EP 09798922A EP 2368127 A1 EP2368127 A1 EP 2368127A1
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EP
European Patent Office
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wire
probe
son
pins
wires
Prior art date
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Application number
EP09798922A
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German (de)
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Inventor
Jean-Paul Moro
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2368127A1 publication Critical patent/EP2368127A1/fr
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/10—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables
    • G01P5/12—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables using variation of resistance of a heated conductor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/10—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring thermal variables
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49117—Conductor or circuit manufacturing
    • Y10T29/49174—Assembling terminal to elongated conductor
    • Y10T29/49179—Assembling terminal to elongated conductor by metal fusion bonding

Definitions

  • It relates more particularly to probes or devices of the type anemometer hot wire or cold wire.
  • It also relates to a method of manufacturing such a probe.
  • It also relates to a device for regulating the supply and the measurement of such a probe.
  • the electrical power generated at the level of the wire and consequently exchanged between the latter and the surrounding medium may be provided from different by an electronic circuit, which makes it possible to define three types of anemometers:
  • a known probe described in the document by Ligrani and Bradshaw, 1987, and illustrated in Figure 1, comprises a wire 201 (hot wire diameter 0, 625 microns) in a platinum alloy and 10% rhodium.
  • This wire is traversed by an electric current in its active portion 600 (heated length) and has a shape "U".
  • This wire is attached to the end of two points 400, 600 held between them by an araldite adhesive 450. The attachment is obtained by two solders (tin) 221 of the wire on the tips.
  • the spacing e between the ends of the two pins is of the order of 0.5 mm.
  • the wire defines a plane which is inclined at an angle ⁇ of approximately 15 ° with respect to the plane defined by the tips 400, 600.
  • the blocking effect is a disturbance on the flow, caused by the too close proximity of the ends of the pins. This disturbance affects any measurement made at the active part 600.
  • a problem is therefore to be able to make a probe that improves the performance of such a probe.
  • a probe of the type of that of Figure 1 has problems of vibration resistance and sensitivity.
  • Another aspect of the type of measures envisaged is the filtering effect. This effect occurs when the active area is too large, providing an averaged or integrated measurement, and not a one-off measure.
  • the known probes including commercial anemometer assemblies (typically 2.5 ⁇ m diameter probe associated with a constant temperature anemometer), are therefore largely insufficient for the measurement of small scales of turbulence, and totally unsuitable for measurements in close proximity. wall like the ones we want to make.
  • multi-wire probes are required whose volume defined by the set of wires is very small, in order to be able to consider that all the wires is in the smallest possible volume and that, therefore, the speed is the same for all the wires.
  • the realization of a probe of this type poses many technological problems, most of which are not solved.
  • One of the problems posed by the invention is in particular to find a production method which makes it possible, in a reproducible manner, to obtain a probe having excellent performances.
  • such a method should make it possible to produce single-wire probes as well as multi-wire, "X" or parallel-wire probes.
  • the invention makes it possible in particular to produce a probe comprising very small diameter wires, associated with a large spacing between pins, in particular to limit the blocking effect.
  • the invention makes it possible, in particular, to reproducibly produce probes using wires of 0.35 ⁇ m to 0.625 ⁇ m in diameter, for example 0.5 ⁇ m in diameter.
  • the invention relates first of all to an anemometric probe with n wires (n1> 1), arranged in parallel or in X, for a measurement in the vicinity of a wall, comprising, for each wire: a) two pins of maintaining the wire, the end of each pin comprising a positioning and fixing zone of the wire, b) a straight portion of wire brazed to said positioning and fixing areas of the wire.
  • the ends of the pins can be spaced apart by a distance of at least 4 mm.
  • the wire comprises a central core made of a rhodium-platinum alloy, with a diameter of between 0.35 and 0.6 ⁇ m, and a silver sheath, eliminated on a portion of wire, called a sensitive or active zone. , of length between 0.4 mm and 0.5 mm.
  • the wire can be soldered to the pins using a tin-lead type solder.
  • a probe according to the invention can comprise n (n> _ 2) son, parallel or in "X", n> 2. For example it comprises 2 or 3 or 4 son parallel to each other or arranged in "X".
  • the invention also relates to a method for producing an n-wire (n1> 1 or 2) anemometric probe, in particular a probe as defined above, for a measurement in the vicinity of a wall, having, for at least one of the yarns: a) positioning and holding a straight portion of the yarn, having a metal core surrounded by a protective sheath, on two surfaces, for example polished surfaces, b) then the elimination of a portion of the sheath, so as to highlight an active zone for measuring the wire, c) then brazing the wire on two pins of the probe.
  • a wire previously stripped or pickled is mounted on the pins (step c).
  • the wire is positioned on a structure or surfaces (step a), which allows, before it is brazed on the pins of the probe, a local stripping or stripping of the active part of the wire (step b). ). With this technique, it becomes possible to make very complex configuration probes, n parallel son or "X".
  • the surfaces on which the wire comes to rest are previously aligned surfaces, so as to offer the wire a horizontal support and a line alignment as accurate as possible.
  • the above steps can be repeated for each wire of a multi-wire probe.
  • the invention also relates to a method as described above, for the production of an airspeed probe with at least two wires, comprising the implementation of steps a) -c) for a first of at least one of said son then the implementation of steps a) - c) for a second of said son.
  • Step b) may comprise, for at least one of the wires:
  • the wire can be held by means making it possible to avoid bending the wire relative to the first fixing point; such bending may indeed occur during the second positioning and fixing step.
  • a method according to the invention may comprise, for example after step a) or b), the formation of a curvature of the wire, for example by bringing the two surfaces together.
  • step b) comprises etching the sheath of the wire to form an active measurement zone, for example:
  • a wire resistance measurement can be made to determine the etched length.
  • the etching can be carried out using a loop formed by a wire on which a drop of pickling liquid can be maintained.
  • an annealing step at a temperature substantially greater than the temperature at which the yarn is intended to be used may be provided.
  • the brazing it can be performed by hot air gun, or by laser impact.
  • a preliminary step of straightening the wire makes it possible to obtain the straight part of the wire, for example by elongation, resulting from an axial axial tension on the wire.
  • it is held fixed to the ends of two studs, one of which is movable.
  • This movable stud may be connected to a micrometric table of movement along at least one direction, preferably in 2 or 3 directions.
  • the invention also relates to a method for measuring anemometric quantities, in particular in the vicinity of a wall, comprising the implementation of a probe according to the invention.
  • the invention also relates to a device for regulating a constant-current wire anemometer, comprising:
  • This regulating device can be applied to a probe according to the invention, described above, or to another type of airspeed sensor. But particularly interesting results are obtained with a probe according to the invention.
  • the wire and the reference resistor are for example mounted in current mirror.
  • the means for regulating a supply current preferably comprise a diode-mounted control transistor and a potentiometer.
  • the invention also relates to a cold wire thermoanemometer comprising:
  • an anemometer for example having the structure already described above in the context of the invention
  • the invention also relates to a method for measuring a temperature in a fluid in flow, comprising the implementation of a thermo - anemometer as above, without additional thermocouple.
  • FIG. 1 is a hot-wire probe, of known type
  • FIGS. 2A-2E and 14 represent aspects of an "X" wire probe, according to the invention.
  • FIGS. 3A-3B show other types of probe according to the invention, with two wires or more than two wires,
  • FIGS. 4-10 show steps for producing a probe according to the invention
  • FIG. 11 represents a supply and measurement circuit that can be used in the context of the present invention
  • - Figures 12 and 13 are measurement curves according to the invention for a thermo-anemometer according to the invention
  • Figures 15A and 15B show another configuration of an "X" son probe, according to the invention.
  • FIG. 2A-2E An example of a probe according to the invention is illustrated in Figures 2A-2E and 14. It is a particular configuration, many others being possible.
  • the probe comprises a wire 2 stretched between the tapered ends of two metal pins 4, 6, which extend in an insulating body 10 of cylindrical shape, preferably a ceramic.
  • the two wires 2, 20 are arranged with an angle ⁇ between them (see FIG. 14 which represents a front view of the device) even if they are located in two distinct planes, parallel to each other and perpendicular to an axis of the device, substantially identified by the axis of the insulating body 10. These parallel planes containing them are separated by a distance less than or equal to 0.8 mm, or between 0.2 mm and 1 mm or between 0.3 mm and 0, 8 mm.
  • the angle ⁇ can be 90 °, so the two wires can perpendicular to each other in the front view of FIG. 14.
  • These structures are described as "X" structures because of the relative position of the wires, as illustrated in FIG. 14.
  • the invention also relates to, and also allows to realize, devices with parallel son as illustrated in Figures 3A and 3B.
  • the son are separated by a distance ⁇ less than or equal to 0.8 mm, or between 0.2 mm and 1 mm or between 0.3 mm and 0.8 mm.
  • this maximum gap between the planes in which the wires are located contributes to the possibility of making spot measurements, making it possible to have an extremely fine representation of the phenomena observed.
  • FIGS. 15A and 15B Another X configuration is shown in FIGS. 15A and 15B. It also comprises two son 2,20, each having a central detection zone as shown in Figure 2E described below. Each wire is held by two pins 4, 6, 40, 60 disposed in the probe body as described above. We see in this figure that the form "X" appears this time when we look at the probe from the side. Multiple other "X" configurations are possible. The configuration performed depends on the environment and the conditions under which a measurement is to be made.
  • the probe body 10 is for example constituted by a ceramic cylinder of diameter which can be understood between 2 and 4 mm, in which are implanted as pins 4, 6, 40, 60 (case of Figures 2A and 2B, but this is also applicable to other cases, such as those of Figures 3A, 3B) of the needles stainless steel diameter for example between 0.2 mm and 0.4 mm.
  • the wire 2 (and possibly another wire, or any other wire, used in a probe prepared according to the invention) is positioned on the pins 4, 6.
  • An example of the shape of one of these pins, the pin 4, is shown in Figure 2C in side view.
  • the reference 43 designates the part of the pin 4, on which one end of the wire 2 will be brazed.
  • the other pin 6 has the same structure.
  • Each pin therefore has a substantially cylindrical section body along a direction AA ', for example the axis AA' is an axis of symmetry of revolution of the spindle in the case where it has a cylindrical shape (FIG. 2C ).
  • the wire 2 also has an extremely precise alignment, of the order of a hundredth of a millimeter. Unlike the known probe structure (as explained above in connection with FIG. 1), a straight portion of the wire 2 is positioned on the pins 4, 6. There is no need, as in FIG. case of Figure 1, bending the wire in the form of "U”, such a curvature affecting the accuracy and reproducibility of the device.
  • the solder of the wire 2 on the pins 4, 6 is a tin-lead alloy solder.
  • the emerging length of the pins will depend on the configurations, but it can be approximately of the order of 15 mm. For the "X" structure of FIGS. 2A and 2B, this length is less for the wires which are situated behind the lead wire in front of the probe, this is the case for wire 20 of FIG. over 2.
  • the distance D which separates the ends of two pins intended to carry the same wire, may be substantially equal to or greater than 5 mm, and preferably between 5 mm and 8 mm, for boundary layer flows up to at vein speeds less than or slightly greater than 12 m / s.
  • good behavior is obtained only when the spacing between the pins does not exceed 4 mm.
  • the shear excitation can induce large amplitude oscillations at the wire scale. oscillations that lead to the rupture of the latter.
  • the probe body is sheathed with a tube 12 of elastomer, which will absorb the waves or vibrations that can propagate towards the wire 2, the part of which active is very fragile.
  • the yarn 2 (or possibly another yarn, or any other yarn, used in a probe prepared according to the invention) is preferably a yarn comprising a central portion 21 made of platinum or a platinum-rhodium alloy, surrounded by a sheath 22 in silver, which may be of diameter between 50 and 80 ⁇ m, as shown in Figure 2D.
  • the diameter of the central portion 21 is very small, less than 0.635 microns or 0.6 microns, for example 0.35 microns or 0.5 microns.
  • the wire used is preferably a "Wollaston wire” type wire made of a platinum-rhodium alloy (Pt-10% Rh). It is impossible to directly handle a wire of this diameter without risk.
  • the silver sheath, with a diameter of 30 to 50 ⁇ m, which surrounds the wire ( Figure 2D) allows this manipulation.
  • Such a wire offers measurement punctuality greater than that obtained in known devices, because it is possible to define a measuring zone 14 by locally eliminating the sheath of the wire, as shown in FIG. 2E. This results in an active length 1 of between 0.4 mm and 0.5 mm. A lower active length would be detrimental to the measurement because the edge effects due to the ends 22 ', 22' 'of the sheath at the boundaries of the measuring zone 14 would then be too great. This aspect is illustrated in FIG. 2E, where the active part 14 and the silver sheath 22 are clearly visible.
  • the active part 14 is not visible in FIG. 2A, since the width of this active part (between 0.4 mm and 0.5 mm) is small relative to the distance E between the ends of the pins 4, 6. (at least 5 mm).
  • the ratio 1 / d of the active length of the wire to its diameter, is substantially between 600 and 1500. Beyond, the punctual character of the measurement disappears: one then finds the effects of filtering or averaged measurement already mentioned. With a ratio between 600 and 1500 (600 ⁇ 1 / d ⁇ 1500), the hypothesis of two-dimensionality, therefore of a very flat temperature profile in the active zone, is satisfied. For a ratio of less than 600, the appearance of end effects means that the temperature profile along the wire can no longer be likened to a "gate" profile (that is, a constant temperature along the wire) this profile is closer to a parabolic profile.
  • this situation results in a loss of sensitivity of the wire and a deterioration of the signal-to-noise ratio. Physically, this means that we can not capture phenomena of low amplitude.
  • the wire 2 is connected to the pins 4, 6 by brazing the silver sheath 22 on these pins.
  • a probe according to the invention has properties of location of the measurement, without filtering effect (due to punctuality on the measurement reached by the very small width of the measuring zone 14), without blocking effect (due to distance of the ends of the pins from each other). This probe is also resistant to vibrations.
  • a probe according to the invention therefore makes it possible to measure physical quantities as close as possible to a wall, without bias, and therefore without a correction being necessary.
  • y + is defined as the product of the velocity of friction by the distance to the wall divided by the kinematic viscosity.
  • the invention also relates to a single wire probe, but also a parallel multi-wire probe, as illustrated in FIGS. 3A and 3B.
  • a double probe for example which associates a hot wire 2 and a parallel cold wire 2 ', with a spacing between the two wires of the order of 0.3 mm (or more generally between 0.2 mm and 1 mm), is also object of the present invention and is shown, in side view, in Figure 3A (we see the son only by the side, so each wire 2, 2 'is likened to a point in this figure and in Figure 3B ).
  • the other references are those of FIGS. 2A-2E and designate the same elements.
  • two pairs of pins are provided, the pair 4, 6 already described above, on which is brazed the wire 2, and another pair 4 ', 6' (of which only the pin 4 'is visible in Figure 3A) on which is brazed the wire 2 '.
  • the references are those of Figures 2A-2E and denote the same elements, the maximum distance between the son being between 0.2 mm and 1 mm, preferably between 0.3 mm and 0.8 mm.
  • three pairs of pins are provided, the pair 4, 6 already described above, on which is brazed the wire 2, and another pair 4 ', 6' (only pin 4 'is visible in FIG. 3B) on which the wire 2 'is soldered, a third pair 4'',6''(of which only the pin 4''is visible in FIG. 3B) on which the wire is brazed 2 ''.
  • Such a triple probe preferably operates with a hot wire, in the center (the wire 2 ') and two cold wires, on both sides (the wires 2 and 2''), which give information on the direction of the 'flow.
  • a double probe or, more generally, with n wires, at least one of the wires, or each of the wires, has the characteristics indicated above, and is fixed in the manner indicated above, on a pair of pin.
  • each wire having a denuded area such that the ratio 1 / d is between 600 and 1500, it was possible to carry out measurements of speed and temperature.
  • This probe is composed of two pairs of wires, each pair being arranged in "X", and contained in a plane perpendicular to that of the other pair, and an additional wire (cold) for measuring the temperature.
  • This configuration allows the simultaneous measurement of the three velocity components in a non-isothermal flow.
  • the volume delimited by the two pairs of wires is approximately 0.4 3 mm 3 , while the ratio 1 / d of each of the wires is approximately 1000.
  • a method of manufacturing a probe according to the invention will now be described. It relates to the realization of a single-wire probe, and can be applied to the realization of a probe to any number of son, unless otherwise specified.
  • All operations are preferably performed under a binocular loupe, given the size of the elements and the required accuracy.
  • This magnifying glass, or other visualization means selected or equivalent, is used to display with an accuracy of l / 100th mm.
  • the pins 4, 6, 40, 60 are secured to the probe body 10, 12. In the latter, holes were made or grooves were dug to precisely position these pins.
  • the pins are inserted into the probe body using a template so that they protrude from the probe body of equal length.
  • the soldered connection between the electric supply cables 19, 19 '(FIG. 2A) arrives and the pins 4, 6 can be located in the groove or holes of the body 10 or outside.
  • the welding of this connection is performed during this preparation step.
  • These connections and cables, or other connections and cables, can be used for other pins.
  • the sealing of the pins in the support can be provided by coating a concrete whose grip is compatible with the ceramic. Tests show that an adhesive, for example Araldite type can also very well provide this sealing function, while retaining some elasticity that is interesting for vibration absorption and saving the probe.
  • the probe body once provided with its pins 4, 6, 40, 60, is inserted into an elastomer damping sheath 12, in order to limit the vibrations that can break the active part of the wire 20, which is very fine.
  • FIG. 4 shows the probe body 10, 12, with its pins 4, 6 ready to receive the wire 2 of the probe.
  • the body of the probe is mounted on a set of micrometer tables, not visible in the figure, which will make it possible to achieve highly accurate movements in two or three dimensions, to the hundredth of a millimeter.
  • wire 2 itself, one generally starts from a wound wire in the form of a coil.
  • a first operation is therefore a straightening operation of the wire, in order to erase the memory that the wire has of its winding on the coil.
  • the diameter of the central core of which is less than 0.5 ⁇ m, for example 0.35 ⁇ m, during the straightening phase of the rolling wire on a marble, there is a risk of a rupture of the core central of the wire.
  • a suitable rectification step implements an elongation that causes an axial axial tension to the wire.
  • the wire is brazed at its two ends on a system comprising two studs 49, 51, one of which (the stud 49) is mobile thanks to its implantation on the plate of a micrometric table 69 moving in two dimensions X, Y as shown in Figure 5.
  • This table will allow to perform extremely precise movements, in each of two dimensions, to the hundredth of a millimeter.
  • the rectification operation it is preferable, for the rectification operation to be optimal, that the two points of the studs 49, 51 are in the same horizontal plane.
  • the mechanical tension allowing straightening of the yarn is not quantified accurately. Nevertheless, the following procedure can be given.
  • the displacements of the mobile stud 49 are measured using the micrometer table.
  • the origin of the displacements is taken when the tension of the wire makes start the bending of a needle (for example of length 50 mm and diameter 0.2 mm) in support on the wire and held by an operator (one recalls that the operations are led under observation at high magnification, for example with a binocular loupe).
  • a displacement of 0.4 mm of the mobile pad 49 is sufficient to obtain good straightness and increased rigidity of the wire.
  • FIG. 1 represents globally the whole system, with two sets 81, 83 each comprising three micrometric tables 81 '(for a displacement along X), 81''(for a displacement along Y), 81''' ( for a displacement according to Z) and 83 '(for a displacement according to X), 83''(for a displacement according to Y), 83''' (for a displacement according to Z).
  • Each table will allow an extremely precise displacement, to the nearest hundredth of a millimeter.
  • To each of these two assemblies 81, 83 is fixed an L-shaped beam 61, 63 (see also FIGS. 6 and 7).
  • the largest portion of the "L" of the beam 61 is directed substantially in the same direction as the largest portion of the "L” of the beam 63 (see Figure 9 which gives a top view of the two beams), in made in a direction substantially at 45 ° to each of the X and Z axes in Figure 8.
  • Figure 9 shows the position of the two beams 61, 63 in plan view.
  • Each of the ends of the wire 2 will be put in place on this system which comprises these two beams 61, 63. More particularly each wire end 2 is positioned against a surface of the corresponding beam, which surface has been machined by polishing.
  • the distances d, d (FIG.
  • offset between the perpendicular axes X and Z, between the ends of the two beams (for an "x" probe), are in particular functions of the spacing between the pins 4, 6 of the probe to which the wire is to be attached.
  • These two beams 61, 63 are previously positioned in the same horizontal plane.
  • the two beams are "straddled” by straightened wire.
  • the two beams are considered at the same altitude when the wire is uniformly in contact on the face 61 ', 63' of each beam. To realize this condition, one plays on the displacement in "Y" (vertical axis) of the micrometric tables.
  • the lead of the probe is then immobilized on each beam by means of a drop 71, 73 of a material of the glue or cement type, for example refractory cement (of the Degussa mark), as illustrated in FIG. .
  • a material of the glue or cement type for example refractory cement (of the Degussa mark)
  • the etching is carried out by a point dissolution of the sheath 22 of silver, by chemical or electrochemical etching.
  • This sheath is attacked with nitric acid.
  • the length 1 to be stripped is determined according to the diameter d of the wire knowing that, if one wants to ensure a temperature profile as uniform as possible on the wire during its use in hot wire, a ratio 1 / d greater than 250 allows to limit the impact on the measurement of the conduction at the ends of the active part (for a given material and therefore a given cold length).
  • a ratio 1 / d greater than 250 allows to limit the impact on the measurement of the conduction at the ends of the active part (for a given material and therefore a given cold length).
  • the system used here for pickling can be composed of a wire 101 of a few hundredths of a millimeter in stainless steel. This wire 101 is shown in FIG. 10, near the wire 2 to be etched, itself in position between the two beams 61, 63.
  • this wire 101 forms a loop which allows the retention of the drop 102.
  • the latter consisting of pure nitric acid, is deposited on the loop using a syringe. Then approach the loop and the drop using micromanipulators to bring the latter into contact with the wire 2 to strip.
  • a back and forth motion is made to dissolve the silver of the sheath 22. Once the drop is saturated with silver, remove it from the wire and replace it with another drop of nitric acid. The procedure is the same until the platinum-rhodium wire 21 appears and the resistance of this wire begins to evolve.
  • the etched length is adjusted according to the resistance of the probe. Typically, there is a resistance of 500 ⁇ for wire of 0.5 ⁇ m in diameter and 1 k ⁇ for wire of 0.35 ⁇ m, which corresponds to a stripped length of 5 to 6 tenths of a millimeter, corresponding to a ratio 1 / d of the order of 1100 and 1600 respectively.
  • the 0.5 ⁇ m yarn is used, which makes it possible to obtain a 1 / d ratio of 1100.
  • a probe with a 1 / d ratio greater than 1500 does not have the punctuality required for the measurement: we then find the effects of filtering or averaged measurement already mentioned.
  • a simple electrical circuit consisting of a battery, a potentiometer and a switch is thus connected to the metal loop carrying the drop and to the wire 2 (as illustrated in FIG. 10).
  • a drop 102 is formed for stripping, but this time consisting of nitric acid diluted to 5%. It is approached in the same way as the previous drops, so that the yarn is wetted inside the drop.
  • the switch is then actuated, briefly because degassing is very fast and violent at the wire scale.
  • the wire is rinsed with a drop of demineralized water so as to eliminate any residual trace of acid on the wire.
  • To implement the previous method is formed a drop whose size is constrained by the size of the loop and the surface tension forces.
  • a slight curvature is applied to the wire 2 at this time of manufacture, as has just been explained.
  • the wire 2 then has a slight curvature, or an arrow, of the order of a few hundredths of mm, for example less than 2/100 th of a mm or 4/100 th of a millimeter, for example in a plane substantially perpendicular to plane the axis of the body 10 of the probe.
  • This curvature will have no influence on the anemometric measurements made thereafter and gives the yarn flexibility to absorb mechanical stresses or vibrations.
  • This set of operations performed one can solder the wire on the pins 4, 6, 40, 60 of the probe. So we bring these pins near the wire
  • the wire 2 and a first pin are degreased with acetone.
  • the solder is then melted, for example with the aid of a hot-air iron.
  • the wire 2 is secured to the pin 4, and it is then soldered on its second pin 6.
  • the curvature or curvature previously conferred on the wire allows this operation without risk of breakage.
  • wire 2 When soldering, wire 2 adopts retains a slight curvature, or an arrow, of the order of a few hundredths of mm, for example less than 2/100 th of a mm or 4/100 th mm.
  • the yarn 2 is then cut with a razor blade flush with the pins so that the wire holder assembly can be removed and the remaining wire ends can be removed from the wire holder assembly.
  • Another technique implements a very localized power supply by laser beam, whose punctuality has the advantage of not polluting the environment thermally.
  • the laser used is pulse mode, YAG type with a maximum power of 3OW.
  • the frequency and duration of the pulses are adjustable.
  • the beam is focussed on the point of soldering at the end of the pin thanks to a camera coupled to the laser, and a firing is carried out which causes the solder to melt and couples the wire to the pin.
  • the implementation of this technique ensures the brazing operation regardless of the degree of miniaturization of the probe and the number of son it contains.
  • the wire 2 is passed through a current calculated according to the resistance of the probe.
  • the wire is thus brought to a temperature substantially greater than the temperature at which it is intended to work.
  • the difference in temperature between the wire and the ambient air is given by the following relation:
  • R “-R AT f " aR 0
  • Ro the resistance of the probe at room temperature
  • ⁇ the coefficient of evolution of the resistance with temperature (1.6 ⁇ 10 -3 ⁇ -1 for Pt-10% Rh)
  • R fl1 the resistance of the wire brought to the temperature T + ⁇ T, given by Ohm's law.
  • the optimal solution for protecting the wire consisted in inserting the ceramic probe body, once provided with its pins, into a damping sheath 12 of very low hardness (of the order of 25 A shores).
  • a probe according to the invention is used with current supply means, and means for measuring variations in electrical resistance of the wire or wires. It is these variations that reflect the variations in speed and / or temperature of a fluid carried by a flow in which the probe is immersed.
  • the system is decoupled from the electrical network, whose potentials can fluctuate (for example, by starting or stopping neighboring installations).
  • the currents and / or the voltages that occur at the sensor are very small and can be easily disturbed by these network fluctuations, however small.
  • installations such as a wind tunnel, it is difficult to put correctly at the same potential the different points of mass. This results in loop currents between these different ground points, driven by the potential fluctuations of the network, currents which also disturb the measurements significantly.
  • This solution also makes it possible to supply all the circuits, which thus have a fixed ground potential and no longer fluctuate as may be the case when they are connected to electronic voltage regulators.
  • the circuits are preferably placed in a box, for example copper, which constitutes a ground plane, connected to the ground of the battery. To this ground plane is also connected a braid surrounding the connection wires of the probe.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • a particular operation is the so-called "cold wire” operation. This is a constant current mode of operation, in which the current with which the wire is fed is very low.
  • Cold wire anemometers are already known.
  • the power supply has a large resistance R placed in series with the wire to maintain a constant current Iw current in this wire when the flow velocity varies.
  • the wire is integrated with a Wheatstone bridge to accurately measure its Rw resistance; the output signal is collected at the top of the bridge.
  • the constant current anemometer has advantages. We have the choice of overheating, which is very appreciated for the study of temperature fluctuations.
  • the background noise can also be measured by substituting a fixed resistance for the wire and then making the necessary corrections to the measurements. In return, the output signals are amplified significantly. The bandwidth of this measurement principle is imposed by the thermal inertia of the wire.
  • R wire R 0 [I + a (TT 0 )] where RO is the resistance of the probe at a reference temperature and ⁇ the coefficient of evolution of the resistance with temperature.
  • the temperature difference is small and the current with which the wire is fed is very small. It just serves to measure a voltage across the wire in order to go back to the value of its resistance. It is generally of the order of 50 to 200 ⁇ A. Thus, the heating of the wire by Joule effect is negligible, which is worth to this anemometer the name of cold wire thermometer.
  • thermocouple A problem with this type of operation is as follows: the measured temperature drifts, it is necessary to associate the probe with a thermocouple to have a measurement of the average temperature.
  • the invention proposes a solution to this problem.
  • FIG. 11 Electronic means associated with a constant current anemometer are shown in FIG. 11, in which the wire is always designated by the reference 2.
  • the circuit represented also comprises:
  • - Power supply means 110 preferably a battery as explained above,
  • a reference resistor 112 a potentiometer 114 for adjusting the current.
  • the supply of the circuit Ve is provided by a voltage regulator (MAX 6325).
  • the two resistors 2, 112 are mounted in current mirror. The adjustment of the current flowing through the two branches of the mirror, each of the branches comprising one of these two resistors, is effected by the voltage Vbe of a diode-mounted control transistor 116 via the potentiometer 114.
  • the potential difference between the probe 2 and the reference resistor 112 is applied to a Operational amplifier of instrumentation 120.
  • the amplifier amplification provides a measured signal which reflects the variations of the resistance of the wire 2.
  • the signal is amplified at the terminals of the probe 2.
  • this amplification is not too important (we try take into account the voltage resolution of the acquisition card).
  • an airspeed sensor 2 has a high resistance, and the variations in output of the anemometer, after amplification, may exceed the ranges of use of the cards. This is why we choose to center on about zero the output signal of the thermometer; this also allows you to take full advantage of the measuring range and thus adjust the gain accordingly. To do this, a subtraction is performed between the signal at the terminals of the probe 2 and the signal at the terminals of a reference resistor 112.
  • the current mirror arrangement makes it possible to have a stable signal crossing the reference resistance, as well as a stable current passing through the probe 2.
  • Such a device has been implemented in the context of test campaigns in a wind tunnel, the probe being a single-wire probe operating in cold wire.
  • the reference resistor 112 has been replaced by a metal resistor whose coefficient of variation with temperature is much lower (0.6 ppm / ° C.) and negligible.
  • thermometer components the probe and its supply and measurement means
  • the power of a heating mat placed in the housing of the anemometer is electronically regulated.
  • thermometer The electronic circuit of the thermometer is thus maintained at a temperature greater than that of the room in which it is located.
  • This temperature at which the circuit is maintained is regulated to plus or minus one-tenth of a degree.
  • This device allows, after a single calibration of the entire airspeed chain, to measure in the flow not only the fluctuations of the temperature, but also its average value, which is an unprecedented result. Indeed, even in the case of known devices for which particular care is given to metrology and measurement (this is particularly the case of temperature measurements at the outlet of a jet reported by Andreopoulos in "experimental investigation of jets in a cross flow, Journal of Fluid Mechanics, 1983), temperature fluctuations are measured by a cold wire while the average value is given by other means such as a thermistor or a thermocouple.
  • the circuit described in this part is applicable to a multi-wire probe. We can make as many circuits as necessary.
  • Calibrations are performed in a wind tunnel.
  • the air passes successively in a heating box and a water exchanger whose power and flow can be independently adjusted to obtain the desired temperature levels, between room temperature and 150 ° C.
  • the cold wire probe 2 is placed in the calibration vein (surrounded by a heat guard ring) in the center of the outlet of an air injection nozzle.
  • the temperature of the enclosure is given with a precision of the tenth of a degree by a reference PtIOO probe associated with an electronic measurement unit (reference: Sfere DGN75T).
  • thermometer For each calibration point, an operating point of the heating box and the heat exchanger is selected. The thermal equilibrium is then allowed to settle between the air and the walls of the blower, an operation that takes several hours (typically 4). The voltage delivered by the thermometer is then measured for about thirty seconds, a value that is largely sufficient to obtain a convergence of the measurement.
  • thermometer Between the largest scales captured by the thermometer and the noise of the latter, we can observe on this plot a difference of 7 decades, a ratio in this case between large and small scales discernable of the order of 3000. In d ' other words, the resolution of the thermometer in this case is about 5.10-3o C.
  • the probe according to the invention makes it possible to perform measurements without correction.
  • thermo-anemometer having a signal-to-noise ratio of several thousand (3500 for the thermometer and 10000 for the constant-voltage anemometer) when it is associated with a small diameter wire probe according to the invention.
  • the invention makes it possible to operate a cold wire anemometer without a thermocouple to obtain a measurement of the average temperature.
  • the proposed regulation circuit makes it possible to compensate the drift and to get rid of a thermocouple.
  • control circuit proposed here can be applied to a probe according to the invention, described above in connection with FIGS. 2A-10 and 14, or to another type of airspeed sensor.

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Abstract

L' invention concerne une sonde anémométrique et un procédé de réalisation d'une sonde anémométrique à un fil, ou à n fils (n>1), en vue d'une mesure au voisinage d'une paroi, comportant, pour au moins l'un des fils: a) le positionnement et le maintien d'une portion droite du fil (2), comportant une âme métallique (21) entourée d'une gaine (22) de protection, sur deux surfaces, b) l'élimination d'une partie de la gaine (22), de manière à mettre en évidence une zone active (14) de mesure du fil. c) la brasure du fil sur deux broches du corps de la sonde.

Description

SONDE ANEMONETRIQUE A UN OU PLUSIEURS FILS ET SON PROCEDE DE REALISATION
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEUR
L' invention concerne le domaine des sondes
5 pour réalisation de mesures anémométriques en proche paroi .
Elle concerne plus particulièrement les sondes ou dispositifs de type anémomètre à fil chaud ou à fil froid.
10 Elle concerne également un procédé de fabrication d'une telle sonde.
Elle concerne également un dispositif de régulation de l'alimentation et de la mesure d'une telle sonde.
15 Le principe de l' anémométrie à fil chaud va être d' abord brièvement rappelé : selon cette technique un fil métallique très fin, d'un diamètre généralement de l'ordre de 2 à 5 μm, est chauffé par effet Joule. S'il est placé dans un écoulement dont la température
20 est inférieure à celle du fil, celui-ci est refroidi par convection forcée. Les fluctuations de vitesse et/ou de température du fluide de l'écoulement créent des variations de la température du fil et, par suite, des variations de sa résistance électrique. Ce sont ces
25 dernières qui sont mises à profit dans les mesures.
La puissance électrique dégagée au niveau du fil et par suite échangée entre ce dernier et le milieu environnant peut être fournie de différentes manières par un circuit électronique, ce qui permet de définir trois types d'anémomètres :
- l'anémomètre à courant constant,
- l'anémomètre à température constante, - l'anémomètre à tension constante.
Les mesures effectuées au voisinage d'une paroi sont très particulières, car la paroi influence la mesure de vitesse par sa présence. Cela se traduit par une surestimation de la valeur de vitesse. Cette surestimation s'explique physiquement de la façon suivante. Parce qu'il est surchauffé, le fil est entouré d'une tache thermique de diffusion. Lorsque la distance entre le fil et la paroi devient inférieure à la taille de cette tache chaude qui englobe le fil, apparaît alors un transfert d'énergie vers la paroi. Pour le fil, cela se traduit par une augmentation de l'énergie cédée qui équivaut, par rapport à un étalonnage réalisé sans paroi, à une augmentation de la vitesse mesurée. Ce phénomène de survitesse se manifeste à partir d'une distance adimensionnelle de la paroi de l'ordre de y = 6. Différentes corrections analytiques ont été mises au point pour corriger les mesures affectées par ce phénomène de pontage pariétal. Ces méthodes correctives ont toutes une grande faiblesse dans le sens où elles sont construites (sans exception) à partir du résultat attendu. Elles sont par conséquent inapplicables à des situations d'écoulement non établi.
Schématiquement, une sonde connue, décrite dans le document de Ligrani et Bradshaw, 1987, et illustrée sur la figure 1, comporte un fil métallique 201 (fil chaud de diamètre 0, 625 μm) en un alliage de platine et de 10 % de rhodium. Ce fil métallique est traversé par un courant électrique dans sa partie active 600 (longueur chauffée) et a une forme en « U ». Ce fil est fixé à l'extrémité de deux pointes 400, 600 maintenues entre » elles par une colle araldite 450. La fixation est obtenue par deux soudures (à l'étain) 221 du fil sur les pointes.
L'écartement e entre les extrémités des deux broches est de l'ordre de 0,5 mm.
Comme on le voit sur la figure 1, de manière à neutraliser l'effet de blocage que génère un tel rapprochement des broches, le fil défini un plan qui est incliné d'un angle α d'environ 15° par rapport au plan défini par les pointes 400, 600. L'effet de blocage est une perturbation sur l'écoulement, engendrée par la proximité trop importante des extrémités des broches. Cette perturbation affecte toute mesure réalisée au niveau de la partie active 600.
Un problème est donc de pouvoir réaliser une sonde qui améliore les performances d'une telle sonde. En particulier, une sonde du type de celle de la figure 1 présente des problèmes de résistance aux vibrations et de sensibilité.
Un autre aspect du type de mesures envisagées est l'effet de filtrage. Cet effet se manifeste lorsque la zone active est trop importante, fournissant une mesure moyennée ou intégrée, et non pas une mesure ponctuelle.
Or, pour limiter ce phénomène de filtrage, une solution consiste à diminuer l'écartement entre les broches afin de réduire la longueur de fil. Toutefois, on rappelle, comme déjà indiqué ci-dessus, qu'il se produit un effet de blocage que génère sur l'écoulement une proximité trop importante des broches, comme expliqué par Comte-Bellot et al, dans l'article intitulé «On aerodynamic disturbances caused by single hot-wire probes», ASME, J. Applied Mechanics, vol.38, 767-774, 1971) . Cette solution, qui consiste à réduire la longueur active du fil sur la base du concept de sonde «Ligrani » revient à augmenter l'effet de blocage que génère alors un rapprochement trop important des broches .
On ne trouve pas non plus dans les dispositifs du commerce, telles que les sondes vendues par les sociétés Dantec ou TSI, de sonde permettant de résoudre les problèmes exposés ci-dessus.
Les sondes connues, y compris les ensembles anémométriques du commerce (typiquement sonde de 2.5μm de diamètre associée à un anémomètre à température constante) , sont donc grandement insuffisantes pour la mesure des petites échelles de la turbulence, et totalement inadaptés pour les mesures en proche paroi comme celles que nous souhaitons effectuer. Par ailleurs, pour réaliser des mesures fines de vitesse et des représentations physiques de plus en plus fines, on a besoin de sondes multifils dont le volume délimité par l'ensemble des fils est très petit, afin de pouvoir considérer que l'ensemble des fils est dans le volume le plus petit possible et que, donc, la vitesse est la même pour tous les fils. Enfin, la réalisation d'une sonde de ce type pose de nombreux problèmes technologiques, dont la plupart ne sont pas résolus.
On ne peut pas, à l'heure actuelle, réaliser une sonde à plusieurs fils, séparés par des distances très faibles, au maximum égales à quelques fractions de mm.
Un des problèmes posés par l'invention est notamment de trouver un procédé de réalisation qui permette d'obtenir, de manière reproductible, une sonde présentant d'excellentes performances. En particulier, un tel procédé devrait permettre de réaliser aussi bien des sondes à un fil que des sondes à plusieurs fils, en « X » ou à fils parallèles.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L' invention permet notamment de réaliser une sonde comportant des fils de très petit diamètre, associés à un écartement entre broches important, afin, notamment, de limiter l'effet de blocage. L'invention permet notamment de réaliser de manière reproductible des sondes à l'aide de fils de 0.35 μm à 0.625 μm de diamètre, par exemple 0.5 μm de diamètre .
L'invention concerne d'abord une sonde anémométrique à n fils (nï>l), disposés en parallèles ou en X, en vue d'une mesure au voisinage d'une paroi, comportant, pour chaque fil : a) deux broches de maintien du fil, l'extrémité de chaque broche comportant une zone de positionnement et de fixation du fil, b) une portion droite de fil, brasé sur lesdites zones de positionnement et de fixation du fil. Les extrémités des broches peuvent être écartées d'une distance au moins égale à 4 mm. De préférence, le fil comporte une âme centrale en un alliage de platine et de rhodium, de diamètre d compris entre 0,35 et 0,6 μm, et une gaine en argent, éliminée sur une portion de fil, dite zone sensible ou active, de longueur comprise entre 0,4 mm et 0,5 mm.
Le fil peut être brasé sur les broches à l'aide d'une brasure de type étain-plomb.
Afin de résoudre les problèmes de cassure de la partie active du fil, celui-ci présente un galbe ou une courbure.
Une sonde selon l'invention, du type ci- dessus, peut comporter n (n >_ 2) fils, parallèles ou en « X », n> 2. Par exemple elle comporte 2 ou 3 ou 4 fils parallèles entre eux ou disposés en « X ». L'invention concerne également un procédé de réalisation d'une sonde anémométrique à n fils (nï>l ou 2), en particulier d'une sonde telle définie ci- dessus, en vue d'une mesure au voisinage d'une paroi, comportant, pour au moins l'un des fils : a) le positionnement et le maintien d'une portion droite du fil, comportant une âme métallique entourée d'une gaine de protection, sur deux surfaces, par exemple des surfaces usinées par polissage, b) puis l'élimination d'une partie de la gaine, de manière à mettre en évidence une zone active de mesure du fil, c) puis la brasure du fil sur deux broches de la sonde.
Selon l'invention, on monte sur les broches (étape c) un fil préalablement mis à nu ou décapé (étape b) .
Le fil est positionné sur une structure ou des surfaces (étape a), ce qui autorise, avant qu'il ne soit brasé sur les broches de la sonde, une mise à nu ou un décapage local de la partie active du fil (étape b) . Avec cette technique, il devient alors possible de réaliser des sondes de configuration très complexe, à n fils parallèles ou en « X ».
Les surfaces sur lesquelles vient reposer le fil sont des surfaces préalablement alignées, de manière à offrir au fil un appui horizontal et un alignement le plus précis possible du fil.
Les étapes ci-dessus peuvent être répétées pour chaque fil d'une sonde multifils .
Ainsi l'invention concerne également un procédé tel que décrit ci dessus, pour la réalisation d'une sonde anémométrique à au moins deux fils, comportant la mise en œuvre des étapes a) -c) pour un premier de l'un au moins desdits fils puis la mise en œuvre des étapes a) - c) pour un deuxième desdits fils. L'étape b) peut comporter, pour au moins un des fils:
-le positionnement d'une première partie du fil sur la première des deux surfaces, et la fixation de cette première partie du fil sur cette première surface à l'aide d'une première goutte d'un matériau de fixation, - le positionnement de la deuxième partie du fil sur la deuxième des deux surfaces, et la fixation de cette deuxième partie du fil sur cette deuxième surface à l'aide d'une deuxième goutte d'un matériau de fixation.
Entre ces deux étapes de positionnement et de fixation, le fil peut être maintenu par des moyens permettant d'éviter une flexion du fil par rapport au premier point de fixation ; une telle flexion peut en effet se produire lors de la deuxième étape de positionnement et de fixation.
Un procédé selon l'invention peut comporter, par exemple après l'étape a) ou b) , la formation d'une courbure du fil, par exemple par rapprochement des deux surfaces.
Selon un mode de réalisation, l'étape b) comporte un décapage de la gaine du fil pour former une zone active de mesure, par exemple :
- une première étape de décapage à l'acide, - puis une deuxième étape de décapage électrochimique .
On peut réaliser une mesure de résistance du fil afin d'en déterminer la longueur décapée. En outre le décapage peut être réalisé à l'aide d'une boucle formée par un fil sur laquelle une goutte de liquide de décapage peut être maintenue.
Dans un procédé de préparation d'un fil selon l'invention une étape de recuit à une température sensiblement supérieure à la température à laquelle le fil est destiné à être utilisé peut être prévue. Quant à la brasure, elle peut être réalisée par pistolet à air chaud, ou par impact laser.
Avant l'étape a), une étape préalable de redressement du fil permet d'obtenir la partie droite du fil, par exemple par élongation, résultant d'une tension mécanique axiale au fil. Par exemple celui-ci est maintenu fixé aux extrémités de deux plots dont l'un est mobile. Ce plot mobile peut être lié à une table micrométrique de déplacement suivant au moins une direction, de préférence suivant 2 ou 3 directions.
L' invention concerne également un procédé de mesure de grandeurs anémométriques, en particulier au voisinage d'une paroi, comportant la mise en œuvre d'une sonde selon l'invention. Selon un autre aspect, l'invention concerne également un dispositif de régulation d'un anémomètre à fil, à courant constant, comportant :
- des moyens d' alimentation et des moyens pour réguler un courant d'alimentation du fil et d'une résistance de référence,
- des moyens pour effectuer une différence entre un signal aux bornes du fil de la sonde et un signal aux bornes de la résistance de référence,
- des moyens pour maintenir une température constante du dispositif.
Ce dispositif de régulation peut être appliqué à une sonde selon l'invention, décrite ci dessus, ou à un autre type de sonde anémométrique . Mais des résultats particulièrement intéressants sont obtenus avec une sonde selon l'invention. Le fil et la résistance de référence sont par exemple montées en miroir de courant.
Les moyens pour réguler un courant d'alimentation comportent de préférence un transistor de réglage monté en diode et un potentiomètre.
L' invention concerne également un thermoanémomètre à fil froid, comportant :
- un anémomètre, par exemple ayant la structure déjà décrite ci-dessus dans le cadre de l'invention,
- et un dispositif de régulation tel que ci dessus .
L' invention concerne également un procédé de mesure d'une température dans un fluide en écoulement, comportant la mise en œuvre d'un thermo - anémomètre tel que ci dessus, sans thermocouple additionnel .
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
- La figure 1 est une sonde à fil chaud, de type connu,
- les figures 2A-2E et 14 représentent des aspects d'une sonde à fils en « X », selon l'invention,
- les figures 3A-3B représentent d' autres types de sonde selon l'invention, à deux fils ou à plus de deux fils,
- les figures 4-10 représentent des étapes de réalisation d'une sonde selon l'invention, la figure 11 représente un circuit d'alimentation et de mesure pouvant être utilisé dans le cadre de la présente invention, - les figures 12 et 13 sont des courbes de mesure selon l'invention pour un thermo-anémomètre selon l'invention, les figures 15A et 15B représentent une autre configuration d'une sonde à fils en « X », selon 1' invention .
EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
Un exemple d'une sonde selon l'invention est illustré sur les figures 2A-2E et 14. II s'agit d'une configuration particulière, de nombreuses autres étant possibles.
Selon cet exemple, la sonde comporte un fil 2 tendu entre les extrémités effilées de deux broches métalliques 4, 6, lesquelles se prolongent dans un corps isolant 10 de forme cylindrique, de préférence en une céramique.
Elle comporte également un fil 20 tendu entre les extrémités effilées de deux broches métalliques 40, 60, lesquelles se prolongent aussi dans le corps isolant 10.
Les deux fils 2, 20 sont disposés avec un angle α entre eux (voir la figure 14 qui représente une vue de face du dispositif) même si ils sont localisés dans deux plans distincts, parallèles entre eux et perpendiculaires à un axe du dispositif, sensiblement identifié par l'axe du corps isolant 10. Ces plans parallèles qui les contiennent sont séparés d'une distance inférieure ou égale à 0,8 mm, ou comprise entre 0, 2 mm et 1 mm ou entre 0,3 mm et 0,8 mm. L'angle α peut être de 90°, donc les deux fils peuvent être perpendiculaires entre eux dans la vue de face de la figure 14. Ces structures sont qualifiées de structures en « X » du fait de la position relative des fils, comme illustré en figure 14. Mais l'invention concerne également, et permet également de réaliser, des dispositifs avec des fils parallèles comme illustrés en figures 3A et 3B. Là encore, les fils sont séparés d'une distance δ inférieure ou égale à 0,8 mm, ou comprise entre 0, 2 mm et 1 mm ou entre 0,3 mm et 0,8 mm.
Plus généralement, cet écart maximum entre les plans dans lesquels sont situés les fils, ou cet écart maximum entre les fils contribue à la possibilité de réaliser des mesures ponctuelles, permettant d'avoir une représentation extrêmement fine des phénomènes observés .
Une autre configuration en X est représenté en figure 15A et 15B. Elle comporte également deux fils 2,20, ayant chacun une zone de détection centrale comme illustré sur la figure 2E décrite ci-dessous. Chaque fil est maintenu par deux broches 4, 6, 40, 60, disposées dans le corps de sonde comme décrit ci- dessus. On voit sur cette figure que la forme «X » apparaît cette fois lorsqu'on l'on regarde la sonde de côté. De multiples autres configurations en « X » sont possibles. La configuration réalisée dépend de l'environnement et des conditions dans lesquels une mesure doit être réalisée.
Quel que soit le mode de réalisation, le corps 10 de sonde est par exemple constitué d'un cylindre de céramique de diamètre qui peut être compris entre 2 et 4 mm, dans lequel sont implantées en guise de broches 4, 6, 40, 60 (cas des figures 2A et 2B, mais ceci est également applicable aux autres cas, tels que ceux des figures 3A, 3B) des aiguilles en acier inoxydable de diamètre par exemple compris entre 0,2 mm et 0,4 mm.
Le fil 2 (et éventuellement un autre fil, ou tout autre fil, utilisé dans une sonde préparée selon l'invention) est positionné sur les broches 4, 6. Un exemple de forme de l'une de ces broches, la broche 4, est représenté en figure 2C en vue de côté. La référence 43 désigne la partie de la broche 4, sur laquelle une extrémité du fil 2 sera brasée. L'autre broche 6 présente la même structure. Chaque broche a donc un corps de section sensiblement cylindrique le long d'une direction AA', par exemple l'axe AA' est un axe de symétrie de révolution de la broche dans le cas où celle-ci a une forme cylindrique (figure 2C) .
Le fil 2 a en outre un alignement extrêmement précis, de l'ordre du centième de mm. A la différence de la structure de sonde connue (telle qu'expliquée ci-dessus en liaison avec la figure 1), une portion droite du fil 2 est positionnée sur les broches 4, 6. Il n'y pas besoin, comme dans le cas de la figure 1, de courber le fil en forme de « U », une telle courbure nuisant à la précision et à la reproductibilité du dispositif.
La brasure du fil 2 sur les broches 4, 6 est une brasure de type alliage étain-plomb. La longueur L émergente des broches dépendra des configurations, mais elle peut être approximativement de l'ordre de 15 mm. Pour la structure en « X » des figures 2A et 2B, cette longueur est inférieure pour les fils qui sont situés en arrière du fil le plus en avant de la sonde, c'est le cas pour le fil 20 de la figure 2B par rapport au fil 2.
La distance D, qui sépare les extrémités de deux broches destinées à porter un même fil, peut être sensiblement égale à, ou supérieure à, 5 mm, et de préférence comprise entre 5 mm et 8 mm, pour des écoulements de couche limite jusqu'à des vitesses de veine inférieures ou légèrement supérieures à 12 m/s. En revanche, avec des situations de fort cisaillement, en frontière de jet par exemple, un bon comportement n'est obtenu que lorsque l'écartement entre les broches n'excède pas 4 mm. Au delà de 4 mm, en raison d'une raideur insuffisante de la gaine d'argent du fil 2 (dont la structure est décrite ci dessous) , l'excitation de cisaillement peut induire des oscillations de grande amplitude à l'échelle du fil, oscillations qui conduisent à la rupture de ce dernier. Afin de réduire les risques de rupture de la partie active du fil lors des manipulations, le corps de sonde est gainé d'un tube 12 en élastomère, qui va absorber les ondes ou les vibrations pouvant se propager vers le fil 2, dont la partie active est très fragile.
Le fil 2 (ou 20 ; éventuellement un autre fil, ou tout autre fil, utilisé dans une sonde préparée selon l'invention) est en fait de préférence un fil comportant une partie centrale 21 en platine ou en un alliage platine-rhodium, entourée d'une gaine 22 en argent, qui peut être de diamètre compris entre 50 et 80 μm, comme illustré en figure 2D.
Le diamètre de la partie centrale 21 est très faible, inférieur à 0,635 μm ou à 0,6 μm, par exemple 0,35 μm ou 0,5 μm. Le fil utilisé est de préférence un fil de type « fil de Wollaston » constitué d'un alliage platine - rhodium (Pt-10%Rh) . Il est impossible de manipuler directement un fil de ce diamètre sans risque. La gaine en argent, d'un diamètre de 30 à 50 μm, qui entoure le fil (Figure 2D) permet cette manipulation.
Un tel fil offre une ponctualité de mesure supérieure à celle obtenue dans les dispositifs connus, car il est possible de délimiter une zone 14 de mesure en éliminant localement la gaine du fil, comme illustré en figure 2E. Il en résulte une longueur active 1 comprise entre 0,4 mm et 0,5 mm. Une longueur active plus faible nuirait à la mesure, car les effets de bord, dus aux extrémités 22', 22'' de la gaine aux limites de la zone 14 de mesure, seraient alors trop importants. Cet aspect est illustré sur la figure 2E, où l'on voit clairement la partie active 14 et la gaine en argent 22.
La partie active 14 n'est pas visible sur la figure 2A, car la largeur de cette partie active (entre 0,4 mm et 0,5 mm) est petite par rapport à l'écartement E entre les extrémités des broches 4, 6 (au moins 5 mm) .
Le rapport 1/d, de la longueur active du fil à son diamètre, est sensiblement compris entre 600 et 1500. Au-delà, le caractère ponctuel de la mesure disparaît : on retrouve alors les effets de filtrage ou de mesure moyennée déjà mentionnés. Avec un rapport compris entre 600 et 1500 (600 < 1/d < 1500), l'hypothèse de la bidimensionnalité, donc d'un profil de température très plat dans la zone active, est satisfaite. Pour un rapport inférieur à 600, l'apparition des effets de bouts font que le profil de température le long du fil ne peut plus être assimilé à un profil « porte » (c'est-à-dire une température constante long du fil) , ce profil se rapproche alors plutôt d'un profil de type parabolique. Concrètement, cette situation se traduit par une perte de sensibilité du fil et une détérioration du rapport signal sur bruit. Physiquement, cela veut dire que l'on ne peut pas capter les phénomènes de faible amplitude. Le fil 2 est lié aux broches 4, 6 par brasure de la gaine 22 en argent sur ces broches.
Une sonde selon l'invention présente des propriétés de localisation de la mesure, sans effet de filtrage (du fait de la ponctualité sur la mesure atteinte par la très petite largeur de la zone de mesure 14), sans effet de blocage (du fait de l' éloignement des extrémités des broches entre elles) . Cette sonde résiste en outre aux vibrations. Une sonde selon l'invention permet donc de mesurer des grandeurs physiques au plus proche d'une paroi, sans biais, et donc sans qu'une correction soit nécessaire. Pour une sonde à un fil, et pour une gamme de vitesse inférieure à lOm/s on peut s'approcher jusqu'à y+ ≈ 2 sans correction de paroi. y+ est défini comme le produit de la vitesse de frottement par la distance à la paroi divisé par la viscosité cinématique. L' invention concerne également une sonde à un fil unique, mais aussi une sonde multi fils parallèles, telle qu'illustrée en figures 3A et 3B.
Une sonde double, par exemple qui associe un fil chaud 2 et un fil froid 2' parallèles, avec un espacement entre les deux fils de l'ordre de 0.3 mm (ou plus généralement compris entre 0,2 mm et 1 mm), est également objet de la présente invention et est représentée, en vue de côté, en figure 3A (on ne voit les fils que par le côté, donc chaque fil 2, 2' est assimilé à un point sur cette figure ainsi que sur la figure 3B) . Les autres références sont celles des figures 2A-2E et désignent les mêmes éléments. Dans ce mode de réalisation, deux paires de broches sont prévues, la paire 4, 6 déjà décrite ci-dessus, sur laquelle est brasé le fil 2, et une autre paire 4', 6' (dont seule la broche 4' est visible sur la figure 3A) sur laquelle est brasé le fil 2' .
Une sonde triple, qui associe trois fils 2, 2', 2'' parallèles, est représentée, en vue de côté, en figure 3B. Là encore, les références sont celles des figures 2A-2E et désignent les mêmes éléments, la distance maximum entre les fils étant comprise entre 0,2 mm et lmm, préférentiellement entre 0,3 mm et 0,8mm. Dans ce mode de réalisation, trois paires de broches sont prévues, la paire 4, 6 déjà décrite ci- dessus, sur laquelle est brasé le fil 2, et une autre paire 4', 6' (dont seule la broche 4' est visible sur la figure 3B) sur laquelle est brasé le fil 2', une troisième paire 4'', 6'' (dont seule la broche 4'' est visible sur la figure 3B) sur laquelle est brasé le fil 2'' . Une telle sonde triple fonctionne de préférence avec un fil chaud, au centre (le fil 2') et deux fils froids, de part et d'autre (les fils 2 et 2''), qui donnent une information sur le sens de l'écoulement. Dans une sonde double, ou, plus généralement, à n fils, au moins l'un des fils, ou chacun des fils, possède les caractéristiques indiquées ci-dessus, et est fixé de la manière indiquée ci- dessus, sur une paire de broches. Avec une sonde à 5 fils, réalisée conformément à l'invention, chaque fil ayant une zone dénudée telle dont le rapport 1/d est compris entre 600 et 1500, on a pu réaliser des mesures de vitesse et de température. Cette sonde est composée de deux couples de fils, chaque couple étant disposés en «X », et contenu dans un plan perpendiculaire à celui de l'autre couple, et d'un fil supplémentaire (froid) pour la mesure de la température. Cette configuration autorise la mesure simultanée des trois composantes de la vitesse dans un écoulement non isotherme. Le volume délimité par les deux couples de fils est d'environ 0,43 mm3, tandis que le rapport 1/d de chacun des fils est d'environ 1000.
Un procédé de fabrication d'une sonde selon l'invention va maintenant être décrit. Il concerne la réalisation d'une sonde à un seul fil, et peut être appliqué à la réalisation d'une sonde à un nombre quelconque de fils, sauf spécification contraire.
L'ensemble des opérations s'effectue de préférence sous loupe binoculaire, étant donné la taille des éléments et la précision requise. Cette loupe, ou tout autre moyen de visualisation choisi ou équivalent, permet de visualiser avec une précision au l/100eme de mm.
D'abord, on solidarise les broches 4, 6, 40, 60 avec le corps 10, 12 de sonde. Dans ce dernier, des perçages ont été effectués ou des gorges ont été creusées afin, justement, de positionner ces broches. Eventuellement, on insère les broches dans le corps de sonde à l'aide d'un gabarit afin que celles-ci dépassent du corps de sonde d'une longueur égale.
La connexion soudée entre les câbles électriques d'alimentation 19, 19' (figure 2A) (c'est par ces moyens de connexion qu'arrive le courant qui doit passer dans le fil 2) et les broches 4, 6 peut être située dans la gorge ou les perçages du corps 10 ou à l'extérieur. La soudure de cette connexion est réalisée lors de cette étape de préparation. On peut utiliser ces connexions et câbles, ou d'autres connexions et câbles, pour les autres broches. Le scellement des broches dans le support peut être assuré par enduction d'un béton dont la prise est compatible avec la céramique. Des tests montrent qu'une colle, par exemple de type Araldite peut également très bien assurer cette fonction de scellement, tout en conservant une certaine élasticité qui s'avère intéressante pour l'absorption des vibrations et la sauvegarde de la sonde.
Le corps 10 de sonde, une fois muni de ses broches 4, 6, 40, 60 est inséré dans un fourreau 12 amortisseur en élastomère, afin de limiter les vibrations pouvant casser la partie active du fil 20, qui est très fine.
Pour pouvoir braser ultérieurement le fil, on nettoie les broches 4, 6 pour garantir une mouillabilité optimale. Afin d'enlever les différents oxydes et créer un support de prise à la brasure, on étame l'extrémité des broches à l'aide d'une pâte à braser (référence : Castolin 157A) déposée sur une feuille d'acier inox à l'aide d'un fer à souder. Les broches sont ensuite nettoyées à l'acétone. La figure 4 représente le corps 10, 12 de sonde, avec ses broches 4, 6 prêtes à accueillir le fil 2 de la sonde. Le corps de la sonde est monté sur un ensemble de tables micrométriques, non visible sur la figure, qui vont permettre de réaliser des déplacements extrêmement précis, suivant deux ou trois dimensions, au centième de millimètre près.
En ce qui concerne le fil 2 lui même, on part en général d'un fil enroulé sous forme de bobine.
Une première opération est donc une opération de redressement du fil, afin d'effacer la mémoire que le fil a de son enroulement sur la bobine. Avec un fil, dont le diamètre de l'âme centrale est inférieure à 0,5μm, par exemple 0.35μm, lors de la phase de redressement du fil par roulement sur un marbre, il y a risque d'une rupture de l'âme centrale du fil.
Une étape de redressement adaptée met en œuvre une élongation que provoque une tension mécanique axiale au fil. Pratiquement, le fil est brasé à ses deux extrémités sur un système comportant deux plots 49, 51, dont l'un (le plot 49) est mobile grâce à son implantation sur le plateau d'une table micrométrique 69 à déplacement en 2 dimensions X, Y comme illustré en figure 5. Cette table va permettre de réaliser des déplacements extrêmement précis, suivant chacune des deux dimensions, au centième de millimètre près.
En préalable, il est préférable, pour que l'opération de redressement soit optimale, que les deux pointes des plots 49, 51 soient dans un même plan horizontal . La tension mécanique permettant le redressement du fil n'est pas quantifiée de manière précise. On peut néanmoins donner le mode opératoire suivant .
Les déplacements du plot mobile 49 sont mesurés à l'aide de la table de micrométrique. L'origine des déplacements est prise quand la tension du fil fait débuter la flexion d'une aiguille (par exemple de longueur 50 mm et diamètre 0.2 mm) en appui sur le fil et tenue par un opérateur (on rappelle que les opérations sont conduites sous observation à fort grossissement, par exemple avec une loupe binoculaire) . L'expérience montre qu'un déplacement de 0.4 mm du plot 49 mobile est suffisant pour obtenir une bonne rectitude et une rigidité accrue du fil. Après le débrasage du fil des plots 49, 51, on coupe, pour la suite des opérations, les deux extrémités du fil 2, de manière à ne garder que la partie redressée du fil. Cette opération se fait à l'aide d'une lame de rasoir. La mise place du fil va être décrite en liaison avec les figures 6 à 8. La figure 1_ représente de manière globale l'ensemble du système, avec deux ensembles 81, 83 comportant chacun trois tables micrométriques 81' (pour un déplacement selon X), 81'' (pour un déplacement selon Y), 81''' (pour un déplacement selon Z) et 83' (pour un déplacement selon X) , 83' ' (pour un déplacement selon Y) , 83' ' ' (pour un déplacement selon Z) . Chaque table va permettre de réaliser un déplacement extrêmement précis, au centième de millimètre près. A chacun de ces deux ensembles 81, 83 est fixée une poutre 61, 63 en forme de L (voir aussi figures 6 et 7) . La partie la plus grande du « L » de la poutre 61 est dirigée sensiblement suivant une même direction que la partie la plus grande du « L » de la poutre 63 (voir figure 9 qui donne une vue de dessus des deux poutres) , en fait selon une direction sensiblement à 45° par rapport à chacun des axes X et Z sur la figure 8. La figure 9 représente la position des deux poutres 61, 63 en vue de dessus. Chacune des extrémités du fil 2 va être mis en place sur ce système qui comporte ces deux poutres 61, 63. Plus particulièrement chaque extrémité de fil 2 est positionnée contre une surface de la poutre correspondante, surface qui a été usinée par polissage. Les distances d, d' (figure 9) , de décalage entre les axes perpendiculaires X et Z, entre les extrémités des deux poutres (pour une sonde en « x ») , sont en particulier fonctions de l'écartement entre les broches 4, 6 de la sonde sur lesquelles le fil doit être fixé. Ces deux poutres 61, 63 sont préalablement positionnées dans un même plan horizontal.
On peut procéder de la manière suivante pour vérifier que les deux poutres sont dans le même plan horizontal.
On met « à cheval » sur les deux poutres un fil préalablement redressé. Les deux poutres sont considérées à la même altitude lorsque le fil est uniformément en contact sur la face 61', 63', de chaque poutre. Pour réaliser cette condition, on joue sur le déplacement en « Y » (axe vertical) des tables micrométriques .
Le fil de la sonde est ensuite immobilisé sur chaque poutre à l'aide d'une goutte 71, 73 d'un matériau de type colle ou ciment, par exemple du ciment réfractaire (de la marque Degussa) , comme illustré sur la figure 7.
L'opération est assez délicate dans la mesure où la mise en contact du fil et de chaque goutte génère, à cause des phénomènes de tension de surface, un léger déplacement du fil. Ce phénomène de déplacement est problématique au moment de la dépose de la deuxième goutte de ciment, car elle entraîne une flexion du fil par rapport au premier point d'immobilisation, maintenu par la première goutte déjà posée. Cette flexion est suffisante, pour amener en phase finale de décapage du fil, l'âme centrale du ce dernier à la rupture. Pour neutraliser ce phénomène de déplacement, le fil 2 est donc bloqué à l'aide d'une pointe 67 que l'on vient mettre en place en extrémité de la poutre 61 sur laquelle la première goutte 71 est déposée .
On peut déposer alors à chaque emplacement de la future jonction entre le fil 2 et chaque broche de maintien un tout petit point de brasure à l'aide de l'extrémité d'une aiguille. Cette brasure est de préférence constituée de microbilles de 15 μm de diamètre, en différents éléments (Sn : 62% ; Pb : 36% ; Ag 2%) combinés pour obtenir un point de fusion bas. L'opération de mise en place du fil terminée, celui-ci peut alors être décapé sur sa partie centrale 14 qui va servir à la mesure (partie active 14, figure 2E) .
Le décapage s'effectue par une dissolution ponctuelle de la gaine 22 d'argent, par attaque chimique ou électrochimique.
Cette gaine est attaquée avec de l'acide nitrique. Pour cela, on peut utiliser deux techniques : celle du jet et celle de la goutte. Dans le premier cas, un jet millimétrique d'acide est projeté sur le fil tandis que, dans le deuxième cas, on forme une goutte d'acide que l'on approche lentement au contact du fil. Le premier procédé a été abandonné car il est traumatisant pour le fil et, lorsque ce dernier est d'un diamètre faible, le contact avec une goutte statique est mieux adapté à sa faible tenue mécanique.
La longueur 1 à décaper se détermine en fonction du diamètre d du fil sachant que, si l'on veut assurer un profil de température le plus uniforme possible sur le fil lors de son utilisation en fil chaud, un rapport 1/d supérieur à 250 permet de limiter l'impact sur la mesure de la conduction aux extrémités de la partie active (pour un matériau donné et donc une longueur froide donnée) . En mesurant la résistance du fil, on a une indication de la longueur décapée par la relation suivante :
R^ S où p est la résistivité électrique du matériau, en l'occurrence le platine-rhodium
-7
(p = 1,9.10 Ω.m) . On mesure donc cette résistance au cours du décapage.
Avec des fils de 0,35 μm et 0,5 μm, pour une longueur 1 décapée comprise entre 0,4 mm et 0,5 mm, on a sensiblement:
- Pour un diamètre de 0, 35 μm : 1150< 1/d < 1400 - Pour un diamètre de 0, 5 μm : 800< 1/d < 1000
Le système utilisé ici pour le décapage peut être composé d'un fil 101 de quelques centièmes de millimètre en acier inox. Ce fil 101 est représenté en figure 10, à proximité du fil 2 à décaper, lui-même en position entre les deux poutres 61, 63.
L'extrémité de ce fil 101 forme une boucle qui permet le maintien de la goutte 102. Cette dernière, constituée d'acide nitrique pur, est déposée sur la boucle à l'aide d'une seringue. On approche ensuite la boucle et la goutte à l'aide de micromanipulateurs pour amener cette dernière au contact du fil 2 à décaper.
A l'aide de tables de micro déplacements, on effectue un mouvement de va et vient pour dissoudre l'argent de la gaine 22. Une fois la goutte saturée en argent, on la retire du fil et on la remplace par une autre goutte d'acide nitrique. On procède de la même manière jusqu'à ce que le fil de platine-rhodium 21 apparaisse et que la résistance de ce fil commence à évoluer. On ajuste la longueur décapée en fonction de la résistance de la sonde. Typiquement, on a une résistance de 500 Ω pour du fil de 0,5 μm de diamètre et de 1 kΩ pour du fil de 0.35 μm, ce qui correspond à une longueur décapée de 5 à 6 dixièmes de millimètre, correspondant à un rapport 1/d de l'ordre de 1100 et 1600 respectivement. Conformément à l'invention, on utilise le fil de 0,5 μm, qui permet d'obtenir un rapport 1/d de 1100. Comme expliqué ci-dessus, une sonde avec un rapport 1/d supérieur à 1500 ne présente pas le caractère ponctuel requis pour la mesure: on retrouve alors les effets de filtrage ou de mesure moyennée déjà mentionnés.
Une fois le décapage à l'acide pur effectué, on effectue un second décapage, électrochimique cette fois, visant à débarrasser le fil mis à nu de toute trace d'argent résiduelle. En effet, s'il reste de l'argent sur le fil, celui-ci va migrer au joint de grain du platine-rhodium et faire évoluer la valeur de sa résistance. Il sera alors impossible de se recaler sur l'étalonnage d'origine et d'effectuer des mesures correctes.
On relie donc un circuit électrique simple constitué d'une batterie, d'un potentiomètre et d'un interrupteur à la boucle métallique qui porte la goutte et au fil 2 (comme illustré en figure 10) . On forme ensuite, comme précédemment, une goutte 102 pour le décapage, mais cette fois-ci constituée d'acide nitrique dilué à 5%. On l'approche de la même manière que les gouttes précédentes, de manière à ce que le fil soit mouillé à l'intérieur de la goutte. L'interrupteur est ensuite actionné, brièvement car le dégazage est très rapide et violent à l'échelle du fil. Après cette opération le fil est rincé à l'aide d'une goutte d'eau déminéralisée de manière à éliminer toute trace résiduelle d'acide sur le fil. Pour mettre en œuvre la méthode précédente on forme une goutte dont la taille est contrainte par la taille de la boucle et les forces de tension de surface .
Après le décapage du fil, et afin d'éviter la rupture du fil au niveau de la partie décapée, un léger flambage est réalisé par un rapprochement de 1 à 2 centièmes de mm suivant « X », d'une des deux poutres 61, 63.
En effet un fil tendu entre 2 points (et notamment entre les deux broches 4, 6 lorsqu'il sera fixé sur celles ci) est très sensible aux moindres vibrations et peut casser très facilement, et ceci est d'autant plus vrai que le diamètre du fil 2 que l'on utilise est petit. De multiples tentatives ont montré que, même avec les plus grandes précautions de montage, la détérioration d'une sonde à fil tendu peut se produire .
Afin d'augmenter la résistance mécanique des sondes on applique donc une légère courbure au fil 2 à ce moment de la fabrication, comme il vient d'être expliqué . Le fil 2 a alors une légère courbure, ou une flèche, de l'ordre de quelques centièmes de mm, par exemple inférieure à 2/100eme de mm ou à 4/100eme de mm, par exemple dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe du corps 10 de la sonde. Cette courbure n'aura pas d' influence sur les mesures anémométriques effectuées par la suite et confère au fil une souplesse lui permettant d' absorber des contraintes mécaniques ou des vibrations. Cet ensemble d'opérations effectuées, on peut braser le fil sur les broches 4, 6, 40, 60 de la sonde. On amène donc ces broches à proximité du fil
(voir en figures 6 et 7 la position du corps 10, 12 de la sonde ; les tables micrométriques sur lesquelles elle est montée ne sont pas représentées) . Un positionnement fin est effectué à l'aide des ensembles de tables 81, 83. Le corps de sonde, lui-même est fixé aussi sur un ensemble de tables similaire à l'un des ensembles 81, 83. On approche le corps de sonde de sorte que son axe passe sensiblement par un plan horizontal dans lequel le fil est contenu.
Une fois cette opération effectuée, on dégraisse le fil 2 et une première broche (par exemple la broche 40) avec de l'acétone. On fait ensuite fondre la brasure, par exemple à l'aide d'un fer à air chaud. A ce stade, le fil 2 est rendu solidaire de la broche 4, et il s'agit ensuite de le braser sur sa seconde broche 6. Le galbe ou la courbure conféré précédemment au fil permet de réaliser cette opération sans risque de cassure.
Lorsque la brasure est effectuée, le fil 2 adopte garde une légère courbure, ou une flèche, de l'ordre de quelques centièmes de mm, par exemple inférieure à 2/100eme de mm ou à 4/100eme de mm.
Le fil 2 est ensuite coupé à l'aide d'une lame de rasoir au ras des broches, afin de pouvoir retirer l'ensemble porte-fil et de débraser les extrémités de fil restantes sur ce dernier.
La fabrication de sondes à plusieurs fils peut s'avérer difficile avec cette technique de brasage. La distance entre les deux fils n'est jamais suffisante pour qu'il n'y ait pas interaction du jet du fer à air chaud, avec un premier fil déjà brasé, lors du brasage d'un second fil. Une réponse à ce problème consiste à implanter, dans l'espace entre les deux paires de broches, un écran thermique destiné à protéger le premier fil.
Une autre technique met en œuvre un apport très localisé de puissance par rayon laser, dont la ponctualité présente l'avantage de ne pas polluer thermiquement l'environnement. Le laser employé est de mode impulsionnel, de type Yag avec une puissance maximale de 3OW. La fréquence et la durée des impulsions sont réglables. On focalise le faisceau sur le point de brasure en bout de broche grâce à une caméra couplée au laser, et on effectue un tir qui entraîne la fusion de la brasure et couple le fil à la broche. La mise en œuvre de cette technique permet d'assurer l'opération de brasure quels que soient le degré de miniaturisation de la sonde et le nombre de fils qu'elle comporte.
On peut ensuite réaliser un recuit de la sonde: on fait traverser le fil 2 par un courant calculé en fonction de la résistance de la sonde. On porte ainsi le fil à une température sensiblement supérieure à la température à laquelle il est destiné à travailler. La différence de température entre le fil et l'air ambiant est donnée par la relation suivante :
R„ —R AT= f" aR0 où Ro est la résistance de la sonde à la température ambiante, α le coefficient d'évolution de la résistance avec la température (1,6.10'3^"1 pour le Pt-10%Rh) et où Rfll est la résistance du fil porté à la température T+ΔT, donnée par la loi d'Ohm.
Cette opération permet de faire diffuser les dernières traces éventuelles d'argent dans la structure cristalline du fil de platine-rhodium. Si le décapage a été correctement effectué, l'argent résiduel étant présent en très faible quantité, le fil se stabilise au bout d'une journée et ne voit plus sa résistance évoluer. Selon la configuration de la sonde, lorsque celle ci comporte plusieurs fils, on a intérêt à monter un fil avant l'autre.
L'expérience montre que la manipulation de sondes devient très délicate dès lors que le diamètre des fils devient inférieur à 0,625 μm. En particulier lors du montage d'une sonde selon l'invention dans une soufflerie, des vibrations sont créées, qui constituent un élément critique pour la tenue du capteur car elles sont suffisantes pour créer une onde qui se propage dans les broches jusqu'au fil. A cause de sa faible résistance mécanique, la présence du galbe ou de la courbure de la partie active n'est pas toujours suffisante pour amortir ces vibrations pouvant conduire à la rupture du fil. Il a été constaté que c'est par le corps de la sonde qu'est transmis l'essentiel des vibrations vers l'extrémité des broches, par exemple lors de son blocage sur son support à l'aide d'une vis.
La solution optimale pour protéger le fil a consisté à insérer le corps de sonde en céramique, une fois muni de ses broches, dans un fourreau amortisseur 12 de très faible dureté (de l'ordre de 25 shores A) .
Une sonde selon l'invention est utilisée avec des moyens d'alimentation en courant, et des moyens de mesure des variations de résistance électrique du fil, ou des fils. Ce sont ces variations qui traduisent les variations de vitesse et/ou de température d'un fluide que transporte un écoulement dans lequel la sonde est plongée.
D'une manière générale, pour la réalisation d'une mesure à la fois précise et reproductible, il est préférable d'utiliser une alimentation par des batteries. Ainsi on découple le système du réseau électrique, dont les potentiels peuvent fluctuer (du fait, par exemple, de la mise en marche ou de l'arrêt d'installations voisines) . En outre les courants et/ou les tensions qui interviennent au niveau du capteur sont très faibles et peuvent être aisément perturbés par ces fluctuations du réseau, si petites soient elles . Par ailleurs, dans des installations telles qu'une soufflerie, il est difficile de mettre correctement au même potentiel les différents points de masse. Il en résulte des courants de boucle entre ces différents points de masse, pilotés par les fluctuations de potentiel du réseau, courants qui perturbent également les mesures de manière importante.
Cette solution permet en outre d'alimenter tous les circuits, qui possèdent ainsi un potentiel de masse fixe et non plus fluctuant comme ce peut être le cas lorsqu' ils sont reliés à des régulateurs de tension électroniques.
Pour assurer la compatibilité électromagnétique (CEM) les circuits sont de préférence placés dans une boîte, par exemple en cuivre, qui constitue un plan de masse, relié à la masse de la batterie. A ce plan de masse est également reliée une tresse entourant les fils de connexion de la sonde. Ainsi toutes les protections de ce type vis-à-vis des champs électromagnétiques sont reliées à un potentiel fixe . Les solutions trouvées ci-dessus pour assurer d'une part une alimentation non perturbée et d'autre part une compatibilité électromagnétique s'appliquent à tout type de fonctionnement de 1 ' anémomètre . Un fonctionnement particulier est le fonctionnement dit « à fil froid ». Il s'agit d'un mode de fonctionnement courant constant, dans lequel le courant avec lequel on alimente le fil est très faible.
On connaît déjà des anémomètres à fil froid. Dans ces dispositifs connus, l'alimentation comporte une grande résistance R placée en série avec le fil afin de conserver une intensité de courant Iw constante dans ce fil lorsque la vitesse de l'écoulement varie. Le fil est intégré à un pont de Wheatstone pour mesurer avec précision sa résistance Rw ; le signal de sortie est recueilli au sommet du pont.
L'anémomètre à courant constant possède des avantages. On a le libre choix de la surchauffe, ce qui est très apprécié pour l'étude des fluctuations de température. On peut aussi mesurer le bruit de fond en substituant au fil une résistance fixe et apporter ensuite aux mesures les corrections qui seraient nécessaires. En contrepartie, on amplifie les signaux de sortie de façon importante. La bande passante de ce principe de mesure est imposée par l'inertie thermique du fil.
Dans ce type de fonctionnement, on fait tendre le courant qui alimente le fil vers une valeur nulle afin de chauffer ce dernier le moins possible. Le fil n'est donc plus refroidi par convection (dans la mesure où il n'est pas chauffé), et devient uniquement sensible à la température du milieu environnant T par le biais de la valeur de sa résistance Rfil selon la relation suivante:
Rfil= R0[I+a(T-T0)] où RO est la résistance de la sonde à une température de référence et α le coefficient d'évolution de la résistance avec la température.
Dans ce type de fonctionnement, l'écart de température est faible et le courant avec lequel on alimente le fil est très faible. Il sert juste à pouvoir mesurer une tension aux bornes du fil afin de remonter à la valeur de sa résistance. Il est généralement de l'ordre de 50 à 200 μA. Ainsi, le chauffage du fil par effet Joule est négligeable, ce qui vaut à cet anémomètre le nom de thermomètre fil froid.
Un problème posé par ce type de fonctionnement est le suivant : la température mesurée dérive, il est donc nécessaire d'associer la sonde à un thermocouple pour avoir une mesure de la température moyenne.
L' invention propose une solution à ce problème .
Des moyens électroniques associés à un anémomètre courant constant sont représentés en figure 11, sur laquelle le fil est toujours désigné par la référence 2. Le circuit représenté comporte en outre :
- des moyens d'alimentation 110, de préférence une batterie comme expliqué ci-dessus,
- une résistance de référence 112, - un potentiomètre 114 pour le réglage du courant .
Plus précisément, l'alimentation du circuit Ve, représenté par la pile 110, est fournie par un régulateur de tension (MAX 6325) . Les deux résistances 2, 112 sont montées en miroir de courant. Le réglage du courant traversant les deux branches du miroir, chacune des branches comportant l'une de ces deux résistances, est effectué par la tension Vbe d'un transistor de réglage 116, monté en diode, via le potentiomètre 114. La différence de potentiel entre la sonde 2 et la résistance de référence 112 est appliquée à un amplificateur opérationnel d'instrumentation 120. La sotie de l'amplification fournit un signal mesuré qui traduit les variations de la résistance du fil 2.
Afin d'exploiter les informations de faible amplitude, on amplifie le signal aux bornes de la sonde 2. De préférence, et afin de tenir compte des limitations en tension des cartes d'acquisition, cette amplification n'est pas trop importante (on essaie de tenir compte de la résolution en tension de la carte d'acquisition) . Or une sonde anémométrique 2 a une résistance importante, et les variations en sortie de l'anémomètre, après amplification, peuvent dépasser les plages d'utilisation des cartes. C'est pourquoi on choisit de centrer sur environ zéro le signal de sortie du thermomètre; ceci permet également de profiter au maximum de la gamme de mesure et de régler ainsi le gain en conséquence. Pour ce faire, on effectue une soustraction entre le signal aux bornes de la 2 sonde et le signal aux bornes d'une résistance de référence 112.
Le montage à miroir de courant permet d'avoir un signal stable traversant la résistance de référence, ainsi qu'un courant stable traversant la sonde 2. Un tel dispositif a été mis en œuvre dans le cadre de campagnes d'essais dans une soufflerie, la sonde étant une sonde à un fil fonctionnant en fil froid.
Il a alors été remarqué une dérive des mesures de température moyenne, anormale d'après les conditions de mesure et la sonde 112 de référence, en platine, de l'installation. Il s'est avéré que cette dérive pouvait seulement provenir du circuit électronique. Les composants sont en effet sensibles à la température du milieu environnant, et une différence de température ambiante entre le local d'étalonnage et la soufflerie pouvait tout à fait expliquer les écarts observés .
Dans un premier temps la résistance de référence 112 a été remplacée par une résistance métallique dont le coefficient de variation avec la température est bien moindre (0,6 ppm/°C) et négligeable .
Des relevés des différentes tensions mises en jeu ont été effectués en plaçant le circuit électronique dans une étuve dont la température est suivie. On peut ainsi vérifier que le régulateur électronique de tension ne voit pas la valeur de la tension qu' il délivre varier avec la température (dérive de 5 PV0C'1) . Les deux tensions aux bornes de la résistance de référence et aux bornes d'une seconde résistance destinée à simuler la sonde ont montré une dérive, parfaitement coordonnée, de l'ordre de 25OyV0C'1 (pour des résistances de 670 Ω) . Ceci indique donc que le courant variait de manière simultanée et identique dans les deux branches du miroir de courant.
On s'est donc intéressé à la valeur de la tension Vbe qui fixe ce courant. Un relevé dans les mêmes conditions a indiqué une dérive de cette tension de 2,4 InV0C"1. Cette dérive trouve son origine dans le fait que le transistor 116 concerné par cette tension est monté en diode; or la dérive de tension usuellement observée aux bornes d'une diode est de 2,5 mV°C λ environ, ce qui concorde parfaitement avec nos relevés. Pour annuler cette dérive, on maintient les composants du thermomètre (la sonde et ses moyens d'alimentation et de mesure) à une température constante. Par exemple, on régule électroniquement la puissance d'un tapis chauffant placé dans le boîtier de 1 ' anémomètre .
Le circuit électronique du thermomètre est ainsi maintenu à une température supérieure à celle du local dans lequel il se trouve. Cette température à laquelle le circuit est maintenu est régulée à plus ou moins un dixième de degré. Ainsi, non seulement les composants qui constituent l'anémomètre ne dérivent pas, mais ils fonctionnent dans des conditions reproductibles .
Ce dispositif permet, après un unique étalonnage de l'ensemble de la chaîne anémométrique, de mesurer dans l'écoulement non seulement les fluctuations de la température, mais aussi sa valeur moyenne, ce qui est un résultat inédit. En effet, même dans les cas des dispositifs connus pour lesquels un soin particulier est apporté à la métrologie et à la mesure (c'est notamment le cas des mesures de température en sortie d'un jet rapportées par Andreopoulos dans « expérimental investigation of jets in a cross flow, Journal of Fluid Mechanics, 1983), les fluctuations de température sont mesurées par un fil froid tandis que la valeur moyenne est donnée par un autre moyen comme une thermistance ou un thermocouple.
Le circuit décrit dans cette partie est applicable à une sonde à plusieurs fils. On peut réaliser autant de circuits que nécessaire.
Un exemple d'étalonnage et d'utilisation va maintenant être donné. Les étalonnages sont effectués dans une soufflerie. L'air passe successivement dans une boîte chauffante et un échangeur à eau dont la puissance et le débit peuvent être indépendamment réglés afin d'obtenir les niveaux de température souhaités, entre la température ambiante et 1500C environ.
La sonde 2 à fil froid est placée dans la veine d'étalonnage (entourée d'un anneau de garde thermique), au centre de la sortie d'une buse d'injection de l'air. La température de l'enceinte est donnée avec une précision du dixième de degré par une sonde PtIOO de référence associée à un boîtier électronique de mesure (référence : Sfere DGN75T) .
Pour chaque point d'étalonnage, un point de fonctionnement de la boîte chauffante et de l' échangeur est choisi. On laisse ensuite l'équilibre thermique s'établir entre l'air et les parois de la soufflerie, opération qui prend plusieurs heures (typiquement 4) . On effectue ensuite un relevé de la tension délivrée par le thermomètre pendant une trentaine de secondes, valeur largement suffisante pour obtenir une convergence de la mesure.
L'opération est répétée cinq fois pour obtenir les coefficients d'étalonnage de la dépendance linéaire de la tension de sortie du thermomètre en fonction de la température du fluide :
E = A + B-T Un exemple typique d'étalonnage est présenté sur la figure 12. On peut y observer que la régression linéaire donne un résultat excellent.
Sur la figure 13 est tracée (courbe I) une densité spectrale d'énergie issue d'une mesure des fluctuations de température sur une soufflerie. Cette mesure a été effectuée à 50 kHz pendant 10 secondes à 3 diamètres hydraulique de jet en aval sur son enveloppe externe (couche de mélange) à l'aide d'une sonde 2 dont le fil 20 a un diamètre de 0,5 μm. Les conditions d'écoulement étaient les suivantes : Re = 55000 et Rejet = 60000 (basés sur le diamètre hydraulique des conduits) . La différence de température entre les écoulements était de 13°C. La courbe II représente la densité spectrale d'énergie du signal de tension en sortie du thermomètre avec une résistance branchée à la place de la sonde à fil. Cette densité représente donc le bruit du thermomètre. Entre les plus grosses échelles captées par le thermomètre et le bruit de ce dernier, on peut observer sur ce tracé une différence de 7 décades, soit un rapport dans ce cas entre grandes et petites échelles discernables de l'ordre de 3000. En d'autres termes, la résolution du thermomètre dans ce cas est d'environ 5.10"3oC.
Une telle résolution et une densité spectrale d'énergie présentant une amplitude aussi importante entre grandes et petites échelles constituent des performances inédites.
Pour des mesures en situation non établie (impact de jet chauffé sur une paroi), la sonde selon l'invention permet de réaliser des mesures sans correction .
En outre, l'invention propose un perfectionnement aux thermomètres, pour les rendre stables pour en augmenter fortement la sensibilité. On dispose ainsi d'un thermo-anémomètre possédant un rapport signal sur bruit avéré de plusieurs milliers (3500 pour le thermomètre et 10000 pour l'anémomètre à tension constante) quand il est associé à une sonde à fils de petit diamètre selon l'invention.
L' invention permet de réaliser un fonctionnement d'un anémomètre à fil froid, sans thermocouple, pour avoir une mesure de la température moyenne. Le circuit de régulation proposé permet de compenser la dérive et de s'affranchir d'un thermocouple .
Le circuit de régulation proposé ici peut être appliqué à une sonde selon l'invention, décrite ci dessus en liaison avec les figures 2A - 10 et 14, ou à un autre type de sonde anémométrique .

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de réalisation d'une sonde anémométrique à un fil, ou à n fils (n>l), en vue d'une mesure au voisinage d'une paroi, comportant, pour au moins l'un des fils : a) le positionnement et le maintien d'une portion droite du fil (2), comportant une âme métallique (20) de diamètre d, entourée d'une gaine (22) de protection, sur deux surfaces (61', 63'), b) l'élimination d'une partie de la gaine (22), de manière à mettre en évidence une zone active (14) de longueur 1 de mesure du fil, le rapport 1/d étant compris entre 600 et 1500, c) la brasure du fil sur deux broches (4,
6, 40, 60) de la sonde.
2. Procédé selon la revendication 1, pour la réalisation d'une sonde anémométrique à au moins deux fils, comportant la mise en œuvre des étapes a) -c) pour un premier de l'un au moins desdits fils puis la mise en œuvre des étapes a) - c) pour un deuxième desdits fils.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, la sonde étant une sonde à plusieurs fils, parallèles entre eux ou en « X ».
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, les fils étant séparés par une distance comprise entre 0,2 mm et 1 mm, ou compris entre 0,3 mm et 0,8 mm.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, l'étape b) comportant, pour au moins l'un des fils ou pour chacun des fils:
-le positionnement d'une première partie du fil sur la première des deux surfaces, et la fixation de cette première partie du fil sur cette première surface à l'aide d'une première goutte (71) d'un matériau de fixation;
- le positionnement de la deuxième partie du fil sur la deuxième des deux surfaces, et la fixation de cette deuxième partie du fil sur cette deuxième surface à l'aide d'une deuxième goutte (73) d'un matériau de fixation.
6. Procédé selon l'une des revendications
1 à 5, comportant, pour au moins l'un des fils ou pour chacun des fils après l'étape a), la formation d'une courbure du fil.
7. Procédé selon la revendication précédente, la courbure étant formée par rapprochement deux des deux surfaces (61', 63') sur lesquelles le fil est disposé.
8. Procédé selon l'une des revendications
1 à 7, l'étape b) comportant, pour au moins l'un des fils ou pour chacun des fils, un décapage de la gaine (22) du fil pour former une zone active de mesure (14) .
9. Procédé selon la revendication précédente, l'étape b) comportant, pour au moins l'un des fils ou pour chacun des fils:
- une première étape de décapage à l'acide, - une deuxième étape de décapage électrochimique .
10. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9, comportant, pour au moins l'un des fils ou pour chacun des fils, une mesure de résistance du fil afin d'en déterminer la longueur décapée.
11. Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, le décapage étant réalisé à l'aide d'une boucle formée par un fil (101) sur laquelle une goutte (102) de liquide de décapage peut être maintenue.
12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre, pour au moins l'un des fils ou pour chacun des fils, une étape de recuit à une température sensiblement supérieure à la température à laquelle le fil est destiné à être utilisé .
13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, la brasure étant réalisée par pistolet à air chaud, ou par impact laser.
14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comportant une étape préalable de redressement du fil, avant l'étape a) .
15. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'étape c) est réalisée à l'aide d'une brasure de type étain-plomb.
16. Sonde anémométrique à un fil, ou à n fils (n>l), en vue d'une mesure au voisinage d'une paroi, comportant : a) au moins deux broches (4, 6, 40, 60) de maintien, b) au moins l'un des fils, brasé sur lesdites broches, comportant une portion droite du fil (2), comportant une âme métallique (20) de diamètre d, entourée d'une gaine (22) de protection, une partie de la gaine (22) étant éliminée, formant une zone active (14) de longueur 1 de mesure du fil, le rapport 1/d étant compris entre 600 et 1500.
17. Sonde selon la revendication 16, la sonde étant une sonde à plusieurs fils, parallèles entre eux ou en « X ».
18. Sonde selon l'une des revendications 16 ou 17, les fils étant séparés par une distance comprise entre 0,2 mm et 1 mm, ou comprise entre 0,3 mm et 0,8 mm ou étant disposés dans des plans parallèles entre eux et étant séparés par une distance comprise entre 0,2 mm et 1 mm, ou comprise entre 0,3 mm et 0,8 mm.
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