FR2730813A1 - Procede et sonde pneumatique pour l'anenometrie tridimensionnelle - Google Patents

Abstract

L'invention concerne la mesure anémométrique tridimensionnelle par voie pneumatique avec comparaison de pressions mesurées en des emplacements différents d'un écoulement de fluide, selon laquelle: - on mesure en permanence la pression en un premier emplacement (5) qui est fixe ou déplacé avec des conditions de déplacement connues, - on mesure en permanence la pression en au moins un second emplacement (7) qui est mobile sur une trajectoire (8) fermée autour dudit premier emplacement (5) et décalée axialement par rapport à ce dernier, - on mesure en permanence la position ( PHI) du susdit second emplacement mobile par rapport au susdit premier emplacement, et - on en déduit les caractéristiques (direction et grandeur) du vecteur vitesse de (V) l'écoulement du fluide.

Description

Procédé et sonde pneumatique pour l'anémométrie tridimensionnelle.

La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux mesures anémométriques tridimensionnelles effectuées à l'aide d'une sonde pneumatique.

Les mesures anémométriques effectuées à l'aide d'une sonde pneumatique consistent à déterminer trois informations scalaires du vecteur vitesse V d'un écoulement de fluide non stationnaire, par exemple le module du vecteur vitesse et deux angles formés par ce vecteur par rapport à des plans et/ou des axes de référence.

Avec une sonde pneumatique, la détermination des paramètres précités -module du vecteur et angles- s'effectue par mesure de pression et/ou de différences de pression qui sont en corrélation forte respectivement avec ces paramètres. En se référant à la figure 1 qui schématise un agencement de sonde pneumatique traditionnelle, un corps de sonde A comporte plusieurs prises de pression raccordées à des capteurs de pression respectifs : deux prises de pression 1 et 2 diamétralement opposées parallèlement à l'axe x et deux prises de pression 3 et 4 diamétralement opposées parallèlement à l'axe y et coplanaires aux précédentes ; une prise de pression 5 située centralement sur l'axe x en avant des précédentes. Le vecteur V forme un angle a avec le plan déterminé par les axes x, y et sa projection sur ce plan forme un angle b avec l'axe x.

L'angle a est corrélé à la différence de pression APl2 entre les prises 1 et 2, l'angle b est corrélé à la différence de pression Ap34 entre les prises 3 et 4, et le module du vecteur V est corrélé à la différence de pression AP56 entre la prise centrale 5 (la pression en 5 est proche de la pression d'arrêt de l'écoulement) et la pression statique de l'écoulement (cette information peut être obtenue à partir d'une prise de pression 6 indépendante située sur la périphérie de la sonde, ou bien à partir d'une combinaison des pressions sur les prises 1, 2, 3 et 4).

Une technique d'étalonnage de ce type de sonde a été proposée par Everett et autres dans AIAA-82-0232, "Theory and calibration of non-nulling seven hole cone probes for use in complex flow measurement", AIAA 20th Aerospace
Sciences Meeting, 11-14 janvier 1982, Orlando, Floride, USA.

Selon cette technique, l'espace de mesure est divisé en régions d'angles solides correspondant a des petites angles et à des grands angles d'incidence sur la sonde. Pour les petits angles solides, l'étalonnage utilise une formulation unique, alors que pour les grands angles solides il est nécessaire d'adapter la formulation à la sous-région dans laquelle se trouve le vecteur vitesse de l'écoulement ; le choix de cette sous-région et le traitement correspondant s'effectuent à partir d'une analyse physique des pressions p1 à p6. Alors que, pour les petits angles solides, seules les informations de pression différentielles api2, Ap34 et AP56 sont nécessaires, la mesure des angles solides nécessite
la connaissance des pressions individuelles p1 à p6.

Lorsqu'on ne s'intéresse qu'à la valeur moyenne dans le temps du vecteur vitesse de l'écoulement, les informations pneumatiques prélevées sur les orifices de prise de pression sont transférées, depuis les orifices de prises de pression jusqu'aux capteurs de pression respectifs, par des canalisations. La réponse dynamique de ce type de sonde est très faible (du type premier ordre), le temps de réponse étant fonction de la géométrie des canalisations de transfert.

Pour des mesures effectuées dans des écoulements non stationnaires, et en particulier dans des écoulements tourbillonnaires, il est nécessaire d'augmenter les caractéristiques dynamiques de la sonde, et notamment d'augmenter sa bande passante. A cette fin, on réduit au maximum la longueur des canalisations de transfert, l'idéal étant d'implanter les capteurs immédiatement en arrière des orifices de prise de pression.

Or, l'aptitude de la sonde à effectuer de mesures dans des angles de grande ouverture nécessite l'implantation de cinq ou six capteurs dans la tête de la sonde, ce qui, malgré la miniaturisation actuelle des capteurs, se révèle impossible en pratique pour constituer des sondes de faible dimension.

Ainsi, les techniques actuelles de mesure pneumatique tridimensionnelle d'un écoulement de fluide nécessitent, d'une part, l'emploi d'un nombre conséquent (cinq ou six) de capteurs, ce qui empêche une réduction souhaitable de la taille de la sonde, et, d'autre part, une division de l'espace en sous-régions dont le nombre est nécessairement limité par le nombre des capteurs utilisés, ce qui réduit les performances de mesure par rapport à ce qui est souhaité.

L'invention a donc essentiellement pour but de remédier aux inconvénients précités des techniques connues actuellement et de proposer une solution technologique originale qui permette de reduire de façon très sensible le nombre des capteurs utilisés pour les mesures, et donc la taille de la sonde, en même temps qu'elle permet un élargissement sensible du champ de mesure.

A ces fins, selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un procédé de mesure anemométrique pneumatique tridimensionnelle qui se caractérise essentiellement en ce que - on mesure en permanence la pression en un premier emplace
ment fixe ou deplacé avec des conditions de déplacement
connues, - on mesure en permanence la pression en au moins un second
emplacement mobile sur une trajectoire fermée autour dudit
premier emplacement et décalée axialement ce dernier, - on mesure en permanence la position du susdit second
emplacement mobile par rapport au susdit premier emplace
ment, et - on en déduit les caractéristiques (direction et grandeur)
du vecteur vitesse de l'écoulement du fluide.

Dans la suite de la description, on attribue à la prise de mesure centrale la caractéristique d'être fixe, étant entendu que cette fixité est considérée par rapport à l'ensemble de la sonde et en opposition à la mobilité de la prise excentrée, mais étant entendu aussi que la sonde peut très bien être elle-même mobile (par exemple embarquee à bord d'un véhicule) avec une trajectoire connue.

Ainsi, grâce aux dispositions de l'invention, les mesures peuvent être effectuées avec un nombre très restreint (deux ou trois) de capteurs, ce qui permet de réduire le volume de la tête de la sonde. En outre, en ayant recours à des moyens électroniques de traitement des signaux ayant de grandes performances, il est possible d'effectuer un échantillonnage procurant un très grand nombre de points de mesure (par exemple 1000 points, ou plus encore) le long d'un tour de la trajectoire fermée, qui permettent d'obtenir une plus grande finesse dans la détermination des paramètres de caractérisation du vecteur vitesse de l'écoulement de fluide que ne le permettait le faible nombre des points de mesure fixes des sondes antérieures.

A partir des valeurs mesurées individuellement en chaque point de mesure par échantillonnage sur la trajectoire, il est également possible d'apparier les points de mesure, en particulier des points de mesure diamétralement opposés, à partir des informations de position de la prise de pression mobile, pour déterminer des différences de pression APij pour lesdits couples de points sélectionnés, dans les mêmes conditions que ce qui était effectué avec les signaux fournis par les sondes antérieures, mais avec un nombre de déterminations de différences de pression beaucoup plus conséquent.

D'une façon générale, on obtient, grâce aux moyens de l'invention, la possibilité d'une détermination plus précise et surtout plus rapide des paramètres du vecteur vitesse de l'écoulement de fluide, ce qui signifie une connaissance plus exacte dudit écoulement en grandeur et en direction ainsi que dans le temps, grâce à une réduction substantielle du temps de réponse des moyens mis en oeuvre.

Dans un mode de mise en oeuvre simple du procédé de l'invention, la trajectoire fermée parcourue par le second emplacement mobile est circulaire et coaxiale au premier emplacement ; en particulier la localisation instantanee du point de mesure mobile est rendue plus aisée.

Selon un second aspect de l'invention, pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, il est proposé une sonde pneumatique pour anémométrie tridimensionnelle qui, étant agencée conformément à l'invention, se caractérise essentiellement en ce qu'elle comporte - un corps de sonde comprenant
une première prise de pression de fluide disposée de
façon fixe sensiblement sur l'axe du corps de sonde et
raccordée à un premier capteur de pression, . au moins une seconde prise de pression de fluide disposée
de façon excentrée par rapport à l'axe du corps de sonde
et raccordée à un second capteur de pression, et . des moyens de mise en rotation associés à la seconde prise de pression de fluide et aptes à la faire tourner et - des moyens de traitement de signaux raccordés aux premier et second capteurs de pression et recevant en outre un signal de position de la seconde prise de pression dans sa rotation autour de l'axe du corps de sonde, moyens qui sont aptes à fournir, à partir des susdites informations, les caractéristiques (direction et grandeur) du vecteur vitesse d'un écoulement de fluide dans lequel la sonde est plongée.

Dans un mode de réalisation préféré en raison de la simplicité d'agencement structurel et de la simplicite de traitement des informations qui en résultent, les moyens de mise en rotation déplacent la seconde prise de pression sur une trajectoire circulaire centrée sur l'axe du corps de sonde.

Toujours dans le but de simplifier la structure de la sonde, on prévoit que la seconde prise de pression est supportée par le corps de sonde et que les moyens de mise en rotation font tourner le corps de sonde autour de son axe.

Dans un exemple de réalisation préféré qui semble devoir convenir pour un grand nombre de domaines d'application prévus pour la sonde, la sonde comporte une seule seconde prise de pression et le cône de mesure, déterminé par la position axiale relative des première et seconde prises de pression, présente un angle d'ouverture dont la valeur maximale est comprise entre 60 et 70 .

Toutefois, en vue d'applications particulières nécessitant un nombre plus élevé de points de mesure par tour de rotation et/ou un champ de mesure tridimensionnel d'une autre forme que conique, par exemple sensiblement sphérique, on peut avoir recours a un agencement sensiblement différent comportant deux secondes prises de pression décalées axialement l'une par rapport à l'autre et tournant en synchronisme.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit de certains modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs.

Dans cette description, on se refère aux dessins annexés sur lesquels
- la figure 2 est une vue très schématique, illustrant le procédé de l'invention et la structure de base d'une sonde anémométrique tridimensionnelle conforme à l'invention ;
- la figure 3 est une vue schématique de l'ensemble d'un premier mode de réalisation d'une sonde conforme à l'invention, et
- la figure 4 est une vue très schématique d'un autre mode de réalisation possible d'une sonde conforme à l'invention.

En se référant tout d'abord à la figure 2 (sur laquelle on a conservé les mêmes références alpha numériques pour désigner les éléments identiques à ceux de la figure 1), les prises de mesure 1, 2, 3, 4 et 6 et les capteurs de pression associés, qui étaient disposés de façon fixe et prédéterminée dans le corps de sonde A, sont éliminés et remplaces par un nombre très réduit de prises de mesure avec capteur de pression associé.Dans l'exemple représenté à la figure 2, qui constitue un mode de réalisation préféré dans la mesure où il semble devoir satisfaire un très vaste champ d'applications possibles et où il est structurellement et fonctionnellement simple, on conserve la prise de mesure centrale 5, tandis que la prise de mesure excentrée est unique et désignée par 7 ; les capteurs de pression respectifs sont disposés immédiatement en arrière des prises et contre elles et de manière à réduire au maximum la longueur de la liaison entre prise et capteur et à accroître les caractéristiques dynamiques. Ce montage est rendu possible en raison du très petit nombre des composants, et en outre le corps de sonde A peut être simultanement conformé avec des dimensions transversales extrêmement réduites.

En outre, la prise de mesure 7 et son capteur de pression associé sont mobiles sur une trajectoire fermée 8 qui s'étend autour de la prise de mesure centrale 5, laquelle est fixe et est décalée axialement (c'est-à-dire selon l'axe x du corps de sonde A) vers l'avant par rapport à ladite prise excentrée 7. En pratique, pour simplifier à la fois la structure de la sonde et le traitement des informations recueillies, la trajectoire 8 est circulaire et coaxiale à l'axe x, et s'étend dans un plan sensiblement perpendiculaire audit axe x. La position instantanée de la prise de mesure 7 est alors déterminée, de façon simple, par l'angle mesuré par rapport à un repère fixe, par exemple par rapport à un axe parallèle à l'axe y.

Ainsi, la rotation (flèche 9 sur la figure 2) de la sonde, repérée instantanément par son angle de localisation , permet une exploration continue du champ aérodynamique autour de la tête de sonde. On est ainsi conduit à éliminer le concept de sous-régions qui était nécessaire pour le traitement des informations fournies par les sondes an té- rieures, et on obtient, là encore, une simplification substantielle qui se répercute dans le traitement des informations obtenues et la détermination des paramètres du vecteur vitesse de l'écoulement de fluide.

La conception même du procédé conforme à l'invention confère une grande liberté quant au mode de prélèvement des informations et à leur mode de traitement.

En pratique, il semble intéressant, en vue de pouvoir ensuite mettre en oeuvre des moyens électroniques performants de type numérique, d'effectuer des mesures échantillonnées prélevées sur toute la longueur de la trajectoire. Le nombre des mesures est fonction de la longueur de la trajectoire (et donc du diamètre de la sonde) et de la vitesse de rotation de la prise de mesure 7. Mais dans tous les cas, ce nombre de points de mesure est très élevé et dépasse considérablement le nombre des points de mesure que pouvait fournir une sonde traditionnelle.

Lors d'essais menes avec des prototypes, il a été possible d'effectuer des mesures avec une vitesse de rotation sensiblement uniforme comprise approximativement entre 5 et 10 tours par seconde. Le nombre des points de mesure peut alors atteindre 1000 points par tour, voire plus encore, pour une trajectoire circulaire de l'ordre de 1,5 à 2 diamètres de capteur.

Les valeurs de pression ainsi mesurees sont ensuite mémorisées et traitées en fonction des grandeurs à déterminer. Par exemple (mais non exclusivement), les pressions mesurées p () peuvent être appariées par couples d'emplacements diamétralement opposés i, j et l'on peut en déduire les différences de pression Apij qui, par comparaison avec les pressions p5 relevées sur la prise centrale 5, permettent de déterminer les paramètres du vecteur vitesse V de l'écoulement de fluide.

On conçoit que le nombre des mesures effectuées par unité de temps et la diversité des possibilités de traite ment des informations recueillies conduisent à une plus grande précision dans la détermination des paramètres souhaités et surtout à une plus grande rapidité des mesures qui autorise le suivi de l'évolution rapide d'un vecteur vitesse, par exemple dans un écoulement tourbillonnaire. Le procédé et la sonde conformes à l'invention permettent donc d'élargir considérablement le champ d'investigation dans la mesure des écoulements de fluide, tout en s'affranchissant des limitations et des difficultés que présentaient les sondes et processus de traitement antérieurs.

Pour une tête de sonde tournant à vitesse constante autour de l'axe x du corps de sonde, la détermination des paramètres a (angle du plan Pl de référence défini par les axes x et y avec le plan P2 défini par le vecteur V et l'axe x), ss (angle du vecteur V avec l'axe x) et module de V s'effectue de la manière suivante i/pour ss non nul, la valeur de l'angle a correspond au
maximum de la courbe de variation de la pression sur la
prise excentrée 7, p, en fonction de l'angle ii/ la valeur de l'angle p est déduite de la relation
FÇ (p5 , p7 (+) j3) = o
avec o < ( < ( 2 n
obtenue par étalonnage et traduite sous forme de une ou
plusieurs fonctions analytiques, fonctions discrètes,
tables, etc., définies pour l'ensemble du domaine d'utili
sation de la sonde ou bien zone par zone iii/ la valeur Q du module du vecteur vitesse V est déduite
de la fonction
FQ (p5, p7 (#), ss) = o avec o < # < 2 #
obtenue par étalonnage et traduite sous forme de une ou
plusieurs fonctions analytiques, fonctions discrètes,
tables, etc., définies pour l'ensemble du domaine d'utili
sation de la sonde ou zone par zone iv/ pour une valeur de p proche de o, la valeur du module du
vecteur vitesse V est déduite de la fonction FQ (p5 , p7 () ) = o
avec o < < p < 2 n.

La figure 3 montre, de façon schématique, un agencement plus complet d'une sonde conforme à l'invention basée sur le concept représenté à la figure 2.

Le corps de sonde A comporte, à son extrémité antérieure, une tête de sonde 10 ayant une forme géométrique, notamment conique (comme montre à la fig. 3) ou sphérique, adaptée à la nature de l'écoulement de fluide. La tête de sonde 10 est équipée des orifices de pression précités, savoir un orifice central 5 et, en arrière de celui-ci, un orifice excentré 7. Ces orifices de prise des pressions respectivement p5 et p7 sont disposés de façon appropriée en fonction du fluide à étudier, par exemple en affleurement de paroi ou bien en arrière d'un élément de protection lorsqu'il s'agit d'une fluide agressif. Immédiatement en arrière des orifices de pression sont situés les capteurs de pression correspondants respectivement à 115 et 11,.

Les capteurs 115 et 117 sont liés, à travers le corps de sonde et par l'intermédiaire de préamplificateurs respectifs 125 et 127, à un collecteur tournant 13 destiné à assurer la transmission des signaux électriques vers des amplificateurs respectifs 145 et 147.

Un moteur d'entraînement 15 assure la rotation du corps de sonde A autour de son axe x, de telle sorte que la prise de pression excentrée 7 soit mobile sur une trajectoire circulaire. Pour s'affranchir des sujétions entraînées par une éventuelle irrégularité de rotation du moteur, on peut prévoir un décodeur 16 associé au corps de sonde A pour assurer le repérage de la position angulaire < p de la prise de pression mobile 7.

Une chaîne 17 de traitement des informations et de gestion du fonctionnement de la sonde reçoit les informations de mesure en provenance des amplificateurs 145 et 147 et de fonctionnement en provenance du décodeur 16 et du moteur 15 et assure l'asservissement de rotation du moteur 15 et la délivrance des informations de pressions mesurées p5 et p7 et de position angulaire < p qui sont ensuite traitées de façon appropriée en 18 pour l'obtention des informations de détermination des paramètres caractéristiques du vecteur vitesse V de l'écoulement de fluide.

Bien entendu, le schéma de la figure 3 ne montre qu'un exemple possible de réalisation d'une sonde conforme à l'invention, bien d'autres configurations pouvant être envisagées. A une forme géométrique donnée de la tête de sonde 10 correspond une valeur maximale ssmax de l'angle ss précité. On définit ainsi un cône de mesure au-delà duquel les fonction d'étalonnage de la sonde
FR (P5, p7, 4) ss) =
et/ou FQ (P5 , P7 < p, 13) = o ne sont plus exploitables. Cet angle ssmax définit un cône d'axe x (axe du corps de sonde A).

Pour une tête de sonde de forme conique ou hémisphérique pourvue comme décrit précédemment de deux prises de pression dont l'une 7 est mobile et l'autre 5 est fixe, la valeur maximale de l'angle ss est de l'ordre de 60 à 70".

Toutefois, on peut prévoir que la position du corps de sonde (direction de l'axe x) puisse être asservie de telle sorte que le vecteur vitesse V à mesurer reste situé dans le cône de mesure, ce qui permet d'élargir l'angle effectif du cône de mesure que la sonde peut couvrir.

A titre d'exemple, la figure 4 montre une autre configuration possible d'une tête de sonde conforme à l'invention. La tête de sonde 10' de la figure 4 est de forme sphérique et est pourvue de deux orifices de prise de pression, respectivement 7 et 19, qui, étant supportés par la même structure, sont entraînés en rotation en synchronisme. Les orifices 7 et 19 sont decales axialement l'un par rapport à l'autre, parallèlement à l'axe du corps de sonde.

Un tel agencement permet d'ouvrir le cône de mesure qui peut alors devenir supérieur à 90 .

Comme il va de soi et comme il résulte déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus particulièrement envisages ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Procedé de mesure anémométrique tridimensionnelle par comparaison de pressions mesurées en des emplacements différents d'un écoulement de fluide, caractérisé en ce que: - on mesure en permanence la pression en un premier emplace

ment qui est fixe ou déplacé avec des conditions de

déplacement connues, - on mesure en permanence la pression en au moins un second

emplacement qui est mobile sur une trajectoire fermée

autour dudit premier emplacement et décalée axialement par

rapport à ce dernier, - on mesure en permanence la position du susdit second

emplacement mobile par rapport au susdit premier emplace

ment, et - on en déduit les caractéristiques (direction et grandeur)

du vecteur vitesse de l'écoulement du fluide.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, à partir des informations mesurées, on determine des différences de pression pour des couples d'emplacements sélectionnés.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la trajectoire fermee parcourue par le second emplacement mobile est circulaire et coaxiale au premier emplacement.

4. Sonde pneumatique, pour anémométrie tridimensionnelle, caractérisée en ce qu'elle comporte - un corps de sonde (A) comprenant

une première prise de pression de fluide (5) qui est

disposée de façon fixe sensiblement sur l'axe du corps de

sonde et raccordée à un premier capteur de pression, . au moins une seconde prise de pression de fluide (7) qui

est disposée de façon excentrée par rapport à l'axe du

corps de sonde et raccordée à un second capteur de

pression, et . des moyens de mise (M) en rotation associés à la seconde

prise de pression de fluide et aptes à la faire tourner et - des moyens (17, 18) de traitement de signaux raccordés aux

premier et second capteurs de pression et recevant en

outre un signal de position angulaire de la seconde prise

de pression dans sa rotation autour de l'axe du corps de

sonde, moyens qui sont aptes à fournir, à partir des

susdites informations, les caractéristiques (direction et

grandeur) du vecteur vitesse d'un ecoulement de fluide

dans lequel la sonde est plongée.

5. Sonde selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens (M) de mise en rotation déplacent la seconde prise de pression (7) sur une trajectoire circulaire centrée sur l'axe du corps de sonde (A).

6. Sonde selon la revendication 6, caractérisée en ce que la seconde prise de pression (7) est supportée par le corps de sonde et en ce que les moyens (M) de mise en rotation font tourner le corps de sonde (A) autour de son axe (x).

7. Sonde selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte deux secondes prises de pression (7, 19) décalées axialement l'une par rapport à l'autre et tournant en synchronisme.