FR2749660A1 - Procede et appareil de mesure de la temperature et de la composition d'un melange de gaz - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne les mesures de fluides. Elle se rapporte à un appareil de mesure de fluide qui comprend deux éléments (18) de détection de température, un dispositif de préréglage des éléments à des températures différentes, et un dispositif de détermination d'un paramètre du fluide à partir des lectures de température des éléments (18) prises à deux instants. Il met en oeuvre un procédé de détermination de température par préréglage des deux éléments (18) à des températures différentes, exécution de mesures de température à partir des éléments à deux instants au moins après exposition au fluide dont la température doit être mesurée, et calcul de la température du courant à partir de ces mesures. Application à la mesure des températures et compositions de gaz.
Description
La présente invention concerne un procédé et un appareil de mesure de paramètres d'un fluide relatifs à une température et une composition d'un gaz. Elle s'applique en particulier à la mesure d'une température variant rapidement dans des fluides compressibles qui ne sont pas à l'état de régime stationnaire, par exemple un gaz circulant dans des conduits d'un moteur à turbine à gaz. Un autre exemple est la mesure de la variation transitoire de la température d'un gaz qui est soumis à des ondes de choc.
On utilise beaucoup les thermocouples dans de nombreuses applications pour assurer une mesure précise et peu coûteuse des températures élevées. Cependant, le temps de réponse est mauvais à cause des effets d'inertie thermique, et l'utilisation des thermocouples pour la mesure de températures dans des fluides qui circulent avec des fluctuations ou dans des conditions ne correspondant pas à un régime stationnaire est limitée. D'autres appareils, par exemple des dispositifs à fil mince, ont déjà été utilisés pour la mesure de température, mais ils ne conviennent pas à des courants compressibles ou non stationnaires car la masse volumique, la vitesse, la température et la pression du courant (qui sont tous nécessaires pour l'obtention de la température à laide de ces procédés) varient indépendamment au cours du temps. La pyrométrie optique ne peut être utilisée que lorsqu'un accès optique au fluide est possible.
Un appareil de mesure de température dans un courant compressible mettant en oeuvre une sonde à aspiration a été décrit par Ng et Epstein dans la communication "High
Frequency Temperature and Pressure Probe for Unsteady
Compressible flows", Rev. Sci. Inst., Vol. 54, nO 12, pages 1678 à 1683. Ces appareils comportent deux fils chauds à température constante placés en amont d'un orifice qui peut être réduit. Par mise en oeuvre des fils avec des rapports différents de surchauffe (température de la sonde température de rétablissement du courant), il est possible de déterminer temporairement à la fois la pression de Pitot et la température du courant lorsque celui-ci est fluctuant et n'est pas en état de régime stationnaire. Un fonctionnement satisfaisant de la sonde dépend de l'établissement d'un courant stationnaire dans le canal d'aspiration conduisant à l'orifice et comprenant un tel orifice qui peut être rétréci, ces deux éléments faisant partie de la sonde elle-même. Le calcul des temps d'établissement de l'écoulement et les mesures expérimentales suggèrent que la limite supérieure de fréquence de ce dispositif est d'environ 20 kHz. L'invention a pour objet la réalisation d'un appareil de mesure de température qui permet des mesures à haute fréquence de la température d'un fluide dans des courants compressibles et non stationnaires.
Frequency Temperature and Pressure Probe for Unsteady
Compressible flows", Rev. Sci. Inst., Vol. 54, nO 12, pages 1678 à 1683. Ces appareils comportent deux fils chauds à température constante placés en amont d'un orifice qui peut être réduit. Par mise en oeuvre des fils avec des rapports différents de surchauffe (température de la sonde température de rétablissement du courant), il est possible de déterminer temporairement à la fois la pression de Pitot et la température du courant lorsque celui-ci est fluctuant et n'est pas en état de régime stationnaire. Un fonctionnement satisfaisant de la sonde dépend de l'établissement d'un courant stationnaire dans le canal d'aspiration conduisant à l'orifice et comprenant un tel orifice qui peut être rétréci, ces deux éléments faisant partie de la sonde elle-même. Le calcul des temps d'établissement de l'écoulement et les mesures expérimentales suggèrent que la limite supérieure de fréquence de ce dispositif est d'environ 20 kHz. L'invention a pour objet la réalisation d'un appareil de mesure de température qui permet des mesures à haute fréquence de la température d'un fluide dans des courants compressibles et non stationnaires.
L'invention concerne un appareil de mesure de la température d'un fluide, comprenant au moins deux éléments de détection de température, un dispositif de préréglage des éléments à des températures différentes, et un dispositif de détermination de la température du fluide, d'après des lectures de température des éléments prises à au moins deux instants.
L'avantage de l'utilisation de deux éléments de détection de température préréglés à des températures différentes est qu'ils permettent la mise en oeuvre d'un procédé simple de détermination de la température du fluide, si bien que des mesures de la température, séparées dans le temps et réalisées par les éléments, peuvent être utilisées pour le calcul de la température du fluide, et il n'est pas nécessaire de déterminer les coefficients de transfert de chaleur. Ce procédé élimine un nouvel étalonnage de la sonde pour déterminer les coefficients de transfert de chaleur, et permet la mesure de la température du fluide dans des courants de composition arbitraire.
Lorsqu'un seul élément de mesure de température est utilisé, de la manière connue, pour la détermination de la température du fluide, le coefficient de transfert de chaleur doit être dérivé d'une manière compliquée à partir du nombre de Nusselt, qui dépend notamment des caractéristiques dynamiques et de la configuration géométrique de la sonde. Ce procédé suppose aussi un écoulement stationnaire avec une faible turbulence sans tourbillon.
L'invention repose sur le principe selon lequel la vitesse de transfert de chaleur par convection est approximativement proportionnelle à la différence entre la température de surface de l'élément de détection de température et la température du fluide. Lorsque les éléments de détection de température sont chacun préréglés initialement à des températures différentes, les deux vitesses différentes de transfert de chaleur peuvent être déterminées par des mesures périodiques des éléments de détection de température. La détermination de deux vitesses de transfert de chaleur élimine la nécessité du calcul du coefficient de transfert de chaleur. La relation entre la vitesse de transfert de chaleur et la différence de températures est
q = h(Tt - Tw) q étant la vitesse de transfert de chaleur, h le coefficient de transfert de chaleur et Tt et Tw étant les températures du fluide et de l'élément à sonde respectivement.
q = h(Tt - Tw) q étant la vitesse de transfert de chaleur, h le coefficient de transfert de chaleur et Tt et Tw étant les températures du fluide et de l'élément à sonde respectivement.
Les deux températures mesurées à la surface du premier et du second élément T Wl et Tw2 sont liées respectivement aux flux respectifs de chaleur q1 et q2 de la manière suivante
q1 = h(Tt - TW1)
q2 = h(Tt - TW2)
D'après les équations qui précèdent, on obtient Tt = Twi + ql (Tw2 - TW1) / (ql - q2)
Ainsi, la température du fluide peut être déterminée d'après les deux températures mesurées et les vitesses de transfert de chaleur q1 et q2. Ces vitesses de transfert de chaleur peuvent être déterminées par échantillonnage des températures des éléments de détection de température à de courts intervalles et par connaissance antérieure des caractéristiques de diffusion de chaleur des éléments, qui peuvent être établies par des procédés de routine. Il est souhaitable d'étalonner les éléments dans toute la plage des températures de fonctionnement. Les étalonnages en températures peuvent être exprimés sous la forme classique (le terme secondaire pouvant être omis)
R/Ro = l + a(T - To) + ss(T - To )2
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels
la figure 1 représente une unité à sonde destinée à être utilisée pour la mise en oeuvre de l'invention
la figure 2 représente plus en détail une sonde de la figure 1 ;
la figure 3 est une coupe partielle très agrandie suivant la ligne A-A de la figure 2, et elle représente plus en détail l'extrémité de la sonde
la figure 4 représente la disposition d'une unité à sonde destinée à être utilisée selon l'invention ;
la figure 5 est une vue en perspective avec des parties arrachées d'un autre mode de réalisation de l'invention, ayant une seule sonde ; et
la figure 6 représente un autre mode de réalisation de l'invention qui ne nécessite pas un élément séparé de chauffage.
q1 = h(Tt - TW1)
q2 = h(Tt - TW2)
D'après les équations qui précèdent, on obtient Tt = Twi + ql (Tw2 - TW1) / (ql - q2)
Ainsi, la température du fluide peut être déterminée d'après les deux températures mesurées et les vitesses de transfert de chaleur q1 et q2. Ces vitesses de transfert de chaleur peuvent être déterminées par échantillonnage des températures des éléments de détection de température à de courts intervalles et par connaissance antérieure des caractéristiques de diffusion de chaleur des éléments, qui peuvent être établies par des procédés de routine. Il est souhaitable d'étalonner les éléments dans toute la plage des températures de fonctionnement. Les étalonnages en températures peuvent être exprimés sous la forme classique (le terme secondaire pouvant être omis)
R/Ro = l + a(T - To) + ss(T - To )2
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels
la figure 1 représente une unité à sonde destinée à être utilisée pour la mise en oeuvre de l'invention
la figure 2 représente plus en détail une sonde de la figure 1 ;
la figure 3 est une coupe partielle très agrandie suivant la ligne A-A de la figure 2, et elle représente plus en détail l'extrémité de la sonde
la figure 4 représente la disposition d'une unité à sonde destinée à être utilisée selon l'invention ;
la figure 5 est une vue en perspective avec des parties arrachées d'un autre mode de réalisation de l'invention, ayant une seule sonde ; et
la figure 6 représente un autre mode de réalisation de l'invention qui ne nécessite pas un élément séparé de chauffage.
La figure 1 représente l'unité 1 à sonde selon l'invention, sous forme séparée, qui comporte deux sondes, une sonde "chaude" 2 et une sonde "froide" 3 ayant des constructions analogues et possédant chacune un élément de détection de température placé vers l'extérieur (de la manière décrite dans la suite en référence à la figure 2). Une sonde 4 de
Pitot est incorporée à l'unité à sonde et est juxtaposée aux autres sondes avec une orientation telle qu'elle est dirigée dans la direction d'écoulement lorsque l'unité à sonde est placée dans le courant de fluide.
Pitot est incorporée à l'unité à sonde et est juxtaposée aux autres sondes avec une orientation telle qu'elle est dirigée dans la direction d'écoulement lorsque l'unité à sonde est placée dans le courant de fluide.
La figure 2 représente plus en détail la réalisation des sondes. Chaque sonde a une construction étroite et cylindrique et elle est formée de quartz 6. A son extrémité, c'est-à-dire à l'extérieur, elle a un élément de détection de température comprenant un mince film 5 de platine peint sur le substrat de quartz fondu. La sonde a un diamètre d'environ 3 mm et le mince film de platine a une longueur d'environ 1 mm. Le film de platine a une épaisseur d'environ 0,5 Um et une résistance de 20 Q. Les sondes sont montées sur des colliers 9 de "Macor" avant leur installation.
La figure 3 represente plus en détail le bout de la sonde 2 et représente le mince film 5 de platine sur le substrat de quartz 6. Des fils électriques 7 formés par une pâte à l'or et à l'argent sont connectés au film de platine et ils rejoignent l'extrémité froide de la sonde. Ils permettent la conservation de l'intégrité de la soudure qui relie le fil électrique 8 (voir figure 2) aux sondes.
La figure 4 représente l'unité 1 à sonde, décrite précédemment, lors du fonctionnement. Pour qu'une différence soit créée entre les températures de surface des sondes, avant un essai de mesure de température, une unité 10 de préchauffage est utilisée pour le préchauffage de l'une des sondes (appelée dans la suite "sonde chaude") . De l'énergie provenant d'une alimentation à 7 V (non représentée) est appliquée à un enroulement 11 de chauffage d'un alliage aluminium-chrome, incorporé à l'unité de préchauffage et ayant une résistance de 2 Q. L'isolement autour de l'enroulement de chauffage est assuré par une gaine d'une céramique d'oxydes.
Lors du fonctionnement, pendant la mesure des changements rapides de température, avant la prise des mesures, la sonde chaude est chauffée par circulation d'un courant dans l'enroulement de l'unité de préchauffage. Juste avant l'essai, l'unité de chauffage, qui est montée sur un organe pivotant 12, pivote à distance des sondes sous l'action d'une masse 13 raccordée par un fil à l'organe 12 et libérée de manière commandée par un verrou 14 d'un électro-aimant.
De cette manière, l'unité de préchauffage tourne autour du pivot et s'écarte de la sonde chaude et, en outre, permet l'entraînement de l'unité à sonde en position ou dans le courant de fluide le cas échéant. Les lectures de température sont réalisées avec les deux sondes à intervalles périodiques et sont transmises à un dispositif convenable de détermination de données qui est connecté à un ordinateur afin que les vitesses de transfert de chaleur et ainsi la température du fluide puissent être calculées d'après les lectures des éléments capteurs de température.
La figure 5 représente un autre mode de réalisation de l'invention qui comporte une seule sonde ayant deux segments 15, 16. Les deux segments de la sonde ont pratiquement la même construction que la sonde décrite précédemment. La tige de quartz d'un segment 15 de la sonde est creuse et un élément 17 de chauffage est placé du côté externe à l'intérieur, c'est-à-dire près de l'élément de détection de température ayant le mince film de platine. Avant un essai de mesure de température, un courant circule dans l'élément de chauffage afin que l'élément de détection de température (essentiellement une jauge de transfert de chaleur) soit chauffé à une température supérieure à celle de l'élément de détection de température de l'autre segment de la sonde.
La figure 6 représente un mode de réalisation de l'invention encore plus simple dans lequel une seule sonde comporte des éléments de détection de température placés vers l'extérieur et en dehors comme dans les sondes décrites précédemment. Les éléments 18 de détection de température sont des éléments à résistance de platine comme décrit précédemment. L'élément séparé de chauffage utilisé pour le préchauffage de l'un des éléments de détection de température nécessaire dans le mode de réalisation précédent est supprimé. Les éléments de détection de température sont préréglés à des températures différentes avant une opération de mesure de température par circulation de courants différents dans les éléments de détection de température afin que cet élément soit porté à une température supérieure à celle de l'autre élément. Comme l'élément est du type à détection de température par résistance (thermomètre à résistance), il peut jouer le rôle d'un organe de chauffage pour se chauffer lui-même, c'est-à-dire que l'élément de chauffage et l'élément de détection de température sont un seul et même élément. Deux fils 19 sont associés à chaque élément comme indiqué précédemment.
La sonde de température décrite précédemment a aussi une application pour la mesure d'une composition de gaz dans des courants binaires de gaz. Les mesures de composition de gaz sont nécessaires par exemple pour l'analyse de courants de mélange et de combustion, par exemple dans les statoréacteurs supersoniques. Comme décrit précédemment, le coefficient de transfert de chaleur par convection h est donné par la relation
h = (q1 - q2)/(Tw2 - Tw1)
Il est possible d'établir des relations entre le coefficient de transfert de chaleur, la pression de Pitot du courant de gaz, la configuration géométrique de la sonde et la composition du gaz. En conséquence, lorsqu'un tube de
Pitot est incorporé à la sonde, la composition du gaz peut aussi être déterminée.
h = (q1 - q2)/(Tw2 - Tw1)
Il est possible d'établir des relations entre le coefficient de transfert de chaleur, la pression de Pitot du courant de gaz, la configuration géométrique de la sonde et la composition du gaz. En conséquence, lorsqu'un tube de
Pitot est incorporé à la sonde, la composition du gaz peut aussi être déterminée.
Par exemple, dans le cas d'une sonde à extrémité hémisphérique (bout arrondi) dans un courant hypersonique, le coefficient de transfert de chaleur par convection est
Ppit étant la pression de Pitot, r le rayon de la sonde et C une fonction de la composition du gaz à variation rapide, mais qui varie peu avec la température totale du courant, et la composition du gaz peut être déterminée à partir de C.
Pour d'autres configurations géométriques de sondes, il est indispensable de déterminer une relation entre le coefficient de transfert de chaleur par convection, la pression de Pitot et la composition du gaz en fonction de la configuration géométrique de la sonde.
Les sondes de concentration sont pratiquement identiques aux sondes de température décrites précédemment, mais elles comportent aussi un dispositif de mesure de la pression de Pitot.
Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre.
Claims (15)
1. Appareil de mesure de fluide, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux éléments (18) de détection de température, un dispositif de préréglage des éléments à des températures différentes, et un dispositif de détermination d'un paramètre du fluide à partir des lectures de température des éléments (18) de détection prises à deux instants.
2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments (18) de détection de température sont des thermomètres à résistance.
3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments (18) de détection de température sont des jauges de transfert de chaleur à film mince (5).
4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque jauge de transfert de chaleur à film mince (5) comprend un mince film (5) de platine.
5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le film (5) a une épaisseur inférieure à 1 iim.
6. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif de réglage initial des éléments (18) de détection de température comporte un dispositif de chauffage (11) destiné à chauffer l'un au moins des éléments.
7. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les éléments (18) de détection de température sont placés sur au moins deux sondes séparées.
8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de préréglage des éléments (18) de détection de température comporte une unité rétractable (12) de chauffage destinée à loger au moins une sonde.
9. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les éléments (18) de détection de température sont placés sur la même sonde.
10. Appareil selon l'une quelconque des revendications 6, 7 et 9, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage est formé par l'élément (18) de détection de température lui-même.
11. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un tube de Pitot.
12. Procédé de détermination de la température d'un fluide, caractérisé en ce qu'il comprend
(a) le préréglage d'au moins deux éléments (18) de détection de température à des températures différentes,
(b) l'exécution de mesures de température à partir des éléments à deux instants au moins après exposition au fluide dont la température doit être mesurée, et
(c) le calcul de la température du courant à partir de ces mesures.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que, dans l'étape (c), la relation mise en oeuvre est
Tt = Twl + ql (Tw2 - Twl) / (ql - q2)
Tt étant la température du fluide, Twi étant la température d'un élément, Tw2 étant la température du second élément et q1 et q2 étant les vitesses de transfert de chaleur du premier et du second élément respectivement.
14. Procédé de détermination de la concentration d'un gaz dans des courants binaires de gaz, caractérisé en ce qu il comprend
(a) le préréglage d'au moins deux éléments (18) de détection de température à des températures différentes,
(b) l'exécution de mesures de température à partir des éléments à deux instants au moins lorsque les éléments sont exposés au courant,
(c) le calcul du coefficient de transfert de chaleur par convection à partir de ces mesures,
(d) la détermination de la pression de Pitot à l'emplacement des éléments, et
(e) le calcul de la composition du gaz à partir du coefficient de transfert de chaleur par convection, de la pression de Pitot et de la configuration géométrique de la sonde.
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que les éléments sont placés sur une sonde hémisphérique au moins, et l'étape (e) comprend le calcul de la valeur de la constante C telle que
Ppit étant la pression de Pitot, r étant le rayon d'une sonde hémisphérique utilisée pour la détermination, le procédé comprenant en outre la détermination de la composition du gaz à partir de la constante C.
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| GB9710515D0 (en) | 1997-07-16 |
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