La présente invention concerne un système chargé d'estimer la vitesse d'écoulement d'un fluide, par l'analyse des caractéristiques des vibrations induites par le mouvement dudit fluide sur les parois d'une cavité (2) ouverte dans laquelle il pénètre ; parois incorporant un(des) capteur(s) de vibrations (4) relié(s) à un ordinateur (11).The present invention relates to a system for estimating the flow velocity of a fluid, by analyzing the characteristics of the vibrations induced by the movement of said fluid on the walls of an open cavity (2) into which it enters; walls incorporating a vibration sensor (s) (4) connected to a computer (11).
L'estimation de la vitesse aérodynamique d'un aéronef se fait actuellement par l'intermédiaire d'un tube Pitot. Ce tube mesure la pression statique (ou ambiante) ainsi que la pression totale (créé par l'impact de l'air sur une capsule) et calcule par un algorithme la vitesse aérodynamique de l'aéronef.The estimation of the aerodynamic speed of an aircraft is currently done via a Pitot tube. This tube measures the static pressure (or ambient) and the total pressure (created by the impact of air on a capsule) and calculates by an algorithm the aerodynamic speed of the aircraft.
Cependant, dans un certain nombre de cas, le tube Pitot peut être soumis à un givrage (du à l'altitude du vol, la pression atmosphérique, la température et l'humidité de l'environnement de l'aéronef, etc. ainsi qu'aux points d'arrêt de l'air à certains endroits de la sonde), ce qui rend ce capteur inopérant : La société Airbus a reconnu pas moins de 36 incidents d'obstruction possible de sondes Pitot par de la glace, sur des avions A330/A340, entre le 12 novembre 2003 et le 7 août 2009. Dans ce cas, l'aéronef peut généralement terminer son vol dans de bonnes conditions (les pilotes appliquant des consignes particulières en pilotage manuel), mais ce dysfonctionnement peut également engendrer des anomalies de contrôle commande qui peuvent conduire au crash, comme le témoignent certains accidents, comme le vol 301 de la compagnie Birgenair, ou le récent accident du Paris - Rio (Air France AF447) entre autres. La présente invention permet d'estimer la vitesse d'un fluide (compressible ou incompressible) en mouvement par rapport à ladite invention, par l'intermédiaire de mesures de vibrations, qui sont analysées en temps réel. De ce fait, cette invention n'est pas sensible à l'obstruction d'un canal (causé par un givrage par exemple, ou tout autre obstacle), ce qui lui confère une fiabilité certaine. En effet, tout cavité (2), soumise à la circulation d'un fluide (Voir Fig. 1), subit une vibration induite, dont les caractéristiques dépendent de sa vitesse d'écoulement. Ainsi, il 30 est possible d'estimer la vitesse de déplacement du fluide par rapport à la cavité en temps réel, en analysant les mesures de vibrations effectuées. Description de l'invention, selon les modes particuliers de réalisation : - - Un système est chargé d'estimer la vitesse d'écoulement d'un fluide, par l'analyse 35 des caractéristiques des vibrations induites par le mouvement dudit fluide sur les parois d'une cavité (2) ouverte dans laquelle il pénètre ; parois incorporant un(des) capteur(s) de vibrations (4) relié(s) à un ordinateur (11) (Voir Fig. 1 et 4) - La cavité (2), se situant dans le fluide, et dont les parois incorporent un(des) capteur(s) de vibrations (4), se situe dans un appendice (1), qui peut être installé à 40 l'intérieur d'une cavité native de l'aéronef (au niveau du fuselage, de la voilure, de l'empennage, de la dérive, etc.), ou à l'extérieur de l'aéronef, et installé à n'importe quel emplacement de ce dernier (fuselage, de la voilure, de l'empennage, de la dérive, etc.) La cavité (2) à l'intérieur de l'appendice (1) est considéré comme une forme en 3 45 dimensions quelconque (Solide convexe ou concave, solide de révolution, polyèdre, etc.) - Les parois de la cavité (2) peuvent bénéficier d'une relative souplesse, de manière à mettre en évidence les vibrations induites par l'écoulement du fluide. Pour ce faire, deux propriétés des parois peuvent être ajustées : leur épaisseur et la raideur du 50 matériau dont elles sont constituées L'appendice (1), si elle est extérieure à l'aéronef, peut avoir une forme profilée (profile d'aile (symétrique ou non) par exemple, etc.) pour réduire au mieux sa traînée L'appendice (1) peut avoir une forme lui permettant de s'insérer entre l'aéronef 55 (10) et son tube Pitot (12) originale. Pour ce faire, il dispose d'un support de fixation lui permettant de se fixer directement sur l'emplacement d'installation natif d'un tube Pitot classique et ainsi prendre sa place (b), tout en lui offrant un support de fixation pour qu'il puisse s'installer sur l'invention (c), et ainsi rester opérationnel, à forte proximité de sa place originelle 60 La cavité (2) peut être partiellement fermée et ne pas disposer d'une ouverture vers l'écoulement du fluide sur la totalité de sa longueur La cavité (2) peut contenir un(des) canal(aux) d'évacuation (3) (entrée dans la cavité, sortie dans l'écoulement) afin de permettre à tout liquide qui se serait accumulé à l'intérieur de la cavité (2) de pouvoir être éjecté plus facilement 65 Un(des) capteur(s) de vibrations (4) (éventuellement en redondance) est(sont) incorporé(s) ou rigidement fixé(s) au sein des parois de la cavité (2), éventuellement en contact direct de la paroi, afin de réaliser des mesures sur un - 3 - axe, deux axes, ou trois axes, de vibrations. Un(les) capteur(s) de vibrations (4) peu(ven)t être de type accéléromètre, de type 70 gyroscope, de type capteur de pression (à travers un(des) canal(aux) vers l'extérieur), ou de type microphone (exemple : Microphone à condensateur) L'appendice (1) peut être fixé à travers une isolation vibratoire (9), de manière à être indépendant de toute vibration perturbatrice provenant de l'endroit (10) où l'appendice (1) est fixé. Cette isolation peut être de type passe-bas, de manière à 75 permettre aux vibrations perturbatrices de ne pas influer sur les vibrations induites par l'air, de plus haute fréquence - L'appendice (1) peut contenir plusieurs capteurs de vibrations (4) à différents endroits, éventuellement en redondance, de manière à réaliser un traitement différentiel visant à éliminer les vibrations perturbatrices du support (10) sur lequel 80 l'appendice (1) est installé L'installation d'un(de) tel(s) capteur(s) au niveau du support (10) ou au niveau de la partie de l'appendice (1) la plus proche du support (10) peut être prévu, en plus du(es) capteur(s) d'analyse des vibrations induites par l'air. Ainsi, une soustraction de la densité spectrale des vibrations induites (par l'écoulement du fluide), par la 85 densité spectrale des vibrations du support (10) sur lequel l'appendice (1) est installé, permettra d'isoler les vibrations induites - L'appendice (1) et/ou la cavité (2) (notamment ses parois) peu(ven)t contenir un(des) capteur(s) de température (6) (éventuellement en redondance) chargé(s) de mesurer la(es) température(s) de l'appendice (1) et/ou de la cavité (2) (qui 90 peu(ven)t varier à cause du rayonnement solaire, de la température de l'atmosphère, de la friction de l'air, de la conduction de température avion, ...) L'appendice (1) et/ou la cavité (2) (notamment ses parois) peu(ven)t contenir un(des) résistance(s) chauffante(s) (5) (éventuellement en redondance) afin de réguler la température de l'appendice (1) et/ou de la cavité (2) à une température 95 positive (supérieure à 0 degré Celsius) choisie par l'utilisateur, pour éviter tout risque de formation de givre - La structure de l'appendice (1), peut être creuse, afin de pouvoir contenir une partie ou la totalité des éléments nécessaires a son bon fonctionnement, à savoir : le(s) capteur(s) de vibrations (4), le(s) capteur(s) de température (6)/(7), la(es) 100 résistance(s) chauffante(s) (5), l'ordinateur de traitement des données (11), la carte de communication sans fil, la carte d'alimentation, la carte offrant des ports de -4 communication à l'ordinateur (11), des connecteurs, etc. L'appendice (1) peut contenir un(des) capteur(s) de température du fluide (7) (éventuellement en redondance), pouvant être en contact avec le fluide par 105 l'intermédiaire d'un (de) canal(aux) (8), pouvant déboucher sur la paroi de la cavité (2) (par exemple, partie en amont de l'écoulement) ou tout autre endroit de l'appendice (1), afin de déterminer la température du fluide environnant Un ordinateur (11) (contenant de la mémoire de stockage), pouvant être relié aux modules électroniques de l'invention (capteurs de vibrations (4), capteurs de 110 température (6)/(7), résistances (5)) à travers des ports de communication (intégrés à l'ordinateur, ou offerts par une carte indépendante reliée à l'ordinateur (11)), peut être intégré au sein de l'appendice (1) L'ordinateur (11) est destiné à réaliser tous les traitements de l'algorithme pouvant être nécessaires pour estimer la vitesse d'écoulement du fluide : interfaçage avec 115 le(s) capteur(s) de vibration (4) et de température (7) pour importer leurs mesures, détermination de la densité spectrale des vibrations induites (en position, vitesse ou accélération) par l'intermédiaire d'une transformée de Fourier, détermination des fréquencesf, de réponse en vibrations (par identification des pics de puissance des différents modes) de la densité spectrale, estimation de la vitesse d'écoulement sur 120 le système, et enfin application de la formule de calcul de vitesse, en fonction de la f;,L vitesse du son environnant (c) : (1. c.0 = , avec Uo, : Vitesse k(c(n - y')- f'L) d'écoulement du fluide, c : vitesse du son dans l'environnement courant, fi : fréquences d'oscillations de la cavité, L : longueur de la cavité, k: constante empirique représentant le rapport entre la vitesse de propagation des tourbillons et 125 la vitesse du fluide non perturbé (Rossiter a proposé k 0.57), n : nombre entier représentant le mode, y ' : constante empirique représente l'écart entre l'impact du tourbillon sur le bord de la cavité et l'émission de l'onde acoustique (Rossiter a proposé y = 0.25). Dans le cas ou l'ordinateur (11) connaît la température du fluide environnant, par 130 l'intermédiaire d'un capteur de température (7), ou par un système externe connecte à l'ordinateur (11), l'ordinateur (11) peut alors calculer la vitesse d'écoulement du fluide sur la cavité, en utilisant la formule suivante : y.R, .T f,,L fc,, = , avec y coefficient de compressibilité (1.4 pour k(Vi - y') - f'L) -5 l'air), R, constante spécifique du gaz (287 J.kg-I.K1 pour l'air) et T température 135 environnante L'ordinateur (11) peut être destiné à réaliser tous les traitements de l'algorithme pouvant être nécessaires pour réguler la température de la cavité (2), voire de l'appendice (1), au dessus d'une certaine température (positive ou nulle) renseignée par l'utilisateur : interfaçage du capteur de température (6) pour importer 140 leurs mesures de température de l'appendice (1) et/ou de la cavité (2), algorithme de régulation de la température du système de type PID (Proportionnel, Intégratif, Dérivatif), commande optimale, commande robuste, commande prédictive, placement de pôles, etc. pour calculer la commande à envoyer à la résistance chauffante(s) (5), interfaçage avec la(es) résistance(s) chauffante(s) (5) pour la 145 contrôler L'ordinateur (11) peut être relié à un système de communication sans fil (Wifi, Bluetooth, Zigbee, RF, etc.), contenu ou non dans l'appendice (1), afin de communiquer avec un autre système informatique (l'avionique de bord d'un aéronef par exemple), l'afficheur de bord, etc. sans liaison filaire 150 L'ordinateur (11) peut comparer les mesures des modules électroniques en redondance : capteurs de températures (6)/(7) et de vibrations (4), pour déterminer les modules n'étant plus opérationnels L'ordinateur (11) peut exécuter un algorithme qui analyse la corrélation des évolutions de températures entre le(s) capteur(s) de température (6) et le(s) 155 capteur(s) de température (7) pour détecter une éventuelle obstruction du canal (8) L'ordinateur (11) peut être capable de mesurer l'intensité du courant traversant chaque résistance chauffante, à travers des modules/ports dédiés à cet effet, de manière à détecter une résistance défaillante L'invention peut contenir un système d'alimentation (module ou carte électronique 160 d'alimentation par exemple), contenu dans l'appendice (1) ou non, destiné à fournir en tension et courants adaptés l'ordinateur (11), les capteurs (4)1(6)1(7), les résistances chauffantes (5), la carte offiant des ports de communication à l'ordinateur (11), le système de communication sans fil, etc. L'ordinateur (11) peut être relié à des connecteurs, intégrés/fixés ou non sur 165 l'appendice (1), destinés à l'alimentation (l'ordinateur (11), les capteurs (4)/(6)/(7), les résistances chauffantes (5), la carte offrant des ports de communication à l'ordinateur (11), le système de communication sans fil, etc.), et destinés à être - 6 - reliés aux ports de communication de l'ordinateur (11) pour échanges de données avec un système de communication sans fil, l'avionique pour lequel l'estimation de 170 la vitesse d'écoulement est destiné, et/ou un indicateur de vitesse aérodynamique comprenant un affichage et quelques interfaces bouton (ou un écran tactile) L'ordinateur (11) met en oeuvre des protocoles de communication, par l'intermédiaire de son(es) port(s) de communication, afin de réceptionner les données importantes pour son bon fonctionnement (configuration (température de 175 régulation de l'appendice(1) et/ou de la cavité(2), etc.), données de vol éventuellement nécessaires (température de l'air ambiante, angle d'attaque, etc.), etc.), ainsi que pour l'envoi des données importantes (estimation de la vitesse d'écoulement, panne d'un capteur, panne d'une résistance chauffante, obstruction d'un canal, etc.) 180 L'invention peut inclure plusieurs ordinateurs (11) en redondance, plusieurs cartes d'alimentation en redondance, et plusieurs cartes de ports de communication en redondance, de manière à ce qu'un élément valide remplisse sa mission, si un élément similaire en redondance tombait en panne 185 Les dessins annexés illustrent l'invention : - La figure 1 représente une schématisation du comportement d'un fluide, en écoulement, pénétrant dans une cavité (2) - La figure 2 représente la densité spectrale des vibrations d'une paroi de la cavité (2), ayant été induites par l'écoulement d'un fluide dans cette dernière (2) 190 - La figure 3 représente la densité spectrale des vibrations d'une paroi de la cavité (2), ayant été induites par l'écoulement d'un fluide dans cette dernière (2), pour différentes vitesses d'écoulement du fluide - La figure 4 représente une réalisation possible de l'invention, l'appendice aérodynamique (1), avec sa cavité (2), ses canaux (3)/(8), ses capteurs (4)1(6)1(7), 195 ses résistances chauffantes (5), et les interfaces avec son ordinateur (11) La figure 5 représente une installation possible de l'appendice (1) sur un endroit d'un aéronef (10) à travers une isolation vibratoire (9) La figure 6 représente une manière dont la cavité peut être partiellement ouverte/fermée 200 - La figure 7 représente un schéma des liaisons entre chaque type de module électronique de l'invention -7- - La figure 8 représente l'invention, permettant son insertion entre l'aéronef (10) et son tube Pitot (12) originale. - La figure 9 représente une réalisation possible de l'invention, l'appendice 205 aérodynamique (1) n'étant non plus à l'extérieur de l'aéronef (10), mais installé à l'intérieur, dans une cavité de l'aéronef (13) native ou créée pour la circonstance En référence à ces dessins, l'invention concerne un système chargé d'estimer la vitesse d'écoulement d'un fluide, par l'analyse des caractéristiques des vibrations induites par le 210 mouvement dudit fluide sur les parois d'une cavité (2) ouverte dans laquelle il pénètre (Fig. 1) ; parois incorporant un(des) capteur(s) de vibrations (4) relié(s) à un ordinateur (11) (Fig. 4). Le principe de fonctionnement de cette invention est le suivant : Lorsqu'une cavité est soumise à l'écoulement d'un fluide (Fig. 1), ses parois se mettent à vibrer, à des fréquences 215 décrites par la formule de Rossiter f = n- " U , avec U : Vitesse d'écoulement du M+1/k L fluide, L : longueur de la cavité, n : nombre entier représentant le mode, k: constante empirique représentant le rapport entre la vitesse de propagation des tourbillons et la vitesse du fluide non perturbé (Rossiter a proposé k= 0.57), y' : constante empirique représente l'écart entre l'impact du tourbillon sur le bord de la cavité et l'émission de l'onde 220 acoustique (Rossiter a proposé y = 0.25), M: nombre de mach, équivalente à M = U /c, avec c, vitesse du son dans l'environnement courant. A noter que la vitesse du son (c), peut être calculée avec la formule : c , avec y coefficient de compressibilité (1.4 pour l'air), R, constante spécifique du gaz (287 J.kg-1.1(4 pour l'air) et T température environnante.However, in a number of cases, the Pitot tube may be subject to icing (due to flight altitude, atmospheric pressure, temperature and humidity of the aircraft environment, etc.). 'at air stop points at certain locations on the probe), which renders this sensor inoperative: Airbus has recognized as many as 36 incidents of possible Pitot probes being blocked by ice on aircraft A330 / A340, between November 12, 2003 and August 7, 2009. In this case, the aircraft can generally complete its flight in good conditions (pilots applying particular guidance in manual flying), but this malfunction can also lead to command control anomalies that can lead to the crash, as evidenced by some accidents, such as the flight 301 of the company Birgenair, or the recent accident of Paris - Rio (Air France AF447) among others. The present invention makes it possible to estimate the speed of a fluid (compressible or incompressible) in motion with respect to said invention, by means of vibration measurements, which are analyzed in real time. Therefore, this invention is not sensitive to the obstruction of a channel (caused by icing, for example, or any other obstacle), which gives it a certain reliability. Indeed, any cavity (2), subjected to the circulation of a fluid (See Fig. 1), undergoes an induced vibration, the characteristics of which depend on its flow velocity. Thus, it is possible to estimate the speed of displacement of the fluid with respect to the cavity in real time, by analyzing the vibration measurements made. Description of the invention, according to the particular embodiments: - A system is responsible for estimating the flow velocity of a fluid, by analyzing the characteristics of the vibrations induced by the movement of said fluid on the walls an open cavity (2) into which it enters; walls incorporating a vibration sensor (s) (4) connected to a computer (11) (See Fig. 1 and 4) - The cavity (2), located in the fluid, and whose walls incorporate a vibration sensor (s) (4), is located in an appendix (1), which can be installed inside a native cavity of the aircraft (at the fuselage, the wing, tail, drift, etc.), or on the outside of the aircraft, and installed at any location on the aircraft (fuselage, sails, empennage, drift, etc.) The cavity (2) inside the appendix (1) is considered to be any shape in any size (convex or concave solid, solid of revolution, polyhedron, etc.). the cavity (2) can benefit from a relative flexibility, so as to highlight the vibrations induced by the flow of the fluid. To do this, two properties of the walls can be adjusted: their thickness and the stiffness of the material of which they are made. The appendix (1), if it is external to the aircraft, can have a profiled shape (wing profile (Symmetrical or not) for example, etc.) to reduce its drag better. The appendix (1) can have a shape allowing it to fit between the aircraft 55 (10) and its original pitot tube (12). To do this, it has a mounting bracket allowing it to attach directly to the native installation location of a conventional pitot tube and thus take its place (b), while providing a mounting bracket for it can settle on the invention (c), and thus remain operational, close to its original place 60 The cavity (2) can be partially closed and not have an opening to the flow of the fluid over its entire length The cavity (2) may contain one (of) channel (s) discharge (3) (entry into the cavity, outlet into the flow) to allow any liquid that would have accumulated inside the cavity (2) to be able to be ejected more easily 65 A (s) vibration sensor (s) (4) (possibly redundant) is (are) incorporated (s) or rigidly fixed (s) to within the walls of the cavity (2), possibly in direct contact with the wall, in order to perform measurements on a - 3 - axis, two axes, or three axes, vibrations. A vibration sensor (s) (4) may be of the accelerometer type, of the type 70 gyroscope, of the pressure sensor type (through one of the channels (aux) towards the outside), or microphone type (example: condenser microphone) The appendix (1) can be fixed through vibration isolation (9), so as to be independent of any disturbing vibration coming from the place (10) where the appendix (1) is fixed. This isolation may be of the low-pass type, so as to allow the disturbing vibrations not to affect the vibrations of the air, of higher frequency. The appendix (1) may contain several vibration sensors (4). ) at different locations, possibly redundantly, so as to perform a differential treatment to eliminate disturbing vibrations of the support (10) on which 80 the appendix (1) is installed The installation of such (s) ) sensor (s) at the support (10) or at the part of the appendix (1) closest to the support (10) can be provided, in addition to the (s) sensor (s) analysis vibrations induced by the air. Thus, a subtraction of the spectral density of the vibrations induced (by the flow of the fluid), by the spectral density of the vibrations of the support (10) on which the appendix (1) is installed, will isolate the vibrations induced. - The appendix (1) and / or the cavity (2) (including its walls) may contain a temperature sensor (s) (6) (possibly redundant) loaded (s) to measure the temperature (s) of the appendix (1) and / or the cavity (2) (which can vary slightly due to solar radiation, atmospheric temperature, friction air, air temperature conduction, ...) The appendage (1) and / or the cavity (2) (including its walls) may contain a heating resistor (s) (s) (5) (possibly in redundancy) in order to regulate the temperature of the appendage (1) and / or the cavity (2) at a positive temperature (greater than 0 ° C) chosen by the user, to avoid any risk Frost formation - The structure of the appendix (1), may be hollow, in order to contain some or all of the elements necessary for its proper functioning, namely: the (s) sensor (s) of vibration ( 4), the temperature sensor (s) (6) / (7), the heating resistor (s) (5), the data processing computer (11), the wireless communication card, power card, card offering communication ports to the computer (11), connectors, etc. The appendix (1) may contain a fluid temperature sensor (s) (7) (possibly redundant), which may be in contact with the fluid via a channel. ) (8), which can lead to the wall of the cavity (2) (for example, part upstream of the flow) or any other place of the appendix (1), in order to determine the temperature of the surrounding fluid A computer (11) (containing storage memory), which can be connected to the electronic modules of the invention (vibration sensors (4), temperature sensors (6) / (7), resistors (5)) through communication ports (built into the computer, or offered by an independent board connected to the computer (11)), can be integrated into the appendix (1) The computer (11) is intended to perform all algorithm treatments that may be necessary to estimate the flow velocity of the fluid: interfacing with 115 the vibrator sensor (s) on (4) and temperature (7) to import their measurements, determination of the spectral density of induced vibrations (in position, velocity or acceleration) via a Fourier transform, determination of frequencies, vibration response (by identification of the power peaks of the different modes) of the spectral density, estimation of the flow velocity on the system, and finally application of the velocity calculation formula, as a function of the f, L speed of the sound Surrounding (c): (1. c.0 =, with Uo,: Speed k (c (n - y ') - f'L) of fluid flow, c: velocity of sound in the current environment, fi: oscillation frequencies of the cavity , L: length of the cavity, k: empirical constant representing the ratio between the velocity of the vortices and the velocity of the undisturbed fluid (Rossiter proposed k 0.57), n: integer representing the mode, y ': constant empirical represents the difference between the impact of the vortex on the edge of the cavity and the emission of the acoustic wave (Rossiter proposed y = 0.25). In the case where the computer (11) knows the temperature of the surrounding fluid, via a temperature sensor (7), or by an external system connected to the computer (11), the computer ( 11) can then calculate the flow velocity of the fluid on the cavity, using the following formula: yR, .T f ,, L fc ,, =, with y compressibility coefficient (1.4 for k (Vi - y ') (f'L) -5 air), R, specific gas constant (287 J.kg-I.K1 for air) and T surrounding temperature 135 The computer (11) can be designed to perform all algorithm treatments that may be necessary to regulate the temperature of the cavity (2), or even the appendix (1), above a certain temperature (positive or zero) indicated by the user: interfacing the sensor of temperature (6) for importing their temperature readings from appendix (1) and / or cavity (2), PID system temperature control algorithm (Proportional, Integrative, Derivative), optimal control, robust control, predictive control, pole placement, etc. to calculate the command to send to the heating resistor (5), interfacing with the heating resistor (s) (5) to control it The computer (11) can be connected to a system wireless communication system (Wifi, Bluetooth, Zigbee, RF, etc.), whether or not contained in the appendix (1), in order to communicate with another computer system (the avionics of an aircraft for example), the on-board display, etc. without wire connection 150 The computer (11) can compare the measurements of the redundant electronic modules: temperature (6) / (7) and vibration (4) sensors, to determine which modules are no longer operational. 11) can execute an algorithm that analyzes the correlation of temperature evolutions between the temperature sensor (s) (6) and the temperature sensor (s) (7) to detect a possible obstruction of the channel (8) The computer (11) may be able to measure the intensity of the current flowing through each heating resistor, through modules / ports dedicated for this purpose, so as to detect a faulty resistor. supply (module or electronic card 160 of power supply for example), contained in appendix (1) or not, intended to supply voltage and appropriate currents to the computer (11), the sensors (4) 1 (6) 1 (7), the heating resistors (5), the offending card the computer communication ports (11), the wireless communication system, etc. The computer (11) can be connected to connectors, integrated / fixed or not attached to the appendix (1), for the power supply (the computer (11), the sensors (4) / (6) / (7), the heating resistors (5), the card providing communication ports to the computer (11), the wireless communication system, etc.), and intended to be connected to the communication ports of the the computer (11) for data exchange with a wireless communication system, the avionics for which the estimation of the flow velocity is intended, and / or an aerodynamic speed indicator comprising a display and a few interfaces button (or a touch screen) The computer (11) implements communication protocols, via its (their) port (s) of communication, in order to receive the important data for its good functioning (configuration ( temperature of regulation of appendix (1) and / or cavity (2), etc.), flight data may be necessary (ambient air temperature, angle of attack, etc.), etc., as well as for sending important data (estimation of flow velocity, failure of a sensor, failure of a heating resistor, channel obstruction, etc.) The invention may include a plurality of redundant computers (11), a plurality of redundant power supply cards, and a plurality of redundant communication port cards, such that A valid element fulfills its mission, if a similar element in redundancy fails. The accompanying drawings illustrate the invention: FIG. 1 represents a schematization of the behavior of a fluid, flowing, penetrating into a cavity (2) FIG. 2 represents the spectral density of the vibrations of a wall of the cavity (2), having been induced by the flow of a fluid in the latter (2). FIG. 3 represents the spectral density of the vibrations of a wall of the cavit (2), having been induced by the flow of a fluid in the latter (2), for different flow velocities of the fluid - Figure 4 shows a possible embodiment of the invention, the aerodynamic appendix (1) , with its cavity (2), its channels (3) / (8), its sensors (4) 1 (6) 1 (7), 195 its heating resistors (5), and the interfaces with its computer (11) The FIG. 5 represents a possible installation of the appendix (1) on a location of an aircraft (10) through vibration isolation (9). FIG. 6 shows a way in which the cavity can be partially open / closed. 7 represents a diagram of the connections between each type of electronic module of the invention. FIG. 8 represents the invention, allowing its insertion between the aircraft (10) and its original pitot tube (12). FIG. 9 represents a possible embodiment of the invention, the aerodynamic appendage 205 (1) being no longer outside the aircraft (10), but installed inside, in a cavity of the Aircraft (13) native or created for the circumstance With reference to these drawings, the invention relates to a system responsible for estimating the flow velocity of a fluid, by analyzing the characteristics of the vibrations induced by the movement. said fluid on the walls of an open cavity (2) into which it enters (Fig. 1); walls incorporating a vibration sensor (s) (4) connected to a computer (11) (Fig. 4). The operating principle of this invention is as follows: When a cavity is subjected to the flow of a fluid (Fig. 1), its walls begin to vibrate at frequencies 215 described by the Rossiter formula f = n- "U, with U: Flow velocity of M + 1 / k L fluid, L: cavity length, n: integer representing the mode, k: empirical constant representing the ratio between the speed of propagation of vortices and the speed of the undisturbed fluid (Rossiter proposed k = 0.57), y ': empirical constant represents the difference between the impact of the vortex on the edge of the cavity and the emission of the acoustic wave 220 (Rossiter a proposed y = 0.25), M: number of mach, equivalent to M = U / c, with c, speed of sound in the current environment Note that the speed of sound (c), can be calculated with the formula: c, with y compressibility coefficient (1.4 for air), R, specific gas constant (287 J.kg-1.1 (4 for air) and T tem surrounding temperature.
225 Lorsque l'on calcule la densité spectrale de ces vibrations (Fig. 2), ces fréquences (4) sont matérialisées par des pics de densité, on peut ainsi aisément les déterminer. Ce phénomène est présenté dans une figure (Fig. 3), exposant cette densité pour différentes valeurs de vitesse d'écoulement. De ce fait, pour estimer la vitesse d'un fluide en mouvement dans lequel se situe la cavité 230 (2), l'ordinateur (11) réalise les étapes suivantes : - Réalisation d'un enregistrement et d'un stockage des mesures de vibrations, - Réalisation d'un prétraitement de données (lissage, filtrage, etc.), - Calcul de la densité spectrale de puissance des vibrations induites par l'air (en termes de position, vitesse ou accélération), 235 Détermination des fréquences fn de pics des densités de vibration Calcul de la vitesse, en fonction de la vitesse du son, par l'intermédiaire de la c. f,,L formule : 1/0° = k(c(n - fiL) Dans le cas, où la température de l'air environnant est disponible, par l'intermédiaire d'un capteur de température (7), ou par un système externe 240 connecte à l'ordinateur (11), il est possible d'appliquer la formule suivante pour Vy.RS.T f'L avoir la vitesse d'écoulement du fluide : U = , k(\ly.Rs.T (n - y') - f'L) L'invention se caractérise par un appendice (1), dans lequel est présente une cavité (2) ouverte dont les parois incorporent un(des) capteur(s) de vibrations (4) (Fig. 4). Cet appendice (1) peut être installé à l'intérieur d'une cavité native de l'aéronef (au niveau 245 du fuselage, de la voilure, de l'empennage, de la dérive, etc.) (Fig. 9), ou à l'extérieur de l'aéronef, et installé à n'importe quel emplacement de ce dernier (fuselage, de la voilure, de l'empennage, de la dérive, etc.) (Fig. 5). Si elle est extérieure à l'aéronef, l'appendice (1) peut avoir une forme profilée (profile d'aile (symétrique ou non) par exemple, etc.) pour réduire au mieux sa traînée (Fig. 4 et 5).225 When calculating the spectral density of these vibrations (Fig. 2), these frequencies (4) are materialized by density peaks, which can be easily determined. This phenomenon is presented in a figure (Fig. 3), exposing this density for different flow velocity values. Therefore, to estimate the speed of a moving fluid in which the cavity 230 (2) is located, the computer (11) performs the following steps: - Realization of a recording and storage of the measurements of vibration, - Realization of a data pre-processing (smoothing, filtering, etc.), - Calculation of the spectral power density of the vibrations induced by the air (in terms of position, speed or acceleration), 235 Determination of the frequencies fn of peaks of vibration densities Calculation of velocity, as a function of sound velocity, through c. f ,, L formula: 1/0 ° = k (c (n - fiL) In the case where the surrounding air temperature is available, via a temperature sensor (7), or by an external system 240 connects to the computer (11), it is possible to apply the following formula for Vy.RS.T f'L have the flow velocity of the fluid: U =, k (\ ly.Rs. T (n - y ') - f'L) The invention is characterized by an appendix (1), in which is present an open cavity (2) whose walls incorporate a vibration sensor (s) (4). This appendix (1) can be installed inside a native cavity of the aircraft (at the level 245 of the fuselage, the wing, the empennage, the drift, etc.). ) (Fig. 9), or outside the aircraft, and installed anywhere on the aircraft (fuselage, canopy, empennage, drift, etc.) (Fig. If it is external to the aircraft, the appendix (1) may have a profiled shape (wing profile (symmetrical or no) for example, etc.) to minimize drag (Fig. 4 and 5).
250 L'appendice (1) peut avoir une forme lui permettant de s'insérer entre l'aéronef (10) et son tube Pitot (12) original (Voir Fig. 8). Pour ce faire, il dispose d'un support de fixation lui permettant de se fixer directement sur l'emplacement d'installation natif d'un tube Pitot classique et ainsi prendre sa place (b), tout en lui offrant un support de fixation pour qu'il puisse s'installer sur l'invention (c), et ainsi rester opérationnel, à forte proximité de sa 255 place originelle. L'appendice (1) peut être fixé à travers une isolation vibratoire (9) (Fig. 5), de manière à être indépendant de toute vibration perturbatrice provenant de l'endroit (10) où l'appendice (1) est fixé. Cette isolation peut être de type passe-bas, de manière à permettre aux vibrations perturbatrices de ne pas influer sur les vibrations induites par l'air, de plus haute 260 fréquence. La structure de l'appendice (1), peut être creuse, afin de pouvoir contenir une partie ou la totalité des éléments nécessaires a son bon fonctionnement. Sa fabrication, ainsi que celle de la cavité (2) peut avoir été réalisée en un bloc usiné, ou en plusieurs pièces ; ils peuvent être constitués de différents types de matériaux, métallique, ou non.250 Appendix (1) may be shaped to fit between the aircraft (10) and its original pitot tube (12) (see Fig. 8). To do this, it has a mounting bracket allowing it to attach directly to the native installation location of a conventional pitot tube and thus take its place (b), while providing a mounting bracket for that it can settle on the invention (c), and thus remain operational, close to its original place. The appendix (1) can be fixed through vibratory insulation (9) (Fig. 5), so as to be independent of any disturbing vibration from the place (10) where the appendix (1) is attached. This insulation may be of the low-pass type, so as to allow the disturbing vibrations not to influence the vibrations induced by the air, of higher frequency. The structure of the appendix (1), may be hollow, in order to contain some or all of the elements necessary for its proper functioning. Its manufacture, as well as that of the cavity (2) may have been made in a machined block, or in several pieces; they can be made of different types of materials, metallic, or not.
265 La cavité (2) à l'intérieur de l'appendice (1) est considéré comme une forme en 3 dimensions quelconque (Solide convexe ou concave, solide de révolution, polyèdre, etc.) ; -9 elle peut être partiellement fermée et ne pas disposer d'une ouverture vers l'écoulement du fluide sur la totalité de sa longueur (Fig. 6). Elle peut contenir un(des) canal(aux) d'évacuation (3) afin de permettre à tout liquide qui se serait accumulé à l'intérieur de la 270 cavité (2) de pouvoir être éjecté plus facilement. Ses parois peuvent bénéficier d'une relative souplesse, de manière à mettre en évidence les vibrations induites par l'écoulement du fluide. Pour ce faire, deux propriétés des parois peuvent être ajustées : leur épaisseur et la raideur du matériau dont elles sont constituées. Un(des) capteur(s) de vibrations (4) (éventuellement en redondance) est(sont) incorporé(s) 275 ou rigidement fixé(s) au sein des parois de la cavité (2) (Fig.4), éventuellement en contact direct de la paroi, afin de réaliser des mesures sur un axe, deux axes, ou trois axes, de vibrations. Il(s) peu(ven)t être de type accéléromètre, de type gyroscope, de type capteur de pression (à travers un(des) canal(aux) vers l'extérieur), ou de type microphone (exemple : Microphone à condensateur).265 The cavity (2) inside the appendix (1) is considered to be any 3-dimensional shape (convex or concave solid, solid of revolution, polyhedron, etc.); It can be partially closed and not have an opening towards the flow of fluid over its entire length (Fig. 6). It may contain a drain channel (s) (3) to allow any liquid that would have accumulated inside the cavity (2) to be ejected more easily. Its walls can benefit from a relative flexibility, so as to highlight the vibrations induced by the flow of the fluid. To do this, two properties of the walls can be adjusted: their thickness and the stiffness of the material of which they are made. A vibration sensor (s) (4) (possibly redundant) is (are) incorporated (s) 275 or rigidly fixed (s) within the walls of the cavity (2) (Fig.4), optionally in direct contact with the wall, in order to make measurements on one axis, two axes, or three axes, of vibrations. They may be of the accelerometer, gyroscope type, pressure sensor type (through one (of) channel (aux) to the outside), or microphone type (example: condenser microphone). ).
280 Ces capteurs de vibrations (4) à différents endroits, éventuellement en redondance, peuvent permettre de réaliser un traitement différentiel visant à éliminer les vibrations perturbatrices du support (10) sur lequel l'appendice (1) est installé (Fig.4). L'installation d'un(de) tel(s) capteur(s) au niveau du support (10) ou au niveau de la partie de l'appendice (1) la plus proche du support (10) peut être prévu, en plus du(es) capteur(s) 285 d'analyse des vibrations induites par l'air. Ainsi, une soustraction de la densité spectrale des vibrations induites (par l'écoulement du fluide), par la densité spectrale des vibrations du support (10) sur lequel l'appendice (1) est installé, permettra d'isoler les vibrations induites. Un(des) capteur(s) de température (6) (éventuellement en redondance) et une(des) 290 résistance(s) chauffante(s) (5) (éventuellement en redondance) peu(ven)t être intégré(s) à l'appendice (1) ou à la cavité (2) pour mesurer la(es) température(s) de l'appendice (1) et/ou de la cavité (2) (qui peu(ven)t varier à cause du rayonnement solaire, de la température de l'atmosphère, de la friction de l'air, de la conduction de température avion, ...), et réguler la température de l'appendice (1) et/ou de la cavité (2) à une température 295 positive (supérieure à 0 degré Celsius) choisie par l'utilisateur, pour éviter tout risque de formation de givre (Fig.4 et 9). L'appendice (1) peut contenir un(des) capteur(s) de température du fluide (7) (éventuellement en redondance), pouvant être en contact avec le fluide par l'intermédiaire d'un (de) canal(aux) (8), pouvant déboucher sur la paroi de la cavité (2) (par exemple, 300 partie en amont de l'écoulement) ou tout autre endroit de l'appendice (1), afin de - 10 déterminer la température du fluide environnant : Ceci lui permettra de calculer de manière autonome, la valeur de la vitesse du son dans l'environnement ambiant, élément nécessaire pour le calcul de la vitesse du fluide. L'invention peut contenir un système d'alimentation (carte électronique d'alimentation par 305 exemple), contenu dans l'appendice (1) ou non, destiné à fournir en tension et courants adaptés l'ordinateur (11), les capteurs (4)/(6)/(7), les résistances chauffantes (5), la carte offrant des ports de communication à l'ordinateur (11), le système de communication sans fil, etc. (Fig.7). Les modules électroniques de l'invention (capteurs de vibrations (4), capteurs de 310 température (6)/(7), résistances (5)) peuvent être reliés à un ordinateur (11) (à microprocesseur(s) et/ou microcontrôleur(s), contenant de la mémoire de stockage), à travers des ports de communication (intégrés à l'ordinateur, ou offerts par une carte indépendante reliée à l'ordinateur (11)), peut être intégré au sein de l'appendice (1) (Fig.4). Il peut être destiné à réaliser tous les traitements de l'algorithme pouvant être nécessaires 315 pour calculer la vitesse d'écoulement du fluide et/ou réguler la température de la cavité (2) voire de l'appendice (1), au dessus d'une certaine température (positive ou nulle) renseignée par l'utilisateur. Pour réguler la température, une méthode peut consister à réaliser les tâches suivantes : interfaçage du capteur de température (6) pour importer leurs mesures de température de l'appendice (1) et/ou de la cavité (2), algorithme de 320 régulation de la température du système de type PID (Proportionnel, Intégratif, Dérivatif), commande optimale, commande robuste, commande prédictive, placement de pôles, etc. pour calculer la commande à envoyer à la résistance chauffante(s) (5), interfaçage avec la(es) résistance(s) chauffante(s) (5) pour la contrôler. Pour des raisons de fiabilité, l'invention peut inclure plusieurs ordinateurs (11) en 325 redondance, plusieurs cartes d'alimentation en redondance, et plusieurs cartes de ports de communication en redondance, de manière à ce qu'un élément valide remplisse sa mission, si un élément similaire en redondance tombait en panne. De plus, les opérations suivantes peuvent être opérées : L'ordinateur (11) peut comparer les mesures des modules électroniques en 330 redondance : capteurs de températures (6)/(7) et de vibrations (4), pour déterminer les modules n'étant plus opérationnels. L'ordinateur (11) peut être capable de mesurer l'intensité du courant traversant chaque résistance chauffante de manière à détecter une résistance défaillante L'ordinateur (11) peut exécuter un algorithme qui analyse la corrélation des -11- 335 évolutions de températures entre le(s) capteur(s) de température (6) et le(s) capteur(s) de température (7) pour détecter une éventuelle obstruction du canal (8) Une fusion des estimations de vitesses aérodynamiques issues du tube Pitot classique (mesure des pressions statiques et totales) et des mesures des vibrations (méthodes impliquant l'analyse de la densité spectrale) peut améliorer les 340 performances du système en termes de précision et robustesse. L'ordinateur (11) peut être relié à des connecteurs, intégrés/fixés ou non sur l'appendice (1), destinés à l'alimentation (l'ordinateur (11), les capteurs (4)1(6)1(7), les résistances chauffantes (5), la carte offrant des ports de communication à l'ordinateur (11), le système de communication sans fil, etc.), et destinés à être reliés aux ports de communication de 345 l'ordinateur (11) pour échanges de données avec un système de communication sans fil, un l'avionique pour lequel l'estimation de la vitesse d'écoulement est destiné, et/ou un indicateur de vitesse aérodynamique comprenant un affichage et quelques interfaces bouton (ou un écran tactile). Il peut également être relié à un système de communication sans fil (Wifi, Bluetooth, Zigbee, RF, etc.) (Fig.7), contenu ou non dans l'appendice (1), 350 afin de communiquer avec un autre système informatique (l'avionique de bord d'un aéronef par exemple), l'afficheur de bord, etc. sans liaison filaire. L'ordinateur (11) met en oeuvre des protocoles de communication avec le système avionique pour lequel l'estimation de la vitesse d'écoulement est destiné, par l'intermédiaire de son(es) port(s) de communication, afin de réceptionner les données 355 importantes pour son bon fonctionnement (configuration (température de régulation de l'appendice (1) et/ou de la cavité (2), etc.), données de vol nécessaires (température de l'air ambiante, angle d'attaque, etc.), etc.), ainsi que pour l'envoi des données importantes (estimation de la vitesse d'écoulement, panne d'un capteur, panne d'une résistance chauffante, obstruction d'un canal, etc.).280 These vibration sensors (4) at different locations, possibly redundant, can provide a differential treatment to eliminate the disturbing vibrations of the support (10) on which the appendix (1) is installed (Fig.4). The installation of such a sensor (s) at the support (10) or at the part of the appendix (1) closest to the support (10) can be provided, in more than 285 sensor (s) for analyzing vibrations induced by the air. Thus, a subtraction of the spectral density of the vibrations induced (by the flow of the fluid), by the spectral density of the vibrations of the support (10) on which the appendix (1) is installed, will isolate the induced vibrations. Temperature sensor (s) (6) (possibly redundant) and heating resistor (s) (5) (possibly redundant) can be integrated (s) in appendix (1) or in cavity (2) to measure the temperature (s) of appendage (1) and / or cavity (2) (which may vary due to solar radiation, atmospheric temperature, air friction, air temperature conduction, ...), and regulate the temperature of the appendage (1) and / or the cavity ( 2) at a temperature 295 positive (greater than 0 degrees Celsius) chosen by the user, to avoid any risk of frost formation (Fig.4 and 9). The appendix (1) may contain a fluid temperature sensor (s) (7) (possibly redundant), which may be in contact with the fluid via a (of) channel (s). (8), which can lead to the wall of the cavity (2) (for example, 300 upstream of the flow) or any other location of the appendix (1), in order to determine the temperature of the surrounding fluid This will allow him to autonomously calculate the value of the speed of sound in the ambient environment, which is necessary for the calculation of the fluid velocity. The invention may contain a power supply system (electronic supply card for example), contained in the appendix (1) or not, intended to supply in voltage and adapted currents the computer (11), the sensors ( 4) / (6) / (7), the heating resistors (5), the card providing communication ports to the computer (11), the wireless communication system, etc. (Fig.7). The electronic modules of the invention (vibration sensors (4), temperature sensors (6) / (7), resistors (5)) can be connected to a computer (11) (microprocessor (s) and / or microcontroller (s), containing storage memory), through communication ports (integrated to the computer, or offered by an independent card connected to the computer (11)), can be integrated within the appendix (1) (Fig.4). It may be intended to carry out any processing of the algorithm that may be necessary 315 to calculate the flow velocity of the fluid and / or regulate the temperature of the cavity (2) or even the appendix (1), above a certain temperature (positive or zero) indicated by the user. To regulate the temperature, one method may consist in performing the following tasks: interfacing the temperature sensor (6) to import their temperature measurements of the appendix (1) and / or the cavity (2), control algorithm 320 PID system temperature (Proportional, Integrative, Derivative), optimal control, robust control, predictive control, pole placement, etc. to calculate the command to send to the heating resistor (5), interfacing with the heating resistor (s) (5) to control it. For reasons of reliability, the invention may include several computers (11) in redundancy 325, several redundancy supply cards, and several redundant communication port cards, so that a valid element fulfills its mission , if a similar element in redundancy failed. In addition, the following operations can be performed: The computer (11) can compare the measurements of the electronic modules 330 redundancy temperature sensors (6) / (7) and vibration (4), to determine the modules n ' being more operational. The computer (11) may be able to measure the intensity of the current flowing through each heating resistor so as to detect a faulty resistor. The computer (11) may execute an algorithm that analyzes the correlation of the temperature changes between the temperature sensor (s) (6) and the temperature sensor (s) (7) to detect possible channel obstruction (8) A merge of the aerodynamic velocity estimates from the conventional Pitot tube ( measuring static and total pressures) and vibration measurements (methods involving spectral density analysis) can improve system performance in terms of accuracy and robustness. The computer (11) can be connected to connectors, integrated / fixed or not attached to the appendix (1), for the power supply (the computer (11), the sensors (4) 1 (6) 1 ( 7), the heating resistors (5), the card providing communication ports to the computer (11), the wireless communication system, etc.), and intended to be connected to the communications ports of the computer (11) for data exchange with a wireless communication system, an avionics for which the flow rate estimation is intended, and / or an aerodynamic speed indicator comprising a display and a few button interfaces (or a touch screen). It can also be connected to a wireless communication system (Wifi, Bluetooth, Zigbee, RF, etc.) (Fig.7), whether or not contained in the appendix (1), 350 in order to communicate with another computer system (avionics on board an aircraft for example), the on-board display, etc. without wire connection. The computer (11) implements communication protocols with the avionic system for which the estimation of the flow velocity is intended, via its communication port (s), to receive the data 355 important for its proper functioning (configuration (control temperature of the appendix (1) and / or of the cavity (2), etc.), necessary flight data (ambient air temperature, angle of etc.), as well as for sending important data (estimation of flow velocity, failure of a sensor, failure of a heating resistor, obstruction of a channel, etc.) .
360 La cavité (2) peut subir une variation de la direction a de l'écoulement (angle d'attaque), et l'ordinateur (11) peut avoir connaissance de cet angle d'attaque (a), par l'intermédiaire d'autres capteurs (sonde alphaibeta ou autre) ou d'un système avionique externe. Dans ce cas, l'influence de l'angle d'attaque (a) sur les fréquences f, de réponse en vibrations aura été préalablement déterminée en soufflerie, et l'algorithme d'estimation de la vitesse 365 aérodynamique réalisera une correction, fonction de l'angle d'attaque (a) connu par l'ordinateur (11). L'installation verticale (fond de la paroi normal à l'axe y de l'aéronef (aile droite dans le cas d'un aéronef à voilure fixe)), peut permettre de réduire l'influence de l'angle d'attaque sur les fréquencesf, surtout si la cavité (2) a une forme cylindrique. - 12 - 370 Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à l'estimation de la vitesse aérodynamique des aéronefs civils et militaires.360 The cavity (2) can undergo a variation of the direction a of the flow (angle of attack), and the computer (11) can be aware of this angle of attack (a), via other sensors (alphaibeta or other probe) or an external avionics system. In this case, the influence of the angle of attack (a) on the vibration response frequencies f, has previously been determined in the wind tunnel, and the algorithm for estimating the aerodynamic speed 365 will perform a correction, function the angle of attack (a) experienced by the computer (11). The vertical installation (bottom of the normal wall to the y axis of the aircraft (right wing in the case of a fixed-wing aircraft)), may reduce the influence of the angle of attack on the aircraft. the frequenciesf, especially if the cavity (2) has a cylindrical shape. The device according to the invention is particularly intended for estimating the aerodynamic speed of civil and military aircraft.