FR3044413A1 - FIBER OPTIC MEASURING PROBE - Google Patents
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Abstract
Est concernée une sonde (1) de mesure comportant une pluralité de conduits internes (C1..) s'étendant dans un corps (3), une pluralité de moyens (5) d'acquisition de mesures disposés dans lesdits conduits internes, près de l'extrémité, et comprenant des transducteurs de pression et une pluralité de capteurs de pression adjacents aux transducteurs de pression. Les transducteurs de pression comprennent des fibres optiques (9).A measuring probe (1) having a plurality of internal ducts (C1 ..) extending in a body (3), a plurality of measurement acquisition means (5) disposed in said internal ducts, is provided. the end, and comprising pressure transducers and a plurality of pressure sensors adjacent to the pressure transducers. The pressure transducers comprise optical fibers (9).
Description
Sonde de mesure à fibres optiquesFiber optic measurement probe
La présente invention concerne le domaine des sondes de mesure.The present invention relates to the field of measurement probes.
Sont en particulier concernées des mesures de pression(s), notamment pour des mesures de vitesse(s) d’écoulement de gaz, sur une turbomachine, en particulier dans un aéronef.In particular, pressure measurements are considered, in particular for gas flow velocity measurements, on a turbomachine, in particular in an aircraft.
La mesure de vitesse d’écoulement des gaz est une tâche délicate. Lorsque cette mesure doit être réalisée en environnements dits « sévères » (hautes températures, vitesses des gaz élevées, écoulement pollué/chargé de particules, fortes pressions...) tels ceux rencontrés dans les écoulements propres aux turbomachines, cette tâche peut devenir très compliquée.The measurement of gas flow velocity is a delicate task. When this measurement has to be carried out in so-called "severe" environments (high temperatures, high gas velocities, polluted / particle-laden flow, high pressures, etc.) such as those encountered in turbomachine-specific flows, this task can become very complicated. .
Plus généralement, les mesures de pression par sondes posent problèmes. Ainsi, sur les mesureurs de type Pitot, qui mesurent en un point la pression totale (Pt) et la pression statique (Ps) afin de déterminer la composante dynamique de la pression, directement liée au nombre de Mach de l’écoulement, la mesure de pression est effectuée en déporté au travers de capillaires cheminant dans le tube de Pitot, connectés à un manomètre ou un transducteur. Les tubes de Pitot conventionnels doivent être parfaitement alignés avec l’écoulement pour pouvoir mesurer la pression totale, ce qui constitue une contrainte dans des écoulements où la direction du vecteur vitesse peut changer. Pour contourner ce problème, des mesureurs de type multi-trous (multi-conduits) sont utilisés. Ces mesureurs, plus encombrants que les tubes de Pitot conventionnels, mesurent la pression en plusieurs points (typiquement au moins trois) d’un profil de sonde donné. Plusieurs formes de profil peuvent être utilisées en fonction des conditions d’exploitation de la sonde. Ces mesures sont ensuite converties en nombre de Mach et en angle d’incidence vis-à-vis de la tête de sonde par le biais de tables de calibrations préétablies. La mesure de pression sur les sondes multi-trous (multi-conduits) conventionnelles est réalisée de la même façon que sur les tubes de Pitot, par le biais de capillaires connectés à des transducteurs. L’inconvénient des mesureurs par tubes Pitot, qu’ils soient conventionnels ou à sondes multi-trous, est que la mesure de pression effective se fait de manière déportée ce qui engendre une résolution fréquentielle très faible, de l’ordre typiquement de quelques Hz tout au plus. Pour contourner cette contrainte, des sondes à transducteurs miniatures (par exemple de type Kulite™ ; sondes dites à « réponse rapide ») à l’intérieur même du corps de sonde multi-trous sont utilisés. C’est dans ce contexte que l’invention propose une solution de sonde de mesure compacte et fiable qui permette d’effectuer des mesures dans un dit environnement sévère.More generally, probe pressure measurements are problematic. Thus, on Pitot-type meters, which measure at a point the total pressure (Pt) and the static pressure (Ps) in order to determine the dynamic component of the pressure, directly related to the Mach number of the flow, the measurement pressure is carried out by means of capillaries running in the Pitot tube, connected to a manometer or a transducer. Conventional Pitot tubes must be perfectly aligned with the flow to be able to measure the total pressure, which is a constraint in flows where the direction of the velocity vector can change. To work around this problem, multi-hole (multi-duct) type meters are used. These meters, more cumbersome than conventional pitot tubes, measure the pressure at several points (typically at least three) of a given probe profile. Several profile shapes can be used depending on the operating conditions of the probe. These measurements are then converted to Mach number and angle of incidence vis-à-vis the probe head through pre-established calibration tables. The pressure measurement on conventional multi-hole (multi-pipe) probes is performed in the same way as on Pitot tubes, via capillaries connected to transducers. The disadvantage of pitot tube meters, whether conventional or with multi-hole probes, is that the actual pressure measurement is done remotely, which generates a very low frequency resolution, typically of a few Hz at most. To circumvent this constraint, probes with miniature transducers (for example of the Kulite ™ type, so-called "fast response" probes) inside the multi-hole probe body are used. It is in this context that the invention proposes a compact and reliable measurement probe solution that makes it possible to carry out measurements in a so-called severe environment.
Des potentialités d’utilisation pour une mesure de vitesse d’écoulement de gaz à haute fréquence (supérieure à 10kHz), et/ou dans en environnement sévère de type turbomachine : hautes température (>400°C), milieu chargé en particules, sont favorablement visées. A ce sujet, un inconvénient majeur dans l’utilisation des capteurs de pression haute fréquence existants est qu’ils ne résistent qu’à des températures modérées de l’ordre de quelques centaines de degrés (<250°C), pénalisant le caractère robuste associé aux sondes multi-trous conventionnelles.Potentialities of use for a measurement of speed of flow of gas at high frequency (higher than 10kHz), and / or in severe turbomachine environment: high temperature (> 400 ° C), medium loaded with particles, are favorably targeted. In this regard, a major disadvantage in the use of existing high frequency pressure sensors is that they only withstand moderate temperatures of the order of a few hundred degrees (<250 ° C), penalizing the robust character associated with conventional multi-hole probes.
Ainsi, sur la base d’une sonde de mesure connue comportant : un corps pourvu d’une extrémité de prise de mesure, une pluralité de conduits internes s’étendant dans le corps jusque vers ladite extrémité, une pluralité de moyens d’acquisition de mesures disposés dans lesdits conduits internes, près de l’extrémité, et comprenant : - des transducteurs de pression, - une pluralité de capteurs de pression adjacents aux transducteurs de pression, il est proposé que les transducteurs de pression comprennent des fibres optiques.Thus, on the basis of a known measuring probe comprising: a body provided with a measurement taking end, a plurality of internal conduits extending in the body up to said end, a plurality of acquisition means of measurements disposed in said inner ducts, near the end, and comprising: - pressure transducers, - a plurality of pressure sensors adjacent to the pressure transducers, it is proposed that the pressure transducers comprise optical fibers.
Une telle sonde est attendue comme plus robuste et moins encombrante qu’une sonde à transducteur piézoélectrique. Son mode opératoire doit permettre de mesurer avec une résolution fréquentielle élevée et/ou à des températures plus élevées dans des corps de sondes de diamètre plus faible, ou pour un même diamètre (ou section) de corps de sonde, plus de capteurs peuvent être intégrés, soit un cône de mesure plus important.Such a probe is expected to be more robust and less cumbersome than a piezoelectric transducer probe. Its mode of operation must be able to measure with a high frequency resolution and / or at higher temperatures in bodies of smaller diameter probes, or for the same diameter (or section) of probe body, more sensors can be integrated , or a larger measuring cone.
Structurellement, il est recommandé que, sur les sondes, les transducteurs de pression et les capteurs de pression définissent ensemble des interféromètres optiques.Structurally, it is recommended that, on probes, pressure transducers and pressure sensors together define optical interferometers.
Ceci doit être favorable à la mesure de très faibles déformations (quelques nm) de la membrane du capteur de pression concerné, dues à la pression ambiante, ceci d’autant plus si on utilise une membrane réfléchissante ou semi-réfléchissante séparée de (l’âme de) la fibre optique du transducteur par un milieu d’un indice optique donné (de l’air en général) comme présenté ci-après aux figures 10-13, ces dispositifs constituant des interféromètres de type Fabry-Pérot.This must be favorable for the measurement of very small deformations (a few nm) of the membrane of the pressure sensor in question, due to the ambient pressure, all the more so if a reflective or semi-reflecting membrane separated from (1 ') is used. core of) the optical fiber transducer by a medium of a given optical index (air in general) as shown below in Figures 10-13, these devices constituting interferometers Fabry-Perot type.
Dans le cadre des sondes multi-trous (multi-conduits) précitées, il est conseillé que l’extrémité de prise de mesure du corps de sonde soit effilée et comporte au moins trois conduits internes coplanaires pour des mesures dans le plan, et cinq conduits non coplanaires pour des mesures en trois dimensions.In the context of multi-hole probes mentioned above, it is recommended that the measurement end of the probe body is tapered and has at least three internal coplanar ducts for measurements in the plane, and five ducts. non-coplanar for three-dimensional measurements.
Sur ce point, on notera que les transducteurs optiques peuvent être réalisés à l’aide de fibres optiques de 0.125mm voir 0.065mm de diamètre. On peut ainsi loger dans une sonde multi-trous optique au minimum deux fois plus de transducteurs que dans une sonde standard et cinq, voire dix fois plus que dans une sonde rapide.On this point, it should be noted that the optical transducers can be made using optical fibers of 0.125 mm or 0.065 mm in diameter. It is thus possible to house in an optical multi-hole probe at least twice as many transducers as in a standard probe and five or even ten times more than in a fast probe.
Par ailleurs, pour préserver les fibres mécaniquement et dans la qualité de leurs transmissions d’informations et éviter d’engendrer des pertes trop importantes dans le signal qui y transite, les corps de ces fibres et certains au moins des conduits internes ainsi que des fibres optiques qui y sont contenues pourront être incurvés, mais avec un ou plusieurs rayons de courbure, toujours supérieurs à 400 fois le rayon de gaine.Moreover, to preserve the fibers mechanically and in the quality of their information transmissions and avoid generating excessive losses in the signal that passes through them, the bodies of these fibers and at least some of the internal ducts and fibers The optics contained therein may be curved, but with one or more radii of curvature, always greater than 400 times the cladding radius.
Et pour limiter l’encombrement de la sonde et le déport du point de mesure par rapport à l’axe général de la sonde, on pourra utiliser une sonde « cobra » respectant le rayon de courbure minimum R, mais limitant la longueur L du bec de sonde, le corps et certains au moins des conduits internes et des fibres optiques contenues étant alors incurvés, avec deux inflexions successives contraires donnant une forme générale en S.And to limit the size of the probe and the offset of the measuring point relative to the general axis of the probe, we can use a "cobra" probe respecting the minimum radius of curvature R, but limiting the length L of the nozzle probe, the body and at least some of the inner ducts and contained optical fibers being then curved, with two successive opposite inflections giving a general shape S.
Une autre solution peut être employée afin de limiter les contraintes dues à l’intégration de fibres optiques et leur faible rayon de courbure admissible. Les capteurs peuvent en effet être situés dans la partie rectiligne du corps de sonde, en retrait, et connectés à l’extérieur par les conduits, qui sont débouchant. Cette solution grève très légèrement la résolution fréquentielle atteignable avec la sonde, mais a l’avantage de limiter de manière significative l’encombrement.Another solution can be used to limit the stresses due to the integration of optical fibers and their small permissible radius of curvature. The sensors can indeed be located in the rectilinear portion of the probe body, set back, and connected to the outside by the ducts, which are opening. This solution strikes very slightly the frequency resolution achievable with the probe, but has the advantage of significantly limiting congestion.
Ainsi prévoit-on dans ce cas que le corps et certains au moins des conduits internes présentent au moins un coude ayant un rayon R de courbure inférieur à 400 fois le rayon de gaine, et que les fibres optiques contenues dans ces conduits internes s’interrompent avant le coude.Thus, it is provided in this case that the body and at least some of the inner ducts have at least one elbow having a radius R of curvature less than 400 times the cladding radius, and that the optical fibers contained in these internal ducts are interrupted. before the elbow.
Une alternative envisage aussi que certains au moins desdits conduits internes suivent des tracés torsadé, qui peuvent être hélicoïdaux.An alternative also envisages that at least some of said inner conduits follow twisted patterns, which may be helical.
Ceci doit permettre des acquisitions de données multipoints précises, rapides et distinctement réparties avec une bonne résolution spatiale, permettant si nécessaire d'effectuer plusieurs acquisitions sur plusieurs hauteurs avec un même dispositif si les prises de mesures sont échelonnées spatialement.This must enable precise, fast and distinctly distributed multipoint data acquisitions with good spatial resolution, making it possible, if necessary, to make several acquisitions on several heights with the same device if the measurements are spatially scaled.
En termes de mode de réalisation, plusieurs montages peuvent être utilisés.In terms of embodiment, several mounts can be used.
Parmi ceux-ci les suivants sont en particulier évoqués : - une réalisation dans laquelle certaines au moins des fibres optiques présentent une constitution comprenant deux tronçons d’une même fibre optique, dont un tronçon court disposé au bout de l’autre tronçon plus long, le tronçon court portant le capteur de pression et renfermant un milieu sensible à la pression et ayant un indice optique prédéterminé, ledit milieu étant intermédiaire entre le capteur de pression et ledit autre tronçon plus long, - une réalisation dans laquelle certaines au moins des fibres optiques présentent une constitution comprenant deux tronçons de fibres optiques, dont un tronçon court disposé au bout de l’autre tronçon plus long, le tronçon court portant le capteur de pression et renfermant un milieu sensible à la pression et ayant un indice optique prédéterminé, ledit milieu étant intermédiaire entre le capteur de pression et ledit autre tronçon plus long, dont l’âme présentera une section inférieure à celle dudit milieu intermédiaire, - une réalisation dans laquelle certaines au moins des fibres optiques présentent une constitution comprenant un tronçon de fibre optique pourvu extérieurement, à une extrémité, d’un capillaire portant le capteur de pression et renfermant un milieu sensible à la pression et ayant un indice optique prédéterminé, ledit milieu étant intermédiaire entre le capteur de pression et ladite fibre.Among these, the following are in particular mentioned: an embodiment in which at least some of the optical fibers have a constitution comprising two sections of the same optical fiber, a short section of which is disposed at the end of the other longer section, the short section carrying the pressure sensor and containing a pressure sensitive medium and having a predetermined optical index, said medium being intermediate between the pressure sensor and said other longer section, - an embodiment in which at least some optical fibers have a constitution comprising two sections of optical fibers, including a short section disposed at the end of the other longer section, the short section carrying the pressure sensor and enclosing a pressure-sensitive medium and having a predetermined optical index, said medium being intermediate between the pressure sensor and said other longer section, whose e will have a section smaller than that of said intermediate medium, - an embodiment in which at least some of the optical fibers have a constitution comprising an optical fiber section provided externally, at one end, with a capillary carrying the pressure sensor and enclosing a pressure-sensitive medium having a predetermined optical index, said medium being intermediate between the pressure sensor and said fiber.
Dans tous les cas, il est aussi prévu que la fibre optique ou le tronçon de fibre optique puisse présenter un réseau de Bragg pour l’acquisition de données liées à un paramètre physique autre que la pression telle que la température, permettant ainsi de compenser l’allongement de la cavité due à l’expansion thermique.In all cases, it is also provided that the optical fiber or the optical fiber section may have a Bragg grating for acquiring data related to a physical parameter other than the pressure such as temperature, thus making it possible to compensate the elongation of the cavity due to thermal expansion.
Les réalisations ci-avant ont l’avantage de mises en œuvre bien maîtrisées, simples et performantes.The above achievements have the advantage of implemented well mastered, simple and powerful.
La première est en outre plus économique. La seconde conserve l’intérêt de pouvoir n’utiliser que des fibres de même diamètre extérieur (voir figure 11), mais avec un capteur de pression (membrane déformable) et un dit milieu intermédiaire de plus grand diamètre (section), donc encore de meilleure sensibilité en particulier aux hautes fréquences (supérieures à 10kHz).The first is more economical. The second retains the advantage of being able to use only fibers of the same outside diameter (see FIG. 11), but with a pressure sensor (deformable membrane) and a said intermediate medium of larger diameter (section), thus still better sensitivity especially at high frequencies (above 10kHz).
Comme déjà mentionné une application vise une sonde pouvant travailler dans ces hautes fréquences et dans en environnement sévère de type turbomachine : haute température (>400°C), milieu chargé en particules. C’est pourquoi il est proposé que certaines au moins des fibres optiques, ainsi que les membranes dont sont pourvus les capteurs de pression, soient à base d’un matériau tenant en température jusqu’à au moins 1100°C, tel que la silice ou le saphir, ladite constitution des fibres optiques assurant en outre des mesures de pression haute fréquences, au-dessus de 10kHz. L’invention sera si nécessaire encore mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention pourront apparaître à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue de côté d’une sonde conforme à l’invention, - la figure 2 est une coupe longitudinale de cette sonde, de même pour les figures 3,4, qui montrent des alternatives de sonde, - la figure 5 est autre alternative de sonde, en perspective et la figure 6, une vue interne locale, - la figure 7 montre le détail VII et les figures 8-9 sont des vues selon VIII, - les figures 10-13 sont des vues en coupe longitudinale (axiale) de quatre réalisations possibles de la sonde de l’invention, avec en particulier différents capteurs de pression mis en œuvre.As already mentioned, an application aims at a probe that can work in these high frequencies and in a severe turbomachine type environment: high temperature (> 400 ° C), medium loaded with particles. This is why it is proposed that at least some of the optical fibers, as well as the membranes of which the pressure sensors are provided, are based on a material having a temperature of at least 1100 ° C., such as silica. or sapphire, said constitution of the optical fibers further ensuring high-frequency pressure measurements, above 10kHz. The invention will, if necessary, be better understood and other details, characteristics and advantages of the invention will become apparent on reading the following description given by way of nonlimiting example with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 is a side view of a probe according to the invention; FIG. 2 is a longitudinal section of this probe, likewise for FIGS. 3, 4, which show probe alternatives, FIG. alternative probe, in perspective and Figure 6, a local internal view, - Figure 7 shows detail VII and Figures 8-9 are views according to VIII, - Figures 10-13 are views in longitudinal section (axial ) of four possible embodiments of the probe of the invention, with in particular different pressure sensors implemented.
Figures 1-6 et en liaison avec l’agrandissement de la figure 7, on voit donc quatre modes privilégiés de réalisation d’une sonde 1 de mesure d’un paramètre physique, en particulier pression, voire température.Figures 1-6 and in conjunction with the enlargement of Figure 7, we see four preferred embodiments of a probe 1 for measuring a physical parameter, in particular pressure, or temperature.
De façon commune aux modes de réalisation, la sonde 1 comporte un corps 3 pourvu d’une extrémité 3a de prise de mesure, une pluralité de conduits internes (C1 à C9, suivant les versions) s’étendant dans le corps 3 jusque vers ladite extrémité 3a et une pluralité de moyens 5 d’acquisition de mesures disposés dans lesdits conduits internes, près de l’extrémité 3a. A ou vers l’extrémité 3a, les conduits internes, tels ceux C1 à C3 figure 7, débouchent sur l’extérieur (EXT).In a common way to the embodiments, the probe 1 comprises a body 3 provided with a measuring end 3a, a plurality of internal conduits (C1 to C9, depending on the versions) extending in the body 3 to said end 3a and a plurality of measurement acquisition means disposed in said inner ducts near the end 3a. At or towards the end 3a, the internal ducts, such as those C1 to C3 in FIG. 7, open outwards (EXT).
Chaque moyen 5 d’acquisition de mesures comprend un transducteur de pression 7 et (au moins) un capteur de pression 8 adjacent audit transducteur de pression.Each measurement acquisition means 5 comprises a pressure transducer 7 and (at least) a pressure sensor 8 adjacent to said pressure transducer.
Et chaque transducteur de pression 7 comprend (au moins) une fibre optique 9 (figures 10,12,13) ou 9a,9b (figure 11).And each pressure transducer 7 comprises (at least) an optical fiber 9 (FIGS. 10, 12, 13) or 9a, 9b (FIG. 11).
Ainsi, la solution ici proposée reprend le concept de la sonde multi-conduit, avec des mesures de pressions non plus réalisées par l’intermédiaire notamment de transducteurs déportés ou piézoélectriques miniatures intégrés, mais par des transducteurs à fibres optiques.Thus, the solution proposed here is based on the concept of the multi-duct probe, with pressure measurements that are no longer carried out, especially via integrated miniature remote or piezoelectric transducers, but by optical fiber transducers.
Il est recommandé que ces transducteurs soient, comme illustré, individuellement formés avec au moins une fibre optique 9 ; 9a,9b et une membrane déformable, réfléchissante ou semi-réfléchissante 11 a-11 d figures 8-11 appartenant au capteur de pression 8.It is recommended that these transducers are, as illustrated, individually formed with at least one optical fiber 9; 9a, 9b and a deformable, reflective or semi-reflective membrane 11a-11 of FIGS. 8-11 belonging to the pressure sensor 8.
La partie principale 90 ; 90a,90b (la plus longue suivant l’axe général 10 de la sonde) de cette fibre optique est celle qui va guider dans le transducteur, vers une unité de traitement 13 située plus à l’arrière, les données issues du capteur de pression 8. Entre la membrane 11 a-11 d et cette partie principale 90 ; 90a,90b de la fibre optique est interposé un milieu 15 d’un indice optique donné (qui peut en particulier être de l’air). Ce dispositif constitue ainsi un interféromètre optique. On peut en particulier considérer qu’il s’agit là d’un interféromètre de type Fabry-Pérot capable de mesurer de très faibles déformations de la membrane dues à la pression ambiante (EXT).The main part 90; 90a, 90b (the longest along the general axis 10 of the probe) of this optical fiber is that which will guide in the transducer, to a processing unit 13 located further back, the data from the pressure sensor 8. Between the membrane 11 a-11 d and this main part 90; 90a, 90b of the optical fiber is interposed a medium 15 of a given optical index (which may in particular be air). This device thus constitutes an optical interferometer. It can be considered in particular that it is a Fabry-Perot type interferometer capable of measuring very small membrane deformations due to the ambient pressure (EXT).
Comme déjà en partie mentionné, des sondes 1 ainsi réalisées seront plus robustes et moins encombrantes que les capteurs à transducteurs piézoélectriques. On peut mesurer des vitesses d’écoulement à des températures plus élevées, ceci dans des corps 3 de sondes de diamètre plus faible que sur ces capteurs antérieurs. En alternative, pour un même diamètre de corps de sonde, davantage de moyens 5 d’acquisition de mesures peuvent être insérés, avec en conséquence un cône de mesure plus important si, comme conseillé et illustré figure 7, l’extrémité 3a de prise de mesure du corps 3 de la sonde est effilée et comporte au moins trois conduits internes (C1... ; voir les vues figures 8-9 avec respectivement cinq et neuf conduits internes débouchants). Il y a un intérêt à multiplier le nombre de ces conduits internes car ce nombre agit sur la valeur de l’angle d’incidence du fluide à analyser que la sonde peut capter. A titre indicatif, les sondes multi-conduits standards utilisent typiquement des capillaires de 0.3 à 0.5 mm de diamètre, tandis que les capteurs piézoélectriques utilisés dans les sondes à « réponse rapide » ont des diamètres typiquement de l’ordre de 1.5 à 2 mm (ou plus).As already mentioned in part, probes 1 thus produced will be more robust and less cumbersome than piezoelectric transducer sensors. Flow velocities at higher temperatures can be measured in probe bodies of smaller diameter than on these prior sensors. Alternatively, for the same diameter of the probe body, more measuring acquisition means can be inserted, with a correspondingly larger measuring cone if, as advised and illustrated in FIG. measurement of the body 3 of the probe is tapered and comprises at least three internal conduits (C1 ..., see the views Figures 8-9 with respectively five and nine internal through ducts). There is interest in multiplying the number of these internal conduits because this number acts on the value of the angle of incidence of the fluid to be analyzed that the probe can capture. As an indication, the standard multi-conductor probes typically use capillaries of 0.3 to 0.5 mm in diameter, while the piezoelectric sensors used in the "fast response" probes have diameters typically of the order of 1.5 to 2 mm ( or more).
Les transducteurs optiques en revanche peuvent être réalisés à l’aide de fibres 9; 9a,9b entre 0.125 et 0.300mm, voir 0.065mm, de diamètre. On peut ainsi loger dans une sonde à multi-conduits optiques au minimum deux fois plus de transducteurs à fibres optiques que dans une sonde standard et dix fois plus que dans une sonde rapide.Optical transducers, on the other hand, can be made using fibers 9; 9a, 9b between 0.125 and 0.300mm, see 0.065mm, in diameter. It is thus possible to house in an optical multi-duct probe at least twice as many optical fiber transducers than in a standard probe and ten times more than in a fast probe.
Les moyens 5 d’acquisition de mesures, et en particulier les fibres 9 ; 9a,9b, pourront sont insérés dans les conduits C1 ...préformés (par exemple percés) dans le corps 3 de la sonde et cheminent ainsi à l’intérieur de ce corps.The means for acquiring measurements, and in particular the fibers 9; 9a, 9b, may be inserted into the conduits C1 ... preformed (for example drilled) in the body 3 of the probe and thus walk inside this body.
Les corps 3 de sonde peuvent être constitués de matériaux métalliques (applications basses et/ou moyennes températures <700°C), ou fabriquées à base de céramiques, pour des applications plus hautes températures.The probe bodies 3 may be made of metallic materials (low and / or medium temperature applications <700 ° C.), or made of ceramics, for higher temperature applications.
Concernant les moyens 5 d’acquisition de mesures les fibres peuvent être mono ou multimode, peuvent être réalisées à partir d’une seule fibre (diamètres extérieur D1 et intérieur d1 communs, comme figure 10) ou de plusieurs fibres de même diamètre extérieur D2, mais avec des sections (typiquement des diamètres) intérieurs d2/d3 différents (figure 11), ou d’une fibre et d’un capillaire 21 joignant la fibre 9 à la membrane 11 c, 11 d (figures 12-13). Les caractéristiques de la membrane (épaisseur, diamètre, module de Young, module de Poisson, densité, contrainte maximum admissible, en particulier) et son mode de fixation à fibre ou partie principale de celle-ci permettront de définir la plage de mesure et la sensibilité du capteur. La taille de la cavité ou milieu 15 doit être adaptée à la plage de mesure. C’est en faisant varier, dans cette cavité ou milieu 15, la distance axiale L entre la membrane considérée et l’extrémité adjacente de la (partie principale, le cas échéant, de la) fibre que l’on va solliciter le transducteur optique, par variation de pression.With regard to the means for acquiring measurements, the fibers may be single or multimode, may be made from a single fiber (external diameters D1 and inside d1 common, as in FIG. 10) or several fibers of the same outside diameter D2, but with sections (typically diameters) inner d2 / d3 different (Figure 11), or a fiber and a capillary 21 joining the fiber 9 to the membrane 11 c, 11 d (Figures 12-13). The characteristics of the membrane (thickness, diameter, Young's modulus, Poisson's modulus, density, maximum permissible stress, in particular) and its mode of fixing to fiber or main part thereof will make it possible to define the measuring range and the sensor sensitivity. The size of the cavity or medium 15 must be adapted to the measurement range. It is by varying, in this cavity or medium 15, the axial distance L between the membrane considered and the adjacent end of the (main part, if any, of the) fiber that will be solicited optical transducer , by pressure variation.
Dans la solution schématisée figure 10, la fibre optique présente une constitution comprenant deux tronçons 90a,90b d’une même fibre 9. Le tronçon court 90b est disposé axialement au bout du tronçon plus long 9a. Le tronçon court porte le capteur de pression 8 et renferme le milieu 15 sensible à la pression. Le tronçon long 90a est une fibre complète, avec une âme centrale 17 et son gainage 18 (notamment optique). Les deux tronçons 90a,90b peuvent être collés ensemble ; référence 19.In the solution shown diagrammatically in FIG. 10, the optical fiber has a constitution comprising two sections 90a, 90b of the same fiber 9. The short section 90b is disposed axially at the end of the longer section 9a. The short section carries the pressure sensor 8 and encloses the pressure sensitive medium. The long section 90a is a complete fiber, with a central core 17 and its cladding 18 (in particular optical). The two sections 90a, 90b can be glued together; reference 19.
Dans la solution schématisée figure 11, les différences sont que la fibre optique comprend deux tronçons de fibres 9a,9b, à nouveau suivant une disposition axialement bout à bout. Le tronçon long 9a est une fibre complète, avec une âme centrale 17. Le tronçon court porte de nouveau le capteur de pression 8 et renferme le milieu intermédiaire 15. L’âme du tronçon long 9a présente une section d2 inférieure à celle d3 dudit milieu intermédiaire 15. Les diamètres extérieurs D1 des tronçons de fibres 9a,9b, sont les mêmes. Dans les deux cas (figures 10,11), les membranes 11 a, 11 b sont dans le canal central, axial, du tronçon court et en ferment l’extrémité libre.In the solution shown schematically in FIG. 11, the differences are that the optical fiber comprises two fiber sections 9a, 9b, again in an axially end-to-end arrangement. The long section 9a is a complete fiber, with a central core 17. The short section again carries the pressure sensor 8 and encloses the intermediate medium 15. The core of the long section 9a has a section d2 smaller than that d3 of said medium intermediate 15. The outer diameters D1 fiber sections 9a, 9b, are the same. In both cases (FIGS. 10, 11), the membranes 11a, 11b are in the central axial channel of the short section and close the free end thereof.
Dans la solution schématisée figure 12, on trouve toujours un tronçon long de fibre optique 9 présentant une âme 17. Ce tronçon est pourvu extérieurement et axialement, à une extrémité, du capillaire 21 portant le capteur de pression 8 (membrane 11 b). Le capillaire 21 entoure radialement le milieu intermédiaire 15 et de nouveau le capteur de pression 8 ferme ce milieu intermédiaire, en extrémité axiale, en étant appliqué contre le capillaire annulaire 21.In the solution shown schematically in Figure 12, there is always a long section of optical fiber 9 having a core 17. This section is provided externally and axially, at one end, the capillary 21 carrying the pressure sensor 8 (membrane 11b). The capillary 21 radially surrounds the intermediate medium 15 and again the pressure sensor 8 closes this intermediate medium, at the axial end, being applied against the annular capillary 21.
Dans la solution schématisée figure 13, on retrouve le même montage que figure 12, à ceci près que le tronçon de fibre optique 9 présente un réseau de Bragg 23 pour l’acquisition de données liées à un paramètre physique autre que la pression. Il peut en particulier s’agir de données de température en extrémité de sonde. Cette solution ou certaines au moins des fibres optiques présentent individuellement un réseau de Bragg est applicable à tous les cas précités.In the solution shown diagrammatically in FIG. 13, there is the same arrangement as FIG. 12, except that the section of optical fiber 9 has a Bragg grating 23 for acquiring data related to a physical parameter other than the pressure. In particular, it may be temperature data at the probe end. This solution or at least some of the optical fibers individually have a Bragg grating is applicable to all the aforementioned cases.
Les fibres précitées peuvent globalement être fabriquées à partir de différents matériaux comme la silice utilisable pour des températures jusqu’à 1100°C, ou le saphir utilisable pour des températures jusqu’à 1700°C. Et les transducteurs peuvent permettre des mesures de pression haute fréquences au-delà de 10kHz, pouvant aller jusqu’à 200kHz. Dès lors que les sondes ici concernées mettent en œuvre des fibres optiques, le rayon de courbure R doit être maîtrisé afin d’éviter d’engendrer des pertes trop importantes dans le signal. Cette contrainte pourrait entraîner des déports significatifs du point de mesure vis-à-vis de l’axe 10 de la sonde (figure 1). Pour éviter cela et l’encombrement de la sonde, on pourra utiliser une sonde « cobra » (figure 3), avec donc deux inflexions successives contraires donnant à la tête de sonde une forme générale en S. Ceci permettra de respecter le rayon de courbure minimum R tout en limitant le déport L du bec de sonde.The aforementioned fibers can be made from various materials, such as silica, which can be used for temperatures up to 1100 ° C, or sapphire which can be used for temperatures up to 1700 ° C. And the transducers can allow high frequency pressure measurements beyond 10kHz, up to 200kHz. Since the probes concerned here use optical fibers, the radius of curvature R must be controlled in order to avoid generating excessive losses in the signal. This constraint could lead to significant offsets of the measuring point vis-à-vis the axis 10 of the probe (Figure 1). To avoid this and the size of the probe, we can use a "cobra" probe (Figure 3), with two successive opposite inflections giving the probe head a general shape in S. This will respect the radius of curvature minimum R while limiting the offset L of the probe nose.
De fait, si les moyens 5 d’acquisition de mesures doivent s’étendre quasiment jusqu’à l’extrémité libre 3a du corps, il est conseillé de façon générale que le corps 3 et ses conduits (C1...), ainsi que les fibres qui y sont contenues soient incurvés, avec un ou plusieurs rayons de courbure, de préférence toujours supérieurs à 400 fois le rayon Rg de gaine (avec Rg = D1/2 ou D2/2, selon le diamètre repéré figure 10 ou 11).In fact, if the measurement acquisition means 5 must extend almost to the free end 3a of the body, it is generally advised that the body 3 and its conduits (C1 ...), as well as the fibers contained therein are curved, with one or more radii of curvature, preferably always greater than 400 times the radius Rg of sheath (with Rg = D1 / 2 or D2 / 2, according to the diameter indicated in FIG. 10 or 11) .
Une alternative est que le rayon de courbure R soit plus faible, comme par exemple figure 4, avec un corps présentant un coude 25 ayant alors un rayon de courbure inférieur de préférence à 400 fois ledit rayon Rg de gaine et des fibres optiques, ici repérées 9, contenues dans les conduits internes C1-C3 et s’interrompant avant le coude. On pourrait donc disposer d’un corps de sonde avec angle droit, de même pour ses conduits internes, et de moyens 5 d’acquisition de mesures rectilignes, comme illustré. Avec des moyens 5 d’acquisition de mesures ainsi en retrait et connectés à l’extérieur par les conduits C1-C3 débouchants, cette solution maintient l’avantage de limiter l’encombrement, même si elle grève très légèrement la résolution fréquentielle atteignable par la sonde.An alternative is that the radius of curvature R is smaller, as for example in FIG. 4, with a body having a bend 25 then having a radius of curvature of less than 400 times the said radius Rg of sheath and optical fibers, here identified 9, contained in the internal ducts C1-C3 and interrupting before the elbow. It would therefore be possible to have a probe body with a right angle, likewise for its internal conduits, and means 5 for acquiring rectilinear measurements, as illustrated. With measurement acquisition means thus withdrawn and connected to the outside by the ducts C1-C3 emerging, this solution maintains the advantage of limiting the space requirement, even if it strikes very slightly the frequency resolution attained by the probe.
Une autre solution peut aussi s’envisager avec des conduits C1-C9 suivant des tracés torsadés, qui peuvent être hélicoïdaux, comme représenté sur les figures 5,6.Another solution can also be envisaged with C1-C9 conduits according to twisted traces, which can be helical, as shown in FIGS.
Il s’agit d’une solution présentée dans FR-A-2960596 où une sonde usinée 27, qui peut être utilisée pour des mesures de giration d'un compresseur de turbomachine, comporte une première partie cylindrique 29, de faible diamètre, prolongée par une deuxième partie cylindrique 31 de plus fort diamètre. Cette deuxième partie 31 est raccordée à un socle 33 présentant une embase usinée 35 de fixation de la sonde. La première partie 29 définit une zone 37 d'acquisition de pression qui possède des orifices 01 à 09, les flèches figure 5 indiquant une arrivée de flux d’air à sonder. Ces orifices, alignés sur des plans de détection de hauteurs différentes, sont raccordés aux conduits internes C1-C9, respectivement. Les conduits forment des courbes hélicoïdales parallèles entre lesdits plans, autour de l’axe 10. Des moyens d’acquisition de mesures à fibres optiques comme précités pourraient être placés dans le conduits C1-C9.This is a solution presented in FR-A-2960596 where a machined probe 27, which can be used for gyration measurements of a turbomachine compressor, comprises a first cylindrical portion 29, of small diameter, extended by a second cylindrical portion 31 of larger diameter. This second portion 31 is connected to a base 33 having a machined base 35 for fixing the probe. The first part 29 defines a zone 37 of pressure acquisition which has orifices 01 to 09, the arrows 5 showing an arrival of air flow to be probed. These orifices, aligned on detection planes of different heights, are connected to the internal conduits C1-C9, respectively. The ducts form parallel helical curves between said planes, around axis 10. Optical fiber acquisition means as mentioned above could be placed in ducts C1-C9.
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