JP6942802B2 - ガスの流速を測定するための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に航空用途のための、ガスの流速を測定するための装置および方法に関する。

ガス流速を測定するための多くの方法がすでに存在する。特に、ピトー管を用いてガス流速を測定することが知られている。このようなプローブは、ガスの流れに面するように向けられた停滞圧力捕捉孔と、流れに接する面に配置された静圧捕捉孔とを含む。停滞圧力と静圧との差は、ガスの流速の二乗に比例する。しかし、停滞圧力捕捉孔は、氷または埃によって、またはメンテナンス作業の問題によってふさがれうる毛細管で構成されており、ピトー管の信頼性は、十分ではない。

また、超音波パルス発光プローブを用いてガスの流速を測定する方法も知られている。測定の原理は、超音波パルス通過時間の決定に基づく。しかし、このようなプローブによる測定は、１００ｍ／ｓ（メートル／秒）未満の測定速度の場合に限定される。

ガス流中を通過するレーザビームを使用することも知られている。ガスの流速は、後方散乱光のドップラーシフトまたはガス成分の吸収線の波長シフトから評価することができる。しかし、そのような方法は、レーザ源と、ガスの流れに向かうビームの出口となる光学窓であって、戻り光を収集するための少なくとも１つの光学窓とを必要とする。さらに、これらの光学的方法は、流速が小さい場合に不正確である。

さらに、ガスの流速を測定するためのイオンプローブも知られている。このようなプローブの第１のカテゴリーでは、イオンは、ガス流中で生成され、次いで、その生成ゾーンから下流において収集される。そして流速は、パルスによるイオンの生成の場合にはイオン飛行時間と呼ばれる、項目の放出と収集との間の時間から、またはイオンの連続的もしくはほぼ連続的な生成の場合には、収集された電流の値から推定されて、決定され得る。しかし、この第１のカテゴリのプローブは、ガス流中にイオン源を配置することを必要とし、これが、速度が測定されるべきガスの流れを妨害し得る。

最後に、第２のカテゴリのイオンプローブは、正または負の直流電圧によって分極されてガス流中にイオンを発生させる微細チップを使用する。これらのプローブのいくつかについて、測定電極は、生成されたイオンに対応する電荷を収集するために、ガス流の下流に配置される。そして、測定電極内の電流の値は、フローの速度に結び付けることができる。他のプローブでは、負のコロナ放電を生成するために、チップは負の直流電圧によって分極される。この場合、コロナ放電からのパルス電流値、またはコロナ放電パルス周波数値は、流速の測定値を与える。このようなイオンプローブは、Ｆ．Ｄ．ＷｅｒｎｅｒおよびＲ．Ｌ．Ｇｅｒｏｎｉｍｅ、１９５３、ｐｐ．５３−１４２による「空気流中の密度および速度過渡的の測定のためのコロナ放電の応用」およびＥ．Ｔ．Ｐｉｅｒｃｅによる「Ｔｒｉｃｈｅｌ Ｐｕｌｓｅ Ｃｏｒｏｎａガス速度装置」と題する米国特許第３，９４５，２５１号に記載されている。しかし、直流分極を伴うこのようなイオンプローブは、大きなヒステリシスを有し、その結果、連続的な測定は、結果のドリフトによって影響を受け、ガスの流速について信頼できる値を得ることは困難である。

上記の状況を鑑み、本発明の目的は、ガス流量の速度を測定するための新しいプローブを提案することであり、これは、上記で検討した従来のプローブの欠点を有さない。特に、以下の特性が求められる。
・動的測定とも呼ばれる測定範囲であって、広く、場合によっては制御可能であり、低速および高速でのガス流の測定を可能にする。
・使用が妨げられる可能性がある毛細管を使用しない。
・汚れたり、不透明になったり、拡散したりする可能性がある光学窓を使用しない。
・連続的に実行される測定におけるヒステリシスがない。
・動作は、測定に使用されるプローブのための防氷または除氷システムと互換性がある。
・高電圧サブ回路を低電圧サブ回路から電気的に絶縁する構造を有する。

これらの目的または他の目的の少なくとも１つに到達するために、本発明の第１の態様は、ガス流速を測定するための下記構成を有する装置を提案する。
・ガス流内に配置されるように意図された剛性プローブであって、ガスと接触するように意図された１つの露出端部を有する軸方向電極を備え、この露出端部は、チップ効果を介して電界を強化するのに適した曲率半径を有し、軸方向電極から電気的に絶縁されてガスと接触するようにも意図され、軸方向電極から離れて位置する露出部分を有する周辺電極であって、前記軸方向電極と離れて配置される周辺電極を備える。
・出力端子の一方のための軸方向電極と、出力端子の他方のための周辺電極とに電気的に接続される２つの出力端子を有する電圧供給源。

本発明に関連して、チップ効果を介して電界を強化するのに適した曲率半径を有する電極端部は、５ｍｍ（ミリメートル）未満、好ましくは２ｍｍ未満の曲率半径を有する電極を意味する。チップ効果と呼ばれる電気的効果は、当業者には非常によく知られているので、ここで説明する必要はない。この効果は、チップを形成する電極の端部の曲率半径がより小さい場合に、さらに大きくなる。この曲率半径が十分に小さい場合、例えば５ｍｍ未満、好ましくは２ｍｍ未満である場合、局所電界は、ガスのイオン化ポテンシャルに到達するために、チップの形状によって十分に増大される。

本発明によれば、電源は、交流電圧を生成し、これは、負の電圧値の期間と、正の電圧値の期間とを有する電圧を意味し、装置は、以下をさらに含む。
・プローブの電極の１つを供給源の端末の１つに接続する電気接続部の周りに配置されるか、または軸方向電極の周りに配置される少なくとも１つの導電ターンを備え、軸方向電極の電位が周辺電極の電位よりも低い少なくとも１つの時間窓の間に選択的に誘導によってターン内に生成される電気パルスをカウントするように配置されるカウンタを備える検出回路。

したがって、プローブに供給源によって交流電圧が供給されると、ガスを介して軸方向電極と周辺電極との間に現れる放電の数に対応する、検出回路によって計数（カウント）される電気パルスの数が、ガスの流れの速度の測定値を構成する。

このような装置は、以下の利点を有する。
・プローブの電極間に交流電圧を使用することにより、起こり得るヒステリシスが排除される。
・チップを含む軸方向電極が周辺電極に対して負に分極されている期間中のコロナ放電パルスのカウントは、チップを含む軸方向電極が周辺電極と比較して正に分極される正のコロナ放電方式とは異なり、正の電流パルスを生成する負のコロナ放電方式に測定動作を制限する。
・測定範囲は非常に広い。
・特に、本発明は、機内での使用に適合し、誘導による放電パルスの検出は、プローブの両電極と検出回路との間に印加される電圧を生成する電源回路を電気的に絶縁することを可能にする。これは、ガスの流速を測定するための装置、及び外部電気回路のための動作安全性をもたらす。

本発明による装置の様々な実施形態では、以下の構成または改良したものを、別々に、またはそれらのいくつかを組み合わせて使用することができる。
・前記周辺電極の前記露出部分は、前記軸方向電極の前記露出端の対称軸を中心とする環状形状を有していてもよい。
・前記周辺電極の前記露出部分は、前記軸方向電極の前記露出端部とは反対側の窪んだ方向で、前記軸方向電極の前記露出端部に対して窪んでいてもよい。
・前記装置は、前記プローブの前記電極のうちの１つと、前記電極に接続された前記供給源の端末との間に直列に接続された安定抵抗をさらに備えていてもよい。このような安定抵抗は、プローブ内に有利に配置することができる。特に、安定抵抗は、軸方向電極の露出端部とは反対側の、軸方向電極の１つの後端部の周りでプローブ内に配置され、軸方向電極のこの後端部の周面と電気的に接触することができる。このような配置は、プローブのための防氷または除氷システムを形成するために使用され得る。例えば、安定抵抗が導電性材料の円筒によって形成される場合、プローブは、安定抵抗の円筒と共にコンデンサを形成するように配置され、電気的に接続される導電性チューブをさらに備えてもよい。したがって、プローブが供給源によって供給されるときにコンデンサに流れる電流は、安定抵抗の円筒内でジュール効果によって軸方向電極を加熱するのに適した熱を発生する。プローブのこのような構造のために、導電ターンは、安定抵抗から隔離されている場合、安定抵抗の円筒によって覆われていない軸方向電極の一部の周りでプローブ内にさらに配置されてもよい。場合によっては、この送信が確実であることを保証するために、このターンから来る電気パルス信号は、プローブの外部に送られる前に増幅または変換されてもよい。

本発明の第２の態様は、以下のステップを含む、ガス流量の速度を測定するための方法を提案する。
（１）チップ効果を介して電界を強化するのに適した曲率半径を有する１つの露出端を有する軸方向電極を備え、軸方向電極から電気的に絶縁され、軸方向電極から離れて位置する露出部分を有する周辺電極を備える剛性プローブを提供する。
（２）プローブをガス流中に配置し、その結果、軸方向電極の露出端部および周辺電極の露出部分が同時にガスと接触する。
（３）軸方向電極と周辺電極との間に電圧を印加して、電極間のガスを通して放電を生成する。

本発明によれば、印加される電圧は交流電圧であり、本方法はさらに以下のステップを含む。
（４）交流電圧を電極に印加するために使用される電気接続部の周りに配置された、または軸方向電極の周りに配置された少なくとも１つの導電ターンにおける誘導によって生成される電気パルスであって、軸方向電極の電位が周辺電極の電位よりも低い少なくとも１つの時間窓の間に選択的にガスを通る放電に対応する電気パルスを検出および計数する。
（５）電気パルスの計数の結果からガスの流れの速度の値を推定する。

好ましくは、流れからのガスは、供給電圧の負の半サイクル中に軸方向電極からより安定な負の冠状放電を得るために、例えば空気などの有意な電気陰性度を有する少なくとも１つの化合物を含む。

好ましくは、プローブは、軸方向電極の露出端部が流れの上流方向に向けられ、軸方向電極のこの露出端部の対称軸がガス流に平行であるように、ガス流に対して配向されてもよい。

また、好ましくは、電気パルスの計数は、いくつかの連続する時間窓にわたって継続することができ、各時間窓は、時間窓ごとに別々に、周辺電極の電位に対する軸方向電極の電位の負の半サイクルに含まれる。

この場合も、好ましくは、単一の時間窓内で連続する２つの電気パルス間の平均時間、または単一の時間窓内の電気パルスの平均周波数を計算することができる。そして、ガス流の速度の値は、平均時間または平均周波数から推定することができる。

おそらく、気体流の速度の計算は、キャリブレーション段階と、有用な測定と呼ばれる測定段階とからもたらされ得る。このケースでは、ガス流の速度は、式U=U₁・(N₀-N)/(N₀-N₁)を使用することによって計算することができ、ここでＮ_０は、ガス流の速度がゼロである間に実行される第１のキャリブレーション測定のためにカウントされる第１の電気パルスの数であり、Ｎ_１は、ガス流の速度がゼロでなく、Ｕ_１に等しいときに実行される第２のキャリブレーション測定のためにカウントされる第２の電気パルスの数であり、Ｎは、有用な測定のためにカウントされる第３の電気パルスの数であり、Ｕは、有用な測定におけるガス流の速度の値である。この目的のために、プローブの２つの電極間に印加される交流電圧は、キャリブレーション測定および有用な測定の両方について同一である。

本発明の第２の態様による方法は、第１の態様に準拠するデバイスを使用することによって実施することができる。特に、このデバイスが、プローブ内の安定抵抗と、平衡抵抗を有するコンデンサを形成するためのチューブとを備える場合、安定抵抗内で散逸される加熱電力は、供給源によって生成される交流電圧の周波数または形状を変更することによって調整することができる。したがって、供給源は、２つの機能、すなわち、負のコロナ放電の生成と、電気的に絶縁性の氷の層が軸方向電極の露出端を覆わないようにするためのプローブの防氷または除氷との機能を有する。

最後に、本発明に従う方法は、航空機の外部の空気に対して移動するのに適した航空機に搭載され、前述の流動ガスを形成する外部の空気に適用することができる。この目的のために、プローブは、航空機の外部の空気の流通中に維持されるように、航空機に堅固に取り付けられる。そのような用途では、プローブの周辺電極は、この周辺電極の電位が航空機のグランドの電位に等しいままであるように、航空機のグランドに電気的に接続されることが有利であり得る。

図１は、本発明における測定装置の概略図である。なお、図１ａは、図１の一部の拡大図である。 図２ａ〜図２ｄは、本発明による測定装置の動作を示す、組み合わせて読まれる一連の時系列図である。 図３は、本発明の好ましい実施形態におけるプローブの断面図である。

明確にしておくが、これらの図に示される要素の寸法は、実際の寸法または寸法の実際の比のいずれにも対応しない。さらに、図１および図３に示される同一の参照番号は、同一であるか、または同一の機能を有する要素を示す。

本明細書では、負の冠状放電は、周辺電極に対して負の電圧が印加された場合の、曲率半径が小さい電極の近傍におけるガスのイオン化であると解される。このような負のコロナ放電から生じる電流パルスは、例えば空気のようなガスが電気的に負の場合、トリシェルパルスと呼ばれる。各パルスは数十ナノ秒続き、振幅は数ミリアンペアであり、パルスの繰り返し周波数は数十キロヘルツである。正の電圧が、周辺電極に対して小さい曲率半径を有する電極に印加されると、特性が異なる正のコロナ放電が生じる。

図１に示すように、プローブＳは、軸方向電極１と周辺電極２とを備えている。軸方向電極１は、対称軸Ａ−Ａを有し、電気的に絶縁された絶縁エンベロープ３内に収容されている。軸方向電極１の一端１Ｐは、プローブＳの外側のガスと接触するように、絶縁エンベロープ３の外側に露出している。図１ａは、軸方向電極１の露出端１Ｐの拡大を示す。この露出端１Ｐは、５ｍｍ未満、好ましくは２ｍｍ未満の曲率半径Ｒ１を有する、軸Ａ−Ａに平行な先端形状を有する。軸方向電極１は、導電性材料、好ましくは、プラズマに曝されたときに原子摩耗および粉砕に耐える合金からなる。

周辺電極２は、軸Ａ−Ａを対称軸とする環状の形状であってもよい。それは、軸方向電極１から離れて、特に軸Ａ−Ａに対して半径方向に配置される。また、周辺電極２は、導電性の材料からなり、軸方向電極１と同時にプローブＳの外側のガスと接触するように意図された露出部分２Ｐを有する。図１に示すプローブＳの構成では、周辺電極２は、少なくとも１つのアーム３′によって軸方向電極１に対して固定位置に保持することができ、これは、おそらく絶縁エンベロープ３と周辺電極２との間のガスの通過を可能にすることによって、プローブＳの周りの外部ガスのフローＥＣを妨害したり、最小限妨害したりしないように設計される。アーム３′はまた、以下に説明するように、周辺電極２を軸方向電極１から電気的に絶縁するとともに、周辺電極２をプローブＳの電源端子に電気的に接続することができるように設計されている。

例えば、軸方向電極１は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）またはステンレス鋼であってもよく、周辺電極は、ステンレス鋼またはアルミニウム（Ａｌ）合金であってもよい。

電源回路４を用いて、軸方向電極１と周辺電極２との間に電圧を印加することができる。電源回路４は、電圧供給源５と、任意で安定抵抗６とを含む。高電圧用のＨＴとラベル付けされた供給源５からの第１の出力端子は、軸方向電極１に接続され、Ｇとラベル付けされた供給源５からの第２の出力端子は、周辺電極２に接続される。好ましくは、端末Ｇは、マストＭによってプローブＳのための支持ＡＶのグランドに接続されてもよく、この場合、プローブＳは、支持ＡＶに堅固に取り付けられてもよく、支持ＡＶは、電源回路４を含むことができる。このような構成では、電気接続部１０は、マストＭを介して軸方向電極１を供給源５の端末ＨＴに接続し、周辺電極２は、アーム３′、絶縁エンベロープ３、及びマストＭを介して端末Ｇに接続される。航空力学おいて、プローブＳの支持体ＡＶは、例えば航空機等の飛行体でありうる。また、流れＥＣに関するガスとは、航空機の周囲の空気でありうる。この場合、プローブＳの目標は、支持体ＡＶに対する空気の流れＥＣの速度の測定を可能にすることである。好ましくは、プローブＳは、軸Ａ−Ａが流れに平行であり、軸方向電極１の露出端部１Ｐが流れの上流に向かって方向付けられるように、流れＥＣに対して方向付けられる。

例えば、安定抵抗６は、１ＭΩ（メグオーム）〜１００ＭΩ、例えば数十メグオームであってもよい。

一方の電極の曲率半径が他方の電極の曲率半径よりも小さい２つの電極を有するこのようなシステムでは、電極間に電位差を印加することにより、より小さい曲率半径を有する電極の近くに電界が集中する。２つの電極間の絶対電位差を増大させることによって、より小さな曲率半径を有する電極の前に集中する電界は、ガスの降伏閾値を超えることができる。次いで、放電がガスを通して起こり、その間、電子アバランシェがガスの原子および／または分子をイオン化することによって、正電荷、すなわち陽イオンのプラズマ、および負電荷、すなわち主に電子のプラズマを形成する。この放電の特性は、その密度、温度、および化学組成、ならびに２つの電極間に印加される電圧の極性を含む、ガスの性質によって決定される。

ガスが空気である場合、放電のトポロジーおよび挙動は、印加される電圧の極性に応じて非常に異なる。より小さい曲率半径を有する電極が正に分極されると、より小さい曲率半径を有するこの電極から伝播するプラズマフィラメントの形態で、正のコロナ放電が生じる。これらのプラズマフィラメントは、ランダムな空間および時間分布を有し、電極の閉鎖電源回路内に電気パルスを生成する。

しかし、より小さい曲率半径を有する電極が他方の電極に対して負に分極されると、規則的またはほぼ規則的な一連のトリシェル電気パルスの形態で負のコロナ放電が生じる。各パルスは、小さい曲率半径の電極付近でのイオン種の形成に対応する。これらのパルスの時間分布は狭く、最大周波数によって制限される。２つの電極間に印加される電圧が低い方のしきい値より低い場合、パルスは不規則である。印加電圧が高い方のしきい値を超えると、ほぼ連続的な放電のレジームが現れる。これらの２つの閾値の間、上方及び下方において、ガスを通る放電パルスの周波数は、２つの電極間に印加される電圧の値、ガス（その電気陰性度値及び湿度を含む）、ガス流ＥＣの速度、最小曲率半径における電極材料、その曲率半径及びその表面粗さを含むその幾何学的形状、及び周囲電界に依存する。

ガスを通る各放電パルスの形成は、電子なだれによって進行し、この電子なだれは、電界が最大である空間、すなわち最小の曲率半径を有する電極の近傍で開始される。このようなアバランシェは、電界効果発光、または電極上の陽イオンの衝撃によって誘発される二次発光によって、電極の先端付近に電子開始部位が形成されることによって始まる。負のコロナ放電では、これらの電子は、電極チップから放出される電界によって電極チップから反発される。同時に、それらは加速され、ガス原子または分子と衝突する。十分なエネルギーを有するこれらの電子の一部は、各々が追加の電子および追加の陽イオンを生成するイオン化衝突を生じさせる。電子が小さい曲率半径を有する電極から離れるにつれて、アバランシェと呼ばれる電子の数の指数増倍が生じる。このアバランシェは、次に、２つの現象のために停止する。電子の雲が小さい曲率半径を有する電極から離れるにつれて、この電極によって生成される電界は減少し、その結果、新しい衝突の瞬間における電子のエネルギーを減少させる。さらに、ガス中の自由電荷の形成は、小さな曲率半径を有する電極によって生成される電界を減衰させる静電スクリーンを生成する。したがって、これらの電子が受ける電界は弱くなりすぎ、電子は気体原子または分子、特に大気中では分子状酸素（Ｏ_２）に結合して陰イオンを形成しようとする。したがって、新しいアバランシェ、及び新しい放電パルスの形成は、電界の残留部分のために、先行する放電によって生成された陽イオンおよび陰イオンが２つの電極によって収集された後にのみ、再び可能である。このことは、特に、Ｆ．Ｃ．Ｄｅｎｇ、Ｌ．Ｙ．ＹｅおよびＫ．Ｃ．Ｓｏｎｇ、Ｊ．Ｐｈｙｓによる文献「気流中のトリシェルパルスの数値研究」（Ｄ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．４２、ｐ．４２５，２０２，２０１３年１０月）から知られている。ガスのフローＥＣは、そのようなイオンの集合に必要な時間を変化させ、アバランチの繰り返しの周波数、すなわち、２つの電極間に現れる放電の周波数を変化させる。

また、２つの電極間に存在する瞬間電圧の変動、電極に誘導される電流の変動、およびフローＥＣの速度の変動は、平均放電電流のヒステリシスを引き起こし得ることが知られている。

これらの観察を考慮すると、本発明は、以下のものを使用することを提案する。
・測定値を妨害する可能性のあるヒステリシスを抑制するために、２つの電極を互いに対して分極させるための交流電圧であって、符号の規則的な反転を伴う交流電圧。
・正のコロナ放電と比較して負のコロナ放電のより良好な規則性から利益を得るために、より小さな曲率半径を有する電極が他の電極に対して負に分極される期間内に測定値を制限する。

これらの条件下では、電流パルスは、電源回路４内に、従って、軸方向電極１及び電気接続部１０内に、フローＥＣの速度に依存する２つの連続するパルス間のパルス周波数又は平均時間で現れる。より具体的には、軸方向電極１の露出先端１ＰがフローＥＣの上流側に向いている場合、フローＥＣの速度が大きくなると、連続する２つのパルス間の持続時間が長くなる。

本発明のさらなる特徴によれば、このようなパルスは、負のコロナ放電電流を検出するために使用される回路に電源回路４を接続する電気経路の連続性を回避するように、誘導によって検出される。このような検出回路７は、電気接続部１０を取り囲み、ＣＯＭＰＴとラベル付けされたパルスカウンタ９に接続された、検出コイルの形態の少なくともひと巻きの導電ターン８または場合によっては数巻きのターンを含む。従って、電気接続部１０を通過する放電パルスによる誘導によってターン８に誘導される電気パルスをカウントすることが可能である。例えば、ターン８は、当業者に知られているロゴスキーコイルの形成で実施することができる。

交流である電極の分極電圧と負のコロナ放電の分極電圧について前に与えられた利点から利益を得るために、パルスの検出および計数は、本発明によれば、軸方向電極１の電位が周辺電極２の電位よりも低い時間窓ＦＮ内に制限される。この目的のために、時間窓ＦＮは、供給源５によって供給される電圧が負である期間に含まれる。当業者の専門用語では、これらの期間は、交流電圧の負の半サイクルと呼ばれる。

図２ａは、Ｖ_ＨＴとラベル付けされた電圧の変化を示し、この電圧は、時間tの関数として供給源５によって供給される。好ましくは、これらの変形は、周期的であってもよいが、任意の形成を有してもよい。電圧Ｖ_ＨＴのピーク値は、１ｋＶ（キロボルト）から２０ｋＶの間に含まれてもよく、その周波数は、フローＥＣのガスが空気である場合、数百ヘルツのオーダーであってもよい。ＡＮは、電圧Ｖ_ＨＴの負の半サイクルを示す。

図２ｂは、回路７によって検出されるパルスの計数の活性化のための可能な信号を示す。活性化信号ＡＲＭは、電圧Ｖ_ＨＴの負の半サイクルＡＮに含まれるパルスである時間窓ＦＮ内のパルスのカウントを許可する。Ｔ_ＦＮは、各タイムウィンドウＦＮの持続時間を指定する。

電圧Ｖ_ＨＴの各正の半サイクルの間、軸方向電極１の端部１Ｐの前に存在する残留負電荷および残留正電荷は中和される。このようにして、新たなパルス計数ウィンドウＦＮを、初期の寄生電荷なしに開始することができる。

図２ｃは、回路７によって検出される電気パルスIの時間分布の実施例であり、これらのパルスＩは、電圧の正の半サイクル中および負の半サイクル中の両方で生じるが、負の半サイクル中のパルスのみが、フローＥＣの速度の信頼できる測定を得るのに十分に規則的である。図２ｃは、例えば、導電ターン８の端部間に存在する電圧Ｖ_{ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ}の絶対値を表す。

最後に、図２ｄは、電圧Ｖ_ＨＴの２つの連続する負の半サイクルの間にカウントが連続的に実行される場合の、パルスＩをカウントする結果の進行を示す。計数結果は、計数時間の最後の時間窓ＦＮの終了後に読み取られ、そして、計数リセットＲＡＺが、パルスの新しい計数のための新しい時間窓ＦＮを開始する前に適用される。

現象論的には、検出される２つの連続するパルス間の平均時間Ｔは、プローブＳが図１に示されるように流れＥＣの上流に向けられるとき、以下の関係に従って、流れＥＣの速度Ｕの増加関数である：Ｔ＝α／（β・Ｖ_ＨＴ-Ｕ）＝Ｔ_ＦＮ／Ｎ。ここで、αおよびβは、電極１および２の幾何学的形状、ガス、および流れＥＣに対するプローブＳの起こり得る傾きに依存する２つの正の定数であり、ここで、Ｔ_ＦＮは、やはり、時間窓ＦＮの持続時間であり、Ｎは、１つの時間窓ＦＮの間にカウントされる信号Ｉの数である。より正確な結果を得るために、図２ｄに示されるように、いくつかの連続する時間窓ＦＮの間にパルスＩを連続的にカウントし、次いで、カウント結果を総カウントの時間窓ＦＮの数で割ることが可能である。

一般に、本発明では、このような現象学的関係が使用される場合、定数αおよびβは、有用な測定のためのものと同じガス、有用な測定のためのものとキャリブレーションシーケンスの間の流量ＥＣに対するプローブＳの同じ配向、および供給源５によって生成される同じ交流電圧Ｖを有するキャリブレーションシーケンスを使用することによって決定することができる。このようなキャリブレーションシステムは、以下の２つの測定値を含むことができる。
・第１のキャリブレーション測定の間、フローＥＣの速度はゼロ（Ｕ＝０）であり、カウントされるパルスの数はＮ_０である。そして、α／（β・Ｖ_ＨＴ）＝Ｔ_ＦＮ／Ｎ_０である。
・第２のキャリブレーション測定の間、フローＥＣのスピードはゼロではなく、既知であり、Ｕ_１に等しく、カウントされるパルスの数はＮ_１である。そして、α／（β・Ｖ_ＨＴ-Ｕ_１）＝Ｔ_ＦＮ／Ｎ_１となる。

したがって、有用な測定のために、フローＥＣの速度Ｕは、Ｕ＝Ｕ_１・（Ｎ_０＿Ｎ）／（Ｎ_０＿Ｎ_１）によって与えられ、ここでＮは有用な測定のためにカウントされるパルスＩの数である。キャリブレーションシーケンスは、最初に一度実行することができ、または速度Ｕが他の方法を使用して既知である場合には、連続する有用な測定の間に数回繰り返すことができる。そのような他の方法は、例えば、ＧＰＳ測定値、または、支持ＡＶが浮いている場合、特にピトー管型プローブである場合には異なる種類の搭載センサであってもよい。

本発明による装置の測定ダイナミックは、電極１と２との間に印加される交流電圧Ｖ_ＨＴの振幅によって制御することができる。実際、このダイナミックは、それ自体が交流電圧Ｖ_ＨＴの増加関数である、各時間窓ＦＮにおけるパルスＩの平均数によって制御される。従って、フローＥＣの速度Ｕの小さな値、例えば毎秒１０メートルのオーダー、及び速度Ｕの高い値、例えば毎秒数百メートルのオーダーに対して良好な感度を得ることが可能である。

本発明のさらなる利点は、電磁障害に敏感であり得るアナログ測定とは異なり、取得された測定信号のデジタル特性に起因する。

図３は、本発明による速度測定装置の別の実施例を示す。この実施例では、周辺電極２は、絶縁エンベロープ３の外面上に配置され、軸方向電極１の端部１Ｐに対してガスのフローＥＣの下流に向かって凹んでいる。

安定抵抗６は、プローブＳ内に収容することができ、軸方向電極１の露出端１Ｐの反対側で軸方向電極１の後部を取り囲む低導電率材料の円筒から形成することができる。このシリンダは、軸方向電極１の後方部分と電気的に接触していてもよく、その後方端部によって、供給源５から来る電気接続部１０にそれ自体が接続されていてもよい。有利には、導電性材料のチューブ１１が、安定抵抗６のシリンダの周りに配置され、安定抵抗６のシリンダとチューブ１１との間の中間にある電気絶縁材料の層１２を有する。次に、チューブ１１をグランドＧに電気的に接続することにより、安定抵抗６のシリンダとチューブ１１が円筒形コンデンサを形成する。プローブＳが供給源５によって交流電圧で給電されるとき、安定抵抗６のシリンダ内、およびこのコンデンサ内を流れる電流は、抵抗加熱によって安定抵抗６のシリンダ内に熱を生成する。絶縁エンベロープ３の電気絶縁材料も熱絶縁性である場合、プローブＳの構成は、安定抵抗６の円筒内で生成される熱を軸方向電極１上に集中させる。このような加熱は、軸方向電極１の露出端１Ｂ上に氷が形成されないことを確実にするために、または氷を溶融するために使用され得る。次に、軸方向電極１の加熱パワーは、交流電圧の時間変化の周波数または形状を変えることによって、特に、計数パルスＩに専用の時間窓ＦＮの持続時間を変えることなく、この交流電圧の立ち上がりエッジの勾配を変えることによって調整することができ、実際に、安定抵抗６のシリンダおよび管１１によって形成されるコンデンサを通過する電流は、軸方向電極１の加熱パワーを変えるように変更することができる。軸方向電極１を加熱するためのこのようなモードは、電極１、ガス及び電極２を通過する放電電流の存在及び平均強度とは無関係である。例えば、安定抵抗６の円筒の材料は、導電性樹脂またはグラファイト（Ｃ）であってもよく、チューブ１１は、アルミニウム（Ａｌ）合金または導電性金属であってもよい。中間層１２は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、マイラー（Ｍｙｌａｒ）（登録商標）、カプトン（Ｋａｐｔｏｎ）（登録商標）などのポリマー、または破壊電圧が電圧Ｖ_ＨＴの最大絶対値よりも大きい絶縁セラミックであってもよく、絶縁エンベロープ３はポリマーまたはセラミックであってもよい。

検出回路７のターン８は、軸方向電極１の露出端１Ｐと安定抵抗６のシリンダの前端との間の絶縁エンベロープ３の内側で、軸方向電極１の周りに配置することができる。このような配置のおかげで、ガスを通る放電パルスの検出は、軸方向電極１を加熱するために使用され得る電流によって妨害されない。

このような実施形態の利点は、そのコンパクトさである。実際、プローブＳは、直径が約１ｃｍで長さが数センチメートルの円筒形として形成することができる。

本発明は、上記で詳細に説明した実施形態と比較して、その第２の態様を変更することによって再現することができることが理解される。特に、検出回路のパルスカウンタは、積分器を組み込むことによって、または組み込まないことによって、いくつかの方法で実施することができる。さらに、２つの電極間に印加される交流電圧は、必ずしも正弦波である必要はないことを想起されたい。

Claims (15)

1. ガス流速を測定するための装置であって、
   ガス流に配置されることを意図した剛性プローブであって、ガスに接触することを意図した露出端を有する軸方向電極を備え、前記露出端は、チップ効果による電界を強化するのに適した曲率半径を有し、前記軸方向電極から電気的に絶縁されてガスに接触することを意図した露出部分を有する周辺電極であって、前記軸方向電極と離れて配置される周辺電極を備える剛性プローブと、
   前記軸方向電極と前記周辺電極とに電気的に接続された２つの出力端子を有する電圧供給源であって、交流電圧を印加する供給源と、
   前記供給源の端子の一つに接続される前記プローブの電極の一つに接続される電気接続部の周りに配置されるか、または前記軸方向電極の周りに配置される少なくとも一巻きの導電ターンと、前記軸方向電極の電位が前記周辺電極の電位よりも少ない少なくとも１つの時間窓で選択的に、前記導電ターンに誘導される電気パルスをカウントするために配置されるカウンタとを備える検出回路と、を備え、
   前記プローブに前記供給源によって交流電圧が供給されると、ガスを介して前記軸方向電極と前記周辺電極との間に現れる放電の数に対応する、前記検出回路によって計数される電気パルスの数が、ガスの流れの速度の測定値を構成する
   ことを特徴とする装置。
2. 前記周辺電極の露出部分は、前記軸方向電極の露出端の対称軸を中心とする環状形状を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記周辺電極の露出部分は、前記軸方向電極の露出端に対して、前記軸方向電極の露出端とは反対の方向で陥凹している、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記プローブの電極の１つと、前記電極に接続された前記供給源の端子との間に直列に接続された安定抵抗をさらに含み、前記安定抵抗は前記プローブ内に配置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記安定抵抗は、前記軸方向電極の露出端の反対側で、前記軸方向電極の後端の周りの前記プローブ内に配置され、前記軸方向電極の前記後端の周面と電気的に接触している、請求項４に記載の装置。
6. 前記安定抵抗は、導電性材料の円筒によって形成され、前記プローブは、前記安定抵抗の円筒とコンデンサを形成するように配置され電気的に接続された導電性チューブをさらに含み、それにより、前記プローブが前記供給源によって供給されるときに前記コンデンサ内を流れる電流が、前記安定抵抗の円筒内でジュール効果によって前記軸方向電極を加熱するのに適した熱を生成する、請求項５に記載の装置。
7. 前記導電ターンは、前記軸方向電極から電気的に絶縁されている一方で、前記安定抵抗のシリンダによって覆われていない前記軸方向電極の一部の周りの前記プローブに配置されている、請求項６に記載の装置。
8. ガス流速を測定するための方法であって、
   （１）チップ効果を介して電界を強化するのに適した曲率半径を有する１つの露出端を有する軸方向電極と、前記軸方向電極から電気的に絶縁され、前記軸方向電極から離れて位置する露出部分を有する周辺電極とを備える剛性プローブを提供し、
   （２）前記プローブをガス流内に配置し、前記軸方向電極の露出端と前記周辺電極の露出部分とが同時にガスと接触するようにし、
   （３）電極間のガスを通して放電させるため、前記軸方向電極と前記周辺電極との間に交流電圧を印加し、
   （４）交流電圧を電極に印加するために使用される電気接続部の周りに配置された、または前記軸方向電極の周りに配置された少なくとも一巻きの導電ターンにおける誘導によって生成される電気パルスであって、前記軸方向電極の電位が前記周辺電極の電位よりも低い少なくとも１つの時間窓の間に選択的にガスを通じたフロー放電に対応する電気パルスを検出および計数し、
   （５）電気パルスの計数の結果からガス流速を導出する
   ことを特徴とする方法。
9. 前記プローブは、前記軸方向電極の露出端がガス流の上流方向に向けられ、前記軸方向電極の露出端の対称軸が前記ガス流に平行であるように、前記ガス流に対して配向される、請求項８に記載の方法。
10. 前記電気パルスの計数は、いくつかの連続する時間窓にわたって継続され、各時間窓は、互いに別個に、前記周辺電極の電位に対する前記軸方向電極の電位の負の半サイクルに含まれる、請求項８または９に記載の方法。
11. 単一の時間窓内で連続する２つの電気パルス間の平均時間、または単一の時間窓内の電気パルスの平均周波数が計算され、ガス流速の値が、前記平均時間または前記平均周波数から推定される、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記ガス流の速度は、式U=U₁・(N₀-N)/(N₀-N₁)を使用することによって計算され、ここで、Ｎ_０は、前記ガス流の速度がゼロである間に実行される第１のキャリブレーション測定のためにカウントされる第１の電気パルス数であり、Ｎ１は、前記ガス流の速度がゼロでなく、Ｕ_１に等しいときに実行される第２のキャリブレーション測定のためにカウントされる第２の電気パルス数であり、Ｎは、有用な測定のためにカウントされる第３の電気パルス数であり、Ｕは、有用な測定の間の前記ガス流の速度の値であり、前記プローブの２つの電極間に印加される交流電圧は、キャリブレーション測定および有用な測定の両方について同一である
    請求項８〜１１の何れか１項に記載の方法。
13. 請求項８〜１２のいずれか１項に記載の方法であって、請求項６または７に記載の装置を使用することによって実施され、安定抵抗において散逸される加熱電力は、供給源によって生成される交流電圧の周波数または形状を変更することによって調整される方法。
14. 前記プローブは、航空機の外部の空気に対して移動するのに適した航空機に搭載され、前記航空機の外部の空気の流れ内に維持されるように前記航空機に堅固に取り付けられる、請求項８〜１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記プローブの周辺電極が前記航空機のグランドに電気的に接続され、前記周辺電極の電位が航空機のグランドの電位に等しいままである、請求項１４に記載の方法。

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