WO2012080358A1 - Dispositif de mesure de vitesse et/ou direction d'un écoulement fluide le long d'un véhicule, et procédé correspondant - Google Patents

Dispositif de mesure de vitesse et/ou direction d'un écoulement fluide le long d'un véhicule, et procédé correspondant Download PDF

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WO2012080358A1
WO2012080358A1 PCT/EP2011/072803 EP2011072803W WO2012080358A1 WO 2012080358 A1 WO2012080358 A1 WO 2012080358A1 EP 2011072803 W EP2011072803 W EP 2011072803W WO 2012080358 A1 WO2012080358 A1 WO 2012080358A1
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WO
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thin plate
fluid flow
vehicle
fluid
vibratory
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/072803
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Inventor
Vincent Gibiat
Claude Nouals
Samuel Rodriguez
Original Assignee
Institut Supérieur De L'aéronautique Et De L'espace
Universite Paul Sabatier Toulouse Iii
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Publication date
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/02—Indicating direction only, e.g. by weather vane
    • G01P13/025—Indicating direction only, e.g. by weather vane indicating air data, i.e. flight variables of an aircraft, e.g. angle of attack, side slip, shear, yaw
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/01—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by using swirlflowmeter
    • G—PHYSICS
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    • G01P5/14—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring differences of pressure in the fluid

Definitions

  • the present invention generally relates to measuring the velocity of a fluid flow along the surface of a vehicle.
  • the pitot tube comprises in fact two concentric bent tubes, each having an orifice in communication with the fluid flow whose speed is to be measured.
  • the outer tube opens perpendicular to the flow of the fluid, while the inner tube is open at its end, facing the flow.
  • the outer tube measures the static pressure, and the inner tube the stop pressure. From the measured values of these two pressures, it is possible to calculate the fluid velocity.
  • This type of probe because of its small size and the diameter of the tubes, is quite fragile and likely to get dirty or clogging which makes it impossible to measure speed.
  • the main defect is related to its position facing the flow, away from the wall to exit the "fluid boundary layer" area where the measurement of speed would not be correct. This position subjects the probe to the risk of icing and clogging of the tubes, so that it must be equipped with a heating device.
  • the invention aims at providing a device for measuring a characteristic representative of the speed of a fluid flow along the surface of a vehicle, which is more reliable than the measurement obtained by the Pitot probes. .
  • the invention relates to a measuring device comprising:
  • At least one thin plate bonded to the surface of the vehicle, arranged in such a way that the fluid flow flows along and in contact with a large face of the thin plate, so that the fluid flow influences the vibratory properties of the plate, in particular the resonant frequencies of the plate;
  • a device for determining said characteristic representative of the speed of the fluid flow as a function of the measured resonance frequency a device for determining said characteristic representative of the speed of the fluid flow as a function of the measured resonance frequency.
  • the thin plate can be placed at the outer surface of the vehicle. This is particularly advantageous in the case of an aircraft, since the probability of the measurement being disturbed by icing is considerably reduced by compared to a device of the Pitot probe type. It is therefore not necessary to equip it with an anti-icing heater. The device is therefore simple technically and economically.
  • the device may also have one or more of the features below, considered individually or in any technically feasible combination.
  • the device for measuring a resonant frequency of the thin plate comprises a vibratory excitation device intended to transmit a vibrating excitation signal to the thin plate, and a sensor for measuring the vibratory behavior of the thin plate under the effect of vibratory excitation signal and fluid flow.
  • the vibratory excitation device is adapted to transmit to the thin plate a vibratory excitation signal covering a predetermined frequency range (for example: a sliding sinus, a broadband noise).
  • a vibratory excitation signal covering a predetermined frequency range (for example: a sliding sinus, a broadband noise).
  • a predetermined frequency range for example: a sliding sinus, a broadband noise.
  • the vibratory excitation device is provided for transmitting to the thin plate a vibratory excitation signal adapted to place the thin plate in self-oscillation.
  • a vibratory excitation signal adapted to place the thin plate in self-oscillation.
  • the device comprises a device for measuring parameters representative of the thermodynamic conditions of the fluid around the vehicle, such as the density and / or the pressure and / or the temperature of the fluid around the vehicle, the determination device determining said representative characteristic of the speed fluid flow also according to said parameters representative of thermodynamic conditions.
  • the speed measurement is more precise.
  • the device comprises:
  • a reference thin plate connected to the surface of the vehicle, arranged to be in contact with the fluid without the fluid flowing along a large face of the reference thin plate;
  • the determining device being provided for determining said characteristic representative of the velocity of the fluid flow as a function of both the resonant frequency measured for the thin plate and the resonant frequency measured for the reference thin plate.
  • the speed measurement is more precise.
  • the determination device comprises a computer provided for determining said characteristic representative of the speed of the fluid flow using equations and / or tables and / or graphs.
  • the thin plate has a first dimension in a first direction and a second dimension greater than the first dimension in a second direction perpendicular to the first direction, the determining device being provided to determine a characteristic representative of the flow velocity fluid in said first direction.
  • the device comprises:
  • a second thin plate bonded to the surface of the vehicle, arranged so that the fluid flows along and in contact with a large face of the second thin plate, so that the fluid flow influences the vibratory properties of said second thin plate, particularly the resonant frequencies of said second thin plate, the second thin plate having a first dimension in the first direction and a second dimension smaller than the first dimension in the second direction;
  • a second device for determining a characteristic representative of the velocity of the fluid flow in the second direction as a function of the resonance frequency measured for the second thin plate is possible to determine the components of the velocity of the fluid flow in several directions.
  • the device comprises a device for determining the direction of the fluid flow in the plane of the plates, as a function of the parameters representative of the velocities of the fluid flow in the first and second directions.
  • the invention relates to a vehicle comprising an outer surface and a device for measuring a characteristic representative of the speed of a fluid flow along said outer surface, the device having the above characteristics.
  • the vehicle may also have one or more of the features listed below, considered individually or in any technically feasible combination.
  • the thin plate is an extension of the external surface.
  • the thin plate used to make the measurement is substantially not protruding from the outer surface. The risk of being damaged by shock or frost is reduced.
  • the outer surface has an orifice, the thin plate being attached to the orifice and forming an extension of the outer surface.
  • the fact that the thin plate is attached makes the measuring device particularly easy to assemble and is economical.
  • the thin plate is a zone of matter with the outer surface.
  • the thin plate is mounted particularly reliably on the vehicle.
  • the plate is an integral part of the outer shell. It is delimited by reducing the thickness of the shell on the surface corresponding to the plate.
  • the plate is an integral part of the outer shell. It is bounded on its contour by rigid reinforcements.
  • the invention relates to a method for measuring a characteristic representative of the speed of a fluid flow along a surface of a vehicle, the method comprising the following steps:
  • FIG. 1 is a simplified schematic representation of an aircraft equipped with a device according to the invention, for measuring a characteristic representative of the speed of a fluid flow along the surface of the aircraft;
  • FIG. 2 is a sectional view of the wing area of the aircraft of Figure 1 in which is mounted the thin plate of the measuring device;
  • FIG. 3 is a graph showing by way of example the evolution of the resonance frequency of the plate of FIG. 2 as a function of the speed of the flow of air along the wing of the plane ;
  • FIG. 4 is a top view of an area of the wing of an aircraft for an alternative embodiment in which the measuring device comprises a reference plate;
  • FIG. 5 is a view similar to that of Figure 2, showing in section the area of the wing carrying the reference plate;
  • FIG. 6 is a sectional view illustrating a second possible arrangement for the reference plate
  • FIG. 9 is a graphical representation showing the evolution as a function of time of the vibratory excitation signal of the measuring device plate (top curve), and of the signal collected by the measurement sensor (bottom curve), in the case where the vibratory excitation signal is a sliding sinusoid;
  • FIG. 10 is the representation of the amplitudes of the Fourier transforms of the signals of FIG. 9;
  • Figure 1 1 is a view similar to that of Figure 2 and illustrates a vibratory excitation device adapted to place the thin plate self-oscillation;
  • FIG. 12 is a view similar to that of FIG. 11, and illustrates another type of excitation device adapted to place the thin plate in self-oscillation;
  • the measuring device comprises two elongate plates perpendicular to each other, provided to allow the measurement of the direction of the fluid flow in the plane of the two plates;
  • FIG. 14 is a sectional view of the wing area in which are mounted the two plates of Figure 13.
  • the aircraft 1 shown in FIG. 1 is equipped with a device 3 intended for measuring a characteristic representative of the speed of the fluid along the outer surface of the aircraft.
  • the device 3 could also be used for all kinds of other vehicles: commercial aircraft, military aircraft, helicopters, cars, boats, etc.
  • the device 3 is designed to measure the speed of the fluid along the fuselage or along the wings of the aircraft, while the latter is in flight.
  • the speed thus measured is the relative speed of air relative to the aircraft, which is particularly important information for the pilot. Indeed, this speed must be maintained above a lower limit, corresponding to the stall speed of the aircraft. It must also be kept below a predetermined maximum limit. Finally, knowing the speed of the wind, the speed of airflow along the plane makes it possible to calculate the speed of the aircraft relative to the ground.
  • the measuring device 3 comprises:
  • At least one thin plate 5 bonded to the outer surface of the aircraft, arranged in such a way that the fluid flows along and in contact with a large face of the thin plate, so that the flow of the fluid influences the vibratory properties of the plate;
  • the plate 5 is typically a plate with a thickness of between 0.1 and 5 mm. Preferably, its thickness is between 0.5 and 3 mm, and more preferably between 0.5 and 1.5 mm.
  • the plate 5 is typically made of a metal or a composite material.
  • the plate 5 has for example an area of between 50 and 1000 cm 2 , preferably between 100 and 500 cm 2 , and preferably between 200 and 400 cm 2 .
  • the thin plate 5 is connected to a wing 1 1 of the aircraft or to the fuselage 13 of the aircraft, or to any other part of the airplane along which the air flows when the airplane is in flight .
  • the thin plate 5 is substantially in the extension of the outer surface 15 of the aircraft.
  • the plate 5 is practically not projecting with respect to the external surface 15.
  • the plate is not at all projecting with respect to the external surface 15, one of its large faces being exactly in continuity of the outer surface 15.
  • the plate is slightly protruding from the surface 15, to a height corresponding to the thickness of the plate.
  • the plate protrudes from the outer surface 15 to a height less than once its thickness.
  • the outer surface of the aircraft at the thin plate 5 consists of a plate 17 of a metal or a composite material.
  • the plate 17 has an orifice 19.
  • the thin plate 5 is reported in the orifice 19, and completely closes the orifice 19. It is fixed by any means adapted to the peripheral edge 20 of the orifice 19, for example by rivets 21.
  • the peripheral edge 20 is slightly recessed with respect to the outer surface 15, so that a large face of the plate 5 is level with the surface 15.
  • the thin plate 5 is an area of the plate 17. More specifically, the thin plate 5 is an area of the plate 17 in which the thickness of the plate 17 is reduced. For example, the plate 17 has a thickness of 10 mm. The area of the plate 17 defining the thin plate 5 has for example a thickness of 1 mm.
  • the device 7 for vibratory excitation and for measuring the resonance frequency of the thin plate comprises a device 22 for vibratory excitation with a vibratory excitation member 23 provided for transmitting to the thin plate a vibratory excitation signal, and a sensor 25 for measuring the vibratory behavior of the thin plate under the effect of the vibratory excitation signal and the flow of the fluid.
  • This flow is represented by an arrow F in the Figures.
  • the vibratory excitation member 23 is for example a piezoelectric element driven by an electrical signal.
  • the excitation device 22 typically comprises a computer 27, which supplies the electrical control signal of the piezoelectric element.
  • the member 23 is fixed to a large inner face 29 of the thin plate 5.
  • the large face 29 is opposite the large face 30 in contact with which the fluid flows.
  • the sensor 25 is for example an accelerometer, or a piezoelectric cell adapted to measure the local stress applied to the thin plate.
  • the sensor 25 provides a signal representative of the vibratory behavior of the thin plate to the computer 27.
  • the sensor 25 is fixed to the large inner face 29 of the thin plate 5.
  • the excitation member 23 and the sensor 25 may also be embedded in the material constituting the thin plate 5. This is particularly the case when the thin plate is made of a composite material or is a molded part.
  • the computer 27 is adapted to transmit said resonant frequency to the device 9 for determining the characteristic representative of the speed of the fluid flow.
  • the senor 25 transmits the measured signal to a computer separate from the computer 27, which determines the resonance frequency and transmits it to the device 9.
  • the device 9 is a computer or a computer part.
  • the computer 27 and the device 9 can be the same computer or two parts of the same computer.
  • the device 9 is provided to determine the representative characteristic of the speed of the fluid flow using equations and / or tables and / or graphs of the type shown in Figure 3 by way of example.
  • FIG. 3 gives the speed of the fluid flow, expressed in m / s, as a function of the resonance frequency of the plate, expressed in Hz. It has been established by wind tunnel tests, with a thin metal plate of 1 mm thick, rectangular, 16 cm x 20 cm.
  • the resonant frequency of the thin plate 5 depends not only on the air flow velocity along the plate, but also on the thermodynamic conditions of the gas in which the aircraft is moving. These conditions are for example the density of the air, the atmospheric pressure and the temperature of the air. Depending on the altitude at which the aircraft moves, these thermodynamic conditions vary over a wide range.
  • the measuring device of the invention comprises a device for measuring parameters representative of one or more of the thermodynamic conditions of the air, chosen for example from density, pressure and temperature. air around the plane.
  • the determination device 9 determines the representative characteristic of the speed of the fluid flow not only as a function of the resonance frequency determined by the device 7, but also as a function of the parameters representative of the thermodynamic conditions.
  • the device 9 has in memory a network of curves similar to those of FIG. 3, each curve corresponding to specific thermodynamic conditions.
  • the measuring device comprises a second thin plate 31, referred to as a reference plate.
  • the thin reference plate 31 is connected to the outer surface of the aircraft, and is arranged to be in contact with the air, without the fluid flowing along one of its large faces.
  • the measuring device 3 comprises a device 33 for measuring a resonant frequency of the reference thin plate 31.
  • the measuring device 33 is typically of the same type as the device 7 for measuring the resonance frequency of the thin plate 5. It also comprises a vibrating excitation member 35, a measuring sensor for the vibratory behavior of the thin plate. 37, and a calculator 39.
  • the member 35, the sensor 37 and the computer 39 are of the same type and operate in the same way respectively as the vibrating excitation member 23, the sensor 25 and the computer 27.
  • the reference thin plate preferably has the same shape as the thin plate 5, and is preferably excited with an electrical signal identical to the excitation signal of the thin plate 5.
  • the determining device 9 is provided for determining the representative characteristic of the velocity of the fluid flow as a function of both the resonance frequency measured for the thin plate 5 and the resonance frequency measured for the thin plate. reference 31.
  • the device 9 determines the representative characteristic of the speed of the fluid flow using equations, tables and / or graphs giving said representative characteristic as a function of the difference between the two resonance frequencies, or the ratio between the two resonant frequencies.
  • the reference thin plate 31 can be arranged in many ways.
  • the thin reference plate 31 is disposed in the extension of the outer surface of the aircraft. It is mounted as the thin plate 5, on the plate 17 of the wing. It is protected from the flow of fluid by a hood 41.
  • the cover 41 is for example closed towards the front of the aircraft, upwards, and laterally on both sides.
  • the hood 41 is open towards the rear of the aircraft. The opening of the cover is dimensioned so as to allow an exchange between the interior volume defined by the cover 41 and the atmosphere, without however allowing a significant air flow inside the cover along the reference plate 31 .
  • the thin plate reference 31 is placed inside the aircraft. It does not fit in the outer surface of the plane.
  • the thin reference plate 31 is placed under the thin plate 5, a chamber 43 being formed between the two thin plates 5 and 31.
  • the orifice 19 opens into the chamber 43, the thin plate 5 thus being interposed between the chamber 43 and the atmosphere.
  • the large inner face 29 of the thin plate 5 is directly in contact with the air of the chamber 43, the large face 30 being in contact with the external atmosphere.
  • a second orifice 45 is pierced in a wall 47 defining the chamber.
  • the thin reference plate 31 closes the orifice 45.
  • the large face 49 of the thin reference plate is directly in contact with the air of the chamber 43.
  • a conduit 51 directly communicates the internal volume of the chamber 43 with the external atmosphere.
  • the duct 51 is dimensioned such that the pressure, the temperature and the density of the air are the same inside the chamber 43 and in the atmosphere. However, the passage section of the duct 51 is sufficiently low so that the flow of air along the reference plate 31 is virtually zero.
  • the chamber 43 is divided into an upper zone 53 and a lower zone 55 by a partition 57.
  • the partition 57 is airtight, and hermetically separates the zones 53 and 55 one from the other.
  • the large inner face 29 of the thin plate 5 is in contact with the air in the zone 53.
  • the large face 49 of the thin reference plate is in contact with the air located in the lower zone 55. places the zone 55 in communication with the outside atmosphere.
  • the air in zone 53 is not in communication with the outside atmosphere.
  • the variant of Figure 7 has the advantage that the vibrations of the plate 5 can not disturb the measurements made on the plate 31, and vice versa.
  • the thin reference plate 31 is mounted in an orifice of the partition 57.
  • the conduit 51 puts both the zone 53 and the zone 55 in communication with the outside atmosphere.
  • the variant of FIG. 8 makes it possible to ensure the same average thermodynamic conditions on the two faces of each of the vibrating plates.
  • a first example of a vibratory excitation signal transmitted to the thin plate 5 by the excitation member 23 is represented in the upper part of FIG. 9.
  • the amplitude of the excitation is in the ordinate, and the time expressed in second, is on the abscissa.
  • the corresponding signal measured by the sensor 25 is shown in the bottom of Figure 9. Its amplitude is ordinate, and the time is on the abscissa (expressed in seconds).
  • the vibratory excitation signal is a sinusoidal signal sliding in a predetermined frequency range. The frequency of the sinusoidal signal increases with time. It increases for example from 600 Hz to 800 Hz in the time interval from 0 s to 1 s.
  • the frequency analysis of the signals presented in FIG. 10 shows that the excitation signal (upper part of the figure) covers a wide frequency band and that that measured by the sensor 25 (lower part of the figure) has a maximum amplitude. for the 697 Hz frequency. It corresponds to a resonant frequency of the plate.
  • a vibratory excitation device 22 adapted to place the thin plate in auto-oscillation is shown in FIG. 11.
  • This device comprises, in addition to the vibratory excitation member 23, a non-linear electronic circuit 61 and an amplifier 63.
  • the optional nonlinear electronic circuit receives the signal measured by the sensor 25. It facilitates self-oscillation. It transmits a control signal to the amplifier 63, which amplifies the control signal and transmits an amplified control signal to the excitation member 23.
  • Such an excitation signal makes it possible to follow the evolution of the resonance frequency in real time, unlike the sinusoidal sliding type broadband excitation signal, which requires a significant acquisition time and causes a delay in the measurement. .
  • the self-oscillation setting makes it possible to obtain a better signal-to-noise ratio because the energy of the excitation signal is concentrated on a reduced frequency interval, unlike the broadband excitation signals.
  • vibratory excitation device 22 adapted to place the thin plate in self-oscillation is shown in FIG. 12. This device comprises, in addition to the vibrating excitation member 23, a first amplifier 65, a phase-locked loop 67 and a second amplifier 69.
  • the first amplifier 65 receives the measured signal 78 by the sensor 25, amplifies it and transmits an amplified signal 79 to the phase-locked loop 67.
  • the phase-locked loop 67 includes, without limitation, at least one phase comparator 71, a voltage controlled oscillator 73 and a low pass filter 75.
  • the voltage controlled oscillator 73 transmits an excitation signal 77 to the second amplifier 69 and phase comparator 71.
  • the phase comparator 71 receives both the excitation signal 77 and the amplified measurement signal 79 from the first amplifier 65.
  • the self-oscillation setting by a phase-locked loop has two advantages: the control of the amplitude of the signal 77 which depends only on the oscillator and therefore the power supply of the electronic component; the selectivity of the mode on which the system will auto-oscillate, choosing the capture range of the loop in such a way that it includes the resonant frequency of the plate.
  • the thin plate 5 has a first dimension in a first direction and a second dimension greater than the first dimension in a second direction perpendicular to the first, the determining device 9 being provided to determine a characteristic representative of the speed of the fluid in the first direction.
  • the first and second directions are both perpendicular to the thickness of the plate.
  • the first and second dimensions therefore correspond to the dimensions of the large faces of the plate. It has indeed been observed that the resonance frequency of the plate is almost sensitive only to the component of the velocity of the fluid flow in the first direction, when the ratio between the second dimension and the first dimension is greater than a value. predetermined.
  • the second dimension is for example between three and ten times the first dimension, preferably between four and eight times the first dimension, and still preferably between five and six times the first dimension. For example, it is worth five times the first dimension.
  • the first direction corresponds for example to the direction of normal movement of the aircraft.
  • the measuring device comprises two thin plates 91 and 93.
  • the first thin plate 91 has in the first direction X a first dimension much smaller than its second dimension, taken in the direction Y.
  • the X and Y directions are indicated by arrows in FIG. 13.
  • the second dimension is between three and ten times the first dimension, preferably between four and eight times the first dimension, and preferably between between five and six times the first dimension, and is for example five times the first dimension.
  • the thin plate 93 has in the first direction X a first dimension much greater than the second dimension taken in the direction Y.
  • the first dimension of the plate 93 is between three and ten times its second dimension, preferably between four and eight times its second dimension, still preferably between five and six times its second dimension and is for example five times its second dimension.
  • the two thin plates 91 and 93 are arranged as the plate 5 described above, that is to say so that the fluid flows along and in contact with a large face of each of the two plates .
  • the measuring device 3 also comprises a vibratory excitation device and a resonance frequency measuring device 95, 97 for each of the two plates, of the type described above.
  • the measuring device 3 also comprises, for the first thin plate 91, a device 99 designed to determine a characteristic representative of the speed of the fluid in the first direction as a function of the resonance frequency measured for the plate 91 by the measuring device 95. It also comprises a device 101 for determining a characteristic representative of the speed of the fluid flow in the second direction, as a function of the resonance frequency measured for the second thin plate 93 by the device 97. It finally comprises a device Determining the direction of fluid flow in the plane of the plates, as a function of the parameters representative of the velocities of the fluid flow in the first and second directions.
  • the angle of incidence is the direction of flow measured by the system.
  • the devices 99, 101 and 103 are for example parts of the same computer or can be different computers from each other.
  • the vibratory excitation device 22 produces a vibratory excitation signal transmitted to the thin plate by the vibratory excitation member 23.
  • the thin plate vibrates under the effect of the vibratory excitation signal and its vibratory properties, in particular its resonance frequencies are modified by the fluid flow along and in contact with the large face 30.
  • the senor 25 measures a signal representative of the vibratory behavior of the thin plate.
  • the nature of the measured signal is a function of the type of sensor used.
  • the measured signal is transmitted to the computer 27, which deduces the resonance frequency of the thin plate 5.
  • Said resonance frequency is transmitted in turn to the determination device 9, which evaluates the representative characteristic of the speed of the fluid flow as a function of the previously determined resonant frequency.
  • the measuring device has been described above in an application where it is sought to determine the speed of the flow of air relative to the surface of a vehicle. However, it also applies to the measurement of a characteristic representative of the speed of a fluid flow that is not air.
  • the gas could be the atmosphere of a planet other than the earth.
  • the measuring device may comprise a plurality of thin plates, each associated with a device for measuring its resonance frequency.
  • the device for measuring the resonant frequency can be entirely dedicated to a plate, or partially common to several plates.
  • Thin plates may be provided to perform redundant velocity measurements, so that when one of the plates is not operational, the other plates provide a velocity value.
  • the different plates can also be used to each provide a signal, these signals being processed so as to increase the accuracy of the measurement.
  • the plates may be of suitable shapes to provide measurements of the components of the velocity of the fluid flow in different directions. They may also be arranged to provide an indication of the direction of fluid flow with respect to a given direction, as described above.
  • the resonance frequency of the thin plate used to determine the velocity of the fluid flow may be a resonant frequency of any mode of vibration, provided that a sufficiently accurate measurement is possible.
  • the representative characteristic of the velocity of the fluid flow can be expressed in many ways. It can be expressed as a speed value, a flow value, a kinetic energy value, etc. This characteristic can be homogeneous at a speed, or can be used to calculate the speed of fluid flow in a simple manner. It can be expressed as a voltage. The characteristic may also be a range of speed, or be associated in a one-to-one manner with a predetermined speed range.

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Abstract

Dispositif de mesure de vitesse et/ou direction d'un écoulement fluide le long d'un véhicule, et procédé correspondant Le dispositif de mesure d'une caractéristique représentative de la vitesse d'un écoulement fluide le long d'une surface d'un véhicule, le dispositif (3) comprend : - au moins une plaque mince (5) liée à la surface du véhicule, agencée de manière que l'écoulement fluide s'écoule le long et au contact d'une grande face de la plaque mince (5), de telle sorte que l'écoulement fluide influe les propriétés vibratoires de la plaque, en particulier ses fréquences de résonance (5); - un dispositif (7) d'excitation vibratoire et de mesure d'une fréquence de résonance de la plaque mince (5) mise en vibration; et - un dispositif (9) de détermination de ladite caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide en fonction de la fréquence de résonance mesurée.

Description

Dispositif de mesure de vitesse et/ou direction d'un écoulement fluide le long d'un véhicule, et procédé correspondant
La présente invention concerne en général la mesure de la vitesse d'un écoulement fluide le long de la surface d'un véhicule.
II est connu d'utiliser dans ce but des sondes de vitesse dites « tubes de Pitot >>.
Ces sondes sont utilisées à bord d'avions, de bateaux ou d'automobiles type Formule 1 , pour mesurer la vitesse du fluide par rapport au véhicule. Le tube de Pitot comporte en fait deux tubes coudés concentriques, ayant chacun un orifice en communication avec l'écoulement fluide dont on veut mesurer la vitesse. Le tube extérieur s'ouvre perpendiculairement à l'écoulement du fluide, alors que le tube intérieur est ouvert à son extrémité, face à l'écoulement. Le tube extérieur permet de mesurer la pression statique, et le tube intérieur la pression d'arrêt. A partir des valeurs mesurées de ces deux pressions, il est possible de calculer la vitesse du fluide.
Ce type de sonde, du fait de sa petite taille et du diamètre des tubes, est assez fragile et susceptible de se s'encrasser, voire de se boucher ce qui rend impossible la mesure de vitesse.
Sur avions, le principal défaut est lié à sa position face à l'écoulement, écartée de la paroi afin de sortir de la « couche limite fluide» zone où la mesure de la vitesse ne serait pas correcte. Cette position soumet la sonde au risque de givrage donc d'obstruction des tubes, de telle sorte qu'elle doit être équipée d'un dispositif de chauffage.
Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un dispositif de mesure d'une caractéristique représentative de la vitesse d'un écoulement fluide le long de la surface d'un véhicule, qui soit plus fiable que la mesure obtenue par les sondes de Pitot.
A cette fin, l'invention porte sur un dispositif de mesure comprenant :
- au moins une plaque mince liée à la surface du véhicule, agencée de manière à ce que l'écoulement fluide s'écoule le long et au contact d'une grande face de la plaque mince, de telle sorte que l'écoulement fluide influe les propriétés vibratoires de la plaque, en particulier les fréquences de résonance de la plaque ;
- un dispositif d'excitation vibratoire et de mesure d'une fréquence de résonance de la plaque mince mise en vibration ;
- un dispositif de détermination de ladite caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide en fonction de la fréquence de résonance mesurée.
Ainsi, la plaque mince peut être placée au niveau de la surface extérieure du véhicule. Ceci est particulièrement avantageux dans le cas d'un avion, puisque la probabilité que la mesure soit perturbée par le givrage est considérablement réduite par rapport à un dispositif du type sonde de Pitot. Il n'est donc pas nécessaire de l'équiper d'un chauffage anti-givrage. Le dispositif est donc simple techniquement, et économique.
Le dispositif peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci- dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Le dispositif de mesure d'une fréquence de résonance de la plaque mince comprend un dispositif d'excitation vibratoire prévu pour transmettre à la plaque mince un signal d'excitation vibratoire, et un capteur de mesure du comportement vibratoire de la plaque mince sous l'effet du signal d'excitation vibratoire et de l'écoulement fluide.
Le dispositif d'excitation vibratoire est prévu pour transmettre à la plaque mince un signal d'excitation vibratoire couvrant une fourchette de fréquences prédéterminée (par exemple : un sinus glissant, un bruit large bande). Un tel signal d'excitation permet une mesure robuste.
En variante, le dispositif d'excitation vibratoire est prévu pour transmettre à la plaque mince un signal d'excitation vibratoire adapté pour placer la plaque mince en auto-oscillation. Un tel signal d'excitation permet de suivre en temps réel l'évolution de la fréquence de résonance. Il permet d'obtenir un bon rapport signal à bruit.
Le dispositif comprend un dispositif de mesure de paramètres représentatifs de conditions thermodynamiques du fluide autour du véhicule, tels que la densité et/ou la pression et/ou la température du fluide autour du véhicule, le dispositif de détermination déterminant ladite caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide également en fonction desdits paramètres représentatifs de conditions thermodynamiques. Ainsi, la mesure de vitesse est plus précise. Le fait de mesurer directement les paramètres représentatifs des conditions thermo-dynamiques du fluide permet de réaliser des mesures robustes et fiables.
Alternativement, le dispositif comprend :
. une plaque mince de référence liée à la surface du véhicule, agencée de manière à être en contact avec le fluide sans que le fluide ne s'écoule le long d'une grande face de la plaque mince de référence ;
. un dispositif d'excitation vibratoire et de mesure d'une fréquence de résonance de la plaque mince de référence mise en vibration ;
le dispositif de détermination étant prévu pour déterminer ladite caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide en fonction à la fois de la fréquence de résonance mesurée pour la plaque mince et de la fréquence de résonance mesurée pour la plaque mince de référence. Ainsi, la mesure de vitesse est plus précise. Le fait d'utiliser une plaque mince de référence, similaire à la plaque mince, permet de rendre la mesure indépendante des propriétés thermodynamiques du milieu.
Le dispositif de détermination comprend un calculateur prévu pour déterminer ladite caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide à l'aide d'équations et/ou de tables et/ou de graphes.
Alternativement, la plaque mince présente une première dimension suivant une première direction et une seconde dimension supérieure à la première dimension suivant une seconde direction perpendiculaire à la première direction, le dispositif de détermination étant prévu pour déterminer une caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide selon ladite première direction. Ainsi, il est possible de déterminer simplement la vitesse de l'écoulement fluide selon une direction déterminée, par exemple la direction de déplacement du véhicule.
Le dispositif comprend :
. une seconde plaque mince liée à la surface du véhicule, agencée de manière que le fluide s'écoule le long et au contact d'une grande face de la seconde plaque mince, de telle sorte que l'écoulement fluide influe les propriétés vibratoires de ladite seconde plaque mince, en particulier les fréquences de résonance de ladite seconde plaque mince, la seconde plaque mince présentant une première dimension suivant la première direction et une seconde dimension inférieure à la première dimension suivant la seconde direction ;
. un second dispositif d'excitation vibratoire et de mesure d'une fréquence de résonance de la seconde plaque mince mise en vibration ;
. un second dispositif de détermination d'une caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide selon la seconde direction en fonction de ladite fréquence de résonance mesurée pour la seconde plaque mince. Ainsi, il est possible de déterminer les composantes de la vitesse de l'écoulement fluide selon plusieurs directions.
Le dispositif comprend un dispositif de détermination de la direction de l'écoulement fluide dans le plan des plaques, en fonction des paramètres représentatifs des vitesses de l'écoulement fluide selon les première et seconde directions. Ainsi, il est possible de déterminer la direction de l'écoulement fluide de manière simple, fiable et économique.
Selon un second aspect, l'invention porte sur un véhicule comprenant une surface externe et un dispositif de mesure d'une caractéristique représentative de la vitesse d'un écoulement fluide le long de ladite surface externe, le dispositif présentant les caractéristiques ci-dessus. Le véhicule peut en outre présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci- dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
La plaque mince s'inscrit dans le prolongement de la surface externe. Ainsi, la plaque mince servant à réaliser la mesure n'est pratiquement pas en saillie par rapport à la surface externe. Le risque qu'elle soit endommagée par choc ou qu'elle givre est réduit.
La surface externe présente un orifice, la plaque mince étant rapportée dans l'orifice et s'inscrivant dans le prolongement de la surface externe. Le fait que la plaque mince soit rapportée rend le dispositif de mesure particulièrement simple à monter et est économique.
La plaque mince est une zone venue de matière avec la surface externe. Ainsi, la plaque mince est montée de manière particulièrement fiable sur le véhicule.
La plaque est partie intégrante de la coque externe. Elle est délimitée en diminuant l'épaisseur de la coque sur la surface correspondant à la plaque.
La plaque est partie intégrante de la coque externe. Elle est délimitée sur son contour par des renforts rigides.
Selon un troisième aspect, l'invention porte sur un procédé de mesure d'une caractéristique représentative de la vitesse d'un écoulement fluide le long d'une surface d'un véhicule, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- agencer une plaque mince liée à la surface du véhicule de manière que le fluide s'écoule le long et au contact d'une grande face de la plaque mince, l'écoulement fluide influant les propriétés vibratoires de la plaque, en particulier les fréquences de résonance de la plaque;
- mettre en vibration la plaque mince et mesurer une fréquence de résonance de la plaque mince mise en vibration ;
- déterminer ladite caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide en fonction de la fréquence de résonance mesurée.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la Figure 1 est une représentation schématique simplifiée d'un avion équipé d'un dispositif conforme à l'invention, pour la mesure d'une caractéristique représentative de la vitesse d'un écoulement fluide le long de la surface de l'avion;
- la Figure 2 est une vue en coupe de la zone de l'aile de l'avion de la Figure 1 dans laquelle est montée la plaque mince du dispositif de mesure ; - la Figure 3 est un graphique montrant à titre d'exemple l'évolution de la fréquence de résonance de la plaque de la Figure 2 en fonction de la vitesse de l'écoulement de l'air le long de l'aile de l'avion ;
- la Figure 4 est une vue de dessus d'une zone de l'aile d'un avion pour une variante de réalisation dans laquelle le dispositif de mesure comporte une plaque de référence ;
- la Figure 5 est une vue similaire à celle de la Figure 2, montrant en coupe la zone de l'aile portant la plaque de référence ;
- la Figure 6 est une vue en coupe illustrant une seconde disposition possible pour la plaque de référence ;
- les Figures 7 et 8 sont des vues similaires à celle de la Figure 6, et montrent d'autres dispositions possibles pour la plaque de référence ;
- la Figure 9 est une représentation graphique montrant l'évolution en fonction du temps du signal d'excitation vibratoire de la plaque du dispositif de mesure (courbe du haut), et du signal recueilli par le capteur de mesure (courbe du bas), dans le cas où le signal d'excitation vibratoire est une sinusoïde glissante ;
- la Figure 10 est la représentation des amplitudes des transformées de Fourier des signaux de la Figure 9;
- la Figure 1 1 est une vue similaire à celle de la Figure 2 et illustre un dispositif d'excitation vibratoire adapté pour placer la plaque mince en auto-oscillation ;
- la Figure 12 est une vue similaire à celle de la Figure 1 1 , et illustre un autre type de dispositif d'excitation adapté pour placer la plaque mince en auto-oscillation ;
- la Figure 13 est une vue de dessus d'une zone de l'aile de l'avion, pour une variante de réalisation de l'invention dans laquelle le dispositif de mesure comporte deux plaques allongées perpendiculaires l'une à l'autre, prévues pour permettre la mesure de la direction de l'écoulement fluide dans le plan des deux plaques; et
- la Figure 14 est une vue en coupe de la zone de l'aile dans laquelle sont montées les deux plaques de la Figure 13.
L'avion 1 représenté sur la figure 1 est équipé d'un dispositif 3 destiné à la mesure d'une caractéristique représentative de la vitesse du fluide le long de la surface extérieure de l'avion.
Le dispositif 3 pourrait être également utilisé pour toute sorte d'autres véhicules : des avions commerciaux, des avions militaires, des hélicoptères, des voitures automobiles, des bateaux, etc.
Le dispositif 3 est prévu pour mesurer la vitesse du fluide le long du fuselage ou le long des ailes de l'avion, pendant que celui-ci est en vol. La vitesse ainsi mesurée est la vitesse relative de l'air par rapport à l'avion, qui est une information particulièrement importante pour le pilote. En effet, cette vitesse doit être maintenue au-dessus d'une limite inférieure, correspondant à la vitesse de décrochage de l'avion. Elle doit également être maintenue au-dessous d'une limite maximale prédéterminée. Enfin, connaissant la vitesse du vent, la vitesse d'écoulement de l'air le long de l'avion permet de calculer la vitesse de l'avion par rapport au sol.
Le dispositif de mesure 3 comprend :
- au moins une plaque mince 5 liée à la surface extérieure de l'avion, agencée de manière que le fluide s'écoule le long et au contact d'une grande face de la plaque mince, de telles sorte que l'écoulement du fluide influe les propriétés vibratoires de la plaque ;
- un dispositif 7 d'excitation vibratoire et de mesure d'une fréquence de résonance de la plaque mince 5 mise en vibration ;
- un dispositif 9 de détermination de ladite caractéristique représentative de la vitesse du fluide en fonction de la fréquence de résonance mesurée.
La plaque 5 est typiquement une plaque, d'une épaisseur comprise entre 0,1 et 5 mm. De préférence, son épaisseur est comprise entre 0,5 et 3 mm, et encore de préférence entre 0,5 et 1 ,5mm. La plaque 5 est typiquement en un métal ou en un matériau composite.
La plaque 5 présente par exemple une superficie comprise entre 50 et 1000 cm2, de préférence comprise entre 100 et 500 cm2, et de préférence comprise entre 200 et 400 cm2.
La plaque mince 5 est liée à une aile 1 1 de l'avion ou au fuselage 13 de l'avion, ou à toute autre partie de l'avion le long de laquelle l'air s'écoule quand l'avion est en vol.
Comme le montre par exemple la Figure 2, la plaque mince 5 s'inscrit sensiblement dans le prolongement de la surface externe 15 de l'avion. La plaque 5 n'est pratiquement pas en saillie par rapport à la surface externe 15. Typiquement, la plaque n'est pas du tout en saillie par rapport à la surface externe 15, une de ses grandes faces s'inscrivant exactement dans la continuité de la surface externe 15.
Dans une variante de réalisation non représentée et non préférée, la plaque fait légèrement saillie par rapport à la surface 15, sur une hauteur correspondant à l'épaisseur de la plaque.
En tout état de cause, la plaque fait saillie par rapport à la surface externe 15 sur une hauteur inférieure à une fois son épaisseur.
Dans l'exemple de réalisation de la Figure 2, la surface externe de l'avion au niveau de la plaque mince 5 est constituée d'une plaque 17 en un métal ou en un matériau composite. La plaque 17 présente un orifice 19. La plaque mince 5 est rapportée dans l'orifice 19, et obture complètement cet orifice 19. Elle est fixée par tout moyen adapté au bord périphérique 20 de l'orifice 19, par exemple par des rivets 21 .
Le bord périphérique 20 est légèrement en retrait par rapport à la surface externe 15, de manière à ce qu'une grande face de la plaque 5 soit de niveau avec la surface 15.
Dans une variante de réalisation non représentée, la plaque mince 5 est une zone de la plaque 17. Plus précisément, la plaque mince 5 est une zone de la plaque 17 dans laquelle l'épaisseur de cette plaque 17 est réduite. Par exemple, la plaque 17 présente une épaisseur de 10 mm. La zone de la plaque 17 définissant la plaque mince 5 présente par exemple une épaisseur de 1 mm.
Comme illustré sur la Figure 2, le dispositif 7 d'excitation vibratoire et de mesure de la fréquence de résonance de la plaque mince comporte un dispositif 22 d'excitation vibratoire avec un organe d'excitation vibratoire 23 prévu pour transmettre à la plaque mince un signal d'excitation vibratoire, et un capteur 25 de mesure du comportement vibratoire de la plaque mince sous l'effet du signal d'excitation vibratoire et de l'écoulement du fluide. Cet écoulement est représenté par une flèche F sur les Figures.
L'organe d'excitation vibratoire 23 est par exemple un organe piézo-électrique piloté par un signal électrique. Le dispositif d'excitation 22 comporte typiquement un calculateur 27, qui fournit le signal électrique de pilotage de l'organe piézo-électrique. L'organe 23 est fixé à une grande face intérieure 29 de la plaque mince 5. La grande face 29 est à l'opposé de la grande face 30 au contact de laquelle le fluide s'écoule.
Le capteur 25 est par exemple un accéléromètre, ou une cellule piézo-électrique adaptée pour mesurer la contrainte locale appliquée à la plaque mince. Le capteur 25 fournit un signal représentatif du comportement vibratoire de la plaque mince au calculateur 27. Le capteur 25 est fixé à la grande face intérieure 29 de la plaque mince 5.
L'organe d'excitation 23 et le capteur 25 peuvent être également noyés dans le matériau constituant la plaque mince 5. Ceci est notamment le cas quand la plaque mince est en un matériau composite ou est une pièce moulée.
Le calculateur 27, en fonction du signal fourni par le capteur 25, détermine la fréquence de résonance de la place mince. Le calculateur 27 est adapté pour transmettre ladite fréquence de résonance au dispositif 9 de détermination de la caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide.
En variante, le capteur 25 transmet le signal mesuré à un calculateur distinct du calculateur 27, qui détermine la fréquence de résonance et la transmet au dispositif 9.
Le dispositif 9 est un calculateur ou une partie de calculateur. Le calculateur 27 et le dispositif 9 peuvent être un même calculateur ou deux parties d'un même calculateur. Le dispositif 9 est prévu pour déterminer la caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide à l'aide d'équations et/ou de tables et/ou de graphes du type représenté sur la Figure 3 à titre d'exemple.
La Figure 3 donne la vitesse de l'écoulement fluide, exprimée en m/s, en fonction de la fréquence de résonance de la plaque, exprimée en Hz. Elle a été établie par des essais en souffleries, avec une plaque mince métallique d'épaisseur d'1 mm, rectangulaire, de 16 cm x 20 cm.
La vitesse est en abscisse, et la fréquence de résonance en ordonnée. La Figure 3 montre que la fréquence de résonance décroît constamment quand la vitesse de l'écoulement fluide augmente. Il est ainsi possible d'associer de manière bi-univoque une fréquence de résonance à chaque vitesse de l'écoulement fluide.
La fréquence de résonance de la plaque mince 5 dépend non seulement de la vitesse d'écoulement de l'air le long de la plaque, mais également des conditions thermodynamiques du gaz dans lequel l'avion se déplace. Ces conditions sont par exemple la densité de l'air, la pression atmosphérique et la température de l'air. En fonction de l'altitude à laquelle l'avion se déplace, ces conditions thermodynamiques varient dans une large plage.
Dans une première variante de réalisation non représentée, le dispositif de mesure de l'invention comporte un dispositif de mesure de paramètres représentatifs d'une ou plusieurs des conditions thermodynamiques de l'air, choisis par exemple parmi la densité, la pression et la température de l'air autour de l'avion. De plus, le dispositif de détermination 9 détermine la caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide non seulement en fonction de la fréquence de résonance déterminé par le dispositif 7, mais également en fonction des paramètres représentatifs des conditions thermodynamiques. Par exemple, le dispositif 9 possède en mémoire un réseau de courbes similaires à celles de la Figure 3, chaque courbe correspondant à des conditions thermodynamiques déterminées.
Dans une seconde variante de réalisation, le dispositif de mesure comporte une seconde plaque mince 31 , dite de référence. La plaque mince de référence 31 est liée à la surface externe de l'avion, et est agencée de manière à être en contact avec l'air, sans que le fluide ne s'écoule le long d'une de ses grandes faces. Par ailleurs, le dispositif de mesure 3 comporte un dispositif 33 de mesure d'une fréquence de résonance de la plaque mince de référence 31 . Le dispositif de mesure 33 est typiquement du même type que le dispositif 7 de mesure de la fréquence de résonance de la plaque mince 5. Il comporte lui aussi un organe d'excitation vibratoire 35, un capteur de mesure du comportement vibratoire de la plaque mince de référence 37, et un calculateur 39. L'organe 35, le capteur 37 et le calculateur 39 sont du même type et fonctionnent de la même façon respectivement que l'organe d'excitation vibratoire 23, le capteur 25 et le calculateur 27. La plaque mince de référence présente de préférence la même forme que la plaque mince 5, et est de préférence excitée avec un signal électrique identique au signal d'excitation de la plaque mince 5.
Par ailleurs, le dispositif de détermination 9 est prévu pour déterminer la caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide en fonction à la fois de la fréquence de résonance mesurée pour la plaque mince 5 et de la fréquence de résonance mesurée pour la plaque mince de référence 31 .
Par exemple, le dispositif 9 détermine la caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide à l'aide d'équations, de tables et/ou de graphes donnant ladite caractéristique représentative en fonction de la différence entre les deux fréquences de résonance, ou du rapport entre les deux fréquences de résonance.
La plaque mince de référence 31 peut être agencée de multiples manières.
Dans l'exemple de réalisation des Figures 4 et 5, la plaque mince de référence 31 est disposée dans le prolongement de la surface externe de l'avion. Elle est montée comme la plaque mince 5, sur la plaque 17 de l'aile. Elle est protégée de l'écoulement du fluide par un capot 41 . Le capot 41 est par exemple fermé vers l'avant de l'avion, vers le haut, et latéralement des deux côtés. Le capot 41 est ouvert vers l'arrière de l'avion. L'ouverture du capot est dimensionnée de manière à permettre un échange entre le volume intérieur délimité par le capot 41 et l'atmosphère, sans permettre toutefois une circulation d'air notable à l'intérieur du capot le long de la plaque de référence 31 .
Dans la variante de réalisation de la Figure 6, la plaque mince de référence 31 est placée à l'intérieur de l'avion. Elle ne s'inscrit pas dans la surface externe de l'avion. Par exemple, la plaque mince de référence 31 est placée sous la plaque mince 5, une chambre 43 étant ménagée entre les deux plaques minces 5 et 31 . L'orifice 19 débouche dans la chambre 43, la plaque mince 5 étant ainsi interposée entre la chambre 43 et l'atmosphère. La grande face intérieure 29 de la plaque mince 5 est directement en contact avec l'air de la chambre 43, la grande face 30 étant en contact avec l'atmosphère extérieure. Un second orifice 45 est percé dans une paroi 47 délimitant la chambre. La plaque mince de référence 31 ferme l'orifice 45. La grande face 49 de la plaque mince de référence est directement en contact avec l'air de la chambre 43.
Un conduit 51 met directement en communication le volume intérieur de la chambre 43 avec l'atmosphère extérieure. Le conduit 51 est dimensionné de telle sorte que la pression, la température et la densité de l'air soient les mêmes à l'intérieur de la chambre 43 et dans l'atmosphère. Toutefois, la section de passage du conduit 51 est suffisamment faible pour que l'écoulement de l'air le long de la plaque de référence 31 soit pratiquement nul.
La variante de réalisation de la Figure 7 va maintenant être décrite. Seuls les points par lesquels cette variante diffère de celle de la Figure 6 seront détaillés ci- dessous.
Dans la variante de réalisation de la Figure 7, la chambre 43 est divisée en une zone supérieure 53 et une zone inférieure 55 par une cloison 57. La cloison 57 est étanche à l'air, et sépare de manière hermétique les zones 53 et 55 l'une de l'autre. La grande face intérieure 29 de la plaque mince 5 est en contact avec l'air situé dans la zone 53. La grande face 49 de la plaque mince de référence est en contact avec l'air situé dans la zone inférieure 55. Le conduit 51 met en communication la zone 55 avec l'atmosphère extérieure. L'air situé dans la zone 53 n'est pas en communication avec l'atmosphère extérieure. Par rapport à la variante de réalisation de la Figure 6, la variante de la Figure 7 présente l'avantage que les vibrations de la plaque 5 ne peuvent pas perturber les mesures effectuées sur la plaque 31 , et réciproquement.
La variante de la réalisation de la Figure 8 va maintenant être décrite. Seuls les points par lesquels cette variante diffère de celle de la Figure 7 seront détaillés ci- dessous.
Dans la variante de réalisation de la Figure 8, la plaque mince de référence 31 est montée dans un orifice de la cloison 57. Le conduit 51 met en communication à la fois la zone 53 et la zone 55 avec l'atmosphère extérieure. La variante de la figure 8 permet d'assurer les mêmes conditions thermodynamiques moyennes sur les deux faces de chacune de plaques vibrantes.
Un premier exemple de signal d'excitation vibratoire transmis à la plaque mince 5 par l'organe d'excitation 23 est représenté dans la partie supérieure de la Figure 9. L'amplitude de l'excitation est en ordonnée, et le temps, exprimé en seconde, est en abscisse. Le signal correspondant mesuré par le capteur 25 est représenté dans le bas de la Figure 9. Son amplitude est en ordonnée, et le temps est en abscisse (exprimé en seconde). Dans cet exemple, le signal d'excitation vibratoire est un signal sinusoïdal glissant dans une fourchette de fréquences prédéterminées. La fréquence du signal sinusoïdal augmente en fonction du temps. Elle augmente par exemple de 600 Hz à 800 Hz dans l'intervalle de temps allant de 0 s à 1 s.
L'analyse fréquentielle des signaux présentée Figure 10 montre que le signal d'excitation (partie supérieure de la figure) couvre une large bande de fréquence et que celui mesuré par le capteur 25 (partie inférieure de la figure) a une amplitude maximum pour la fréquence de 697 Hz. Elle correspond à une fréquence de résonance de la plaque.
Un dispositif d'excitation vibratoire 22 adapté pour placer la plaque mince en autooscillation est représenté sur la Figure 1 1 . Ce dispositif comporte, outre l'organe d'excitation vibratoire 23, un circuit électronique non linéaire 61 et un amplificateur 63. Le circuit électronique non linéaire optionnel reçoit le signal mesuré par le capteur 25. Il facilite la mise en auto-oscillation. Il transmet un signal de commande à l'amplificateur 63, qui amplifie le signal de commande et transmet un signal de commande amplifié à l'organe d'excitation 23.
Pour choisir un mode de résonance particulier, il est possible de prévoir dans le dispositif de mesure un filtre passe bande autour de la fréquence de résonance de départ dudit mode particulier. Ce mode sera ainsi automatiquement excité par auto-oscillation.
Un tel signal d'excitation permet de suivre en temps réel l'évolution de la fréquence de résonance, contrairement au signal d'excitation à large bande du type sinusoïde glissant, qui nécessite un temps d'acquisition significatif et engendre un retard dans la mesure. Par ailleurs, la mise en auto-oscillation permet d'obtenir un meilleur rapport signal à bruit, car l'énergie du signal d'excitation est concentrée sur un intervalle de fréquence réduit, au contraire des signaux d'excitation à larges bandes Un autre dispositif d'excitation vibratoire 22 adapté pour placer la plaque mince en auto-oscillation est représenté sur la Figure 12. Ce dispositif comporte, outre l'organe d'excitation vibratoire 23, un premier amplificateur 65, une boucle à verrouillage de phase 67 et un second amplificateur 69. Le premier amplificateur 65 reçoit le signal mesuré 78 par le capteur 25, l'amplifie et transmet un signal amplifié 79 à la boucle à verrouillage de phase 67. La boucle à verrouillage de phase 67 comporte de manière non limitative, au moins un comparateur de phases 71 , un oscillateur contrôlé en tension 73 et un filtre passe bas 75. L'oscillateur contrôlé en tension 73 transmet un signal d'excitation 77 au second amplificateur 69 et au comparateur de phases 71 . Le comparateur de phases 71 reçoit à la fois le signal d'excitation 77 et le signal de mesure amplifié 79 provenant du premier amplificateur 65. Il compare la fréquence du signal d'excitation avec la fréquence du signal de mesure amplifiée 79 en émettant un signal qui, après filtrage avec le filtre 75, commande l'oscillateur 73 de manière à ce que le signal 77 soit à la fréquence du signal 79. Le bouclage entre les signaux 77 et 79 par la vibration de la plaque assure au système d'auto-osciller à une fréquence directement liée à la fréquence de résonance de la plaque dans la zone de fréquence de capture de la boucle à verrouillage de phase. Comparée à la première méthode de mise en auto-oscillation, la mise en auto-oscillation par une boucle à verrouillage de phase présente deux avantages : le contrôle de l'amplitude du signal 77 qui ne dépend que de l'oscillateur et donc de l'alimentation électrique du composant électronique ; la sélectivité du mode sur lequel le système va auto-osciller, en choisissant la plage de capture de la boucle de telle manière à ce qu'elle inclut la fréquence de résonance de la plaque.
Dans une variante de réalisation représentée sur la Figure 4, la plaque mince 5 présente une première dimension suivant une première direction et une seconde dimension supérieure à la première dimension suivant une seconde direction perpendiculaire à la première, le dispositif de détermination 9 étant prévu pour déterminer une caractéristique représentative de la vitesse du fluide selon la première direction. Les première et seconde directions sont toutes deux perpendiculaires à l'épaisseur de la plaque. Les première et seconde dimensions correspondent donc aux dimensions des grandes faces de la plaque. Il a en effet été observé que la fréquence de résonance de la plaque est presque sensible uniquement à la composante de la vitesse de l'écoulement fluide selon la première direction, quand le rapport entre la seconde dimension et la première dimension est supérieur à une valeur prédéterminée. La seconde dimension est par exemple comprise entre trois et dix fois la première dimension, de préférence comprise entre quatre et huit fois la première dimension, et encore de préférence comprise entre cinq et six fois la première dimension. Par exemple, elle vaut cinq fois la première dimension. La première direction correspond par exemple à la direction de déplacement normale de l'avion.
Dans une variante de réalisation représentée sur les Figures 13 et 14, le dispositif de mesure comprend deux plaques minces 91 et 93. La première plaque mince 91 présente selon la première direction X une première dimension très inférieure à sa seconde dimension, prise selon la direction Y. Les directions X et Y sont matérialisées par des flèches sur la Figure 13. Par exemple, la seconde dimension est comprise entre trois et dix fois la première dimension, de préférence comprise entre quatre et huit fois la première dimension, encore de préférence comprise entre cinq et six fois la première dimension, et vaut par exemple cinq fois la première dimension. Inversement, la plaque mince 93 présente selon la première direction X une première dimension très supérieure à la seconde dimension prise selon la direction Y. Par exemple, la première dimension de la plaque 93 vaut entre trois et dix fois sa seconde dimension, de préférence entre quatre et huit fois sa seconde dimension, encore de préférence entre cinq et six fois sa seconde dimension et vaut par exemple cinq fois sa seconde dimension. Les deux plaques minces 91 et 93 sont agencées comme la plaque 5 décrite ci- dessus, c'est-à-dire de manière à ce que le fluide s'écoule le long et au contact d'une grande face de chacune des deux plaques.
Le dispositif de mesure 3 comporte par ailleurs un dispositif d'excitation vibratoire et de mesure de la fréquence de résonance 95, 97 pour chacune des deux plaques, du type décrit ci-dessus.
Le dispositif de mesure 3 comporte encore pour la première plaque mince 91 un dispositif 99 prévu pour déterminer une caractéristique représentative de la vitesse du fluide selon la première direction en fonction de la fréquence de résonance mesurée pour la plaque 91 par le dispositif de mesure 95. Il comporte également un dispositif 101 de détermination d'une caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide selon la seconde direction, en fonction de la fréquence de résonance mesurée pour la seconde plaque mince 93 par le dispositif 97. Il comporte enfin un dispositif 103 de détermination de direction de l'écoulement du fluide dans le plan des plaques, en fonction des paramètres représentatifs des vitesses de l'écoulement fluide selon les première et seconde directions.
A titre d'exemple d'application, en plaçant le dispositif constitué des plaques 91 et 93 sur le flanc de l'avion de telle manière que l'axe X ou Y est parallèle à l'axe de la corde des ailes, l'angle d'incidence correspond à la direction de l'écoulement mesuré par le système.
Les dispositifs 99, 101 et 103 sont par exemple des parties d'un même calculateur ou peuvent être des calculateurs différents les uns des autres.
Le procédé de mesure de la caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide le long de la surface extérieure de l'avion va maintenant être brièvement décrite.
Quand l'avion se déplace, notamment quand il est en vol, l'air s'écoule le long de la face externe 30 de la plaque mince 5.
Pour réaliser la mesure, le dispositif d'excitation vibratoire 22 produit un signal d'excitation vibratoire transmis à la plaque mince par l'organe d'excitation vibratoire 23.
La plaque mince vibre sous l'effet du signal d'excitation vibratoire et ses propriétés vibratoires, en particulier ses fréquences de résonance sont modifiées par l'écoulement fluide le long et au contact de la grande face 30.
De manière concomitante, le capteur 25 mesure un signal représentatif du comportement vibratoire de la plaque mince. La nature du signal mesuré est fonction du type de capteur utilisé. Le signal mesuré est transmis au calculateur 27, qui en déduit la fréquence de résonance de la plaque mince 5. Ladite fréquence de résonance est transmise à son tour au dispositif de détermination 9, qui évalue la caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide en fonction de la fréquence de résonance préalablement déterminée.
Le dispositif de mesure a été décrit plus haut dans une application où l'on cherche à déterminer la vitesse de l'écoulement de l'air par rapport à la surface d'un véhicule. Toutefois, il s'applique également à la mesure d'une caractéristique représentative de la vitesse d'un écoulement fluide qui n'est pas de l'air. Pour des véhicules spaciaux par exemple, le gaz pourrait être l'atmosphère d'une planète autre que la terre.
Le dispositif de mesure peut comporter plusieurs plaques minces, chacune associée à un dispositif de mesure de sa fréquence de résonance. Le dispositif de mesure de la fréquence de résonance peut être entièrement dédié à une plaque, ou partiellement commun à plusieurs plaques. Les plaques minces peuvent être prévues pour réaliser des mesures de vitesse redondantes, de telle sorte que lorsqu'une des plaques n'est pas opérationnelle, la où les autres plaques fournissent une valeur de vitesse. Les différentes plaques peuvent également être utilisées de manière à fournir chacune un signal, ces signaux étant traités de manière à augmenter la précision de la mesure. De plus, les plaques peuvent être de formes adaptées pour fournir des mesures des composantes de la vitesse de l'écoulement fluide selon des directions différentes. Elles peuvent également être agencées pour fournir une indication sur la direction de l'écoulement fluide par rapport à une direction déterminée, comme décrit plus haut.
La fréquence de résonance de la plaque mince utilisée pour déterminer la vitesse de l'écoulement fluide peut être une fréquence de résonance de n'importe quel mode de vibration, sous réserve de permettre une mesure suffisamment précise.
La caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide peut être exprimée de multiples manières. Elle peut être exprimée sous forme d'une valeur de vitesse, d'une valeur de débit, d'une valeur d'énergie cinétique, etc ... Cette caractéristique peut être homogène à une vitesse, ou permettre de calculer la vitesse de l'écoulement fluide de manière simple. Elle peut être exprimée sous forme d'une tension électrique. La caractéristique peut également être une fourchette de vitesse, ou être associée de manière biunivoque à une fourchette de vitesse prédéterminée.

Claims

REVENDICATIONS
1 . - Dispositif de mesure d'une caractéristique représentative de la vitesse d'un écoulement fluide le long d'une surface d'un véhicule, le dispositif (3) comprenant :
- au moins une plaque mince (5, 91 , 93) liée à la surface (15) du véhicule, agencée de manière que le fluide s'écoule le long et au contact d'une grande face (30) de la plaque mince (5, 91 , 93), de telle sorte que l'écoulement fluide influe les propriétés vibratoires de ladite plaque mince, en particulier ses fréquences de résonance. (5, 91 , 93);
- un dispositif (7, 95, 97) d'excitation vibratoire et de mesure d'une fréquence de résonance de la plaque mince (5, 91 , 93) mise en vibration ;
- un dispositif (9, 99, 101 ) de détermination de ladite caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide en fonction de la fréquence de résonance mesurée.
2. - Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le dispositif (7, 95, 97) d'excitation vibratoire et de mesure d'une fréquence de résonance de la plaque mince (5, 91 , 93) comprend un dispositif d'excitation vibratoire (22) prévu pour transmettre à la plaque mince (5, 91 , 93) un signal d'excitation vibratoire, et un capteur (25) de mesure du comportement vibratoire de la plaque mince (5, 91 , 93) sous l'effet du signal d'excitation vibratoire et de l'écoulement fluide.
3. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif d'excitation vibratoire (22) est prévu pour transmettre à la plaque mince (5, 91 , 93) un signal d'excitation vibratoire couvrant une fourchette de fréquences prédéterminée.
4. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif d'excitation vibratoire (22) est prévu pour transmettre à la plaque mince (5, 91 , 93) un signal d'excitation vibratoire adapté pour placer la plaque mince (5, 91 , 93) en auto- oscillation.
5. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de mesure de paramètres représentatifs de conditions thermodynamiques du fluide autour du véhicule, tels que la densité et/ou la pression et/ou la température du fluide autour du véhicule, le dispositif de détermination (9) déterminant ladite caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide également en fonction desdits paramètres représentatifs de conditions thermodynamiques.
6. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend :
- une plaque mince de référence (31 ) liée à la surface (15) du véhicule, agencée de manière à être en contact avec le fluide sans que le fluide ne s'écoule le long d'une grande face de la plaque mince de référence (31 ) ; - un dispositif (33) d'excitation vibratoire et de mesure d'une fréquence de résonance de la plaque mince de référence (31 ) mise en vibration ;
le dispositif de détermination (9) étant prévu pour déterminer ladite caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide en fonction à la fois de la fréquence de résonance mesurée pour la plaque mince (5, 91 , 93) et de la fréquence de résonance mesurée pour la plaque mince de référence (31 ).
7. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de détermination (9) comprend un calculateur prévu pour déterminer ladite caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide à l'aide d'équations et/ou de tables et/ou de graphes.
8. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque mince (5, 91 ) présente une première dimension suivant une première direction et une seconde dimension supérieure à la première dimension suivant une seconde direction perpendiculaire à la première direction, le dispositif de détermination (9) étant prévu pour déterminer une caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide selon ladite première direction.
9. - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend :
- une seconde plaque mince (93) liée à la surface du véhicule, agencée de manière que le fluide s'écoule le long et au contact d'une grande face de la seconde plaque mince (93), de telle sorte que l'écoulement fluide influe les propriétés vibratoires de ladite seconde plaque mince (93), la seconde plaque mince (93) présentant une première dimension suivant la première direction et une seconde dimension inférieure à la première dimension suivant la seconde direction ;
- un second dispositif d'excitation vibratoire et de mesure (97) d'une fréquence de résonance de la seconde plaque mince (93) mise en vibration ;
- un second dispositif de détermination (101 ) d'une caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide selon la seconde direction en fonction de ladite fréquence de résonance mesurée pour la seconde plaque mince (93).
10. - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de détermination (103) de la direction de l'écoulement fluide dans le plan des deux plaques minces, en fonction des paramètres représentatifs des vitesses de l'écoulement fluide selon les première et seconde directions.
1 1 . - Véhicule (1 ) comprenant une surface externe (15) et un dispositif de mesure (3) d'une caractéristique représentative de la vitesse d'un écoulement fluide le long de ladite surface externe (15) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
12. - Véhicule selon la revendication 1 1 , caractérisé en ce que la plaque mince (5, 91 , 93) s'inscrit dans le prolongement de la surface externe (15).
13. - Véhicule selon la revendication 1 1 ou 12, caractérisé en ce que la surface externe (15) présente un orifice (19), la plaque mince (5, 91 , 93) étant rapportée dans l'orifice (19) et s'inscrivant dans le prolongement de la surface externe (15).
14. - Véhicule selon la revendication 1 1 ou 12, caractérisé en ce que la plaque mince est une zone venue de matière avec la surface externe (15).
15. - Procédé de mesure d'une caractéristique représentative de la vitesse d'un écoulement fluide le long d'une surface d'un véhicule (1 ), le procédé comprenant les étapes suivantes :
- agencer une plaque mince (5, 91 , 93) liée à la surface (15) du véhicule (1 ) de manière que le fluide s'écoule le long et au contact d'une grande face de la plaque mince (5, 91 , 93), l'écoulement fluide influe les propriétés vibratoires de ladite plaque mince, en particulier ses fréquences de résonance (5, 91 , 93);
- mettre en vibration la plaque mince (5, 91 , 93) et mesurer une fréquence de résonance de la plaque mince (5, 91 , 93) mise en vibration ;
- déterminer ladite caractéristique représentative de la vitesse de l'écoulement fluide en fonction de la fréquence de résonance mesurée.
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