Brevet FR2104906A1 — publié le 19720428

La présente invention concerne les systèmes à logique fluide ou systèmes "fluidiques" pour la détection des températures. On assiste depuis quelques années à un rapide développement des systèmes fluidiques utilisés pour capter des pressions de fluide et/ou produire des signaux de pression pour effectuer des fonctions de commandes simples ou complexes. Les dispositifs fluidiques ont de nombreux avantages. Par exemple, ils sont généralement fiables du fait de l'absence de pièces mobiles. En outre, ils peuvent fonctionner dans des conditions d'ambiance défavorables, par exemple à des températures extrêmes, auxquelles les systèmes électroniques de commande sont difficiles, sinon impossibles, à utiliser. Une application intéressante des circuits fluidiques est la détection d'une température pour fournir une lecture analogique ou un signal de commande, par exemple dans un turbo-réacteur dans lequel on désire limiter le débit de carburant lorsque la température du flux de gaz chauds dépasse une valeur donnée. Plusieurs solutions ont été essayées et fournissent chacune un signal présentant des variations de pressions dont la fréquence est fonction de la température. L'emploi de tels détecteurs est cependant limité par deux facteurs qui sont l'absence d'une plage suffisamment étendue de détection précise et des retards inacceptables entre la variation de température du fluide et la variation correspondante du signal de détection. Un dispositif décrit dans la demande de brevet des E.U.A. n" 562.450 du 30 juin 1966 au nom de la demanderesse permet d'accroitre considérablement la plage de mesure précise des détecteurs fluidiques de température du type à fréquence. Cependant, les caractéristiques améliorées de ce type de détecteurs ne sont pas compatibles avec les techniques courantes de réduction du temps de réponse aux variations de températures. En conséquence, l'un des objets de l'invention est d'accrottre l'utilité de ce type de détecteurs perfectionnés en réduisant le temps nécessaire à l'obtention d'un signal de sortie significatif. D'une manière générale, l'invention a pour objet un système fluidique de détection de température fournissant des signaux de sortie précis avec un retard minimal et, plus précisément, un système de ce type dont la sortie fournit des signaux fonction de la température qui sont impossibles à obtenir à partir d'un détecteur fluidique unique. Le système de l'invention utilise une paire de détecteurs fluidiques de température produisant chacun un signal de sortie propor tionnel à la température mesurée. le temps de réponse de chaque détecteur à une variation brusque de température est daractérisé par des constantes de temps à court terme et à long terme A la fin des constantes de temps à court terme, il existe une différence entre les variations des signaux de sortie des deux détecteurs. Puis, pendant la période beaucoup plus longue qui correspond à la constante à long terme, les signaux de sortie continuent à varier Jusqu'à atteindre un point de stabilité auquel les valeurs différentes des deux détecteurs indiquent avec précision la température mesurée. La différence de valeur apparaissant entre les signaux de sortie des deux détecteurs à la fin des constantes de temps à court terme est liée par une relation prédéterminée à la différence statique des valeurs des signaux de sortie des détecteurs à la fin des constantes de temps à long terme. Un signal de. sortie proportionnel à la différence des signaux des deux détecteurs fournit donc une fonction de la température dans un temps minimal. Dans le cas où le signal différentiel est le mssme à la fin des constantes de temps à court terme qu'à la fin des constantes de temps à long terme, le système peut fournir un signal de température précis , beaucoup plus rapidement que ne peut le faire individuellement chacun des détecteurs. Si la différencie au bout des constantes de temps à court terme est la plus grande, la fonction de sortie produite est en avance sur la variation. Si nécessaire, on peut obtenir diverses autres fonctions de sortie. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre et des dessins sur lesquels La figure 1 est une vue schématique d'un turbo-réacteur auquel est associé le système de détection de température de l'invention. La figure 2 est un schéma synoptique simplifié du système de la figure 1. La figure 3 est une vue en plan d'un type de détecteur fluidique de battements utilisable dans le système de l'invention. La figure 4 est un graphique des variations de fréquence des signaux de sortie des détecteurs fluidiques en fonction du temps. La figure 5 est un graphique des variations du signal différentiel de fréquence obtenu à partir des signaux de la figure 4. La figure 6 est un graphique des signaux de sortie du détecteur fluidique de température correspondant à un autre aspect de 1 'invention. La figure 7 est un graphique de la fréquence différentielle des signaux de la figure 6 en fonction du temps. La figure 1 représente une forme préférée du système de détection de température de l'invention Ce système fluidique est partir culièrement destiné à la détection des températures élevées dans un écoulement de fluide. A titre d'exemple, un tel système peut entre utilisé pour l'obtention d'une lecture analogique de la température du flux de gaz chauds à 1 'entrée de la turbine 10 d'un turbo-réacteur 12. A cet endroit, la température des gaz est extr8mement élevée et constitue dans de nombreux cas un paramètre utilisé pour la conduite du turbo-réacteur. Une partie du flux de gaz,circulant dans la zone voisine du premier étage daubes du rotor de la turbine, est dérivée dans un tube 14 qui se divise en deux branches 16a et 16b constituant les entrées de deux détecteurs fluidiques de température 1 & et 18ko Le signal de pression de sortie fourni par chaque détecteur 18a, 18b est transmis respectivement par des tubes 20a et 20 à un dispositif d'addition différentielb constitué par un détecteur de fréquence de battements 22. Le signal de pression sortant du détecteur 22 est ensuite transmis par un tube 26 à un transducteur flui dique/méoanique 24.La sortie mécanique du transducteur 24 peut commander un indicateur à cadran 28 pour fournir une lecture analogique de la température du flux de gaz chauds qui circule dans le turbo-réacteur 12. La figure 2 illustre sous forme synoptique le système de mesure de température de l'invention représenté en détail figure 1 Les détecteurs 18a et 18b sont de construction lden- tique et leurs éléments portent les mimes références suivies respectivement des suffixes a et b. Chaque détecteur comprend essentiellement un corps 30 fermé par un couvercle 32 qui peut autre fixé au corps, par exemple par des vis 34. Chacun des tubes 16a, 16b est relié à une chambre d'entrée 36. Chaque chambre 36 comporte un ajutage 38 qui dirige un jet de fluide vers une saillie alignée 44 de forme triangulaire symétrique Des chambres 40 et 42 sont ménagées de part et d'autre de la saillie 44 L'incidence du jet de l'ajutage 38 sur la saillie 44 créée une instabilité inhérente De ce fait, le jet est initialement dévid vers l'une des cavités 40 ou 42 jusqu'à ce qu'il s'y établisse une pression suffisante pour le dévier vers l'autre cavité 42 ou 40. Les cavités 40, 42 de chaque détecteur ont de préférence des dimensions identiques par rapport à l'ajutage 38. Lcas variations de pressions ainsi obtenues sont transmises par des orifices de sortie 46 et par les tubes respectifs 20a et 20b. La fréquence de chaque signal est une fonction sensiblement linéaire de la racine carrée de la température absolue du jet de gaz prélevé dans le turbo-réacteur 12. Pour une température donnée quelconques les signaux de sortie des détecteurs 18a et 18b sont différents, ce que l'on peut réaliser en utilisant des chambres 40, 42 de longueurs différentes dans les deux détecteurs. De plus; pour conserver la relation linéaire entre la fréquence du signal et la racine carrée de la température sur une plage étendue de pression d'entrée, il est préférable que l'écoulement de fluide dans les détecteurs soient réglé de la manière indiquée dans la demande de brevet des E.U.A. précité. à laquelle on se référera pour plus de détails. En particulier, la section de l'ajutage 38 doit autre double de la section d échappement constituée par l'orifice de sortie de signal 46 et les orifices 48 et 50. Les signaux de pression sortant des détecteurs sont respectivement transmis par les tubes 20a, 20b au détecteur de battements 22, dont le r8le est de détecter la différence existant entre les fréquences de sortie deerdeux détecteurs. Le détecteur de battements est représenté en détail sur la figure 3 et comprend essentiellement un amplificateur fluidique proportionnel 52 en série avec un redresseur fluidique 54. Le redresseur du détecteur de battements fournit un signal sinusordal de sortie, dont la fréquence est égale & la différence des fréquences des deux entres sinu soïdales. Le signal de sortie du détecteur de battements est transmis par un tube 26 au transducteur 24 qui convertit les signaux de pression en un signal mdcanique capable deentralner un indicateur à cadran 28 étalonné de façon à permettre une lecture directe des températures. Pour mieux comprendre la façon dont l'invention permet d'accélérer la réponse du système de détection, on se reportera aux graphiques des figures 4 et 5 qui illustrent l'effet d'une brusque augmentation de température du flux gazeux pénétrant dans les détecteurs 18ay 18b. La figure 4 montre que la fréquence du signal de sortie (dans les tubes 20a, 20b) croit assez vite pendant une période relativement courte, puis continue à croire plus lentement pendant une période plus longe jusqu'à ce que les deux détecteurs atteignent un'état stable, dans lequel leurs fréquences de signal sont toutes deux précisément proportionnelles à la racine carrée de la température absolue du fluide qui sty écoule. LB durée de la variation initiale relativement rapide de la fréquence est appelée constante à court terme (reprSsentde par C1 et C2 pour les sorties 20a et 20b). Le temps nécessaire pour la seconde variation relativement plus lente de la fréquence est appelé constante de temps à long terme (représentée par C3 et C4 pour les sorties 20a et 20b). On remarquera en outre qu'à toute variation brusque de la température correspond une variation donnée de la fréquence du signal de sortie à la fin de la constante de temps à long terme. Un pourcentage fixe de la variation totale se produit pendant la constante de temps à court terme et cette proportion est une caractéristique d'une configuration de détecteur donnée. La figure 4 montre que la différence de fréquence (# f1 ) des signaux 2 et t 20 à la fin des constantes de temps à court terme est supérieure à leur différence initiale (# f0) et égale à la dif férence (#f2) à la fin des constantes de temps à long terme. La figure 5 illustre oe fait par un graphique de la fréquence du signal de sortie du détecteur de battements (tube 26) représentant le signal différentiel des fréquences des signaux 20a et 20b.Le signal de sortie au point 26 est ainsi une fonction de la température qui, à la fin des constantes de temps à court terme, fournit une indication précise d'une variation brusque de température et reste constante pendant la durée des constantes de temps à long terme. Un exemple permettra de mieux apprécier l'importance de ce fait : la constante de temps à court terme est de l'ordre de 0,02 s, alors que la constante de temps à long terme est de l'ordre de 100 s. Le système de l'invention permet ainsi d'obtenir une mesure précise de la température en un temps environ 5000 fois plus court que le temps de réponse de chacun des détecteurs individuels. Les figures 4 et 5 montrent également que pour obtenir le résultat voulu, les constantes à court terme C1 et C2 doivent autre égales, ainsi que les constantes à long terme, la vitesse de variation des sorties des détecteurs devant etre différente pendant les constantes à court terme, alors que ces mimes vitesses de variation doivent être égales pendant les constantes de temps à long terme. Les spécialistes de ces techniques n'auront aucun mal à calculer les constantes de temps et les pourcentages de variation du signal pendant la constante de temps à court terme pour obtenir les résultats recherchés. Cependant, on notera que les constantes de temps et le pourcentage de variation du signal pendant les constantes à court et à long terme sont des fonctions interdépendantes de deux paramètres principaux, à savoir la vitesse de circulation du fluide et la masse thermique Les constantes à court terme et le pourcentage de variation du signal sont influencées de maniéré prépondérante par le débit de fluide, alors que les constantes à long terme sont fonction de la masse thermique du détecteur et du débit de fluide. Le fait que l'on puisse modifier les constantes de temps à long terme et à court terme des détecteurs, comme décrit plus haut, permet d'obtenir d'autres types de fonctions de la température impossibles à réaliser au moyen d'un seul détecteur0 Les figures 6 et 7 illustrent une fonction de sortie importante pour laquelle les mimes références indiquent des paramètres identiques. Dans ce système, les paramètres de débit de fluide et de masses thermiques des détecteurs 18a et 18b sont modifiés pour obtenir les caractéristiques décrites ci-après. A la fin des constantes de temps à court terme, la différence ( fl) de fréquence entre les sorties 20a et 20b est supérieure à leur différence initiale (0 f ) et également à leur différence ( #f2) à la fin o 2 des constantes de temps à long terme en régime stabilisé. la fréquence dif férentielle 26 (figure 7) fournie par la sortie du détecteur de battements 22 constitue donc un signal qui, à la fin Qes constantes de temps à court terme, indique une variation de température supérieure à la variation réelle. Cependant, à la fin des constantes de temps à long terme9 la fréquence dif férentielle reflète à nouveau fidèlement la température réelle détectée Ce dernier signal est donc en avance sur la variation, ce qui peut permettre de réaliser un effet de compensation pour les éléments commandés par ce signal de sortie Ainsi par exemple, il y a généralement un certain retard entre la variation du signal appliqué au transducteur 24 et la variation correspondante de l'indication du cadran 28. L'avance de la sortie du détecteur de battements 22 permet donc de compenser et de minimiser ce retard. On comprendra que les graphiques des figures 4 à 7 ne sont que des approximations linéaires de courbes exponentielles de façon à simplifier la description. De plus, la description a été faite dans le cas d'une variation brusque et instantanée de la température du fluide qui est introduit dans les détecteurs 18a, 18b par les tubes 16a, 16b.Cependant, les avantages mentionnés plus haut permettent de réduire les temps de réponse zazou d'obtenir d'autres fonctions de la température pour des vitesses de variation différentes de la température mesurée, qu'elles soient croissantes ou décroissantes. En outre, bien que l'on préfère utiliser la relation décrite des constantes et des signaux à court terme pour obtenir un signal précis de température dans Un temps minimal ou un signal fonction de la température anticipant la variation, il va de soi que d'autres relations peuvent être avantageuses dans certaines applications. Par exemple, les constantes de temps à court terme ne sont pas nécessairement égales, pas pîts que les constantes de tops à long terme. I1 est cependant préférable qu'elles le soient approximativement. Dans tous les cas, l'emploi de détecteurs présentant une relation connue entre leurs signaux de sortie à la fin des constantes de temps à court terme et leurs différences à la fin des constantes de temps à long terme permet d'obtenir un signal utile de sortie dans un temps beaucoup plus court et de réaliser des fonctions impossibles à obtenir au moyen d'un seul détecteur. Un tel signal de sortie peut être utilisé comne signal de commande, au lieu de fournir une lecture analogique. Le système décrit utilise un type particulier de détecteurs, caractérisé non seulement par une bonne précision sur une plage étendue de pression d 'entrée, gracie à son débit interne réglé, mais également par un temps de réponse minimal. Il est cependant évident que dans le cadre le plus général de l'invention, les avantages mentionnés restent acquis pour d'autres types de détecteurs fluidiques, ainsi que pour d'autres moyens d'obtention d'un signal différentiel à partir de leurs sorties. I1 n'est pas obligatoire que les détecteurs fournissent un signal dont la fréquence est proportionnelle à la température, car un autre paramètre, tel que la pression, peut être proportionnel à la température mesurée. I1 va de sol que l'invention est susceptible de nombreuses modifications ou applications sans sortir de son cadre, REVEMDICATIONS 1. Système fluidique (c'est-à-dire à logique fluide) pour la mesure d'une température, caractérisé en ce qu'il oomprend un premier et un second détecteur fluidique fournissant respectivement des signaux de sortie fonction de la température mesurée eut variant à des vitesses dif idrentes avec les variations de températures, lesdits premier et second détecteurs présentant chacun, pour une variation brusque de la température mesurée, une constante de temps à court terme pendant laquelle se produit un pourcentage donné de la variation totale de la valeur du signal de sortie pendant une période relativement courte, et une constante de temps à long terme pendant laquelle se produit le reste de la variation de la valeur du signal de sortie pendant une période sensiblement plus longue, la variation de la valeur du signal de sortie du second détecteur à la fin de sa constante de temps à court terme étant différente de la variation de la valeur du signal de sortie du premier détecteur à la fin de sa constante de temps à. court terie, la différenoe entre les signaux de sortie des détecteurs à la fin des constantes de temps à court terme ayant une relation prédéterminée avec la différence de ces mêmes signaux à la fin des constantes de temps à long terme, un dispositif produisant un signal de sortie proportionnel à la différence entre les signaux des détecteurs, de façon que le signal de sortie du système soit une fonction de la température. 2o Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second détecteurs ont des constantes de temps à court terme approximativement égales et des pourcentages de variation égaux de la valeur leurs signaux de sortie pendant les constantes de temps à court terme par rapport à la variation totale du signal correspondant à la variation brusque de la température, de façon que la différence entre les signaux de sortie des deux détecteurs à la fin des constantes de temps à court terme soit la même que leurs différences à la fin des constantes de temps à long terme, le signal de sortie du système fournissant une indication précise de la température pendant toute la durée des constantes de temps à long terme. 3. Système selon la revendication I, caractérisé en ce que le premier et le second détecteur ont des constantes de temps à court et à long terme approximativement égales, le détecteur dont le signal de sortie a la valeur la plus élevée ayant également un pourcentage de variation plus élevé que oelui de l'autre détecteur, par rapport à la variation totale résultant deli variation brusque de la température, de façon qu'à la fin des constantes de tempe à court terme, la différence entre les signaux de sortie des détecteurs soit plus grande qu'à lafin des constantes de temps à long terme, le signal de sortie du système constituant ainsi une fonction anti cipée de la température. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque détecteur de température comprend un élément détecteur dans lequel circule un courent du fluide dont la température est à mesurer, ledit élément détecteur fournissant un signal de sortie dont la passion varie à une fréquence proportipnnelle à la température du fluide qui y circule. 5. Syitie selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque élément détecteur comprend un ajutage d'entrée formant un jet de fluide, une paire de cavités tubulaires résonnantes disposées longitudi- nalement de part et d'autre du jet de fluide, un séparateur disposé entre les cavités sysStriquement par rapport au jet et à une certaine distance de l'ajutage, de façon que le jet de gaz chauds fasse augmenter en alternance la pression interne des deux cavités pour produire un signal variable de pression, le fluide s' échappant des cavités par des évents dont la section totale est'sensiblemeat inférieure à celle de l'ajutage d'entrée. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier et le second détecteur ont des constantes de temps à court et à long terme approximativement égales et ont le méme pourcentage de variation de la fréquence de leurs signaux de sortie pendant les constantes de temps à court terme, par rapport à la variation totale de fréquences provoquées par l'élévation brusque de la température, de façon que la différence de fréquence de leurs signaux de sortie à la fin des constantes de temps à court terme soit la même que la différence de fréquence à la fin des constantes de temps à long terme, le signal de sortie du système fournissant une indication précise de température pendant toute la durée des constantes de temps à long terme. 7. Système selon la revendication 5, caractérise en ce que le premier et le second détecteur ont des constantes de temps à court et à long terme approximativement égales, le détecteur dont la fréquence est la plus élevée ayant un pourcentage de variation supérieur à celui de l'autre détecteur, par rapport à la variation totale de fréquence résultant de la variation brusque de.température, de façon qu'à la fin des constantes de temps à court terme, la différence de fréquence entre les signaux de sortie soit supérieure à la différence de fréquence à la fin des constantes de temps à long terme, le signal de sortie du système étant une fonction anticipée de la température