Brevet FR2066859A1 — publié le 19710813

L'invention se rapporte aux gyromètres fluidiques à tourbillon, servant à détecteur ou mesurer la vitesse angulaire d'un corps en rotation. De tels gyromètres sont utilisés couramment à bord des avions. Les gyromètres fluidiques à tourbillon des types connus comprennent une chambre de révolutions généralement un cylindre plat, pourvue d'une entrée de fluide à sa périphérie et d'une sortie axiale. Un fluide, par exemple de l'air comprimé, est injecté à pression constante à l'entrée et des moyens sont prévues, par exemple une paroi annulaire poreuse interposée entre l'entrée et la portion centrale de la chambre, pour créer un écoulement radial homogène vers la sortie lorsque le gyromètre est au repos. Quand celui-ci est animé d'un mouvement de rotation autour de son axe, la mesure de la pression ou du débit de fluez de à la sortie fournit une mesure de la vitesse de rotation. Le fonctionnement de Ces gyromètres est'bien connu et, pour cette raison, il parait inutile de le décrire en détail. On rappellera seulement que la vitesse de l'écoulement augmente depuis la périphérie jusqu'à la sortie axiale dans le rapport inverse du rayon. Lorsqu'une vitesse angulaire est communiquée au gyromètre, chaque élément fluide est soumis à cette vitesse angulaire, provoquant ainsi un écoulement en forme de spirale. Le moment cinétique étant conservé en tous les points de l'écoue- ment, la vitesse tangentielle est amplifie dans le rapport des rayons extérieur et intérieur, ctest-à-dire du rayon de la paroi annulaire poreuse au rayon de la sortie.La variation de pression ou de débit à la sortie, qui constitue le signal de sortie du gyromètre, est proportionnelle à ce rapport, de sorte que la précision de la mesure de la vitesse angulaire dépend au premier chef de l'encombrement du gyromètre. Conformément à la présente invention, on associe au gyromètre un dispositif d'amplification de la variation de pression ou de débit produite à la sortie par la rotation du gyromètre, comprenant des moyens pour imprimer à ltécoulement de fluide dans la chambre au repos non pas un mouvement radial, mais un mouvement tourbillonnaire de la périphérie à la sortie axiale. On amplifie ainsi directement le signal de sortie, ce qui permet soit d'obtenir une plus grande précision d'un gyromètre ayant un encombrement donné, soit de diminuer ltencombrement d'un gyromètre devant fournir des mesures avec une précision donnée. Quand le gyromètre est au repos, la pression et le débit à la sortie sont déterminés par la pression d'alimentation et par les- caractqristiques du mouvement tourbillonnaire, La mise en rotation du gyromètre autour de son axe provoque une perturbation du mouvement tourbillonnaire et par conséquent une variation de la pression à la sortie, et cette variation est plus grande que celle qui serait provoquée par la rotation du gyromètre si le fluide s'écoulait radialement dans la chambre au repos. Le mouvement tourbillonnaire peut outre engendré dans le gyromètre soit par une injection tangentielle à la périphérie de la chambre, soit par une couronne annulaire de fentes ou d'ailettes disposée entre la périphérie et la portion centrale de la chambre. Dans R mode de réalisation le dispositif d'amplifica- tion comprend en outre, associé au gyromètre, un applificateur fluidique proportionnel à déviation comportant des moyens pour mesurer la différence des pressions ou des débits de fluide dans deux tubulures de sortie situées en face d'un jet fonctionnel d- vié en sens opposés par les jets de commande émis respectivement par deux ajutages dont l'un est relié à la sortie de la chambre du gyromètre et dont l'autre est alimenté en fluide à une pression égale à la pression de sortie du gyromètre au repos. Cet amplificateur fluidique amplifie directement la variation de pression à la sortie de la chambre du gyromètre. Son signal de sortie présente donc le double avantage d'être at- plifié et d'etre proportionnel à cette variation de pression, Dans un autre mode de réalisation, on associe deux chambres à écoulement tourbillonnaire au repos, telles que defi- nies plus haut, mais dans lesquelles les écoulements tourbillonnaires au repos se font en sens opposés, à un amplificateur fluidique proportionnel à déviation dont les deux ajutages sont reliés respectivement aux sorties des deux chambres* La description qui va suivre en regard des dessins an nexés, donne à titre d'exemple non limitatif, permettra de bien comprendre les avantages de l'invention et l'art de la réaliser, toute particularité qui ressort tant du texte que des figures rentrant., bien entendu, dans le cadre de ladite invention, La figure l est une vue en coupe selon la ligne I- de la figure 2, montrant un gyromètre selon l'invention eompor- tant une chambre dans laquelle un mouvement tourbillonnaire est engendré par une injection tangentielle de fluide la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne Il-Il de la figure 1 les figures 3 et 4 sont des diagrammes explicatifs la figure 5 est une vue analogue à la figure 1, montrant le gyromètre associé à un amplificateur fluidique propor tionnel à déviation la figure 6 est une vue en coupe de l'amplificateur fluidique proportionnel à déviation la figure 7 est une vue analogue aux figures 1 et 5, montrant schématiquement un gyromètre qui comprend deux chambres semblables associées à un amplificateur fluidique proportionnel à déviation la figure 8 est une vue en élévation du gyromètre de la figure 7 la figure 9 est une vue analogue à la figure 1, montrant un gyromètre comportant une chambre dans laquelle un écoulement tourbillonnaire est engendré dans des canaux inclinés la figure 10 est une vue analogue à la figure 7 montrant un gyromètre comprenant deux chambres analogues à celle de la figure 9 associées à un amplificateur fluidique proportionnel à déviation. Le gyromètre représenté sur les figures 1 et 2 comprend essentiellement une enveloppe en forme de cylindre plat 1 munie de deux fonds la, lb, d'une tubulure d'entrée 2 debouchant à la périphérie du cylindre, et d'une tubulure de sortie 3 partant du fond inférieur lb coaxialement à l'axe X X' du cylindre, Une pa- roi annulaire poreuse 4 divise L'intérieur de l'enveloppe en un espace périphérique annulaire 5 qui communique avec la tubulure d'entrée 2, et une chambre cylindrique 6 qui communique avec la tubulure de sortie 3. L'espace annulaire 5 est traversé par une tubulure auxiliaire 7 qui débouche tangentiellement à la périphe- rie intérieure de la paroi annulaire 4. Si on alimente la tubulure d'entrée 2 an air comprimé à pression constante, cet air se répand-dans l'espace annulaire 5 et traverse la paroi poreuse 4 pour créer un écoulement radial homogène vers la tubulure de sortie 3, et on obtient ainsi le. gyromètre classique qui a été défini brièvement dans l'introduction de la présente description. Il convient de remarquer qu'un appareil comprenant l'enveloppe 1 avec son entrée 2 et sa sortie 3 et la paroi poreux se 4 avec l'entrée auxiliaire 7 est connu sous le nom d1ampîifica- teur à tourbillon. Dans un tel amplificateur, l'entrée 2 est alimentée à pression constante et l'entrée auxiliaire 7 est alimentée à pression variable. L'injection tangentielle de fluide par l'entrée auxiliaire 7 provoque un tourbillon plùs ou moins important et variable avec la pression d'alimentation de cette entrée auxiliaire.La variation de perte de charge, provoquée par ce tourbillon dans l'écoulement de fluide principal amené par l'en- trée 2 et s'écoulant de l'espace annulaire 5 à la sortie 3 à travers la paroi poreuse 4, produit une variation du débit, de fluide dans la sortie 3, Ce débit de sortie est 'donc fonetion'de la pression auxiliaire du fluide injecté par l'entrée auxiliaire 7, selon une loi qui a l'allure représent-e par ia courbe de la fiure 3. Sur cette figure, on a port en abcisses la pression variable du fluide admis en 7 et an ordonnées le débit dans la sortie 3.On voit sur cette courbe qu'on peut obtenir de grands écarts de débit pour de faibles écarts de pression. I1 en résulte donc une amplification entre le signal entrée constitué par la pression variable an 7 et le signal de sortie constitué par le débit en 3. -Dans le gyromètre de la figure 1, l'entrée auxiliaire 7 est alimentée à pression constante, par exemple au moyen dun détendeur figuré schématiquement en 8, lui-meme alimenté par une source 9 d'air comprimé à pression constante, qui fournit l'air à l'entrée principale 2. On met ainsi à profit, par des moyens qui n'étaient pas évidents, les propriétés d'amplification inhérentes à l'amplificateur à tourbillons pour détecter ou mesu rer une vitesse angulaire, Le fonctionnement du gyromètre est le suivant; quand il est au repos, l'entrée 2 étant alimente à la pression constante Po et l'entrée 7 étant alimentée à la pression constante P1, il se produit un écoulement tourbillonnaire de la paroi poreuse 4 à la sortie 3, et la pression P dans cette sortie 3 prend une certaine valeur P'.Cette valeur P' est celle que prendrait la pression P si le gyromètre tournait autour de son axe XX' à une vitesse angulaire Lo sans injection de fluide auxiliaire en 7 on peut admettre que P1 = k no, k étant une constante, à condition que le débit -de fluide a liaire en 7 soit négligeable par rapport au débit principal admis par la tubulure 2.La tubulure 2 étant alimenté à la pression PO et la tubulure 7 à la pression P1, si on fait tourner le gyromètre autour de son axe XX', la pression dans la sortie 3 va varier selon la courbe représentée sur la figure 4, dans laquelle la vitesse de notationt # est portée en abcisses et la pression de sortie P en ordonnées.On voit que cette courbe a une portion pratiquement rectiligne de part et d'autre de l'axe des ordonnées, de sorte que si l'on utilise le gyromètre pour détec ter des vitesses angulaires (mesurées dans le sens de la flè- che de la figure 1) comprises entre une valeurXl négative et une valeur 5t2 positive, la variation de pression P sera pratiquement proportionnelle à la vitesse angulaire #, le facteur de proportionnalité tant gal à la pente de la portion pratiquement rectiligne de la courbe. Autrent dit, la pression P sera donnée par la formule Xp/an étant la pente de la portion pratiquement rectiligne de la courbe de la figure 4. Comme on le voit sur cette figure, la pente est très supérieure à 45 , de sorte qu'il y a amplification. Le dispositif de la figure 5 permet de détecter directement le signal de sortie Z P/##.# et de l'amplifier, ctest-à- dire d'obtenir un signal de sortie proportionnel au signal d'entrée et encore, amplifié, en associant au gyromètre des figures 1 et 2 un amplificateur fluidique proportionnel à déviation représenté schématiquement en 8. On connaitle principe d'un tel amplificateur, dont un mode de réalisation est représenté en dtail sur la figure 6. Sur cette figure, un ajutage 9, alimenté en air à pression constante par un passage 9a,met un jet fonctionnel dans une chambre de déviation 10 en face d'une ouverture centrale 11, De part et dtautre de ltajutage fonctionnel 9 débouchent deux ajutages de commande 12, 13 alimentés respectiveent en air par les conduits de commande 2a, l3. De part et d'autre de l'ouverture centrale 11, deux conduits de sortie 14e, 15a débouchent dans la chambre de aviation 10 par des orifices 14, 15 respectivement, De part et d'autre de la chambre de déviation 10 partent aussi des évents ló, 17 qui la font communiquer avec l'atmosphère. Le fonctionnement d'un tel amplificateur est bien connu. Le jet fonctionnel émis par l:ajutage 9 est soumis, dans la chambre 10* à l'action des jets de commande émis par les ajutags 17 et 13 et on recueille à la sortie, sous la forme de la différence de pressions ou de dits dans les conduits de sortie 14a et 15a, un signal de sortie amplifié et proportionnel au signal entrée constitué par la différence des pressions dans les conduits de commande 13a et 12a.On rappellera seulement que l'équilibre des quantités de mouvement des jets entrant dans l'appareil et en sortant ne peuvent s'équilibrer qu par la déviation du jet résultant, Si l'intensité du jet fonctionnel est maintenue constante, une augmentation progressive du débit d'un des jets de commande pro vouera un accroissement proportionnel de l'angle de déviation et par conséquent un accroissement proportionnel de la pression et du débit dans le conduit de sortie situé à l'opposé de ce jet de commande.Afin de permettre linteraction libre des jets, la chambre 10 doit comporter les ouvertures et évents repré- sentés pour empêcher le recollement des jets sur les parois, Sur la figure 5, 1 conduit de commande 12a est relié à la sortie 3 de la chambre 1 et le conduit de commande 13a est alimenté en air à la pression constante P' qui, ainsi qu'on l'a expliqué plus haut, est la pression existant dans la sortie 3 quand le gyromitre est au repos, c'est-à-dire ne tourne pas autour de son axe, On obtient ainsi, en détectant la différence des pressions dans les conduits de sorti 14a et 15a, un signal de sortie proportionnel à la vitesse angulaire fl et amplifié. Le dispositif de la figure 5 exige que la pression pq soit très bien régulée afin de ne pas introduire d'erreurs importantes dans les mesures. I1 est nécessaire aussi que les pressions PO et P1 d'alimentation des entres 2 et 7 du gyromètre soient également bien régulées, afin de ne pas provoquer de décalage important de la pression P' s cette condition est d'autant plus critique que les variations de pression produites dans les conduits 14a et 15e par une vitesse angulaire importante du gyromètre sont petites par rapport à la pression P'. Le mode de réalisation des figures 7 et 8 montre un gyromètre qui permet de s'affranchir de ces sujétions, Ce gyuromètre comprend une première enveloppe 18 identique à celle des figures 1 et 2, avec ses entrées 2 et~7, sa paroi poreuse 4 et sa sortie 3, et une seconde enveloppe 19 de même dimension que l'enveloppe @@ comportant aussi deux entrées 2a, 7a, une paroi poreuse 4a et une sorti 3a, mais l'entrée auxiliaire 7a tant orientée en sens opposé de l'entrée auxiliaire 7. La figure 7 n'est qu'une vueschémétique, et les deux enveloppes 18, 19 sont disposées coaxialement comme le montre la vue en élévation de la figure 8.Les tuoulures de sortie 3 et 3a sont reliées ras- pectivement aux conduits d'entrée 12e et 13a d'un amplificateur fluidique proportionnel à déviation 20 semblable à celui de la figure 5. Lorsque 1 gyromètre des figures 7 et 8 est au repos, c'est-à-dire quand il ne tourne pas autour de son axe XX', les écoulements tourbillonnaires sont identiques dans les deux chambres 6 et óa, et les pressions aux sorties 3 et 3a sont toutes deux égales à la pression P' ; on recueille donc une différence de pression ou de débit nulle dans les conduits de sortie 14a et 15a. Si le gyromètre est soumis à une vitesse angulaire # au- tour de son axe X X', l'inclinaison de l'écoulement tourbillon- naire augmente dans une des chambres, par exemple la chambre 6, et diminue dans l'autre chambre 6a ; il en résulte à la sortie 3 une pression P' - #P/##. # et à la sortie 3a une pression P' + ##P/## .# .On recueille donc par différence aux sorties 14e et 15a un signal de sortie proportionnel à 9 P/9 fl et en- core amplifié. Le gyromètre des figures 7 et 8 présente notamment les avantages suivants - le fait que le gyromètre comprend deux enveloppes permet de doubler la sensibilité du dispositif ; on peut donc diminuer le diamètre d chaque enveloppe pour obtenir une sen sibilité identique à celle qu'on aurait si l'on avait utilisé une seule enveloppe ; l'inconvénient d'utiliser deux enveloppes est donc compensé par la diminution des dimensions de chaque enveloppe - dans la mesure où les enveloppes sont rigoureusement identiques, c'ést-à-dire dans la sur où de faibles tolérances de fabrication sont imposées, les fluctuations de pression d'ali mentâtion et d'alimentation auxiliaire sont sans effet sur le dispositif, puisqu'on peut effectuer ces alimentations à partir d'une source unique - les bruits de fond dus à l'écoulement tourbillonnaire et à l'alimentation se compunsent, grâce à la conception de commande différentielle et à la structure identique des deux en veloppes - 1 fait d'utiliser de simples prises de pression pour assurer la détection permet d'envisager la construction de l'appareil à un prix relativement bas w on outre, la fiabilité de l'appareil est exceptionnellement élevée. Dans le mode de réalisation de la figure 8, les entrées principales 2 et 2a des deux enveloppes et les entrées auxiliaires 7 et 7a sont reliées à une chambre de distribution 21 recevant le gaz comprimé d'une source 23 par l'entremise d'un détendeur 22. Les entrées principales ct les entrées auxiliaires sont donc alimentées à la mtme pression. I1 va de soi, toutefois, que les entrées 7 et 7a pourraient store alimentées à une pression différente de la pression d'alimentation des entrées principales 2 et 2a. La figure 9 montre un gyromètre fonctionnant sur le mtme principe que icelui des figures let 2, mais dans lequel l'écoulement tourbillonnaire est obtenu dans la chambre 6 non plus par une invention auxiliaire de fluide, mais par une dévira~ tion mécanique provoquez par des canaux inclinés.-Ces canaux inclinés sont constitués par des fentes 24 pratiquées dans une paroi annulaire- 25 -séparant dans l'enveloppe 1 la chambre 6 de l'espacé annulaire 5 dans lequel débouche l'entrée 2.Les fentes 24 sont de préférence très inclinées par rapport aux directions radiales, de façon que le fluide soit injecté presque tangentiellement dans la-chambre 5 ; chaque fente 24 est inclinée, par exemple, d'un angle de 150 sur la tangente, figurée en trait interrompu en 25, à la périphérie interne de la paroi 25, Le fonctionnement du gyromètre de la figure 9 est analogue à celui du gyromètre des figures 1 et 2.Au repos, la pression à la sortie 3 a une Certaine valeur P1 ; quand le gyromètre tourne autour de son axe, la pression à la sortie 3 varie proportionnellement à la vitesse angulaire et la variation de cette pression est un signal amplifié de cette vitesse angulaire, Le gyromètre de la figure 9 peut être associéS selon une disposition analogue à celle de la figure 5, à un amplificateur fluidique proportionnel à déviation dont une entrée est reliée à la sortie 3 du gyromètre et dontKl'autre entrée est alimentée à la pression P'. La figure 10 montre un gyromètre analogue à celui des figures 7 et 8, comprenant deux chambres semblables à celles de la figure 9 mais dont les fentes 24 et 24a sont inclines en sens opposés, associé à un amplificateur fluidique proportionnel à déviation 7, semblable à celui de la figure 6, dont les conduits d'entrée 12e et 13a sont reliés respectivement aux sorties 3 et 3a des deux chambres. Comme dans le cas des figurus 7 et 8, on recueille un signal de sortie amplifié et proportionnel, sous la forme de la différence des débits ou des pressions dans les conduits de sorti 14a et 15a de l'amplifi- cateur 27. R E V E N D I C A T I O N S 1. Gyromètre fluidique à tourbillon, comprenant une chambre de révolution alimenté en fluide à sa pripri et pourvue d'une sortie axiale, et un détecteur propre à mesurer dans la sortie la variation de pression ou de débit provoquée par la rotation de ladite chambre autour de son axeS caractérisé par un dispositif d'amplification comprenant des moyens pour imprimer à l'écoulement de fluide dans la chambre au repos, non pas un mouvement radial, mais un mouvement tourbillonnaire de la péri ph-rie à la sorti axiale. 2. Gyromètre selon la revendication 1, dans lequel le mouvement tourbillonnaire est engendré par une injection tangentielle de fluide à la périphérie de la chambre, par exemple au moyen d'une entrée auxiliaire alimentée en fluide à pression constante. 3. Gyromètre selon la revendication 1 dans lequel le mouvement tourbillonnaire est engendre par une couronne annulaire de canaux inclinés disposée entre la périphérie et la portion centrale de la chambre. 4. Gyromètre selon une quelconque des revendications pré- cédentes, dans lequel le dispositif d'amplification comprend aussi un amplificateur fluidique proportionnel à ddviation comportant des moyens pour mesurer la di--férence des pressions ou des débits de fluide dans deux tubulures de sortie situés en face d'un jet fonctionnel dévié an sens opposés par les jets de commande mis respectivemcnt par deux ajutages dont l'un est relié à la sortie de la chambre du gyromètre et dont l'autre est alimenté en fluide à une pression égale à la pression de sortie du gyromètre au repos. 5. Gyromètre fluidique à tourbillon, comprenant deux chambres de révolution identiques dont chacune est alimentée en fluide à sa périphérie et pourvue d'une sortie axiale, des moyens pour imprimer au fluide, dans les deux chambres au repos, des mouvements tourbillonnaires en sens opposés de la périphérie à la sortie axiale, et un amplificateur fluidique proportionnel à déviation comportant des moyens pour mesurer la différence de pression ou dc bit de fluide dans deux tubulures de sortie situnes en face d'un jet fonctionnel dévié en sens opposés par les jets de commande émis respectivement par deux ajutages r- liés respectiu~ment aux sorties des deux chambres, 6. Gyromètre selon la revendication 5 > dans lequel les deux chambres sont disposées coaxialement. 7. Gyromètre selon une quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel le mouvement tourbillonnaire est engendré dans chaque chambre par une injection tangUntielle de fluide à la périphérie de la chambre, par exemple au moyen d'une entrée auxiliaire alimentée en fluide à pression constante, 8, Gyromètre selon une quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel le mouvement tourbillonnaire est engendré dans chaque chambre par une couronne annulaire de canaux inclinés dispose entre la périphérie et la portion centrale de la chambre.