Brevet FR2065704A1 — publié le 19710806

La présente invention se rapporte en général aux dispositifs de mesure de vitesse d'air utilisés lorsque la vitesse relative d'air est nécessaire, et qui mesurent la vitesse indépendamment vers l'avant, vers l'arrière et en direction latérale0 5 La mesure selon la technique connue des vitesses d'air orthogonales ou résultantes a été principalement développée par l'intermédiaire du concept des dispositifs entraînés par le vent tels que les hélices ou les anémomètres. Oes dispositifs, bien qu'étant .précis, sont.en général fragiles tout en étant encom-10 "brants et lourds ; ils sont par suite considérés comme inacceptables pour les applications en vol, ainsi que pour d'autres applications mobiles. Un autre type de dispositif connu utilise des fils chauffés électriquement, qui se refroidissent sous, l'ef fet de l'augmentation de l'écoulement de lfair. Ces dispositifs 15 sont également fragiles, et on a constaté qu'ils ne convenaient pas aux installations en vol et mobiles» Oes dispositifs connus ayant une inertie thermique ou de masse, ont tous deux une réponse généralement lente. Un dispositif de détection de vent de travers est présen-20 té dans le brevet américain N° 5 774- 372, et comprend effectivement un type de détecteur pour déterminer le vent de travers dans une direction orthogonale. La présente invention se rapporte à un détecteur de vitesse d'air utilisant des signaux de. pression dans des directions 25 orthogonales, pour déterminer l'écoulement d'air relatif. Le détecteur 'ne comporte .aucune partie mobile. Les.différences de pression dans la direction orthogonale sont transmises par une tuyauterie appropriée à des transducteurs, et ces derniers émettent des signaux électriques proportionnels aux différences de 30 pression. L'utilisation de signaux dans plus d'une direction permet de déterminer les écoulements d'air vectoriels, et l'utilisation de deux détecteurs distincts permet "d'-obtenir" le vecteur d'écoulement d'air dans trois dimensions. L'appareil comprend une sonde pourvue de quatre chambres 35 divisées suivant un axe longitudinal en chambres orientées ortho gonalement, et les différences de pression d'air dans la chambre dans la direction suivant le plan de mesure des chambres, 70 34292 2 2065704 déterminent alors 1* écoulement d'air dans cette direction particulière. L'appareil peut être utilisé pour un véhicule aérien, tel qu'un hélicoptère, et les signaux produits par cet appareil peuvent être injectés dans des dispositifs automatiques de cornai mande de vol pour orienter 1*hélicoptère directement dans le vent relatif, notamment durant le décollage et l'atterrissage. Le dispositif trouve, également son utilisation sur les véhicules militaires et les porteurs de canons pour tirer des données précises de vent de travers en vue de la correction de la trajectoire des -10 projectiles. ,La description ci-après d'un mode de réalisation du dispositif donné à titre d'exemple, se réfère aux dessins, joints, dans lesquels î ... la figure 1 est une vue schématique fragmentaire d'un 15 détecteur de vitesse d1air.orthogonale selon la présente invention, montrant les transducteurs utilisés avec celui-ci; la figure 2 est une vue agrandie latérale du .détecteur de la figure 1 ; la figure 3 est une coupe suivant la ligne 3-3 de la fi-20 gure 2 ; ; la figure 4 est une coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 2, montrant des orifices de mesure détectant la pression Statique. ...... . Le détecteur de pression d'air destiné à déterminer la 25 vitesse d'air est désigné dans son ensemble paiv le repère 10. Il comprend une sonde cylindrique verticale 1,1 de coupe transversale circulaire, et montée par une monture 12 sur une surface 13 d'un avion ou d';un objet immobile sur lequel l'appareil doit être utilisé. La sonde a un axe longitudinal .14 qui est perpendiculai-30 re au plan de mesure de la vitesse d'air. En d'autres termes, ainsi que le montrent les figures 1 et 2, les mesures de vitesse d'air sont prises suivant les axes orthogonaux dans un plan perpendiculaire au plan du dessin et à l'axe 14. L'intérieur de la sonde 11, dans les parties utilisées 35 pour détecter la vitesse de l'air, ainsi que représenté à la figure 3, est divisé en quatre compartiments étançhes par des parois internes longitudinales 15et 16. Ces deux parois 15, 16 À 70-34292 3 2065704 sont disposées diamétralement et se coupent en leurs parties centrales. Une cloison transversale 17 obture hermétiquement ces chambres à une de leurs extrémités. L'extrémité extérieure de la sonde est fermée et est représentée hémisphérique, "bien que cet-5 te forme n'ait pas une importance essentielle. Un élément chauffant portant la référence globale 20 est disposé à l'intérieur de la sonde pour assurer le dégivrage. La cloison 17 est représentée en traits pointillés à la figure 2. Il existe donc deux chambres 21, 22' disposées longitudinalement, diamétralement 10 opposées ou se trouvant dans des quadrants opposés délimités par les parois 15 et 16, et deux chambres 23, 24- qui sont également diamétralement opposées. Dans chacune des chambres débouche un tube de pression. Dans la chambre 21 débouche un tube 21A et dans la chambre 22 15 un tube 22A; dans la chambre 23 débouche un tube 23A et dans la chambre 24- un tube 24A. Ces tubes sont eux-mêmes raceordés à des transducteurs appropriés 25 et 26. Un transducteur 25 est raccordé aux tubes 21A et 22A, et détecte la pression différentielle entre les chambres 21 et 22.'Un transducteur 26 est raccordé aux 20 tubes 23A et 24A et détecte la pression différentielle entre les chambres 23 et 24. Les transducteurs 25, 26 comportent chacun un montage électrique destiné a produire un signal de sortie proportionnel à la racine carrée de ce signal de pression différentielle. Les signaux des transducteurs 25, 26 sont utilisés pour indi-25 quer la vitesse de l'air dans la direction orthogonale sur des appareillages illustrés respectivement en 27 et 28. La sonde 11 est disposée avec son axe central longitudinal 14 perpendiculaire au plan de mesure de la vitesse de l'air. En outre, la sonde est orientée suivant des axes X et Y ainsi que 30 l'indique la figure 3* Les axes X et Y sont disposés dans des directions appropriées pour la mesure désirée à effectuer sur l'appareil. Par exemple, l'axe X pourrait être disposé dans le sens de l'avant vers l'arrière sur un hélicoptère, et l'axe Y dans le sens de gauche à droite, ou d'un côté vers l'autre. Les 35 axes orthogonaux X et Y sont disposés de manière à diviser en deux parties égales les chambres auxquelles ils se rapportent. L'axe X, ainsi que représenté, divise en deux les chambres 21 70 34292 4 2065704 et 22, et,l'axe Y, ainsi que représenté, divise en deux les chambres 23 et 24-. Le détecteur doit être correctement dispose pour fonctionner convenablement. Des orifices appropriés de détection de pression 31 débouchent dans la chambre 21, et des orifices de 5 détection de pression 32 débouchent dans la chambre 22. Ces orifices, ainsi que représenté, sont disposés en faisant un angle 0 par rapport à l'axe X, et deux de ces orifices sont représentés. Si on le désire, un unique orifice allongé et transversal à 1*axe- X pourrait être utilisé. Les deux orifices représentés 10 ont pour but de donner une moyenne de la pression quand les écoulements d'air sont dirigés d'autre manière que directement sur l'axe X. La composante vectorielle détectée, toutefois, se situera seulement le long de l'axe X quand les chambres 21 et 22 sont utilisées pour la mesure. 15 Des orifices de détection. 33 débouchent dans la chambre 23, et des orifices 34- débouchent dans la chambre 24. Les orifices 31 à 34- sont représentés tous dans le même plan. En réalité, ces orifices pourraient être disposés en quinconce dans le sens de l'axe longitudinal de la sonde si on le désire, sans nuire à 20 la fonction de détection, mais ils doivent être disposés à une distance appréciable à la fois de l'extrémité de lâ sonde et de la monture de cette dernière. Les orifices doivent être espacés au minimum de six diamètres de sonde de la pointe du tube, afin d'assurer que l'écoulement autour" de la pointe ne cause de créa-25 tion de fonctions erronées de pression qui se produiraient aux orifices, même si l'écoulement n'est pas perpendiculaire à la sonde. Cette sonde est donc très allongée par rapport à son diamètre, sa longueur étant dans le rapport de dix diamètres ou plus. Les trous ou orifices sont normalement situés dans le même plan 30 pour faciliter la fabrication. Ainsi que représenté, l'angle 0 de ces orifices est pour chacune des chambres d'environ 22 à 28 degrés de chaque côté des axes orthogonaux du détecteur. L'étan-chéité des chambres est assurée en ce qui concerne l'écoulement et les fuites, sauf en ce qui concerne leurs tubes de sortie. Les 35 diamètres des orifices sont environ le 1/10 du diamètre extérieur; du tube, ainsi que représenté. En se référant à la figure 3 et aux orifices représentés, 70 34292 5 2065704 on a constaté expérimentalement que la différence de pression entre les chambres disposées pour détecter les pressions suivant les axes opposés ou orthogonaux, est proportionnelle au produit de la pression d'impact (V) et de cos"6, 0 étant l'angle formé 5 entre le vecteur de vitesse et l'axe orthogonal "X" du détecteur. Cet angle © est représenté à la figure 3» où est également représenté le vecteur de vitesse. De même, les sorties des chambres 24 et 23 sont proportionnelles à la pression d'impact multipliée 2 2 pair sine ©, ou cos (90-9). Les équations impliquées sont repré-10 sentées par les équations (1) et (2) ci-dessous. £ P., 2 = A q cos2© CD A P, y, = A q cos2 (90-8) = A q sin^? (2)' L'équation (3) s'ensuit par simple addition : • 15 A P.. o + /iP;a = Ao (cos2 + sin2©> A q (3) En combinant les équations (1) et (3), ob. peut obtenir l'angle de direction d'écoulement (©) de : p A P , , ' C°S~S ■ ù p-i ? 4. W 20 * * Four les faibles vitesses d'air et de fluides incompressibles, la pression d'impact "q" peut être déterminées approximativement par 1'équation (5) : q = 1/2 /> V2 (5) Les Equations (la), (2a) et (3a) s'ensuivent : /> -5L, A p1>2 = cos^e =/V V (1a) 30 À P5)4 = V2 sin-6 = /- (2a) A P, P + AP, , =./?rl2 (3a) Les vitesses Y , Y et Y s'ensuivent de :n§Ziç. sous h> forme des y Equations (îb), (2b) et (3b) : V_ = ( A ? -/ ^r ) 35 / - x »- vy = ( /3 ?$)4//v)v*; _ . Y = f( A ; -, A P-, A)//?/'J :/" (5b) 70 34292 6 2065704 o dans lesquelles P - densité en gouttelettes/m = constante d'étalonnage, approximativement égale à 0,65 Les équations (1b), (2b) et (3b) permettent de déterminer les vitesses exactes d'air ou de fluide d'après une combinaison 5 de j P et une mesure de densité. La densité de l'air est couramment déterminée d'après une mesure de pression et de température, par exemple £' = P/RI. Selon la description qui va suivre, la mesure de pression et de température peut également être incluse dans le détecteur de vitesse d'air. 10 On peut supposer pour simplifier qu'un véhicule volant fonctionn^éeulement au niveau de la mer, ce qui permet l'usage d'une densité constante. Par suite, ort peut alors arriver aux équations (1c) et (2c) , dans lesquelles et sont les vitesses de l'air indiquées en noeuds, en supposant la densité 15 cLu niveau de la mer. v±x = C A p1j2/ £fsi)V2 = c ( £ p1j2)V2 (1c) Tiy = ( à P3s4/ /3/sl}1/2 = G ( â P5j4)1/2 (2c) 20 V = G CÙPn 2 + Ù P3 4) 1/2 (3c) Les deux sorties de pression du détecteur de vitesse d'air orthogonale seront déterminées par l'équation (1a) et (2a). Avec les constantes connues d'étalonnage et un transducteur de vitesse d'air approprié, on peut rendre la tension de sortie propor-25 tionnelle aux vitesses d'air indiquées dans les directions orthogonales par les Equations (1c), (2c) et (3c). Dans la totalité des précédentes équations, les différences de pression entre les chambres associées sont des valeurs -positives, et toutes les équations donnent les grandeurs seule-30 ment. Si les différences de pression sont prises dans un sens fixe, notamment (P2^ - ei: ^23 ~ "^24^> "*"e s^Sne de la dif férence changera avec la direction d'écoulement comme suit : La pression différentielle aux chambres 22 et 23 est positive pour l'écoulement de direction avant, et est négative pour 35 l'écoulement de direction arrière. Les pressions différentielles dans les chambres 23 et 24 sont positives pour l'écoulement de direction de gauche, et négative pour l'écoulement de direction 70 34292 7 2065704 de droite. Par suite, en notant le signe et la valeur de la lecture dans la direction de gauche à droite ou en avant et en arrière, la composante orthogonale de l'écoulement est déterminée dans les équations ( 1 ), (2) et (4-)„ 5 Par suite, en prenant les pressions différentielles dans les jeux de chambres agencées dans la direction correcte le long de l'axe orthogonal désiré, avec les orifices de détection correctement agencés par rapport à l'axe orthogonal, et en utilisant des chambres étanches à l'intérieur de la sonde, la vitesse d'air 10 dans les directions orthogonales peut être déterminée avec précision. Les instruments lisent les signaux de pression fournis par les transducteurs 25 et 26. Ces transducteurs comprennent un montage pour-exécuter les fonctions arithmétiques nécessaires (racine carrée du signal) afin de donner une lecture directe des 15 vitesses d'air dans chacune de ces directions orthogonales dont l'indicateur dispose. Quand on trace une courbe en utilisant la pression différentielle ( P) sur un axe vertical et un angle 6 sur un axe p horizontal, on obtient une courbe de cos selon l'équation (1) 20 pour la forme de sonde représentée à la figure 3. Cette courbe peut être modifiée et changée si la position, la forme- ou la dimension des orifices de détectioi^ést changée. Par exemple, si l'on désire une relation plus linéaire entre © et ù. P, au voisinage de © égale zéro, on peut obtenir ce résultat en réduisant 25 l'angle 0. Dans les applications de vol et d'écoulement, il est également désirable que la sortie soit proportionnelle à la pression statique atmosphérique ou altitude de pressioh. Sn cas d'utilisation d'un détecteur orthogonal, ainsi que c'est le cas dans 30 la présente invention, la disposition d'un orifice de détection de pression statique pose un problème car les trous du détecteur que l'on vient de décrire sont situés de manière à être sensibles à la pression d'impact et par suite ne sont pas utilisables. On a constaté que pour un cylirdre en écoulement à des vi-35 tesses d'air telles que celles nécessaires pour a^velop'-er ur.e pression d'impact "q.", les trous ou orifices de détection qui sont correctement orientés par rapport à la direction de vol 70 34292 8 r\ s sr r> ?. *:u65/u4 donnent une mesure exacte de pression statique sur une gamme assez étendue de directions d'écoulement sur la sonde elle-même. Ainsi que le montrent les figures 2 et 4, la cloison 17 isole las chambres de détection orthogonales. Une autre cloison est formée 5 en 36 pour assurer l'étanchéité d'une chambre de pression statique 37» Les orifices de détection de pression sont agencés de manière que deux orifices 38 aient leurs axes pratiquement à 30° par rapport à l'axe X, et ceux-ci sont agencés sur le côté avant du tube détecteur. Un orifice 39 de pression arrière est disposé 10 pratiquement sur l'axe X à la position arrière, et est de dimension inférieure à celle des deux orifices avant 38. En d'autres termes, l'orifice 39 débouche pratiquement à 180° de la direction attendue dè l'écoulement. Des données expérimentales ont démontré que la pression de sortie de cette configuration particuliè-15 re tombe à 0,ÔÔ q pris pour toutes les vitesses d'air sur un changement de'direction d'écoulement de plus ou moins 30° (gamme de 60°) de la direction avant du tube ou de l'axe X-X. Par suite, si le véhicule volant se déplace rapidement en avant et change de direction, la pression de sortie de la cham-20 bre de pression statique sera relativement inchangée par ce changement de direction ou de vitesse d'air, La sortie de pression statique est raccordée par le tube 40 de détection de pression statique à un instrument convenable 41, tel qu'un transducteur de pression absolue ou un altimètre. Plus la gamme de direction 25 d'écoulement est restreinte en cours de fonctionnement normal, plus on pourra rendre précise la sortie de pression statique par le choix des dimensions et positions des trous. En tout cas, l'effet de moyenne de la pression d'impact sur les deux orifices dirigés vers l'avant et une pression négative sur l'orifice dirigé 30 vers l'arrière s'aàsocient pour donner une lecture de pression statique sûreymême quand les orifices utilisés sont soumis aux pressions d'impact0 Pour des mesures exactes de vitesse d'air, une mesure de température du fluide peut être détermiïtée par un détecteur si-35 tué d'une manière générale sur ou dans le détecteur de vitesse d'air, dans la région inférieure de la section 11 à la figure 2. Le dispositif indique donc une vitesse orthogonale d'air 70 34292 9 2065704 suivant les axes particuliers par une orientation correcte des chambres étanches et des orifices. L'utilisation des pressions différentielles détectées par les chambres suivant les axes selon les formules données, constitue un moyen précis pour déter-5 miner ces vitesses d'air sans un étalonnage excessif, et sans pièces mobiles. Il est évident que les écoulements dans une seule direction, par exemple suivant les axes X-X, peuvent être obtenus avec deux chambres seulement, et que l'écoulement dans trois directions peut être facilement obtenu en utilisant une 10 première sonde telle que celle représentée présentant un axe longitudinal perpendiculaire au plan de mesure, et une seconde sonde pourvue de chambres disposées de manière à détecter les écoulements dans le sens de cet axe 14- (les axes de la sonde se situant parallèlement aux axes X-X, Y-Y représentés). Cet agen-15 cernent donne une possibilité de détermination à trois dimensions. Il existerait donc un axe fixe de détecteur à 90° de l'axe 14, avec deux chambres séparées agencées de manière à détecter les pressions dans le sens Z-Z, ou en d'autres termes, suivant ou parallèlement à l'axe 14. La détection de pression différentiel-20 le dans deux chambres correctement disposées serait utilisée pour cette mesure Z-Z. Dans un dispositif orthogonal à trois dimensions, l'axe Z-Z serait l'axe 14. Un montage convenable permet de déterminer le vecteur relatif de vitesse d'air d'après les signaux. 25 On remarquera que les chambres de détection 21, 22, 23 et 24 n'ont pas besoin d'être considérablement allongées, mais peuvent s'étendre sur une longueur limitée seulement, dans la direction axiale, habituellement environ un diamètre. Dans les équations données dans le présent mémoire des-30 criptif la pression différentielle entre les chambres associées ( A P„ o ou ù P;, ,,) serait équivalente à .û P21,22 ou ZI P23,24 en ce qui concerne les chambres du dessin. Les transducteurs 25 et 26 peuvent être des transducteurs du ï£odèle 835 fabriqués par la Ro^semount Engineering Company, 35 et les indicateurs 27 et :8, ïlodèln £59 peuvent être des indicateurs de vitesse d'air du type à empèremètre. Les données fournies par les transducteurs 25 ou 26, ou par ces deux appareils, 70 34292 2065704 (ou par d'autres combinaisons utilisées pour détecteur d'autres vecteurs de vitesse) peuvent être utilisées pour la commande manuelle du vol, dans des dispositifs à calculatrice pour la commande automatique du vol, ou pour la commande de tir des canons, 5 ainsi que pour de nombreuses autres applications. Un détecteur de température de l'air peut être incorporé directement dans la sonde, si on le désire, dans les régions inférieures de celle-ci. Des conducteurs convenables peuvent être Utilisés« 10 L'agencement est égalerait pourvu de conducteurs 42 d'élé ment chauffant pour la transmission du courant à ce dernier. 70 34292 11 2065704 REVENDICATIONS 1. Dispositif pour détecter la vitesse d'un fluide dans au moins une direction, comprenant une sonde, au moins un premier et un second orifices formés dans cette sonde et agencés 5 pour faire partie d'un jeu d'orifices, ces orifices étant fixes par rapport à un axe de direction de mesure, dispositif caractérisé par le fait que ce premier orifice d'un jeu est dirigé dans une direction générale opposée à celle du second orifice du jeu, et l'agencement est pourvu d'un organe pour émettre un signal 10 qui est fonction de la différence de pression entre le premier et le second orifice,, 2. Dispositif selon la revendication 1 également caractérisé par le fait que le premier orifice fait face à une direction générale suivant cet axe de direction, 15 3» Dispositif selon les revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que cette sonde présente un axe longitudinal et que ces premier et second orifices sont chacun symétriquement disposés par rapport à un plan délimité par cet axe longitudinal et l'axe de direction. 20 4-. Dispositif selon la revendication 1,caractérisé par le fait que cette sonde est cr/lindrique, et que ces orifices sont disposés à une distance mininale de l'extrémité libre de la sonde, d'environ six diamètres de cette dernière. 5. Dispositif selon l'une quelconque des précédentes re-25 vendications, caractérisé par le fait que cette sonde comprend un "barillet avec un axe longitudinal, et dans ce "barillet des parois qui le divisent au moins en deux chambres intérieures formant des paires, et par le fait qu'un orifice distinct débouche dans chacune des chambres. 30 6. Dispositif selon la revendication 5» caractérisé par le fait que ce barillet de sonde a une coupe transversale circulaire. 7. Dispositif selon les revendications 5 o'J ô, caractérisé par le fait que cette paroi divise le carillet en quatre cham-35 bres intérieures formant deux paires, et par le fait qu'il existe deux jeux de premier et second orifices disposés de manière à détecter la pression dans une direction suivant deux axes 70 34292 12 2065704 coplanaires de mesure, qui coupent cet axe longitudinal, et par le fait que les orificeîs débouchant dans chaque paire de chambres *■ * sont symétriques par rapport à un plan délimité par l'axe de mesure associé à cette paire de chambres, et par l*axe longitudinal 5 du barillet. 8. Dispositif selon la revendication 75 caractérisé par le fait que cet axe de 'la*sonde s'étend pratiquement normalement au plaijfaélimité par ces axes de mesure, et une paroi distincte dans cette sonde délimite une chambre de détection de pression 10 statique, un dispositif d'-orifices de pression statique débouchaob dans cette chambre, ce dispositif d'orifices comprenant une paire d'orifices de pression statique dirigés dans une direction générale du mouvement normal de l'air passant sur cette sonde et étant disposés suivant des angles obliques égaux de chaque côté 15 de3!àxe de mesure s ' étendant dans cette direction de mouvement normal d'air, et un troisième orifice de pression statique ayant -un axe pratiquement co axial à cet axe de mesure s'étendant dans cette direction de "mouvement normal d'air, et étant disposé du côté opposé de la sonde par rapport aux orificeè de pression sta-20 tique et dirigé dans une direction générale opposée à cette direction du mouvement de l'air. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7» caractérisé'par-le fait que l'un des premier et second orifices de" chaque jeu fait face à une direction générale opposée à 25 la direction d'écoulement d'air, -et a une surface dë coupe transversale plus petite que l'autre orifice de chaque jeu. 10. Dispositif selon l'une quelconque des précédentes revendications caractérisé par le fait que cet axe de direction fixe forme un axe d'un dispositif de coordonnées à trois dimensions 30 ayant des axes mutuellement perpendiculaires X, Y et Z, et caractérisé par le fait que le premier et le second orifice d'un jeu sont symétriques par rapport à un plan délimité par les axes X et Z. 11* Dispositif selon l'une quelconque des précédentes re-35 vendications, caractérisé par le fait que l'organe destiné à émettre un signal, émet un signal qui est proportionnel à la racine carrée de la différence de pression entre le premier et le second orifice.