Brevet FR2207275A1 — publié le 19740614

La présente invention a pour objet une sonde anémométrique à fils chauds. Le secteur technique concerne est celui de la fabrication des appareils de mesure destinés à l'étude des écoulements de fluides notamment des gaz. On connaît les anémomètres à fil chaud constitues par un ou plusieurs fils très fins chauffés et déplacés dans un écoulement de fluide pour évaluer en chaque point de celui-ci la vitesse moyenne U, la direction de cette vitesse moyenne et les fluctuations de la vitesse instantanée autour de la vitesse moyenne dont les valeurs instantanées seront notées u pour la composante parallèle à la vitesse moyenne et v et w pour les deux autres composantes. On désigne par u', v' et w' les racines carrées de la moyenne des valeurs de u2, v2 et w2. L'anémomètre le plus simple est constitué par un seul fil chauffé électriquement et placé dans un écoulement, avec une direction sensiblement perpendiculaire à la direction générale de l'écoulement. Un tel anémomètre permet de mesurer la vitesse moyenne U et la composante u mais il ne permet pas de connaître la direction de la vitesse moyenne ni les composantes v et w de la fluctuation. Dans un tel anémomètre, le fil unique.est connecté par des conducteurs à un pont de résistances du type pont de Wheatstone. Le fil est chauffé électriquement et le pont équilibré. Lorsque le fil est placé dans un écoulement de fluide, il se refroidit, sa résistance diminue et le pont se trouve déséquilibré. I1 existe deuxï4iéthodes de mesure de la vitesse à partir de ce déséquilibre d'ou deux types d'anémomètres. Dans les anémomètres à intensité constante, on conserve constante l'intensité du courantacirculant dans le fil et on mesure la variation de résistance decelui-ci en mesurant la tension aux bornes de la diagonale du pont. Dans l'anémomètre à température et résistance constanteS,on fait varier continuellement l'intensité de chauffage du fil de sorte que le pont reste équilibré et on mesure la tension E d'alimentation du pont qui est liée à la vitesse instantanée U du fluide par une équation de la forme dans laquelle a et b sont des constantes. L'inertie thermique du fil est compensée grâce à un amplificateur dont la courbe de réponse croît avec la fréquence de sorte que les varia tionq de la tension E suivent fidèlement les variation de la vitesse U d'un ecoulement turbulent. Comme la relation entre E et U n'est pas linéaire, on utilise, généralement, un circuit électronique dit de linéarisation, composé d'ampli- ficateurs analogiques, tels que la tension de sortie fournie par ces amplificateurs soit proportionnelle a la vitesse instantanée U dans une plage de tension suffisamment étendue. L'anémomètre à fil unique n'est pas directionnel dans le plan normal. Or, pour étudier un écoulement turbulent, il est important de connaître non seulement la valeur moyenne de la vitesse U et la compesante de l-a fluctuation u mais également la direction de la vitesse moyenne et les autres composantes de la fluctuation v et w qui permettent d'obtenir les tensions de Reynolds égales à la moyenne des produits u.v et u.w et notées u.v et u.w. En pratique, on utilise généralement une sonde à fils chauds inclinés dite sonde en X constituée de deux fils tendus chacun entre les extrémités de deux broches et placés dans deux plans parallèles entre eux et sensiblement parallèles à la direction générale de l'écoulement, laquelle direction est sensiblement parallèleà la bissectrice de l'angle formé par les deux fils. La sonde en X permet de connaître la vitesse moyenne U, sa direction et les composantes u et v de la fluctuation de vitesse du fluide. Des circuits électroniques analogiques permettent d'obtenir aisément à partir de ces données les tensions de Reynolds u.v ainsi que les valeurs u et v'. Mais la sonde en X présente des inconvénients dont le principal est l'écar- tement minimum entre les deux fils. Si cet écartement descend au-dessous d'un millimètre, il apparaît des erreurs de mesure dûes aux intéractions mutuelles des deux fils, intéraction dynamiques et thermiques. Cet écartement minimum entre fils ne permet pas de faire des mesures vraiment ponctuelles ce qui est un inconvénient très sérieux car l'étude détaillée d'un écoulement turbulent doit permettre d'étudier les gradients de vitesses qui peuvent être élevés dans les zones de mélange d'un jet et d'un écoulement et qui nécessient donc des mesures très rapprochées et ponctuelles. La sonde ers X, du fait de son encombrement, ne permet pas d'effec- tuer des mesures à moins d'un millimètre des parois ce qui est également un in;onvénient grave car il est très important, dans une étude d'écoulement, d'observer les phénomenes au contact des parois. Four remédier à -es inconvénients, on a proposé d'utiliser des sondes dites à fils rotatifs qui sont constituées par un seul fil tendu entre deux broches et incliné sur la direction générale de l'écoulement. Par une rotation de 1800 autour d'un axe parallèle à la direction générale de l'écoulement, on place successivement ce fil dans deux positions symétriques par rapport a cette direction et on mesure dans chacune des deux positions les tensions El et E2 aux bornes du pont pour maintenir la température du fil constante. Ces tensions El et E2 sont équivalentes à celles que l'on obtiendrait avec une sonde en X mais présentent l'inconvénient d'être décalées dans le temps. D'autre part, cet anémomètre à fil incliné rotatif exige un mécanisme de rotation de la sonde sur son axe précis et difficile à réaliser si l'on tient compte de la miniaturisation nécessaire des sondes. Cette dernière sonde ne permet pas de mesurer la valeur instantanée des tensions de Reynolds ce qui rend impossibles certaines mesures. L'objectif de la présente invention est de procurer une sonde anémométrique à fil chaud qui soit directionnelle et qui permette, comme la sonde en X, une certaine polyvalence d'applications, mais qui soit plus ponctuelle que la sonde en X permettant ainsi des mesures au voisinage immédiat des parois. Cet objectif est atteint au moyen d'une sonde anémométrique à fils chauds formée de trois fils, parallèles entre eux, dont l'un est disposé à l'amont des deux autres dans le plan médiateur de ceux-ci et porté à une tem pérature élevée. Chacun des fils est disposé entre les extrémités de deux broches. Les deux broches portant le fil amont sont soumises à une tension électrique variable telle que la température du fil reste constante. La mesure de cette tension permet de mesurer la vitesse moyenne U en un point et la fluctuation u de cette vitesse. Chacune des paires de broches portant l'un des deux autres fils, dits fils aval, est soumise à une tension électrique variable telle que les intensités qui circulent dans les deux fils restent constantes et égales entre elles. La différence des tensions aux bornes des deux fils aval permet de mesurer la composante v de la fluctuation de la vitesse du fluide et l'angle a de la vitesse moyenne avec le plan de symétrie de la sonde. En faisant pivoter la sonde de 900 autour de son axe, on peut mesurer la composante w et l'angle de dérapage W- Le résultat de la presente invention est une nouvelle sonde anémométrique à fils chauds directionnelle et un nouvel appareil de mesure des vitesses dans un écoulement de fluide comportant une telle sonde. Les avantages de la sonde selon l'invention sont les suivants. - Elle est très ponctuelle. En effet, les fils qui la composent peuvent être très fins, leur diamètre étant de l'ordre de 5 microns pour le fil amont et de 2 microns pour les deux fils aval. De plus l'écartement entre les deux fils aval ainsi que la distance entre le fil amont et le plan passant par les deux fils aval sont très réduits, de l'ordre de 0,1 mm. La totalité de la tête de mesure de la sonde est donc comprise dans un cercle ayant un rayon de 0,05 mm. Elle permet donc d'étudier des écoulements présentant de forts gradients de vitesse moyenne. a sonde selon l'invention a une bonne sensibilité en directivité pour 3e aibles turbulences. A.:x fcrtes turbulences, a sensibilité en directivité décroît mais la plage de linéarité augmente bette propriété est très intéressante car pour de faibles turbulences, les variations de l'angle d'incidence a sont faibles tandis quelles croissent lorsque la turbulence croît. la sonde présente donc une étendue de la plage de linéarité bien adaptée aux divers degrés de turbulence. La géométrie de la sonde et sa bcnne ponctualité permettent d'effectuer des mesures très près des parois à 0,05 mm de celles-ci. Lasonde comporte un seul fil, le fil amont, à température constante, exigeant un appareillage de régulation complexe tandis que les sondes en X comportent deux fils à température constante. 2rr contreS les fils aval sont alimentés en intensite constante ce qui ast facile a réaliser aze. des circuits simples, par exemple avec une source de tension stabilisée et à travers une résistance tampon de valeur élevée. La sonde selon l'invention est pratiquement insensible aux effets @@@dimensionnels. En effet, la courbe de variation de la différence des tensions aux bornes des deux fils aval en fonctien de l'angle de dérapage e in vitesse moyenne # présente une pente nulle pour # = 0. Le description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent. a titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation d'une sonde selon l'invention et des courbes de résultats relevés au moyen de cette sonde. La figure 1 est une vue en perspective d'une tete de sonde selon l'invention. La figure 2 est un schéma en coupe par le plan de symétrie perpendiculaire aux fils Les figures @ @ 7 sont des diagrammes de mesures expérimentales. La figure 8 est une vue en perspective d'un montage d'une sonde selon l'invention. La figure 1 représente en perspective une tête de sonde anémométrique selon l'invention. Elle est composée de trois fils paralleles entre eux fo, fl et f2. Chaque fil est soudé sur une paire de broches respectivement les broches la et lb pour le fil fl, 2a et 2b pour le fil f2 et 3a et 3b pour le fil fo. Les broches 3a et 3b sont plus longues que les autres de sorte que le fil fo est placé à l'avant des deux autres et appelé pour cette raison fil amont1 la direction générale de l'écoulement de fluide étudié étant orienté selon la flèche F c'est-à-dire sensiblement perpendiculaire aux fils et dirigé de la tête vers le manche de la sonde. Les paires de broches 1, 2 et 3 sont montées sur une tige 4 formant manche, d'abord tronconique dans la partie 4a puis cylindrique dans la partie 4b. Les broches et les fils sont conducteurs de l'électricité et chaque broche est raccordée à un conducteur passant dans un alésage du manche de sorte que l'on peut soumettre les deux broches de chaque paire à une différence de tension et faire circuler un courant dans les fils fo, fl et f2. Le fil fo est placé dans un plan diamétral des deux fils fi et f2 qui constitue un plan de symétrie de la sonde. Les fils sont placés très près les uns des autres, par exemple l'écartement entre les fils fl et f2 est de 0,05 mm et la distance entre le fil fo et le plan des fils fl et f2 est de 0,1 mm. Les fils sont par exemple en platine enrobé d'argent. La partie active située à la partie centrale est celle où l'enrobage a été décapé. Elle a une longueur d'environ I mm et un diamètre de 5 microns pour le fil fo et de 2 microns pour les fils fl et f2. Ces chiffres montrent que la partie active est pratiquement ponctuelle, la section transversaie aux fils étant comprise à l'intérieur d'un cercle de 0,05 mm de diamètre. Le fil fo constitue un anémomètre à fil unique. I1 est chauffé à une température élevée, par exemple 500 par le passage d'un courant électrique. Cette température est maintenue constante grâce à un dispositif de régulation bien connu dans tous les anémomètres à température constante. Dans ces conditions, 1d tension E aux bornes du fil fo varie. L'appareillage comporte, de préférence, un dispositif de linéarisation, également connu, de sorte que la tension E varie proportionnellement à la vitesse U du fluide. Dans ces conditions, la valeur moyenne E de la tension E est proportionnelle à la valeur moyenne U de la vitesse et les, fluctuations e de la tension E sont proportionnelles à la composante u de la fluctuation de la vitesse perpendiculaire aux fil fo et située dans le prolongement de U. Les fils fl et f2 constituent des thermomètres à fil chaud qui détectent le sillage thermique du fil fo. Chaque paire de broches 1 et 2 sont mises sous tension, les différences de potentiel entre broches d'une même paire étant égales de sorte que des courants de même intensité relativement faible par exemple, de l'ordre du milliampère circulant dans les deux fils qui sont légèrement chauffés. Cette intensité est maintenue eonstante. Lorsque les fils fi et f2 sont placés dans le sillage de fo, ils s échauffent ce qui fait varier la résistance des fils et les tensions El et E2 aux bornes de ceux-ci. La différence entre les fluctuations el et e2 des deux tensions est proportionnelle à la composante de la vitesse v perpendiculaire à U et au fil. La différence entre les valeurs moyennes El et E2 des tensions est proportionnelle à l'angle a entre la vitesse moyenne U et la normale au plan des deux fils fl et f2. Pour mesurer l'angle a on fait pivoter la sonde autour dvun axe confondu avec le fil fo jusqu'a ce que les valeurs de Fi et E2 deviennent égales. Une fois cette position atteinte, on fait la différence entre les valeurs de El et E2 et celle-ci permet de connaître v et la valeur de v'. Grâce à des circuits analogiques, on fait le produit u.v et la moyenne u.v qui mesure la tension de Reynolds au point considéré. La sonde selon l'invention permet également de mesurer l'angle de dérapage y et la composante w de la fluctuation de vitesse. Pour cela, il suffit de positionner la sonde en la faisant pivoter sur son axe de 900 de sorte que les trois fils occupent une position perpendiculaire à la position anterieure. La figure 2 est un schéma qui représente la trace des trois fils dans le plan de symétrie de la sonde perpendiculaire aux fils. On a représenté sur cette figure, pour préciser les notations employées, la vitesse moyenne U, la vitesse instantanée U et les composantes u et v de la fluctuation de vitesse. L'angle c est l'angle que fait la direction de la vitesse instantannée U avec le plan de symétrie passant par x x' et a est l'angle de la vitesse moyenne U avec x x'. Pour annuler l'angle a on fait pivoter la sonde autour de l'axe z z confondu avec le fil fo. La fluctuation de vitesse est tridimensionnelle et a une troisième coosante X suivant l'axe y y'. Lorsque la vitesse moyenne U n'est pas contenue dans le plan perpen iculaire aux trois fils, l'angle + qu'elle forme avec ce plan est appelé l'angle de dérapage. Pour mesurer la composante w et l'angle Lp on fait d'abord pivoter la sonde de 900 autour de l'axe x x' puir on procède comme pour s . ;iini mesurer v et a. La figure 3 montre deux courves relevées expérimentalement qui représenténties variations de la différence LE entre les valeurs El et E2 exprimee en millivolts en fonction de l'angle a exprimé en grades. La courbe C1 représente les variations pour une turbulence faible avec - = 0,03. La courbe C2 correspond à une turbulence élevée - = 0,05. U U La courbe C1 montre que AE varie linéairement dans une plage comprise entre - 10 et + 10 grades et que la sensibilité est très élevée, la pente de la portion linéaire étant très forte. Lorsque la turbulence croît, la sensibilité décroît mais par contre la plage de variation linéaire augmente. Sur la courbe C2 on voit que cette plage va de - 30 à + 30 grades. Ce résultat est très intéressant car il montre la bonne adaptation de la sonde à des conditions d'emploi variées. Pour les faibles turbulences, l'incidence de la vitesse varie peu et il est plus important d'avoir une bonne sensibilité. Au contraire, pour les fortes turbulences, l'angle d'incidence varie fortement et il est important d'avoir une bonne plage de linéarité. Cette figure montre que les courbes C1 et C2 passent par zéro ctest-à-dire que lorsque AF = 0, l'angle a est nul. La figure 4 montre une courbe C3 relevée expérimentalement qui représente la variation de la différence AF exprimée en millivolts en fonction de l'angle de dérapage W exprimé en dcgrés. Cette figure montre que l'influence de l'angle de dérapage est pratiquement nulle dans une plage étendue comprise entre - 10" et + 10 . Comme l'angle de dérapage est généralement faible, on voit donc que la mesure de la composante v n'est pas perturbée par les angles de dérapage rencontrés en pratique. Le diagramme de la figure 5 représente une comparaison des résultats expérimentaux obtenue en déplaçant trois sondes différentes dans un même écoulement pleinement développé ayant un nombre de Reynolds = 34.10 4. En ordonnées est portée la valeur de la tension de Reynolds u.v en (m/S)2 et en abscisses le rapport Y? Y étant la distance au centre et a le rayon a du conduit. Les astérisques représentent les mesures obtenues au moyen de la sonde selon l'invention, les points, les mesures relevées au moyen d'une sonde à fils croisés et les ronds, les mesures relevées au moyen d'une sonde à fil tournant. La figure 6 représente également une comparaison entre les mesures u1 v' de la turbulence - et v relevées à travers un écoulement pleinement dé- U r veloppé, d'une part au moyen d'une sonde connue : courbes en traits pleins et d'autre part au moyen d'une sonde selon l'invention : courbe joignant les cercles. Ces deux courbes ne se superposent pas exactement à cause d'une différence entre les nombres de Reynolds lors des deux expériences : Re = lor dv sures réalisées avec la première sonde et Re = 34.10 4 lors des mesures avec la eonde selon l'invention. 'a figure 7 montre ies spectres de fréquences de la composante v obtenus d'use part à l'aide de la sonde selon l'invention courbe en traits pleins et d'autre part à l'aide d'une sonde à fils en X : courbe en tirets. Ces courbes démontrent une bonne concordance entre les mesures. Le figure 8 représente un montage d'une sonde selon l'invention à l'extrémité d'une veine fluide circulant dans un tube 12. La sonde 4 est portée par un support coudé 5 lequel support est monté sur un trou u déplaçable verticalement le long d'une vis micrométri que @. L'écrou 6 coulisse le long de trois tiges de guidage 8. La vis micrométrique est meuvrée par la poignée 9. Une échelle graduée 10 permet de suivre les déplacements verticaux. Le support coudé 5 est monté pivotant autour d'un axe horizontai y y' confondu avec le fil fO. Un cercle gradué Il permet de mesurer les pivo tenants de ta sonde autour de y y'. La poignez de la sonde 4 est coudée afin d'éviter les risques de perturbation à l'aval du point de mesure. REVEND ICAT IONS 1 - Sonde anémométrique à fils chauds, caractérisée en ce qu'elle est formée de trois fils conducteurs parallèles entre eux dont ltun est disposé dans le plan médiateur des deux autres, à l'amont de ceux-ci, et porté à une température élevez. 2-- Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit fil amont est soudé entre~les extrémités de deux broches qui sont soumises à une tengion electrique telle'que la température dn fil reste-conatante.- 3 - Sonde selon la revendication 1,', caractérisée en ce que les deux fils avait sont soudés entre les extrémités de deux paires de broches, chacune de ces paires de broches étant soumise à une tension électrique variable telle que des courants électriques de même intensité constante circulent dans chacun des deux fils. 4 - Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle est composée d'une tige portant à son extrémité deux paires de broches de meme longueur; d'un premier et deuxième fil fin et conducteur parallèles entre eux, chaque fil étant soude entre les extrémités des deux broches d'une meme paire; d'une troisieme paire de broches plus lon gues, placées dans le plan diamétral des deux autres paires, entre les extrémités desquelles est soudé un troisième fil fin et conducteur parallèle aux deux autres fils et de paires de conducteurs électriques aboutissant à chacune des paires de broches. 5 - Appareil de mesure des vitesses dans un écoulement de fluide comportant une sonde selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite sonde est disposée dans le fluide de sorte que les trois fifs soient sensible-, ment perpendiculaires à la direction de la vitesse moyenne de'l'écoule- ment, le troisième fil étant placé en amont des deux autres et ladite sonde est montée sus une vis micrométrique permettant de la déplacer parallèlement à elle-même et est fixée dans un support de sorte qu'elle puisse pivoter autour d'un axe passant par le fil amont afin d'orienter le plan défini par les deux fils aval perpendiculairement à la vitesse moyenne de l'écoulement. 6 - Sonde selon la revendication 4, caractériséeen ce que ladite tige est coudée. 7 - Sonde selon la revendication 4, caractérisée en ce que les fils aval sont des fils de platine ayant un diamètre de l'ordre de 2 microns et le fil amont un fil de platine ayant un diametre de l'ordre de 5 microns. 8 - Sonde selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits fils de platine sont enrobés d'argent sauf sur une longueur de l'ordre de imm située dans leur partie centrale. 9 - Sonde selon les revendications 7 et 8, caractérisée en ce que l'écartement entre les fils aval est de l'ordre de O,05mm et la distance entre le fil amont et le plan des deux fils aval est de l'ordre de 0,1 mm. 10 - Sonde selon la revendication 2, caractérisée en ce que la température constante du fil amont est de l'ordre de 500"C.