Brevet FR2248512A1 — publié le 19750516

L'invention concerne un anémomètre permettant de mesurer la composante suivant une direction donnée de la vitesse d'écoule- ment d'un fluide. L'invention se propose de fournir un nouvel. anémomètre dont le principe de fonctionnement est basé sur la mesure du re froidis s ement d'un élément chauffé, mesure permettant d'atteindre la valeur de la vitesse d'écoulement an fluide. Un anémomètre connu, dit anémomètre à fil chaud, fonotionnant selon ce principe comprend un filament chauffé disposé dans 11 écoulement du fluide ; ce type d'anémomètre est essentiellement utilisé en laboratoire en raison de son caractère d'extrême fragilité qui en rend l'usage industriel difficile ou impossible pour peu que les conditions d'environnement soient sévères. Il existe, par ailleurs, des anémomètres à thermistance comportant une thermistance-zonde chauffée à énergie constante cette thermistance subit un refroidissement provenant de l'écoule- ment qui confère à sa température une valeur d'équilibre permettant d1atteindre la vitesse d'écoulement du fluide. Toutefois, la vites- se de l'écoulement est une fonction complexe de la température, du type relation hyperbolique ; il sXensuit une complexité excessive des circuits de traitement appelés à délivrer un dignal en rels- tion directe et simple avec cette vitesse. Pour pallier cet inconvénient il a été conçu un anémomètre également pourvu d'une thermistance-sonde, mais dont le principe de fonctionnement est différent et consiste à chauffer cette thermistance à résistance constante par un courant variable, asservi pour maintenir la température de celle-ci constante pour une température ambiante donnée ; la puissance dissipée dans la ther mistance est une fonction de la vitesse de l'écoulement et l'ex- pression de la relation entre ces grandeurs est alors notablement simplifiée. Toutefois, les anémomètres à thermistance qu'ils fono- tionnent selon l'un ou l'autre des principes sus-évoqués, présen- tent des défauts. En particulier les variations de la température ambiante sont difficilement compensables dans ce type d'anémomètre; en outre, les caractéristiques des sondes à thermistance utilisées se modifient au cours du temps, ce qui entrains une altération de la fidélité de l'appareil. La présente invention vise à fournir un anémomètre dépour- vu des défauts des appareils classiques. Un des buts de l'invention est, en particulier, de fournir un anémomètre réunissant les qualités suivantes : grande robus testes aptitude à fonctionner dans une gnome de températures étendue et dans des conditions d'ambiance sévères, fidélité constante au cours du temps, enfin influence négligeable des variations accidentelles de la température ambiante sur la mesure opérée. Â cet effet, un anémomètre comprend - un corps tubulaire appelé à btre disposé dans ltécoule- ment de fluide, axe longitudinal parallèle à une direction suivant laquelle doit autre mesurée la composante de la vitesse d'écoulement du fluide, - une sonde assujettie à l'intérieur du corps tubulaire, - des moyens de chauffage de ladite sonde de puissance de chauffe variable, - des moyens de régulation adaptés pour asservir à chaque instant la puissance de chauffe de ceux-ci, - enfin, des moyens de traitement aptes à partir de la valeur de la puissance de chauffe à fournir un signal exploitable fonction de la composante de la vitesse sus-évoquée. Selon L'invention, la sonde comprend ul transistor dont l'émetteur est réuni à une basse impédance, cependant que les moyens de chauffage comprennent une source de courant électrique, dite source de chauffage, délivrant un courant électrique d'intensité constante et reliée au collecteur du transistor.Les moyens de régulation comprennent : . une source électrique de référence, r un circuit de polarisation de la base du transistor, . des moyens d'amplification reliés par une entrée à la base du transistor, par une autre entrée à la source de référence et dont la sortie est agencée pour réagir sur le collecteur dii tran- sister et maintenir la tension dudit collecteur égale à la tension du signal de sortie desdits moyens d'amplification. Enfin, les moyens de traitement de nature électrique sont reliés au collecteur du transistor en vue de délivrer un signal électzA- que fonction du potentiel de ce collecteur. L'utilisation d'un transistor-sonde monté dans un ciz- cuit tel que suE-évoqué permet d'atteindre la composante de la vitesse d'écoulement du fluide en fournissant un signal qui est une fonction croissante et simple de cette vitesse. En outre, les caractéristiques d'un transistor ne subissent pas de modifications notables au cours du temps, ce qui préserve la fidélité de 1 'appa- reil. De plus, comme on le montre ci-après un tel anémomètre à transistor-sonde peut être équipé d'un circuit de structure très simple permettant de l'affranchir des variations de la température ambiante. A cet effet, la source de référence précitée peut comprendre un transistor, dit de compensation, placé à l'intérieur du corps tubulaire de l'anémomètre ; ce transistor est monté en diode, base reliée au collecteur, et se trouve polarisé au moyen d'un circuit de polarisation débitant sensiblement le même courant que la source de chauffage précitée. Selon un autre mode de réalisation, cette source de référence peut comprendre une diode de compensa, tion de caractéristiques thermiques équivalentes aux caractéristiques en dérive du transistor-sonde ; cette diode est polarisée par un circuit analogie au circuit de polarisation sus-évoqué. De tels circuits de structure simple sont aptes à annuler, de façon pratiquement rigoureuse, les effets des variations de la température ambiente. Les moyens de traitement sont avantageusement constitués par un circuit de linéarisation de la tension de collecteur du transistor-sonde ; ce circuit permet de disposer fluide. Par ailleurs, selon un mode de réalisation préférentiel, i 'anémomètre conforme à l'invention comprend un circuit de levée de doute comportant deux transistors reliés, chacun, à une source électrique de chauffage de puissance constante ; ces transistors sont placés à I1intérieur du corps tubulaire de l'anémomètre de part et d'autre d'un écran, lequel détermine, pour un écoulement de fluide s'affectuant dans un sens, un refroidissement plus im, portant d'un des transistors et pour un écoulement de fluide s7eS- fectuant dans l'autre sens, un refroidissement plus important de autre transistor ; la base de chacun desdits transistors est reliée à un comparateur apte à fournir une tension de sortie dont la polarité est fonction da sens de l'écoulement du fluide. L1utilisateur est ainsi renseigné sur le module de la composante de la vitesse et sur son sens. De prerence, le comparateur est raccordé à un circuit d'aiguillage électronique, lequel se trouve relié aux moyens de traitement sus-évoqués ; ce circuit d'aiguillage électronique re çoit les signaux de sortie, d'une part, du comparateur, d1autre part, des moyens de traitement et délivre un signal électrique dont la valeur absolue est égale à celle du signal de sortie des moyens de traitement et dont la polarité est celle du signal de sortie du comparateur. Un seul signal fournit ainsi à l'utilisateur les deux informations précitées, à savoir la grandeur de la vitesse et son sens. D1autres caractéristiques, buts et avantages de l'inven- tion se dégageront de la description qui suit, en référence aux dessins annexés, lesquels, description et dessins, ne sont donnés qu'à titre d'exemple non limitatif ; sur ces dessins qui font par; tie intégrante de la description - la figure 1 est une coupe transversale selon a a d'un anémomètre conforme à l'invention - la figure 2 est une coupe longitudinale selon b b de ce même anémomètre ; - les fi gares 3 et 4 sont des schémas des circuits éleotroniques qui équipent cet anémomètre. L'anémomètre représenté à titre d'exemple aux figures, se compose d'un pied 1 doté d'une semelle~2 permettant de l'assujettir sur un support, d'une bague d'isolation 3 et d'un corps 4. Le pied i est creux et comporte à l'intérieur les circuits électroniques, tels que 5, appelés à équiper l'appareil et schématisés aux figures 3 et 4 ; les composants électroniques sont montés sur des plaquettes et fixés grtce à des tiges filetées, telles que 6, à l'intérieur du pied. Un connecteur 7 permet, d'une part, de relier les circuits électroniques à une alimentation et, d'autre part, de brancher la sortie de ces circuits sur des moyens d1 exploitation adaptés à la nature de l'application eavisagée ; ces moyens aptes à exploiter le signal de sortie, peuvent par exemple, Qtre constitués par un appareil de mesure à cadran, un voltmètre numérique, un calculateur, un enregistreur, etc. .. Le corps 4 est fixé sur le pied 1 par l'entremise de la bague d'isolation 3 en l'exemple en polyamide de façon à isoler électriquement et thermiquement le pied 1 du corps 4. Ce dernier (figures 1 et 2) comprend à chacune de ses ex trématés longitudinales une grille, telle que 8, appelée à arrenter les agents étrangers susceptibles d'autre véhiculé par l'écoulement de fluide. Chaque grille est fixée à une pièce d'entrée 9 ou 10 comprenant un conduit divergeant vers la grille considérée ; au centre du corps, un manchon 11 comprend intérieurement un conduit cylindrique principal doté d'un diaphragme 12 et trois conduits de dérivation 13, 14 et 15 qui débouchent de part et d'autre du diaphragme 12 dans le conduit principal. Ces dérivations sont obturées par une plaquette en matière synthétique 16, elle-même recouverte par un couvercle 17.Des joints assurent l'étanchéité entre ce couvercle 17 et le manchon 11, entre ce dernier et la plaquette 16, enfin, entre ledit manchon et une pièce de fixation 18 sur laquelle repose celui-ci. Dans la dérivation du milieu 14 est disposé un transis- tor-sonde 19 porté par un support 20 constitué en matière synthétique et fixé à la plaquette 16. De la même façon, sont assujettis dans les dérivations latérales 13 et 15 respectivement, d'une part, un transistor de compensation 21, d'autre part, deux transistors de levée de doute 22 et 23 séparés par un écran 24. On retrouve à la figure 3 schématisant un des circuits électroniques qui équipent l'anémomètre, le transistor-sonde 19 alimenté par une source de chauffage 25 délivrant un courant d'in- tensité constante. L'émetteur du transistor 19 est raccordé à un circuit de réglage 26 constitué en l'exemple décrit par une résistance varia, ble ; lorsque le transistor n1 est pas refroidi, cest-b-dire à écoulement de fluide nul, ce circuit permet dta3uster la puissance de chauffe à une valeur déterminée Wo. De plus, la base du transistor 19 est reliée à un circuit 27 en vue d'assurer sa polarisation. En l'exemple, ce circuit de polarisation comprend une résistance 28 et un amplificateur 29. L'entrée positive de cet amplificateur est reliée au collecteur du transistor 19 et 11 entrée négative à la sortie d'un autre amplificateur 30, lequel joue le rible de détecteur d'écart entre la tension de consigne délivrée par un circuit de référence 31 et la tension de la base du transistor ; la tension du collecteur et, donc, à courant constant la puissance de chauffe fournie à chaque ins- tant au transistor sont ainsi asservis de telle sorte que l'écart de température T c - T0 entre la température va du transistor-sonde et la température T0 du fluide soit constant. Le transistor de compensation 21 monté en diode, base et collecteur court-circuités, joue le r8le de source de référence et est à cet effet polarisé par un circuit 32 constitué en l'exemple par une résistance 33 définissant un courant dont l'intensité est sensiblement identique à celle de la source de chauffage 25 ; l'é- metteur du transistor de compensation 21 est relié à une basse im- pédance, par exemple à la masse. En outre, au transistor-sonde 19 est associé un circuit de compensation fréquentielle 34 ; ce type de circuit classique peut se composer d'un condensateur 35 en série avec une résistance 36 ; il a pour fonction d'éliminer les oscillations électriques qui pourraient prendre naissance. Par ailleurs, un circuit de linéarisation 37 est relié par son entrée au collecteur du transistor 19 et est agencé pour délivrer à sa sortie un signal Ve proportionnel à la composante de la vitesse du vent selon l'ase longitudinal de l'anémomètre. On va déterminer ci-dessous par une démonstration très résumée, la forme de la relation liant la tension du collecteur Vc du transistor-sonde avec la vitesse d'écoulement du fluide. Le gain de l'amplificateur 30 étant suffisamment grand, on peut voir que le circuit décrit et schématisé assure la relation suivante : + V@ - VD = C oh V@@ est la différence de potentiel entre la base et l'émetteur du transistor 19, est la tension de sortie de la source de référence 31, V@ est la tension de l'émetteur par rapport à la masse. Or, V@ est une tension délivrée par la source de réglage 26 ; une fois cette source ajustée, la valeur de VE est constante ; donc : VBB - VD = cate. Le transistor-sonde 19 est à la temp6rature Tc, cependant que le transistor de compensation 21 monté en diode et donc non chauffé se trouve sensiblement à la température ambiante TO- Ces deux transistors étant semblables et possédant des caractéristiques thermiques égales, l'expression VBB - VD est une fonction de la différence Tc - TC : VHE Vb = f (c c - T@) = cst, la constance de V - VD entraine : c - TO = cst. En conséquence, les circuits décrits modulent à chaque instant la puissance électrique de chauffe du transistor-sonde, de sorte que l'écart entre sa température et la température am- biante demeure constant. Pour un écart T0 - To constant, des calculs théoriques à la portée de l'homme de l'art parmettant d'erprimer la tension Ve du collecteur du transistor 19 sous la forme Vc - K@h + Voo où K1 est un coefficient constant dépendant des divers paramètres géométriques et électriques de l'anémomètre, h est le Coefficient de converion entre le fluide en écoulement et le transistor-sonde 19, Voo est la tension existent au collecteur du transistor 19 lorsque l'écoulement est nul. On sait que : h = K2 v où K2 est un coefficient constant dépendant des paramètres da fluide et paramètres géométriques de l'anémomètre, v est la vitesse du fluide dans la dérivation 14 où se trouve logé le transistor 19. Par voie de conséquence : Vc = K3 V&alpha; + Vco Or, la vitesse v est une fonction puissance de vt compo- sante selon l'axe longitudinal du corps de la vitesse d'écoulement à l'extérieur de l'appareil. Donc Vc = K4 vt # + Vco En conséquence, la tension de collecteur Vo est une fonc- tion puissance de la composante v@ ; le circuit de linéarisation 37 de type classique fournit un signal de sortie V8 : Vs = A.Vt où Â est une constante qui peut être ajustée grtce à un potentomè- tre prévu dans ce circuit de linéarisation. Par ailleurs, l'anémomètre décrit à titre d'exemple est équipé d'un circuit de levée de doute schématise à la figure, 4 ; ce circuit est destiné à indiquer par le signe d'un signal de sor- tie, le sens de l'écoulement suivant l'axe longitudinal de l'ané- momètre. Ce circuit de levée de doute de structure symétrique comprend les deux transistors 22 et 25 déjà évoqués ; rappelons que ces transistors sont logés dans la dérivation 15 et séparés par un écran 24. Â chacun de ces transistors est associé, comme pour le transistor-sonde de la figure 3, un circuit de compensation fré quentielle tel que 47. Chacun des transistors 22 ou 23 est monté pour travailler à puissance de collecteur constante, en l'exemple gce à une source de tension positive 38 débitant dans des résistances 39, 40 et 41. La tension de collecteur de chaque transistor est fixée à une valeur donnée à l'aide d'un amplificateur tel que 42 et d'une ré résistance telle que 43. La valeur de la tension de collecteur est définie par la tension du point P, elle-mtme définie par les valeurs de la résistance 40 et d'une résistance 44 reliée à la masse. Les bases des deux tranaistors 22 et 23 sont reliées aux entrées d'un comparateur 45 de type classique dont la sortie est reliée à un circuit d'aiguillage électronique 46 ; ce dernier re çoit en outre le signal Vs sus-évoqué et est adapté pour délivrer un signal de sortie dont la valeur absolue est égale à à celle de Vs et dont la polarité est celle du signal de sortie du comparateur 45. La polarité de ce signal de sortie dépend du sens de l'écoulement du fluide dans l'anémornètre ; en effet : Supposons que le sens de l'écoulement est tel que ce soit le transistor 22 qui subisse le refroidissement le plus important ; dans ces conditions, la tension base-dmetteur de ce transistor au mente et devient supérieure à la tension base-6metteur du transistor 23 : par suite, la tension de sortie du comparateur est positi ve. lorsque c'est autre transistor (transistor 23) qui Sus bit un refroidissement plus important, l'écoulement du fluide ayant changé de sens, le comparateur bascule et sa tension de sortie devient négative, L'anémomètre décrit délivre donc une tension dont la var leur absolue est proportionnelle à la composante vt et dont le si gne caractérise le sens de l'écoulement. Cet anémomètre bénéficie, en raison de la nature de la sonde et des circuits qui l'équipent, d'une grande robustesse et d'une fidélité constante au cours du temps ; il peut fonctionner dans une gamme de températures étendue et donne une mesure peu influençable par les variations accidentelles de la température ambiants. L'invention ayant maintenant été exposée et son intérêt justifié sur un exemple détaillé, le demandeur s'en réserve l'ex- clusivité pendant toute la durée du brevet- sans limitation autre que celle des termes des revendications ci-après. REVENDICATIONS -1 - Anémomètre permettant de mesurer la composante suivant une di rection donnée de la vitesse d'écoulement d'un fluide, cet anémomètre comprenant un corps tubulaire appelé à étire disposé dans l'écoulementf axe parallèle à la direction sus-évoquée, une sonde assujettie à l'intérieur du corps tubulaire, des moyens de chauffe ge de ladite sonde de puissance de chauffe variables des moyens de régulation adaptés pour asservir à chaque instant la puissance de chauffe de ceux-ci, enfin des moyens de traitement de nature élee- trique aptes à partir de la valeur de la puissance de chauffe à fournir un signal exploitable fonction de la composante de la vitesse sus-évoqueèe, ledit anémomètre étant caractérisé en ce que la sonde comprend un transistor dont l'émetteur est réuni à une basse impédance, les moyens de chauffage comprenant une source de courant électrique, dite source de chauffage, délivrant un courant électrique d'inCensité constante et reliée au collecteur du transistor, les moyens de régulation comprenant :: . une source électrique de référence, . un circuit de polarisation de la base du transistor, . des moyens d'amplification reliés par une entrée à la base du transistor, par une autre entrée à la source de référence et dont la sortie est agencée pour réagir sur le collecteur du transistor et maintenir la tension dudit collecteur égale à la tension du signal de sortie desdits moyens d'amplification, les moyens de traitement étant reliés au collecteur du transistor pour délivrer un signal électrique fonction du potentiel de ce collecteur. 2 - Anémomètre selon la revendication 1 caractérisé en ce que la source de référence comprend un transistor de compensation sensiblement identique au transistor-sonde et placé à l'intérieur du corps tubulaire de l'snémomètre, ce transistor étant monté en diode, base reliée au collecteur, et étant polarisé par un circuit de polarisation débitant sensiblement le mtme courant que la source de chauffage précitée. 3 - Anémomètre selon la revendication 1 caractérisé en ce que la source de référence comprend une diode de compensation, de caract6- ristiques thermiques équivalentes aux caractéristiques en dérive du transistor-sonde, cette diode étant placée dans le corps tubulaire de l'anémomètre et polarisée par un circuit de polarisation débitant sensiblement le mtme courant que la source de chauffage. 4 - Anémomètre selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de réglage des moyens de chauffage permettant à écoulement de fluide nul, d'ajuster la puissance de chauffe de ces moyens à une valeur déterminée. 5 - Anémomètre selon la revendication 4 caractérisé en ce que le circuit de réglage précité est constitué par une résistance ajustable dispose en série avec l'émetteur du transistor jouant le rôle de sonde. 6 - Anémomètre selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, ca- ractérisé en ce que les moyens de traitement sont constitués par un circuit de linéarisation de la tension de collecteur du transis- tor-sonde, ce circuit délivrant un signal exploitable proportionnel à la composante de la vitesse dtdcoulement du fluide. 7 - Anémometre selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de levée de doute comportant deux transistors raliés chacun à une source électrique de chauffage de puissance constante, lesdits transistors étant placés à llintérieur du corps tubulaire de lsandmomètre de part et autre d'un écran, lequel détermine pour un écoulement de fluide 'effec- tuant dans un sens, un refroidissement plus important d'un des transistors et pour un écoulement de fluide s'effectuant dans l'an- tre sens, un refroidissement plus important de l'autre transistor, la base de chacun desdits transistors étant reliée à un comparateur apte à fournir une tension de sortie dont la polarité est fonction du sens de l'écoulement du fluide. 8 - Anémomètre selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il comprend un circuit d'aiguillage électronique raccordé au comparateur et aux moyens de traitement en vue de recevoir le signal de sortie dudit comparateur et le signal de sortie desdits moyens de traitement, ledit circuit d'aiguillage étant adapté pour délivrer un signal électrique dont la valeur absolue est égale à celle du signal de sortie des moyens de traitement et dont la polarité est celle du signal de sortie du comparateur. 9 - Anémomètre selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caractérisé en ce qu'à chacun des transistors, transistor- sonde ou transistors de levée de doute, est associé un circuit de compensation fréquentielle, disposé entre la base et le collecteur du transistor considéré et adapté pour éliminer les oscillations électriques. 10 - Anémomètre selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, caractérisé en ce qpe son corps tubulaire comprend inté- rieuremoeit un conduit principal d'écoulement du fluide contenant un diaphragme dans sa partie centrale et un conduit de dérivation débouchant de part et d'autre dudit diaphragme dans le conduit prin- cipal, le transistor-sonde étant assnjetti à l'intérieur de ce con- duit de dérivation. il - Anémomètre selon les revendications 2, 7 et 10 prises ensemble, caractérisé en ce qu'il comprend deux conduits de dérivation supplé- mentaires, débouchant de part et autre du diaphragme dans le cob dudit principal, le transistor de compensation étant disposé dans un de ces conduits, cependant que les transistors de levée de doute sont disposés avec leur écran dans l'autre conduit de dérivation.