Brevet FR2430008A1 — publié le 19800125

La présente invention concerne les appareils de mesure utilisés dans l'aéronautique et, plus précisément, un procédé de détection du givrage des objets se trouvant dans un courant d'air, et un dispositif pour le réaliser. L'invention peut être utilisée pour la commande des systèmes de dégivrage des appareils volants, ainsi que pour la détection de l'humidité dans les courants des gaz dans les gazoducs. Pour les appareils volants modernes, il est particulièrement important d'assurer la sécurité de vol et de réduire au minimum l'influence des conditions météorologiques sur l'exécution des missions de vol. Le givrage rend plus mauvaises les caractéristiques aérodynamiques des appareils volants, peut provoquer une cassure des éléments des moteurs, perturbe la visibilité et la liaison radio-électrique, augmente les vibrations et les contraintes des structures. Il est donc très important de pouvoir détecter à temps les conditions provoquant le givrage et de recevoir une information quantitative sur le givrage, pour assurer la commande optimale du fonctionnement des systèmes de dégivrage des appareils volants. Cette information sur les conditions provoquant le givrage est fournie par les avertisseurs-intensimètres de givrage. On connaît plusieurs procédés de détection des conditions provoquant le givrage et dispositifs pour les réaliser. On emploie assez largement des avertisseurs utilisant le principe de détection pneumatique se basant sur la mesure de la pression cinétique du vent relatif. (Voir notamment O.K. Trunov "Givrage des avions et moyens de lutte contre le givrage", Machinostroenie, M, 1965 ; MK-8 de la "Conadien applied Research Limited"). Dans les conditions de givrage, les petites ouvertures du corps du détecteur se trouvent bouchées par la glace, la pression à l'intérieur du détecteur diminue et un élément sensible à la pression délivre un signal "givrage". Bien que la construction de l'avertisseur soit simple, le procédé qu'il est destiné à réaliser présente dés inconvénients. Les genres et formes du dépôt de glace sur avertisseur pouvant être très variés, il peut arriver que la glace qui se forme ne recouvre pas exactement la partie de l'avertisseur sur laquelle ces ouvertures de prise de pression sont pratiquées (glace en "corne"). En outre, ces ouvertures peuvent s'obstruer par les impuretés et le détecteur devient inutilisable. On connaît des avertisseurs utilisant le principe de détection mécanique de la glace. Ce sont des racloirs, des rouleaux ou des disques de tous genres dont la mobilité varie lorsque le givrage se produit, et qui actionnent un dispositif d'avertissement. Un exemple en est donné par l'avertisseur de la firme "D. Napier and Son, Ltd" (Angleterre). Les détecteurs de ce genre sont normalement inutilisables quand le givrage est intense, leur sensibilité est médiocre et ils ne fonctionnent pas avant que la couche de glace atteigne une certaine épaisseur. I1 existe plusieurs avertisseurs utilisant le principe d'absorption par la glace d'un rayonnement radioactif. (Voir notamment O.K. Trunov "Givrage des avions et moyens de lutte contre le givrage" Machinostroenie, M, 1965 ; ou l'avertisseur américain de "United Control Corporation"). Si la source de rayonnement se couvre de glace, le rayonnement radioactif est partiellement absorbé par la couche de glace. Cet affaiblissement du flux de rayonnement est détecté par un indicateur qui délivre alors un signal "givrage. Ces avertisseurs sont très compliqués et n'émettent le signal que lorsqu'une couche importante de glace est formée ; en outre, ils subissent l'influence de la radioactivité ambiante, ce qui diminue leur précision. Certains détecteurs mesurent la variation de la capacité entre des électrodes lorsque celles-ci se couvrent de glace. Ces détecteurs à variation de capacité sont toutefois peu fiables et leurs indications ne sont pas stables. Les avertisseurs réalisés selon le principe d'induction électrique réagissent à l'apparition de l'humidité entre deux électrodes ; cette humidité réduit la résistance entre les électrodes ou y augmente par conséquent la conductibilité électrique. (Voir notamment les avertisseurs de la "Rosemount Engineering Company"). Cette augmentation est détectée par un circuit électrique approprié et un signal de fermeture des contacts d'un relais est délivré. Se trouvant dans le courant d'air, les détecteurs à induction électrique délivrent souvent avec retard des signaux intermittents et instables, et sont de fabrication compliquée. Aucun des détecteurs ci-dessus évoqués ne permet de mesurer l'intensité de givrage. I1 existe un procédé électrothermique de mesure de l'intensité de givrage, qui est de genre particulier. Les avertisseurs-intensimètres de givrage ne constituent qu'une très faible part de tous les avertisseurs de givrage connus (voir notamment l'avertisseur de la firme "Teddington"). Les avertisseurs de ce type réagissent aux conditions qui peuvent provoquer le givrage. La présence de l'humidité en surfusion dans le courant d'air provoque, aux températures inférieures à OOC, le refroidissement d'un réchauffeur disposé face au courant d'air de sorte que sa température devient plus basse que celle d'un autre réchauffeur disposé en aval du premier et protégé par un écran contre l'humidité. Pour maintenir une même température de tous les deux réchauffeurs, il faut fournir plus de puissance au réchauffeur avant.La différence des puissances, fournies au réchauffeur avant et au réchauffeur arrière, est proportionnelle à la quantité d'eau vaporisée par le réchauffeur avant par unité de temps et c1 est d'après cette différence qu'on mesure l'intensité de givrage. L'écran du détecteur, percé d'un système de fentes, peut etre obstrué par les poussières, les impuretés et, dans des conditions tropicales, par les insectes, ce qui provoque une variation de la sensibilité ou la mise hors d'usage du détecteur. Pendant le stationnement, l'eau peut pénétrer à l'intérieur de l'écran et s'y congeler, ce qui rend-le détecteur également inutilisable. On connaît un autre procédé de détection du givrage des objets se trouvant dans un courant d'air, qui consiste en ce qu'on crée simultanément dans le courant d'air une zone de dépit de gouttelettes d'eau en surfusion et une zone protégée contre le dépôt de gouttelettes d'eau en sur fusion dans laquelle apparaît un tourbillonnement naturel du courant d'air, et que l'on mesure la différence des températures de ces zones, d'après laquelle on évalue les conditions de givrage du corps. (Voir notamment le certificat d'auteur de l'Union des républiques socialistes soviétiques n" 154 064). On connait un dispositif pour réaliser le procédé de détection du givrage des objets se trouvant dans un courant d'air, comprenant un détecteur de givrage d'un objet se trouvant dans un courant d'air, dont le corps est fixé sur cet objet de manière qu'une surface sensible ou active du détecteur de givrage de l'objet est tournée face au courant d'air et forme une zone de dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion, alors qu'une autre surface sensible, disposée en aval de la première, forme une zone protégée contre le dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion dans laquelle apparaît un tourbillonnement naturel du courant d'air ; à chaque surface sensible est fixé un capteur thermique branché sur l'entrée correspondante d'un bloc mesurant la différence des signaux électriques qui permet dévaluer les conditions de givrage de l'objet. (Voir notamment le certificat d'auteur de l'Union des républiques socialistes soviétiques n" 201 087). Dans le dispositif décrit ci-dessus le principe de fonctionnement du détecteur de givrage consiste en ce que le vent relatif, contenant l'humidité, refroidit les soudures réchauffées des thermocouples formant les surfaces sensibles. I1 en résulte que la sortie du bloc de mesure de la différence des signaux électriques délivre un signal proportionnel à l'intensité de givrage. Ces procédés de détection du givrage des objets et le dispositif pour le réaliser, ne permettent d'obtenir une information exacte sur le début et l'intensité du givrage que dans les cas où les pressions et les vitesses du courant d'air sont invariables. Toutefois, dans les conditions réelles d'utilisation du dispositif dans les appareils volants, l'exactitude de cette information diminue. En outre, le dispositif se caractérise par une puissance consommée importante (jusqu'à 1000 W) et il est de fabrication compliquée. Etant donné que les surfaces sensibles du dispositif sont réchauffées pour augmenter la précision de mesure, les éléments chauffants sont disposés entre les couches d'une matière isolante.Au régime de détection, la température des éléments chauffants atteint 350 C. Etant donné la différence des coefficients de dilatation volumétrique des matériaux, au cours du fonctionnement, le monolithisme des couches est inévitablement détérioré, des microfissures apparaissent et cela provoque une diminution importante de la durée de vie du détecteur de givrage. En outre, la durée de vie du dispositif est. réduite du fait que les soudures des thermocouples à bande sont en contact direct avec le courant d'air afin d'augmenter la sensibilité du détecteur de givrage et de l'ensemble du dispositif. Dans le cadre de l'invention on s'est proposé de créer un procédé de détection du givrage des objets se trouvant dans un courant d'air et un dispositif pour le réaliser, dans lequel les quantités d'humidité contenue dans le courant d'air seraient évaluées de la manière la plus complète, pour que la précision d'évaluation des conditions de givrage ne dépende pas des variations de la pression et de la vitesse du courant d'air, ainsi que pour augmenter la durée de vie du dispositif et simplifier sa fabrication. Le but visé est atteint par le fait que, dans le procédé de détection du givrage des objets se trouvant dans un courant d'air, on crée simultanément dans ce courant d'air une zone de dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion et une zone protégée contre le dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion dans laquelle se produit un tourbillonnement naturel du courant d'air, on mesure la différence des températures de ces deux zones cette différence de températures permettant d'évaluer les conditions de givrage des objets, selon l'invention, le courant d'air est décéléré dans la zone de dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion. I1 est avantageux de provoquer un tourbillonnement supplémentaire du courant d'air dans la zone protégée contre le dépôt des gouttelettes d'eau en surfusion. L'invention se caractérise également en ce que dans le dispositif pour réaliser le procédé de détection du givrage des objets se trouvant dans un courant d'air, comprenant un détecteur de givrage de l'objet, disposé dans un courant d'air, dont le corps est fixé sur l'objet de manière que l'une des surfaces sensibles du détecteur de givrage de l'objet est tournée face au courant d'air et forme une zone de dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion, alors que l'autre surface sensible, disposée en aval de la première, forme une zone protégée contre le dépôt des gouttelettes d'eau en surfusion et dans laquelle se produit un tourbillonnement naturel du courant d'air, et sur chaque surface sensible est fixé un capteur thermique branché sur l'entrée correspondante d'un bloc mesurant la différence des signaux électriques qui permet d'évaluer les conditions de givrage de objet, selon l'invention les surfaces sensibles du détecteur de givrage du corps sont constituées par les parties appropriées du corps de ce détecteur de givrage et la partie du corps du détecteur, tournée face au courant d'air, comporte un évidement pour la décélération du courant d'air dans la zone de dépôt des gouttelettes d'eau en surfusion. I1 est avantageux que la partie du corps du détecteur de givrage, formant la zone protégée contre le dépôt des gouttelettes d'eau en surfusion, comporte une surface plane pour créer un tourbillonnement supplémentaire du courant d'air dans cette zone. I1 est également avantageux de pratiquer un évidement sur la partie plane du corps du détecteur de givrage. D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples préférés de réalisation et en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente un objet placé dans un courant d'air et comportant un détecteur de dégivrage, selon l'invention - la figure 2 représente à plus grande échelle le détecteur de dégivrage, selon l'invention, représenté sur la figure 1 ; - la figure 3 est une vue d'ensemble du détecteur de givrage selon l'invention, avec un évidement réalisé sur la première surface sensible et ayant la même forme que cette surface et avec une autre surface sensible qui est plane - la figure 4 représente un détecteur analogue à celui de la figure 3, le corps du détecteur étant de forme cylindrique, selon l'invention ;; - la figure 5 représente un détecteur analogue à celui de la figure 3, le corps du détecteur étant de forme parallélépipédique > selon l'invention - la figure 6 représente une vue ensemble d'un détecteur dé givrage, selon l'invention, avec un évidement conique réalisé sur la première surface sensible et avec un évidement plan pratiqué sur la seconde surface sensible (avec arrachements partiels) - la figure 7 représente une vue d'ensemble d'un détecteur de dégivrage, selon l'invention, avec un évidement réalisé sur la première surface sensible, qui reproduit la forme d'une partie de la surface sphérique, et avec un évidement prévu sur la seconde surface sensible, le fond de cet évidement présentant des saillies (avec arrachements partiels) - la figure 8 représente un détecteur de dégivrage, selon l'invention avec ses éléments chauffants (coupe longitudinale partielle) ; - la figure 9 représente le même détecteur que la figure 8, mais vu de gauche ; et - la figure 10 est un schéma fonctionnel de circuit du dispositif destiné à réaliser le procédé de détection du dégivrage, selon l'invention. Le nouveau procédé de détection du givrage des objets, se trouvant dans un courant d'air, consiste en ce qu'on crée simultanément dans ce courant d'air une zone de dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion et une zone protégée contre le dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion dans laquelle est produit un tourbillonnement naturel du courant d'air. Le courant d'air est ensuite décéléré dans la zone de dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion et l'on mesure la différence de températures des deux zones. La différence mesurée des températures permet d'évaluer les conditions de givrage de l'objet. Pour neutraliser l'influence des variations de la pression et de la vitesse du courant d'air sur la précision de l'évaluation des conditions de givrage de l'objet, on provoque un tourbillonnement supplé- inventaire du courant d'air dans la zone protégée contre le dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion. Le dispositif pour réaliser le procédé de détection du givrage des objets, se trouvant dans un courant d'air, comprend un détecteur 1 (figure 1) de givrage fixé sur un appareil volant 2 se trouvant dans un courant d'air 3. Le détecteur 1 de givrage comprend un corps cylindrique 4 (figure 2) dont l'une des extrémités constitue une première surface sensible 5, alors que l'autre extrémité est en forme de cône et constitue une seconde surface sensible 6. La surface 5 du détecteur 1 de givrage est orientée à l'encontre du courant d'air 3 et cette surface 5 forme une zone de dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion en présence des conditions de dégivrage, c'est-à-dire en présence d'humidité dans le courant d'air et aux températures au-dessous de OOC. Sur la surface sensible 5 est pratiqué un évidement 7 destiné à décélérer le courant d'air 3. Dans l'exemple de réalisation décrit, l'évidement 7 est de forme cylindrique. La surface sensible 6 du détecteur de givrage 1, disposée en aval de la première surface 5, forme une zone protégée contre le dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion, dans laquelle se produit un tourbillonnement naturel du courant d'air 3. Pour placer le détecteur de givrage 1 dans le courant d'air 3 le corps 4 est fixé sur un pied 8 qui s'attache à l'appareil volant 2 par l'intermédiaire d'une bride 9. L'évidement pratiqué sur la surface 5 peut avoir des formes très variées, selon la configuration du corps 4 du détecteur 1 de givrage et la technologie de fabrication. Les figures 3, 4, 5, 6 et 7 représentent divers exemples de réalisation du corps 4 et des évidements 10, 11, 12, 13 et 14, respectivement. Pour créer un tourbillonnement supplémentaire du courant d'air 3 (figure 2), la surface sensible 15 (figures3, 4, 5) du détecteur 1 de givrage est réalisée sous forme plane. Comme il a été indiqué plus haut, la précision d'évaluation des conditions de givrage de l'appareil volant 2 (figure 2) dépend de la variation de la pression et de la vitesse du courant d'air 3. Pour neutraliser l'influence de ces facteurs et stabiliser le processus de tourbillonnement du courant d'air 3, qui a lieu sur le corps 4 du détecteur 1 de dégivrage, des évidements 16 et 17 respectivement sont pratiqués sur la surface sensible 15 (figures 6, 7). Dans le corps 4 du détecteur 1 de dégivrage, derrière les surfaces travaillantes 5 (figure 8) et 15, sont fixés des capteurs thermiques réalisés sous forme des thermistances 18 dans l'exemple de réalisation décrit. Les thermistances 18 et les résistances 19 (figure 10) font partie d'un montage en pont branché sur les entrées du bloc 20 mesurant la différence des signaux électriques, qui permet d'évaluer les conditions de givrage de l'appareil volant. Le bloc 20 de mesure de la différence des signaux électriques comprend un relais électronique 21 et un contact à fermeture 22 commandé par le relais 21. Pour mesurer la température du courant d'air 3 (figure 2) le pied 8 du détecteur 1 de givrage est percé d'ouvertures 23 (figure 9) dans lesquelles sont placés des capteurs thermiques : des thermistances 24 (figure 10) dans l'exemple envisagé. Les thermistances 24 sont branchées sur les autres entrées du bloc 20 de mesure de la différence des signaux électriques, ces entrées étant celles du relais électronique 25 qui commande le contact à fermeture 26. Tous les modes indiqués ci-dessus d'exécution du dispositif, pour réaliser le procédé de détection du givrage des appareils volants, permettent de fixer d'une manière très précise le début du processus de givrage d'un appareil volant. En outre, le procédé et le dispositif selon l'invention permettent de déterminer le côté quantitatif du processus de dégivrage, c'est-à-dire son intensité. A cet effet, on a placé les éléments chauffants 27 (figure 8) dans le corps 4 du détecteur 1 de givrage tout près des surfaces sensibles 5 et 15, ces éléments chauffants étant mis en circuit à la fermeture du contact 26 (figure 10) commandé par le relais électronique 25 (sur la figure 10, les éléments chauffants 27 sont indiqués par des rectangles). On a prévu dans le circuit un dispositif indicateur, qui est un millivoltmètre 28 dont l'échelle est graduée en unité d'intensité de givrage. Le procédé de détection de givrage des appareils volants est réalisé comme suit. I1 faut noter avant tout que l'étendue et la position de la zone du courant d'air non perturbé varient d'un appareil volant à un autre. L'emplacement du détecteur de givrage doit donc être spécialement choisi pour chaque appareil volant. Le détecteur 1 (figure 1) de givrage est ainsi fixé dans ladite zone de l'appareil volant 2, de manière que la surface sensible 5 soit tournée face au courant d'air 3. Le détecteur 1 de givrage étant placé en cette position, la surface 5 forme une zone de dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion (lorsqu'il y a de l'humidité dans le courant d'air 3 et que la température est au-dessous de OOC). En même temps, une autre surface sensible 6 du détecteur 1 de givrage, représentée sur les figures 1 et 2, ou la surface sensible 15 représentée sur les figures 3 à 8, forme une zone protégée contre le dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion. Le fait de pratiquer sur la surface 5 un évidement 7, comme indiqué sur la figure 2, où les évidements 10, 11, 12, 13, 14 représentés sur les figures 3 à 7 respectivement, permet de décélérer le courant d'air 3 (figure 2) dans la zone de dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion. Cette décélération est nécessaire pour pouvoir évaluer d'une manière plus précise les quantités d'humidité dans le courant d'air 3, cette humidité déterminant la valeur du signal électrique utile. Le fait de réaliser la surface sensible plane 15 représentée sur les figures 6 et 7, avec les évidements 16 et 17 respectivement, permet d'assurer une meilleure protection de cette surface 15 contre l'humidité en surfusion, ce qui donne le signal utile maximal dans la phase finale du procédé de détection du givrage. Le signal utile, portant l'information sur les conditions de givrage de l'appareil volant, résulte de la différence de deux signaux utiles délivrés par les thermistances 18 (figure 10) adjacentes aux surfaces sensibles 5 (figure 8) et 15. Pour rendre plus grand le signal électrique utile, le détecteur 1 de givrage comprend des éléments chauffants 27. La surface 5 est refroidie d'une manière intense grâce à l'évaporation de l'humidité captée, alors que la température de la surface 15 reste invariable. I1 en résulte que la sortie du circuit en pont délivre un signal d'intensité de givrage qui ne dépend pratiquement pas de l'altitude et de la vitesse de déplacement de l'appareil volant. Ce signal peut être fixé par le millivoltmètre 28 (figure 10) et appliqué en même temps au relais électronique 21 de commande du contact 22 ; à la fermeture de ce contact la sortie du dispositif délivre un signal "givrage". Ce signal peut être utilisé pour la commande des dispositifs automatiques de dégivrage de l'appareil volant (non représentés sur le dessin). Comme il a déjà été indiqué, le circuit électrique du dispositif comprend les thermistances 24 branchées sur le relais électronique 25 et destinées à mesurer la température du courant d'air. Le relais électronique 25 sert à commander le contact 26 qui, en se fermant, met en circuit les éléments chauffants 27. Le procédé de détection de givrage et le dispositif pour le réaliser, sont caractérisés selon l'invention par une haute précision de mesure et une fiabilité élevée de fonctionnement. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au procédé et au dispositif qui viennent d'etre décrits, uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de détection de givrage des objets se trouvant dans un courant d'air, consistant en ce qu'on crée simultanément dans le courant d'air une zone de dépôt de gouttelettes en surfusion et une zone protégée contre le dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion dans laquelle se produit un tourbillonnement naturel du courant d'air, et en ce qu'on mesure la différence des températures dans ces deux zones, cette différence permettant d'évaluer les conditions de givrage de objet, ce procédé étant caractérisé par le fait que le courant d'air est décéléré dans la zone de dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on provoque un tourbillonnement supplémentaire du courant d'air dans la zone protégée contre le dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion. 3. Dispositif pour réaliser le procédé de détection de givrage des objets se trouvant dans un courant d'air, selon la revendication 1, comprenant un détecteur de givrage de l'objet placé dans un courant d'air, dont le corps est fixé de manière que l'une des surfaces sensibles ou actives du détecteur de givrage de l'objet soit tournée face au courant d'air et forme une zone de dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion, alors qu'une autre surface sensible, disposée derrière la première, forme une zone, protégée contre le dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion, dans laquelle se produit un tourbillonnement naturel du courant d'air, et à chaque surface sensible est fixé un capteur thermique branché sur une entrée correspondante d'un bloc mesurant la différence des signaux électriques, qui permet d'évaluer les conditions de givrage de l'objet, ce dispositif étant caractérisé par le fait que les surfaces sensibles du détecteur de givrage de l'objet sont constituées par les parties correspondantes du corps de ce détecteur et que la partie du corps de détecteur, tournée face au courant d'air, possède un évidement destiné à décélérer le courant d'air dans la zone de dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la partie du corps du détecteur de dégivrage, formant la zone protégée contre le dépôt de gouttelettes d'eau en surfusion, est plane pour y créer un tourbillonnement supplémentaire. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'un évidement est pratiqué sur la partie plane du corps du détecteur de givrage.