Brevet FR2489511A1 — publié le 19820305

Système de mesure d'une grandeur d'état caractéristique d'un fluide en écoulement. La présente invention concerne un système de mesure d'une grandeur d'état caractéristique d'un fluide en écoulement, du type comportant une sonde dite sonde de mesure placée dans un circuit de prélèvement situé à distance de l'écoulement de fluide, ledit fluide étant affecté, au point de mesure, d'un certain écart de température par rapport à celle de l'écou- lement principal du fait de son transport à distance, ladite sonde étant affectée, du fait de son positionnement à dis- tance, d'une certaine erreur. La mesure de la température des gaz à la sortie des chambres de combustion de réacteurs d'avion, par exemple, est géné- ralement réalisée au moyen de capteurs à thermocouple dis- posés dans la veine de gaz, généralement entre roues de tur- bine haute pression et basse pression; l'écoulement intense des gaz autour des capteurs produit un échauffement et une mise en température quasi instantanés des capteurs, et l'on obtient ainsi une mesure assez fidèle de la température. Toutefois, les capteurs, ou jonctions, ou soudures à thermo- couple utilisés sont nécessairement fins et fragiles et, dans un environnement aussi sévère, ils ont une durée de vie limitée notamment du fait des vibrations, brOlures, etc... qu'ils subissent. Pour remédier à cet inconvénient, on a proposé dans cette application (demande de brevet français n0 78.26636) de loger ces capteurs à l'intérieur d'aubes fixes des distri- buteurs de turbine et de leur faire mesurer la température d'un échantillon de gaz prélevé dans la veine à travers l'aube. Néanmoins, le prélèvement modifie la température de l'air admis autour de la sonde: la température relevée par la sonde est entachée d.'une erreur positive ou négative; or, il est généralement important que le pilote soit informé, avec exactitude de la température de l'air. L'invention remédie à cet inconvénient et a notamment pour but de proposer un système permettant de s'affranchir de cette erreur liée au prélèvement d'air et d'obtenir une lecture aussi juste que possible de la température réelle des gaz. Ce but est atteint conformément à l'invention, du fait que le système comprend en outre deux sondes,dites sondes cor- rectrices, placées dans ledit circuit de prélèvement à des positions différentes, l'une des sondes étant affectée sensi- blement de la même erreur que la sonde de mesure, l'autre sonde étant affectée d'une erreur double - un premier moyen de calcul pour fournir la différence AT entre les signaux T2, T3 fournis par les sondes correctrices 52 et 53, et - un deuxième moyen de calcul pour fournir le signal T = TI 4T o TI est lé signal fourni par la sonde de mesure S1. Avantageusement, la sonde de mesure ainsi que les deux sondes correctrices comprennent chacune un capteur de température placé dans un écoulement dé gaz prélevé à partir d'un gaz à mesurer à l'aide de moyens de prélèvement non adiabatiques. L'efficacité d'échange thermique K2 du circuit de prélèvement de l'une des sondes correctrices est double de celle Kl du circuit de prélèvement de la sonde de mesure, tandis que l'efficacité d'échange K3 du circuit de prélèvement de l'autre sonde correctrice est égale à Kl. Avantageusement, les capteurs des trois sondes sont du type à thermo-couple. Avantageusement, les capteurs des trois sondes sont des sou- dures de thermo-couple identiques, montées en opposition chacune avec sa voisine. Ce système de mesure permet ainsi de compenser les erreurs de mesure de capteurs de température à mesure indirecte par prélèvement en régime transitoire et permanent, et il est avantageusement appliqué à la mesure de la température des gaz sortant des chambres de combustion d'une turbomachine. 1 0 Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plu- sieurs modes de réalisation de l'invention, description faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure t est un schéma d'un thermocouple classique; - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'une aube de distributeur de turbine munie d'une canali- sation de prélèvement et d'un capteur de température - la figure 3 est unschéma d'un circuit de thermocouples selon un premier mode de réalisation de l'invention - la figure 4 est un schéma explicatif et fonctionnel d'un système de sondes de température selon ce premier mode de réalisation de l'invention - le figur s5A et 5E sont des schémasdecircuitélectrique de thermocouple selon d'autres modesde réalisation - la figure 6 est une vue schématique en coupe d'un système de sondes de température selon le premier mode de réalisation de l'invention - la figure 7 est un diagramme en fonction du temps, de la réponse des différents capteurs du système selon l'invention. 248951 1 Le thermocouple représenté à la figure 1 est composé de deux conducteurs 1 et 2 respectivement, en chromel et en alumel par exemple, mutuellement soudes à leurs deux extrémités. Une extremité, dite soudure de mesure ou soudure chaude, 3 est exposée à la température à mesurer Tg; l'autre extrémité, dite soudure froide, 4 est maintenue à une température de référence TO ràgnant dans une enceinte 4a; un voltmètre 5 indique la différence de potentiel entre les deux conducteurs 1, 2; cette différence de potentiel est représentative de la température à mesurer Tg. Dans le cas o la soudure de mesure 3 est placée en contact avec les gaz prélevés à travers une aube fixe 30 du distri- buteur de turbine (figure 2), la température T1 lue par cette sonde est entachée d'une erreur iT due aux échanges de cha- leur qui se produisert dans l'aube porteuse 30 dans le préle- vement alimentant la soudure entre les gaz initialement à la température Tg et les parois de l'aube 30. Pour éviter de placer la soudure 3 à l'intérieur de la tur- bine, on prélève les gaz par plusieurs trous 6 percés dans le bord d'attaque 30a d'une aube 30, ou d'une série d'aubes réparties circonférentiellement sur la roue distributrice de la turbine, et l'on place la soudure 3 en tête de l'aube 30 dans le courant de gaz 100 ainsi prélevé dans la veine 101; les gaz sont ensuite évacués directement dans l'atmosphère 7. La soudure 3 "voit" ainsi une température moyenne de plusieurs niveaux radiaux de la veine; mais les gaz, en circulant dans les canaux Ba, 8b, Bc et dans le canal central 9 de l'aube échangent des calories avec les parois de ces canaux et la température "vue" par la soudure est donc entachée d'une erreur AT. On peut définir l'efficacité K d'échange thermique entre la canalisation de prélèvement et le gaz par la formule K = Tg - Tj o Tm est la température moyenne des parois de Tg - Tm la canalisation de prélèvement, laquelle est généralement entachée d'une erreur permanenteliée au refroidissement de l'aube par son support. La température T1 mesurée par la sonde de mesure peut s'écrire: T1 = Tg + K (Tm - Tg) d'o A T = K (Tm - Tg) On cherche à compenser cette erreur aT de la façon suivante. Puisque l'erreur 4T correspond à la variation de température des gaz prélevés à travers l'aube 30, une mesure de AT pourra être obtenue en générant, de la même façon que eT, une variation de température 2 AT et en mesurant la diffé- rence: (Tg + 2 AT) - (Tg + aT) = AT, qui est l'erreur parasite. Selon un premier mode de réalisation, pour retrancher (Tg + A T) de (Tg + 2ZàT), il suffit de disposer deux ther- mocouples correcteurs mesurant ces températures en opposition mutuelle selon le schéma de la figure 3. Sur la figure 3, on a désigné la soudure froide, l'enceinte o règne la température de référence T0 et le voltmètre de mesure du thermocouple, par les mêmes références que sur la figure 1. Le dispositif de la figure 3 comporte trois sou- dures: une soudure de mesure 10 exposée, comme la soudure 3 de la figure 2, à la température Tl des gaz sortant du 25.canal 9 et deux soudures correctrices 11 et 12 montées mu- tuellement en opposition, dont l'une 11 est exposée à une température T3 égale à celle à laquelle est exposée la soudure 10, les deux circuits de prélèvement étant identiques, tandis que l'autre soudure correctrice 12 est exposée à une température T2 de gaz prélevés dans une canalisation de pré- lèvement analogue à la canalisation Ba à Bc et 9 mais pré- sentant une efficacité K2 d'échange thermique avec le gaz de prélèvement, double de celui de ladite canalisation Ba à Bc et 9. On peut régler le rapport entre les efficacités K des différents circuits de prélèvement par action sur la géométrie (diamètre et longueur) des canaux de prélèvement. Selon l'exemple de la figure 3, la soudure de mesure 10 est la jonction ou soudure - entre, d'une part, un conducteur en alumel 13 reliant la soudure froide 4 à cette soudure 10, et, d'autre part, un conducteur en chromel 14 reliant la soudure 10 à la soudure correctrice 12. La soudure correctrice 12 est la jonction entre d'une part ce conducteur en chromel 14, et d'autre part un conducteur en alumel 15 reliant la soudure 12 à la soudure 11; la sou- dure correctrice 11 est la jonction entre, d'une part ce conducteur en alumel 15 et d'autre part un conducteur en chromel 31 reliant la soudure 11 à la soudure froide 4. Ainsi, le voltmètre 5 reçoit une tension représentative de la température T1 - (T2 - T3) = T.1 - T2 + T3 = (Tg + AT) - (Tg + 2&T) + (Tg +AT) = Tg La figure 4 montre schématiquement le fonctionnement de ce premier mode de réalisation du système de mesure de la tem- pérature de gaz Tg, permettant d'obtenir la compensation recherchée. Selon ce mode de réalisation, le système comprend trois dis- positifs de mesure de la température de gaz Tg: 1) un premier dispositif 16 dans lequel la fonction T1 = Tg + K1 (Tml - Tg) est réalisée, * 301 correspondant à l'aube 30 de la figure 2, portée à la température Tm1, * 201 correspondant à l'échangeur air/aube dont l'effi- cacité d'échange est K1, * l'ensemble 16 correspondant à la soudurel0 de Ja figure3 2) un deuxième dispositif 17 dans lequel la fonction T2 = Tg + K2 (Tm2 - Tg) est réalisée, À 302 correspondant 'à l'aube 30 de la figure 2, portée à la température Tm2 = Tml, 202 correspondant à l'échangeur air/aube dont l'effi- cacité d'échange est K2 = 2K1, l'ensemble 17 correspondant à la soudure 12 de la figure 3; 3) un troisième dispositif 18 dans lequel la fonction T3 = Tg + K3 (Tm3 - Tg) est réalisée, * 303 correspondant à l'aube 30 de la figure 2 portée à la température Tm3 = Tml, 10. 203 correspondant à l'échangeur air/aube dont l'effi- cacité d'échange est K3 = K1, * l'ensemble 18 correspondant à la soudure 11 de la figure 3. Un premier moyen soustracteur 23 représente le montage en opposition des soudures 11 et 12 de la figure 3 et réalise la mesure 4T = T2 - T3 Un second moyen soustracteur 24 représente le montage en opposition des soudures 10 et 12 de la figure 3 et réalise la mesure T = T1 - A T = Tg. Le même résultat pourrait être obtenu par d'autres moyens utilisant d'autres capteurs de température que des thermo- couples et d'autres moyens soustracteurs que ceux utilisés dans la figure 3 sans sortir du domaine de l'invention. Dans d'autres modesde réalisation, afin d'augmenter la fia- bilité du circuit de thermocouples, on peut préférer utiliser un circuit tel que oeux des figures 5a-5b qui comportent un plus grand nombre de soudures, par exemple six soudures de mesure , deux soudures correctrices 11 et deux soudures correc- trices 12; ces dix soudures sont réparties circonféren- tiellement dans le distributeur de turbine et peuvent être cablées par exemple comme représenté sur la figure 5b. Les conducteurs en trait interrompu sont en chromel et ceux représentés en trait continu en alumel. On remarque sur les deux figures Sa et 5b que les soudures de mesure 10 sont toutes branchées en parallèle entre deux points - ou noeuds - 102 et 104 Sur la figure 5a, les soudures correctrices 11 sont également branchées en parallèle entre deux noeuds 103 et 105 et les soudures correctrices 12, de m9me, entre les noeuds 102 et , de telle sorte que le groupe des soudures correctrices 12 soit en opposition avec d'un c8té le groupe des soudures de mesure 10 et de l'autre le groupe des soudures correctrices 1il. La figure 5best une variante du montage précédent dans laquelle les soudures correctrices 11 et 12 sont associées une à une en opposition, ces associations étant branchées en parallèle entre les deux noeuds 102 et 103, de telle sorte que les soudures 12 sont toujours en opposition avec les soudures 10 d'un côté et 11l de l'autre. Le principe de compensation décrit ci-dessus permet donc d'élaborer un système particulièrement bien adapté à la compensation des erreurs affectant les capteurs de tempéra- ture par prélèvement,des turbomachines en régime permanent et cela sans nécessiter la mesure de la valeur absolue de l'erreur, mais seulement son rapport avec un système ayant une erreur double, élaboré à partir des mêmes phénomènes physiques. Une variante représentée sur la figure 6 permet en outre de s'affranchir de la nécessité de recourir à des aubes supplémentaires pour y loger les soudures de com- pensation 11, 12. Selon cette variante, on groupe dans un même corps de sonde , trois soudures 26 à 28 agencées comme celles (10 à 12) du système précédent; ici la soudure 28 est affectée d'une efficacité d'échange double de celle des deux autres 26 et 27. Comme sur la figure 3, la soudure 28 est montée en opposition par rapport à la soudure 27 qui est elle-même montée en opposition par rapport à la soudure 26. Le rapport entre les efficacités d'échanges thermiques de la soudure 27 et des deux soudures 26 et 28 est ici rendu égal à 2 grâce par exemple à l'enfoncement relatif plus ou moins grand de ces soudures dans le canal 29 à travers lequel l'air prélevé traverse la sonde 25. La figure 7 montre schématiquement l'évolution dans le temps de la réponse des soudures 10 à 12. Les courbes C1 et C2 qui correspondent, respectivement, aux soudures 10 et 11, ont une erreur AT par rapport à la tem- pérature Tg des gaz. La courbe C3 qui correspond à la soudure 12 a une erreur double 24T par rapport à Tg. Puisque la soudure 12 est montée en opposition par rapport aux deux autres soudures, les erreurs des courbes C1, C2 et C3 s'ajoutent algébriquement et se compensent. On obtient sur le voltmètre 5 un signal de sortie évoluant selon la courbe C4, réalisant ainsi une mesure dont l'erreur est nulle par simple adaptation des circuits de prélèvement d'air alimentant les soudures des thermocouples. REVENDICATIONS 1. Système de mesure d'une grandeur d'état caractéristique d'un fluide en écoulement, du type comportant une sonde dite sonde de mesure (16; 10) placée dans un circuit de prélè- vement situé à distance de l'écoulement de fluide, ledit fluide étant affecté, au point de mesure, d'un certain écart de température par rapport à celle de l'écoulement principal du fait de son transport à distance, ladite sonde étant affectée, du fait de son positionnement à distance, d'une certaine erreur, caractérisé en ce qu'il comprend en outre deux sondes dites sondes correctrices (17, 18; 11, 12), placées dans ledit circuit de prélèvement à des positions différentes, l'une des sondes (18, 12) étant affectée sensi- blement de la même erreur que la sonde de mesure, l'autre sonde (17; 11) étant affectée d'une erreur double; - un premier moyen de calcul (23) pour fournir la différence T entre les signaux (T2, T3) fournis par les sondes cor- rectrices (17, 18; 11, 12), et - un deuxième moyen de calcul (24) pour fournir le signal T = T1 - AT o Tl,est le signal fourni par la sonde de mesure (16; 10). 2. Système de mesure de la température d'un gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sonde de mesure (16) ainsi que les deux sondes correctrices (17, 18) com- prennent chacune un capteur de température placé dans un écoulement de gaz (100) prélevé à partir d'un gaz à mesurer (101) à l'aide de moyens de prélèvement non adiabatiques (8a, 8b, Bc, 9) et en ce que l'efficacité d'échange thermique (K2) du circuit de prélèvement de l'une des sondes correc- trices (17) est double de celle (K1) du circuit de prélè- vement de la sonde de mesure (16), tandis que l'efficacité d'échange (K3) du circuit de prélèvement de l'autre sonde correctrice (18) est égale à (K1). J. Système de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que les capteurs des sondes (16, 17, 18; 10, 11, 12) sont du type à thermo-couple. 248951 1 4. Système de mesure salon la revendication 3, caractérisé en ce que les capteurs des sondes (16, 17, 18; 10, 11, 12) sont des soudures de thermocouple identiques, montées en opposition chacune avec sa voisine. 5. Système de mesure selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte une ou plusieurs sondes de mesure (10) et une ou plusieurs sondes correctrices (11, 12), respecti- vement alimentées par des circuits de prélèvement du type à efficacité d'échange thermique (K2) et du type à efficacité d'échange thermique (K3), les soudures d'une même fonction étant associées en parallèle pour former un groupe, le sys- tème comportant au moins un groupe de soudure d'une même fonction (10) associées en parallèle. 6. Système de mesure selon la revendication 5, caractérisé en ce que les soudures d'au moins deux fonctions adjacentes (11, 12) sont en nombre égal et associées en série-opposition pour former des séries de soudures adjacentes, lesdites séries de soudures adjacentes étant associées en parallèle.