Brevet FR2625567A1 — publié le 19890707

DISPOSITIF DE MESURE DE LA VITESSE ET DE LA DIRECTION DE DEPLACEMENT D'UN FLUIDE La présente invention concerne un appareil destiné à mesurer simultanement la vitesse et la direction d'un fluide en mouvement, à partir d'un capteur unique. Il existe de nombreuses circonstances où l'on souhaite mesurer la vitesse et le déplacement d'un fluide en mouvement (air, gaz, liquide, etc.), ceci aussi bien pour des phénomènes réels en grandeur nature que pour des phénomènes de laboratoire Dans les types d'instruments de mesure actuellement utilisés pour mesurer la vitesse ou la direction d'un fluide en mouvement, l ément capteur est constitué de coupelles, aubes ou pales pour les anémomètres, d'une ou plusieurs dérives pour les girouettes, animées sous l'effet du déplacement du fluide, d'un mouvement de rotation autour d'un axe. Ce mouvement de rotation est transformé en signal électrique (mesure d'une tension ou d'une fréquence). Il existe aussi d'autres systèmes de mesure basés, par exemple, sur des phénomènes de variation de pression d'éléments en contact avec le fluide, ou basés sur des phénomènes d'échanges thermiques entre le fluide et une source chaude- Tous ces dispositifs présentent l'inconvénient de manquer de précision ou de fiabilité, essentiellement du fait que des pièces en mouvement rapide sont toujours une source d'usure ou de détérioration ou du fait que des systèmes de transformation de phénomènes physiques en signaux électriques et des systèmes de traitement de ces signaux électriques sont souvent sensibles aux phénomènes atmosphériques liés essentiellement à la foudre Par ailleurs les systèmes énoncés ci-dessus ne permettant pas d'effectuer simultanément une mesure de vitesse et une mesure de direction de déplacement du fluide I1 existe cependant des dispositifs permettant d'effectuer la mesure simultanee de la vitesse et de la direction du vent.Un tel dispositif est par exemple décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique 3 277 706, déposé le 26 août 1963 Un tel dispositif comporte en particulier une tige rigide munie à son extrémité supérieure d'une sphère soumise à l'action du fluide Cete tige traverse la partie supérieure d'un boiter en étant reliée à cet endroit au boîtier par l'intermédiaire d'une articulation de type rotule et s'étend à l'intérieur du boîtier de façon à pouvoir s'y déplacer angulairement La tige supporte, à l'intérieur du boîtier, un contrepoids lui faisant maintenir une position verticale en absence d'action du fluide.Un dispositif de mesure est situé à l'intérieur du boîtier et est destiné à mesurer, d'une part, l'écart de l'extrémité inférieure de la tige par rapport à la verticale, pour en déduire ainsi la vitesse de déplacement du fluide et, d'autre part, la direction du déplacement de l'extrémité de cette tige afin d'en déduire la direction de déplacement du fluide. Un tel dispositif de mesure présente de nombreux inconvénients. En particulier, l'extrémité inférieure de la tige ou tout autre point de cette tige situé à l'intérieur du boîtier. se déplace nécessairement sur un lieu géométrique correspondant à une portion de sphère On comprend aisément qu'il n'est pas facile de réaliser un dispositif de mesure d'amplitude et d'orientation d'un déplacement sur une calotte sphérique. En fait tout dispositif de mesure de déplacement est toujours plus facile à réaliser lorsque ce déplacement est linéaire. Un autre inconvénient du dispositif précédemment évoqué réside dans le fait qu'un pendule a une période d'oscillation qui résulte de l'accélération de la pesanteur (qui est une constante) et de la distance entre le centre de gravité et le point d'articulation Or. dans un dispositif de mesure tel qu'évoqué ci-dessus il n'est pas facile de constituer un dispositif de pendule ayant une fréquence d'oscillation très élevée sans être obligé d'avoir recours à des masses trop importantes. donc encombrantes ou d'avoir recours à une trop grande miniaturation du dispositif, le rendant donc trop fragile. Le problème réside dans le fait qu'il est difficile en général, d'amortir des oscillations de faibles fréquences. Un autre inconvénient réside dans le fait que le manque de raideur d'un dispositif à pendule implique que l'influence des frottements au niveau de l'articulation de type rotule est importante I1 convient donc de prévoir des articulations à très faible frottement ce qui est difficile à réaliser et à maintenir dans un environnement agressif. Enfin, un dispositif du type pendule présente aussi l'inconvénient de notre réglé que dans la mesure où le boîtier est lui-même fixé selon une position bien précise par rapport à la verticale. Si la fixation du boîtier vient à se dérégler, les mesures seront faussées. La présente invention vise donc à prévoir un dispositif de usure de la vitesse et de la direction de déplacement d'un fluide qui permet de remédier aux inconvénients précédemment cités. L'invention concerne donc un dispositif de mesure de la vitesse et de la direction de déplacement d'un fluide comprenant un élément capteur destiné à être exposé au fluide à mesurer et présentant un profil constant selon toutes les directions possibles de déplacement du fluide Selon une caractéristique de l'invention le dispositif comprend un boitier-dans lequel est montée une tige susceptible de fléchir élastiquement et dont une partie s'étend à l'extérieur du boîtier et comporte à son extrémité correspondante l'élément capteur cette tige étant maintenue dans le boîtier en deux points. le premier point étant situé à l'extrémité de la tige opposée à celle supportant l'élément capteur et le deuxième point étant situé entre les deux extrémités de la tige Le maintien de la tige au deuxième point est obtenu par une liaison de type rotule. Ce dispositif comprend un 'dispositif de mesure contenu dans le boîtier et permettant de déterminer l'amplitude et la direction du déplacement radial par rapport au boîtier d'un point particulier de la tige provoqué par l'action du fluide sur l'élément capteur. Selon un mode de réalisation de l'invention, le maintien de la tige au premier point est obtenu par une liaison de type encastrement. Selon un mode de réalisation de l'invention le maintien de la tige au deuxième point est obtenu par une liaison de type rotule autorisant en outre un libre déplacement longitudinal de la tige. Selon un mode de réalisation de l'invention, le point particulier de la tige au niveau duquel le dispositif de mesure opère pour déterminer l'amplitude et la direction du déplacement radial par rapport au boîtier est situé à l'intérieur du boîtier, à la position de la tige prenant une flèche maximum pour toute action donnée au niveau du capteur, cette position correspondant à celle pour laquelle le point particulier se déplace en conservant une orientation constante par rapport à l'axe de la tige au repos. Selon un mode de réalisation de l'invention, au point particulier est disposé un disque dont le plan est perpendiculaire à l'axe longitudinal de la tige et concentrique à la tige. Selon un mode de réalisation de l'invention. une partie au moins du disque est constituée d'un élément conducteur de telle sorte qu'elle peut être couplée à un corps magnétique afin de réaliser un dispositif d'amortissement de vibration par courants de Foucault Selon un mode de réalisation de l'invention des éléments optiques émetteurs et récepteurs sont placés en regard de fenêtres ménagées dans le disque et permettent la détermination par voie optique de la position du disque par rapport au boîtier afin de déterminer les deux paramètres caractéristiques d'amplitude et de direction dudit déplacement radial Selon un mode de réalisation de l'invention, les éléments optiques émetteurs et récepteurs sont reliés par l'intermédiaire de fibres optiques respectivement à un système d'émission et à un système de réception de lumière placés à l'extérieur du boîtier en un lieu protégé. Selon un mode de réalisation de la présente invention les fenêtres comprennent des zones à atténuation optique variable et il est prévu quatre fenêtres pour assurer une redondance Un dispositif de mesure conforme à l'invention présente l'avantage que le point particulier de la tige soumis à la mesure est plan et conserve au cours de son déplacement une orientation constante par rapport à l'axe de la tige au repos Dans ces conditions, le dispositif de mesure des déplacements du point particulier est plus simple à réaliser et plus précis. Une telle disposition permet aussi d'installer un système d'amortissement de vibrations, par exemple par couplage magnétique de façon simple et efficace. Un dispositif de mesure conforme à l'invention présente aussi l'avantage de pouvoir régler l'ensemble des pièces en mouvelent de façon qu'elles présentent une fréquence d'oscillation quelconque, en particulier relativement élevée. La possibilité offerte par la tige de présenter une raideur importante permet aussi de prévoir des articulations'plus rustiques la sensibilité aux frottements étant moindre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture lors de la description détaillée suivante d'un exemple de réalisation faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles La figure 1 représente schématiquement en coupe longitudinale, un dispositif de mesure conforme à l'invention La figure 2 représente schématiquement, en coupe longitudinale, un mode particulier de réalisation du dispositif de mesure conforme à l'invention La figure 3 représente en coupe longitudinale, un exemple de réalisation du dispositif de mesure conforme à l'invention et La figure 4 représente en vue de dessus, un mode de réalisation d'une des pièces constitutives du dispositif de mesu re, appelée disque. En se reportant à la figure 1, qui représente très schématiquement un dispositif de mesure selon l'invention, on distinge un boîtier 1 supportant une tige 2 susceptible de fléchir élastiquement. L'extrémité inférieure de la tige 2 est liée à la partie inférieure du boîtier 1 en un point 7. Un élément capteur 3, par exemple une sphère, destiné à être exposé au fluide mesuré est relié rigidement à l'extrémité supérieure 5 de la tige 2 La tige s'étend donc depuis le fond du boîtier 1 jusqu'au dessus de la partie haute 9 du boîtier 1 et traverse cette partie 9 en un point 8 comprenant une liaison de type rotule ou cardan. L'ensemble du dispositif, ou au moins le capteur, est immergé dans le fluide dont on veut mesurer la vitesse de déplacement ainsi que la direction. On a représenté sur la figure une flèche D indiquant une direction possible de déplacement du fluide. La tige 2 étant relativement fine- et l'élément capteur 3 relativement important, la partie 4 de la tige 2 dépassant du boîtier 1 offre une résistance quasi-nulle au déplacement du fluide et ce fluide n'agit pratiquement que sur l'élément capteur 3. Le dispositif est disposé de façon que son axe longitudinal soit orienté sensiblement perpendiculairement à la direction D de déplacement du fluide, de sorte que celui-ci exerce une force radiale sur la tige 2 au niveau de l'élément capteur 3. I1 en résulte un fléchissement de l'ensemble de la tige. La tige 2 se déforme en obeissant aux lois connues relatives à la flexion des poutres minces. Si un effort radial se produit au niveau de l'élément capteur 3, la tige 2 fléchit et chacun de ses points se déplace radialement proportionnellement à l'intensité de l'effort exercé au niveau de l'élément capteur 3. Sur la figure 2, on a représenté, de façon tout aussi schématique, un mode de réalisation préféré de l'invention. On distingue le même boîtier 1, la tige flexible 2 munie à son extrémité supérieure de l'élément capteur 3. L'extrémité inférieure de la tige 2 est reliée au fond du boîtier 1 par une liaison dite à encastrement, c'est-à-dire une liaison empêchant au niveau de l'extrémité 7 toute rotation de la tige 2. Cette tige 2 traverse tout le boftier 1 et ressort de celui-ci au niveau de sa paroi supérieure 9 et est reliée à cet endroit 8 par une articulation de type à rotule. Dans la figure 2, le fléchissement de la tige 2 sous l'action d'un déplacement du fluide selon la direction D a volontairement été tres fortement exagéré La tige 2 prend alors une forme courbe présentant un point d'inflexion à un certain endroit désigné par I, et présentant un point P situé au maximum de la 12che, ce point P correspondant aussi au point a la tangente à l'axe longitudinal de la tige fléchie se trouve parallèle à l'axe longitudinal A de la tige au repos.Il en résulte que, si on dispose en ce point P de la tige un disque 10 fixé rigidement et disposé dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal A de la tige au repos, lorsque la tige fléchit, ce disque se déplace radialement tout en conservant sa même orientation par rapport à l'axe longitudinal A et en se déplaçant extrêmement peu dans la direction de l'axe longitudinal. I1 est alors possible d'utiliser un tel disque 10 comme moyen de détection du déplacement radial du point P, en lui associant un dispositif 6, connu en soi, de détection de position. La figure 3 représente plus en détail un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention de mesure de la vitesse et de la direction du déplacement d'un fluide. Dans cet exemple de réalisation, la cinématique choisie correspond à celle de la figure 2, c'est-à-dire que la tige flexible 2 est reliée à sa partie inférieure au fond du boîtier 1 par une liaison à encastrement et à sa partie supérieure à la partie supérieure du boîtier 1 par une liaison dite à rotule. Dans cet exemple de réalisation, on distingue, comme précédemment, un boîtier 1 comprenant essentiellement une partie cylindrique 11, un fond 12, et une partie supérieure 9. La tige 2 est réalisée de façon à pouvoir fléchir élastiquement. Cette tige 2 peut être réalisée, par exemple, en un matériau métallique élastique, que l'on appelle communément une corde à piano. Cette tige 2 reçoit dans sa partie supérieure 4 constituée d'une portion de tige rigide un élément capteur 3 présentant ici la forme d'une sphère comprenant des alvéoles en creux réparties uniformément sur toute sa surface. Un tel élément capteur ressemble à une balle de golf. Cette forme particulière n'est pas définie par un simple hasard, mais correspond expérimentalement à une forme qui repousse le décollement de la couche limite et dont on estime qu'elle amortit les vibrations. La liaison à encastrement établie au niveau de l'extré- mité inférieure 7 de la tige 2, ou plutôt de son prolongement rigide 4, est obtenue par tout moyen approprié, par'exemple par un encastrement en force de cette extrémité de tige dans un alésage approprié ménagé dans le fond 12, ou par tout autre moyen du genre brasage ou collage Au niveau du point 8 de la tige 2, il est prévu une liaison de type rotule 13, par exemple une rotule à billes. Cette liaison autorise la rotation dans toutes directions de la tige 2 au niveau de son point de fixation 8, sans toutefois lui permettre de se déplacer longitudinalement, ce déplacement longitudinal étant assuré par le fait que la tige 4 peut coulisser dans l'alésage de la rotule 13. Au niveau du point P de la tige 2, défini d'une manière similaire à celle décrite en relation avec la figure 2, est fixé rigidement un disque 10 centré sur la tige 2 et dont le plan est perpendiculaire à l'axe longitudinal A de cette tige 2. Au voisinage de la périphérie du disque 10, sont disposées un certain nombre de pièces 22 constituant un ou plusieurs aimants permanents dont des faces constituent des pales nords et suds en regard des façes opposées du disque 10 et à une très faible distance de celles-ci- Le disque 10, dans au moins sa partie située entre les pôles nord et sud des aimants 22 est constitué d'un matériau très conducteur, par exemple du cuivre, de façon que les déplacements radiaux du disque 10 créent, du fait de la présence du champ magnétique perpendiculaire à ses déplacements des courants de Foucault qui constituent un freinage dynamique de ces déplacements et par conséquent un amortissement des vibrations de la tige 2. Puisque le disque 10 plan, de par sa position au point particulier P de la tige 2, se déplace dans son plan, il est possible de réaliser d'une façon très économique un tel dispositif d'amortissement des vibrations par induction magnétique parce qu'il est possible de disposer les pôles des aimants à une distance très faible du disque, constituant ainsi un excellent couplage. Le disque 10 sert en outre comme élément permettant de déterminer le déplacement radial de la tige 2 en son point P. I1 existe de nombreux systèmes en particulier basés sur des phénomè nes mécaniques, électriques ou optiques permettant de déterminer et de mesurer des déplacements de pièces mécaniques. Dans cet exemple de réalisation, il est proposé un dispositif de mesure par voie optique qui présente de nombreux avantages, en particulier au niveau de la fiabilité, de la précision et de l'immunité aux parasites et à la foudre. Comme le disque 10 est agencé de manière à se déplacer dans son propre plan) il est possible de disposer de part et d'autre de ses faces, des éléments constituant, d'un côté, une source lumineuse 18 relativement ponctuelle et, de l'autre côté, un détecteur optique 20. Ces sources 18 et ces détecteurs 20 sont montés sur des pièces support 16 et 17, solidaires entre elles et fixées à la paroi 11 du boîtier 1. Ces mêmes pièces support soutiennent les aimants 22 sus-mentionnés et peuvent constituer des éléments des circuits magnétiques associés. Le disque 10 présente, selon le mode de réalisation de l'invention, quatre fenêtres circulaires 19 réparties symétriquement par rapport à son axe qui est confondu avec l'axe longitudinal A.Ces fenêtres 19 renferment chacune une plaque de verre traitée de façon à présenter un degré de transparence continûment variable La figure 4 indique comment sont disposés les différentes plaques de verre dans les quatre fenêtres 19. Pour chacune de ces quatre plaques de verre, on a représenté une flèche qui correspond à la direction d'opacité croissante. On constate que les directions correspondant à l'opacité croissante des plaques de verre situées dans deux fenêtres 19 voisines, représentées par les flèches respectives E et F sont opposées et disposées selon un même axe X, tandis que la direction d'opacité croissante G de la troisième plaque de verre est disposée perpendiculaire à l'axe 10, et la direction d'opacité croissance H de la quatrième plaque de verre est elle aussi perpendiculaire à l'axe X mais dans un sens opposé par rapport à la direction G. En regard de chacun des quatre composants 18 destinés à émettre un faisceau lumineux venant traverser les fenêtres correspondantes 19, sont disposés quatre composants 20 constituant des récepteurs de lumière qui traduisent l'intensité lumineuse reçue en un signal électrique lui-même transmis à un dispositif électronique non représenté permettant, en fonction des variations relatives des signaux reçus de ces quatre composants 20, de déterminer le déplacement radial du disque 10, ainsi que la direction angulaire de ce déplacement. La détermination de ces deux facteurs permet de déterminer la vitesse et la direction du déplacement d'un fluide agissant sur le capteur 3. Les quatre composants 20 sont reliés rigidement par rapport au boîtier 1 par l'intermédiare d'une pièce rigide 21. On peut prévoir que l'élément capteur 3 soit monté de façon amovible sur la tige 2, de façon à pouvoir le changer pour adapter ses dimensions aux caractéristiques du fluide dont on veut mesurer la vitesse. On peut aussi prévoir que l'élément capteur 3 puisse être réglé en position longitudinale sur la tige 2, de façon que son action induise sur la tige 2 un moment fléchissant compatible avec les limites de mesure. Le fait de prévoir que ltextrémité inférieure de la tige soit encastrée dans le fond 12 du boîtier 1 présente l'avantage d'une très grande simplicité et d'une très grande robustesse. Quant au dispositif à rotule permettant la liaison entre la partie supérieure 9 du boîtier et le point 8 de la tige 2, on constate que l'on peut adapter la raideur de la tige 2 et la distance capteur/rotule pour que les déplacements radiaux soient de faible amplitude, et pour limiter l'influence du couple d'adhérence de la rotule, ce qui rend le dispositif robuste et fiable. Le choix d'un système de mesure par voie optique permet d'amener la lumière aux composants 18 et de pouvoir capter les signaux optiques depuis les composants 20 par l'intermédiaire de fibres optiques pouvant s'étendre depuis le boîtier 1 jusqu'à un dispositif électronique disposé à un endroit éloigné de celui-ci Comme ces fibres optiques sont en un matériau isolant, la foudre tombant sur-le dispositif de mesure ne risque pas de détériorer les éléments électroniques qui sont disposés à l'autre extrémité des fibres optiques En outre on notera que, si l'emploi de faisceaux lumineux pour la mesure de déplacements est connu en lui-même, l'application dans un dispositif de mesure de la vitesse et de la direction du déplacement d'un fluide n'est rendue facile et fiable que parce que ce dispositif de mesure conforme à l'invention autorise la mesure d'un déplacement d'une pièce dans un plan, ce qui permet de disposer simplement chaque photoémetteur près du photorécepteur correspondant. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits à titre d'exemple. En particulier on peut imaginer, sans sortir du cadre de l'invention, tout autre dispositif mécanique permettant d'obtenir des liaisons entre le boîtier 1 et la tige 2 autorisant des déplacements angulaires qui permettent la transmission de la flexion de la tige 2 à l'intérieur du boîtier. On peut aussi envisager tout autre moyen d'amortissement des vibrations de la tige 2, soit au niveau du disque 10 soit à un autre niveau, et on peut enfin envisager tout autre mode de réalisation des détecteurs de déplacements du point P de la tige 2. On pourrait aussi utiliser d'autres types de détection optique, par exemple des systèmes numériques à comptage de franges. De même on notera que, théoriquement, dans le cas de fenêtres à gradient de transmission, deux fenêtres pourraient suffire. La présente invention pourra trouver des applications notamment dans les domaines suivants - mesure du vent, en particulier dans des conditions difficiles, par exemple en montagne où il existe des risques de givrage et de coups de foudre, - mesure dynamique d'effets de souffle (explosifs), - mesure de la vitesse de véhicules (aéronefs). REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de la vitesse et de la direction de déplacement d'un fluide comprenant un élément capteur (3) destiné à être exposé au fluide à mesurer et présentant un profil constant selon toutes les directions de déplacements possibles du fluide, caractérisé en ce qutil comprend un boîtier (1) dans lequel est montée une tige (2) susceptible de fléchir élastiquement et dont une partie (4) s'étend à l'extérieur du boîtier et comporte à son extrémité correspondante (5) l'élément capteur (3), cette tige (2) étant maintenue dans le boîtier en deux points (7, 8), le premier point (7) étant situé à l'extrémité de la tige opposée à celle (5) supportant l'élément capteur (3) et le deuxième point (8) étant situé entre les deux extrémités de la tige (2), en ce que le maintien de la tige (2) au deuxième point (8) est obtenu par une liaison de type rotule, et en ce qu'il comprend un dispositif de mesure (6) contenu dans le boîtier et permettant de déterminer l'amplitude et la direction du déplacement radial par rapport au boîtier d'un point particulier (P) de la tige provoqué par l'action du fluide sur l'élément capteur (3). 2 Dispositif de mesure selon la revendication 1, carac crise en ce que le maintien de la tige au premier point (7) est obtenu par une liaison de type encastrement. 3. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le maintien de la tige (2) au deuxième point (8) est obtenu par une liaison de type rotule autorisant en outre un libre déplacement longitudinal de la tige (2). 4. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit point particulier (P) de la tige au niveau duquel le dispositif de mesure (6) opère pour déterminer l'amplitude et la direction du déplacement radial par rapport au boîtier (1) est situé à l'intérieur du boîtier (1), à la position de la tige (2) prenant une flèche maximum pour toute action donnée au niveau du capteur (3), cette position correspondant à celle pour laquelle le point particulier (P) se déplace en conservant une orientation constante par rapport à l'axe (A) de la tige au repos. 5. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, au point particulier (P) est disposé un disque (10) dont le plan est perpendiculaire à l'axe longitudinal (A) de la tige (2) et concentrique à la tige (2). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une partie au moins de la périphérie du disque (10) est constituée d'un élément conducteur de telle sorte qu'elle peut être couplée à un corps magnétique (22) afin de réaliser un dispositif d'amortissement de vibration par courants de Foucault 7. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que'des éléments optiques émetteurs (18) et récepteurs (20) sont placés en regard de fenêtres (19) ménagées dans le disque (10) et permettent la détermination par voie optique de la position du disque (10) par rapport au boîtier (1) afin de déterminer les deux paramètres caractéristiques d'amplitude et de direction dudit déplacement radial. 8. Dispositif de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce que les éléments optiques émetteurs (18) et récep tueurs (20) sont reliés par l'intermédiaire de fibres optiques respectivement à un système d'émission et à un système de réception de lumière placés à l'extérieur du boîtier (1). 9. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les fenêtres comprennent des zones à atténuation optique variable. 10. Dispositif de mesure selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend quatre fenêtres.