Brevet FR2656102A1 — publié le 19910621

DISPOSITIF DE MESURE DE PARAMETRES CINEMATIQUES REPRESEN TATIFS DE LA VITESSE D'UN CORPS PAR RAPPORT A UN LIQUIDE DANS LEQUEL IL EST IMMERGE La présente invention concerne, d'une façon générale, un dispositif de mesure de paramètres cinématiques représentatifs de la vitesse relative d'un corps par rapport à un liquide dans lequel il est immergé. Le corps peut être fixe, auquel cas il sera destiné par exemple à mesurer la direction et la vitesse des courants sous-marins, ou d'autres paramètres. Le plus souvent, il s'agira cependant d'un mobile immergé, par exemple un sous-marin, un sonar ou une bouée, auquel cas les paramètres en question pourront être ses composantes de vitesse (son assiette), sa vitesse d'immersion, et éventuellement tous autres paramètres représentatifs de son déplacement. On connait déjà un dispositif dans lequel le module de la vitesse est mesuré par un débitmètre placé dans un "venturi" pour augmenter sa précision. Lors de déplacements angulaires importants, cet équipement ne permet qu'une mesure approchée du module de la vitesse, compte tenu de l'influence de l'incidence et du dérapage sur le coefficient de tarage du dispositif. Il convient donc de procéder à un étalonnage de ce dispositif en fonction des positions angulaires d'incidence et de dérapage du mobile, par exemple dans un domaine d'angles de -30" à +30 . L'ensemble des mesures réalisées en soufflerie aérodynamique a démontré que son utilisation rationnelle implique la connaissance simultanée par tout autre moyen de la direction du vecteur vitesse. Pour le domaine des petits angles (-10" à +100), l'incertitude sur l'évaluation du module de la vitesse est d'au moins 15 %. Par ailleurs, il n'existe pas actuellement d'équipement opérationnel pour la mesure très précise des composantes de vitesse pour les corps immergés ou éventuellement pour les navires de surface. La précision des lochs électromagnétiques et des girouettes connus n'est pas suffisante. Or, il est primordial, pour pouvoir ajuster les coefficients hydrodynamiques à partir des résultats d'un modèle libre en essai, de mesurer avec une très bonne précision les composantes de la vitesse. Le but de la présente invention est donc de résoudre les problèmes actuels dans ce domaine de la technique et, pour ce faire, le principe essentiel d'un dispositif conforme à l'invention est basé d'une part sur l'utilisation d'un ensemble de capteurs de pression diversement orientés, pour mesurer les différentes composantes de la vitesse relative entre ledit corps et le milieu dans lequel il est immergé, et d'autre part sur une compensation de la pression hydrostatique, pour que lesdits capteurs de pression ne soient soumis chacun essentiellement qu'à une pression différentielle dynamique représentative d'une composante de vitesse. Un dispositif de mesure conforme à l'invention, du type général défini au début, se caractérise donc essentiellement en ce qu'il comporte une sonde montée sur ledit corps immergé et portant sur sa face avant profilée un ensemble de capteurs de pression différentielle diversement orientés sur ladite face, ces capteurs étant reliés, d'une part électriquement, à des moyens électroniques de mesure et de calcul propres à déterminer les différentes composantes de la vitesse dudit corps par rapport au liquide dans lequel il est immergé, et d'autre part, par des conduites de fluide, à un organe mécanique de contrepression assurant la compensation automatique de la pression hydrostatique dudit liquide. En variante, la face avant profilée portant les capteurs de pression est montée directement sur le corp immergé. On voit que le principe de mesure de vitesse selon l'invention est basé sur la détermination des composantes de la vitesse à partir des mesures des pressions pariétales, et ceci de préférence sur un corps de géométrie simple, la face avant de la sonde étant préférentiellement sphérique, cylindrique ou conique. On sait que la pression d'arrêt moins la pression statique donne la pression cinétique et permet de déterminer le module de la vitesse, et que, par exemple, la mesure de quatre pressions ou plus permet d'obtenir les trois composantes de la vitesse. La différence des pressions entre une prise haute et une prise basse est par ailleurs pratiquement proportionnelle à l'incidence. Les opérations permettant de calculer à partir des pressions les composantes du vecteur vitesse, ainsi que toutes les données faisant intervenir une vitesse, telles que celles qui viennent d'être évoquées, font intervenir des formules bien connues en hydraulique, telles que la formule de Bernoulli, et n'ont pas besoin d'être rappelées ici. Avantageusement, ladite face avant de la sonde est en forme de calotte sphérique, les capteurs étant disposés sur cette surface avec une symétrie par rapport à l'axe de révolution de ladite face. La forme en calotte sphérique permet de maximiser les différences des pressions mesurées par les capteurs respectifs à une incidence donnée. Vis-à-vis de la sensibilité, un corps avant de forme sphérique donne les meilleurs résultats du point de vue des gradients de pression. Par contre, le module de la vitesse a un effet important sur les caractéristiques de l'écoulement sur une sonde sphérique à cause des effets du nombre de Reynolds qui change le type d'écoulement. La sonde intègre une disposition connue qui consiste à fixer le point de décollement par un épaulement ou une discontinuité.Selon l'invention, la calotte sphérique est tronquée, son diamètre est supérieur au diamètre moyen du corp de la sonde, le demi-angle au centre étant sensiblement égal à 63". On évite ainsi tout décollement de l'écoulement sur la sonde pour des angles d'incidence et/ou de dérapage dans la plage -20 à +20 , l'angle de décollement atteignant environ 83" en laminaire sur une sphère. Par ailleurs, cette disposition permet d'optimiserr de façon notable le rapport signal/bruit en réduisant les fluctuations de la pression pariétale liées aux instabilités d'un point de décollement libre. Quant aux capteurs, leur axe fera de préférence un angle sensiblement égal à 450 avec l'axe de la sonde, c'est-à-dire l'axe de révolution de la calotte sphérique, ceci pour obtenir la sensibilité maximale. La méthode de traitement des mesures permet de toute façon une certaine liberté dans le choix de la position des capteurs de pression. Pour ce qui est du nombre de capteurs, il pourrait théoriquement être réduit à cinq, mais il sera avantageux de prévoir que la sonde est munie d'un capteur de pression central - à l'avant et sur l'axe de la calotte sphérique et de huit capteurs "périphériques" angulairement équidistants, répartis sur un cône coaxial de 90" d'ouverture. Cela présente plusieurs avantages. Tout d'abord, la moyenne des pressions mesurées par ces neuf capteurs pourra remplacer dans les calculs la pression hydrostatique, qui n'est pas connue, puisque l'on utilise des capteurs de pression différentiels. En effet, on démontre théoriquement que la moyenne d'une répartition uniforme sur un cône de prises de pression est quasi-indépendante de la direction de la vitesse. Par suite, les composantes du vecteur vitesse s'obtiennent facilement par interpolation des abaques d'étalonnage. Par ailleurs, la redondance des prises de pression (neuf au lieu de cinq) permet de calculer les composantes de vitesse les plus probables, et également de les obtenir encore correctement si l'un des capteurs de pression est momentanément défaillant en raison du passage d'une bulle d'air sur sa face active par exemple, ce qui peut être détecté et compensé par le calcul. Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdits capteurs de pression sont disposés de sorte que leur membrane recevant la pression extérieure affleure la paroi de ladite face avant de la sonde. De la sorte, on évite la présence de bulles d'air sur cette membrane, ce qui se produirait si elle était en retrait, et ce qui fausserait les mesures. Un autre aspect important de l'invention concerne la compensation automatique de la pression hydrostatique. La résolution de ce problème est indispensable en particulier pour les sous-marins ou autres corps susceptibles d'être immergés à de grandes profondeurs, surtout si l'on veut obtenir des mesures de pression à 0,2 mbar près (2 mm d'eau) alors que la pression hydrostatique peut varier dans ces applications de 1 à 21 bars, pour une immersion maximale de 200 mètres. L'idée de l'invention, sous cet aspect, est d'utiliser un moyen mécanique élémentaire pour créer une contre-pression sur les capteurs différentiels et résoudre ainsi le problème des fortes variations de la pression hydrostatique. Comme il n'existe pas de capteurs de pression miniatures eau-eau adaptés, il faut une contrepression à l'air sec. Le produit P.V de l'air est constant à température constante; pour passer de 1 à 21 bars il faut donc un taux de compression de 20. Selon une autre caractéristique de l'invention, permettant de résoudre ce problème, le dispositif de mesure pourra encore être caractérisé en ce que ledit organe mécanique de contre-pression est une capsule déformable ou un soufflet à très faible rigidité, dont la surface extérieure est soumise à la pression hydrostatique et dont le volume intérieur, rempli d'air, est en liaison, par lesdites conduites de fluide, avec lesdits capteurs. De préférence, on utilisera un soufflet métallique à très faible rigidité, ceci pour que la différence des pressions à l'extérieur et à l'intérieur du soufflet soit la plus faible possible. Pour ce faire, les flasques soudés constituant le soufflet sont de très faible épaisseur et de diamètre relativement grand. Pour obtenir encore une compensation automatique de la pression hydrostatique aux plus grandes profondeurs (dépassant 200 m), on peut encore adopter un dispositif de mesure caractérisé en ce que de l'air sous pression est introduit dans le soufflet de sorte que pour une pression hydrostatique extérieure nulle, il soit déjà soumis à une pression interne notablement supérieure à la pression atmosphérique. Ainsi, en mettant au montage la pression interne du soufflet à 2 bars, on conçoit que l'on pourra compenser la pression hydrostatique jusqu'à une profondeur de 400 m au lieu de 200. Pour les très grandes profondeurs, on pourrait envisager également un dispositif dans lequel ledit organe mécanique de contre-pression est constitué par une membrane élastique séparant l'eau sous pression hydrostatique d'une masse d'huile neutre, dégazée en liaison avec lesdits capteurs de pression. Deux modes d'exécution de l'invention vont maintenant être décrits à titre d'exemples nullement limitatifs, avec référence aux figures du dessin annexé dans lequel - la figure 1 représente une vue en coupe axiale de la sonde d'un dispositif de mesure compact conforme à un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure la est une vue en coupe à échelle réduite de la calotte sphérique de la sonde, montrant le positionnement des capteurs de pression; et - la figure 2 représente en coupe axiale la sonde d'un dispositif de mesure, représentée à échelle plus grande que le reste du dessin et reliée par une perche au corps immergé, et conforme à un second mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, la calotte sphérique de la sonde 22 se présente sous la forme d'une ogive 1 dont le demiangle au centre est de 63" et qui est fixée par un ensemble de vis 2 sur un corps cylindrique 3 monté dans le mobile immergé. Un pion de centrage, non représenté, permet de fixer l'ogive dans la position angulaire correcte par rapport au corps 3. Dans ce corps 3 est montée une enveloppe cylindrique 4 contenant un soufflet métallique 5 et qui est soudée en bout sur un flasque de fermeture 6 traversé axialement et radialement par des passages, respectivement 7 et 8, permettant la mise en communication de l'intérieur de l'enveloppe 4 avec l'eau du milieu sous pression hydrostatique. Le soufflet est avantageusement constitué par un assemblage de coquilles métalliques circulaires de faible épaisseur percées au centre et soudées à l'arc.L'axe de l'enveloppe 4 et de son soufflet 5 est légèrement décalé par rapport à l'axe du corps 3, de sorte qu'entre les deux est ménagé un passage 9 pour le câblage (non représenté) assurant la liaison entre les capteurs de pression et les circuits électroniques de mesure, extérieurs à la sonde. A l'extrémité opposée au flasque 6, l'enveloppe 4 est fermée de façon étanche par un couvercle vissé 10, lequel retient, également par l'intermédiaire de vis, un flasque 11 sur lequel est soudé en bout un piston revêtu de téflon 12 pénétrant dans l'extrémité du soufflet 5 et la guidant, l'autre extrémité du soufflet étant obturée par une plaque 13 isolant de façon étanche son volume intérieur - rempli d'air - du milieu extérieur, à savoir de l'eau sous pression hydrostatique. Le rôle du piston 12 est de réduire le volume mort à l'intérieur du soufflet - ce qui permet d'obtenir le taux de compression voulu - et le fait qu'il soit téflonné, comme la surface interne de la chambre 4, facilite le glissement du soufflet lors des variations de la pression hydrostatique; on obtient de la sorte un système mécanique de compensation automatique de la pression hydrostatique extrêmement sensible. Les capteurs de pression différentielle, au nombre de 9, ont été référencés en 14. Leur plage de fonctionnement normal peut être, par exemple, de l'ordre de 175 mbars, la pression différentielle maximale à mesurer étant environ de 100 mbars. Ils sont étalonnés individuellement en présence de leur équipement électronique pour parvenir à une précision de 0,2 mbar. Ils peuvent être individuellement compensés en température jusqu'à 30"C, si besoin est. Les signaux électriques correspondant aux s p nuls (zeros électriques) sont mesurés à la vitesse nulle précédant les essais. Chaque capteur est muni d'une alimentation stabilisée et d'un amplificateur qui est situé à proximité pour éviter d'éventuels parasites. Les signaux entre + et - 1 volt sont transmis à une centrale d'acquisition à distance. Il pourra s'agir par exemple de capteurs de pression de grande précision (de l'ordre de t 0,06 t) à double membrane, dont la membrane extérieure affleurante sera en inox ou en silicium. Pour pouvoir être interchangeables, ces capteurs 14 sont montés dans des boîtiers 15. Une rondelle 16 ajustée au montage leur permet d'être exactement affleurants. Ces capteurs sont montés de l'intérieur, faute de quoi il pourrait y avoir une perturbation des écoulements à leur voisinage. Il y a lieu de noter en outre que les capteurs 14 sont montés légèrement coulissants dans leur logement pour que leur membrane ne soit pas précontrainte au montage. En 17, on a représenté les conduites de fluide compensateur - en l'occurrence d'air comprimé - reliant les capteurs 14 à l'espace interne du soufflet 5. Ces conduites 17 aboutissent à une cavité 18 du piston 12, dans laquelle débouche un passage axial traversant 19 du piston. La cavité 18 est obturée par un bouchon déjà fixé par des vis sur l'extrémité du piston 12. La membrane des capteurs 14 intègre un pont de jauges équilibré, alimenté par une tension stabilisée. La compensation en température est assurée pour un câble blindé (non représenté) reliant chaque capteur aux circuits intégrés de compensation, référencés en 21. Un filtre passe-bas permet d'éliminer les vibrations sans nuire aux mesures, les variations de vitesse étant lentes. Le mode de réalisation de la figure 2 met en oeuvre les mêmes principes généraux de l'invention, mais avec une sonde 22 dont les dimensions peuvent être beaucoup plus réduites, reliée au mobile immergé 23 par une perche 24, ce qui permet de minimiser l'influence de la sonde, en particulier sur les efforts et les moments hydrodynamiques. Sur la figure 2, par ailleurs, on a utilisé dans la mesure du possible les mêmes références que sur la figure 1 pour désigner les organes ou parties analogues ou jouant le même rôle que dans le mode de réalisation de la figure 1. On voit que dans le mode de réalisation de la figure 2, le soufflet 5 est monté dans une enveloppe cylindrique 4 directement ouverte au liquide sous pression hydrostatique, qui occupe l'espace référencé 25 dans le corps immergé 23. La perche 24 est traversée par les câbles blindés (non représentés) assurant la liaison entre l'électronique et les capteurs de pression différentielle 14, ainsi que par une conduite de fluide 17 reliant ces derniers, pour la compensation automatique de la pression hydrostatique, à l'espace interne du soufflet 5. La conduite 17 aboutit à un distributeur 26 disposé dans la sonde à proximité des capteurs pour limiter le volume mort. Ce distributeur est relié aux capteurs 14 par des tubes semi-rigides 27, de sorte que la calotte sphérique 1, fixée à l'extrémité de la perche 24 par des vis, peut être démontée. Le compensateur de température est monté également à l'extrémité de la perche, et a été référencé en 28; il est relié aux différents capteurs par un câble tel que 29. On peut noter aussi que dans ce mode de réalisation, la sonde étant de dimensions beaucoup plus réduites que dans le mode de réalisation de la figure 1, l'angle entre l'axe des capteurs 14 et l'axe de symétrie de la sonde peut être un peu plus ouvert que dans le cas précédent, et être, par exemple, de 47 , ce qui permet d'obtenir l'espacement voulu entre les capteurs, comptetenu de leur encombrement. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de paramètres cinématiques représentatifs de la vitesse d'un corps par rapport à un liquide dans lequel il est immergé, caractérisé en ce qu'il comporte une sonde (22) montée sur ledit corps immergé et portant sur sa face avant profilée (1) un ensemble de capteurs de pression différentielle (14) diversement orientés sur ladite face, ces capteurs (14) étant reliés, d'une part électriquement, à des moyens électroniques de mesure et de calcul propres à déterminer les différentes composantes de la vitesse dudit corps par rapport au liquide dans lequel il est immergé, et d'autre part, par des conduites (17) de fluide, à un organe mécanique (5) de contre-pression assurant la compensation automatique de la pression hydrostatique dudit liquide. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite face avant (1) de la sonde est en forme de calotte sphérique, les capteurs (14) étant disposés sur cette surface avec une symétrie par rapport à l'axe de révolution de ladite face. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite calotte sphérique (1) est tronquée et son demi-angle au centre est sensiblement égal à 63". 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la répartition des capteurs de pression (14) sur la calotte (1) est telle que leur axe fait un angle sensiblement égal à 45" avec l'axe de la sonde, c'est-à-dire l'axe de révolution de la calotte sphérique. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la sonde est munie d'un capteur de pression central - à l'avant et sur l'axe de la calotte sphérique - et de huit capteurs "périphé- riques" angulairement équidistants, répartis sur un cône coaxial de 90" d'ouverture. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits capteurs de pression sont disposés de sorte que leur membrane recevant la pression extérieure affleure la paroi de ladite face avant de la sonde. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit organe mécanique (5) de contre-pression est un soufflet à très faible rigidité, dont la surface extérieure est soumise à la pression hydrostatique et dont le volume intérieur, rempli d'air, est en liaison, par lesdites conduites de fluide (17), avec lesdits capteurs (14). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que de l'air sous pression est introduit dans le soufflet (5) de sorte que pour une pression hydrostatique extérieure nulle, il soit déjà soumis à une pression interne notablement supérieure à la pression atmosphérique. 9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que ledit soufflet (5) est constitué par un assemblage de coquilles métalliques circulaires de faible épaisseur percées au centre et soudées. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que ledit soufflet (5) est monté dans une enveloppe cylindrique coaxiale (4), à surface interne pourvue d'un revêtement anti-friction. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'un piston (12) est engagé axialement dans le soufflet (5) pour la réduction du volume mort à l'intérieur de ce dernier, 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit organe mécanique de contre-pression est constitué par une membrane élastique séparant l'eau sous pression hydrostatique d'une masse d'huile dégazée en liaison avec lesdits capteurs de pression. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits capteurs de pression différentielle (14) sont du type à membrane intégrant un pont de jauges équilibré alimenté sous tension régulée et relié par un câblage de faible longueur à des compensateurs de température. 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le signal fourni par le pont est filtré par un filtre passe-bas.