Brevet FR2680572A1 — publié le 19930226

La présente invention concerne d'une façon générale les sondes de température de gaz en écoulement, et plus particulièrement une sonde de mesure de la température de l'air de sortie d'un compresseur à haute pression dans un moteur d'avion à réaction. Le problème classique rencontré dans ce type de mesure réside en ce que, du fait de la vitesse très élevée de l'air dans le conduit ou doit s'effectuer la mesure, il existe une différence importante entre la température statique de l'air et sa température totale, le rapport entre les deux étant fonction du nombre de Mach M (1,tempé- rature de récupération"). Généralement, la température effectivement mesurée par un tel capteur est une valeur intermédiaire entre la température statique et la température totale. Et pour convertir cette température mesurée en une valeur de température totale, il est nécessaire de connaître précisément la vitesse de l'écoulement. Pour éviter la nécessité de connaitre la vitesse, il est déjà connu d'effectuer une dérivation d'une faible partie de l'écoulement gazeux et de l'acheminer dans un étranglement dit col sonique situé entre un convergent et un divergent, et de placer un élément sensible à la température, tel qu'un thermocouple, à un emplacement proche du col, où le nombre de Mach de l'écoulement vaut 1. On a représenté sur la figure 1 une telle sonde de température connue. Elle comporte un col C de section circulaire situé entre un convergent CV et un divergent DV, définis dans un manchon approprié M. Un thermocouple T est placé au voisinage du col C, la soudure du thermocouple devant être située dans un plan de position axiale bien déterminée. Le thermocouple est positionné à l'extrémité d'une poutre en porte-à-faux P située axialement dans le divergent. Pour plus de détails quant à ce type de sonde, on se réfèrera à l'article "A Sonic-Flow Pyrometer for Measuring Gaz Temperatures, George T. Lalos, Research of the National Bureau of Standards, vol. 47, No. 3, Septembre 1951, article No. 2242, pages 179 et suivantes. Une telle sonde de température connue souffre cependant d'un certain nombre d'inconvénients. Tout d'abord, le nombre de Mach de l'écoulement varie relativement rapidement en fonction de la position axiale à laquelle on se place dans le convergent-divergent. Celà signifie que la qualité de la mesure demande une haute précision, difficile à obtenir, du positionnement de la soudure du thermocouple. Par ailleurs, du fait de coefficients de dilatation différents pour le manchon M dans lequel est formé le col et pour la poutre P, et/ou du fait que ces éléments sont exposés à des températures qui peuvent etre différentes, la position relative du thermocouple et du col peut varier de façon inacceptable lorsque la température du gaz varie. On peut rappeler ici à cet égard que, dans le cas ou une telle sonde est utilisée en sortie de compresseur de moteur à réaction, l'excursion de température de l'air peut atteindre 500"C. Par ailleurs, étant donné d'une part que la soudure du thermocouple est-conductrice de la chaleur et présente des dimensions non négligeables, et d'autre part qu' un thermocouple, dans ce genre d'application qui nécessite un très grand nombre d'heures de fonctionnement, doit comporter un blindage en acier ou autre, également conducteur de la chaleur par nécessité, la température de récupération n' est qu'une moyenne des températures du gaz au voisinage du thermocouple. Et lors de variations de températures précitées, la relation de correspondance entre la température exacte dans le plan où l'on souhaite effectuer la mesure, et la température moyenne effectivement mesurée, varie également. Enfin, étant donné le positionnement axial du thermocouple T, la poutre P doit présenter une section importante, qui vient pertuber à la fois l'écoulement en provoquant une diminution de la section de l'écoulement au niveau de son extrémité libre, et la répartition de la température, une conduction thermique indésirable s'établissant entre l'air situé dans le divergent et l'air au niveau du col. La présente invention vise à pallier ces inconvénients de la technique antérieure. Elle concerne à cet effet une sonde de mesure de la température d'un écoulement gazeux, du type comprenant au moins un moyen à convergent-divergent définissant un col et dans lequel une partie de l'écoulement est amené à circuler, et au moins un thermocouple placé dans le moyen à convergent-divergent, caractérisé en ce que le ou chaque thermocouple comprend une soudure à partir de laquelle s'étendent deux conducteurs de natures différentes, dans des directions opposées, et que le ou chaque thermocouple est encastré à ses extrémités perpendiculairement à l'axe de l'écoulement gazeux. Selon un mode de réalisation avantageux, le ou chaque thermocouple est situé dans un tube en matériau thermiquement conducteur s'étendant perpendiculairement à l'axe de l'écoulement gazeux dans le moyen à convergentdivergent au voisinage du col, ledit tube étant encastré à ses deux extrémités. De façon préférée, le tube est situé dans un plan radial légèrement en amont du col. D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation préférée de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1, déjà décrite, est une vue en coupe axiale schématique d'une sonde de température de la technique antérieure, - la figure 2 est une vue d'ensemble en coupe axiale partielle d'un module formant sonde de température selon l'invention, -la figure 3 est une vue en coupe axiale à échelle agrandie d'une partie de la sonde, - la figure 4 est une vue en coupe transversale selon la ligne IV-IV de la figure 3, et - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'un détail de la sonde de l'invention. En référence aux dessins, une sonde de température 100 selon l'invention comprend une bride de montage 102 équipée de trous 104 pour des vis de fixation contre une paroi d'un conduit dans lequel circule un écoulement gazeux dont on souhaite mesurer la température. Un corps 110 est solidaire de la bride 102. Il comprend une partie principale cylindrique 110a d'axe A définissant une cavité et dont une extrémité est ouverte. L'extrémité opposée communique avec un conduit de sortie 110b, également cylindrique mais d'axe perpendiculaire à A, définissant un passage de sortie 114 de la sonde. L'extrémité ouverte de la partie 110a est fermée de façon étanche par un couvercle 116, par exemple soudé. Au voisinage de cette extrémité fait saillie radialement vers l'extérieur un élément de raccord tubulaire 110c. Un passage d'entrée 134 s'étend radialement dans le corps 110 à partir de la cavité définie par la partie 110a, en traversant la bride 102. Ce passage est destiné à être aligné avec un perçage formé dans la paroi du conduit acheminant l'écoulement gazeux en vue de la mise en communication de la sonde avec celui-ci. Un premier manchon 120 est logé intimement dans la partie cylindrique 110a, en une position axiale bien déterminée, et définit en deux positions orientées axia lement de part et d'autre de l'axe central A du manchon, deux passages d'écoulement comportant chacun en succession, dans le sens de l'écoulement défini par la flêche F, un convergent tronconique 126, un col 128 de section circulaire et un divergent tronconique 124. Un second manchon 130 est également logé intimement dans la partie cylindrique 110a et fixé, par exemple par soudage, sur le premier manchon. Il présente une section axiale en forme de U de manière à définir une cavité 132 communiquant à la fois avec le passage d'entrée 134 et avec les entrées des deux convergents 126. Entre l'extrémité fermée du manchon 130, du côté opposé au manchon 120, et le couvercle 116, est définie une cavité 112 de raccordement électrique. De façon classique en soi, chaque convergent-divergent formé dans le manchon 120 a pour objet d'obtenir un écoulement sonique, en dérivation avec l'écoulement dont la température est à mesurer, avec un nombre de Mach égal à 1, de manière à pouvoir obtenir, par calculs appropriés, la température totale de l'écoulement en fonction de la température de récupération mesurée dans l'écoulement dérivé, dont le Mach est connu et stable. La présence de deux convergents-divergents, nécessitée classiquement dans le domaine aéronautique, n'est bien entendu aucunement limitative. Selon la présente invention, on prévoit dans chaque convergent-divergent un capteur de température sous la forme d'au moins un thermocouple (en l'espèce deux thermocouples pour les raisons de sécurité évoquées ci-dessus) qui a pour caractéristique essentielle d'être orienté perpendiculairement à l'axe de l'écoulement gazeux et encastré à ses deux extrémités, soit selon deux points d'encastrement symétriques d'un plan longitudinal passant par l'axe A. Le cas échéant chaque thermocouple peut être directement exposé dans le convergent-divergent et encastré à ses extrémités dans le manchon 120, de manière électriquement isolée. Toutefois de préférence, chaque thermocouple est reçu dans un blindage rigide s'étendant perpendiculairement à l'axe de l'écoulement gazeux dans chaque convergent-divergent, comme le montrent bien les figures 3 et 4 On utilise de façon préférée des thermocouples chromel-alumel, de type classique en soi. On trouve ainsi deux éléments de blindage 140, respectivement associés aux deux convergents-divergents, qui sont réalisés en l'espèce sous la forme de tubes d'acier de faible diamètre (typiquement de l'ordre de lmm) présentant une forme de U. Ces éléments sont encastrés dans des encoches formées de façon appropriée à la périphérie des manchons 120 et 130 et dans des canaux formés transversalement dans le manchon 120, comme le le montre la figure 4. Ils comportent chacun une partie centrale 140a située dans un canal transversal respectif et qui s'étend diamétralement dans le convergent associé 126, à proximité du col 128, et deux branches latérales 140b s'étendant parallèlement à l'axe A, dans lesdites encoches, entre les manchons 120, 130 et la paroi cylindrique de la partie 110a du corps 110. Les extrémités libres des branches 140b débordent légèrement dans la cavité 112. En référence plus particulièrement aux figures 4 et 5, chaque thermocouple associé à un convergent- divergent comprend une soudure, respectivement 150, 150', entre un conducteur chromel, respectivement 152, 152', et un conducteur alumel, respectivement 154, 154'. Les soudures 150, 150' sont positionnées aussi précisément que possible sur les axes respectifs des deux convergents-divergents. Les conducteurs 152, 152' et 154, 154' sortent des extrémités libres des branches latérales respectives 140b des éléments de blindage dans la cavité 112, o; ils sont soudés, respectivement en 160, 162 sur des conducteurs de plus forte section 156, 158 reliés à un appareillage de mesure approprié en sortant de la sonde par le raccord 110c. Bien entendu les conducteurs 156, 158 sont munis d'isolants, par exemple isolants minéraux, et de gainages (non représentés) de façon classique en soi. De même, entre les éléments de blindage en tube d'acier 140 et les conducteurs chromel-alumel des thermocouples est prévu, également classiquement, une isolation en magnésie compactée, indiquée par la référence 151. Comme on l'observe en particulier sur la figure 3, les thermocouples sont situés de préférence légèrement en amont des cols 128, cette disposition étant toutefois facultative. L'avantage d'une telle disposition amont est que la section du convergent est à cet endroit plus importante que dans le col, ce qui permet de diminuer l'effet parasite de réduction de section (à savoir l'augmentation du gradient de nombre de Mach) dû à la présence des blindages 140a. La présente invention présente de nombreux autres avantages: a) du fait que le thermocouple est encastré à ses deux extrémités dans les parois du convergent-divergent, il occupe une position parfaitement déterminée dans ledit convergent-divergent; en particulier, en étant orienté dans un plan radial du convergent-divergent, où les gradients de température sont les plus faibles, on augmente la précision de la mesure; en outre, on minimise les décalages, selon l'axe du convergent-divergent entre la position réelle du thermocouple et sa position théorique dûs à la dilatation lors de variations importantes de la température de l'écoulement soumis à la mesure; la mesure est donc de meilleure qualité tant en régime statique qu'en régime dynamique; b)du fait que la poutre en porte-à-faux de la technique antérieure est supprimée, et qu'il suffit de prévoir dans le manchon 120 les perçages appropriés, la fabrication de la sonde en est simplifiée et moins coûteuse; c) du fait que les conducteurs chromel et alumel, en partant de la soudure 150 ou 150', n'empruntent pas le même trajet mais des trajets diamétralement opposés, on peut diminuer le diamètre du tube de blindage 140; dans le présent exemple à double thermocouple, le tube ne doit acheminer que deux conducteurs alors que, dans le cas de la technique antérieure, la poutre en porte-à-faux devrait acheminer quatre conducteurs; concrètement, on minimise ainsi la perturbation de l'écoulement dans les convergents-divergents par les tubes de blindage; on minimise également la perturbation de la mesure de température due à des phénomènes de conduction thermique le long du blindage; le temps de réponse, du fait de la diminution de l'inertie thermique, est également considérblement diminué; la réduction de section du tube de blindage est également permise par le fait que la partie de tube 140a s'étend sur une distance très courte entre deux régions encastrées, avec en conséquence des conditions beaucoup moins sévères en matière de résistance mécanique; En pratique, on peut utiliser des tubes d'acier d'un diamètre extérieur compris entre environ 0,6 et 1 mm; d) du fait de l'orientation radiale de la partie de blindage 140a et du fait qu'elle s'étend dans les limites du convergent 126 en étant nettement plus courte que la poutre en porte-à-faux de la technique antérieure, le thermocouple blindé est assujetti au gaz dans des limites de température beaucoup plus étroites de celui-ci (par opposition aux écarts de température importants le long de la poutre en porte-à-faux de la figure 1), et la précision de la mesure en est sensiblement améliorée;; e) du fait que, comme indiqué plus haut, les conducteurs chromel et alumel partent de la soudure 150 dans deux directions opposées, une opération de rétreint (compactage de l'isolant en magnésie), peut être effectuée en réalisant une construction qui résiste à l'écrasement, et la magnésie compactée peut sans inconvénient recouvrir la ou les soudures et prolonger ainsi leur durée de vie; f) lorsque, comme dans l'exemple décrit, on utilise deux thermocouples dans chaque partie de blindage 140a, on peut décaler les deux soudures 150, 150' l'une par rapport à l'autre (en vue de minimiser les surépaisseurs) sans induire de diminution de la précision de la mesure; en particulier, alors que dans l'art antérieur, un tel décalage s'effectuait selon l'axe du convergent-divergent associé, avec en conséquence un écart important entre les mesures données par les deux thermocouples, un tel décalage s'effectue avec la construction de la présente invention dans un plan perpendiculaire audit axe, ou les gradients de température sont minimes; g) enfin on notera que les conducteurs chromel et alumel au niveau de leur sortie des branches 140b du blindage, sont à chaque fois de même type et peuvent être soudés sur le même conducteur 156 ou 158, ils n'ont donc pas à être écartés l'un de l'autre au niveau de ladite sortie, et le risque de rupture ou de fragilisation de ceux-ci est minimisé. Bien entendu, la présente invention n' est nullement limitée à la forme de réalisation décrite ci-dessus et représentée sur les dessins, mais l'homme de l'art saura y apporter toute variante ou modification conforme à son esprit. REVENDICATIONS 1. Sonde de mesure de la température d'un écoulement gazeux, du type comprenant au moins un moyen à convergent-divergent (126, 124) définissant un col (128) et dans lequel une partie de l'écoulement est amené à circuler, et au moins un thermocouple (150, 152, 154, 150', 152', 154') placé dans le moyen à convergent-divergent, caractérisée en ce que le ou chaque thermocouple comprend une soudure à partir de laquelle s'étendent deux conducteurs (152, 152'; 154, 154') de natures différentes, dans des directions opposées, et que le ou chaque thermocouple est encastré à ses deux extrémités perpendiculairement à l'axe de l'écoulement gazeux. 2. Sonde selon la revendication 1 caractérisée en ce que le ou chaque thermocouple (150, 150') est directement exposé dans le convergent-divergent et encastré à ses extrémités. 3. Sonde selon la revendication 1 caractérisée en ce que le ou chaque thermocouple est situé dans un tube (140a) en matériau thermiquement conducteur s'étendant perpendiculairement à l'axe de l'écoulement gazeux dans le moyen à convergent-divergent, au voisinage du col, ledit tube (140a) étant encastré à ses deux extrémités. 4. Sonde selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le thermocouple est situé dans le convergent (126), légèrement en amont du col (128). 5. Sonde selon la revendication 3, caractérisée en ce que le tube (140a) fait partie d'un tube de blindage (140). 6. Sonde selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce qu'il est prévu dans le tube deux thermocouples identiques en parallèle, les conducteurs de même nature (152, 152'; 154, 154') de chaque thermocouple s'étendant dans la même direction. 7. Sonde selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisée en ce que le ou chaque convergent-divergent (126, 124) est situé dans un manchon (120, 130) logé dans un corps cylindrique (110a) et en ce que le ou chaque tube présente une forme de "U", dont la partie centrale (140a) s'étend diaméralement dans le convergent-divergent et dont deux branches latérales (140b) s'étendent entre ledit manchon et ledit corps jusque dans une cavité de connexion électrique (112) définie par ledit corps.