Brevet FR2714482A1 — publié le 19950630

DISPOSITIF DE SIMULATION D'UN ECOULEMENT D'UN FLUIDE POUR LE CALIBRAGE D'UNE CHAINE DE VELOCIMETRIE LASER DESCRIPTION Domaine technique L'invention concerne un dispositif de simulation d'un écoulement d'un fluide pour le calibrage d'une chaîne de vélocimétrie laser permettant de mesurer la vitesse d'écoulement d'un fluide, et également un dispositif de calibrage de la chaîne de vélocimétrie. Etat de la technique antérieure Pour éliminer les perturbations introduites dans l'écoulement d'un fluide par l'utilisation de moyens classiques de mesure de la vitesse d'écoulement du fluide tels que les tubes de Pitot ou les dispositifs à fil chaud, on utilise de plus en plus des vélocimètres à faisceau laser. Les appareils de mesure de vitesse d'écoulement par faisceau laser permettent non seulement de ne pas perturber l'écoulement, mais autorisent aussi des mesures dans des régions d'écoulement habituellement inaccessibles. Par exemple, il est possible, à travers des hublots transparents, de mesurer la vitesse d'écoulement d'un fluide à proximité d'une paroi de la conduite qui canalise l'écoulement. Les chaînes de vélocimétrie comportent en général des organes optiques, une unité électronique de traitement du signal et une partie d'exploitation informatique des résultats de mesure. Tous ces éléments forment un ensemble nécessitant une mise au point fine et des réglages complexes pour établir des mesures précises. Les chaînes de vélocimétrie courantes possèdent en effet un certain nombre de paramètres réglables pour correspondre à différentes applications de mesure. Les estimations des incertitudes de mesure de ces appareils fournies par le constructeur étant bien souvent insuffisantes, il convient de procéder à un étalonnage et/ou à un réglage des paramètres de l'appareil. Pour des appareils fonctionnant sur des écoulements connus tels que les écoulements autour d'un cylindre en confinement infini, ou des écoulements modélisables par calcul, le réglage et le calibrage du vélocimètre sont obtenus simplement en confrontant les résultats expérimentaux de mesure et le calcul théorique. Par contre, pour obtenir une grande précision de mesure pour un écoulement inconnu, il est nécessaire de se référer à un dispositif de simulation d'écoulement parfaitement connu pour optimiser les réglages du vélocimètre. Les appareils de calibrage connus, permettant de simuler un écoulement, peuvent être classés principalement en deux catégories correspondant au fonctionnement des vélocimètres. Les vélocimètres d'une première catégorie émettent deux faisceaux lasers qui interfèrent dans une zone de mesure. Le passage d'une particule d'un fluide dans un réseau de franges de la région d'interférence permet de calculer la vitesse ce cette particule. Cette technique sera développée plus en détail dans la suite de la description. Les dispositifs de simulation comportent par exemple une surface rugueuse ou de fins fils montés sur un disque en rotation et passant dans la région d'interférence pour simuler des particules du fluide. Le brevet américain US-4 600 301 illustre un tel appareil de calibrage. L'appareil décrit comporte des fils tendus sur un disque selon des rayons, le disque étant entraîné en rotation par un moteur pour faire défiler les fils dans la zone de mesure. Ce brevet cite aussi un dispositif comprenant une surface rugueuse sur un disque rotatif simulant le passage de petites particules dans la zone de mesure. Une seconde catégorie de vélocimètres, n'émettant qu'un seul faisceau, fonctionne par effet Doppler, c'est-à-dire par mesure du décalage entre la fréquence d'amission et la fréquence de réception, ce décalage étant provoqué par la vitesse par exemple d'une particule. Comme l'illustre, par exemple, le brevet américain US 4 176 950, le dispositif comporte une chaîne de vélocimétrie émettant un seul faisceau laser qui parcourt un chemin optique entre l'émetteur et un miroir de réflexion. Sur ce chemin optique est placé un bloc de matériau transparent à la lumière laser et monté sur l'arbre d'un moteur. La mise en rotation du moteur et du bloc provoque une modification périodique et continue du chemin optique qui permet de déceler la fréquence de réception et de simuler un écoulement et qui peut être mise à profit pour étalonner la chaîne. Les dispositifs de calibrage de vélocimètres de la première catégorie, fonctionnant sur un principe d'interférence, ne permettent pas de rendre compte des conditions d'un écoulement réel. En effet, le volume de mesure tridimensionnel défini par l'intersection des faisceaux interférants est intercepté par une surface rugueuse ou par un fil qui s'étend dans un plan bidimensionnel. Ainsi, seul un plan du volume de mesure est actif. Ces dispositifs sont incompatibles avec certaines méthodes de détection de "bouffées Doppler" (dans lesquelles on tient compte d'une multiplication instantanée du nombre d'événements mesurés). De plus, les dispositifs présentant un organe de simulation équipé d'une surface rugueuse conduisent à une rapide saturation des photomultiplicateurs dont sont généralement équipées les chaînes de vélocimétrie, car une surface rugueuse représente en quelque sorte un milieu continu avec une concentration importante de particules de mesure. Les dispositifs de calibrage de la seconde catégorie sont à ce titre mieux adaptés dans la mesure o ils permettent de s'affranchir de la simulation physique de particules. Les dispositifs de simulation permettent au mieux de rendre compte d'écoulements avec des vitesses répondant à une loi sinusoïdale. De plus, les dispositifs décrits précédemment, comportant un bloc transparent en rotation dans le chemin optique du faisceau laser, ne permettent pas de simuler un écoulement autre qu'un écoulement à vitesse moyenne nulle. Or, pour calibrer de manière précise le vélocimètre, il est nécessaire de se référer à une simulation d'écoulement la plus proche possible d'un écoulement réel. Les écoulements réels se caractérisent en général par une vitesse moyenne non nulle et par une distribution statistique de vitesses autour de la vitesse moyenne. Tel est le cas, en particulier, des écoulements turbulents. Un objet de la présente invention est justement de fournir un dispositif de simulation et un dispositif de calibrage de vélocimètres qui ne présente pas les inconvénients ou les limitations des dispositifs connus décrits plus haut, et qui permettent de calibrer les vélocimètres avec une très grande précision, en simulant un écoulement réel quelconque, et en particulier un écoulement turbulent. Exposé de l'invention L'invention concerne à cet effet, un dispositif de simulation d'un écoulement de fluide pour le calibrage d'une chaîne de vélocimétrie à faisceau laser, comportant un organe mobile de simulation d'un écoulement d'un fluide, interceptant au moins un faisceau laser de la chaîne de vélocimétrie et des moyens de mise en mouvement de l'organe mobile. Selon l'invention, le dispositif comprend en outre des moyens de pilotage des moyens de mise en mouvement pour appliquer à l'organe de simulation un mouvement avec une vitesse variable selon une distribution de vitesses qui est choisie par l'opérateur. On entend par vitesse variable une vitesse qui est susceptible de prendre différentes valeurs au cours du temps. Le passage d'une valeur à une autre valeur de la vitesse peut être continu ou quasi-discontinu. Grâce à l'invention, il est possible de simuler différents écoulements et donc de régler dans chaque cas la chaîne de vélocimétrie de façon optimale. Dans le cas particulier d'un écoulement parfaitement laminaire à vitesse constante et uniforme, la distribution des vitesses se résume à une seule vitesse qui est celle de l'écoulement. A l'inverse, pour un écoulement turbulent, qui par ailleurs est plus représentatif de nombre d'écoulements réels, la distribution de vitesse sera de préférence une distribution statistique du type gaussien. A ce moment, la vitesse du mouvement varie de façon aléatoire au cours du temps. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le dispositif comporte des moyens de programmation d'un ou préférentiellement de plusieurs paramètres caractéristiques de la distribution des vitesses, de manière à pouvoir conformer cette distribution de vitesses avec la distribution des vitesses de l'écoulement réel qui est simulé. En particulier, les paramètres peuvent être la vitesse moyenne, l'écarttype, la symétrie de la distribution et l'aplatissement. Selon un autre aspect de l'invention, les moyens de pilotage peuvent comporter une unité de calcul programmable délivrant aux moyens de mise en mouvement des signaux de commande de vitesse. L'unité de calcul est programmée en tenant compte des paramètres de la distribution choisis par l'utilisateur. Par ailleurs, des moyens d'asservissement comportant un codeur optique de mesure de la vitesse de l'organe mobile peuvent être prévus afin de piloter avec plus de précision le mouvement de l'organe mobile. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, l'organe mobile est réalisé en un matériau transparent ensemencé de particules opaques. L'organe peut avoir de plus une forme de cylindre droit à base circulaire qui peut être entraîné en rotation sur un arbre, autour d'un axe de rotation perpendiculaire à la base du cylindre. Lorsque l'organe mobile est mis en mouvement, les particules simulent l'écoulement du fluide. La chaîne de vélocimétrie émet une ou plusieurs paires de faisceaux laser qui interfèrent en une ou plusieurs zones de mesures coïncidant avec une région du cylindre située à une distance déterminée de l'axe de rotation de l'organe mobile. La présente invention concerne également un dispositif de calibrage d'une chaîne de vélocimétrie laser comprenant un dispositif de simulation conforme à l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de mesure directe de la vitesse de l'organe mobile et des moyens d'analyse de ces mesures prévus pour calculer une distribution de vitesses directement mesurées de l'écoulement simulé. On entend par mesures directes de vitesses, des mesures de vitesses qui sont obtenues par d'autres moyens que le vélocimètre. Ce dispositif de calibrage permet de comparer les vitesses établies par les mesures de la chaîne de vélocimétrie et les vitesses résultant de la mesure directe. Les moyens de mesure peuvent comporter un capteur de vitesses mesurant soit directement la vitesse des particules simulant l'écoulement, soit la vitesse de l'organe mobile lui-même lorsqu'il existe une relation simple entre la vitesse de l'organe mobile et la vitesse simulée. Dans le cas o l'organe mobile est un cylindre, le fait que la zone de mesure soit située à une distance déterminée de l'axe de rotation, implique une relation directe de proportionnalité entre la vitesse de rotation du cylindre et la vitesse des particules passant dans la zone de mesure. Le calibrage de l'ensemble des instruments composant la chaîne de vélocimétrie a lieu en comparant la distribution de vitesse des particules déduite des mesures du capteur de vitesse, qui peut être une génératrice tachymétrique, et la distribution de vitesse établie par la chaîne de vélocimétrie. Le calibrage consiste à rapprocher au mieux ces deux distributions. A cet effet, la comparaison peut porter non seulement sur les valeurs numériques de la vitesse moyenne, mais également sur des moments d'ordre supérieur tels que par exemple les écarts-types des distributions. Les écarts entre les moyens tachymétriques de mesure directe et la chaîne de vélocimétrie permettent d'estimer les incertitudes de mesure pour l'écoulement simulé et donc pour le type d'écoulement réel correspondant. Brève description des figures - la figure 1 est une représentation schématique des ensembles fonctionnels d'une chaîne de vélocimétrie laser et d'un exemple de dispositif de calibrage selon l'invention, - la figure 2 est un schéma d'explication du principe de la mesure de la vitesse d'une particule de simulation d'un écoulement fluide par la méthode d'interférence. Exposé détaillé d'un mode de réalisation de l'invention Le dispositif de CALIBRAGE de la figure 1 se compose pour l'essentiel d'un dispositif 2 de simulation d'un écoulement, d'une chaîne de vélocimétrie 4 à calibrer, et de moyens 6 de mesure directe et d'exploitation de la vitesse de l'écoulement simulé. Un organe mobile 8 formé par un bloc 10 de matériau transparent en forme de cylindre droit, ensemencé avec des particules opaques 12, par exemple en Iriodin est entraîné en rotation par un arbre 14 lui-même entraîné par des moyens de mise en mouvement 16. L'arbre 14 est orienté selon un axe de rotation 18 perpendiculaire à une base circulaire 20 du cylindre. Les moyens de mise en mouvement comportent un moteur 22 relié à l'arbre 14, et sont pilotés par des moyens de pilotage 24. Les moyens de pilotage 24 sont reliés aux moyens de mise en mouvement et envoient au moteur 22 des signaux de commande de vitesse. Les moyens de pilotage comportent une unité de calcul ou un ordinateur programmable, capable d'émettre des signaux de commande correspondant à une vitesse variable selon une distribution de vitesse déterminée par l'utilisateur en fonction d'un certain nombre de paramètres. En particulier, la distribution de vitesse peut être une distribution gaussienne statistique dont l'utilisateur peut programmer la valeur moyenne, l'écart-type, la symétrie et l'aplatissement. Selon le cas, l'unité de calcul peut répéter plusieurs fois une séquence de signaux de commande correspondant à une même loi de vitesses, afin de pouvoir réaliser une moyenne de vitesses sur un temps de mesure choisi par l'opérateur et identique à un temps de mesure choisi pour la chaîne de vélocimétrie laser. Un écran 21 permet par exemple de visualiser la vitesse imposée au moteur en fonction du temps. Des moyens d'asservissement 26, comportant un codeur optique 28 de mesure de la vitesse de rotation du moteur, sont également reliés aux moyens de pilotage et permettent, grâce à une boucle d'asservissement, de contrôler le fonctionnement fidèle du moteur 22. La chaîne de vélocimétrie 4 comporte, dans l'ordre, une sonde optique 30 d'émission laser, un circuit électronique d'acquisition 32, une unité 34 de calcul et d'analyse des mesures et enfin des moyens d'affichage des résultats de mesure 36 formés par exemple d'un moniteur vidéo. La sonde optique 30 émet deux faisceaux laser 38, 40 qui convergent vers une région de mesure 42 o les deux faisceaux interfèrent. Le cylindre 10 est placé sur le chemin optique des faisceaux avec sa base 20 sensiblement perpendiculaire aux faisceaux. Le cylindre 10 est disposé en outre de façon à intercepter la région de mesure 42, c'est-à-dire la région d'interférence des deux faisceaux laser à un rayon r donné. Le passage d'une particule du bloc cylindrique 10 dans la zone 42 provoque une diffusion de la lumière laser qui est détectée par la sonde optique 30. La figure 2 permet de mieux comprendre le principe de la mesure de la vitesse d'une particule opaque 12. Sur la figure 2 sont représentés les faisceaux 38 et 40 qui convergent et interfèrent dans la région de mesure 42. Dans cette dernière, on distingue une succession de franges d'interférences lumineuses 44 alternées avec des franges sombres 46. La distance i séparant deux franges lumineuses 44 successives est parfaitement connue dans la mesure o elle ne dépend que de la longueur d'onde ko des faisceaux incidents 38 et 40 et de l'angle 0 entre les directions de ces deux faisceaux. Lorsqu'une particule 12 de l'organe mobile 8, non représenté sur la figure 2 pour des raisons de clarté, traverse le réseau de franges, la particule diffuse de la lumière qui est collectée par la sonde 30 au moyen du même système optique que celui utilisé pour l'émission des faisceaux 38, 40. En passant successivement d'une frange lumineuse à la frange lumineuse suivante, la particule 12 envoie à la sonde un signal lumineux qui est ensuite transformé en signal électrique par le circuit 32. Ce signal est traité par l'unité de calcul 34 pour déterminer la vitesse de la particule. Lorsque la particule est animée d'une vitesse V, elle met un temps AT pour parcourir la distance i entre deux franges lumineuses successives avec: V=i/AT. Ainsi, l'unité de calcul permet de dresser un tableau d'enregistrement des vitesses des particules 12 de l'organe mobile 8, traversant la région 42. Les vitesses des particules peuvent également être déterminées directement sans recourir au vélocimètre 4. Ceci est le rôle des moyens 6 de mesure directe et d'exploitation de la vitesse de l'écoulement simulé. Les moyens 6 comportent une génératrice tachymétrique 48 qui est reliée à un analyseur analogique 50 et qui délivre à l'analyseur 50 une tension proportionnelle à la vitesse de rotation instantanée o de l'organe mobile. Or, la vitesse instantanée des particules traversant la zone de mesure 42 est directement proportionnelle à la vitesse o car le disque intercepte cette zone à une distance r donnée de son axe de rotation. On a V=oxr=i/AT. L'analyseur 50 est relié également à un moniteur vidéo 52 permettant d'afficher les mesures de vitesses. L'analyseur 50 et l'unité d'analyse 34 comportent un programme permettant d'afficher sur les moniteurs 36, 52 en particulier des distributions de vitesses 54, 56 respectivement établies à partir des mesures de la chaîne de vélocimétrie 4 et à partir des moyens de mesure directe 6. Une comparaison des valeurs moyennes des distributions de vitesses ainsi que des moments d'ordre supérieur tels que l'écart-type des vitesses, permet à un opérateur, ou éventuellement un dispositif de réglage spécial prévu à cet effet, de régler la chaîne de vélocimétrie 4. Le réglage est affiné de manière à rapprocher au mieux ces distributions 54 et 56. Dans un deuxième temps, à la suite de ce réglage, il est possible d'apprécier les écarts entre les deux distributions pour le type d'écoulement particulier programmé et d'évaluer les incertitudes de mesure du vélocimètre. Finalement, il est possible, grâce à l'invention, de simuler un écoulement fluide sur l'ensemble du volume de la région de mesure 42, d'adapter la taille et la densité des particules 12 à l'écoulement réel à simuler, et enfin de rendre compte des distributions de vitesses de tout écoulement, même turbulent, par programmation de la vitesse moyenne et divers moments statistiques. Ce dispositif, assez souple d'emploi, permet de simuler des vitesses moyennes de l'ordre de quelques mm/s jusqu'à environ 10m/s avec des possibilités de tester différents types de tailles, de formes et de concentration de particules d'ensemencement 12. Le moyen de simulation est valable pour tout système de vélocimétrie laser (Doppler, réseau de franges ou double point). Ce système pourrait également servir à calibrer des chaînes de mesure de granulométrie par ensemencement du disque à l'aide de particules parfaitement calibrées. Enfin, ce dispositif peut devenir un banc d'étalonnage par utilisation d'une génératrice tachymétrique étalonnée avec évaluation des grandeurs d'influence entre la sortie de la génératrice et la visualisation de l'analyseur analogique. REVENDICATIONS 1. Dispositif de simulation d'un écoulement d'un fluide pour le calibrage d'une chaine de vélocimétrie à faisceau laser, comportant un organe mobile (8) de simulation d'un écoulement d'un fluide interceptant au moins un faisceau laser (38, 40) de la chaîne de vélocimétrie et des moyens de mise en mouvement (16) de l'organe mobile (8), caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de pilotage; (24) des moyens de mise en mouvement (16) pour appliquer à l'organe de simulation (8) un mouvement avec une vitesse variable selon une distribution de vitesses choisie par l'opérateur. 2. Dispositif de simulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distribution de vitesse est une distribution statistique du type gaussien. 3. Dispositif de simulation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de programmation d'un paramètre programmable de la distribution de vitesses, choisi parmi la vitesse moyenne, l'écart-type de vitesse, la symétrie de la distribution, l'aplatissement. 4. Dispositif de simulation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de pilotage(24) comportent une unité de calcul programmable pour délivrer aux moyens de mise en mouvement des signaux de commande de vitesses, et des moyens d'asservissement (26) de la vitesse du mouvement de l'organe mobile. 5. Dispositif de simulation selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens d'asservissement (26) comportent un codeur optique (28) de mesure de la vitesse de l'organe mobile (8). 6. Dispositif de simulation selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'organe mobile (8) est réalisé en un matériau transparent ensemencé de particules opaques (12), la chaîne de vélocimétrie étant apte à émettre au moins une paire de faisceaux laser et à mesurer la vitesse des particules (12) par passage de ces particules dans une région d'interférence (42) des faisceaux. 7. Dispositif de simulation selon la revendication 6, caractérisé en ce que les particules sont calibrées. 8. Dispositif de simulation selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que l'organe mobile a la forme d'un cylindre droit (10) à base (20) circulaire et est monté rotatif sur un arbre (14) autour d'un axe de rotation perpendiculaire à la base (20) du cylindre, l'organe mobile (8) étant disposé de manière à intercepter la région d'interférence (42), la base (20) étant orientée sensiblement perpendiculairement aux faisceaux (38, 40). 9. Dispositif de simulation selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens de mise en mouvement (16) comportent un moteur (22) pour entraîner en rotation l'organe mobile (8) avec une vitesse de rotation variable, en réponse aux moyens de pilotage (24). 10. Dispositif de calibrage d'une chaîne de vélocimétrie laser comprenant un dispositif de simulation conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (6) de mesure directe de vitesse de l'organe mobile (8) et des moyens d'analyse (50) prévus pour calculer une distribution de vitesses directement mesurées de l'écoulement simulé. 11. Dispositif de calibrage selon la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif de simulation est conforme à la revendication 7 et en ce Rue les moyens de mesure comportent une génératrice5 tachymétrique (48) de mesure de la vitesse de rotation du cylindre.