Brevet FR2891620A1 — publié le 20070406

Capteur de débit La présente invention se rapporte au domaine de la métrologie des débits massiques de fluides. Elle a plus particulièrement pour but de proposer un ensemble permettant une mesure permanente et en temps réel du débit massique d'un fluide dans une conduite: par exemple le débit d'air dans une conduite d'admission du moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. On connaît différentes méthodes pour mesurer le débit massique d'un fluide s'écoulant dans une conduite: débitmètre à bille, tube de Pitot, débitmètre à fil chaud, ou débitmètre à effet Doppler, par exemple et de manière non exhaustive. De tels appareils présentent toutefois un certain nombre d'inconvénients: coût incompatible avec une mise en place massive dans des systèmes destinés au grand public, mise en oeuvre impossible hors des dispositifs de recherche, perte de charge importante induite par la présence du débitmètre dans la conduite. Certains de ces débitmètres, en outre, ne peuvent pas 'être utilisés lorsque le fluide dont on veut mesurer le débit comporte des particules (gaz EGR, par exemple, pour un véhicule automobile). Le document US4788869 présente un débitmètre massique constitué d'une cible en forme de sphère de petite taille reliée à une tige placée coaxialement dans un tube dont la section, faible au voisinage de la sphère, s'élargit ensuite vers l'extrémité opposée de ladite tige, celleci étant reliée par des moyens appropriés à un piquage ménagé sur la conduite dans laquelle circule le fluide. Sous l'effet du flux, une force s'exerce sur ladite sphère: cette force est proportionnelle à la vitesse de l'écoulement, et engendre, au voisinage de la sphère, une déformation de la tige selon la direction générale de l'écoulement. Un ensemble de capteurs de déplacement appropriés, placés au voisinage de l'extrémité de la tige la plus proche de la sphère, permet de quantifier ce déplacement: au moins deux capteurs sont placés à angle droit, afin de permettre la détermination des deux composantes du vecteur définissant le déplacement dans un plan perpendiculaire à l'axe de la tige. Le débit du fluide dans la conduite est alors déduit de la déformation de la tige résultant de la déviation de la cible. Un tel système est toutefois d'une réalisation relativement complexe. De plus, sa précision et sa fiabilité peuvent être perturbées si le fluide s'écoulant dans la conduite contient des particules (effet de choc des particules sur la cible). En outre, sa présence dans la conduite induit des perturbations de l'écoulement, même si les dimensions de la tige et de la cible sont adaptées pour tenter de réduire celles-ci. ro Le document WO0066979 présente également un débitmètre massique dans lequel une cible est placée dans la conduite dans laquelle te fluide circule. La cible est ici reliée par une tige à un dispositif de mesure, ladite tige étant placée dans un tube dont une partie est flexible afin de permettre la transmission, au dispositif de mesure, des mouvements de la cible induits par la force exercée par le fluide en écoulement. Dans ce dispositif, la cible est formée de manière à créer des turbulences dans l'écoulement, et le débit est déduit des déplacements de la tige induits par la force exercée sur la cible par le fluide en écoulement, ainsi que de ta fréquence des turbulences créées dans ledit écoulement par ladite cible. Le dispositif de mesure peut être optique (mesure de la déviation d'un faisceau lumineux réfléchi par la surface d'un élément lié à l'extrémité de la tige opposée à la cible) ou mécanique (jauges de déplacement placées sur la partie flexible du tube dans lequel est placée ta tige). Là encore, toutefois, la précision de la mesure peut être perturbée par la présence de particules dans te fluide (chocs de ces particules sur la cible). La réalisation mécanique de l'ensemble est également relativement complexe. La présente invention a pour but de proposer un débitmètre massique permettant une mesure permanente et précise du débit massique d'un fluide circulant dans une conduite, insensible à la présence d'éventuelles particules dans ledit fluide, n'induisant pas de perturbation dans l'écoulement du fluide, et d'un coût réduit autorisant une mise en oeuvre en grande série sur des systèmes tels que les conduites d'admission d'air du moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. L'invention atteint son but grâce à un capteur de débit destiné à être placé dans une conduite dans laquelle circule un fluide selon une direction principale sensiblement parallèle à t'axe de la conduite, comportant une cible reliée de manière rigide à une extrémité d'une tige, dans lequel l'extrémité opposée de la tige est liée de manière rigide à l'une des parois intérieures de la conduite et la tige est insérée sensiblement radialement dans ladite conduite, dans lequel une jauge de contrainte est placée sur ladite tige, caractérisé en ce que la cible présente un profil aérodynamique dont le bord d'attaque est orienté sensiblement perpendiculairement à la direction principale de l'écoulement. ro Avantageusement, la cible est orientée dans la conduite de telle manière que le fluide s'écoule autour d'elle depuis son bord d'attaque vers son bord de fuite, et l'écoulement provoque, sur sa face supérieure, un effort de portance sensiblement perpendiculaire à ladite surface supérieure et dirigé à l'opposé de la face inférieure de ladite cible. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, ta jauge de contrainte est placée sur le côté de la tige correspondant à la face de ta cible sur laquelle s'exerce ledit effort de portance. Egalement, l'invention présente avantageusement une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: le débit de fluide est déduit du moment résultant de l'application dudit effort de portance à ladite tige, lorsque l'écoulement subit des fluctuations de sens, deux cibles sont placées dans l'écoulement, de telle manière que leurs bords respectifs d'attaque soient orientés face aux deux sens opposés de l'écoulement, des capteurs de pression et de température sont placés à proximité de la cible sur la conduite. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées dans lesquelles: la figure 1 est une vue schématique en perspective de la cible et de la tige d'un capteur de débit selon l'invention, la figure 2 est une vue schématique en coupe d'une conduite dans laquelle est placé un capteur de débit selon l'invention, la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un détail de la tige d'un capteur de débit selon l'invention, Le capteur de débit D selon l'invention comporte, ainsi que le présente la figure 1, une cible 1 de faible taille, dont le profil aérodynamique est exactement connu (courbes de coefficients de portance, traînée en fonction de l'angle d'incidence, ...) : par exemple et de manière non limitative, il pourra s'agir d'un profil normalisé de type NACA, comme c'est le cas pour le mode de réalisation préféré présenté par les figures. La cible 1 comporte ainsi un bord d'attaque la ro et, opposé et sensiblement parallèle à celui-ci, un bord de fuite 1 b. Entre le bord d'attaque la et le bord de fuite 1 b s'étendent deux faces 1c et 1d dont les arêtes délimitent, avec le bord d'attaque la et le bord de fuite lb, une surface supérieure 11 et une surface inférieure 12 définissant ledit profil aérodynamique. Dans le mode de réalisation de l'invention présenté par les figures, la surface supérieure 11 est sensiblement convexe et son centre de courbure est situé vers la surface inférieure 12; et la surface inférieure 12 comporte, au voisinage du bord d'attaque la, une partie sensiblement convexe dont le centre de courbure est situé vers la surface supérieure 11, et, au voisinage du bord de fuite lb, une partie sensiblement concave dont le centre de courbure est situé à l'opposé de la surface supérieure 11. La cible 1 présente donc une partie sensiblement renflée au voisinage du bord d'attaque la et une partie sensiblement amincie au voisinage du bord de fuite 1 b. Une tige 2 s'étend à partir de l'une des faces 1c ou 1d de la cible 1 et est liée, par l'une de ses extrémités 21, de manière rigide, à celle-ci, par exemple par collage, clipsage, ou par soudure. L'extrémité opposée 22 de la tige 2 est liée de manière rigide, par des moyens appropriés non représentés sur les figures, à une paroi intérieure d'une conduite 3 d'axe Z dans laquelle circule le fluide F dont on souhaite mesurer le débit massique Qm (voir figure 2). Le capteur de débit D selon l'invention est placé dans la conduite 3 de telle manière que la tige 2 soit sensiblement radiale dans ladite conduite 3 et que le bord d'attaque la de la cible 1 soit orienté sensiblement perpendiculairement à la direction principale A de l'écoulement du fluide F, ledit fluide F circulant alors autour de la cible 1 depuis son bord d'attaque 1 a vers son bord de fuite 1 b, ainsi que le présente la figure 2. Lorsque le fluide F circule dans la conduite 3 selon la direction A avec un profil de vitesses v, il exerce une poussée sur la surface inférieure 12 de la cible 1. Cette poussée se traduit par un effort de portance Y dirigé sensiblement perpendiculairement à la surface supérieure 11 de ladite cible 1 et à l'opposé de ladite face inférieure 12. L'effort de portance Y est, de manière connue, proportionnel à la vitesse v du fluide F dans la conduite 3, à la densité d du o fluide F, à ta surface de portance Sp de la cible 1, et à un coefficient de portance Cy caractéristique de la forme de la cible 1 en fonction de l'angle d'incidence 6 entre la direction d'écoulement du fluide F et la direction générale de la cible 1 (l'angle 6 est représenté sur la figure 2). L'effort de portance Y se traduit par un moment de flexion M sur la tige 2 qui, à son tour, produit une contrainte Y' sur la face supérieure de ladite tige 2. Une jauge de contrainte 4 est placée sur cette face de la tige 2 afin de mesurer cette contrainte: la jauge de contrainte 4 est munie d'un ensemble de fils électriques 5 appropriés permettant de récupérer et d'acheminer le signal fourni par la jauge de contrainte 4 vers un dispositif de traitement approprié. Le débit massique Qm du fluide F s'écoulant dans la conduite 3 selon la direction A et avec le profil de vitesses v est alors déduit de la formule: Qm = Sc P' -''''-Ç 3 1 6lCySp où . Sc est la surface de la section de la conduite 3, - p est la masse volumique du fluide F, a est la valeur de la contrainte mesurée par la jauge de contrainte 4, cp est le diamètre de la tige 2, 1 est ta distance entre le point d'application de l'effort de portance Y et la jauge de contrainte 4: on suppose ici que l'effort de portance Y est appliqué sensiblement au centre de ta cible 1 (voir figure 1), Cy et Sp sont respectivement te coefficient et la surface de portance précédemment évoqués. Si le fluide F est un gaz soumis à des variations de pression et de température, sa masse volumique p varie: l'insertion, sur la conduite 3, au voisinage de la cible 1, de capteurs de pression et de température 6 et 7 permettra alors de calculer cette masse volumique p au moyen de l'équation d'état des gaz parfaits P = pRT où P et T sont respectivement la pression et la température du fluide F mesurées par tes capteurs 6 et 7, et où R est la constante du gaz. Le capteur de débit D selon l'invention permet ainsi une détermination simple du débit massique du fluide F dans la conduite 3. La cible 1 étant de petite taille et présentant un profil aérodynamique, sa présence dans la conduite 3 n'induit ni perte de charge notable ni perturbations dans l'écoulement dudit fluide F. Le système selon l'invention est également simple, d'installation rapide, et peu coûteux. Il est en outre peu sensible à la présence de particules dans le fluide F, ce qui le rend apte à une mise en oeuvre sur une conduite d'admission d'air dans le moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, en particulier, par exemple, sur une conduite de re-circulation d'une partie des gaz d'échappement associée à une vanne EGR. L'écoulement du fluide F dans la conduite 3 peut toutefois subir des variations de sens: c'est, notamment, le cas pour l'écoulement des gaz issus d'une vanne EGR dans le moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, ainsi que le présente la figure 3 dans laquelle le fluide F s'écoule dans la conduite 3 selon une direction sensiblement parallèle à l'axe Z de ladite conduite 3, mais dans deux sens opposés V et V. Dans ce cas, une mesure complète du débit massique du fluide F sera réalisée, ainsi que le présente ta figure 3, en associant, dans la conduite 3, deux capteurs de débit D et D' tels que décrits ci-dessus, de telle manière que les bords d'attaque la et la' de leurs cibles 1 et 1' soient opposés l'un à l'autre. Dans ce mode de réalisation, les cibles 1 et 1' sont respectivement associées à deux tiges 2 et 2', ainsi qu'à deux jauges de contrainte 4 et 4' : il est ainsi possible de déterminer avec précision la vitesse et le débit massique du fluide F dans chaque sens de flux. Il est à noter que ce mode de réalisation peut, sans difficulté, être associé à la mise en place, sur la conduite 3, de capteurs de pression et de température 6 5 et 7 ainsi que décrit précédemment. Revendications 1. Capteur de débit (D) destiné à être placé dans une conduite (3) dans laquelle circule un fluide (F) selon une direction principale (A) sensiblement parallèle à l'axe (Z) de la conduite, comportant une cible (1) reliée de manière rigide à une extrémité (21) d'une tige (2), dans lequel l'extrémité opposée (22) de la tige (2) est liée de manière rigide à l'une des parois intérieures de la conduite (3) et la tige (2) est insérée sensiblement radialement dans ladite conduite (3), dans lequel une jauge de contrainte (4) est placée sur ladite tige (2), caractérisé en ce que la cible (1) présente un profil aérodynamique dont le bord d'attaque (la) est orienté sensiblement perpendiculairement à la direction principale (A) de l'écoulement. 2. Capteur de débit (D) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide (F) s'écoule autour de la cible (1) depuis son bord d'attaque (la) vers son bord de fuite (lb) et en ce que l'écoulement du fluide (F) induit, sur la face supérieure (11) de ladite cible (1), un effort de portance (Y) sensiblement perpendiculaire à ladite face supérieure (11) et dirigé à l'opposé de la face inférieure (12) de ladite cible (1). 3. Capteur de débit (D) selon l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la jauge de contrainte (4) est placée sur la partie supérieure de la tige (2), correspondant à la face supérieure (11) de la cible (1). 4. Capteur de débit (D) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le débit massique (Cm) du fluide (F) dans la conduite (3) est déduit du moment de flexion (IV) s'exerçant sur la tige (2) et résultant de l'effort de portance (Y). 5. Capteur de débit (D) selon la revendication 4, destiné à être placé dans une conduite (3) dans laquelle le fluide (F) qui circule est un gaz, dans lequel des capteurs de température et de pression (6) et (7) sont placés dans la conduite (3), caractérisé en ce que la masse volumique (p) du gaz (F) est déduite des informations fournies par lesdits capteurs de température et de pression (6) et (7). 6. Ensemble de mesure du débit massique (Qm) d'un fluide (F) circulant dans une conduite (3) selon deux sens opposés (V) et (V), caractérisé en ce qu'il comporte deux débitmètres (D) et (D') selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7. Ensemble de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce que les bords d'attaque (la) et (la') des cibles (1) et (1') des débitmètres (D) et (D') sont opposés et respectivement placés de telle sorte que le fluide (F) circulant selon le sens (V) s'écoule autour de la cible (1) depuis son bord d'attaque (la) vers son bord de fuite (lb) et que le fluide (F) circulant selon le sens (V) s'écoule autour de la cible (1') depuis son bord d'attaque (la') vers son bord de fuite (1b'). 8. Conduite d'admission d'air dans le moteur à combustion interne d'un véhicule 20 automobile comportant au moins un capteur de débit (D) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 9. Conduite d'admission d'air dans le moteur à combustion interne d'un véhicule automobile comportant au moins un ensemble de mesure de débit selon la 25 revendication 7.