Brevet FR2944355A1 — publié le 20101015

Capteur de mesure de la vitesse d'un fluide le long d'une paroi à consigne modulée L'invention concerne un capteur de mesure de la vitesse d'un fluide le long d'une paroi. Des capteurs de cisaillement ont été utilisés pour mesurer la vitesse d'un fluide le long d'une paroi. Ces capteurs utilisent par exemple le transfert thermique entre un élément chauffant situé sur la paroi et le fluide. On asservit la température de cet élément chauffant et la puissance dissipée par l'élément chauffant pour obtenir la température de consigne est représentative de la vitesse de l'écoulement du fluide le long de la paroi. En effet, plus la vitesse du fluide est importante, plus la paroi est refroidie par le fluide et donc plus la puissance de chauffage nécessaire pour atteindre la température de consigne est importante. Le découplage thermique de l'élément chauffant par rapport à la paroi est important pour que le refroidissement de l'élément chauffant se fasse de façon prépondérante par le fluide et à moindre mesure par la paroi elle-même. Pour qu'il y ait transfert d'énergie calorifique, la température de l'élément chauffant est régulée à une valeur stable supérieure à celle du fluide. La puissance de chauffe est généralement fournie par effet joule et l'élément chauffant est formé d'une résistance. La régulation de température est généralement assurée par une mesure de la température, soit par un élément thermosensible séparé de l'élément chauffant, soit par la résistance de l'élément chauffant lui même, qui varie en fonction de la température. Un dispositif de régulation agit soit sur la tension d'alimentation de l'élément de chauffe, soit sur le rapport cyclique d'une modulation à tension fixe. Ainsi, la puissance thermique transférée de l'élément chauffant vers le fluide est directement proportionnelle à la puissance électrique fournie à l'élément chauffant. On retrouve ce principe dans les capteurs à fil chaud, dans les capteurs à film chaud et les capteurs micro usinés à diaphragme chaud. On a tenté de mettre en place ce type de capteurs à bord d'avions pour mesurer les vitesses d'écoulement de l'air notamment sur les ailes de l'avion. Ces capteurs permettent de déterminer de façon assez précise si l'écoulement est en régime laminaire ou turbulent. En effet, en régime laminaire, la vitesse moyenne de l'écoulement est relativement faible à proximité immédiate de la paroi et croit dès qu'on s'éloigne de la paroi de quelques dizaines de millimètre. Au contraire, en régime turbulent, la vitesse du fluide est déjà plus importante à proximité immédiate de la paroi. Ce type de capteur permet de déterminer la transition entre les deux régimes, laminaire et turbulent. On constate néanmoins que ce type de capteurs est sensible à l'environnement et leur utilisation à bord d'avion a de ce fait été limitée à des essais en vol. Ces capteurs n'ont pas été utilisés lors de l'utilisation opérationnelle des avions. L'environnement électromagnétique, tel que par exemple les radars installés à proximité des aéroports, perturbe ces capteurs par des courants électriques induits. Les variations d'éclairage du soleil par exemple lorsque l'avion traverse un nuage entraine des variations de température de paroi que le capteur compense en faisant varier sa puissance de chauffage. Ces variations peuvent être interprétées à tort comme des variations de vitesse dans l'écoulement du fluide. Des vibrations mécaniques de la paroi peuvent entrainer des variations de l'impédance de l'élément chauffant et/ou de l'élément sensible à la température, ce qui perturbe la mesure. L'invention vise à proposer un capteur permettant de découpler la mesure de perturbations de l'environnement notamment thermique, mécanique, acoustique, électromagnétique et lumineux. A cet effet, l'invention a pour objet un capteur de mesure de la 25 vitesse d'un fluide le long d'une paroi, caractérisé en ce qu'il comprend : • un élément chauffant la paroi, • un générateur alimentant l'élément chauffant en fonction d'une consigne, • un élément sensible à la température de l'élément chauffant, • des moyens pour déterminer la vitesse du fluide en fonction de la 30 température mesurée par l'élément sensible, • et des moyens pour moduler la consigne à une fréquence donnée et des moyens de démodulation de la température mesurée par l'élément sensible, la démodulation étant synchrone de la modulation. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : la figure 1 représente schématiquement un exemple de capteur selon l'invention ; la figure 2 représente un exemple d'élément sensible appartenant à un capteur selon l'invention ; la figure 3 représente un système comprenant plusieurs capteurs ; la figure 4 représente sous forme de chronogramme un exemple de modulation de puissance alimentant un élément chauffant du capteur ainsi que des exemples de mesures de températures relevées par l'élément sensible du capteur. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. L'invention est décrite en rapport à capteur embarqué à bord d'un aéronef. Il est bien entendu possible de mettre en oeuvre ce type de capteur pour mesurer la vitesse d'un fluide le long d'une paroi quelconque. Par exemple, un capteur conforme à l'invention peut être mis en oeuvre pour mesurer la vitesse d'un fluide dans une canalisation. La figure 1 représente un corps massif 10 le long duquel circule un fluide. Le sens de circulation du fluide le long du corps 10 est représenté par une flèche 11. A l'intérieur du corps 10, on a disposé un capteur 12 permettant de mesurer la vitesse du fluide le long du corps 10. Le principe de mesure de vitesse est celui d'un capteur thermique de cisaillement comme évoqué plus haut. Le capteur 12 comprend un élément chauffant 13 permettant de chauffer une paroi 14 du corps 10. Le fluide tend à refroidir la paroi 14 par convection. Le capteur 12 comprend également un élément sensible 15 à la température de la paroi 14. Plus la vitesse du fluide est importante, plus la convection est forte et plus la température de la paroi 14, mesurée par l'élément sensiblel5, est basse. En conséquence, l'information de température recueillie par l'élément sensible 15 est représentative de la vitesse du fluide le long de la paroi 14. Dans un exemple d'utilisation aéronautique du capteur 12, le corps massif 10 est l'aile d'un avion. On peut disposer plusieurs capteurs de vitesse sur une face supérieure de l'aile entre le bord d'attaque et le bord de fuite afin de connaitre la nature (laminaire ou turbulent) de l'écoulement le long de l'aile. En effet, un écoulement laminaire de l'air induit moins de traînée par frottement. Par ailleurs, le flux thermique dissipé par convection de l'aile vers l'air est liée à la vitesse de l'air à proximité immédiate de l'aile, c'est à dire à l'intérieur de la couche limite de l'écoulement d'air le long de la paroi 14. La convection est beaucoup plus importante en régime turbulent qu'en régime laminaire. Un tel capteur permet donc de déterminer la nature du régime du flux d'air et bien entendu le capteur 12 permet de détecter une éventuelle transition entre les deux régimes. On cherche à limiter au maximum le transfert thermique entre l'élément chauffant 13 et le corps massif 10 afin de privilégier le transfert thermique vers le fluide. A cet effet, on a réalisé dans l'élément massif 10 une cavité 16 fermée par une peau 17 formant la paroi 14 au niveau du capteur 12. La peau 17 est fine de façon limiter la capacité calorifique du corps 10 localement au niveau du capteur 12. Le capteur 12 est par exemple un capteur résistif. Une résistance chauffante forme l'élément chauffant 13 et est noyée dans la peau 17 afin de la chauffer. La mesure de température peut se faire directement par l'élément chauffant 13 lui-même par exemple en mettant en oeuvre une résistance dont la valeur varie en fonction de la température, de façon positive ou négative. La mesure de la résistance donne une information représentative de la température de la paroi 14. Selon un mode de réalisation avantageux du capteur 12 celui-ci est complètement optique. Cela permet de limiter les effets d'un environnement électromagnétique pollué. Plus précisément, l'élément chauffant 13 comprend une fibre optique 18 conduisant un flux lumineux vers la paroi 14 pour la chauffer. De plus, l'élément sensible 15 comprend une fibre optique 19 et un réseau de Bragg pouvant altérer un rayonnement conduit par la fibre optique 19, l'altération étant fonction de la température de la paroi 14. Plus précisément, Le fait d'introduire un réseau de Bragg dans la fibre optique 19 permet de réfléchir un rayonnement lumineux conduit par celle-ci à une fréquence précise. Des variations de température déforment le réseau de Bragg ce qui entraine une modification de la fréquence réfléchie. En mesurant la fréquence réfléchie par le réseau de Bragg, on obtient une image de la température de l'élément sensible 15. Le réseau de Bragg reste transparent aux autres fréquences ce qui permet de réaliser plusieurs éléments sensibles sur une même fibre optique 19. Dans un premier mode de réalisation représenté sur la figure 1, la fibre optique 18 s'étend le long de la paroi, c'est-à-dire parallèlement à celle-ci noyée dans la peau 17. La fibre optique 18 comprend une extrémité 20 située à proximité immédiate de l'élément sensible 15. L'extrémité 20 est disposée sensiblement au centre d'extrémités de la peau 17, extrémités reliées au corps massif 10. Un rayonnement lumineux est conduit par la fibre optique 18 jusqu'à l'extrémité 20. Ce rayonnement lumineux véhicule une énergie thermique suffisante pour chauffer la peau 17. Avantageusement, la paroi 14 comprend un matériau diffusant le rayonnement lumineux émis par la fibre optique 18. Ce rayonnement lumineux est par exemple infrarouge. Il peut être émis par un laser ou par une lampe. Pour diffuser ce type de rayonnement on peut par exemple réaliser la peau 17 en fibre de carbone noyées dans une résine époxy ou carbone. Dans un second mode de réalisation, la fibre optique 18, au niveau de son extrémité 20, est sensiblement perpendiculaire à la paroi 14. L'extrémité 20 est par exemple disposée dans la cavité 16 de façon à éclairer la peau 17. Dans ces deux modes de réalisation, mais avantageusement pour le second, il est possible de concentrer l'émission de chaleur au niveau de la face extérieure de la peau 17, face en contact avec le fluide. A cet effet, la paroi 14 comprend un matériau transparent au rayonnement lumineux émis par la fibre optique 18. Le matériau transparent est recouvert du matériau diffusant à l'interface entre la paroi 14 et le milieu dans lequel circule le fluide. La figure 2 représente une variante de réalisation de l'élément sensible 15 qui comprend deux réseaux de Bragg 21 et 22 encadrant une cavité résonnante 23 dont la fréquence de résonnance est fonction de la température de la paroi. La cavité 23 est par exemple dopée à l'erbium. Les atomes qui s'y trouvent sont excité par un rayonnement de pompage optique 24. La cavité 23 émet un rayonnement laser 25 dont la fréquence est fonction de la température de l'élément sensible 15 du fait de la variation de longueur de la cavité 23 due à la dilatation thermique des matériaux formant l'élément sensible 15. Ce type d'élément sensible a été utilisé comme capteur de pression dans un hydrophone comme décrit dans un article de David J. Hill et al � Fiber laser hydrophone array � Proc. SPIE vol. 3860, pages 55 à 66 (septembre 1999) L'élément sensible 15 est intégré dans la fibre optique 19. La figure 3 représente un système comprenant plusieurs capteurs conformes à l'invention. La fibre optique 19 est commune aux éléments sensibles 15 des différents capteurs 12. Un laser de pompe 30 émet un rayonnement stimulant les différents éléments sensibles 15. Le rayonnement émis par chaque élément sensible 15 est centré autour d'une longueur d'onde particulière afin de pouvoir les distinguer. Un isolateur optique 31 permet de récupérer les rayonnements émis par les différents éléments sensibles pour déterminer la température de chacun. Dans le système de la figure 3, il est également possible de mettre en oeuvre une seule fibre optique 18 commune à tous les capteurs 12 pour chauffer la paroi 14. La fibre optique 18 est éclairée par une source lumineuse 32 par exemple infrarouge. La fibre optique 18 est courbée au niveau de chaque capteur 12. La courbure de la fibre optique 18 permet de diffuser une partie du flux lumineux émis par la source 32 vers chaque capteur 12. On peut bien entendu chauffer la paroi 14 au niveau de chaque capteur 12 au moyen d'une fibre optique 18 propre à chaque capteur 12. Les fibres optiques 18 et 19 sont noyées dans la peau 17 de chaque capteur 12 et plus généralement dans la paroi 14 entre chaque capteur 12. Selon l'invention, le capteur 12 comprend un générateur alimentant l'élément chauffant 13 en fonction d'une consigne, des moyens pour moduler la consigne à une fréquence donnée et des moyens de démodulation de la température mesurée par l'élément sensible 15, la démodulation étant synchrone de la modulation. En effet, on peut modéliser la conservation de la chaleur au niveau du capteur 12 de la façon suivante c 'T(t) = 2(t).(Text (t) - T(t� + PO (1) dt Dans l'équation (1), l'élément sensible 15 est à une température T fonction du temps : T(t). L'élément sensible est noyé dans la peau 17 de capacité calorifique : C. Le capteur 12 présente une conductivité thermique fonction du temps : M(t) par rapport au fluide dont la capacité calorifique est considérée comme infinie. L'élément chauffant 13 apporte au capteur 12 une puissance thermique fonction du temps : P(t). La température du fluide est notée : Text(t). En intégrant l'équation (1) on obtient : T t -120 Cdt /B+ 2(t)•Text (t) + P(t).ef ~ct)dt dt ù e ~ - f C (2) Dans l'équation (2), B représente un coefficient pouvant être déterminé par les conditions aux limites. Dans le cas où la conductivité thermique Mt), la puissance 5 thermique P(t) et la température extérieure Text(t) varient très lentement ou sont constants, on obtient pour la température du capteur : _2 7 T (t) = Be Ct + T e x t + = T o e Ct + 1ù e Ct Text + 1ùe Ct (3) 10 On voit que dans ce cas, la température d'équilibre T(oo) du capteur (12) est T(oo)=Text + (4) 15 La température d'équilibre T(oo) dépend de la température du milieu extérieur Text et de la conductivité thermique X que l'on souhaite mesurer. Ainsi pour obtenir la conductivité thermique X, il faut effectuer une mesure de la température du milieu extérieur. 20 On peut moduler la puissance apportée P(t) au capteur 12 par exemple selon une modulation sinusoïdale : P(t)=P0 + Pcos(wt) (5) 25 Dans cette modulation, Po est une puissance moyenne définie de façon à ce que la puissance P(t) soit toujours positive, P est la demi-amplitude de la puissance P (t) et w une pulsation de la puissance P (t). D'autres types de modulations sont bien entendu possible. On peut conserver une pulsation w constante et choisir une forme d'onde différente 30 de la forme sinusoïdale. On peut aussi faire varier la pulsation w afin d'améliorer la robustesse de la mesure par rapport aux perturbations extérieures. Ce type de variation de pulsation est connu dans la littérature anglo-saxonne sous le nom de � shirp � pour gazouillis. Par la suite et pour simplifier la compréhension, on ne s'intéresse qu'à une modulation sinusoïdale. Le même type de raisonnement peut se faire pour d'autres modulations. La température T(t) de l'élément sensible 15 s'exprime alors : ( Cw\ --t 2 P CP cos cot û arctan T(t) =Bec +Text + + )) C2w2 On voit ici que la variation de température T(t) obtenue au niveau du capteur 12 ne dépend plus que de paramètres maitrisables ou caractéristiques de la configuration de mesure. Ainsi, si on applique un filtre sur les variations de températures observées par l'élément sensible 15 afin de ne regarder qu'une certaine bande passante autour de la fréquence de modulation, la mesure devient insensible à toutes les perturbations extérieures en dehors de cette bande d'analyse augmentant par conséquent la précision de la mesure effectuée. Avantageusement, le générateur alimente l'élément chauffant 13 en modulation de largeur d'impulsion à une fréquence supérieure à la fréquence de modulation de manière à découpler les deux modulations. On peut par exemple avoir un rapport de 10 entre les deux fréquences. Ainsi, lors de la démodulation, d'éventuelles variations de température mesurées par l'élément sensible 15 à la fréquence de modulation de largeur d'impulsion disparaîtront. La vitesse du fluide peut être déterminée à partir de l'amplitude de la température instantanée démodulée T(t). On établit par exemple de façon empirique une correspondance entre amplitude et vitesse du fluide. Il est également possible d'utiliser le retard de phase entre la température mesuré et les variations de la puissance de chauffe P(t) pour effectuer la mesure. Cette mesure de déphasage, présente l'intérêt d'être (6) indépendante de l'amplitude de la modulation de la puissance de chauffe rendant la mesure encore plus robuste. La vitesse du fluide peut être déterminée à partir de d'un déphasage de la température instantanée démodulée T(t) par rapport à la consigne modulée en puissance P(t). Dans cette variante on peut également établir une correspondance entre amplitude et vitesse du fluide. La figure 4 représente sous forme de chronogramme un exemple de modulation de puissance P(t) alimentant l'élément chauffant 13. La puissance moyenne Po est normalisée à une valeur de 1 représentée en ordonnée sur la gauche de la figure 4. La modulation est ici sinusoïdale. Deux exemples de mesures de températures TM) et T2(t) relevées par l'élément sensible 15 sont également représentés sur la figure 4. Plus précisément, les courbes TM) et T2(t) sont représentées après démodulation. Les valeurs de températures sont exprimées en degrés Kelvin et l'échelle de température est représentée en ordonnée sur la droite de la figure 4. La courbe TM) est relevée pour un capteur 12 dont la conductivité thermique a, est plus faible que le capteur associé à la courbe T2(t). On peut établir une correspondance entre la vitesse du fluide le long de la paroi 14 et, soit l'amplitude de la courbe mesurée T1(t) ou T2(t), soit le déphasage entre une des courbes TI(t) ou T2(t) et la courbe représentant la modulation de puissance P(t). La modulation permet d'améliorer le repérage de transition entre le régime laminaire et le régime turbulent de l'écoulement du fluide la long de la paroi 14. La transition entre les régimes et les régimes eux-mêmes sont discernables non seulement par comparaison de la valeur du transfert thermique dans sa composante continue, mais également par les caractéristiques dynamiques du signal représentant la valeur instantanée du transfert thermique.30 REVENDICATIONS1. Capteur de mesure de la vitesse d'un fluide le long d'une paroi (14), caractérisé en ce qu'il comprend : • un élément chauffant (13) la paroi (14), • un générateur (32) alimentant l'élément chauffant (13) en fonction d'une consigne, • un élément sensible (15) à la température de l'élément chauffant (13), • des moyens pour déterminer la vitesse du fluide en fonction de la température mesurée par l'élément sensible (15), • et des moyens pour moduler la consigne à une fréquence donnée et des moyens de démodulation de la température mesurée par l'élément sensible (15), la démodulation étant synchrone de la modulation. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément chauffant (13) et l'élément sensible (15) sont confondus. 3. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur (32) alimente l'élément chauffant (13) en modulation de largeur d'impulsion à une fréquence supérieure à la fréquence donnée de manière à découpler les deux modulations. 4. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour déterminer la vitesse du fluide à partir de l'amplitude de la température instantanée démodulée (T(t)). 25 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour déterminer la vitesse du fluide à partir d'un déphasage de la température instantanée démodulée par rapport à la consigne modulée (T(t)). 30 6. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la modulation de la consigne module la puissance alimentant l'élément chauffant (13). 20 7. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la modulation de la consigne est sinusoïdale. 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 5 caractérisé en ce qu'une pulsation (w) de la modulation de la consigne varie. 9. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément chauffant (13) comprend une fibre optique (18) conduisant un rayonnement lumineux vers la paroi (14) pour la chauffer ~o et en ce que l'élément sensible (15) comprend une fibre optique (19) et un réseau de Bragg (21, 22) pouvant altérer un rayonnement conduit par la fibre optique (19) de l'élément sensible (15), l'altération étant fonction de la température de la paroi (14).