Brevet FR3007528A1 — publié le 20141226

La présente invention concerne un système de détermination de la vitesse d'écoulement d'un fluide en mouvement, constitué d'un appendice (1) (inséré dans la circulation du fluide) contenant un(des) capteur(s) de vibrations (2) relié(s) à un ordinateur (5) qui est destiné à analyser les caractéristiques des vibrations que l'écoulement du fluide engendre sur ce(s) capteur(s), afin d'en estimer la vitesse. L'estimation de la vitesse aérodynamique d'un aéronef se fait actuellement par l'intermédiaire d'un tube Pitot. Ce tube mesure la pression statique (ou ambiante) ainsi que la pression totale (créé par l'impact de l'air sur une capsule) et calcule par un algorithme la 10 vitesse aérodynamique de l'aéronef. Cependant, dans un certain nombre de cas, le tube Pitot peut être soumis à un givrage (du à l'altitude du vol, la pression atmosphérique, la température et l'humidité de l'environnement de l'aéronef, etc.), ce qui rend ce capteur inopérant. Dans ce cas, l'aéronef peut généralement terminer son vol dans de bonnes 15 conditions, mais ce dysfonctionnement peut également engendrer des anomalies de contrôle commande qui peuvent conduire au crash, comme le témoigne le récent accident du Paris - Rio (Air France AF447) entre autres. La présente invention permet d'estimer la vitesse d'un fluide (compressible ou 20 incompressible) en mouvement par l'intermédiaire de mesures de vibrations, qui sont analysées en temps réel. De ce fait, ce système n'est pas sensible à l'obstruction d'un canal (causé par un givrage par exemple, ou tout autre obstacle), ce qui lui conf'ere une fiabilité certaine. En effet, tout appendice (1) placé dans l'écoulement d'un fluide (Voir Fig. 1) est 25 soumis aux frottements de ce dernier, ce qui engendre une vibration induite, dont les caractéristiques dépendent de sa vitesse d'écoulement. Ainsi, il est possible d'estimer la vitesse d'écoulement du fluide en temps réel, en analysant les mesures effectuées. Description du système, selon les modes particuliers de réalisation : un appendice aérodynamique rigide (1), creux, pouvant contenir au moins un 30 capteur de vibrations est placé dans l'écoulement d'un fluide (Voir Fig. 1) à l'intérieur de cet appendice est placé au moins un capteur de vibrations (2) (Voir Fig. 1 et Fig. 2), afin de réaliser des mesures sur un axe, deux axes, ou trois axes, concernant les vibrations en translation (exemple des accéléromètres) ou en rotation (exemple des gyroscopes) l'appendice (1) placé dans le fluide et dans lequel est incorporé le(s) capteur(s) de vibrations (2) peut être un tube Pitot d'aéronef (partie plane reliant le tube de mesure (6) et la surface (4) de l'aéronef (aile ou fuselage) - Voir Fig. 2), déjà utilisé pour déterminer la vitesse aérodynamique par mesure de pressions (en utilisant les pressions statiques et dynamiques), afin de permettre à ce dernier de disposer d'une redondance d'estimation de sa vitesse aérodynamique l'appendice (1) aune forme profilée (profile d'aile (symétrique ou non) par exemple, cylindre (de manière à être insensible à l'angle d'attaque du fluide) par exemple, etc.), pour réduire au mieux sa tramée, mais peut être conçu pour faire apparaître au mieux les vibrations en termes d'amplitude et de densité spectrale l'appendice est fixé à travers une isolation vibratoire (3), de manière à être indépendant de toute vibration perturbatrice provenant de l'endroit (4) où l'appendice (1) est fixé l'ordinateur (5) relié au(x) capteur(s) importe leurs mesures, les stocke en mémoire, et réalise un prétraitement de données (lissage, filtrage, etc.) l'ordinateur (5) relié au(x) capteur(s) détermine et exploite en temps réel la densité spectrale des vibrations mesurées pour estimer la vitesse d'écoulement du fluide. Pour ce faire, le calcul de la moyenne de densité spectrale des vibrations mesurées (fig. 4) entre 2 fréquences significatives (fréquences entre lesquelles la densité spectrale croit avec la vitesse d'écoulement du fluide (7 et 13 Hz sur la figure 4)), permet d'estimer la vitesse d'écoulement, grâce aux correspondances préalablement établies lors d'étalonnage du capteur (en soufflerie, pax exemple, en vol dans le cas d'un aéronef par exemple). l'ordinateur (5) relié au(x) capteur(s) détermine et exploite en temps réel l'amplitude des vibrations mesurées (Fig. 3) pour estimer la vitesse d'écoulement du fluide Pour ce faire, le calcul de la moyenne de l'amplitude des vibrations mesurées (fig. 3) permet d'estimer la vitesse d'écoulement, grâce aux correspondances préalablement établies lors d'étalonnage du capteur (en soufflerie, pax exemple, en vol dans le cas d'un aéronef par exemple). Une fusion des estimations de vitesses aérodynamiques issues du tube Pitot classique (mesure des pressions statiques et totales) et des mesures des vibrations (méthodes impliquant l'analyse de la densité spectrale et l'analyse des amplitudes de vibrations) améliore les performances du système en termes de précision et robustesse. Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 représente le principe de fonctionnement du système, dont le(s) capteur(s) de vibrations (2) est(sont) placé(s) au sein d'un appendice (1) lui même disposé au sein de l'écoulement du fluide, afin d'en mesurer les vibrations induites pour l'estimation de la vitesse d'écoulement - La figure 2 représente l'installation du capteur (2) dans un tube Pitot (partie plane reliant le tube de mesure (6) et la surface (4) de l'aéronef (aile ou fuselage), servant alors l'appendice) afm d'être utilisé pour l'estimation de la vitesse aérodynamique d'un aéronef - La figure 3 représente l'évolution de l'amplitude des vibrations par rapport à la vitesse d'écoulement du fluide La figure 4 représente l'influence de différentes vitesses de vol, sur la densité spectrale des vibrations transverses de la gouverne de direction d'un aéronef P-3C Système de détermination de la vitesse d'écoulement d'un fluide en mouvement, constitué d'un appendice (1) (inséré dans la circulation du fluide) contenant un(des) capteur(s) de vibrations (2) relié(s) à un ordinateur (5) qui est destiné à analyser les caractéristiques des vibrations que l'écoulement du fluide engendre sur ce(s) capteur(s) (2), afm d'en estimer la vitesse. Un appendice métallique (1) destiné à se situer dans l'écoulement du fluide est réalisé (Voir Fig.1). Il s'agit d'une structure creuse destinée à contenir le ou les capteurs de vibrations (2). II peut s'agir d'une structure dédiée, ou d'un tube Pitot (partie plane reliant le tube de mesure (6) et la surface (4) de l'aéronef (aile ou fuselage) - Voir Fig. 2) modifié pour être destiné à accueillir le ou les capteurs (2) (Voir Fig.1 et 2). La forme aérodynamique de l'appendice (1) est profilée (profile d'aile (symétrique ou non) par exemple, cylindre (de manière à être insensible à l'angle d'attaque du fluide) par exemple, etc.) pour réduire au mieux sa tramée, mais doit pouvoir permettre de mettre en évidence au mieux les vibrations induites par l'écoulement du fluide, de manière à réduire le facteur bruit/vibrations, et ainsi obtenir une mesure optimale. -4 L'appendice est équipé d'au moins un capteur de vibrations (2), mesurant les vibrations sur un seul axe, deux axes, ou trois axes orthogonaux (formant un repère). L'appendice (1) peut être équipé de plusieurs capteurs de vibrations (2), soit avec les mêmes caractéristiques, mais placés à des endroits différents de l'appendice, soit avec des caractéristiques différentes (en termes de technologie de mesure, de bande passante, de plages de mesures, etc.). Le(s) capteur(s) de vibrations (2) peu(ven)t également être de types différents, dans la mesure des vibrations : en translation (par l'intermédiaire d'accéléromètre(s) par exemple) ou en rotation (par l'intermédiaire de gyroscope(s) par exemple). Le(s) capteur(s) de vibrations peu(ven)t être de technologie MEMS (pour sa taille réduite) ou non. L'appendice (1) se situant dans l'écoulement du fluide est fixé par l'intermédiaire d'une isolation vibratoire (3). Cette isolation est destinée à isoler les vibrations (de l'appendice) induites par l'écoulement du fluide, des vibrations pouvant provenir de l'endroit où l'appendice est fixé. Cette isolation vibratoire (3) peut être réalisée d'un certain nombre de différentes techniques : deux plaques rigides reliées par des silentblocs, des matières souples (comme du caoutchouc, de la mousse, etc.), etc. Dans le cas de l'utilisation d'un tube Pitot (partie plane reliant le tube de mesure (6) et la surface (4) de l'aéronef (aile ou fuselage) - Voir Fig. 2) comme appendice aérodynamique (1) (pour l'utilisation du système pour l'estimation de la vitesse aérodynamique d'un aéronef), le système d'isolation vibratoire (3) est à placer entre le tube Pitot et la surface (4) de l'avion où il est installé (le fuselage dans certains cas, l'aile dans d'autres cas). Le(s) capteur(s) est(sont) relié(s) à un ordinateur (5) qui est chargé de recueillir les mesures réalisées, les stocker, puis les exploiter en temps réel afin d'estimer la vitesse d'écoulement du fluide. Pour ce faire, les tâches suivantes sont exécutées : dans un premier temps, l'ordinateur réalise un prétraitement des données acquises (lissage, filtrage, etc.) , l'ordinateur calcule en temps réel la transformée de Fourier des mesures, afin d'en déterminer la densité spectrale. Comme le montre la figure 4, cette densité spectrale sera utilisée pour avoir une première estimation de la vitesse d'écoulement. En effet, le niveau de densité spectrale des vibrations entre certaines fréquences significatives dépend directement de la vitesse d'écoulement du fluide. De ce fait, on associe préalablement une moyenne de densité spectrale des vibrations mesurées entre deux fréquences significatives (on considère 7 Hz et 13 Hz dans la Fig. 4, car on peut remarquer que les moyennes des densités spectrales sont croissantes avec la vitesse dans cette plage) à chaque vitesse d'écoulement, grâce à des tests d'étalonnage, en soufflerie par exemple (ou en vol, dans le cadre de l'estimation d'une vitesse aérodynamique). Lors de l'estimation, le calcul de la moyenne de densité spectrale entre ces 2 fréquences, permettra d'estimer la vitesse d'écoulement, grâce aux correspondances préalablement établies. l'ordinateur calcule en temps réel l'amplitude des vibrations Comme le montre la figure 3, cette amplitude sera utilisée pour avoir également une autre estimation de la vitesse d'écoulement. En effet, l'amplitude des vibrations dépend directement de la vitesse d'écoulement du fluide. De ce fait, on associe préalablement les amplitudes des vibrations mesurées à chaque vitesse d'écoulement, grâce à des tests d'étalonnage, en soufflerie par exemple (ou en vol, dans le cadre de l'estimation d'une vitesse aérodynamique). Lors de l'estimation, le calcul de la moyenne de l'amplitude des vibrations mesurées permet d'estimer la vitesse d'écoulement, grâce aux correspondances préalablement établies lors d'étalonnage du capteur (en soufflerie, pax exemple, en vol dans le cas d'un aéronef par exemple). enfin, une fusion des estimations de vitesses aérodynamiques issues du tube Pitot classique (mesure des pressions statiques et totales) et des mesures des vibrations (méthodes impliquant l'analyse de la densité spectrale et l'analyse des amplitudes de vibrations) améliore les performances du système en termes de précision et robustesse. cela permet de rendre l'estimation de vitesse découlement plus précise, et en même temps plus robuste, en recoupant les informations de sources différentes (pression, densité spectrale, d'amplitude) afm d'optimiser l'estimée de la vitesse d'écoulement du fluide. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à l'estimation de la vitesse aérodynamique des aéronefs civils et militaires. REVENDICATIONS1) 2) 3) 4) 20 5) 25 6) 7) 30 Système de détermination de la vitesse d'écoulement d'un fluide en mouvement, constitué d'un appendice(1) (inséré dans la circulation du fluide) contenant un(des) capteur(s) de vibrations (2) relié(s) à un ordinateur (5) qui est destiné à analyser les caractéristiques des vibrations que l'écoulement du fluide engendre sur ce(s) capteur(s), pour en estimer la vitesse. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'appendice aérodynamique (1) rigide, creux, pouvant contenir au moins un capteur de vibrations (2) est placé dans l'écoulement d'un fluide (Voir Fig.1) Système selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'un(des) capteur(s) de vibrations (2) est(sont) intégré(s) au sein de l'appendice (1) afin de réaliser des mesures sur un axe, deux axes, ou trois axes, concernant les vibrations en translation (exemple des accéléromètres) ou en rotation (exemple des gyroscopes) Système selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'appendice (1) placé dans le fluide et dans lequel est incorporé le(s) capteur(s) de vibrations (2) peut être un tube Pitot d'aéronef (partie plane reliant le tube de mesure (6) et la surface (4) de l'aéronef (aile ou fuselage) - Voir Fig. 2), déjà utilisé pour déterminer la vitesse aérodynamique par vibrations (en utilisant les pressions statiques et dynamiques), afin de permettre à ce dernier de disposer d'une redondance d'estimation de sa vitesse aérodynamique Système selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'appendice (1) aune forme profilée (profile d'aile (symétrique ou non) par exemple, cylindre (de manière à être insensible à l'angle d'attaque du fluide) par exemple, etc.), pour réduire au mieux sa tramée, mais peut être conçu pour faire apparaître au mieux les vibrations en termes d'amplitude et de densité spectrale Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'appendice (1) est fixé à travers une isolation vibratoire (3), de manière à être indépendant de toute vibration perturbatrice provenant de l'endroit (4) où l'appendice (1) est fixé Système selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'ordinateur (5) relié au(x) capteur(s) (2) importe leurs mesures, les stocke en mémoire, et réalise un prétraitement de données (lissage, filtrage, etc.)- 8) Système selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'ordinateur (5) relié au(x) capteur(s) détermine et exploite en temps réel la densité spectrale des vibrations (fig. 4) mesurées pour estimer la vitesse d'écoulement du fluide. Pour ce faire, le calcul de la moyenne de densité spectrale des vibrations mesurées entre 2 fréquences significatives (fréquences entre lesquelles la densité spectrale croit avec la vitesse d'écoulement du fluide (7 et 13 Hz sur la figure 4)) permet d'estimer la vitesse d'écoulement, grâce aux correspondances préalablement établies lors d'étalonnage du capteur (en soufflerie, pax exemple, en vol dans le cas d'un aéronef par exemple). 9) Système selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'ordinateur (5) relié au(x) capteur(s) détermine et exploite en temps réel l'amplitude des vibrations (fig. 3) mesurées pour estimer la vitesse d'écoulement du fluide Pour ce faire, le calcul de la moyenne de l'amplitude des vibrations mesurées (fig. 3) permet d'estimer la vitesse d'écoulement, grâce aux correspondances préalablement établies lors d'étalonnage du capteur (en soufflerie, pax exemple, en vol dans le cas d'un aéronef par exemple).