Brevet FR3037146A1 — publié le 20161209

DISPOSITIF DE MESURE DE PRESSION L'invention se situe dans le domaine de la métrologie et concerne un aéronef comportant un dispositif de mesure de pression arrangé sur son fuselage ainsi qu'un tel dispositif de mesure. L'objet de la présente invention est de proposer un dispositif de mesure de pression d'un écoulement d'air qui puisse être monté sur le fuselage d'un aéronef et qui utilise une technologie autre que les dispositifs de mesure de pression de type Pitot actuellement employés. A cet effet l'invention concerne un dispositif de mesure de pression d'un écoulement d'air, ledit dispositif comprenant un tube fixé à une base, le tube étant de forme sensiblement cylindrique et comprenant une extrémité libre et au moins un orifice de passage d'air qui est associé à des moyens de mesure de la pression, lesdits moyens de mesure comprenant un élément mécanique sensible à la pression associé à des moyens optiques, ledit élément mécanique étant arrangé dans ledit orifice et comprenant un élément déformable sous l'action de la pression de l'air au niveau dudit orifice, les moyens optiques comprenant au moins une fibre optique ayant au moins un capteur optique à réseau optique fixé audit élément déformable de sorte à mesurer les déformations dudit élément et un interrogateur optique configuré pour déterminer une valeur de la pression d'air à partir de la mesure de la déformation de l'élément optique. Le dispositif de mesure de pression selon l'invention peut être arrangé sur un fuselage d'aéronef en complément des dispositifs de mesure de pression de type tubes de Pitot. Un aéronef équipé de tubes Pitot et de dispositifs selon l'invention a une redondance des circuits de mesures des pressions statiques et totales puisque le dispositif selon l'invention utilise une technologie mécanique/optique au lieu de la technologie anémométrique des tubes de Pitot. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'aéronef comprenant un dispositif de mesure de pression selon l'invention, ledit dispositif comprenant un tube arrangé sur le fuselage de l'aéronef et des moyens de mesures de pression arrangés en partie dans le tube et dans ledit fuselage ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe longitudinale du tube du dispositif de mesure de pression de la figure 1 et comprenant une pluralité d'orifices de prise d'air à chacun desquels sont associés des éléments mécaniques sensibles à la pression associés à des moyens optiques ; - la figure 3 est une vue schématique des moyens optiques de la figure 2 ; 3037146 2 - la figure 4 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un des orifices de prise d'air du tube de la figure 2 et dans lequel sont arrangés des éléments mécaniques sensibles à la pression selon un mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 5 est une vue similaire à la figure 2 d'un orifice de prise d'air dans lequel sont 5 arrangés des éléments mécaniques sensibles à la pression selon un autre mode de réalisation de l'invention. En référence avec les figures 1 et 2, le dispositif de mesure de pression 230 selon l'invention comprend un tube 250 coudé fixé à l'une de ses extrémités à une base 260 fixée sur la peau du 10 fuselage 210 d'un aéronef 200, ainsi que des moyens de mesure de la pression 240 arrangés en partie dans le tube et en partie dans le fuselage de l'aéronef, par exemple dans sa baie avionique 220. Le tube 250, de forme sensiblement cylindrique, a une extrémité libre 312 de forme hémisphérique formant un point d'arrêt pour des lignes d'air d'un écoulement E se dirigeant vers le 15 tube 250 parallèlement à ce dernier. Le tube 250 comprend trois d'orifices de passage d'air 320a-b,330 arrangés sur son enveloppe externe , avec : - deux orifices de passage d'air, dit orifices périphérique 320a-b, situés dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal X du tube 250. Les deux orifices périphériques sont en regard 20 l'un de l'autre ; et - un orifice de passage d'air, dit orifice central 330, situé à son extrémité libre 312 le long de l'axe longitudinal X du tube. Ces orifices sont reliés à des conduits 350 arrangés dans le tube et s'étendant jusqu'à une surface 261 de la base destinée à être fixée au fuselage d'aéronef. Chaque conduit 350 a une section 25 telle qu'au moins une fibre optique de dimension standard peut y être introduite. L'orifice central a une profondeur inférieure à 2 fois le diamètre extérieur du tube tandis qu'un orifice périphérique a une profondeur inférieure à 0.5 fois le diamètre extérieur du tube. De préférence, l'orifice central 330 a un diamètre sensiblement égal à 0.3 fois le diamètre extérieur du tube 250 Afin de limiter l'influence de l'orifice central 330 sur l'écoulement de l'air 30 au niveau des orifices périphériques 320a-b, chaque orifice périphérique est maintenu séparé de l'extrémité du tube 312 d'une distance qui est au minimum égale à 2.5 fois le diamètre extérieur du tube. Selon l'invention, pour chaque orifice, le dispositif de mesure de la pression 230 comprend des moyens de mesure de la pression 240 arrangés en partie dans ledit orifice. 3037146 3 Chaque moyen de mesure de la pression 240 comprend un élément mécanique 370 sensible à la pression arrangé dans l'orifice associé à des moyens optiques 380 arrangés en partie dans le tube 250 et dans la baie avionique 220 de l'aéronef. En relation avec la figure 3, les moyens optiques 380 associés à un orifice 320a-b,330 5 comprennent par exemple au moins une fibre optique 410 terminée par un miroir 411 et sur laquelle sont arrangés aux moins deux capteurs optiques à réseau de Bragg sur fibre R1,R2 ayant des propriétés optiques différentes l'un de l'autre, ainsi qu'un interrogateur optique 420 pour interroger la fibre avec des signaux lumineux prédéterminés et effectuer des mesures. L'interrogateur 420 est composé d'une unité centrale 421 contrôlant une source lumineuse 422 à 10 large bande pour envoyer un signal lumineux à la fibre optique 410 et un photodétecteur 423 synchronisé à la source pour analyser le signal optique réfléchi par les capteurs optiques R1,R2. L'interrogateur 420 comprend en outre un coupleur optique 424 arrangé entre la source lumineuse et la fibre et entre la fibre et le photodétecteur. La fibre optique 410 reçoit un signal incident émis par la source lumineuse à large bande 15 422, par exemple un laser Fabry-Pérot accordable, qui est optiquement connectée à la fibre optique via le coupleur 424 qui transmet le signal incident venant de la source lumineuse à la fibre optique. L'onde réfléchie par les capteurs optiques R1,R2 ou le miroir 411 en extrémité de la fibre optique 410 est renvoyée au travers de la fibre optique 410 vers le photodétecteur 423 via le coupleur 424. L'interrogateur 420 est situé hors du tube 250 et est par exemple, arrangé dans la baie 20 avionique 220 de l'aéronef. Dans un premier mode de réalisation de l'invention illustré à la figure 4, l'élément mécanique 370 associé à un orifice comprend un boitier 510 de forme cylindrique inséré dans l'orifice et ouvert à son extrémité proximale de la paroi extérieure du tube 250 pour laisser passer 25 l'air extérieur au tube. L'autre extrémité 511 du boitier est percée de sorte à laisser passer au moins une fibre optique 410 cheminant jusqu'au boitier via un conduit 350. Le boitier comprend un cadre 520 circulaire creux s'étendant dans un plan radial à l'orifice 320a-b,330. Un élément élastique déformable 530, typiquement une membrane, est fixé au cadre 520 de sorte à séparer deux chambres : une première chambre 540 entre l'extérieur du tube et le 30 cadre et une seconde chambre 550, étanche, entre le cadre 520 et un fond de l'orifice 431. Il est à noter que l'étanchéité de la seconde chambre 550 enferme un volume d'air à une pression prédéterminée et son étanchéité est obtenue via des moyens classiques qui ne seront pas détaillés ci-après. La pression prédéterminée est, par exemple, de l'ordre de 1 013,25 hectopascals (hPa), qui correspond à la pression de l'air moyenne au niveau de la mer. 3037146 4 De préférence, le cadre 520 et la membrane 530 sont réalisés dans un même matériau en alliage métallique traité thermiquement afin de leur conférer des propriétés de mémoire de forme. L'alliage métallique est par exemple un alliage Ti-Ni, Cu-Zn-Al, Cu-Be-Al ou Cu-Al-Ni. L'élément mécanique 370 est placé dans l'orifice de sorte que l'élément déformable 530 est 5 situé à une distance maximale de l'enveloppe extérieure du tube qui est égale à une fois le diamètre extérieur du tube. De préférence, l'élément mécanique est situé à fleur de l'enveloppe externe du tube 250. La face de l'élément déformable 530 située dans la première chambre 540 subit des forces exercée par la pression de l'air extérieur au dispositif tandis que la face de l'élément déformable 10 située dans la seconde chambre 550 subit des forces exercées par le volume d'air enfermé à la pression d'air prédéterminée. Par conséquent, lorsque la pression de l'air dans la première chambre 540 est supérieure à la pression de l'air dans la seconde chambre 550, l'élément déformable 530 se déplace vers la seconde chambre et la longueur dudit élément grandit dans cette direction. Inversement, lorsque la pression de l'air dans la première chambre 540 est inférieure à la pression 15 de l'air dans la seconde chambre 550, l'élément déformable 530 se déplace vers la première chambre et la longueur dudit élément grandit dans cette direction. Une fibre optique 410 du moyen optique associé à l'élément mécanique est fixée à la face de l'élément déformable 530 située dans la seconde chambre 550 et est également fixée au cadre 520. La portion A de cette fibre optique située entre le cadre et l'élément déformable est fixée de sorte 20 qu'elle est précontrainte lorsque l'élément déformable 520 est en position de repos. La contrainte de la portion précontrainte A de la fibre optique varie avec les déplacements de l'élément déformable dus à la pression de l'air extérieur à l'orifice. Le premier capteur optique à réseau de Bragg sur fibre R1 est arrangé dans la portion précontrainte A. De préférence, plusieurs capteurs optiques à réseau de Bragg sur fibre, de 25 propriétés optiques différentes les unes des autres, sont arrangés sur la portion A afin d'augmenter la précision des mesures qui seront effectuées par l'interrogateur. Les variations de contraintes et de température de la portion précontrainte de la fibre 410 affectent l'indice de réfraction effectif et le pas du réseau de ce capteur Rl. De manière connue, la modification de l'indice de réfraction effectif et du pas d'un réseau d'un capteur optique à réseau de Bragg R1 entraîne un décalage de la 30 longueur d'onde réfléchie par rapport à la longueur d'onde incidente reçue par ledit capteur optique Rl. En outre, le second capteur optique à réseau de Bragg sur fibre R2 est également situé dans la seconde chambre 550 mais à l'extérieur de la portion précontrainte A de la fibre. De préférence, plusieurs capteurs optiques à réseau de Bragg sur fibre, de propriétés optiques différentes les unes des autres, sont arrangés à l'extérieur de la portion précontrainte de la fibre afin d'augmenter la précision des mesures qui seront effectuées par l'interrogateur. Les variations locales de 3037146 5 température de la fibre affectent à la fois l'indice de réfraction effectif et le pas du réseau de ce second capteur optique R2. Dans le fonctionnement, l'unité centrale 421 commande la source lumineuse 422 pour 5 balayer une bande de lumière étroite sur une gamme de longueur d'onde tout en utilisant de manière synchrone le photodétecteur 423 afin de mesurer les réflexions des capteurs optiques à réseau de Bragg R1,R2 arrangés sur la fibre optique 410. Lorsque la longueur d'onde de la source correspond à la longueur d'onde de Bragg d'un des capteurs optiques R1,R2, l'unité centrale 421 identifie une réponse correspondante via le photodetecteur 423. L'unité centrale 421 est configurée pour 10 analyser la longueur d'onde à laquelle cette réponse se produit et déterminer, après traitement numérique, la température et/ou la contrainte de la portion précontrainte mesurée par le premier capteur optique R1 ainsi que la température locale de la fibre optique mesurée par le second capteur optique R2. On notera que le traitement numérique comprend notamment des étapes de filtrage 15 permettant de filtrer les perturbations de l'écoulement dans l'orifice qui altèrent la précision des mesures. L'unité centrale 421 est configurée pour corriger les mesures effectuées par le premier capteur optique R1 afin éliminer les dérives, sous l'effet des variations de température, des mesures de contrainte issues du premier capteur optique Rl. Cette correction est obtenue en prenant en 20 compte les mesures de températures obtenues via le second capteur optique R2. La mesure de la pression de l'air à l'extérieur d'un orifice 320a-b,330 est obtenue via une comparaison, effectuée par l'unité centrale 421, entre des valeurs inscrites dans une base de données et les valeurs de contraintes corrigées issues du premier capteur Rl. La base de données comprend à cet effet des données obtenues après étalonnage permettant de lier des valeurs de 25 contraintes mesurées par le premier capteur à des pressions d'air de l'écoulement à l'extérieur de l'orifice 320a-b,330. En référence avec les figures 1 et 2, le tube 250 est monté sur l'aéronef 200 de sorte que l'axe longitudinal X du tube est toujours orienté dans la direction de l'écoulement de l'air E lors du vol de l'aéronef 200. Les orifices périphériques 320a-b sont perpendiculaires à la direction 30 d'écoulement d'air : la pression dans ces orifices est la pression statique Ps de l'air. En revanche, la pression dans l'orifice central 330 est la pression totale Pt. Le dispositif 230 selon l'invention permet ainsi de mesurer la pression totale de l'écoulement de l'air au niveau de l'orifice central 330 et la pression statique au niveau des orifices périphériques 320a-b. Pour ce faire, l'unité centrale 421 fournit, sous forme d'un signal numérique, la valeur du 35 différentiel entre la pression totale Pt et la pression statique Ps à l'avionique de l'aéronef 200, par exemple dans un format de type Arinc. Connaissant le différentiel entre la pression totale et la 3037146 6 pression statique, la vitesse air d'un aéronef équipé d'un tel dispositif 230 peut ainsi être calculée par l'avionique de l'aéronef de manière classique. Comme décrit en relation avec la figure 2, le tube 250 comprend au moins une paire 5 d'orifices périphériques diamétralement opposés afin de compenser tout dérapage de l'aéronef. L'unité centrale 421 est alors configurée pour calculer une valeur de pression statique corrigée Ps en prenant en compte la moyenne des pressions statiques fournies par les moyens de mesures de pression associées à chacun des deux orifices périphériques 320a-b. Le dispositif de mesure de pression 230 selon l'invention peut être arrangé sur un fuselage 10 220 d'aéronef en complément des dispositifs de mesure de pression de type tubes de Pitot. Un aéronef ainsi équipé possède une redondance des circuits de mesures des pressions statiques et totales puisque, le dispositif 230 utilise une technologie mécanique/optique au lieu de la technologie anémométrique des tubes de Pitot. 15 Dans un second mode de réalisation de l'invention illustrée en figure 5, l'élément mécanique 370 est formé d'un cadre plein 620 fixé dans un orifice 330, 320a-b, et s'étendant dans un plan radial à l'orifice. Un élément déformable 630 de type membrane emboutie, est fixé au cadre 620 au niveau de la face du cadre en regard avec le fond de l'orifice 431 et enferme, de manière étanche, un volume d'air à une pression prédéterminée, par exemple, de l'ordre de 20 1 013,25 hectopascals (hPa). L'élément déformable 630 et le cadre 620 sont réalisés dans un même matériau en alliage métallique traité thermiquement afin de leur conférer des propriétés de mémoire de forme. L'alliage métallique est par exemple un alliage Ti-Ni, Cu-Zn-Al, Cu-Be-Al ou Cu-Al-Ni. Lorsque la pression de l'air extérieur au niveau de l'orifice 320a-b, 330 varie, l'élément 25 déformable va se déformer dans un sens dépendant de la différence de pression entre l'air extérieur et la pression du volume d'air enfermé. La fibre optique 410 du moyen optique 380 associé à l'élément mécanique 370 a un brin entrant dans le volume d'air enfermé entre le cadre 620 et l'élément déformable 630 et un brin 30 sortant de ce volume d'air. La fibre optique est terminée par un miroir 411 situé sur le brun sortant. La fibre optique 410 comprend une portion A, située dans le volume entre le cadre 620 et l'élément déformable 630, fixée à la fois au cadre et à l'élément déformable. Cette portion A est précontrainte lorsque l'élément déformable 630 est en position de repos. La contrainte de la portion A varie avec les déplacements de l'élément déformable 630 dus à la pression de l'air extérieur à 35 l'orifice 320a-b,330. Le premier capteur optique à réseau de Bragg sur fibre R1 est arrangé sur la portion précontrainte A. De préférence, plusieurs capteurs optiques à réseau de Bragg sur fibre, de 3037146 7 propriété optiques différentes les unes des autres, sont arrangés sur cette portion afin d'augmenter la précision des mesures qui seront effectuées par l'interrogateur. Les variations locales de température et de contrainte de la portion précontrainte A affectent à la fois l'indice de réfraction effectif et le pas du réseau de ce second capteur optique. 5 Le second capteur optique à réseau de Bragg sur fibre R2 est situé également dans le volume d'air enfermé mais à l'extérieur de la portion précontrainte A de la fibre optique. De préférence, plusieurs capteurs optiques à réseau de Bragg sur fibre, de propriétés optiques différentes les unes des autres, sont arrangés à l'extérieur de la portion précontrainte de la fibre afin d'augmenter la précision des mesures qui seront effectuées par l'interrogateur. Les variations 10 locales de température de la fibre affectent à la fois l'indice de réfraction effectif et le pas du réseau de ce second capteur optique. La méthode de mesure de pression via un dispositif de mesure 230 équipé de tels moyens de mesure de pression est identique à celle décrite en relation avec le premier mode de réalisation. L'élément mécanique 370 selon ce second mode de réalisation de l'invention a une 15 conception plus simple et un poids inférieur à l'élément mécanique selon le premier mode de réalisation de l'invention. Enfin, le dispositif de mesure de pression 230 décrit ci-dessus permet de mesurer la pression statique Ps et la pression totale Pt d'un écoulement d'air. Le principe à la base de l'invention vaut pour un dispositif de mesure de pression permettant de mesurer : 20 - uniquement la pression statique Ps : dans ce cas, le tube 250 comprend seulement au moins un orifice périphérique ; ou - uniquement la pression totale Pt : dans ce cas, le tube 250 comprend uniquement un orifice. En alternative à l'utilisation des capteurs optiques à réseau de Bragg sur fibre pour extraire 25 des fibres optiques les informations de pression et/ou de température, il pourra aussi être utilisé les principes des cavités Fabry-Pérot, la diffusion Rayleigh, les réseaux Ramon et Brillouin ou tout autre principe physique basé sur l'utilisation des fibres optiques. REVENDICATIONS1) Dispositif de mesure de pression (230) d'un écoulement d'air (E), ledit dispositif comprenant un tube (250) fixé à une base (260), le tube étant de forme sensiblement cylindrique et comprenant une extrémité libre (312) et au moins un orifice de passage d'air (220a-b,231) qui est associé à des moyens de mesure de la pression (240), caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure (240) comprennent un élément mécanique (370) sensible à la pression associé à des moyens optiques (380), ledit élément mécanique étant arrangé dans ledit orifice et comprenant un élément déformable (530,630) sous l'action de la pression de l'air au niveau dudit orifice, les moyens optiques comprenant au moins une fibre optique (410) ayant au moins un capteur optique à réseau optique (R1) fixé audit élément déformable de sorte à mesurer les déformations dudit élément et un interrogateur optique (420) configuré pour déterminer une valeur de la pression d'air (Ps et/ou Pt) à partir de la mesure de la déformation de l'élément optique. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube (250) comprend un orifice de passage d'air (330), dit orifice central, arrangé selon l'axe longitudinal (X) du tube à son extrémité libre (312). 3) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le tube (250) comprend au moins un orifice de passage d'air (320a-b), dit orifice périphérique, arrangé sur l'enveloppe cylindrique extérieure du tube et situé dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du tube. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'interrogateur optique (420) comprend une unité centrale (421) contrôlant une source lumineuse (422) adaptée à envoyer un signal lumineux incident à au moins une fibre optique (410) et un photodétecteur optique (423) synchronisé à la source lumineuse, l'unité centrale (421) étant configurée pour analyser le signal optique réfléchi par au moins un capteur optique (R1,R2) arrangé sur la fibre optique et reçu par le photodétecteur. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément mécanique (370) comprend un boitier (511) de forme cylindrique inséré dans l'orifice (320a-b,330), le bâti comprenant un cadre circulaire (520) creux s'étendant dans un plan radial audit orifice, le cadre supportant l'élément déformable (530) séparant une première chambre (540) située entre l'extérieur du tube et le cadre et une seconde chambre (550) 3037146 6) 5 107) 8) 15 9) 20 9 située entre le cadre et un fond (431) de l'orifice, la seconde chambre enfermant un volume d'air à une pression prédéterminée. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément mécanique (370) comprend un cadre plein (620) de forme cylindrique inséré dans l' orifice, l'élément déformable (630) étant embouti et fixé au cadre de sorte qu'un volume d'air à une pression prédéterminée est enfermé entre le cadre et l'élément déformable, l'élément déformable étant situé entre le cadre et le fond de l'orifice (431). Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'une portion (A) d'une fibre optique située entre le cadre et l'élément déformable, est précontrainte. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la portion précontrainte est obtenu par la fixation de la fibre optique (410) à l'élément déformable (530,630) et au cadre (520,620). Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'au moins un capteur optique fixé audit élément déformable (530,630) est arrangé sur la portion précontrainte (A) 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'au moins un autre capteur optique (R2) est fixé sur la fibre optique (410) en dehors de la portion précontrainte (A) 11) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube (250) comprend au moins un conduit (350) arrangé dans le tube (250), au moins une fibre optique (411) reliant l'interrogateur (420) à l'élément déformable (530,630) étant insérée dans ledit conduit. 12) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le capteur optique à réseau optique (R1, R2) est un capteur optique a réseau de Bragg sur fibre. 13) Aéronef (200) comprenant un fuselage (210) et au moins un dispositif de mesure de pression (230) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, ledit dispositif étant arrangé sur le fuselage. 25