Brevet FR3044413A1 — publié le 20170602

Sonde de mesure à fibres optiques La présente invention concerne le domaine des sondes de mesure. Sont en particulier concernées des mesures de pression(s), 5 notamment pour des mesures de vitesse(s) d'écoulement de gaz, sur une turbomachine, en particulier dans un aéronef. La mesure de vitesse d'écoulement des gaz est une tâche délicate. Lorsque cette mesure doit être réalisée en environnements dits « sévères » (hautes températures, vitesses des gaz élevées, écoulement pollué/chargé 10 de particules, fortes pressions...) tels ceux rencontrés dans les écoulements propres aux turbomachines, cette tâche peut devenir très compliquée. Plus généralement, les mesures de pression par sondes posent problèmes. Ainsi, sur les mesureurs de type Pitot, qui mesurent en un point 15 la pression totale (Pt) et la pression statique (Ps) afin de déterminer la composante dynamique de la pression, directement liée au nombre de Mach de l'écoulement, la mesure de pression est effectuée en déporté au travers de capillaires cheminant dans le tube de Pitot, connectés à un manomètre ou un transducteur. Les tubes de Pitot conventionnels doivent 20 être parfaitement alignés avec l'écoulement pour pouvoir mesurer la pression totale, ce qui constitue une contrainte dans des écoulements où la direction du vecteur vitesse peut changer. Pour contourner ce problème, des mesureurs de type multi-trous (multi-conduits) sont utilisés. Ces mesureurs, plus encombrants que les tubes de Pitot conventionnels, 25 mesurent la pression en plusieurs points (typiquement au moins trois) d'un profil de sonde donné. Plusieurs formes de profil peuvent être utilisées en fonction des conditions d'exploitation de la sonde. Ces mesures sont ensuite converties en nombre de Mach et en angle d'incidence vis-à-vis de la tête de sonde par le biais de tables de calibrations préétablies. La 30 mesure de pression sur les sondes multi-trous (multi-conduits) 3044413 2 conventionnelles est réalisée de la même façon que sur les tubes de Pitot, par le biais de capillaires connectés à des transducteurs. L'inconvénient des mesureurs par tubes Pitot, qu'ils soient conventionnels ou à sondes multi-trous, est que la mesure de pression effective se fait de manière déportée ce qui engendre une résolution fréquentielle très faible, de l'ordre typiquement de quelques Hz tout au plus. Pour contourner cette contrainte, des sondes à transducteurs miniatures (par exemple de type KuliteTM ; sondes dites à « réponse rapide ») à l'intérieur même du corps de sonde multi-trous sont utilisés. C'est dans ce contexte que l'invention propose une solution de sonde de mesure compacte et fiable qui permette d'effectuer des mesures dans un dit environnement sévère. Des potentialités d'utilisation pour une mesure de vitesse d'écoulement de gaz à haute fréquence (supérieure à 10kHz), et/ou dans 15 en environnement sévère de type turbomachine : hautes température (>400°C), milieu chargé en particules, sont favorablement visées. A ce sujet, un inconvénient majeur dans l'utilisation des capteurs de pression haute fréquence existants est qu'ils ne résistent qu'à des températures modérées de l'ordre de quelques centaines de degrés 20 ( Dans le cadre des sondes multi-trous (multi-conduits) précitées, il est conseillé que l'extrémité de prise de mesure du corps de sonde soit effilée et comporte au moins trois conduits internes coplanaires pour des mesures dans le plan, et cinq conduits non coplanaires pour des mesures en trois dimensions. Sur ce point, on notera que les transducteurs optiques peuvent être réalisés à l'aide de fibres optiques de 0.125mm voir 0.065mm de diamètre. On peut ainsi loger dans une sonde multi-trous optique au minimum deux fois plus de transducteurs que dans une sonde standard et cinq, voire dix fois plus que dans une sonde rapide. Par ailleurs, pour préserver les fibres mécaniquement et dans la qualité de leurs transmissions d'informations et éviter d'engendrer des 3044413 4 pertes trop importantes dans le signal qui y transite, les corps de ces fibres et certains au moins des conduits internes ainsi que des fibres optiques qui y sont contenues pourront être incurvés, mais avec un ou plusieurs rayons de courbure, toujours supérieurs à 400 fois le rayon de gaine. 5 Et pour limiter l'encombrement de la sonde et le déport du point de mesure par rapport à l'axe général de la sonde, on pourra utiliser une sonde « cobra » respectant le rayon de courbure minimum R, mais limitant la longueur L du bec de sonde, le corps et certains au moins des conduits internes et des fibres optiques contenues étant alors incurvés, avec deux 10 inflexions successives contraires donnant une forme générale en S. Une autre solution peut être employée afin de limiter les contraintes dues à l'intégration de fibres optiques et leur faible rayon de courbure admissible. Les capteurs peuvent en effet être situés dans la partie rectiligne du corps de sonde, en retrait, et connectés à l'extérieur par les 15 conduits, qui sont débouchant. Cette solution grève très légèrement la résolution fréquentielle atteignable avec la sonde, mais a l'avantage de limiter de manière significative l'encombrement. Ainsi prévoit-on dans ce cas que le corps et certains au moins des conduits internes présentent au moins un coude ayant un rayon R de 20 courbure inférieur à 400 fois le rayon de gaine, et que les fibres optiques contenues dans ces conduits internes s'interrompent avant le coude. Une alternative envisage aussi que certains au moins desdits conduits internes suivent des tracés torsadé, qui peuvent être hélicoïdaux. Ceci doit permettre des acquisitions de données multipoints 25 précises, rapides et distinctement réparties avec une bonne résolution spatiale, permettant si nécessaire d'effectuer plusieurs acquisitions sur plusieurs hauteurs avec un même dispositif si les prises de mesures sont échelonnées spatialement. En termes de mode de réalisation, plusieurs montages peuvent être 30 utilisés. Parmi ceux-ci les suivants sont en particulier évoqués : 3044413 5 - une réalisation dans laquelle certaines au moins des fibres optiques présentent une constitution comprenant deux tronçons d'une même fibre optique, dont un tronçon court disposé au bout de l'autre tronçon plus long, le tronçon court portant le capteur de pression et renfermant un milieu 5 sensible à la pression et ayant un indice optique prédéterminé, ledit milieu étant intermédiaire entre le capteur de pression et ledit autre tronçon plus long, - une réalisation dans laquelle certaines au moins des fibres optiques présentent une constitution comprenant deux tronçons de fibres optiques, 10 dont un tronçon court disposé au bout de l'autre tronçon plus long, le tronçon court portant le capteur de pression et renfermant un milieu sensible à la pression et ayant un indice optique prédéterminé, ledit milieu étant intermédiaire entre le capteur de pression et ledit autre tronçon plus long, dont l'âme présentera une section inférieure à celle dudit milieu 15 intermédiaire, - une réalisation dans laquelle certaines au moins des fibres optiques présentent une constitution comprenant un tronçon de fibre optique pourvu extérieurement, à une extrémité, d'un capillaire portant le capteur de pression et renfermant un milieu sensible à la pression et ayant un indice 20 optique prédéterminé, ledit milieu étant intermédiaire entre le capteur de pression et ladite fibre. Dans tous les cas, il est aussi prévu que la fibre optique ou le tronçon de fibre optique puisse présenter un réseau de Bragg pour l'acquisition de données liées à un paramètre physique autre que la 25 pression telle que la température, permettant ainsi de compenser l'allongement de la cavité due à l'expansion thermique. Les réalisations ci-avant ont l'avantage de mises en oeuvre bien maîtrisées, simples et performantes. La première est en outre plus économique. La seconde conserve 30 l'intérêt de pouvoir n'utiliser que des fibres de même diamètre extérieur (voir figure 11), mais avec un capteur de pression (membrane déformable) 3044413 6 et un dit milieu intermédiaire de plus grand diamètre (section), donc encore de meilleure sensibilité en particulier aux hautes fréquences (supérieures à 10kHz). Comme déjà mentionné une application vise une sonde pouvant 5 travailler dans ces hautes fréquences et dans en environnement sévère de type turbomachine : haute température (>400°C), milieu chargé en particules. C'est pourquoi il est proposé que certaines au moins des fibres optiques, ainsi que les membranes dont sont pourvus les capteurs de 10 pression, soient à base d'un matériau tenant en température jusqu'à au moins 1100°C, tel que la silice ou le saphir, ladite constitution des fibres optiques assurant en outre des mesures de pression haute fréquences, au-dessus de 10kHz. L'invention sera si nécessaire encore mieux comprise et d'autres 15 détails, caractéristiques et avantages de l'invention pourront apparaître à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue de côté d'une sonde conforme à l'invention, - la figure 2 est une coupe longitudinale de cette sonde, de même pour les 20 figures 3,4, qui montrent des alternatives de sonde, - la figure 5 est autre alternative de sonde, en perspective et la figure 6, une vue interne locale, - la figure 7 montre le détail VII et les figures 8-9 sont des vues selon VIII, - les figures 10-13 sont des vues en coupe longitudinale (axiale) de quatre 25 réalisations possibles de la sonde de l'invention, avec en particulier différents capteurs de pression mis en oeuvre. Figures 1-6 et en liaison avec l'agrandissement de la figure 7, on voit donc quatre modes privilégiés de réalisation d'une sonde 1 de mesure d'un paramètre physique, en particulier pression, voire température. 30 De façon commune aux modes de réalisation, la sonde 1 comporte un corps 3 pourvu d'une extrémité 3a de prise de mesure, une pluralité de 3044413 7 conduits internes (C1 à C9, suivant les versions) s'étendant dans le corps 3 jusque vers ladite extrémité 3a et une pluralité de moyens 5 d'acquisition de mesures disposés dans lesdits conduits internes, près de l'extrémité 3a. A ou vers l'extrémité 3a, les conduits internes, tels ceux Cl à C3 5 figure 7, débouchent sur l'extérieur (EXT). Chaque moyen 5 d'acquisition de mesures comprend un transducteur de pression 7 et (au moins) un capteur de pression 8 adjacent audit transducteur de pression. Et chaque transducteur de pression 7 comprend (au moins) une fibre 10 optique 9 (figures 10,12,13) ou 9a,9b (figure 11). Ainsi, la solution ici proposée reprend le concept de la sonde multiconduit, avec des mesures de pressions non plus réalisées par l'intermédiaire notamment de transducteurs déportés ou piézoélectriques miniatures intégrés, mais par des transducteurs à fibres optiques. 15 Il est recommandé que ces transducteurs soient, comme illustré, individuellement formés avec au moins une fibre optique 9 ; 9a,9b et une membrane déformable, réfléchissante ou semi-réfléchissante 11 a-11d figures 8-11 appartenant au capteur de pression 8. La partie principale 90 ; 90a,90b (la plus longue suivant l'axe général 20 10 de la sonde) de cette fibre optique est celle qui va guider dans le transducteur, vers une unité de traitement 13 située plus à l'arrière, les données issues du capteur de pression 8. Entre la membrane 11 a-11 d et cette partie principale 90 ; 90a,90b de la fibre optique est interposé un milieu 15 d'un indice optique donné (qui peut en particulier être de l'air). Ce 25 dispositif constitue ainsi un interféromètre optique. On peut en particulier considérer qu'il s'agit là d'un interféromètre de type Fabry-Pérot capable de mesurer de très faibles déformations de la membrane dues à la pression ambiante (EXT). Comme déjà en partie mentionné, des sondes 1 ainsi réalisées 30 seront plus robustes et moins encombrantes que les capteurs à transducteurs piézoélectriques. On peut mesurer des vitesses 3044413 8 d'écoulement à des températures plus élevées, ceci dans des corps 3 de sondes de diamètre plus faible que sur ces capteurs antérieurs. En alternative, pour un même diamètre de corps de sonde, davantage de moyens 5 d'acquisition de mesures peuvent être insérés, avec en 5 conséquence un cône de mesure plus important si, comme conseillé et illustré figure 7, l'extrémité 3a de prise de mesure du corps 3 de la sonde est effilée et comporte au moins trois conduits internes (Cl ; voir les vues figures 8-9 avec respectivement cinq et neuf conduits internes débouchants). Il y a un intérêt à multiplier le nombre de ces conduits 10 internes car ce nombre agit sur la valeur de l'angle d'incidence du fluide à analyser que la sonde peut capter. A titre indicatif, les sondes multi-conduits standards utilisent typiquement des capillaires de 0.3 à 0.5 mm de diamètre, tandis que les capteurs piézoélectriques utilisés dans les sondes à « réponse rapide » ont 15 des diamètres typiquement de l'ordre de 1.5 à 2 mm (ou plus). Les transducteurs optiques en revanche peuvent être réalisés à l'aide de fibres 9 ; 9a,9b entre 0.125 et 0.300mm, voir 0.065mm, de diamètre. On peut ainsi loger dans une sonde à multi-conduits optiques au minimum deux fois plus de transducteurs à fibres optiques que dans une 20 sonde standard et dix fois plus que dans une sonde rapide. Les moyens 5 d'acquisition de mesures, et en particulier les fibres 9 ; 9a,9b, pourront sont insérés dans les conduits Cl ... préformés (par exemple percés) dans le corps 3 de la sonde et cheminent ainsi à l'intérieur de ce corps. 25 Les corps 3 de sonde peuvent être constitués de matériaux métalliques (applications basses et/ou moyennes températures REVENDICATIONS1. Sonde de mesure comportant : un corps (3) pourvu d'une extrémité (3a) de prise de mesure, une pluralité de conduits internes (C1 à C9) s'étendant dans le corps jusque vers ladite extrémité, une pluralité de moyens (5) d'acquisition de mesures disposés dans lesdits conduits internes, près de l'extrémité, et comprenant : - des transducteurs de pression (7), - une pluralité de capteurs de pression (8) adjacents aux transducteurs de pression, caractérisée en ce que les transducteurs de pression comprennent des fibres optiques (9 ; 9a,9b). 2. Sonde de mesure selon la revendication 1, dans laquelle les transducteurs de pression (12) et les capteurs de pression définissent ensemble des interféromètres optiques. 3. Sonde de mesure selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle l'extrémité de prise de mesure du corps (3) de sonde est effilée et comporte au moins trois conduits internes (C1-C3). 4. Sonde de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le corps (1) et certains au moins des conduits internes (C1-C9) et des fibres optiques (9 ; 9a,9b) contenues sont incurvés, avec un ou plusieurs rayons de courbure, toujours supérieurs à 400 fois le rayon (D1/2,D2/2) de gaine de la fibre. 5. Sonde de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le corps (1), et certains au moins des conduits internes (Cl à C9) et des fibres optiques (9 ; 9a,9b) contenues sont incurvés, avec deux inflexions successives contraires donnant une forme générale en S. 6. Sonde de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le corps (1) et certains au moins des conduits internes (C1-C9) présentent au moins un coude (25) ayant un rayon de courbure inférieur à 3044413 13 400 fois le rayon de gaine (D1/2,D2/2) de la fibre optique, et les fibres optiques (9 ; 9a,9b) contenues dans ces conduits internes s'interrompent avant le coude. 7. Sonde de mesure selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes, dans laquelle certaines au moins des fibres optiques (9 ; 9a,9b) présentent une constitution comprenant deux tronçons d'une même fibre optique (9), dont un tronçon court (9b,90b) disposé au bout de l'autre tronçon plus long, le tronçon court portant le capteur de pression (11a) et renfermant un milieu sensible à la pression et ayant un indice optique 10 prédéterminé, ledit milieu étant intermédiaire entre le capteur de pression et ledit autre tronçon plus long. 8. Sonde de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle certaines au moins des fibres optiques présentent une constitution comprenant deux tronçons de fibres optiques (9a,9b), dont un tronçon court 15 ( 9b) disposé au bout de l'autre tronçon plus long, lequel présente une âme (17) le tronçon court portant le capteur de pression (11 b) et renfermant un milieu sensible à la pression et ayant un indice optique prédéterminé, ledit milieu (15) étant intermédiaire entre le capteur de pression et ledit autre tronçon plus long, dont l'âme présente une section inférieure à celle dudit 20 milieu intermédiaire (15). 9. Sonde de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle certaines au moins des fibres optiques présentent une constitution comprenant un tronçon de fibre optique (9) présentant une âme (17), le tronçon étant pourvu extérieurement à une extrémité d'un capillaire (21) 25 portant le capteur de pression (11 c,11d) et renfermant un milieu sensible à la pression et ayant un indice optique prédéterminé, ledit milieu étant intermédiaire entre le capteur de pression et ladite fibre. 10. Sonde de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle certaines au moins des fibres optiques (9) 30 présentent individuellement un réseau de Bragg (23) pour l'acquisition de données liées à un paramètre physique autre que la pression. 3044413 14 11. Sonde de mesure selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, dans laquelle certaines au moins des fibres optiques (9 ; 9a,9b), et les membranes (11a-11d) que comprennent les capteurs de pression, sont à base d'un matériau tenant en température jusqu'à au moins 1100°C, tel 5 que la silice ou le saphir, ladite constitution des fibres optiques assurant des mesures de pression haute fréquences, au-delà de 10kHz. 12. Sonde de mesure (27) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle certains au moins des conduits (C1-C9) suivent des tracés torsadés.