Brevet FR3070206A1 — publié le 20190222

EQUIPEMENT DE DETECTION DE RISQUE DE GIVRAGE Domaine de l'invention La présente description concerne généralement la 5 détection des conditions de givrage et, en particulier, les conditions de givrage pour un équipement, notamment un avion. Le givrage a été identifié comme un danger important dès le début de l'aéronautique. L'accrétion de givre sur les ailes d'avion, due à la présence de gouttelettes 10 surfondues dans les nuages, cause parmi d'autres conséquences néfastes une dégradation des performances aérodynamiques pouvant conduire au décrochage. Dans l'aviation, un givrage sur un avion peut se produire lorsque les conditions atmosphériques conduisent à la 15 formation de glace sur les surfaces de l'avion. En outre, cette glace peut également se produire dans le moteur. La formation de glace sur les surfaces de l'avion, sur les entrées d'un moteur et d'autres endroits n'est pas souhaitable et potentiellement dangereuse pour l'utilisation de l'avion. 20 La formation de givre constitue un phénomène dangereux pour les aéronefs, pris en compte au sol comme en vol. Il a été constaté ces dernières années que lors du vol en altitude, ce phénomène était plus fréquent du fait peut-être du changement climatique et sûrement de l'augmentation du 25 trafic aérien dans des régions du globe où le climat est favorable à la formation de givre en altitude. Le givre présente un danger tout d'abord pour le moteur de l'aéronef. Il peut se former à l'entrée du compresseur. Si la glace s'accumule et se rompt, elle peut 30 endommager le moteur. Le givre est aussi susceptible de s'accumuler sur certaines parties de la cellule : attaque d'aile, fuselage, empennage, cockpit, etc. Cette accumulation peut avoir pour conséquence l'augmentation de la masse de l'appareil et l'altération de l'aérodynamique qui peut 2 entrainer le décrochage de l'avion. Sur les dérives et les volets la formation de glace peut réduire leur navigabilité ; sur le cockpit, la visibilité sera réduite. Les pilotes disposent de techniques pour procéder 5 au dégivrage. La technique mécanique consiste à alternativement gonfler et dégonfler des boudins pneumatiques situés au bord d'attaque des ailes. La technique thermique utilise l'air chauffé par les moteurs ou l'électricité. Les moyens électriques sont grands consommateurs d'énergie et leur 10 usage est réservé à quelques équipements tels que les antennes anémométriques, les entrées d'air, les glaces des pare-brise et les pales. L'air chauffé est quant à lui utilisé pour les bords d'attaque d'ailes et d'empennages mais aussi pour les entrées d'air des réacteurs. 15 L'imprécision des systèmes de détection actuels rend difficile la prise de décision par le pilote de la mise en oeuvre de tel ou tel système de dégivrage. Le capteur peut être pris par le givre alors que le reste de la cellule n'est 20 pas affectée. Un autre type de capteur détecte les conditions où se forme le givre. Les systèmes de détection détectent la présence de gouttelettes susceptibles de former du givre au contact de la 25 surface de l'appareil ou dans le réacteur. Ces systèmes visent à mieux gérer l'activation du dégivrage et permettront l'économie d'énergie. Des conditions de givrage peuvent se produire 30 lorsque des gouttes d'eau liquide surgelée sont présentes. Dans ces exemples illustratifs, l'eau est considérée comme étant super-refroidie lorsque l'eau est refroidie au-dessous du point de congélation indiqué pour l'eau mais qui est encore sous forme liquide. Les conditions de givrage peuvent être 35 caractérisées par la taille des gouttes, la teneur en eau 3 liquide, la température de l'air, de l'eau, et d'autres paramètres. Ces paramètres peuvent affecter le taux et l'étendue à laquelle se forme la glace sur un avion. Etat de la technique On connaît dans l'état de la technique la demande de brevet internationale WO 1991017457 décrivant un détecteur du danger de givrage pour avions utilisant des faisceaux radar à double fréquence émis en direction d'un nuage situé devant l'avion. Les signaux réfléchis à chacune des deux fréquences sont comparés et traités pour permettre une détermination de la présence, de la quantité et de l'emplacement des zones d'eau liquide dans le nuage. On peut déterminer la présence d'eau liquide car celle-ci a l'effet d'atténuer la puissance de l'un des signaux plus qu'elle n'atténue la puissance de l'autre, à cause des différentes caractéristiques d'atténuation des deux signaux aux deux dites fréquences. Un palpeur pyrométrique produit des informations relatives à la température ambiante afin de déterminer si l'eau liquide détectée est surfondue. Lors de la détection d'une quantité prédéterminée d'eau liquide et de la détermination de son état surfondu, un indicateur avertisseur permet au pilote de contourner la zone volumétrique d'eau liquide surfondue et donc d'éviter tout risque de dépôt de glace sur l'avion. On connaît aussi la demande de brevet canadienne CA 2246829 qui concerne un dispositif optique de détection de conditions givrantes embarqué dans un aéronef. Il comprend en outre: - des moyens d'émission d'un faisceau optique pour créer au moins un volume de mesure extérieur éclairé, au travers duquel circule un flux d'air chargé de particules d'eau; - une optique collectrice d'une partie au moins du faisceau lumineux rétrodiffusé par les particules d'eau (le volume de mesure extérieur étant situé sur l'axe optique de ladite 4 optique collectrice); - des moyens de photodétection de faisceau optique rétrodiffusé; - un dispositif de traitement du signal délivré par les moyens de photodétection pour calculer la sévérité des 5 conditions givrantes; - des moyens d'information sur les conditions givrantes à partir de la sévérité des conditions givrantes. Avantageusement, il comprend des moyens optiques de différenciation de particules d'eau liquide et de particules 10 d'eau solide basés sur des analyses de polarisation. On connaît aussi le brevet européen EP1183518 décrivant un dispositif pour déterminer les valeurs d'au moins un paramètre, notamment la taille, de particules, en particulier de gouttelettes d'eau. Ce dispositif comporte : 15 - un élément de mesure comprenant une zone de mesure (ZM) qui est destinée à recevoir lesdites particules ; - des moyens d'illumination (M1) susceptibles de réaliser une illumination de ladite zone de mesure (ZM) ; - des moyens de prise de vue (M2) comportant au 20 moins une caméra susceptible de prendre au moins une image de ladite zone de mesure (ZM) illuminée par lesdits moyens d'illumination (M1) ; et - des moyens de traitement susceptibles de déterminer les valeurs dudit paramètre, à partir de ladite 25 image prise par la caméra. Ces moyens d'illumination (M1) sont formés de manière à réaliser une source d'illumination ponctuelle, au moyen d'un faisceau lumineux dont les rayons lumineux (RA, RB) sont focalisés sur une optique d'objectif des moyens de prise 30 de vue (M2). Inconvénients de l'art antérieur Les différents dispositifs connus présentent divers inconvénients gênants pour l'application préférée 5 précitée. En effet, les dispositifs connus sont, en général, mal adaptés aux contraintes métrologiques et opérationnelles envisagées, en raison en particulier des difficultés suivantes : une installation longue et difficile dans un aéronef, un 5 encombrement très important, une exploitation difficile des résultats, ... De plus, la plupart de ces dispositifs connus présentent une gamme de mesure de la taille des gouttelettes, qui est réduite, et ne sont notamment pas en mesure de détecter et analyser en même temps les petites et les grosses 10 gouttelettes surfondues (eau à température inférieure à 0°C) et connues sous l'expression anglaise "Super Cooled Large Droplet", qui, comme on le sait, favorisent l'apparition de givre. Enfin, les solutions de l'art antérieur ne 15 permettent pas de déterminer en temps réel la température des gouttelettes dans la zone critique correspondant à quelques centimètres de la surface à préserver du givrage. Solution apportée par l'invention 20 Afin de remédier à ces inconvénients, la présente invention concerne selon son acception la plus générale un équipement destiné à déterminer en temps réel l'indice de réfraction des gouttelettes liquides, avec une précision suffisante pour permettre d'en déduire la température. 25 L'invention n'est pas limitée à des mesures effectuées en vol, à partir de l'avion. Elle concerne aussi l'étude du givrage en soufflerie, dans un tunnel givrant ; afin de comprendre les phénomènes et donc de définir les moyens optimum pour lutter contre lui implique des simulations 30 numériques et des expériences en soufflerie en tunnel givrant. A cet effet, l'invention concerne selon son acception la plus générale un équipement de détection de risque de givrage d'une surface exposée à un flux de 6 gouttelettes par caractérisation physique et thermochimique d'un brouillard de gouttelettes de dimensions comprises entre 1 et 500 pm, dans une zone de mesure (ZM) comprenant : - des moyens d'illumination susceptibles de réaliser une 5 illumination de ladite zone de mesure (ZM) ; - des moyens de prise de vue comportant au moins une caméra susceptible de prendre au moins une image de ladite zone de mesure (ZM) illuminée par lesdits moyens d'illumination ; et 10 - des moyens de traitement susceptibles de déterminer les valeurs dudit paramètre, à partir de ladite image prise par la caméra, caractérisé en ce que - le centre de ladite zone de mesure (ZM) est situé à 15 une distance comprise entre 50 et 750 millimètres d'une surface à protéger du givrage - lesdits moyens d'illumination comprennent au moins une source monochrome émettant dans une direction D1 - lesdits moyens de prise de vue comprenant une optique de 20 collimation et une caméra, orientées selon une direction D2 o l'angle Gamma formé entre D1 et D2 est égal à (Alpha ± Béta) + Théta o où 25 - Alpha correspond à 180° moins l'angle d'arc en ciel principal correspondant à l'indice de réfraction du composant desdites gouttelettes - Béta correspond à l'ouverture de l'optique de collimation 30 - Théta est une valeur comprise entre 0 et 20° - l'équipement comportant en outre un circuit de traitement de l'image transmise par la caméra et un calculateur pour commander la numérisation et l'enregistrement les images dans une mémoire locale et pour commander : 7 o l'extraction d'une ligne transversale i de pixels P représentative de l'image numérisée (l'image peut être intégrée sur une certaines hauteur de pixel pour prendre en compte les différentes 5 sensibilité des pixels) o établir une table [Pi, , I ] de l'intensité des pixels de cette ligne o affecter à chacun desdits pixels Pi,j l'angle de diffusion O. associé et construire une table [Oi, I]] 10 o calculer à partir de cette table [Oi, I]] l'indice de réfraction et la distribution de taille des particules. De préférence, l'étape de caractérisation des particules consiste à comparer ladite table [Oi, I]] avec une 15 collection de tables associées à des classes de particules. Avantageusement, l'étape de caractérisation des particules consiste à calculer à partir de cette table [0], I]] l'indice de réfraction et la distribution de taille des 20 particules. Selon un mode de réalisation particulier, ladite étape de calcul de l'indice de réfraction et la distribution de taille des particules comprend. 25 o une étape d'estimation d'un indice de référence INDref, déterminé en fonction de ladite distribution mesurée et la loi théorique d'optique générique associant un indice et une distribution théorique o on calcule, pour N classes Cy de tailles de 30 particules, le nombre de particules Px appartenant à la classe C. par une inversion matricielle [Ii] = [OiCy]. L'invention concerne également un procédé d'étude 35 des phénomènes de givrage d'une pièce caractérisé en ce que 8 l'on place ladite pièce dans une soufflerie givrante produisant un brouillard de gouttelettes de dimensions comprises entre 1 et 500 pm, et en ce que l'on réalise la caractérisation physique et thermochimique de ladite pièce à 5 l'aide d'un équipement de détection de risque de givrage d'une surface exposée à un flux de gouttelettes conforme à l'invention. L'invention concerne aussi un procédé d'alerte des risques de givrage du bord d'attaque d'une aile d'un aéronef 10 caractérisé en ce que l'on réalise la caractérisation physique et thermochimique d'une partie dudit bord d'attaque à l'aide d'un équipement de détection de risque de givrage d'une surface exposée à un flux de gouttelettes conforme à l'une au moins des revendications 1 à 4. 15 Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif 20 de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où : - la figure 1 représente une vue schématique d'un équipement selon l'invention. L'équipement selon l'invention est constitué par au 25 moins une source lumineuse monochromatique (1), dans l'exemple décrit un laser et un ensemble optique de prise de vue (2) comportant une caméra (3). Le faisceau laser (4) est dirigé vers une zone de mesure (5) située en avant d'une surface (6) à protéger du 30 givrage, par exemple le bord d'attaque d'une aile d'avion. L'axe optique (7) de l'ensemble optique de prise de vue (2) forme avec l'axe optique (8) un angle Gamma égal à (Alpha ± Béta) + Théta - où 9 o Alpha correspond à 1800 moins l'angle d'arc en ciel principal correspondant à l'indice de réfraction du composant desdites gouttelettes o Béta correspond à l'ouverture de l'optique de 5 collimation o Théta est une valeur comprise entre 0 et 20°. L'ensemble optique de prise de vue comprend un objectif (9) focalisé dans la zone de mesure (5), un diaphragme (10) formant une fente perpendiculaire au plan 10 défini par les axes optiques (7, 8) et une lentille de sortie (11), ainsi qu'une caméra (3). Le plan focal de l'ensemble optique est situé à une distance comprise entre 50 et 750 millimètres de la zone à protéger du givrage de façon à mesurer la température des 15 particules incidentes, et fournir une information en temps réelle sur le risque de givrage, permettant de commander la mise en fonction des équipements de chauffage ou d'excitation mécanique. L'image acquise par la caméra résulte de la 20 réfraction du faisceau laser (4) dans les gouttelettes. L'angle de réfraction à l'intérieur de chaque gouttelette est fonction principalement de la section de la gouttelette, de la longueur d'onde et de l'indice de réfraction, qui dépend de la température de la gouttelette. Toutefois, la variation de 25 l'indice de réfraction en fonction de la température est très faible, et nécessite une mesure de grande précision. A titre d'exemple, pour des particules d'eau : Longueur d'onde Température 0 °C 20 °C 50 °C 100 °C 226 1 013,9 nm 1,33432 1.33298 1,32937 ,31861 1,39450 1,39336 1,38854 ,37547 32612 ,32524 1,32145 1,31114 10 L'image observée par la caméra (3) présente des franges d'interférence avec une alternance de bandes sombres et de bandes claires. 5 Pour extraire l'information permettant de caractériser les particules dans la zone de mesure, on procède à un premier traitement pour extraire une ligne j de pixels représentative de l'image, parallèle au plan défini par l'axe (8) du laser et l'axe (7) de l'ensemble optique. 10 La ligne j représentative sélectionnée est celle présentant le plus grand contraste. On enregistre la courbe d'intensité correspondant à cette ligne pour déterminer un profil en forme de cloche, dont la position du pic détermine l'indice de réfraction et le 15 facteur de forme dépend de la distribution de tailles des particules présentes dans la zone de mesure. L'analyse de cette courbe peut être réalisée par différentes méthodes. Elle peut être réalisée par comparaison avec une 20 base de courbes associées à des classes de particules, par exemple par des solutions de moindres carrées ou par un réseau bayésien. Elle peut aussi être réalisée par un traitement consistant à procédé à une étape d'estimation d'un indice de 25 référence INDref, déterminé en fonction de ladite distribution mesurée et la loi théorique d'optique générique associant un indice et une distribution théorique et une étape de calcul pour N classes Cy de tailles de particules, le nombre de particules Px appartenant à la classe C. par une inversion 30 matricielle [Ii] = [OiCy]. REVENDICATIONS1 - Equipement de détection de risque de givrage d'une surface exposée à un flux de gouttelettes par caractérisation physique et thermochimique d'un brouillard de gouttelettes de dimensions comprises entre 1 et 500 pm, dans une zone de mesure (ZM) comprenant : - des moyens d'illumination (1) susceptibles de réaliser une illumination de ladite zone de mesure (ZM) ; - des moyens de prise de vue (2) comportant au moins une caméra (3) susceptible de prendre au moins une image de ladite zone de mesure (ZM) illuminée par lesdits moyens d'illumination ; et - des moyens de traitement (4) susceptibles de déterminer les valeurs dudit paramètre, à partir de ladite image prise par la caméra (3), caractérisé en ce que - le centre de ladite zone de mesure (ZM) est situé à une distance comprise entre 50 et 2000 millimètres d'une surface à protéger du givrage - lesdits moyens d'illumination comprennent au moins une source monochrome émettant dans une direction D1 (8) - lesdits moyens de prise de vue (2) comprenant une optique de collimation et une caméra, orienté selon une direction D2 (7) o l'angle Gamma formé entre D1 et D2 estégal à (Alpha ± Béta) + Théta o où - Alpha correspond à 180° moins l'angle d'arc en ciel principal correspondant à l'indice de réfraction du composant desdites gouttelettes - Béta correspond à l'ouverture de l'optique de collimation - Théta est une valeur comprise entre 0 et 20° 12 - L'équipement comportant en outre un circuit de traitement de l'image transmise par la caméra et un calculateur pour commander la numérisation et l'enregistrement les images dans une mémoire locale et pour commander : 5 o L'extraction d'une ligne transversale i de pixels représentative de l'image numérisée o Etablir une table [Pi, , I ] de l'intensité des pixels de cette ligne o affecter à chacun desdits pixels P1 l'angle de 10 diffusion O. associé et construire une table [Oi, I]] o caractériser à partir de cette table [Oi, I ] les particules présentes dans la zone de mesure. 2 - Equipement de détection de risque de givrage 15 selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de caractérisation des particules consiste à comparer ladite table [Oi, I]] avec une collection de tables associées à des classes de particules. 20 3 - Equipement de détection de risque de givrage selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de caractérisation des particules consiste à calculer à partir de cette table [0], I]] l'indice de réfraction et la distribution de taille des particules. 25 4 - Equipement de détection de risque de givrage selon la revendication 3 caractérisé en ce que ladite étape de calcul de l'indice de réfraction et la distribution de taille des particules comprend. 30 o une étape d'estimation d'un indice de référence INDref, déterminé en fonction de ladite distribution mesurée et la loi théorique d'optique générique associant un indice et une distribution théorique o on calcule, pour N classes Cy de tailles de particules, le nombre de particules Px appartenant à 13 la classe C. par une inversion matricielle [Ii] = [OiCy]. 5 - Procédé d'étude des phénomènes de givrage d'une 5 pièce caractérisé en ce que l'on place ladite pièce dans une soufflerie givrante produisant un brouillard de gouttelettes de dimensions comprises entre 1 et 500 pm, et en ce que l'on réalise la caractérisation physique et thermochimique de ladite pièce à l'aide d'un équipement de détection de risque 10 de givrage d'une surface exposée à un flux de gouttelettes conforme à l'une au moins des revendications 1 à 4. 6 - Procédé d'alerte des risques de givrage du bord d'attaque d'une aile d'un aéronef caractérisé en ce que l'on 15 réalise la caractérisation physique et thermochimique d'une partie dudit bord d'attaque à l'aide d'un équipement de détection de risque de givrage d'une surface exposée à un flux de gouttelettes conforme à l'une au moins des revendications 1 à 4. 20