CH635685A5 - Transducteur anemometrique directionnel a perte de chaleur. - Google Patents

Description

La présente invention concerne des appareils anémométri-ques pour déterminer le mouvement d'une masse fluidique entourant un transducteur ou inversément, le mouvement du transducteur à travers un fluide. L'invention concerne plus particulièrement un transducteur anémométrique à perte de chaleur pour détecter à la fois la vitesse et la direction du mouvement d'un fluide tel qu'un liquide ou un gas dans lequel ledit transducteur est immergé.

Il est connu d'utiliser dans le domaine des appareils anémo-métriques des transducteurs à fil chaud ou des transducteurs à film chaud. Des exemples de ces détecteurs anémométriques thermiques et des circuits y relatifs sont décrits dans les brevets US Nos 3 138 025, 3 333 470,3 352 154,3 604 261, 3 900 819 et 4 024 761. La présente invention élimine plusieurs désavantages ou manquements relevés dans les détecteurs anémométriques de l'art antérieur.

Deux défauts significatifs peuvent être observés comme étant caractéristiques des transducteurs de l'art antérieur: premièrement leur relative insensibilité à des angles de flux faibles qui sont parallèles ou pratiquement parallèles à l'axe principal du transducteur et deuxièmement leur propension à donner des réponses de vitesse variant d'un côté à l'autre du transducteur. Un transducteur idéal présentera des croisements axiaux doux et propres lorsque la caractéristique polaire de la réponse est affichée ou représentée graphiquement. Les transducteurs de Fart antérieur utilisent souvent des artifices tels que l'introduction de signaux électriques «vibrants» pour aider la commutation des lobes d'un côté à l'autre. Ceci conduit à un signal de vitesse synthétisé le long de la région axiale traversée plutôt qu'à un signal véritablement dérivé du transducteur lui-même.

La présente invention utilise une paire de conducteurs détecteurs de direction qui tirent avantage du courant naturel turbulent, survenant virtuellement lorsqu'un quelconque corps géométrique est placé dans le fluide en mouvement. En arrangeant le positionnement géométrique de la paire de conducteurs de détection par rapport à ce corps de manière appropriée, on introduit un signal aérodynamique «vibrant» dans le signal de sortie de détection de la direction dès que l'angle fait par le flux est faible. En fait, une quantité variable de turbulence aléatoire est ajoutée à la sortie de la paire de conducteurs de détection comme une fonction de l'angle d'incidence. Une faible turbulence est introduite pour un flux normal à l'axe principal du transducteur. Un flux prononcé, depuis l'un ou l'autre des côtés, fait que le courant turbulent auto-généré est entraîné loin des éléments du transducteur.

La présente invention utilise un détecteur cylindrique de vitesse indépendant comme partie du transducteur, de sortie que la réponse du détecteur de vitesse d'un côté à l'autre est appariée de manière idéale. Cet appariement survient parce que le même élément détecteur est utilisé pour toutes les mesures de vitesse.

La structure physique du transducteur est assez solide et peut être utilisée dans des fluides plus denses que l'air. Lorsque le transducteur est utilisé dans l'eau de mer ou l'eau fraîche, on utilise en généra! des températures de fonctionnement pour conducteur plus basses. Des températures de fonctionnement pour les transducteurs dans l'air sont en général de l'ordre de 25 °C à plus de 150 °C au-dessus de la température ambiante. Lorsque le transducteur est utilisé dans l'eau, les températures appropriées sont de l'ordre de 10 °C à 25 J au-dessus de la température ambiante de l'eau. Lorsque l'on s'attend à des méfaits de l'environnement nécessitant une extrême solidité, les performances peuvent être quelque peu compromises en utilisant la paire de conducteurs pour mesurer à la fois la direction et 5 la vitesse. Dans un tel cas, la paire d'éléments détecteurs de vitesse est physiquement montée sous le côté protégé du vent de la barre centrale de support.

Le transducteur anémométrique directionnel à fil chaud est défini à la revendication 1. Selon une forme d'exécution de 10 l'invention, chacun de ces conducteurs électriques contient un substrat cylindrique, creux, tubulaire, réfractaire et non conducteur, dépassant la longueur du conducteur, un film résistif conducteur ayant un coefficient de température non nul adhéré sur la surface extérieure du substrat et s'étendant sur toute sa longueur et une couche protectrice générale qui s'étend en continu sur toute la surface extérieure du film résistif conducteur sur toute sa longueur. Dans une autre forme d'exécution, les conducteurs électriques sont des fils de section droite pleine. Un support cylindrique est disposé le long entre les deux conducteurs résistifs électriques. Le support peut être droit ou bien il peut avoir une portion intermédiaire droite et deux portions recourbées pour former un U. Les conducteurs électriques sont disposés parallèlement, séparés dans une certaine mesure et montés parallèlement à proximité de la portion intermédiaire droite du support cylindrique. Des ponts de connexion sont efficacement disposés entre chacun des conducteurs électriques et le support central, le plan contenant les axes centraux parallèles des deux conducteurs étant perpendiculaire au plan défini par 3o l'axe du support central. Les ponts de connexion ferment l'espace entre lesdits conducteurs et le support central, empêchant ainsi que le fluide ne contourne complètement un seul des conducteurs de la paire, étant ainsi indépendant de l'autre. Les deux conducteurs sont supportés dans la partie protégée du support cylindrique. Chacun des conducteurs électriques dispose de connexions électriques, ce qui permet à chaque conducteur d'être chauffé électriquement par un courant le traversant.

Dans le dessin annexé représentant des formes d'exécution, données à titre d'exemples:

40 la figure 1 est une vue en perspective d'un transducteur anémométrique directionnel à perte de chaleur, réalisé selon les principes de la présente invention;

la figure 2 est une vue en coupe de la structure du transducteur selon la ligne 2-2 de la figure 1 ;

45 la figure 3 est une vue en perspective d'une deuxième forme d'exécution d'un transducteur réalisé selon les principes de la présente invention et qui utilise un troisième élément cylindrique de détection comme détecteur séparé de la vitesse ;

la figure 4 est une vue en coupe du transudcteur selon la 50 ligne 4-4 de la figure 3 ;

la figure 5 est une vue en coupe similaire à la figure 4 et illustrant une troisième forme d'exécution où le troisième élément cylindrique est relié physiquement au support;

la figure 6 est une vue en coupe semblable à la figure 5 et 55 illustrant une quatrième forme d'exécution où le troisième élément cylindrique de détection est un fil plutôt qu'un film de détection ;

la figure 7 est une vue en coupe semblable à la figure 2, illustrant une cinquième forme d'exécution où les deux éléments 60 sont des fils plutôt que des films;

la figure 8 est une vue en coupe, semblable à la figure 5 et illustrant une sixième forme d'exécution où les trois éléments sont des fils plutôt que des films;

la figure 9 est une vue en coupe semblable à la figure 4 et 65 illustrant une septième forme d'exécution où les éléments de détection de la direction sont des fils plutôt que des films ;

la figure 10 est une vue en perspective d'un transducteur réalisé selon les principes de la présente invention et illustrant

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une huitième forme d'exécution qui utilise une barre droite qué, en plastique ou en un autre matériau rigide pouvant pren-

comme support ; dre la forme présentée à la figure 1, fournissant ainsi les moyens la figure 11 représente un schéma électrique simplifié qui de montage et de support mécanique à l'ensemble du transduc-

illustre les moyens d'excitation et de lecture destinés à un trans- teur 10. Le support 15 fournit aussi le moyen de perturber ducteur à deux éléments tel qu'illustré aux figures 1 et 10 ; s aérodynamiquement le flux final le long des éléments 11 a et 1 lb la figure 12 représente un schéma électrique illustrant les montés directement à l'intérieur de la forme en U du support 15

moyens d'excitation et de lecture destinés à un transducteur à et parallèlement le long de la partie centrale ou de la barre 15.

trois éléments tel que celui de la figure 3 ; Un diamètre typique de la section du support 15 est deux, trois la figure 13 est une vue en perspective d'un transducteur ou plusieurs fois le diamètre des éléments sensibles lia et 11b et réalisé selon les principes de la présente invention illustrant une io dans la configuration des figures 1 et 2, le diamètre est environ neuvième forme d'exécution qui utilise deux paires d'éléments de 1,6 à 1,8 mm. Le fonctionnement de chaque conducteur de la cylindriques, ou quatre éléments, pour détecter à la fois la vi- paire d'éléments sensibles à la direction 1 la et 1 lb sera le même tesse et la direction du fluide; lorsque le flux incident est contenu dans le plan défini par l'axe la figure 14 est une vue en coupe du transducteur selon la 21 de la forme en U du support 15, axe représenté à la figure 2

ligne 14-14 de la figure 13 ; et comme un plan vertical.

la figure 15 est une représentation graphique polaire de la Comme le montre la figure 2, l'élément sensible 1 la consiste réponse directionnelle du transducteur de la figure 13. en un substrat 18a fin, cylindrique, en oxyde d'aluminium dense

Référons-nous maintenant aux figures et plus particulière- réfractaire, non poreux, tubulaire, creux et non conducteur, sur ment à la figure 1, où le numéro de référence 10 désigne en la surface duquel est déposé par cuisson, par frittage ou par général un transducteur anémométrique directionnel à perte de 20 d'autres moyens de dépôt un film mince ou une couche de pla-chaleur, fabriqué selon les principes de la présente invention. Le tine 19a. Le substrat 18a peut être réalisé à partir d'autres maté-

transducteur 10 comprend deux éléments sensibles cylindriques riaux non conductibles appropriés tels que du silicate d'alumi-

et parallèles, en général désignés par les numéros de référence nium ou de l'aluminium oxydé anodiquement, ou d'autres maté-

1 la et 1 lb, qui sont des éléments résistifs sensibles, dont la riaux de céramique. La couche 19a comporte en outre une longueur est sensiblement plus grande que leur diamètre. Plus 25 couche 20a de silice fondue, de verre, d'oxyde d'aluminium, de particulièrement les éléments sensibles 1 la et 1 lb ont un dia- «TEFLON» ou d'autres matériaux protecteurs qui proudisent mètre extérieur de 0,6 mm et une longueur de 25 mm, compor- une abrasion et garantissent une protection pour le film de métal tant ainsi un rapport de la longueur au diamètre de 42 à 1. 19a. Une dimension spécifique pour le substrat 18a est un dia-

Comme le montrent les figures 1 et 2, les éléments lia et 11b mètre cylindrique de 0,6 mm avec un diamètre d'alésage de sont physiquement séparés l'un de l'autre et sont reliés ou con- 30 o,3 mm et une longueur d'environ 25 ou 30 mm. L'épaisseur du nectés selon leur longueur à un support cylindrique, désigné métal 19a est plus particulièrement de l'ordre de 2 à 10 microns généralement par le numéro de référence 15, au moyen de ponts et peut varier en fonction de la méthode de recouvrement utili-

12a et 12b. Les éléments sensibles lia et 11b sont de construc- . sée. Une couche 19a dense et homogène d'une structure de tion similaire et sont séparés thermiquement. grain uniforme aura pour conséquence un film de résistance

La paire d'éléments sensibles 1 la et 1 lb sont montés au- 35 inférieure pour une épaisseur donnée. L'élément sensible 11b dessous et parallèlement au support 15. Le corps des éléments est de la même construction que l'élément 1 la et le même nu-

sensibles 1 la et 11b comporte, à une de ses extrémités, des mèro de référence a été utilisé, suivi de la lettre minuscule «b».

moyens de connexion 13a et 13b et des fils connectés 17a et Une dissertation détaillée sur les matériaux et les techniques

17b, et à son autre extrémité des mêmes moyens de connexion et méthodes de construction des films se trouve dans les pages

14a et 14b et des mêmes fils connectés 16a et 16b. 40 3 58 à 365 d'un livre intitulé «Resistance Temperature Transdu-

Le support 15 est présenté comme un fil rigide en forme de cers» de Virgil A. Sandborn de l'université de l'Etat du Colora-

U, en acier inoxydable ou plaqué. Le support 15 comporte une do, publié par «Meteorology Press, Fort Collins, Colorado»,

partie centrale 15a et des parties intégrantes de montage 15b et Comme le montre la figure 2, on empêche le flux transversal

15c. Les parties d'extrémités 15b et 15c sont perpendiculaires à entre les éléments lia, 11b et la portion de support 15a par la partie centrale 15a. Les parties extrêmes 15b et 15c suppor- 45 l'utilisation de ponts 12a et 12b. Le matériau utilisé pour les tent le transducteur 10 en position de travail. Le corps des élé- ponts 12a et 12b peut être un matériau flexible, adhésif et ther-

ments sensibles 11 a et 1 lb est recouvert uniformément d'un miquement isolant tel qu'un adhésif de caoutchouc de silicone film résistif, et les moyens de connexion 13a, 13b, 14a et 14b vulcanisant à la température ambiante, par exemple du «Dow sont faits d'un matériau similaire pour éviter des effets de Corning 732», qui sert à boucher fermement l'ouverture entre le thermocouple à leur jonction, pour ainsi produire un niveau de 50 support 15a et les éléments lia et 11b. D'autres matériaux bruit intrinsèque du transducteur le plus bas possible. Les con- peuvent être utilisés, tels qué du «TEFLON» ou de la résine de ducteurs 16a, 16b, 17a et 17b sont donc fabriqués d'un matériau silicone. Les ponts 12a et 12b peuvent être formés en trempant qui est similaire à celui utilisé pour les moyens de connexion le transducteur tout entier dans un matériaux non durci, puis en 13a, 13b, 14a et 14b, pour produire le plus grand rapport signal/ le laissant se durcir.

bruit possible, permettant ainsi le plus grand champ de travail 55 Comme les ouvertures à boucher sont usuellement plus pe-dynamique possible. Le matériau utilisé en général est du pia- tites qu'un millimètre, la forme de la section droite de chaque tine recuit ou d'autres métaux tels que du nickel. D'autres maté- pont 12a et 12b peut être déterminée par des effets de tension riaux qui peuvent être utilisés pour les éléments sensibles 1 la et de surface sans pour autant diminuer les performances du trans-11b sont décrits dans le brevet US No 3 352 154. ducteur. L'ouverture entre chaque élément sensible 1 la, 1 lb et La figure 2 illustre une vue en coupe d'un transducteur ané- 60 la portion de support 15a est utilisée pour empêcher des pertes mométrique directionnel à perte de chaleur 10 tel que repré- de chaleur excessives et non productives depuis les éléments senté à la figure 1. Le dimensionnement des parties du transduc- sensibles vers la portion de support 15a. L'ouverture fournit teur 10 peut être déterminé en se basant sur le diamètre de la également un moyen pour générer un flux non symétrique autoportion centrale 15a qui est, comme représenté, approximative- ur des éléments sensibles couplés lia et 1 lb, de manière à ment de 1,6 à 1,8 mm. 65 permettre une détermination différentielle de la direction du

Comme le montre la figure 2, les éléments 11 a et 11 b sont flux. L'ouverture entre les éléments sensibles 11 a, 11 b et la supportés axialement le long de la partie centrale 15a du sup- portion de support 15a est en général inférieure au diamètre de port. Ce dernier peut être en acier, en acier inoxydable ou pia- chaque élément sensible. En se fondant sur la vitesse maximale

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à mesurer pour un flux donné, il est possible de ne pas utiliser un pont 12a ou 12b si la surface de l'élément sensible llaou 11b est suffisamment proche du support de manière que l'élément sensible est bien à l'intérieur des limites de la portion de support 15a, causant ainsi une haute résistance au flux entre la portion 5 15a et l'élément sensible. Ceci peut détourner le flux connecté autour des éléments sensibles lia et 11b, ce qui est nécessaire pour permettre une détermination de la direction. Le même effet peut également être obtenu par une modification de la géométrie de la section droite de la portion de support 15a. En io tout cas, une nette différence de flux autour des éléments sensibles couplés 1 la, 11b en relation avec la portion centrale 15a doit être réalisée pour que la paire d'éléments puisse effectivement détecter une différence de flux à partir de l'un ou l'autre des côtés du transducteur 10. is

Comme le montre la figure 2, l'axe central 21 de la portion centrale 15a divise en son milieu l'angle 0 formé des axes 22a et 22b des éléments sensibles. L'angle 0 devrait être assez large pour empêcher que l'élément 1 la ne vienne en contact avec l'élément 1 lb et ne devrait pas excéder 60°, afin de ne pas 20 permettre aux éléments 11 a et 1 lb de venir dans la région de stagnation de la portion centrale 15a lorsque celle-ci est ventilée par le flux à l'intérieur du plan défini par les axes parallèles des éléments 1 la et 1 lb. Pour les proportions illustrées où le diamètre de la portion centrale 15a est environ trois fois le diamètre 25 des éléments sensibles lia et 1 lb, une valeur pratique pour 0 est 30°. Plus précisément, la portion centrale 15a est deux à quatre fois le diamètre des éléments sensibles 1 la et 1 lb, ceci pour fournir une structure rigide et générer un courant turbulent qui passe par dessus les éléments 1 la et 1 lb lorsque le flux du 30 fluide passe transversalement à la portion centrale 15a pour venir contre les éléments 1 la et 11b.

Plus précisément, la résistance de platine des films 19a et 19b pour un transducteur 10 tel que décrit est de l'ordre de 2 à 6 ohm à température ambiante. La résistance du film est détermi- 35 née de manière optimale par les caractéristiques du régulateur électronique utilisé pour commander le transducteur 10, et des facteurs tels que la tension d'alimentation disponible, les types d'amplificateur utilisés, le mode de fonctionnement choisi et autres paramètres qui sont tous sous contrôle de celui qui di- 40 mensionne l'instrument.

Pour les éléments 11 a et 1 lb un grand rapport entre la longueur et le diamètre de l'élément produira une sensibilité angulaire du flux d'air ou du fluide lorsque le vecteur du flux quitte perpendiculairement les axes cylindriques des éléments 45 1 la et 1 lb. La direction est déterminée par les éléments lia et 1 lb lorsque le flux incident varie de 360° dans le plan contenant les axes parallèles des éléments 1 la et 1 lb. Le sens du signe de la direction peut être déterminé par mesure éléctrique du changement dans les valeurs relatives des résistances de chaque élé- 50 ment sensible 1 la et 1 lb lorsqu'elles sont comparées l'une avec l'autre dans un circuit en pont. Une description excellente de cette technique est fournie aux pages 77 à 80 du livre «Hitzdraht und Hitzfilmanemometrie» von Dr. Ing. Herbert Strickert, publié en 1974 par VEB Verlag Technik, Berlin.

La figure 3 est une vue en perspective d'un transducteur à fil chaud 10a du type décrit à la figure 1, et modifié en ce sens qu'un troisième élément sensible et cylindrique 1 le est monté au-dessus et parallèlement à la portion de support 15a, de telle manière que l'élément 11 c se trouve à égale distance des élé- 60 ments 1 la et 1 lb et parallèle à ceux-ci.

La figure 4 est une vue en coupe du transducteur 10a et les mêmes signes de référence que ceux des figures 1 et 2 sont utilisés pour désigner les parties identiques dans le transducteur 10a. L'élément sensible 1 le est légèrement plus long que la 65 portion centrale de support 15a du support 15 et comporte des moyens de connexion 13c et 14c à chaque extrémité, ainsi que des fils de connexion 17c et 16c, l'ensemble étant d'une structu-

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re similaire aux éléments 1 la et 1 lb. Aucun pont ou adhésif de connexion n'est utilisé comme les ponts 12a et 12b pour les éléments lia et 11b.

Le troisième élément sensible 11c travaille en cylindre ouvert sur sa longueur, fonctionnant ainsi comme élément sensible à la vitesse comportant une caractéristique de réponse directionnelle, pour déterminer exclusivement le signe comme une conséquence de son grand rapport entre sa longueur et son diamètre, ceci d'une façon pratiquement identique aux éléments lia et 11b. Le flux, depuis des directions opposées à travers le cylindre libre, produit des résultats identiques si l'élément sensible 11c est fabriqué uniformément. User d'une telle approche pour déterminer la vitesse évite toute différence d'un côté à l'autre lorsque le flux est dirigé vers l'élément sensible 11c depuis tous les angles du plan parallèle au plan contenant les axes de la paire lia et 11b. Par conséquent, il est possible d'arriver à un excellent résultat avec une loi cosinusoïdale où la sortie est maximale lorsque le flux arrivant est perpendiculaire à l'axe de l'élément 11c et minimale lorsque le flux arrivant est parallèle à l'axe de longueur de l'élément 11c.

Des supports mécaniques peuvent être agencés au troisième élément 11c en fixant les fils conducteurs 16c et 17c aux parties de support 15b et 15c au moyen d'un adhésif similaire à celui utilisé pour les ponts 12a et 12b, l'adhésif étant appliqué à l'une ou l'autre des extrémités de l'élément 11c.

La figure 4 illustre une section droite typique pour un anémomètre directionnel à perte de chaleur 10a du type représenté à la figure 3. Le troisième élément ajouté 1 le est présenté placé au-dessus de la portion centrale 15a. Un film de platine 19c est appliqué à un substrat 18c et est protégé par une couche ou un film 20c de la même manière que les éléments lia et 11b. On remarquera qu'il y a un espace vide entre le troisième élément 1 le et la portion centrale 15a. La configuration du transducteur montré à la figure 4 assure une sensibilité à la vitesse optimale avec une perte de chaleur minimale par conduction à travers les ponts vers le support 15.

La figure 5 illustre la section droite d'un transducteur à trois éléments modifié 10b qui est le même que le transducteur 10a de la figure 4, mais avec en plus un pont de liaison 12c entre le troisième élément sensible 11c et la portion de support centrale 15 a. Les mêmes numéros de référence que ceux figurant dans les figures 3 et 4 sont utilisés pour désigner les différentes parties du transducteur 10b.

La figure 6 illustre une autre configuration d'un transducteur à trois éléments 10c, où l'élément sensible à la vitesse représenté comme l'élément supérieur 11c dans la figure 3 est remplacé par un élément en forme de fil sensible long et fin 23c, que l'on voit relié par des moyens adhésifs 12c à la portion centrale 15a. L'élément en forme de fil 23c peut être fabriqué à partir de matériaux appropriés tels que du platine, du tungstène, des alliages de métal noble, du nickel et des alliages de nickel. Un fil de platine ayant un diamètre de 0,0254 mm et une longueur de 25,4 mm aura une résistance à température ambiante de l'ordre de 5 ohms. Certains alliages auront une résistance à température ambiante plus élevée, mais auront des coefficients de température de résistance plus bas que le métal pur. Le tungstène est plus dur que le platine, mais s'oxyde un peu; il a néanmoins trouvé une large utilisation dans le domaine des anémomètres à perte de chaleur à chause de sa capacité de pouvoir être utilisé facilement pour de petits dimensionnements. Le pont 12c aide à supporter matériellement l'élément de fil fin 23c. Des fils de plus large diamètre peuvent être utilisés, pour autant que le dimensionnement du régulateur électrique soit ajusté pour s'accomoder à la résistance sensiblement plus basse de l'élément sensible 23c. Les éléments directionnels 1 la et 1 lb sont représentés dans la même configuration que celles décrites dans les figures 1 et 2.

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Une excellente dissertation sur l'utilisation et la fabrication La figure 11 est un diagramme schématique d'un circuit de de fils chauds est contenue dans le chapitre 5 du livre déjà cité: lecture et d'excitation électrique, qui peut être utilisé pour com-«Resistance Temperature Transducers» par Virgil A. Sandborn, mander un transducteur à deux éléments, tels que ceux illustrés et le chapitre 2 du livre déjà cité «Hitzdraht- und Hitzfilmane- aux figures 1,7 et 10, et qui peut être utilisé pour fournir à la mometrie» par H. Strickert. Bien que ce dernier livre contienne 5 fois des signaux de vitesse et de direction à partir du transduc-

moins d'informations pratiques que le premier, il explore de teur commandé. La paire d'éléments sensibles à la direction lia manière plus approfondie l'utilisation et l'application de fils et et 1 lb, ou 23a et 23b, est montrée connectée comme deux des de films chauds en anémométrie. quatre bras d'un pont de Wheatstone, les deux autres résistances

La figure 7 illustre une vue en coupe d'un transducteur à du pont étant les résistances 25 et 26. Les résistances 25 et 26

deux éléments lOd, ce dernier étant le même que le transduc- io sont utilisées pour équilibrer le pont lorsque le fluide entourant teur 10 des figures 1 et 2, mais comportant à la place des élé- le transducteur est au repos ou à vitesse nulle. L'excitation du ments lia et 11b des fils sensibles 23a et 23b. Des fils conduc- pont de la figure 11 est fournie aux connexions 29 et 30 et teurs 24a et 24b sont attachés aux fils 23a et 23b respectivement l'équilibrage du pont est détecté entre les points 27 et 28 et est

à chacune de leurs extrémités par des moyens appropriés, par amplifié par un amplificateur différentiel 37 fournissant ainsi un soudage ou par brasage. Les mêmes numéros de référence tels is signal 38 déterminant le degré d'équilibre ou de déséquilibre du que ceux utilisés dans les figures 1 et 2, sont utilisés pour dési- pont sensible à la direction. Le signal 38 traduit le déséquilibre gner les diverses parties du transducteur 1 Od. L'utilisation de fils en se balançant soit vers une polarité positive soit vers une sensibles devrait permettre une réduction substantielle de la polarité négative lorsque l'un ou l'autre des éléments 11 a ou taille globale du transducteur. Aussi longtemps que le support 11b est ventilé à une plus grande vitesse. Le pont formé par les

15 a une intégrité mécanique suffisante pour supporter l'ensem- 20 résistances 25 et 26 et la paire d'éléments 1 la et 1 lb peut être ble du transudcteur il peut être utilisé pour positionner les deux considérée électriquement comme une résistance unique qui de-

éléments sensibles 23a et 23b l'un par rapport à l'autre. A cause vient à son tour un bras d'un second pont de Wheatstone. Ce des dimensions réduites des fils actuellement disponibles sur le dernier est formé d'une résistance de puissance 31 en série avec marché et des techniques de microfabrication, on peut fabriquer le premier pont, et des résistances 32 et 33 utilisées pour équili-

des transducteurs pratiques de petite taille d'une grandeur ap- 25 brer le second pont à un point de travail déterminé par la valeur prochant celle d'un grain de riz. des résistances 32 et 33. Soit l'une des résistances 32 ou 33 peut

La figure 8 illustre une vue en coupe d'un transducteur mo- être variée au moment du dimensionnement du pont, soit un difié à trois éléments 10e, lequel est le même que celui de la potentiomètre ou une résistance variable peut être utilisé pour figure 5, mais dans lequel on utilise trois fils sensibles 23a, 23b l'une ou l'autre résistance, mais pas pour les deux. Ceci permet et 23c, qui remplacent les éléments à films sensibles 11 a, 1 lb, 30 de choisir le point de fonctionnement et la sensibilité de l'instru-

11c. Les mêmes numéros de référence que ceux des figures 5 et ment. L'amplificateur 35 est un amplificateur différentiel com-

7 sont utilisés pour désigner les différentes parties du transduc- portant un haut courant de sortie qui est restitué en boucle teur 10e. Les trois fils sensibles 23a, 23b et 23c sont représentés. fermée au pont au point 40. L'entrée de l'amplificateur 35 est connectés à la portion centrale 15a par des ponts 12a, 12b et prise au pont aux points 30 et 34 et il faut faire attention au

12c. Des fils conducteurs 24a, 24b et 24c sont attachés aux 35 moment du phasage pour assurer qu'un retour négatif soit uti-

extrémités de leurs éléments respectifs 23a, 23b et 23c, par des Usé.

moyens appropriés, par soudage ou brasage. Les fils conduc- L'amplificateur différentiel 36 est connecté aux points 29 et teurs 24a, 24b et 24c peuvent être du même matériau que les 30 et est utilisé pour déterminer la vitesse du fluide contre les

éléments sensibles 23a, 23b et 23c, mais d'un diamètre substan- éléments 1 la et 1 lb, comme s'ils constituaient un seul élément,

tiellement plus large, afin de permettre une utilisation aisée et 40 Les éléments 1 la et 1 lb et les résistances 25 et 26 apparaissent une réduction de leur résistance. à l'amplificateur 36 comme une source résistive unique sensible

La figure 9 illustre une section droite d'un transducteur à à ™ variation de chaque partie qui la constitue. Les éléments trois éléments modifié lOf, qui est le même que le transducteur senslbles lla et llb,S01* en fait,des résistances a coefficient de

10a de la figure 4, mais qui utilise un élément àfilm sensible 11c temPfraturenon nul et lorsque 1 on utilise du platine pour le pour la mesure de la vitesse et des fils 23a et 23b pour détermi- 5 fllm'if coefficient de temperature est d une valeur positive ele-

ner la direction. Les mêmes numéros de référence que ceux des vee" Ce,ci Permet ?e déterminer les valeurs des résistances 32 et figures 4 et 7 sont utilisés pour désigner les différentes parties du 33 Par le falt 1ue les valeurs exi8ees Pour 1 équilibrage du pont transducteur 1 Of sont satisfaites lorsque la résistance serie-parallele totale du pont indicateur de direction, prise comme une seule résistance,

La figure 10 est une vue en perspective d'un transducteur à 50 et la résistance de puissance 31, s'équilibrent avec les résistances deux éléments à film sensible 10g, qui représente une modifica- 32 et 33, les rapports de résistances étant les mêmes sur l'une ou tion du transducteur 10 des figures 1 et 2, présentant un support l'autre partie du pont. La partie active comprend la résistance droit 15 au lieu d'un support 15 en forme de U tel qu'illustré aux 31 et le pont indicateur de direction et la partie de référence figures 1 et 2. Les mêmes numéros de référence tels que ceux comprend les résistances 32 et 33.

des figures 1 et 2 sont utilisés pour désigner les différentes par- 55 Lorsque les éléments 1 la et 1 lb sont froids ou ne travaillent ties du transducteur 10g. Un flux axial le long du support droit pas, leur résistance est inférieure à leur valeur lors du fonction-

15, aussi bien qu'un flux transversal, générera un courant turbu- nement. En réglant leur valeur de fonctionnement par l'établis-

lent, comme c'est le cas pour le support 15 en forme de U décrit sement du rapport des résistances de référence, on peut choisir auparavant. L'utilisation d'un support droit 15 permet égale- les valeurs des résistances chauffées désirées pour auto-équili-

ment la création d'un transducteur à trois éléments, tel que celui 60 brer le pont, le tout étant régulé au moyen de la contre-réaction de la figure 3, et aussi bien l'utilisation de fils sensibles en lieu et négative de l'amplificateur 35 au pont au point 40. La boucle de place des éléments à film sensible. L'utilisation de pluseiurs contre-réaction fonctionne pour ajuster automatiquement le transducteurs 10g supportés le long du même suuport droit 15 courant à travers le pont entier jusqu'à ce que la résistance des permettrait des applications pour le profilage à des échelles infi- éléments 1 la et 1 lb atteigne la valeur d'équilibrage du pont,

mes, lors de recherches dans le domaine des flux de fluides, 65 Une petite tension de dérive doit être présente à la sortie de recherches où l'on désire connaître le comportement direction- l'amplificateur 35 lorsque le circuit est enclenché au début et nel en continu du flux d'un fluide autour de corps tels que des que les éléments sont à température ambiante, de sorte que le prototypes de tunnel à vent. courant minute du pont qui circule comme résultat de la tension

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de décaiage est suffisante pour développer un faible signal d'erreur entre les points 30 et 34, ceci permettant au circuit de se mettre lui-même en condition de fonctionnement. Le mode de fonctionnement ci-dessus a été décrit comme un procédé à température constante (résistance constante) de mise en action d'un anémomètre à fil ou à film chaud.

Dans un circuit classique, la résistance de chaque élément 11 a et 1 lb est de 3,3 ohms à température ambiante. Des précautions doivent être prises lorsque les valeurs des résistances sensibles à la température sont mesurées. La résistance de puissance 31 est de deux ohms et comporte un coefficient de température bas et une taille physique appropriée pour que cet autochauffage ne cause pas de changement appréciable à la valeur nominale de la résistance lorsque l'on varie les niveaux du courant. Pour le transducteur 10 des figures 1 et 2, qui est construit à l'échelle indiquée par les exemples, les niveaux de courant correspondant à une vitesse nulle peuvent être de l'ordre de 0,1 ampère et les niveaux de courant correspondant à un flux maximum peuvent avoisiner un ampère dans des cas extrêmes. La résistance 32 est de 499 ohms et peut être un film de précision ou une résistance à fil bobiné. La valeur des résistances 25 et 26 est de 20 000 ou 30 000 ohms chacune pour éviter de changer sans nécessité les éléments 1 la et 1 lb. Une valeur d'environ 2,245 ohms pour la résistance 33 entraînerait la résistance totale du pont indicateur de direction à s'élever jusqu'à 9 ohms, équilibrant ainsi le pont. La température en surface des éléments 1 la et 1 lb en résultant sera de l'ordre de 125 à 135 °C.

La sortie 38 est bipolaire et indique lequel des éléments lia ou 1 lb fait face au flux arrivant du fluide. L'élément faisant face au flux aura une résistance inférieure à celle de l'élément éloigné du flux qui va augmenter pendant que la résistance totale en série reste constante. La sortie 39 est unipolaire et fournit une mesure de vitesse non linéaire indiquant la quantité de chaleur perdue dans la masse en mouvement du fluide.

Les amplificateurs 35, 36, 37 peuvent être des amplificateurs opérationnels à circuit intégré, qui sont mis en action par des sources d'alimentation positive et négative de 12 ou 15 volts. Une mise en action sous 15 volts peut permettre au moins des battements de 10 volts aux sorties 38 et 39. Lorsque deux ou plusieurs circuits en pont de la figure 11 sont utilisés avec deux ou plusieurs transducteurs, un enroulement d'alimentation et de mise à terre approprié doit être fourni pour éviter un mélange de signaux entre les transducteurs engendrant des erreurs de fonctionnement.

La figure 12 est un diagramme schématique d'un circuit de lecture et d'excitation utilisé pour mettre en action des transducteurs à trois éléments tels que ceux des figures 3, 5,6, 8 et 9 et qui peut être utilisé pour fournir à la fois des signaux depuis le transducteur correspondant, d'une part à la vitesse et d'autre part à la direction. La différence majeure entre le circuit de la figure 12 et celui de la figure 11 est que le pont indicateur de la direction, les éléments 1 la, 1 lb et les résistances 25,26 ont été retirés du pont commandé par contre réaction, ce pont étant maintenant formé par le troisième élément sensible à la vitesse 1 le et les résistances 31, 32,33. Le pont indicateur de direction est maintenant relié à la sortie en courant de l'amplificateur 35 au point 40 et il fonctionne comme s'il était mis en action séparément comme un transducteur à température constante, aussi longtemps que les éléments sensibles ont des valeurs ohmiques similaires à celles décrites à propos de la figure 11.

Le fonctionnement du circuit de la figure 12 est similaire à celui de la figure 11. Cependant, le signal de la vitesse du vent sera adapté de manière plus précise d'un côté à l'autre, vu que l'élément 1 le est utilisé pour toutes les mesures de vitesse du vent, ceci de meilleure manière que les deux éléments 1 la et 11b, qui ne peuvent jamais être identiques d'une part comme résistance passive et d'autre part comme éléments actifs de transfert de chaleur. C'est ce dernier aspec,., peut importe son insignifiance, qui engendre une sensibilité différente ou une «instabilité lobulaire» lorsqu'un graphique polaire combiné de la vitesse et de la direction du fluide, pris à vitesse constante, est exposé et analysé.

La figure 13 est une vue en perspective d'un transducteur anémométrique à perte de chaleur 10h du type illustré aux figures 1 et 2, mais qui a été modifié par l'adjonction sur sa partie supérieure d'une deuxième paire d'éléments cylindriques sensibles 1 ld et 1 le, montés au-dessus et parallèlement à la portion centrale 15a du support 15. Le mêmes numéros de référence des figures 1 et 2, pour désigner les différentes parties du transducteur 10h, sont utilisés dans la figure 13. Les éléments sensibles 11 d et 11 e sont symétriques et parallèles aux éléments 11 a et 11b, mais les éléments 1 ld et 1 le peuvent être séparés l'un de l'autre d'une plus ou moins grande distance que les éléments sensibles 1 la et 1 lb. Les éléments 1 ld et 1 le sont fixés sur place par de petites quantités d'adhésif 41a et 41b à une extrémité et par des quantités d'adhésif 42a et 42b à l'extrémité opposée. Les éléments sensibles 1 ld et lie sont munis de connexions électriques 13d et 13e sur l'une des extrémités et 14d et 14e sur l'autre, des fils conducteurs 17d, 17e et respectivement 16d, 16e étant reliés à ces extrémités.

L'omission de ponts entre les éléments 1 ld, 1 le et la portion centrale 15a du support 15 et l'ajustement de leur position angulaire autour du support 15 peuvent être utilisés avantageusement pour modifier la réponse spatiale ou polaire du flux du fluide. En général, une paire d'éléments sensibles qui ont bloqué ou interrompu le flux sur une partie de leur section produira pour un graphique polaire d'un flux sur 360°, une caractéristique de réponse polaire plus grande qu'une fonction cosinusoïdale idéale. Pour une paire d'éléments qui a un flux libre sur sa circonférence, la réponse polaire est en général moindre qu'une fonction sinusoïdale idéale. Les caractéristiques peuvent être combinées électriquement et réalisées pour des applications exigeant la meilleure caractéristique de réponse polaire à partir du transducteur.

La figure 14 illustre la section typique d'un transducteur anémométrique 10h du type de la figure 13. La paire d'éléments additionnelle 1 ld, 1 le est agencée au-dessus de la structure du transducteur de la figure 1. Bien que les deux paires d'éléments lia, IIb et 1 ld, lie soient représentées comme éléments à film sensible, l'une ou l'autre ou les deux peuvent être construites à partir de fils ayant une section circulaire pleine. L'utilisation d'éléments à fil sensible permet la construction de transducteurs anémométriques substantiellement plus petits, du moment que la dimension des matières céramiques oxydiques disponibles et les limitations intrinsèques de la force mécanique deviennent un facteur important lors de la fabrication de transducteurs. La réduction de la dimension des transducteurs à film peut être réalisée en utilisant des matériaux et des substrats de la famille du verre ou du quartz.

La figure 15 est une représentation graphique de la réponse directionnelle polaire du transducteur anémométrique 10h de la figure 13, où l'orientation du graphique est une vue depuis dessus sur le transducteur 10h avec un plan de réponse parallèle au plan contenant les axes parallèles des éléments sensibles à la direction lia et 11b ou lld et lie. Le cosinus idéal 43 est représenté comme deux cercles de rayon R, l'un ayant une polarité positive, l'autre négative. Un exemple de la réponse que l'on peut attendre pour une paire 1 la et 1 lb connectée ou reliée par pont à un support cylindrique est illustré par la courbe 45, où le signal de sortie se situe au-dehors de la fonction cosinusoïdale idéale. La réponse d'une paire 1 ld et 11 e non connectée ou non

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10

15

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reliée par pont tombe à l'intérieur de la fonction cosinusoïdale idéale et est représenté par la courbe 44.

Seules des formes d'exécution de l'invention ont été présen8

tées et décrites et il est bien entendu que des changements divers, des omissions et des substitutions peuvent être réalisés par l'homme du métier.

C

4 feuilles dessins

Claims (19)

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1. Transducteur anémométrique directionnel à perte de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend:

a) au moins deux conducteurs électriques, résistifs, cylindriques, semblables, séparés thermiquement et physiquement,

b) chacun des conducteurs ayant une longueur au moins égale à la plus grande dimension de la section transversale du conducteur,

c) un support cylindrique disposé entre et le long des deux conducteurs électriques résistifs,

d) ledit support cylindrique ayant une portion centrale droite et une partie destinée au montage à chacune des extrémités de la portion centrale,

e) lesdiîs conducteurs électriques étant disposés selon une paire parallèle séparée d'une distance déterminée et montée parallèlement au proche voisinage de la portion centrale droite du support cylindrique,

f) ladite portion centrale cylindrique étant d'une part disposée de telle sorte qu'un plan contenant les axes centraux parallèles des conducteurs électriques résistifs soit espacé de la portion centrale cylindrique et soit perpendiculaire à un plan contenant l'axe centrale de la portion centrale cylindrique et passant entre les conducteurs électriques résistifs,

g) des ponts de connexion thermiquement isolants disposés entre chacun des deux conducteurs électriques résistifs et la portion centrale, pour fermer l'espace entre lesdits conducteurs électriques résistifs et la portion centrale, et empêcher ainsi le fluide de s'écouler complètement autour de chacun des conducteurs considérés isdément.

h) les deux conducteurs électriques résistifs étant soutenus par la portion centrale,

i) chacun des conducteurs électriques comportant des moyens de connexion électriques au moyen desquels chaque conducteur électrique résistif peut être chauffé électriquement par un courant le traversant.

2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support cylindrique et les milieux des conducteurs électriques résistifs par lesquels passent les axes définissent un angle aigu entre les droites reliant les milieux des conducteurs électriques résistifs au support cylindrique, lorsque l'on considère la section transversale du transducteur.

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REVENDICATIONS

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U, les parties de montage étant perpendiculaires à la portion centrale cylindrique.

3. Transducteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les conducteurs électriques résistifs sont des fils de section transversale pleine.

4. Transducteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque conducteur électrique résistif comporte un substrat tubulaire, creux, non conducteur et réfractaire s'étendant le long du conducteur, un film conducteur résistif ayant un coefficient de température de la résistance non nul appliqué sur la surface extérieure du substrat et s'étendant sur toute sa longueur, et une couche protectrice s'étendant de manière continue sur la surface extérieure du film conducteur résistif sur toute sa longueur.

5. Transducteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un troisième conducteur électrique résistif est monté parallèlement aux deux premiers conducteurs électriques résistifs et à égale distance de chacun de ceux-ci, et en ce que la portion centrale cylindrique est disposée entre le troisième conducteur électrique cylindrique et les deux premiers conducteurs électriques résistifs.

6. Transducteur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'un pont de connexion thermiquement isolant est disposé entre ce troisième conducteur électrique résistif et la portion centrale cylindrique.

7. Transducteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le troisième conducteur électrique résistif n'est pas connecté par pont à la portion centrale cylindrique, sauf en ses extrémités.

8. Transducteur selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les trois conducteurs électriques résistifs sont des fils de section transversale pleine.

9. Transducteur selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que chacun des trois conducteurs électriques résistifs s comporte un substrat creux, tubulaire, non conducteur et réfractaire s'étendant le long du conducteur, un film conducteur résistif ayant un coefficient de température de la résistance non nul appliqué sur la surface extérieure du substrat et s'étendant sur toute sa longueur, et une couche protectrice s'étendant de main nière continue sur la surface extérieure du film conducteur résistif sur toute sa longueur.

10. Transducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que a) le troisième conducteur électrique résistif est un fil de 15 section transversale solide et b) les deux premiers conducteurs électriques résistifs comportent un substrat creux, tubulaire, non conducteur et réfractaire s'étendant le long du conducteur, un film conducteur résistif ayant un coefficient de la température de la résistance non

20 nul appliqué sur la surface extérieure du substrat et s'étendant sur toute sa longueur, et une couche protectrice s'étendant de manière continue sur la surface extérieure du film conducteur résistif sur toute sa longueur.

11. Transducteur selon l'une des revendications 6 et 7, ca-25 ractérisé

a) en ce que les deux premiers conducteurs électriques résistifs sont des fils de section transversale pleine et b) en ce que le troisième conducteur électrique résistif com-30 porte un substrat creux, tubulaire, non conducteur et réfractaire s'étendant le long du conducteur, un film conducteur résistif ayant un coefficient de température de la résistance non nul appliqué sur toute la surface extérieure du substrat et s'étendant sur toute sa longueur, et une couche protectrice s'étendant de 35 manière continue sur la surface extérieure du film conducteur résistif sur toute sa longueur.

12. Transducteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que deux autres conducteurs électriques résistifs sont montés en une position opposée aux deux premiers conducteurs

40 électriques résistifs, ladite portion centrale cylindrique étant disposée entre les deux premiers conducteurs électriques résistifs et les deux autres conducteurs électriques résistifs.

13. Transducteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que des ponts de connexion sont disposés entre ces autres deux

45 conducteurs électriques résistifs et cette portion centrale cylindrique.

14. Transducteur selon la revendication 13, caractérisé en ce que ces deux autres conducteurs électriques résistifs sont positionnés très près de la portion centrale cylindrique et ne sont pas

50 connectés par pont à ladite portion centrale, excepté à leurs extrémités.

15. Transducteur selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que ces conducteurs électriques résistifs sont des fils de section transversale pleine.

55

16. Transducteur selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que chaque conducteur électrique comporte un substrat creux, tubulaire, non conducteur et réfractaire s'étendant le long du conducteur, un film conducteur résistif ayant un coefficient de température de la résistance non nul appliqué sur 60 toute la surface extérieure du substrat et s'étendant sur toute sa longueur, et une couche protectrice s'étendant de manière continue sur la surface extérieure du film conducteur résistif sur toute sa longueur.

17. Transducteur selon l'une des revendications 1 à 16, ca-65 ractérisé en ce que le support central cylindrique est une barre cylindrique droite.

18. Transducteur selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que le support central cylindrique est en forme de

19. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux conducteurs électriques résistifs sont soutenus sur le côté protégé sous le vent de la portion centrale.