Mesure de la vitesse d’un gaz

 

Nous nous intéresserons plus particulièrement aux mesures de la vitesse de l’air appliquées à l’aéonautique.

Sondes thermiques ou sonde à fil chaud

Le principe d'une sonde thermique est basé sur la température d'un élément, celui-ci est refroidi par le flux d'air. Une régulation de l'élément est effectuée de manière à ce que la température revienne à son niveau initial. L'énergie nécessaire à cette régulation est l'image du flux d'air.

Les sondes thermiques permettent, lors d'une utilisation dans un milieu turbulent, de calculer la vitesse de l'air dans toutes les directions. Dans les milieux turbulents, la sonde thermique donne des mesures précises. Peu adapté à la mesure de vitesse en aéronautique, puisse que son domaine de prédilection se situe entre 0 et 5m/s, de plus la courbe de réponse dépend de la température de l’aire et de son humidité.

 

 

 

Sondes à hélice

Positionnement de la sonde à hélice dans le flux d’air. Avec ce système, on mesure une vitesse moyenne déterminée par plusieurs points de mesure.

Lorsque la gaine est circulaire, on la divise virtuellement en plusieurs couronnes de surfaces égales appelées centroïdes. On mesure ainsi la vitesse en différents points des circonférences et on en déduit la vitesse moyenne.

Le principe de fonctionnement
La sonde à hélice est basé sur une conversion des rotations en signal électrique. L'air fait tourner l'hélice. Un détecteur à induction compte les rotations de l'hélice, et produit une série d'impulsions qui sont converties en valeurs de tension par l'appareil de mesure, et sont ainsi affichées.

Ce système mais strictement mécanique fut employé sur les premiers avions, comme sur ce focker DR-1

Inconvénients :
- erreur d'indication en vol dissymétrique (dérapage ou glissage)

- erreur d'indication en virage

- domaine de mesure entre 5 et 50m/s

La sonde à hélice est encore utilisée sur certains pendulaires et est couramment employée pour mesurer la vitesse du vent.

Anémomètre à lamelle

Une lamelle perpendiculaire au vent relatif et attachée à l'une de ses extrémités à un ressort antagoniste, se déplace devant un cadran gradué en MPH (Mille par heure) ou  Kt (nœud).  Comme sur cet anémomètre du Tiger-moth. L'ensemble est fixé à l'un des mâts entre l'aile supérieure et l'aile inférieure.

Inconvénients :

- manque de précision

- erreur d'indication en vol dissymétrique (dérapage ou glissage)

- erreur d'indication en virage

 

 

Anémomètre à différentiel de pression

Nous allons exploiter 2 principes différents, avec 2 types d’antenne, le tube de Pitot et le venturi.
Tous deux sont basé sur le principe de Bernoulli en provoquant une variation de pression δP au sein de l'air en mouvement mais selon des processus différents.
Cette variation de pression δP égale (Pitot) ou simplement proportionnelle (venturi) au carré de la vitesse de l'air est affichée sur un manomètre ( mesure de pression) qui devient un anémomètre( mesure de vitesse) car la variation de pression est l’image de la vitesse du fluide. Le δP(Pitot) et le δP(venturi) n'ont pas le même signe et ne sont donc pas interchangeables, les anémomètres destinés à un tube de Pitot et ceux à une antenne-venturi sont différents.

         Le tube de Pitot et antenne de Prandl

Entre antenne Pitot et Prandl, la différence est mince, le tube Pitot est réalisé avec 2 sondes, l’une pour la pression dynamique, l’autre pour la pression statique, l’antenne Prandl combinant les 2 sondes dans une seule assurant les 2 fonctions. Dans les faits, on appelle tube Pitot les sondes de vitesse même si la plupart du temps on devrait parler de sonde Prandl.

On installe l’antenne sur un emplacement de l’avion ou le flux d’air est laminaire, la pression totale Pt étant constante tout autour de l'avion on peut l'installer là où on veut sauf dans le souffle de l'hélice (la vitesse de l’air ne correspondant pas à la vitesse de l’avion).

Le système est constitué de deux tubes coudés concentriques dont les orifices, en communication avec l’air dont on veut mesurer la vitesse, sont disposés de façon particulière :

Le tube extérieur s'ouvre perpendiculairement à l'écoulement du fluide. La pression à l'intérieur de ce tube est donc égale à la pression ambiante ou pression statique ;

Le tube intérieur est parallèle à l'écoulement du fluide, et est ouvert en son bout, face au flux. La pression à l'intérieur de celui-ci est donc la pression totale, somme de la pression statique et de la pression dynamique.

Un manomètre souvent constitué d’une capsule de vidie, mesure la différence de pression entre les deux tubes, c'est-à-dire la pression dynamique, et permet donc de calculer la vitesse d'écoulement du fluide autour du tube. Cette vitesse correspond au vent relatif.

Ce système différentiel, permet de tenir compte de la variation de la pression atmosphérique, la pression dynamique (due à la vitesse) étant la différence entre la pression totale (à l’entrée su Pitot) et la pression statique ( à l’entrée de la sonde statique).

Principe de fonctionnement d’un anémomètre aéronautique à capsule de Vidie.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         Anémomètre selon le principe Venturi

Contrairement au système Pitot, l’air n’est pas arrêté, mais au contraire accéléré, pour ce faire, on le fait passer dans un tube qui comprend un rétrécissement, ce qui provoque une accélération de l’air à l’endroit le plus étroit. A l’endroit le plus étroit on, mesure la pression statique qui elle va diminuer en fonction du carré de la vitesse de l’air.

Le tube de courant d'air capté par le venturi est accéléré au col de ce dernier. La ligne pointillé (1) représente la répartition de la pression statique dans le venturi. Au col, partie la plus étroite, la pression Psc est très inférieure à Ps autour de l'avion. (Ps-Psc = δP avec δP proportionnel à ρV² /2)

Le venturi n'arrête pas les particules d'air comme le tube de Pitot mais au contraire il les accélère et conformément à l'équation de Bernoulli l'accroissement de vitesse subi par l'air qui s'engouffre dans l'instrument provoque une diminution de la pression statique Psc dans sa partie la plus étroite.

La dépression ainsi provoquée proportionnelle au carré de la vitesse dépend aussi de la contraction que l'on fait subir à la veine d'air captée par le venturi.Plus le col est mince, plus la dépression est grande. Mais, il existe une limite à la contraction car à partir d'une certaine valeur l'air ne passe plus dans le venturi qui est alors contourné.

Sonde Venturi Winter

Le système venturi est plus précis que le pitot surtout aux petites vitesses, on le retrouvera donc sur les aéronefs plus lents.

 

 

 

 

 

 

 

 

Anémomètre à vélocimétrie laser-doppler ou LDA

 

La vélocimétrie laser est une technique optique fondée sur la mesure du décalage en fréquence de faisceaux laser éclairant des particules très fines entraînées par un fluide tel que l'air. En mesurant la vitesse des particules dans l’air, on peut connaître la vitesse du fluide.

Cette technologie est parfois préférée aux autres techniques de mesures de vitesses d'écoulement tel que le tube de Pitot, car le capteur se trouve à l'extérieur du flux mesuré et ne perturbe donc pas la mesure.

Ce vélocimètre se base comme son nom l'indique sur le principe de l'effet Doppler. Il faut illuminer l’air qui contient de fines particules par une onde électromagnétique dont la fréquence est parfaitement connue. Les particules vont alors diffuser cette onde avec une fréquence différente dépendant de leur vitesse (effet doppler fizeau), qui est mesurée et comparée à celle de l'onde d'origine. La vitesse des particules, donc de l’air, est déterminée grâce à cette différence de fréquence.

Le machmètre

Un machmètre est un instrument de vol servant à mesurer le rapport entre la vitesse vraie de l'aéronef et la vitesse du son dans le milieu. Cette mesure s’exprime en nombre de Mach, Mach 1 signifiant que l'aéronef se déplace à la même vitesse que le son.

Le machmètre est sujet à l'erreur d'antenne. Elle concerne le tube de Pitot et les prises de pression statique.

L’air ne se comporte pas de la même façon et ne réagit pas selon les mêmes lois physiques selon que se vitesse est subsonique, transsonique ou hypersonique. Cela est du au phénomène que l’on nomme la compressibilité.

On considére donc, deux types d'écoulement d'air :
- Ecoulement subsonique: Mach inférieur ou égal à 1
- Ecoulement supersonique: Mach supérieur à 1

Mach1 correspondant à peu près à 340 m/sec

Pour cela, les machmètres sont conçus et gradués :
- d'après la loi de Saint-Venant pour M inférieur ou égal à 1
- d'après la loi de Rayleigh pour M supérieur à 1