FR2745375A1 - Procede de mesure de la vitesse d'ecoulement d'un fluide - Google Patents
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Abstract
Pour mesurer la vitesse d'écoulement d'un fluide au moyen d'un capteur thermique traversé par un courant, on extrait d'un capteur thermique un premier signal pour une première valeur de courant, on modifie la valeur du courant traversant le capteur thermique et on extrait du même capteur thermique un second signal pour une seconde valeur de courant. Ces signaux sont ensuite traités par un microprocesseur de logique floue pour obtenir une valeur de la vitesse d'écoulement du fluide.
Description
PROCEDE DE MESURE DE LA VITESSE
D'ECOULEMENT D'UN FLUIDE
La présente invention a pour objet un procédé de mesure de la vitesse d'écoulement d'un fluide. Elle concerne le domaine de la mécanique des fluides et trouve tout particulièrement son application dans les dispositifs de régulation de débit d'un fluide.
D'ECOULEMENT D'UN FLUIDE
La présente invention a pour objet un procédé de mesure de la vitesse d'écoulement d'un fluide. Elle concerne le domaine de la mécanique des fluides et trouve tout particulièrement son application dans les dispositifs de régulation de débit d'un fluide.
La description d'un écoulement de fluide est très complexe et nécessite de connaître en un point donné la vitesse, la masse volumique et la température du fluide. Un ensemble de capteurs permet alors d'acquérir la totalité de ces données et le choix de ces capteurs est généralement fonction de la nature du fluide, liquide ou gaz.
On connaît un procédé de mesure de la vitesse d'écoulement d'un fluide utilisant un élément chauffant. Ce procédé est décrit dans l'ouvrage "Electronics Engineer's Handbook" (3ème édition) de
Donald G. FINK et Donald CHRISTIANSEN dans la collection McGraw-Hill (page 10.16). Un capteur du type thermistance est chauffé par effet joule à une température supérieure à la température du fluide. Ce capteur est en permanence au contact du fluide en mouvement. Un transfert de chaleur s'effectue alors par convection entre le fluide et le capteur. Le transfert de chaleur est fonction de plusieurs paramètres tels que la vitesse d'écoulement du fluide et l'écart de température entre le fluide et le capteur. En effet, plus la vitesse d'écoulement du fluide est élevée, plus l'échange de chaleur est important. De même, l'échange de chaleur croît avec l'écart de température entre le fluide et le capteur. En supposant la conductance thermique du fluide connue, deux capteurs sont nécessaires pour calculer la vitesse d'écoulement du fluide : un capteur pour mesurer la température du fluide et un capteur pour mesurer le refroidissement de la thermistance provoqué par l'écoulement de fluide.
Donald G. FINK et Donald CHRISTIANSEN dans la collection McGraw-Hill (page 10.16). Un capteur du type thermistance est chauffé par effet joule à une température supérieure à la température du fluide. Ce capteur est en permanence au contact du fluide en mouvement. Un transfert de chaleur s'effectue alors par convection entre le fluide et le capteur. Le transfert de chaleur est fonction de plusieurs paramètres tels que la vitesse d'écoulement du fluide et l'écart de température entre le fluide et le capteur. En effet, plus la vitesse d'écoulement du fluide est élevée, plus l'échange de chaleur est important. De même, l'échange de chaleur croît avec l'écart de température entre le fluide et le capteur. En supposant la conductance thermique du fluide connue, deux capteurs sont nécessaires pour calculer la vitesse d'écoulement du fluide : un capteur pour mesurer la température du fluide et un capteur pour mesurer le refroidissement de la thermistance provoqué par l'écoulement de fluide.
Classiquement, les capteurs sont placés sur la périphérie d'un tube dans lequel s'effectue l'écoulement du fluide.
Cependant, la présence de ces capteurs peut modifier l'écoulement du fluide, surtout s'ils sont de taille importante. De plus, toute perturbation provoquée par l'un des capteurs peut ensuite fausser la mesure de l'autre capteur.
Un but de l'invention est de proposer un procédé permettant d'utiliser un capteur unique pour la mesure de la vitesse d'écoulement d'un fluide.
Un second objet de l'invention est de proposer une méthode simple pour le calcul de la vitesse d'écoulement du fluide sans recourir à une formulation mathématique lourde et difficile à définir.
En effet, une méthode classique employée pour calculer la vitesse d'écoulement du fluide consiste à modéliser mathématiquement la fonction de transfert de la vitesse d'écoulement du fluide en fonction des informations en provenance des capteurs. Lorsque le système constitué du tube et du fluide présente une dérive, il faut alors ajouter des termes correctifs à la fonction de transfert, ce qui la rend plus complexe.
Ainsi, si on change la nature du fluide ou la forme du tube permettant l'écoulement du fluide, on peut être amené à modifier la fonction de transfert. Il faut noter également que l'expression mathématique de la fonction de transfert peut rapidement devenir très complexe dans le cas de capteurs thermiques car leur comportement n'est pas linéaire. Toutes ces retouches à effectuer sur l'expression mathématique de la fonction de transfert ne sont pas adaptées à la fabrication en grande série où il importe de limiter le nombre d'interventions sur les objets manufacturés.
Aussi, l'invention a pour objet un procédé de mesure de la vitesse d'écoulement d'un fluide au moyen d'un capteur thermique placé dans un flux et traversé par un courant qui le porte à une température supérieure à la température du fluide, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes:
a) extraire du capteur thermique un premier signal représentatif de l'échange de chaleur entre le capteur thermique et le fluide pour une première valeur de courant traversant le capteur;
b) faire varier le courant traversant le capteur de la première valeur à une seconde valeur;
c) extraire du capteur thermique un second signal représentatif de l'échange de chaleur entre le capteur thermique et le fluide pour la seconde valeur de courant traversant le capteur;
d) calculer la vitesse d'écoulement du fluide à partir des premier et second signaux.
a) extraire du capteur thermique un premier signal représentatif de l'échange de chaleur entre le capteur thermique et le fluide pour une première valeur de courant traversant le capteur;
b) faire varier le courant traversant le capteur de la première valeur à une seconde valeur;
c) extraire du capteur thermique un second signal représentatif de l'échange de chaleur entre le capteur thermique et le fluide pour la seconde valeur de courant traversant le capteur;
d) calculer la vitesse d'écoulement du fluide à partir des premier et second signaux.
De cette manière, le capteur thermique est employé dans des configurations de mesure différentes suivant la valeur du courant le traversant. En modifiant la valeur de courant, on modifie ainsi la puissance dissipée par effet joule dans le fluide et donc la température du capteur.
A l'étape d, le calcul de la vitesse d'écoulement est déduit de la relation suivante:
R(T)*I2 = H*S*(T-Tf) oû R(T) est la résistance du capteur thermique,
I est le courant traversant le capteur thermique,
H est le coefficient d'échange thermique,
S est la surface du capteur thermique en contact avec le fluide,
T est la température du capteur thermique,
Tf est la température du fluide.
R(T)*I2 = H*S*(T-Tf) oû R(T) est la résistance du capteur thermique,
I est le courant traversant le capteur thermique,
H est le coefficient d'échange thermique,
S est la surface du capteur thermique en contact avec le fluide,
T est la température du capteur thermique,
Tf est la température du fluide.
D'après la formule de king, H = A + B Xu où A et B sont des constantes définies pour un fluide et un capteur donnés et u est la vitesse d'écoulement du fluide. Les constantes A et B peuvent être rapidement déterminées par un homme du métier.
En effectuant deux mesures avec deux valeurs de courant distinctes, on peut en déduire la valeur des deux inconnues que sont la température Tf et la vitesse du fluide u.
Suivant la nature du fluide mesuré, les capteurs bien que fonctionnant sur le même principe ne sont pas identiques d'un point de vue technique. Dans le cas des gaz, le capteur thermique est un fil de platine ou de tungstène très fin. Classiquement, le diamètre du fil est compris entre 0.6 et 10 pm. Dans le cas des liquides, le capteur thermique est un film mince de platine disposé sur un support: un cône ou un cylindre isolant.
Selon un mode de réalisation particulier, le calcul de la vitesse d'écoulement du fluide à partir des signaux issus du capteur thermique est effectué par un microprocesseur de logique floue. La logique floue permet de prendre en compte toutes les caractéristiques du système constitué du tube muni du capteur et du fluide, et de modéliser parfaitement le comportement du système. La modélisation est effectuée par mesure directe des signaux issus du capteur pour un flux donné. Pour calculer la vitesse d'écoulement du fluide, on effectue alors les étapes suivantes
- on définit, sur la dynamique du premier et du second signal, un premier et un second ensemble de fonctions d'appartenance en déterminant, pour chaque fonction d'appartenance, une plage de cette dynamique et un coefficient d'appartenance de chaque valeur de ces signaux à cette plage,
- on détermine des fonctions d'appartenance d'un signal résultat correspondant à la vitesse d'écoulement du fluide, avec pour chaque fonction d'appartenance du signal résultat, une plage de la dynamique de ce signal résultat, et un coefficient d'appartenance de chaque valeur de ce signal résultat à cette plage, et
- on établit des règles mettant en corrélation l'appartenance des valeurs du premier et du second signal respectivement à des plages du premier et du second ensemble de fonctions d'appartenance, et l'appartenance du signal résultat à des plages de signal résultat,
- on calcule pour chaque règle une valeur d'appartenance,
- on multiplie la valeur d'appartenance par la valeur moyenne de la plage de la fonction d'appartenance du signal résultat correspondant à cette règle,
- on fait la moyenne des résultats de cette multiplication pour produire la valeur de la vitesse d'écoulement du fluide.
- on définit, sur la dynamique du premier et du second signal, un premier et un second ensemble de fonctions d'appartenance en déterminant, pour chaque fonction d'appartenance, une plage de cette dynamique et un coefficient d'appartenance de chaque valeur de ces signaux à cette plage,
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- on multiplie la valeur d'appartenance par la valeur moyenne de la plage de la fonction d'appartenance du signal résultat correspondant à cette règle,
- on fait la moyenne des résultats de cette multiplication pour produire la valeur de la vitesse d'écoulement du fluide.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 qui décrit un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention;
- la figure 2 décrit un exemple de fonctions d'appartenance définies sur la dynamique d'un signal issu du capteur thermique;
- la figure 3 représente un ensemble de règles d'appartenance.
- la figure 1 qui décrit un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention;
- la figure 2 décrit un exemple de fonctions d'appartenance définies sur la dynamique d'un signal issu du capteur thermique;
- la figure 3 représente un ensemble de règles d'appartenance.
La figure 1 représente un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de mesure de la vitesse d'écoulement d'un fluide selon l'invention. Le dispositif comporte une thermistance R connectée en série avec une source de courant SC entre une borne d'alimentation Vcc et une borne de masse Gnd. Dans l'exemple de la figure 1, la thermistance est une résistance R de type CTN (à coefficient de température négatif). Cette thermistance joue le rôle d'un capteur thermique et la valeur de sa résistance varie avec la température du capteur. Cette thermistance est placée à la périphérie du tube et est en permanence au contact de l'écoulement de fluide. La source de courant SC fournit un courant à la thermistance qui dissipe alors de la chaleur par convection dans le fluide. Pour la mise en oeuvre de l'invention, on prévoit une source de courant dont la caractéristique temporelle est une fonction créneau. Par conséquent, le courant issu de la source de courant SC peut prendre deux valeurs distinctes, I1 ou I2. Ainsi, on utilise la thermistance dans deux configurations distinctes.
Au point milieu de la thermistance R et de la source de courant SC, on prélève deux signaux en tension S1, S2 caractéristiques de l'état de la thermistance por les deux valeurs de courant I1 et I2.
Ces deux signaux vont constituer les deux informations nécessaires et suffisantes pour calculer la vitesse d'écoulement du fluide, en supposant connue la conductance thermique du fluide. Comme ces signaux sont généralement faibles, on les amplifie à l'aide d'un amplificateur A avant de les interpréter. On pourrait également envisager de les filtrer afin de supprimer tous les bruits éventuels.
Un circuit de compensation d'inertie thermique CP est prévu pour améliorer la rapidité de la réponse de l'amplificateur. Cette compensation est rendue nécessaire par le fait que la thermistance R a une certaine inertie thermique et présente donc une constante de temps. Ce circuit bien connu de l'homme de métier permet de déterminer la valeur finale des signaux S1 et S2 issus de l'amplificateur.
Un convertisseur analogique numérique CAN permet de disposer d'états logiques représentatifs des signaux S1 et S2 amplifiés et corrigés. Selon un mode de réalisation préféré, ces états logiques sont transmis à un microprocesseur de logique floue ssp. La logique floue permet de modéliser parfaitement le système constitué du tube et du fluide. Ce microprocesseur est prévu pour mettre en oeuvre des règles et des fonctions d'appartenance qui seront détaillées dans la suite de la description. Ce microprocesseur est par exemple un microprocesseur du type WARP fabriqué par la société
SGS THOMSON MICROELECTRONICS.
SGS THOMSON MICROELECTRONICS.
On prévoit également une mémoire programme M en relation avec le microprocesseur pp pour mémoriser notamment ces règles et ces fonctions d'appartenance.
Le convertisseur analogique numérique CAN et le microprocesseur yp sont cadencés par une horloge H. La fréquence des impulsions de l'horloge H est directement liée à la fréquence F de la fonction créneau génératrice des courants I1 et 12 issus de la source de courant SC. Dans l'exemple de la figure 1, la fréquence d'horloge est 2 fois supérieure à la fréquence F.
Enfin, le microprocesseur pp est également relié à des moyens d'affichage AFF du résultat. Dans certaines applications, le résultat n'est pas obligatoirement affiché mais traité pour agir sur un autre système. Par exemple, dans le domaine de l'aspiration de fluides, le résultat de la mesure issu du microprocesseur est utilisé pour agir sur la puissance du moteur du système d'aspiration. La valeur résultat issue du microprocesseur pp n'est alors plus une valeur de vitesse d'écoulement mais une valeur de tension ou de courant pour régler la puissance du moteur.
Pour mettre en oeuvre une méthode utilisant la logique floue, il faut effectuer une étape d'apprentissage pour modéliser le système. Dans un premier temps, on établit des correspondances par mesure directe entre des valeurs des signaux S1 et S2 et des valeurs de vitesse d'écoulement souhaitées. Pour ce faire, on injecte dans le tube des flux déterminés de fluide pour en déduire les différentes valeurs des signaux S1 et S2. On mémorise les correspondances obtenues dans un fichier. On établit ensuite à partir de ce fichier, des fonctions d'appartenance et des règles à l'aide d'un programme spécifique stocké dans la mémoire programme M. Ce programme peut être par exemple le logiciel de simulation AFM conçu par la société SGS THOMSON MICROELECTRONICS. Pendant cette étape d'apprentissage, on définit sur la dynamique des signaux S1 et S2 des plages. Dans l'exemple de la figure 2, on a défini cinq plages sur la dynamique du signal S1 préalablement normalisée entre 0 et 100: 025, 0-50, 25-75, 50-100 et 75-100. On associe à ces cinq plages cinq fonctions d'appartenance f1, f2, f3, f4 et f5 de forme trapézoïdale. On aurait pu choisir une forme triangulaire ou gaussienne. Pour chaque valeur possible de S1 comprise entre 0 et 100, on définit par la forme de la fonction d'appartenance, un coefficient d'appartenance de cette valeur à une plage.
Ainsi, la valeur S1=30 appartient à la deuxième plage avec un coefficient d'appartenance de 1 et à la troisième plage avec un coefficient d'appartenance de 0.30. Cette valeur appartient aux autres plages avec un coefficient 0.
On définit de la même manière sur la dynamique du signal 52 des plages et des fonctions d'appartenance g1. .g5 ainsi que sur la dynamique d'un signal résultat se rapportant à la vitesse d'écoulement du fluide.
Ensuite, on établit des règles mettant en corrélation l'appartenance des valeurs des signaux S1, S2 respectivement aux plages des fonctions d'appartenance l fn et et gn et l'appartenance du signal résultat à une des plages du signal résultat. La figure 3 montre un exemple de règles. Dans cet exemple, le signal T est le signal résultat et les fonctions d'appartenance du signal résultat sont désignées par h1..hn. Chaque règle est une combinaison de conditions portant sur les signaux S1, S2 et conduisant à une condition sur le signal résultat. La première règle indique que, si la valeur du signal S1 appartient à la plage de la fonction d'appartenance f1, et si la valeur du signal S2 appartient à la plage de la fonction d'appartenance g1 alors la valeur du signal résultat T appartient à la plage de la fonction d'appartenance h1.
Une fois que les règles et les fonctions d'appartenance ont été établies, on calcule une valeur résultat provisoire. A cet effet, on va utiliser une méthode dite du minimum. On va décrire cette méthode à travers un exemple mettant en oeuvre les signaux S1, S2 et le signal résultat T. On rappelle que, la forme des fonctions d'appartenance étant trapézoïdale, chaque valeur de signal appartient à deux plages à la fois.
Suite à la détermination des fonctions d'appartenance et des règles, on peut avoir:
S1 appartient à fi avec un coefficient de 0.45
S1 appartient à fi+1 avec un coefficient de 0.65
S2 appartient à gi avec un coefficient de 1
S2 appartient à gi+1 avec un coefficient de 0.14
Tous les coefficients sont par ailleurs nuls sur les autres plages. On extrait de l'ensemble des règles les règles concernant exclusivement les fonctions d'appartenance fi, fi+l, gi et gui+1 Par exemple, on aura les règles suivantes:
si Sl appartient à fi et S2 appartient à gi, alors
T appartient à hj;
si S1 appartient à fi et S2 appartient à gi+l, alors T appartient à
si sl appartient à fi+1 et S2 appartient à gi, alors T appartient à
si S1 appartient à fi+1 et S2 appartient à gi+l, alors T appartient à
La méthode du minimum consiste à dire que, pour chaque règle, le signal résultat T appartient à la plage indiqué à cette règle avec un coefficient d'appartenance égal au minimum des coefficients des signaux S1 et 52 de la règle. Dans le cas de la première règle, la valeur du signal résultat T est 0.45 fois la valeur moyenne de la plage hj. Dans le cas de la deuxième règle, la valeur du signal résultat T est 0.14 fois la valeur moyenne de la plage hj et ainsi de suite.
S1 appartient à fi avec un coefficient de 0.45
S1 appartient à fi+1 avec un coefficient de 0.65
S2 appartient à gi avec un coefficient de 1
S2 appartient à gi+1 avec un coefficient de 0.14
Tous les coefficients sont par ailleurs nuls sur les autres plages. On extrait de l'ensemble des règles les règles concernant exclusivement les fonctions d'appartenance fi, fi+l, gi et gui+1 Par exemple, on aura les règles suivantes:
si Sl appartient à fi et S2 appartient à gi, alors
T appartient à hj;
si S1 appartient à fi et S2 appartient à gi+l, alors T appartient à
si sl appartient à fi+1 et S2 appartient à gi, alors T appartient à
si S1 appartient à fi+1 et S2 appartient à gi+l, alors T appartient à
La méthode du minimum consiste à dire que, pour chaque règle, le signal résultat T appartient à la plage indiqué à cette règle avec un coefficient d'appartenance égal au minimum des coefficients des signaux S1 et 52 de la règle. Dans le cas de la première règle, la valeur du signal résultat T est 0.45 fois la valeur moyenne de la plage hj. Dans le cas de la deuxième règle, la valeur du signal résultat T est 0.14 fois la valeur moyenne de la plage hj et ainsi de suite.
Pour obtenir la valeur résultat provisoire, on fait la moyenne des résultats des règles qui ont été prises en compte. Dans notre exemple, on obtient
T = ( 0.45hj + 0.14hj + 0.65hk + 0.14hk t 4 )
On compare ensuite cette valeur provisoire calculée avec la valeur résultat souhaitée. Si l'écart entre ces deux valeurs est trop important, ce qui est généralement le cas lors du premier calcul, on affine le nombre et la forme des fonctions d'appartenance du signal résultat ainsi que le nombre et le contenu des règles afin que la différence entre ces deux valeurs soit inférieure à un certain seuil. A l'issue de cette étape, on obtient une modélisation globale du système.
T = ( 0.45hj + 0.14hj + 0.65hk + 0.14hk t 4 )
On compare ensuite cette valeur provisoire calculée avec la valeur résultat souhaitée. Si l'écart entre ces deux valeurs est trop important, ce qui est généralement le cas lors du premier calcul, on affine le nombre et la forme des fonctions d'appartenance du signal résultat ainsi que le nombre et le contenu des règles afin que la différence entre ces deux valeurs soit inférieure à un certain seuil. A l'issue de cette étape, on obtient une modélisation globale du système.
Une fois que la phase d'apprentissage est effectuée avec les conditions normales d'utilisation, le microprocesseur de logique floue pp est en mesure de calculer la vitesse d'écoulement d'un fluide à partir des signaux S1 et S2 en provenance du capteur thermique. Il utilise les fonctions d'appartenance établies pendant la phase d'apprentissage afin de déterminer les coefficients d'appartenance des signaux S1 et S2 aux plages de ces fonctions. Enfin, il applique la méthode du minimum en tenant compte des règles préétablies pour calculer la valeur résultat correspondant à la vitesse d'écoulement du fluide.
Ce procédé de mesure de la vitesse d'écoulement d'un fluide peut être utilisé pour mesurer le débit d'air dans des conduites d'aération. Ce procédé pourra également être employé pour réguler automatiquement le débit d'air dans des systèmes d'aspiration ou de climatisation.
Claims (6)
1 - Procédé de mesure de la vitesse d'écoulement d'un fluide au moyen d'un capteur thermique (R) placé dans un flux et traversé par un courant (I) qui le porte à une température supérieure à la température du fluide, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes:
a) extraire du capteur thermique un premier signal (S1) représentatif de l'échange de chaleur entre le capteur thermique et le fluide pour une première valeur (I1) de courant traversant le capteur;
b) faire varier le courant traversant le capteur de la première valeur (I1) à la seconde valeur (I2);
c) extraire du capteur thermique un second signal (S2) représentatif de l'échange de chaleur entre le capteur thermique et le fluide pour la seconde valeur (I2) de courant traversant le capteur;
d) calculer la vitesse d'écoulement du fluide à partir des premier et second signaux.
2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, pour le cas où le fluide est un gaz, le capteur thermique est un fil de platine dont le diamètre est compris entre 0.6 et 10 micromètres.
3 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, pour le cas où le fluide est un liquide, le capteur thermique est un film mince de platine disposé sur un cône ou un cylindre isolant.
4 - procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que, pour calculer la vitesse d'écoulement du fluide, on effectue les étapes suivantes
- on définit, sur la dynamique du premier et du second signal, un premier et un second ensemble de fonctions d'appartenance en déterminant, pour chaque fonction d'appartenance, une plage de cette dynamique et un coefficient d'appartenance de chaque valeur de ces signaux à cette plage,
- on détermine des fonctions d'appartenance d'un signal résultat correspondant à la vitesse d'écoulement du fluide, avec pour chaque fonction d'appartenance du signal résultat, une plage de la dynamique de ce signal résultat, et un coefficient d'appartenance de chaque valeur de ce signal résultat à cette plage, et
- on établit des règles mettant en corrélation l'appartenance des valeurs du premier et du second signal respectivement à des plages du premier et du second ensemble de fonctions d'appartenance, et l'appartenance du signal résultat à des plages de signal résultat,
- on calcule pour chaque règle une valeur d'appartenance,
- on multiplie la valeur d'appartenance par la valeur moyenne de la plage de la fonction d'appartenance du signal résultat correspondant à cette règle,
- on fait la moyenne des résultats de cette multiplication pour produire la valeur de la vitesse d'écoulement du fluide.
5 - Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'on calcule la valeur d'appartenance en choisissant dans chaque règle le minimum des coefficients d'appartenance des premier et second signaux.
6 - Utilisation du procédé selon l'une des revendications 1 à 5 pour la régulation automatique de l'aspiration d'un fluide.
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Also Published As
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| FR2745375B1 (fr) | 1998-04-17 |
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