Anémomètre à fil chaud

L’anémomètre à fil chaud est constitué d’un élément sensible, dit fil chaud, que l’on introduit dans la veine d’air pour mesurer la vitesse de circulation du flux. Sa plage de fonctionnement peut se situer entre 0,15 m/s et 30 m/s (Dupuis et Delmas 2009). Sa bonne réactivité temporelle le rend particulièrement bien adapté à l’étude des écoulements turbulents pour lesquels la vitesse et la température varient rapidement (ONERA s.d.).

Il est à noter que l’appellation « fil chaud » est aujourd’hui impropre parce que ce procédé de mesure est basé sur l’utilisation d’une thermistance qui peut être un fil ou un film avec des formes différentes (plan, cône, sphère...).

Principe de fonctionnement

L’élément sensible est chauffé électriquement. Comme il est placé dans un écoulement, il est refroidi par convection forcée11. L’équilibre thermique de l’élément est donc un résultat du bilan du chauffage électrique et du refroidissement convectif. Si la vitesse du fluide change, l’échange convectif se modifie en conséquence. Cela entraîne une variation de la température de l’élément et donc de sa résistance électrique. Ainsi, la variation de la résistance électrique du fil donne accès à la vitesse du fluide. On peut donc trouver la vitesse d’après une mesure de la résistance électrique. De manière générale, l’élément est sensible à la vitesse dans une certaine direction et insensible dans les autres directions. En particulier, un élément de forme fil est sensible à la composante normale de

11

Les autres modes de transfert thermique (conduction, rayonnement) sont négligeables par rapport au transfert de chaleur par convection forcée.

2.1 Mesure de débit aéraulique

la vitesse par rapport au fil puisque l’échange convectif ne dépend que de cette composante. Il faut bien noter que la vitesse mentionnée dans cette partie est la composante normale.

Figure 2.1 - Principe d'un anémomètre à fil chaud (ONERA s.d.)(Kimo s.d.)

La résistance électrique du fil chaud est variable avec sa température. La résistance suit la loi :





0

1

0

fc fc

r

r

_



T

T

_

(2.1)

Où Tfcest la température de la thermistance (en °C)

0

T

est la température de référence (en °C)

fc

r et

r

0 sont les résistances du fil à sa température et à la température de référence respectivement (en )



est le coefficient de température du matériau résistif constituant le fil (en K-1)

Pour la mesure de vitesse de l’air, L.V.KING, cité dans (Dupuis et Delmas 2009), a proposé une loi de la forme suivante: 2 fc fc a r I A B r r   v (2.2)

où rfc et

r

a sont les résistances du fil à sa température et à la température de l’air

I

est l’intensité dans le fil (en A)

v est la vitesse de l’air (en m/s)

A, B sont les constantes qui dépendent de la constitution du fil (dimensions, nature…) (en A2 et A2.s1/2.m-1/2 respectivement).

En conclusion, la connaissance de l’intensité

I

et des résistances r_fc et

r

a permet de déduire la

vitesse de l’air v.

Modes de fonctionnement

D’après l’équation (2.2), il y a deux modes de fonctionnement possibles : mode en courant constant et mode en température constante.

Mode en courant constant : Le fil est alimenté par un générateur de tension continue et stabilisée au travers d’une très grande résistance. Le signal utile est alors la tension prélevée aux bornes du fil. Ce

signal permet de déduire la résistance du fil r_fc, donc la vitesse v.

Figure 2.2 - Anémomètre à fil chaud en mode courant constant (ONERA s.d.)

Mode en température constante : La résistance électrique du fil, et par conséquent sa température, est maintenue constante par un asservissement. Le signal utile est la tension prélevée aux bornes du fil ou bien l’intensité du courant traversant le fil. Ce signal permet de déduire la vitesse.

Figure 2.3 - Anémomètre à fil chaud en mode température constante(ONERA s.d.)

Surchauffe des éléments sensibles

L’échange thermique entre un fil chaud et le fluide ambiant, et par suite la sensibilité de l’anémomètre, dépend de l’écart de températureT_fcT_a, entre la température du fil chaud T_fc et la température du fluide ambiant

T

a. On introduit donc le coefficient de surchauffe sous la forme :

fc a fc a a a

T

T

r

r

a

T

r









(2.3)

où les températures sont exprimées en kelvins.

Ce coefficient est normalement ajustable. Pour les fils chauds utilisés dans l’air, a0,8. Pour les fils utilisés dans les liquides, a0, 08 (Comte-Bellot et Schon 1978). Des surchauffes trop élevées pourraient entraîner une dégradation du fil dans le premier cas ou un phénomène de vaporisation dans le second.

Coefficient de sensibilité et précision

C’est l’opération qui consiste à relier la tension de sortie de l’anémomètre à la vitesse et à la température de l’écoulement d’air. Un exemple est donné Figure 2.4. Pour la même température, plus la vitesse est grande, plus la sensibilité est faible. Pour la même vitesse, moins la température est élevée, plus la sensibilité est faible. Ainsi, on obtient des sensibilités adaptées à des mesures à température élevée et/ou à vitesse faible.

2.1 Mesure de débit aéraulique

Figure 2.4 - Courbe d'étalonnage d'un anémomètre à fil chaud selon la vitesse normale et la température de l’air. Fil = 0,5m, surchauffe a=0,5 (Comte-Bellot et Schon 1978)

Bien que la précision de mesure dépende des conditions d’essais, l’anémomètre à fil chaud peut donner, en moyenne, une bonne précision (avec 3% comme ordre de grandeur, (Kimo s.d.)).

Temps de retard

Bien que de petites dimensions, le fil et la zone de fluide environnante (couche limite laminaire) créent un retard dans la transmission des variations de vitesse du fluide. Ce retard se traduit par une simple constante de temps M. La constante M dépend de la nature et de la géométrie du fil et également des conditions d’essais (vitesse, surchauffe…).

Exemple : pour un fil de platine, de 4 µm de diamètre, M=0,3 ms pour une vitesse de 20 m/s et un coefficient de surchauffe de 0,8 (Comte-Bellot et Schon 1978).

M décroit quand le diamètre et la surchauffe du fil décroissent et quand la vitesse du fluide croît.

Principe de mesurage

Le principal avantage d’un anémomètre à fil chaud est sa réponse très rapide avec une précision élevée. Par contre, l’inconvénient le plus important est sa fragilité. D’une part, parce que la résistance mécanique du fil est faible. D’autre part, le fil ne résiste pas bien à l’impact de poussières ni aux opérations indélicates de l’opérateur.

Mesurage avec un seul fil

On a vu que les signaux de sortie d’un anémomètre à fil chaud étaient sensibles à la fois à la vitesse normale au capteur et à la température de l’air. Il faut donc connaître la température de l’air afin de déterminer la vitesse.

La principale limite dans l’utilisation d’un anémomètre à un seul fil chaud réside dans l’uni- directionnalité de la mesure.

Association de plusieurs fils

également la température de l’air.

Ainsi, si l’on connaît la température, un montage avec trois fils croisés permet de déterminer les trois composantes de la vitesse.

Figure 2.5 - Anémomètre à sonde tri-axiale pour les mesures en tridimensionnel(ONERA s.d.).

Dans le cas où la vitesse varie très peu en norme et en direction, autour d’une vitesse moyenne dont la direction est connue (par exemple dans le cas d’une étude de la fluctuation d’écoulement de l’air), le montage peut être réduit à deux fils (voir la Figure 2.6). En effet, le fil 2 permet de mesurer la vitesse moyenne et la fluctuation longitudinale. Le fil 1 mesure la fluctuation tranversale.

Figure 2.6 - Anémomètre à deux fils croisés pour la mesure de deux composantes de la vitesse

Si l’on ne connaît pas la température de l’air, l’adjonction d’un fil complémentaire est nécessaire. Ce fil est très peu chauffé et se comporte comme un thermomètre à résistance. Il permet donc la détermination de la température d’air.

Films chauds

On a vu que l’appellation « fil chaud » est impropre. La thermistance peut également avoir la forme d’un film collé sur un support. Par rapport à un anémomètre à fil chaud, celui à film chaud contient plusieurs avantages :

 Il répond plus vite en raison d’une faible résistance électrique de la thermistance et de la grande surface d’échange.

 Il est plus résistant mécaniquement. Il sera utile pour des mesures de vitesse élevée ou pour des liquides.

2.1 Mesure de débit aéraulique

 Selon la forme du support, il dispose de plusieurs configurations différentes : surface plane, cône, parabole, sphère…

(a) (b)

(c) _(d)

Figure 2.7 - Sondes à film chaud avec différentes formes: (a) plat ; (b) cunéiforme; (c) sphérique; (d) conique Selon la forme du film, l’anémomètre peut mesurer une composante de la vitesse ou la vitesse totale. En effet, avec un film à forme plate, on peut mesurer la composante normale à la surface. Avec un film conique, il mesure la composante normale à l’axe du cône. Enfin, avec un film sphérique, il mesure la vitesse totale (on ne connaît que la norme du vecteur vitesse, et pas sa direction).

Dans le document Méthodes de mesure in situ des performances annuelles des pompes à chaleur air/air résidentielles (Page 41-46)