Intercomparaison d étalonnage d anémomètres par comparaison à un anémomètre Doppler Laser

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1 Intercomparason d étalonnage d anémomètres par comparason à un anémomètre Doppler Laser J.R. Sánchez (1), H. Müller (2), I. Caré (3), Y. Corder-Duperray (3), J.M. Seynhaeve (4) (1) INTA - Road Ajalvr, pk Torrejón de Ardoz Madrd Espagne (2) - PTB - Bundesallee Braunschweg Allemagne (3) - - Domane scentfque de la Doua - 25, avenue des Arts Vlleurbanne France (4) - UCL Place de l Unversté, Louvan le Neuve Belgque Résumé L anémomètre Doppler Laser est utlsé comme nstrument de référence pour l étalonnage des anémomètres par un nombre de plus en plus mportant de laboratores de métrologe du fat de sa qualté métrologque. Le PTB (Allemagne), l INTA (Espagne), l UCL (Belgque) et le (France), laboratores de référence dans le domane de la vtesse d ar dans leur pays respectf, ont engagé un programme d nter comparason des méthodes d étalonnage d anémomètres. Chacun des ces laboratores utlse une méthode d étalonnage par comparason à un anémomètre Doppler Laser partculère. Les dfférentes méthodes ont été comparées dans les dfférentes souffleres en utlsant un tube de Ptot comme anémomètre de transfert. Abstract Due to ts metrologcal qualty, Laser Doppler Anemometer s often used as standard to calbrate anemometers by more and more calbraton laboratores. PTB (Germany), INTA (Span), UCL (Belgum) and (France), each reference laboratory n ts country have developped a wde nter comparson program to evaluate the nfluence of the method on the calbraton results. The results of these nter comparsons by usng a Ptot tube as work anemometer are presented. Introducton En 1999, une nter comparason nternatonale (Projet EUROMET 388) a été réalsée dans le domane de l anémométre. 9 pays européens ans que le Japon et les Etats-Uns y ont partcpé. On constate que les souffleres (talle, type) ans que les méthodes de détermnaton de la vtesse de référence sont très varées suvant les pays. 3 anémomètres Schltknecht de type moulnet de 3 talles dfférentes ont été utlsés. La concluson prncpale de cette étude est que les résultats étaent très dsparates sans que cela at pu être explqué [1]. Sute à cette étude, le PTB, l INTA, l UCL et le ont décdé de mener une campagne d essas afn de comparer leur méthode d étalonnage respectve. Chacune d entre elles est une méthode par comparason mettant en œuvre un anémomètre Doppler Laser comme anémomètre de référence. Elles dffèrent par la procédure utlsée. Les moyens d étalonnage des dfférents laboratores sont décrts. Les résultats de la comparason sont ensute présentés et analysés.

2 Les moyens d étalonnage PTB (Allemagne) La soufflere du PTB, de type Effel (Fgure 1), est une soufflere ouverte de 4450 mm de long avec une secton de mesure fermée de longueur 500 mm et de damètre 180 mm. La vtesse peut varer entre 0,1 m.s -1 à 60 m.s -1 en ajustant la vtesse de rotaton du ventlateur. Fgure 2 - Profls de vtesse dans la soufflere PTB Les relevés des mesures de l anémomètre de référence et de l nstrument à étalonner sont ensute réalsés smultanément pour chaque vtesse vsée. Fgure 1 - Soufflere du PTB Le tube de Ptot est postonné, dans la soufflere, au mnmum à 5 d de l anémomètre Doppler Laser de référence, d étant le damètre du tube de Ptot. En mesurant les champs de vtesse dans dfférents plans, la procédure permet de vérfer que la dstance entre l anémomètre de référence et l nstrument à étalonner est suffsante pour que ce derner n at pas d nfluence sur la mesure de la vtesse de référence comme l ndque la Fgure 2 c-dessous : INTA (Espagne) La soufflere de l INTA est de type crcut fermé avec une secton de mesure ouverte de forme ellpsoïdale de dmenson 300 mm 200 mm (Fgure 3). La vtesse peut varer entre 0 et 60 m.s -1. Fgure 3 - Soufflere de l'inta Les mesures de vtesse avec l anémomètre Doppler Laser de référence et le tube de Ptot sont réalsées au même pont mas pas au même nstant. Pour chaque vtesse, 11 relevés de l anémomètre de référence encadrent 10 relevés de l nstrument à étalonner.

3 UCL (Belgque) (France) La soufflere de l UCL est de type crcut fermé avec une Le possèdent 2 souffleres de type crcut fermé. La secton dmenson premère (Fgure 6) permet de couvrr une gamme de vtesse 560 mm 420 mm (Fgure 4). La vtesse peut varer entre allant de 0,05 à 2 m.s-1 avec une secton de mesure de 0,3 et 60 m.s mm 250 mm. de mesure ouverte de Fgure 4 - Soufflere de l'ucl L nstrument à étalonner est placé au centre de la secton d essa ouverte, à 150 mm du plan de sorte de la soufflere. Fgure 6 - Soufflere "Basse Vtesse" du La deuxème soufflere (Fgure 7) permet de couvrr une gamme de vtesse de 0,15 à 40 m.s-1 avec une secton de mesure de 500 mm 500 mm. Les mesures de vtesse de référence sont réalsées à l ade de l anémomètre Doppler Laser dans un plan stué à 100 mm en amont de l nstrument à étalonner. Pour chaque vtesse sélectonnée, l anémomètre Doppler Laser est postonné en 9 ponts réparts sur un cercle de damètre 30 mm. Un relevé de la vtesse est réalsé en chacun de ces ponts ans que deux fos au centre du cercle (Fgure 5). La moyenne arthmétque de ces relevés permet d évaluer la vtesse de référence. Plane of LDV measurement Ptot tube Fgure 7 - Soufflere "Grande Vtesse" du Plane of output of Aerodynamc tunnel Dans la procédure d étalonnage du, les relevés de l anémomètre Doppler Laser de référence et de l nstrument mm à étalonner sont réalsés smultanément. L anémomètre Doppler Laser est postonné en amont de l nstrument à étalonner à une dstance suffsante pour que ce derner n at pas n nfluence sur le profl de vtesse dans le plan de Fgure 5 - Postons des ponts de mesure de vtesse dans la soufflere UCL l anémomètre de référence. De plus, la vtesse de l anémomètre de référence est corrgée pour tenr compte du profl de vtesse axal dans chacune des deux souffleres.

4 Résultats Les essas sont réalsés en utlsant un tube de Ptot comme anémomètre de traval. Ce derner est étalonné dans chaque laboratore entre 5 et 40 m.s -1. La presson dynamque, P, est relevée à l ade d un mcro manomètre MKS étalonné en presson à l INTA. Ces résultats montrent un coeffcent du tube de Ptot, K, globalement constant sur toute la plage de vtesse avec une ncerttude assocée plus grande pour le pont à 5 m.s -1 quel que sot le laboratore. Celle-c est due à l ncerttude sur la mesure de la presson dfférentelle, le capteur utlsé étant mal adapté pour cette gamme de presson dfférentelle. Coeffcent du tube de Ptot Le coeffcent du tube de Ptot, K, défn par la relaton suvante : K = V ADL ρ 2 P est calculé pour chaque pont de vtesse. Avec - V ADL, la vtesse mesurée par l anémomètre Doppler Laser, - ρ, la masse volumque de l ar calculée à partr des mesures de presson, température et humdté selon les recommandatons du BIPM [3], - P, la dfférence de presson mesurée aux bornes du tube de Ptot. L ncerttude sur la détermnaton du coeffcent K est également calculée. Celle-c tent compte de l ncerttude sur la mesure de la vtesse de référence, propre à chaque laboratore, ans que de l ncerttude sur la détermnaton de la masse volumque et sur la mesure de la presson dfférentelle [4, 5]. Les résultats sont présentés sur la Fgure 8 c-dessous : K (-) 1,15 1,10 1,05 1,00 0,95 0,90 0,85 0, V ADL (m.s -1 ) PTB INTA UCL Fgure 8 - Evaluaton du coeffcent K du tube de Ptot par les dfférents laboratores Ecart normalsé Afn de savor s les résultats assocés à leur ncerttude obtenus par les dfférents laboratores sont cohérents entre eux, la méthode de l écart normalsée est applquée.[2]. L écart normalsé E est calculé à l ade de la relaton suvante : E = K U K 2 + U 2 avec K (resp. K ), le coeffcent du tube de Ptot calculé pour le laboratore (resp. ) et U (resp. U ), l ncerttude sur la détermnaton du coeffcent K obtenue par le laboratore (resp. ). S cet écart est nféreur à 1, les deux laboratores ( et ) présentent des résultats concordants. La comparason des dfférents laboratores avec le est présentée sur la Fgure 9 c-dessous : Ecart normalsé E (-) 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, V ADL (m.s -1 ) Fgure 9 - Ecart normalsé, E / UCL / PTB / INTA Crtère d'acceptaton La comparason entre le et le PTB ou l INTA montre des résultats concordants pusque l écart normalsé reste généralement nféreur à 0,5. Pour ce qu est de l UCL, l écart normalsé est supéreur et vosn de 1 autour de 30 m.s -1. Cec peut sans doute s explquer par le fat que les mesures réalsées par l UCL sont, selon la procédure

5 utlsée, effectuées, pour l nstrument étalonné et l anémomètre de référence, en deux postons dfférentes. Or, l est possble que la vtesse évolue selon la drecton axale dans la soufflere. Conclusons Les résultats de l ntercomparason montrent un grand de nveau de compatblté entre les dfférentes nstallatons, partculèrement entre le, le PTB et l INTA. L UCL présente quelques écarts avec les autres laboratores. Les dfférences peuvent être dues à : - l ensemencement (produt, talle des partcules), - la procédure utlsée, dfférente pour chaque laboratore, - la température et la presson dans les laboratores qu peuvent être dfférentes de celles dans les souffleres, - l humdté relatve, qu peut être dfférente selon la sason et la poston géographque du laboratore, - le temps nécessare à la réalsaton d un pont d étalonnage qu est court au PTB et au et long à l INTA et à l UCL. Les condtons d essas (presson, température) peuvent varer durant la durée de l essa, - la nature des sectons d essa des souffleres, fermées pour le PTB et le et ouvertes pour l INTA et l UCL, - la stablté, le taux de turbulence ou le nombre de Reynolds des souffleres, - La comparason à l ade du tube de Ptot réalsée c n a pas montré d nfluence sgnfcatve de ces dfférents éléments, sauf pour l UCL. Des comparasons complémentares sont en cours à l ade d un anémomètre thermque afn d affner les procédures des dfférents laboratores. Références [1] H. Lerch, «Intercomparason of Anemometers», EUROMET Project 388, Fnal Report, Avrl 1999 [2] EA-2/03, EA Interlaboratory Comparson. [3] Formule pour la détermnaton de la masse volumque, BIPM, 1979 [4] Gude pour l expresson de l ncerttude de mesure, Frst edton 1993, corrected and reprnted 1995, ISO [5] Expresson of the Uncertanty of Measurement n calbraton, EAL 4/02, 1999