Arrière-plan de l'invention

L'invention se rapporte au domaine général des mesures réalisées à l'aide de capteurs, de paramètres tels que par exemple la température d'un fluide.

Elle concerne plus particulièrement la correction d'un signal de mesure délivré par un capteur de température.

L'invention a ainsi une application privilégiée mais non limitative dans le domaine de l'aéronautique, et notamment dans le domaine des systèmes de pilotage de moteurs d'aéronef tels que des turboréacteurs.

De façon connue, il est nécessaire, pour réguler et adapter le pilotage d'un turboréacteur aux diverses contraintes d'un vol, de mesurer la température de différents flux gazeux traversant le turboréacteur (on parle de températures de veines). A cette fin, on utilise des capteurs de température tels des sondes ou des thermocouples, positionnés à différents endroits des veines d'écoulement des flux gazeux.

Ces capteurs de température souffrent généralement, lors d'une mesure, d'une certaine inertie, propre à chaque capteur, et qui dépend notamment de la masse (ou de la taille) de ce capteur. Cette inertie se traduit par un décalage temporel entre le moment où la mesure est réalisée par le capteur et le moment où celui-ci délivre un signal en réponse à cette mesure. On parle « d'effet de traînage » de la mesure. Un tel effet peut provoquer des disfonctionnements du turboréacteur du fait d'une mauvaise adaptation de celui-ci, et ce notamment lors de variations rapides des températures des flux gazeux.

Pour pallier cet inconvénient, il existe des techniques permettant de corriger les signaux de mesure délivrés par un capteur de température, en compensant l'effet de traînage induit par l'inertie de ce capteur. Une telle technique est par exempte décrite dans le document US 5,080,496.

De façon générale, ces techniques s'appuient sur une modélisation numérique de l'inertie du capteur à l'aide d'un filtre paramétré par une estimation de la constante de temps de ce capteur. De façon connue en soi, la constante de temps d'un capteur de mesure caractérise son temps de réponse, c'est-à-dire son inertie. Pour estimer la constante de temps d'un capteur de température, les techniques de l'art antérieur utilisent des abaques figés, dépendant d'un ou de plusieurs paramètres, comme par exemple le débit d'écoulement du fluide dans lequel se trouve le capteur. Ces abaques indiquent des valeurs moyennes de constantes de temps pour des gabarits de temps de réponse et des conditions prédéterminés. Autrement dit, ils ne tiennent pas réellement compte de la dispersion de l'inertie d'un capteur de température par rapport à un autre.

Or, les technologies de fabrication actuelles ne permettent pas de fabriquer à moindre coût, des capteurs de température pour le pilotage des turboréacteurs qui respectent un gabarit de temps de réponse peu dispersé. Par conséquent, il est difficile d'avoir des abaques adaptés aux différents capteurs de température considérés. Et de nombreux problèmes ont été mis en évidence lorsque les constantes de temps des capteurs embarqués sur un turboréacteur sont éloignées des valeurs données par ces abaques.

Une solution pourrait être de tester chaque capteur de température, par exemple en soufflerie, en vue de déterminer sa constante de temps dans des conditions prédéfinies et d'extrapoler les abaques en fonction de la constante ainsi déterminée. Cependant, un tel test est particulièrement coûteux et représente environ un tiers du prix du capteur de température. Par conséquent, il ne peut être mis en œuvre pour chaque capteur de température, ce qui signifie qu'un capteur de température en dehors d'un gabarit d'acceptation pour lequel un abaque est disponible, pourrait ne pas être détecté.

En outre, de tels tests sont souvent réalisés pour des débits d'écoulement de fluides limités par les capacités de la soufflerie, et ne permettent pas généralement de couvrir la plage de débits utiles pour les applications d'un turboréacteur. Or, l'extrapolation des abaques de façon à couvrir toute la plage des débits utiles introduit des imprécisions dans la chaîne d'acquisition du capteur de température.

Par ailleurs, comme mentionné précédemment, la constante de temps d'un capteur de température dépend de paramètres tels le débit d'écoulement du fluide dans lequel se trouve le capteur. Cela signifie que pour estimer la constante de temps d'un capteur de température, il est nécessaire, au préalable, d'estimer ce débit d'écoulement de fluide. Par conséquent, la mise en œuvre d'estimateurs complémentaires sur le turboréacteur est nécessaire, ce qui rend d'autant plus complexe Ia correction des mesures.

Par conséquent, il existe un besoin d'un procédé de correction des signaux de mesures réalisées par un capteur de température, qui soit simple et permette une compensation de qualité de l'effet de traînage introduit par ce capteur, et ce quelle que soit la constante de temps du capteur.

Objet et résumé de l'invention

La présente invention répond à ce besoin en proposant un procédé de correction d'un signal de mesure d'une température délivré par un capteur, comprenant :

- une étape de modélisation numérique, par un signal modélisé, de la température mesurée par le capteur ;

- une étape d'estimation d'un signal d'erreur de traînage pour ce capteur, à partir du signal modélisé et d'un signal obtenu par filtrage du signal modélisé, ce filtrage étant paramétré par une estimation d'une constante de temps du capteur ; et - une étape de correction du signal de mesure délivré par le capteur à l'aide du signal d'erreur de traînage estimé.

Conformément à l'invention, l'estimation de la constante de temps du capteur est réalisée en fonction du temps à partir du signal de mesure et du signal modélisé. L'invention permet donc d'estimer en temps réel la constante de temps du capteur de température considéré, et de corriger en conséquence les signaux de mesure délivrés par ce capteur. La correction apportée aux signaux de mesure (i.e. compensation de l'effet de traînage) est ainsi adaptée au capteur de température utilisé, et ce quelle que soit son inertie.

Ainsi, l'invention rend avantageusement possible l'utilisation de capteurs de température dont les constantes de temps respectives présentent une dispersion importante. Le relâchement de l'exigence de faible dispersion des constantes de temps par rapport à un gabarit donné se traduit par une baisse des coûts de fabrication des capteurs de température. En outre, des capteurs de température ayant des constantes de temps plus importantes peuvent être considérés. Ceci permet de fabriquer des capteurs de température plus solides mécaniquement, en augmentant notamment la quantité de matière entourant les éléments sensibles de ces capteurs.

De plus, dans Ie domaine de l'aéronautique, la détermination en soufflerie de la constante de temps des capteurs de température est évitée, diminuant de ce fait le coût de qualification de ces capteurs pour la régulation des turboréacteurs. Par ailleurs, de façon avantageuse, l'invention ne nécessite pas la mise en œuvre d'estimateur supplémentaire pour évaluer le débit du fluide dans lequel se trouve plongé le capteur. L'estimation de la constante de temps du capteur est réalisée de façon adaptative, à partir de signaux classiquement évalués pour la prise en compte de l'effet de traînage dans les mesures de température effectuées par ce capteur, à savoir le signal de mesure délivré par le capteur et un signal modélisé représentatif de la température mesurée par le capteur.

Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, pour estimer la constante de temps du capteur, on met en œuvre les étapes suivantes :

(a) obtention d'un premier signal, respectivement d'un second signal, par dérivation du signal de mesure, respectivement du signal modélisé ;

(b) évaluation d'une différence entre la valeur absolue du premier signal et la valeur absolue du second signal ; et

(c) estimation de la constante de temps du capteur à partir de cette différence.

Ainsi, il est possible de s'affranchir des imperfections, en termes d'estimation absolue de la température, du modèle numérique utilisé pour estimer la température mesurée par le capteur. En effet, du fait de l'utilisation des dérivées du signal de mesure et du signal modélisé dans l'invention, il est suffisant de disposer d'un modèle numérique offrant une bonne représentativité des écarts relatifs de la température mesurée.

Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, on estime la constante de temps du capteur à partir de la différence à l'aide d'un filtre de type correcteur intégral paramétré par un gain prédéterminé. Un tel filtre est connu en soi, et présente de bonnes performances pour la correction des signaux de mesure.

En variante, d'autres estimateurs peuvent être utilisés, mettant en œuvre par exemple des filtres d'ordres plus élevés. Selon un aspect de l'invention, préalablement à l'étape d'estimation (c) de la constante de temps, on compare la valeur absolue du premier signal par rapport à un seuil prédéterminé.

Cette comparaison permet notamment de détecter si la valeur de la dérivée du signal de mesure est faible et, le cas échéant, de ne pas estimer la valeur de la constante de temps à partir de la différence.

En effet, une valeur faible de la dérivée du signal de mesure signifie que l'on se trouve dans une phase de stabilité thermique, phase au cours de laquelle la constante de temps ne varie pas ou très peu. Or d'un point de vue implémentation matérielle, une valeur parfaitement nulle de la différence ne peut être obtenue du fait de la présence de bruits de mesure inhérents au capteur de mesure et à la chaîne d'acquisition associée. Par conséquent, l'estimation de la constante de temps peut être amenée à diverger, notamment lorsque celle-ci est mise en œuvre à l'aide d'un filtre de type correcteur intégral. Selon un autre aspect de l'invention, suite à l'étape d'estimation

(c) de la constante de temps, on vérifie que la constante de temps estimée est comprise entre une valeur minimale et une valeur maximale prédéfinies.

De cette sorte, on s'assure que l'estimation de la constante de temps ne diverge pas. On peut notamment utiliser comme valeur minimale et valeur maximale, des valeurs de tolérance prédéfinies pour le capteur de température spécifiées par exemple par le constructeur du capteur de température.

Corrélativement, l'invention vise également un système de correction d'un signal de mesure d'une température délivré par un capteur, comprenant ;

- des moyens de modélisation numérique, par un signal modélîsé, de la température mesurée par le capteur ;

- des moyens d'estimation d'une constante de temps du capteur ; - des moyens de filtrage du signal modélisé, paramétrés par la constante de temps du capteur estimée ; - des moyens d'estimation d'un signal d'erreur de traînage pour le capteur, à partir du signal modélisé et du signal filtré ; et

- des moyens de correction du signal de mesure délivré par Ie capteur à l'aide du signal d'erreur de traînage estimé ; ce système étant remarquable en ce que les moyens d'estimation de la constante de temps du capteur sont adaptés à estimer cette constante en fonction du temps à partir du signal de mesure et du signal modélisé.

Comme mentionné précédemment, du fait de ses caractéristiques et avantages précitées, l'invention a une application privilégiée mais non limitative dans le domaine de l'aéronautique et plus particulièrement dans le domaine de la régulation et du pilotage de moteurs d'aéronef.

Ainsi, l'invention vise également un turboréacteur comportant au moins un système de correction d'un signal de mesure délivré par un capteur de température conforme à l'invention.

Brève description des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :

- la figure 1 représente, de façon schématique, un système de correction d'un signal de mesure conforme à l'invention ainsi que les principales étapes d'un procédé de correction conforme à l'invention, dans un mode particulier de réalisation ;

- la figure 2 représente, sous forme schématique, un exemple de module de modélisation numérique pouvant être utilisé dans le système de correction représenté sur la figure 1, pour modéliser la température mesurée par le capteur ; - la figure 3 représente, sous forme d'organigramme, les principales étapes mises en œuvre pour estimer la constante de temps d'un capteur de température au cours d'un procédé de correction d'un signal de mesure conforme à l'invention, dans un mode particulier de réalisation, lorsqu'il est mis en œuvre par le système représenté sur la figure 1 ; et - la figure 4 représente, sous forme schématique, un exemple de moyens d'estimation de la constante de temps d'un capteur en fonction du temps mettant en œuvre les étapes représentées sur Ia figure 3.

Description détaillée d'un mode de réalisation

La figure 1 représente, dans un mode particulier de réalisation, un système 1 et un procédé de correction conformes à l'invention, et permettant la correction d'un signal de mesure Tl délivré par un capteur de température 10 présentant une inertie thermique, et utilisé pour la régulation d'un turboréacteur d'un avion.

Cette hypothèse n'est toutefois pas limitative, l'invention pouvant être mise en œuvre pour d'autres applications susceptibles d'utiliser un capteur de température présentant une inertie thermique.

Ainsi, dans le mode de réalisation décrit ici, tout ou partie du système de correction 1 est couplé ou intégré au dispositif de régulation pleine autorité de l'avion propulsé par le turboréacteur, connu également sous le nom de FADEC (FuII Authority Digital Engine Control).

Plus particulièrement dans l'exemple décrit ici, on envisage la correction d'un signal de mesure représentatif de la température T ₂₅ , en entrée du compresseur haute-pression du turboréacteur. Bien entendu, l'invention s'applique également à d'autres températures pouvant être mesurées dans le turboréacteur.

Dans la suite de la description, on considère des signaux et des paramètres échantillonnés à une période d'échantillonnage Te. Cette période d'échantillonnage Te est, par exemple, de l'ordre de 20 à 40 ms.

De façon connue, elle dépend notamment de la dynamique de la température mesurée.

On notera cependant que l'invention peut également être mise en œuvre avec des signaux et des paramètres continus. Conformément à l'invention, le système de correction 1 comprend un module de modélisation numérique 20, utilisé pour modéliser la température T ₂₅ mesurée par le capteur de température 10.

Autrement dit, le module de modélisation numérique 20 est adapté à modélîser le signal de mesure qui serait délivré par Ie capteur de température 10 si celui-ci fonctionnait sans défaut lié à sa constante de temps ou de façon équivalente si celui-ci avait une constante de temps nulle.

La figure 2 représente sous forme schématique, un exemple de module de modélisation numérique pouvant être utilisé, Selon cet exemple, le module de modélisation numérique 20 comprend une entité 21 adaptée à délivrer une estimation du rapport de températures T ₂₅ /T _ι2 à partir d'une mesure (N) _m de la vitesse de rotation de la soufflante du turboréacteur, Ti ₂ désignant la température à l'entrée de cette soufflante. Cette estimation est calculée par l'entité 21 à l'aide d'une courbe prédéterminée représentant l'évolution du rapport adiabatique de températures lisfln en fonction de la vitesse de rotation N de la soufflante. Une telle courbe est connue de l'homme du métier et ne sera pas décrite plus en détails ici.

L'estimation du rapport T2 ₅ /T12, notée (T ₂ 5/Ti2) _e , est ensuite envoyée vers un circuit multiplicateur 22, adapté à multiplier ce rapport par une mesure de la température T12, notée (Ti2) _m . On obtient ainsi, en sortie du circuit multiplicateur 22, le signal modélisé T2.

La mesure (Ti ₂ ) _m de la température Ti ₂ et la mesure (N) _m de la vitesse de rotation de la soufflante sont obtenues à l'aide de capteurs situés dans le turboréacteur connus en soi et qui ne seront pas détaillés davantage ici.

En variante, un modèle numérique plus élaboré et plus précis de la température mesurée par le capteur peut être utilisé. Un tel modèle est décrit notamment dans le document US 5,080,496. On notera, que dans l'exemple décrit ici, on considère la correction d'un signal de mesure réalisé sur la température T ₂₅ . Toutefois, comme mentionné précédemment, l'invention s'applique à d'autres températures pouvant être mesurées dans le turboréacteur à condition de disposer d'un modèle d'évolution de ces températures. Le signal T2 ainsi modélisé par le module 20 est ensuite filtré par un module 30 modélisant l'inertie du capteur de température. Ce module 30 est, par exemple, un filtre du premier ordre dont la fonction de transfert Hm(p) est donnée par ;

H,. (P) = ^ où τ est un paramètre représentant Ia constante de temps du capteur 10. Le paramètre τ est estimé par un module d'estimation 40, détaillé ultérieurement en référence aux figures 3 et 4.

Un module de calcul 50 estime alors le signal d'erreur de traînage z _\ag introduit par le capteur 10 de température, en calculant un signal de différence entre le signal modétisé T2 et le signal modélisé filtré T3.

L'erreur de traînage ει _ag est ensuite ajoutée par un module de correction 60 au signal de mesure Tl délivré par le capteur 10. On obtient ainsi un signal de mesure corrigé T4, dans lequel l'effet de traînage introduit par le capteur 10 de température a été compensé.

Nous allons maintenant décrire, en référence aux figures 3 et 4, les principales étapes ainsi que les moyens mis en œuvre par le module d'estimation 40 pour estimer la constante de temps τ du capteur de température en fonction du temps.

Dans l'exemple de réalisation décrit ici, le module d'estimation

40 met en œuvre un algorithme adaptatif pour estimer τ en temps réel.

Plus précisément, la constante de temps t est évaluée à un instant donné t≈nTe {n étant un entier) à partir d'une valeur de cette constante estimée à un instant précédent.

Conformément à l'invention, pour estimer la constante de temps τ du capteur 10, on utilise le signal de mesure Tl et le signal modélisé T2. Plus particulièrement, dans le mode de réalisation décrit ici, on évalue d'une part, un premier signal Sl par dérivation du signal de mesure Tl (étape ElO), et d'autre part, un second signal S2 par dérivation du signal modélisé T2 (étape E20).

La dérivée Sl du signal de mesure est obtenue à l'aide d'un premier module dérivateur 41. Celui-ci est, par exemple, un filtre d'ordre 1 adapté à évaluer le signal Sl à l'instant t= n Te selon l'équation suivante : si _[ ^L _n re> ^J H^H Te« fl dans laquelle Sl[nTé\, respectivement Tt[nTë\, représente le signal Sl, respectivement le signal Tl, échantillonné à l'instant nTe.

A cette fin, de façon connue, le module dérivateur 41 comprend : - une cellule de retard 41a délivrant le signal de mesure à l'instant précédent (n-l)Te ;

- un élément soustracteur 41b permettant de soustraire au signal de mesure ll[nTé\, le signal de mesure retardé TIiCn-IJTe] ; et - un élément diviseur 41c adapté à diviser la somme ainsi obtenue par la période d'échantillonnage Te.

En variante, le module dérivateur 41 peut être un filtre d'ordre supérieur.

Le signal S2 est obtenu de façon similaire à partir du signal modélisé T2, à l'aide d'un second module dérivateur 41, adapté à évaluer le signal S2 à l'instant nTe selon l'équation suivante :

^{L J} Te dans laquelle S2{nTé\, respectivement 12[nTé\, représente le signal S2, respectivement le signal T2, échantillonné à l'instant nTe, On évalue ensuite la valeur absolue |Sl[/77e]| du signal Sl

(étape E30), respectivement la valeur absolue |S2[/77e]| du signal S2 (étape E40), à l'aide d'un module de calcul 42 approprié, connu de l'homme du métier et non détaillé ici.

Un signal de différence, noté EPS, est alors calculé par un module soustracteur 43, à partir des signaux |Sl[/?Fe]| et |S2[/?re]| (étape E50), par exemple ici selon l'équation suivante :

Dans le mode de réalisation décrit ici, on compare le signal |Sl[/77e]f obtenu à partir de la dérivée du signal de mesure Tl _, à un seuil prédéfini s à l'aide d'un comparateur 44 (étape E60). Cette comparaison est destinée à détecter une valeur faible du signal Sl, représentative d'une phase de stabilité thermique. Le seuil prédéfini s sera ainsi choisi de sorte à permettre cette détection.

En raison de bruits de mesure inhérents à la chaîne d'acquisition du capteur de température 10, il est en effet difficile voire impossible d'obtenir une valeur EPS nulle lors d'une telle phase de stabilité thermique. Or, ceci peut causer une divergence de l'algorithme adaptatif. Par conséquent, pour pallier cet inconvénient, on propose avantageusement ici de forcer la valeur de la différence EPS à zéro lorsque la valeur absolue du premier signal Sl est inférieure à un certain seuil s (étape E70).

Cette opération est réalisée par un module 45 dont l'action est conditionnée par la sortie du comparateur 44 _» à savoir par exemple ; - la sortie du module 45 est aiguillée sur EPS si |Sl[/77e]| > s ; - sinon la sortie du module 45 est aiguillée sur 0.

On notera que dans le mode de réalisation décrit ici, la comparaison E60 est mise en œuvre après l'évaluation de la différence

EPS. En variante, elle peut être réalisée préalablement à l'évaluation de la différence EPS, la mise en œuvre de l'évaluation du signal S2 pouvant être conditionnée par le résultat de la comparaison.

La sortie du module 45 est ensuite envoyée vers un estimateur 46, adapté à estimer le paramètre τ à (Instant nTe, en fonction de la différence EPS et d'une valeur précédemment estimée du paramètre τ. L'estimateur 46 est par exemple un estimateur de type correcteur intégral (ou filtre correcteur intégral), paramétré par un gain K (K étant un nombre réel), connu de l'homme du métier et réalisant l'opération suivante (étape E80) : τ[nTe]= τ[(n - 1) Te] +K x EPS où τ[nTé\ désigne la valeur de la constante τ à l'instant nTe.

Autrement dît, lorsqu'à l'étape E60 on détecte que )Sl[nTe]|<s, le fait de forcer la valeur de la différence EPS à zéro au cours de l'étape E70 revient à « suspendre » en quelque sorte l'estimation de la constante de temps τ, en prenant comme valeur de la constante de temps τ à l'instant nTe la valeur de la constante de temps τ estimée à l'instant précédent (n-lJTe, On évite ainsi une divergence de l'algorithme adaptatif.

De façon connue, l'estimateur correcteur intégral 46 comprend un élément multiplieur 46a, adapté à multiplier Ie signal de différence EPS par Ie gain K, une cellule de retard 46b délivrant la valeur x[(n-l)Të\, et un élément additionneur 46c adapté à calculer la valeur x[nTe] selon l'équation indiquée précédemment

On notera que, de façon connue en soi, le choix de la valeur initiale de la constante de temps XQ, de la période d'échantillonnage Te et de Ia valeur du gain K résulte d'un compromis entre performance de l'estimation et rapidité de convergence de l'algorithme adaptatif. On pourra, par exemple, choisir la valeur initiale de la constante de temps τo dans un abaque fourni par le constructeur du capteur de température 10 et tel qu'utilisé dans les techniques de l'art antérieur.

En variante, d'autres estimateurs qu'un estimateur de type correcteur intégral peuvent être utilisés, tels que par exemple des estimateurs mettant en œuvre des filtres d'ordres plus élevés.

Dans le mode de réalisation décrit ici, la constante de temps τ[nTé\ estimée par l'estimateur correcteur intégral 46 est ensuite envoyée vers un module 47, chargé de s'assurer que la valeur de la constante est comprise entre une valeur minimale τ _m jn et une valeur maximale τ _ma χ prédéterminées, et d'ajuster cette valeur en cas de divergence par rapport aux valeurs minimale et maximale.

A cette fin, le module d'ajustement 47 comprend un premier module 47a, adapté à forcer la valeur de la constante de temps τ[nTé\ à τ _min si τ[nTe] < τ _m in, et un second module 47b adapté à forcer la valeur de la constante de temps τ[nTé\ à τ _ma χ si x[nTe] > τ _m ax (étape E90). Les valeurs minimale et maximale auront été choisies au préalable, par exemple en fonction des tolérances minimale et maximale du capteur de température indiquées par le constructeur du capteur. La constante de temps éventuellement ajustée est ensuite envoyée vers le filtre 30 (étape ElOO), de sorte à être utilisée pour la génération du signal filtré T3.