1 – Typologie des anémomètres

Les anémomètres se divisent en deux grandes familles technologiques :

• Ceux mesurant directement la vitesse de l’écoulement d’air.
• Ceux mesurant la pression exercée par le fluide.

Toutefois, une corrélation physique directe unit ces grandeurs. Un dispositif conçu pour l’une fournit systématiquement des indications sur la seconde.

Anémomètre à coupelles (anémomètre de Robinson)

Cet instrument se compose de trois demi-coquilles disposées à 120 degrés sur des bras horizontaux, eux-mêmes montés sur un axe vertical équipé d’un tachymètre. La vitesse de rotation est directement proportionnelle à la vitesse de l’air. Lorsque l’écoulement frappe le dispositif, il rencontre alternativement la face concave puis la face convexe d’une coupelle.

Cette asymétrie de traînée aérodynamique engendre le mouvement rotatif. La vitesse de déplacement du fluide est alors reliée à la fréquence de rotation de l’équipage mobile :

Avec :

• V : Vitesse du vent [m/s]
• R : Rayon moyen des bras [m]
• N : Fréquence de rotation en tours par seconde [s^-1]
• F(N) : Fonction d’étalonnage

La fonction d’étalonnage traduit les propriétés aérodynamiques intrinsèques et les frottements mécaniques de l’axe. Liée aux cotes géométriques et aux matériaux de construction, elle est calibrée avec précision par des essais en soufflerie sous différents régimes d’écoulement. Pour cet appareil, une vitesse de rotation d’un tour par seconde équivaut à un écoulement de 1 m/s, soit 3,6 km/h. Ce modèle couvre une plage opérationnelle s’étendant de 0 à près de 200 km/h.

Anémomètre laser Doppler (LDV)

La quantification repose ici sur le temps de propagation d’une onde. Deux couples de transducteurs fonctionnent en alternance comme émetteurs et récepteurs d’un train d’ondes. Les durées de transit aller et retour sont mesurées en continu ; on en déduit ensuite, par glissement de fréquence (effet Doppler-Fizeau), la vitesse du fluide le long de la ligne de visée.

Les atouts de ce procédé optique sont majeurs : il s’agit d’une métrologie non intrusive, exempte de toute perturbation du flux, dotée d’une résolution spatiale remarquable indispensable à l’analyse des régimes turbulents.

En contrepartie, son coût d’acquisition élevé ainsi que la complexité de son alignement optique constituent ses principales contraintes d’exploitation.

Vélocimétrie par images de particules (PIV)

La PIV représente la référence absolue en laboratoire pour cartographier le champ de vitesse global d’un fluide.

Le protocole s’articule en plusieurs étapes :
Une nappe laser illumine une section ciblée du fluide préalablement ensemencé en microparticules réfléchissantes. Ces traceurs diffusent la lumière vers un capteur optique haute vitesse (caméra CCD ou CMOS). Le traitement numérique par intercorrélation de motifs entre deux expositions successives isole le déplacement vectoriel des particules. Cette analyse délivre instantanément le profil de vitesse 2D ou 3D au cœur du plan d’éclairement.

Tube de Pitot

Le tube de Pitot constitue la pierre angulaire des systèmes anémobarométriques. Il est formé de deux prises de pression concentriques disposées de manière différentielle par rapport à l’écoulement :

• L’une, affleurante et orientée perpendiculairement au flux, capte la pression statique (pression ambiante du fluide).
• L’autre, orientée face au flux incident, amène localement le fluide à vitesse nulle (point d’arrêt) pour capter la pression totale (somme de la pression statique et de la pression dynamique).

L’écart entre ces deux prises isole la composante dynamique de l’air. En aéronautique, cette métrique permet de déduire la vitesse air puis la vitesse sol, deux données vitales pour la tenue de vol et la gestion du carburant. Cette relation découle directement du théorème de Bernoulli (en négligeant la cote altimétrique z), reliant sans intermédiaire la pression dynamique à la vitesse via un transducteur différentiel.

Avec :

• V : Vitesse d’écoulement du fluide [m/s]
• P_s : Pression statique ambiante mesurée orthogonalement [Pa]
• P_t : Pression totale d’arrêt (somme dynamique + statique) [Pa]
• ρ : Masse volumique du fluide [kg/m³]

Anémométrie à fil chaud et film chaud

L’anémométrie thermique (fil ou film chaud) est une méthode micro-aéraulique permettant d’évaluer la vitesse locale d’un écoulement en analysant les pertes thermiques d’un conducteur miniature immergé dans la veine d’air.

Le principe consiste à porter à température par effet Joule un filament métallique dont la résistance varie avec la température. Placé dans le flux, ce dernier subit un refroidissement convectif forcé. Sa résistance électrique devient ainsi la signature directe de la vitesse d’écoulement, sous réserve de compenser la température propre du fluide.

Les sondes courantes exploitent un fil de tungstène ou de platine d’environ 1 mm de longueur pour un diamètre infime de 1 à 10 µm, brasé entre deux broches de maintien. Les mesures s’opèrent principalement dans l’air pour des plages comprises entre 0,1 m/s et plusieurs dizaines de m/s.

Le capteur à film chaud, quant à lui, est déposé sur un substrat en quartz ou céramique, offrant une robustesse mécanique supérieure. Il est à noter que la majorité des techniciens en génie climatique emploient des anémomètres portatifs munis d’une sonde télescopique à fil chaud.

2 – Anémométrie à fil chaud : principe et équations

Considérons un fil de longueur l et de diamètre d dont l’élancement l/d est très grand. Ce filament, de résistance R_w, est alimenté par un courant électrique d’intensité I.

En désignant par E l’énergie thermique emmagasinée dans le conducteur, le bilan d’énergie s’exprime par :

Dans cette expression, P_J représente la puissance dissipée par effet Joule et Φ le flux thermique évacué vers l’environnement extérieur. Le fil atteint une température stabilisée T_w, supérieure à la température ambiante T₀ du fluide.

Plusieurs phénomènes participent à la dissipation de ce flux de chaleur :

• Convection vers le fluide (mécanisme prépondérant transporté par l’écoulement).
• Conduction thermique vers les broches et supports métalliques.
• Rayonnement thermique émis par le fil porté à haute température.

Le nombre de Nusselt (Nu) quantifie l’efficacité du transfert convectif par rapport à la conduction pure. Ce nombre adimensionnel croît avec la vitesse du fluide. Toute la théorie de l’anémométrie thermique consiste à corréler Nu au nombre de Reynolds (Re) associé à la vitesse d’écoulement U.

En intégrant la relation thermique T_w − T₀ = (R_w − R₀) / (α R₀), on aboutit à la relation fondamentale de l’anémométrie thermique, appelée la loi de King :

Pour asservir ce système et obtenir un signal exploitable en tension, deux architectures électroniques s’opposent :

• L’anémométrie à courant constant (CCA) : le courant d’alimentation I est figé, et l’on mesure les variations de tension induites par les fluctuations de résistance R_w (méthode aujourd’hui obsolète).
• L’anémométrie à température constante (CTA) : la résistance R_w – et donc la température du fil – est maintenue strictement constante via une boucle d’asservissement rapide modulant l’intensité I.

Anémométrie à courant constant (CCA)

Cette approche élémentaire impose un courant I fixe et mesure l’évolution temporelle de R_w(t). Pour acquérir une mesure exploitable, le capteur est intégré à un pont de Wheatstone équilibré.

La faille critique de la CCA réside dans l’inertie thermique du filament : sa température T_w oscille au gré des turbulences, contredisant l’hypothèse de régime permanent et ruinant la bande passante lors de variations de vitesse brutales.

Anémométrie à température constante (CTA)

La méthode CTA résout cette contrainte en figeant la température T_w du capteur, neutralisant de facto son inertie thermique. L’intensité I devient la variable asservie :

Un amplificateur opérationnel à haut gain réinjecte la tension d’erreur du pont sur sa propre alimentation. Toute augmentation de la vitesse d’air refroidit le fil, abaisse sa résistance et génère instantanément une augmentation de courant pour réchauffer le filament à sa consigne. La tension de sortie E_s traduit fidèlement cette puissance de compensation.

La principale contrainte pratique provient de la forte non-linéarité de la loi de King (ΔE_s n’est pas proportionnel à ΔU). Aux vitesses élevées, la sensibilité du capteur s’atténue, ce qui impose un étalonnage rigoureux et précis du système.

3 – Domaines d’application

L’anémométrie instrumente aujourd’hui une grande diversité de filières industrielles et scientifiques :

• Météorologie : les stations automatiques équipées d’anémomètres à coupelles mesurent la force et les rafales de vent en continu.
• Recherche de pointe et nucléaire : les systèmes optiques LDV et PIV auscultent la dynamique des écoulements multiphasiques sans contact mécanique.
• Génie climatique et salles propres : les capteurs à fil et film chaud dominent la régulation fine dans l’industrie pharmaceutique et agroalimentaire, sur des plages comprises entre 0,1 m/s et 15 m/s.

Dans les laboratoires à haut confinement, ces capteurs pilotent en temps réel les régulateurs de vitesse frontale des sorbonnes d’extraction afin de garantir la protection des opérateurs face aux émanations chimiques.

Pour chaque intégration, il est indispensable de dimensionner les paramètres critiques du capteur auprès du fabricant (plage de mesure, temps de réponse et résistance aux agents corrosifs).