Brevet FR2041117A1 — publié le 19710129

-i 2041117 La présente invention se rapporte à la mesure du déplacement relatif dans une direction perpendiculaire à leur axe, de deux organes qui tournent l'un par rapport à l'autre autour d'un seul axe. 5 Dans les turbines à vapeur, par exemple, il est désirable de pouvoir mesurer de petits déplacements transversaux de l'arbre de turbine pendant le fonctionnement. Cela permet de surveiller le fonctionnement pendant la marche réelle sous puissance et on peut donc adopter des conditions de fonctionnement plus proches 10 de leurs limites admissibles sans risquer que le déplacement de l'arbre dépasse la valeur permise. Cela permet aussi d'amorcer un arrêt rapide si le déplacement devient brusquement trop grand par l'effet de quelque cause inattendue. Selon un aspect, la présente invention propose un procédé 15 pour mesurer, pour deux organes tournant l'un par rapport à l'autre autour d'un seul axe, de petits déplacements relatifs dans une direction perpendiculaire à l'axe de rotation, consistant à définir sur l'un des deux organes un point de référence qui en rotation décrit un parcours circulaire par rapport à 20 l'autre organe, à définir sur l'autre organe une première ligne de référence et une seconde qui coupent ce cercle en des points dont l'écart le long de la circonférence est constant pour un déplacement du cercle perpendiculaire à la direction de la mesure mais non pour un déplacement dans la direction de la 25 mesure et à mesurer le temps pris par le point de référence pour passer entre la première ligne de référence et la seconde6 Un petit déplacement est un déplacement qui est petit par rapport à la dimension du cercle. On peut également prévoir, à des écartements égaux le long de la circonférence, une pluralité de points de référence et/ou de premières lignes de référence et de secondes lignes de référence 5 cela permet une surveillance plus rapide et plus précise de la position de l'arbre. Si la vitesse de'rotation est variable, la mesure du temps 35 doit naturellement être rapportée au temps mis pour un tour complet. On peut, par exemple, j parvenir, en mesurant les deux temps mis par le point de référence pour passer d'une première ligne de référence à une seconde et pour passer de la seconde à la première. 40 Dans ce procédé, les deux lignes de référence peuvent être 30 70 11736 2 2041117 perpendiculaires à la circonférence et diamétralement opposées l'une à l'autre. En variante, les deux lignes de référence peuvent former entre elles un angle et être au même point de la circonférence. 5 L'invention prévoit aussi un équipement pour exécuter le procédé en utilisant un aimant pour le point de référence ou pour chaque point de référence et une boucle de fil conducteur pour chaque ligne de référence» Les boucles peuvent être reliées en opposition et alimenter un circuit de bascule équilibré, c'est-à-10 dire un circuit qui bascule de l'un à l'autre de ses deux états sous l'action de signaux de même amplitude et de polarités contraires. La sortie du circuit de bascule peut aussi être compensée et lissée pour donner la sortie désirée indiquant le déplacement à mesurer. 15 On décrira maintenant, à titre d'exemples, diverses formes d'exécution de l'invention en référence au dessin annexé, dans lequel : la figure 1 est un schéma général par blocs d'une première forme d'exécution ; 20 la figure 2 est une vue agrandie d'une partie de la figure 1 avec certaines formes d'onde ; les figures 3A et 3B montrent ensemble un circuit détaillé de cette forme d'exécution ; la figure 4 montre une modification de cette forme d'exé-25 cution ; la figure 5 montre une autre modification de cette forme d'exécution ; la figure 6 montre en vue de côté et en coupe transversale les parties mécaniques d'une seconde forme d'exécution ; 30 la figure 7 est une coupe des parties mécaniques d'une modification de la seconde forme d'exécution ; la figure 8 est line vue agrandie du dispositif capteur de la forme d'exécution de la figure 7 > la figure 9 est, à plus grande échelle, une vue des parties 35 mécaniques d'une autre modification de la seconde forme d'exécution ; et la figure 10 montre une construction du dispositif capteur de la forme d'exécution de la figure 1. En référence à la figure 1, un arbre i0 Çvu en coupe) porte -40 un collier 11 en matière non magnétique auquel sont incorporés 70 11736 3 2041117 plusieurs aimants cylindriques 12 parallèlement à l'axe de l'arbre et également répartis autour de lui. Une structure de cap-tage 13 est montée au voisinage du Gollier 11 et alimente un préamplificateur 14 qui à son tour alimente un amplificateur 15 à ^ réglage automatique de gain, formé par un amplificateur 16 et par un chemin de réaction négative 17 comprenant une thermistance. Cet amplificateur à réglage automatique de gain alimente un circuit de "bascule équilibré 19, formé par un amplificateur 20 et un chemin de réaction positive comprenant des résistances 21 10 et 22. La sortie du circuit de bascule est appliquée à un indicateur 24 à travers un circuit de lissage 23. En référence maintenant à la figure 2, le dispositif capteur 13 est représenté dansla partie supérieure de cette figure. Ce dispositif capteur se compose de deux boucles 30 et 31 en épin-gles à cheveux dont la largeur est approximativement égale au diamètre des extrémités des aimants 12 et qui sont reliées en opposition comme représenté. Quand l'arbre 10 tourne, les aimants parcourent le trajet 32 et induisent des impulsions de sortie dans chacune des boucles 30 et 31 quand ils passent sous ces 20 boucles. (Le trajet 32 est en fait circulaire, mais la partie voisine du dispositif capteur 13 est approximativement une ligne droite comme représenté). Ainsi, l'impulsion 35 représentée par la forme d'onde Vg sur la figure 2 et constituée par une ondulation positive suivie d'une ondulation négative, est induite par 25 le passage d'un aimant sous la boucle 30. Une impulsion 3.6.,.qui est de forme semblable mais de polarité contraire à celle de l'impulsion 35» est induite quand le même aimant passe sous la boucle 31• Une impulsion 37» identique à l'impulsion 35» est induite par l'aimant suivant passant sous le dispositif 13 et 30 ainsi de suite. La forme d'onde Yg formée par ces impulsions est amplifiée par les amplificateurs 14 et 15 et appliquée au circuit de bascule équilibré 19 dont les niveaux de basculement, indiqués pour +V et -Y, sont également écartés du niveau zéro. La sortie de ce circuit de bascule sera donc l'onde rectangulaire 42 qui 35 change de niveau une fois pour chacune des impulsions 35, 36, 37 ••• des formes d'onde Yg» On comprendra que le temps entre deux impulsions semblables telles que 35 et 37, c'est-à-dire la durée complète de la forme d'onde 42, est le temps mis pour que la rotation de l'arbre 10 40 fasse- progresser les aimants 12 d'un "pas" autour de l'arbre et 70 11736 4 2041117 qu'elle dépend en fait de la vitesse de rotation de l'arbre. La longueur de la partie positive de la forme d'onde 42 est le temps mis par un des aimants pour passer entre les deux boucles 30 et 31o Ce dernier temps varie avec le mouvement transversal de 5 l'arbre 10 dans la direction 25 ; par exemple, il augmentera si l'arbre se déplace vers le bas de la figure 1 en amenant par exemple le trajet des aimants 12 de la ligne 32 à la ligne 32'. Oe temps dépendra aussi de la vitesse de rotation de l'arbre. En lissant fortement la forme d'onde 42 pour trouver son niveau -]0 moyen, les effets de la vitesse de rotation de l'arbre sur ces deux temps s'annulent et le niveau moyen est directement proportionnel au déplacement transversal de l'arbre. On remarquera sur la forme d'onde Yg de la figure 2 qu'il y a des ondulations telles que 38 entre les impulsions 35» 36, 37 • • • Pour empêcher ces oscillations de provoquer un faux basculement du circuit de bascule 19, les niveaux de basculement +Y et -Y doivent être réglés à quelque distance du niveau .zéro. Le circuit 19 basculera aux points 40 et 41 qui sont à tin écart appréciable des passages par zéro des impulsions 35 et 36, ces 20 passages par zéro correspondant aux instants auxquels les aimants 12 sont exactement au-dessous des boucles 30 et 31. Une variation de la vitesse de l'arbre entraînera une variation de la forme des impulsions 35» 36, 37 ••• Cependant, comme l'impulsion 36 a la même forme que l'impulsion 35» bien qu'étant de polarité 25 contraire, et que les deux niveaux de basculement sont également écartés de zéro, l'intervalle de temps entre le passage par zéro de l'impulsion 35 et le point de basculement 40 sera égal à l'intervalle de temps entre le passage par zéro de l'impulsion 36 et ie point de basculement 41 En référence maintenant aux figures 3A et3B, le circuit du système de la figure 1 y est représenté en détail. Le signal Yg est accouplé au préamplificateur 14 sur ies deux contacts d'un commutateur à trois contacts 50 (le troisième contact est à 40 l'autre extrémité du circuit près de l'indicateur 24). Un signal 70 11736 5 2041117 de référence standard de par exemple 50 mY à la fréquence du réseau est fourni sur les lignes 51 et peut être appliqué aupré-■amplificateur 14 à la place du signal Yg pour l'étalonnage et le contrôle. Un réseau 52 est prévu pour permettre de régler le 5 niveau zéro de l'entrée au préamplificateur 14„ Le préamplificateur a aussi une résistance de réaction négative 53". Le préamplificateur 14 alimente un amplificateur à réglage automatique de gain 15 qui est accouplé au circuit de bascule 19 psœ un condensateur en tantale 5^ non polarisé. L'entrée de ce circuit de bascule 10 n'a donc pas de composantes de courant continue La réaction positive se fait par la résistance 21 et les niveaux de basculement +V et -Y (figure 2) peuvent être réglés par le réglage de la résistance variable 22. La sortie de ce circuit de bascule est envoyée à l'indicateur 24 à travers le réseau de lissage 23 qui 15 comprend un condensateur en tantale 55 non polarisé ; ce réseau de lissage comprend le troisième contact du commutateur 50 qui peut être utilisé pour choisir l'une ou l'autre de deux échelles pour l'indicateur. L'autre côté de l'indicateur est relié à un point de prise réglable d'un diviseur de tension à résistances 56 20 pour permettre le réglage du point zéro. On peut évidemment modifier le circuit de diverses façons. Par exemple, en envoyant le signal provenant de l'amplificateur 1.6 à l'entrée positive de l'amplificateur 20 au lieu de l'envoyer à son entrée négative, on peut diminuer la dimension du conden-25 sateur 54 jusqu'à 2,2 jvE1. Comme la réaction à travers la résistance 21 doit encore évidemment être prise sur l'entrée positive, cela libère l'entrée négative qui peut être reliée à un réseau comme le réseau 52 au lieu d'être reliée à la terre» Le niveau moyen des tensions de basculement pour l'amplificateur 14 peut 30 alors être réglé aisément. On a trouvé aussi que la rectangularité de la forme d'onde est augmentée si on branche un petit condensateur de 600 pE entre les bornes de la résistance 21. Cela diminue la sensibilité du circuit à la fréquence. La sortie peut alors être lissée davantage pour alimenter par exemple un enregis-35 treur de données. On peut prévoir une autre caractéristique d'étalonnage et de contrôle en insérant deux boucles supplémentaires 60 et 61 dans le dispositif 13» comme représenté sur la figure 4. En faisant passer l'entrée du préamplificateur 14, des boucles 30 et 40 31 aux boucles 60 et 61, l'arbre sera apparemment déplacé d'une 11736 6 2041117 distance fixée par la géométrie des boucles 30, 31, 60 et 61. Comme on l'a décrit ci-dessus, les aimants 12 sont cylindriques et sont montés dans un collier non magnétique» Ils peuvent être fixés dans des trous à logement relativement étroit par un ciment à haute température ou, en variante, le collier peut être en matière magnétique tandis que les aimants sont montés dans des douilles non magnétiques (par exemple en acier inoxydable) qui se vissent dans des trous taraudés dans le collier» Les extrémi-r tés extérieures des aimants peuvent être plates et affleurer la surface du collier ou bien elles peuvent être pointues pour concentrer le champ magnétique qui sort de ces aimants. Il est désirable, cependant, d'éviter un meulage ou un usinage des aimants, car cela peut réduire leur résistance. Au lieu d'aimants permanents, le collier peut être en matière magnétique et présenter des plots saillants. Un aimant permanent ou un électro-aimant sera alors disposé comme un étrier passant de l'arrière du dispositif capteur autour du côté du collier. L'utilisation d'un aimant permanent limitera la température maximale à laquelle on peut utiliser le dispositif. Dans la disposition décrite ci-dessus en référence à la figure 1, ce qu'on mesure réellement est le mouvement de la partie la plus basse de la limite de l'arbre 10. Dans une turbine à vapeur, où les variations du diamètre d'arbre et de la température sont toutes deux grandes, ce mouvement peut provenir d'un mouvement d'ensemble de l'arbre ou d'une dilatation et d'une contraction thermique de l'arbre. Pour distinguer entre ces deux causes, on peut utiliser la disposition représentée sur la figure 5" Dans cette disposition, un second dispositif capteur 13*, identique au dispositif 13, est placé en position diamétralement opposée à celle du dispositif 13 et alimente un second circuit identique. Un mouvement d'ensemble de l'arbre 10 dans la direction 25 produit des variations opposées dans les sorties des deux circuits capteurs ; ainsi la différence des sorties indique le mouvement d'ensemble. La dilatation thermique de l'arbre produit des variations identiques pour les sorties ; ainsi la somme des sorties indique la dilatation thermique. La figure 6 montre une autre forme d'exécution pour déceler un mouvement transversal de l'arbre 10. Les aimants 12 sont montés radialement dans le collier 11 et, à la place de la structure de captage 13 de la figure 1, on prévoit les boucles en épingles à 70 11736 7 2041117 cheveux 80 et 81 en des points diamétralement opposés adjacents au collier 11, chacune des boucles 80 et 81 étant parallèle à l'axe de l'arbre» Le nombre des aimants 12 dans cette forme d'exécution doit être impair. Les boucles 80 et 81 sont reliées 5 pour donner une forme d'onde semblable à la forme d'onde 7g de la figure 2 et alimenter un circuit identique à celui représenté sur les figures 1, JA et 3,B. Avec cette disposition, on mesure un déplacement transversal de l'arbre 10 dans la direction représentée en 82. On comprendra que les lignes de référence de cette 10 forme d'exécution ne sont pas les lignes axiales des boucles 80 et 81 mais sont" les lignes radiales perpendiculaires à ces lignes, c'est-à-dire des lignes qui sont perpendiculaires aux plans des boucles et qui passent par les lignes axiales des boucles» Les impulsions induites dans les boucles passeront par 15 zéro quand les aimants passent à travers les lignes de référence mais la force des impulsions variera quand l'arbre se déplacera transversalement. Cette variation de force peut être compensée, par exemple par l'utilisation dans l'amplificateur 14 d'un atténuateur variable commuté commandé par un signal de sortie décalé 20 provenant du circuit de bascule 19. La valeur de cette forme d'exécution réside dans le fait qu'elle est indépendante des mouvements longitudinaux de l'arbre 10, tandis que l'intensité du signal et la forme de l'onde dans la forme dlexécution de la figure 1 sont influencées défavorablement par le mouvement 25 longitudinal de l'arbre. Dans la forme d'exécution de la figure 6, les boucles 80 et 81 sont éloignées des points vers lesquels l'arbre peut se déplacer dans la direction de la mesure et "une mesure correcte de la valeur absolue d'un intervalle en ces points est par consé-30 quent difficile bien que des changements de la position de l'arbre puissent être aisément mesurés. Cet inconvénient peut être surmonté par la disposition modifiée représentée sur les figures 7 et 8. En référence d'abord à la figure 7» l'arbre 10 a une 35 couronne d'aimants 12 mais, au lieu des boucles diamétralement opposées 80 et 81 de la figure 6, il a deux groupes de boucles 100 et 101 également écartés de la verticale. Un mouvement dans la direction de la flèche 102 est décelé. Il est évident que, si on utilisait de simples boucles aux positions 100 et 101, la 40 sensibilité de la disposition serait moindre qu'avec les boucles 70 11736 8 2041117 dans les positions 80 et 81 ; ainsi un mouvement plus grand de l1arbre 10 serait nécessaire pour produire la même variation du signal de sortie.Pour compenser cela, on pourrait augmenter le nombre des aimants, mais cela constitue un inconvénient pour 5 diverses raisons. Cette perte de sensibilité est donc compensée de préférence par l'utilisation de boucles multiples au lieu de boucles simples. Sur la figure 8, les groupes de boucles 100 et 101 sont représentés en détail» Au lieu d'une simple boucle, chaque série 10 se compose de m boucles (m étant 3 dans le cas représenté) et la distance x entre des boucles adjacentes dans chaque groupe de boucles est 1/m fois la distance entre les aimants adjacents 12. Ainsi, les aimants induiront une série d'impulsions également espacées dans les boucles de chaque groupe à m fois la fréquence qui serait produite par une seule boucle, les boucles de chaque groupe étant reliées en série comme représenté. De plus, l'écar-tement entre les boucles du groupe 100 et celles du groupe 101 doit être un multiple impair de x/2, comme indiqué par l'échelle à la base de la figure 8. Les impulsions induites dans le groupe 20 cLe boucles 101 apparaîtront alors à mi-distance entre les impulsions induites dans les boucles du groupe 100. Cette disposition est équivalente à la multiplication du nombre d'aimants par le facteur m mais est de fabrication considérablement plus facile» La distance x est calculée évidemment 25 en fonction de la distance entre les champs successifs d'aimants au rayon des groupes de boucles 100 et 101 » La limite pour le nombre de boucles dans chaque groupe est déterminée par le diamètre d'aimant ; la largeur de chaque boucle est de préférence égale au diamètre d'aimant et x doit avoir au moins deux fois 30 cette valeur. La figure 9 montre un développement complémentaire de la forme d'exécution des figures 7 et 8. Dans la disposition de la figure 7» le mouvement de l'arbre dans la direction 103 donne une légère erreur car les deux groupes de boucles de captage 100 35 et 101 se déplacent respectivement vers l'arbre et en sens inverse» Sur la figure 9, les deux groupes de boucles 100 et 101 ont été déplacés légèrement autour de l'arbre et deux autres jeux 100' et 101* ont été placés dans la position symétrique dans l'autre direction autour de l'arbre. Le mouvement de l'arbre dans 40 la direction 103 produira ainsi des erreurs égales et opposées 70 11736 9 2041117 dans les sorties des circuits alimentés par ces deux paires de groupes de 1)0110168 et l'addition des deux sorties compensera ces erreurs. Comme les conditions à l'intérieur d'une turbine à vapeur 5 sont sévères, avec de la vapeur à pression, à température et à vitesse élevées, il est désirable de rendre les dispositifs de captage robustes* Une construction convenable est représentée sur la figure 10 pour le dispositif 13 de la forme d'exécution de la figure 1* Un* plaque 110, par exemple en acier inoxydable présen-10 te une gorge en V peu profonde et les deux boucles 30 et 31 sont maintenues en place dans les deux branches de la gorge par un ciment céramique (non représenté)* (Il est avantageux de relier les deux boucles ensemble au sommet du V, au lieu de les relier à l'autre extrémité comme représenté sur la figure 1* Cela 15 n'affecte évidemment pas le fonctionnement du dispositif)* Les bords de la gorge sont suffisamment éloignés de la boucle pour éviter toute interférence magnétique* La plaque est ensuite couverte par un mince couvercle protecteur en métal (non représenté), par exemple en acier inoxydable, qui est soudé à la 20 plaque 110* En variante, les fils formant les boucles sont enchâssés dans une gaine de métal isolé par exemple en. acier inondable et soudés, par exemple par soudage par faisceau d'électrons, sur une plaque de montage en métal qui peut être fixée à l'intérieur 25 de l'enveloppe de la turbine sans autre protection. On pourra se reporter avec intérêt à une autre demande de brevet français de la même société, n® 7011737, déposée le 1 avril 1970 pour :"Procédé et équipement pour la mesure de déplacements de corps tournants"* 70 11736 10 2041117 REVENDICATIONS. 1. Procédé pour mesurer, pour deux organes tournant l'un par rapport à l'autre autour d'un seul axe, de petits déplacements relatifs dans une direction perpendiculaire à l'axe de rotation, 5 consistant à définir sur l'un des organes un point de référence gui en rotation décrit un chemin circulaire par rapport à l'autre organe, à définir sur l'autre organe une première ligne de référence et une seconde qui coupent ce cercle en des points dont 1'écartement le long de la circonférence est constant pour un 10 déplacement du cercle perpendiculaire à la direction de la mesure mais non pour un déplacement dans la direction de la mesure et à mesurer le temps pris par le point de référence pour passer entre la première ligne de référence et la seconde. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le 15 fait que les lignes de référence sont perpendiculaires à la circonférence et écartées l'une de l'autre symétriquement autour de la direction de la mesure. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les lignes de référence font entre elles un angle au 20 même point de la circonférence. 4. Procédé selon l*une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il y a plusieurs points de référence et/ou plusieurs premières lignes de référence et plusieurs secondes lignes de référence également écartés le long de la 25 circonférence. 5. Appareil pour l'exécution du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les deux organes comprennent un arbre et un b&ti portant l'arbre, que le point ou chaque point de référence est sur l'arbre et est 30 défini par un aimant, que les lignes de référence sont sur le bâti et sont définies par des boucles correspondantes étroites de fil conducteur et que le déplacement est indiqué par des circuits qui sont alimentés par les boucles de fil conducteior et qui mesurent les intervalles de temps entre des impulsions 35 provenant des boucles. 6. Appareil selon la revendication 5 pour l'exécution du procédé selon la revendication" 2, caractérisé par le fait que l'aimant est maintenu radialement sur l'arbre et que les deux boucles sont placées parallèlement à l'axe de l'arbre. 40 7° Appareil selon la revendication 5 pour l'exécution du 70 11736 2041117 procédé selon la revendication 39 caractérisé par le fait que 1*aimant est maintenu parallèle à l'axe de l'arbre et que les deux "boucles sont dans un plein perpendiculaire à l'axe. 8. Appareil selon la revendication 6, caractérisé par le 5 fait que les deux "boucles sont diamétralement opposées l'une à 1' autre. 9. Appareil selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les deux "boucles sont placées suivant un angle, en étant pratiquement écartées d'un angle notablement moindre que 10 180° le long de la circonférence. 10« Appareil selon la revendication 6, caractérisé par le fait que, près des deux "boucles, sont placées deux autres boucles ayant entre elles le même écartement, chaque série de deux boucles alimentant un circuit capteur séparé et les sorties des 1,5 deux circuits capteurs étant combinées. 11o Appareil selon la revendication 9 ou selon la revendication 10, caractérisé par le fait que chacune des boucles comprend une pluralité de boucles reliées en série. 12« Appareil selon la revendication 7, caractérisé par le 20 fait qu'aux deux boucles est associée une seconde paire semblable de boucles diamétralement opposées, chaque paire de boucles alimentant un circuit capteur séparé. 1.3o Appareil selon l'une quelconque des revendications 5 à 12, caractérisé par le fait que les deux boucles de la paire ou 25 de chaque paire sont reliées en opposition et alimentent un circuit de bascule équilibré. 14» Appareil selon la revendication 13, caractérisé par le fait que la sortie du circuit de bascule équilibré est aussi compensée et est lissée pour donner un signal indiquant le 3.0 déplacement mesuré.