Brevet FR2038123A1 — publié le 19710108

La présente invention se rapporte à la mesure du déplacement relatif de deux organes qui peuvent tourner d'un mouvement relatif autour d'un seul axe. Selon un aspect, la présente invention prévoit un procédé pour mesurer, pour deux organes qui tournent l'un par rapport à l'autre autour d'un seul axe, leur déplacement relatif dans une certaine direction, consistant à définir sur l'un des organes au moins un point de référence et à définir sur l'autre organe au moins une première ligne de référence et une seconde, de telle façon que le ou chaque point de référence franchisse chaque ligne de référence pendant la rotation et que les intervalles entre le franchissement par le ou par chaque point de référence de la ou de chaque première ligne de référence et de la ou de chaque seconde ligne de référence dépendent du déplacement à mesurer, tandis qu'un circuit bistable est amené à son premier et à son second état par ces passages respectifs du ou de chaque point de référence, le rapport des durées des deux états du circuit bistable étant proportionnel au déplacement à mesurer. Cela donne deux avantages. En prelier lieu, en utilisant une pluralité de points de référence et/ou de premières lignes de référence et de secondes lignes de référence, le déplacement peut être suivi pratiquement de façon continue pendant la rotation. En second lieu, en utilisant un circuit bistable comme décrit, le déplacement est mesuré sous une forme qui peut eAtre utilisée pour la visualisation ou pour un traitement ét un centrale automatiqués, comme on le désire. On préfère utiliser une pluralité de points de référence plutôt qu'unie pluralité de premières lignes de référence et de secondes lignes de référence, pour des raisons de comnodité pratique. On peut utiliser à la fois une pluralité de points de référence et une pluralité de premières lignes de référence et de secondes lignes de référence ; le nombre effectif de points de référence est alors le produit du nombre réel de points de référence et du nombre de premières lignes et de secondes lignes de référence. L'invention prévoit aussi un moyen pour l'exécution du procédé, Les points de référence et les lignes de référence sont de préférence définis par des aimants et par des boucles de fils conducteurs 9 les boucles étant reliées en opposition et le circuit bistable a une entrée équilibrée, c'est-à-dire qu'il est amené à son premier état et à soz, @cond état par des signaux dépassant des niveaux de basculement également écartés de zéro. a sortie est aussi de préférence équilibrée et est lissée pour donner le signal de sortie désiré. Le système peut titre appliqué plusieurs fois pour mesurer simultanément plusieurs déplacements. Les vibrations peuvent être surveillées. Le point de référence ou chaque point de référence peut être divisé physiquement en deux points séparés -avec détection seulement des passages d?-- l'un de ses points au franchissement de la première ligne de référence et des passages du second point au franchissement de la seconde ligne de référence, Le point de référence reste cependant en principe un seul point de référence et une telle division physique a pour résultat un doublement du nombre de points physiques et une augmentation des inexactitudes dues à des tolérances sur la position des points et lignes de référence. Si les points physiques de référence sont séparés longitudinalement, des erreurs peuvent aussi être introduites par des effets de torsion. Une variété de systèmes de mesure sera décrite ci-après d'autres systèmes de mesure sont décrits dans la demande de brevet français de la même demanderesse du 1 avril 1970 n0 pour "Procédé et équipement pour la mesure du déplacement transversal de corps tournants". On décrira maintenant, à titre dtexemples, plusieurs formes d'exécution de l'invention, en référence au dessin annexé, dans lequel la figure n est un schéma général par blQcs d'une forme d'exécution pour mesurer un déplacement axial ;;- la figure 2 est une vue agrandie d'une partie de la figure 1 avec certaines formes d'onde les figures 3A et 3B sont ensemble un schéma-de circuit détaillé de cette forme d'exécution la figure 4 montre une modification de cette forme d'exécution la figure 5 montre une autre modification de cette forme -d'exécution la figure 6 montre, en vue de côté et-en coupe transversale, une forme d'exécution pour mesurer un déplacement radial -la figure 7 montre une modification de cette forme dlexé- cution ; et la figure 8 montre une2forme d'exécution pour mesurer plusieurs déplacements différents. En référence à la figure 1, un arbre 10 porte un collier 11 en matière non magnétique auquel sont incorporés plusieurs aimants cylindriques 12 logés radialement dans ce collier et répartis uniformément sur son pourtour. Une structure de captage 13 est montée au voisinage du collier 11 et alimente un préampli-: ficateur 14 qui à son tour alimente un amplificateur 15 à réglage autematique de gain, formé par un amplificateur 16 et-par un chemin de réaction négative 17 comprenant une thermistance. Qet aiplificateur 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 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 dans la partie supérieure de cette figure. Ge dispositif capteur se compose de deux boucles 30 et 31 en épingles 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 boucles. Ainsi, ltimpulsion 35, représentée par la forme d'onde Va sur la figure 2 et constituée -par une ondulation positive suivie d'une ondulation négative, est induite par le passage dtun aimant sous la boucle 30.Une impulsion 36, qui est de forme semblable mais de polarité contraire à celle de l'impul- sion 35, est induite quand le mOme aimant passe sous la boucle 31. Une impulsion 37, identique à l'impulsion 35, est induite par le passage de 11 aimant suivant sous le dispositif 13 et ainsi de suite. La forme d'onde Va 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 -V sont également écartés du niveau zéro. La sortie de ce circuit de bascule sera donc l'onde rectangulaire 42 qui change de niveau une fois pour chacune des impulsions 35, 36, 37 ... . e des formes d'onde Va. 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 fasse progresser les aimants 12 d'un pas autour de 11 arbre et quelle 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 longitudinal de l'arbre 10 ; par exemple, il augmentera si l'arbre se déplace vers la droite de la figure 1 en amenant par exemple le trajet des aimants 12 de la ligne 32 à la ligne 32'. Ce temps dépendra aussi de la vitesse de rotation de l'arbre.En lissant fortement la forme d'onde 42 pour trouver son niveau moyen, les effets de la vitesse de rotation de arbre sur ces deux temps s'annulent et le niveau moyen est directement proportionnel au déplacement longitudinal de l'arbre. On remarquera sur la forme donde Va de la figure 2 qu'il y a des ondulations telles que 38 entre les impulsions 35, 36, 37 . .. Pour empocher ces oscillations de provoquer un faux basculement du circuit de bascule 19, les niveaux de basculement +V et -V doivent titre réglés à quelque distance du niveau zéro. Le circuit 19 basculera aux points 40 et 41 qui sont à un écart appréciable des passages par zéro des impulsions 35 et 36, ces 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 entratnera une variation de la forme des impulsions 35, 36, 37 ... Gependant, comme l'impulsion 36 a la mtme forme que l'impulsion 35, bien qu'étant de polarité contraires et que les deux niveaux de basculement sont également écartés de zéro, ltintervalle 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 le point de basculement 41.Ainsi, des variations raisonnables de la forme de ces impulsions ne diminuent pas la précision du système. il est aussi désirable que les parties des impulsions 35, 36, 37 .., entre les pointes positives et négatives soient approximativement rectilignes ; on parvient à ce résultat en réglant de façon convenable la largeur des boucles 30 et 31 par rapport au diamètre des aimants 12. En référence maintenant aux figures 3A et 3B, le circuit du système de la figure 1 y est représenté en détail, Le signal Va est accouplé au préamplificateur 14 sur les deux contacts d'un commutateur à trois contacts 50 (le- troisième contact est à l'autre extrémité du circuit p1s de l'indicateur 24). Un signal de référence standard de par exemple 50 nV à la fréquence du réseau est fourni sur les lignes 51 et pevt être appliqué an préamplificateur 14 à la place du signal VS pour l'étalonnage et le contrôle. Un réseau 52 est prévu pour permettre de régler le niveau zéro de l'entrée au préamplificateur 14. Le préamplifica- teur a aussi une résistance de réaction négative 53.Le préampli- ficateur 14 alimente un amplificateur à réglage automatique de gain 15 qui est accouplé au circuit de bascule 19 par un condensateur en tantale 54 non polarisé. L1entrée de ce circuit de bascule n'a donc pas de composantes de courant continu. La réaction positive se fait par la résistance 2S et les niveaux de basculement @V et -V (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 comprend un conisnsa-Geur en tantale 55 non polarisé ; ce réseau de lissage comprend le troisième contact du commutateur 50 qui peut entre 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 dtun diviseur de tension à résistances 56 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 16 à l'entrée positive de l'amplificateur 20 au lieu de l'envoyer à son entrée négative, on peut diminuer la dimension du condensateur 54 jusqu'à 2,2 rF. Comme la réaction à travers la résistance 21 doit encore évidemment autre 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 serre. Le niveau moyen des tensions de basculement pour l'amplificateur 14 peut alors entre réglé aisément. On a trouvé aussi que la rectangularité de la forme d'onde est augmentée si on branche un petit condensateur de 600 pF entre les bornes de la résistance 21.Cela diminue la sensibilité du circuit à la fréquence. La sortie peut alors entre lissée davantage pour alimenter par exemple un enregistreur de données. On peut prévoir une autre caractéristique d'étalonnage et de contrôle en insérant deux boucles- supplémentaires -oe et 61 dans le dispositif 13, @@mme @oprése@té sur la figure 4. En faisant pacser l'entrée du préamplificateur 14, des boucles 30 31 aux boucles 60 et 61, l'arbre Jera apparemment déplacé d'une distance fixée par la géomètrie des boucles 50, 31, 60 et 61. Les aimants 12 peuvent évidemment être enrobés directement dans l'arbro au lieu d'être dans un collier séparé. Dans le cas un collier ou d'un arbre en matière non magnétique, ils peuvent 8tre fixés dans des trous à logement relativement étroit par un ciment à hante température ; dans le cas d'un collier ou d'un arbre en matière magnétique, les aimants peuvent entre fixés dans des bouchons non magnétiques (par exemple en acier inoxydable) qui se vissent dans des trous filetés du collier ou de l'arbre. Les extrémités -extérieures des aimants peuvent être plates et affleurer la surface du collier ou de l'arbre ou bien elles peuvent être pointues pour concentrer le champ magnétique émanant d'elles. Cependant, l'usinage ou le meulage peuvent réduire leur résistance. La figure 5 montre une autre disposition des aimants 12. Dans cette disposition, les aimants 12 sont construits comme des plots saillants en matière magnétique sur l'arbre 10 qui est aussi en matière magnétique et ces plots sont aimantés au moyen d'une bobine d'excitation 65 et d'un étrier 66 en fer doux, -monté comme on l'a représenté. An lieu de cela, on pourrait utiliser un étrier en aimant permanent mais il aurait tendance à se désaimanter aux hautes températures auxquelles l'électro-aimant est encore efficace. Si, dans la disposition de la figure 1, l'arbre est déplacé radialement vers le V ou en sens inverse, le temps alors nécessaire pour qu'un aimant passe entre les deux branches du V sera légèrement augmenté ou diminué, respectivement. Cela aura pour résultat une légère erreur0 Cette erreur peut être compensée par le placement d'un second V semblable au point de l'arbre diamétralement opposé si on prend la moyenne des- lectures obtenues des deux V.-Le déplacement de l'arbre sur la ligne joignant les deux V produira des erreurs opposées- et approximativement égales dans les deux V. Si l'arbre est déplacé radialement et perpendiculairement au rayon correspondant au V, une légère erreur se produira encore, le temps pris par un aimant pour passer entre les deux branches du V étant légèrement diminué. Un second V placé comme décrit ci-dessus sera affecté de la même façon. Cependant, si le second V est inversé de façon que les sommets des deux V se trouvent dans des directions opposées, alors un mouvement d'arbre axial les affectera en sens contraires tandis qu'un mouvement radial perpendiculaire à la ligne les joignant les affectera également. Ainsi, un tel mouvement radial peut entre compensé par cette disposition. Les deux types de mouvement radial ne peuvent être compensés à la fois que par l'utilisation de trois V, Cependant, un mouvement radial le long de la ligne joignant les V opposés produit de façon générale une erreur plus grande que le mouvement radial perpendiculaire à cette ligne et cette dernière erreur peut dans certains cas titre négligeable. Evidemment, si des mouvements latéraux de l'arbre sont mesurés directement, comme on le décrira ci-dessous, des signaux de compensation appropriés peuvent alors titre obtenus de ces mesures et utilisés pour corriger la mesure de déplacement axial obtenue d1un seul V. La figure 6 montre une autre forme dtexécution pour déceler un mouvement transversal de l'arbre 10. A la place de la structure de captage 13 de la figure 1, on prévoit deux boucles en épingles à cheveux 80 et 81 en des points diamétralement opposé s 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 titre impaire Les boucles 80 et 81 sont reliées pour donner une forme d'onde semblable à la forme tonde Va de la figure 2 et alimenter un circuit identique à celui représenté sur les figures 1, 3Â et 33. 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 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 zéro quand les aimants passent à travers les lignes de référence mais la force des impulsions variera quand 1 'arbre se déplacera transversalement. Cette variation de force peut entre compensée, par exemple par l'utilisation dans l'amplificateur 14 d'un atténuateur variable commuté, commandé par un signal de sortie décalé 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 d'exécution de la figure 1 sont influencées défavorablement par le mouvement longitudinal de l'arbre. Dans une modification de la disposition de la figure 6, chacune des deux boucles 80 et 81 est remplacée par une série de boucles 100 et 101 avec trois boucles dans chaque série. La figure 7 montre en détail les séries de boucles 100 et 101. De façon générale, il y aura m boucles.dans chaque série (m étant 3 dans le cas représenté) et la distance x entre des boucles adjacentes dans chaque série de boucles sera I/m fois la distance entre des aimants adjacents 12.Ainsi les aimants induiront une série d'impulsions également écartées dans les boucles de chaque série à m fois la fréquence qui serait produite par une seule boucle, les boucles de chaque série étant reliées en série comme représenté0 De plus, ltécartement entre les boucles de la série 100 et celui de la série 101 doivent entre un multiple impair de /2 comme indiqué par l'échelle à la base de la figure 7. Les impulsions induites dans la série de boucles 1Q1 apparaitront alors à mi-distance entre les impulsions induites dans les boucles de la série ioe. Cette disposition est équivalente à la multiplication du nombre des aimants par un facteur m, mais elle est de fabrication considérablement plus facile. Evidemment, la distance 2- est calculée en fait selon la distance entre les champis d'aimants successifs au rayon des séries de boucles 100 et 101. La limite pour le nombre de boucles dans chaque série est déterminée par le diamètre des aimants ; la largeur de chaque boucle est de préférence égale au diamètre des aimants et x doit titre au moins double de cette distance. La figure 8 montre une forme d'exécution disposée pour mesurer simultanément plusieurs déplacements différents. L'arbre 10 a un collier Il avec un nombre impair d'aimants radiaux 12. La structure de captage 13 de la figure 1 est supportée au voisinage du collier Il et alimente des circuits 14, 15, 19 et 23 et l'indicateur 24 pour indiquer le déplacement axial de l'arbre. Deux boucles en épingles à cheveux 80 et 81 sont disposées sur les c8tés de 1' arbre et alimentent un circuit 82 et unindicateur W3 pour indiquer un déplacement vertical de l'arbre. A l'arbre 10 est aussi accouplé un générateur de signal de référence 84 qui produit un signai de sortie indiquant la position angulaire instantanée de l'arbre. Ce signal alimente un filtre synchrone 85 qui est aussi alimenté par un signal provenant de la sortie du circuit de bascule équilibré Inclus dans le circuit 82.Ce filtre 85 est disposé pour mesurer les composantes alternatives du signal provenant du circuit 82 à la fréquence fondamentale correspondant à la vitesse de rotation de l'arbre, en-phase et en quadrature avec le signal provenant du générateur 84. Les amplitudes de ces deux composantes sont indiquées sur les Indicateurs 86 et 87 ainsi l'amplitude et la phase de la vibration -fondamentale de l'arbre 10 dans la direction verticale sont indiquées. Les boucles en épingles a cheveux 88 et 89, semblables aux boucles 80 et 81, sont disposées au-dessus et au-dessous de l'arbre 10. La sortie de ces deux boucles, avec le signal de référence prove- nant du générateur 84, est appliquée par les lignes 90 à un circuit identique au circuit 82 et 85, de sorte que le déplacement transversal et la vibration fondamentale de l'arbre sont aussi mesurés@. On comprendra que les vibrations de l'arbre aux fréquences harmoniques peuvent aussi entre mesurées d'une manière qui est semblable de façon générale0 Une limite à cela est posee par le nombre d'aimants 12 ; le déplacement de l'arbre n'est pas mesuré de façon continue, mais est en fait échantillonné chaque fois qu'un aimant franchit l1une des deux boucles de captage. R E V E N D I C A T I O N S. 1. Procédé pour mesurer, pour deux organes qui tournent l'un par rapport à l'autre autour d'un seul axe, leur déplacement relatif dans une certaine directions consistant à définir sur l'un des organes au moins un point de référence et à définir sur l'autre organe an moins une première ligne de référence et une seconde, de telle façon que le ou chaque point de référence franchisse chaque ligne de référence pendant la rotation et que les intervalles entre le franchissement par le ou par chaque point de référence de la ou de chaque première ligne de référence et de la ou de chaque seconde ligne de référence dépendent du dépla cément à mesurer, tandis qu'un circuit bistable est amené à son premierétat @t à son second par ces passages respectifs du ou de chaque point de référence, le rapport des durées des deux états du circuit bistable étant proportionnel au déplacement à mesurer. 2. appareil pour exécuter le procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux organes comprennent un arbre et un bâti portant l'arbre, que le ou chaque point de référence est sur l'arbre et est défini par un aimant et que les listes de référence sont sur le bâti et sont définies par des boucles étroites correspondantes de fils conducteurs. 3, Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les boucles de fils conducteurs de la première ligne de référence et de la seconde sont reliées en opposition et que le circuit bistable est un circuit de bascule avec une entrée équllibrée alimentée par les boucles. 4 Appareil selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la sortie du circuit bistable est lissée pour donner un signal indiquant le déplacement mesuré. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les boucles de fils conducteurs et le ou les points de référence sont disposés de façon que le rapport des durées des deux états du circuit bistable soit 1 quand l'arbre est dans sa position nominale et par le fait que la sortie du circuit bistable est équilibrée de façon que la polarité et l'amplitude du signal lissé correspondent au sens et à l'amplitude du déplacement à partir de la position nominale. 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait qu'il y a une pluralité d'aimants disposés radialement et 'une première ligne de référence et une seconde dont les boucles sont en forme de V, de façon que le déplacement axial de l'arbre soit mesuré. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'aux boucles de fils conducteurs est associée une seconde paire semblable de boucles de fils conducteurs sous la forme d'unV diamétralement opposé, les deux V étant dirigés de façon semblable et alimentant des circuits bistables correspondants dont les sorties sont combinées pour compenser les déplacements transver saux. 8. Appareil selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'aux boucles de fils- conducteurs est associée- une seconde paire semblable de boucles de fils conducteurs en forme d'un V diamétralement opposé, les deux V étant de directions contraires et alimentant des circuits bistables correspondants, dont les sorties sont combinées pour compenser les déplacements transversaux. 9. Appareil selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, comprenant un moyen pour- analyser les harmoniques de la fréquence de l'arbre dans le déplacement.