Brevet FR2081922A1 — publié le 19711210

La présente invention concerne un appareil destiné à la mesure de la vitesse d'une surface en mouvement sans aucun contact physique avec elle et elle correspond d'une manière générale au brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3 432 237. Sa structure simple permet la mesure de la vitesse d'une surface en mouvement sans les erreurs angulaires qui se produisent lorsqu'une ouverture optique ou un objectif est disposée à proximité d'un dispositif photosensible. La présente invention concerne un cinémomètre sans contact comportant un dispositif projetant une image lumineuse sur une surface en mouvement explorée par un élément photosensible qui déduit une fonction de la vitesse de ladite surface de la réflexion de la lumière sur la surface, effectuée par l'intermé- diaire de l'image projetée. A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et représenté au dessin annexé plusieurs formes de réalisation de dispositifs selon l'inventipn. Sur ce dessin la figure 1 est une figure servant à expliciter l'invention les figures 2a, 2b et 2c sont d'autres figures géométriques représentant certaines caractéristiques de l'invention la figure 3 est une vue schématique représentant un mode de réalisation de l'invention appliqué à une bande en mouvement la figure 4 est une autre vue schématique représentant un mode de réalisation de l'invention appliqué à un laminoir de bandes la figure 5 est une vue schématique d'un mode de réali- sation de l'invention utilisé dans un tachymètre pour la détermination de la vitesse d'un arbre rotatif. la figure 1 représente deux sources S1 et S2 de lumière monochromatique et cohérente qui éclairent un point commun 0' situé à une distance K d'un centre 0. Les distances S10' et S20' représentent respectivement les longueurs de trajet P1 et P2. La tache brillante d'ordre "zéro" apparat au point 0 et des taches successives apparaissent aux points où les trajets diffèrent d'une longueur d'onde de la lumière, h. Si on trace un arc AC passant par S2 et ayant 0' comme centre, la distance le long de S10' du point d'intersection représentela différence entre les longueurs des trajets S1Q au delta P. Si la distance R du centre O est très grande en comparaison de la longueur S2Q, l'arc se rapproche d'une ligne droite S2Q et l'angle d'intersection se rapproche de 90 degrés.De ce fait, la différence de trajet est approximativement delta P = d sin 0, d étant la distance entre S1 et Si la différence entre les longueurs des trajets est maintenue à un nombre entier de longueurs d'ondes, mh m h = d sin Q où m = 1, 2, 3 ...... Lorsque la distance R est grande, l'angle Q devient très petit, de sorte qu'on a approximativement sin # Q = K R et de ce fait, dK RdK = m hy et K = Rmh On obtient ainsi une image formée de bandes lumineuses et de bandes sombres dont l'espacement est K = R h d Si une particule de référence dont la vitesse est V traverse l'image, elle émet un éclat de lumière chaque fois qu'elle passe par une barre lumineuse et la fréquence des impulsions lumineuses devient alors Il est inutile que la source de lumière soit cohérente, et, en fait, il est possible d'utiliser un projecteur de diapositives avec une image lumineuse en bandes et d'obtenir des résultats satisfaisants.Il convient de noter qu'une "fréquence" de sortie proportionnelle à la vitesse nécessite que la surface de la bande comporte des irrégularités ou des variations de son coefficient de réflexion; mais, cependant, même une surface polie comporte suffisamment d'imperfections pour émettre un signal utilisable. La figure 2a représente un exemple de la projection d'une série de barres 12 sur une bande i1 comportant une imperfection ou irrégularité 13, la distance séparant les barres étant égale à la largeur de chacune d'elles. On se reportera maintenant à la figure 2b et on supposera que l'intensité lumineuse d'une image de bande est sinusoidale (H sin x) -et que la valeur du coefficient de réflexion de la surface est aléatoire en x et en y, N = coefficient de réflexion, tenant compte de l'angle dtincidence. On se reportera également à la figure 2c et on supposera que la surface totale qui est éclairée (c'est-à-dire la surface entre X1 et X2 multiplié par delta Y) est disposée de la manière indiquée par SA sur la figure 2c. L'intensité lumineuse peut alors être exprimée par h = H sin X + H 2 où H = intensité maximale de la surface éclairée. La lumière réfléchie vers le photodétecteur par la surface élémentaire delta X delta Y est E1 = N1 delta X1 delta Y1 ( H sin X + ) Et du fait que (N) est une fonction de (X), l'intensité E1 varie d'une manière sinusoidale en fonction de X; mais la vitesse X est une fonction du temps et E1 devient une fonction sinusoïdale du temps.En conséquence, E1 = N1 delta X1 delta Y1H sin wt 2 2 De même, pour une autre surface élémentaire delta X2 delta Y2 dont le coefficient de réflexion est N2, E2 - N2 delta X2 delta Y2H sin (wt + B) 2 Dans cette équation, l'angle de phase (O) est dû au fait que l'emplacement de la seconde surface élémentaire le long de (X) n'est pas le même que pour la première surface. (Il convient de noter également qu'à un autre emplacement le long de (Y) pour un (X) donné, la valeur de l'angle de phase n'est pas modifiée). En conséquence, le signal de sortie du récepteur optique est VO M N (E1 + E2 + E3+..... En) VO est donc égal à une constante quelconque (M) multipliée par la somme de n vecteurs de phase dont chacun a une fréquence angulaire w et un déphasage (#n). Du fait que delta X et delta Y se rapprochent tous les deux de "zéro", la somme peut être considérée comme étant infinie et VO peut être écrit de la manière suivante j = Y1/delta Y j=1 il convient d'observer que de nouveaux éléments pénètrent tout le temps dans la surface explorée et que des éléments anciens la quittent tout le temps, de sorte que le vecteur somme E varie toujours à la fois en amplitude et en phase. En conséquence, on obtient une forme d'onde comportant une fréquence porteuse w et une enveloppe de fréquences aléatoires dues aux variations d'amplitude des sommes des vecteurs de phase. Dans la description qui va suivre, il convient de noter que le terme "spéculaire" est utilisé dans un sens général et peut être interprété d'une manière appropriée comme "quasi spéculaire" en ce qui concerne la réflexion d'une énergie rayonnante par une surface sur,laquelle elle est projetée. On considère la figure 3 et on suppose d'abord qu'une image régulière 12 comprenant dés barres équidistantes est projetée par une source de lumière 14 à travers un cache 15 qui forme ladite image sur la surface spéculaire en mouvement d'une bande 11. Une cellule photoélectrique 16 est disposée de manière à explorer l'image projetée. La cellule photoélectrique est focalisée sur l'image avec un angle 0 qui est égal à l'angle 0 que fait la source de lumière 14.Conformément à l'analyse faite plus haut, on voit qu'à mesure que la bande Il avance (voir la "flèche") sous l'image, la cellule photosensible 16 reçoit des impulsions qui sont dues aux variations du coefficient de réflexion des surfaces de la bande Il pendant qu'elle passe sous les barres et qu'elle sort dans les espaces séparant les barres de l'image 12, la fréquence de récurrence des impulsions étant une fonction de la vitesse de la bande 11. On suppose de plus sur la figure 3 que la cellule photoélectrique 16 reçoit une impulsion chaque fois qu'une zone particulière de la bande spéculaire Il sort d'une barre 12. Par exemple, si l'espacement entre les barres 12 est une longueur "d", la distance entre le centre d'une barre et celui de la barre suivante est "2d". On suppose, de plus, qu'une irrégularité de la surface Il passe sous les barres 12 avec une vitesse V. La cellule photoélectrique 16 reçoit une impulsion chaque fois que l'irrégularité passe dans l'espace séparant deux barres 12 et la fréquence des impulsions est f = l/t où t = le temps nécessaire pour que l'irrégularité se déplace d'une distance 2d. Du fait que f = V également 2d Alors, V = f multiplié par 2d. En conséquence, si d est égal à 0,25 mm, 2d = 0,50 mm (si on suppose qu'il ya quarante barres par centimètre) et si f est égal à-25 multiplié par 103 radians/seconde Alors, V = f multiplié par 2d = 25 multiplié par 103 multiplié par 0,5 mm V= 12,5 mètres par seconde. En d'autres termes, dans ces conditions, la bande Il se déplace à 750 m/minute. La figure 4 représente un dispositif semblable à celui de la figure 3 et. qui permet la détermination de la vitesse d'une bande d'acier produite par un laminoir, sans contact avec la bande elle-mEme. La figure représente une cage de laminoir comportant des cylindres de travail 17 et des cylindres de soutien 18a et 18b, une bande lIa sortant des laminoirs 17 et passant devant une source lumineuse 14a qui projette sur sa surface une image 12a. La surface de la bande est explorée par une cellule photoélectrique 16a qui émet des impulsions électriques vers un fréquence-mètre calibré en vitesse. La figure 5 représente un autre mode de réalisation de -l'invention qui est utilisé pour la mesure de la vitesse d'un arbre rotatif auquel sont fixés untambour 21 et un moteur d'entrainement 22 qui fait tourner l'arbre et le tambour. Un dessin 20 de barres espacées est projeté par une source lumineuse 19 sur la périphérie du tambour, c'est-à-dire sa surface latérale extérieure, qui est -explorée par une cellule photoélectrique 23 d'une manière semblable à celle du dispositif de la figure 3. A titre d'exemple, si la circonférence du tambour est de 110 cm, s'il y a 22,4 barres par centimètre et si la fréquence moyenne mesurée (indiquée) est de 7,5 kHg, la vitesse de l'arbre qui porte le tambour est de 183 tr/mn. Sur la figure 5, lorsque la dimension totale (dans le sens de la rotation) de l'image projetée est faible, la vitesse indiquée est précise mais, cependant, un accroissement de la dimension finie de l'image projetée se traduit par une vitesse indiquée un peu inférieure à la vitesse réelle. En d'autres termes, et comme on le voit sur la figure s, on obtient une indication plus précise de la vitesse lorsque la dimension de l'image 20 est limitée à celle des barres représentées et non à celle qui est indiquée par les lignes en pointillé tracées de la source de lumière 19 et de la cellule photoélectrique 23. REVENDICATIONS: 1. Appareil pour la mesure de la vitesse d'une surface quasi spéculaire se déplaçant dans une direction prédéterminée, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif projetant une énergie rayonnante sous la forme de configurations opaques sur ladite surface, les dimensions et les espacements desdites configurations étant égaux dans ladite direction, un organe recevant de la surface interrompue par lesdites configurations l'énergie rayonnée qui est coordonnée avec le mouvement de ladite surface et un dispositif de mesure de la fréquence commandé par l'organe récepteur indiquant la vitesse de ladite surface. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites configurations sont des barres rectangulaires. 3. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite configuration est produite par un cache disposé à la source du dispositif de projection. 4. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'énergie rayonnante est de la lumière blanche, l'organe récepteur étant une cellule photoélectrique. 5. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface est la surface latérale d'un cylindre tournant, les dimensions et les espacements des configurations étant déterminés dans le sens de la rotation. 6. Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de mesure de la fréquence est calibré par un organe en tours par unité de temps.