Brevet FR2164470A1 — publié le 19730803

L'invention se rapporte d'une manière générale au contr81e des arcs électriques, et a pour objets plus particuliers un procédé et un dispositif nouveaux pour contrôler l'amorçage et l'entretien d'au moins un arc électrique utilisé par exemple pour l'allumage d'un mélange combustible et notamment d'un mélange de gaz inflammables injecté par un brûleur dans une enceinte de chauffe. En effet, le problème de la détection des arcs d'allumage des brûleurs industriels à gaz placés dans des fours ou chaudières a reçu jusqu'à présent de nombreuses solutions qui ne peuvent donner totale satisfaction, en raison de risques de fonctionnement erroné inhérents à leur structure. Par exemple, une solution classique utilisable lorsque l'arc est accessible en vue directe depuis l'extérieur de l'enceinte chaude consiste à utiliser des cellules photoémissives à vide ou à gaz ou des cellules photorésistantes sensibles au rayonnement ultra-violet de 11 arc; cette solution a toutefois pour inconvénient de créer des problèmes d'implantation et d'entretien, la durée de vie des cellules étant souvent limitée par ionisation permanente à l'intérieur de l'ampoule.Une autre solution consiste à détecter le courant d'arc au moyen d'une petite bobine d'induction placée sur le fil d'amenée de la haute tension, cette bobine étant suivie d'un montage redresseur et amplificateur. folurnissant -une tensionccatine par actionner un relais; cette solution facile à mettre en oeuvre a néanmoins pour inconvénient que le dispositif peut indiquer la présence d'un arc même en son absence, par exemple dans le cas d'un encrassement de l'éclateur ou d'une fuite électrique à la masse le long d'un cheminement à forte résistance électrique. Une autre solution, qui consiste à détecter la tension aux bornes de l'éclateur au moyen de lampes à néon associées à un dispositif à photodiodes ou phototransistors, présente sensiblement les mimes inconvénients que la solution précédente.Enfin, une autre solution connue consiste à détecter la tension oscillante qui est induite en présence de l'arc dans un enroulement séparé du transformateur élévateur de tension accordé sur la fréquence propre de l'arc ; ce système qui donne de bons résultats, doit toutefois être monté d'origine et ne peut pas être adapté à un générateur d'arc existant. La présente invention vise à pallier les inconvénients inhérents aux différentes solutions antérieurement connues, en proposant un procédé et un dispositif nouveau t perfectionnés pour le contrôle d'un arc électrique, qui d'une part exploitent une propriété spécifjique de l'arc,et par suite ne peuvent fournir de fausses indications, et qui d'autre part n'impliquent aucune liaison matérielle avec les circuits et organes du générateur d'arc, et par suite ne posent aucun problème d1 implantation0 le procédé conforme à l'invention est essentiellement caractérisé en ce qutil consiste à détecter au moins une fraction des ondes hertziennes émises par l'arc objet du contrôle pour engendrer un signal électrique exploitable reflétant la présence et éventuellement le comportement dudit arc. La détection peut concerner sélectivement les ondes émises dans une bande de fréquences déterminée, par exemple la bande de. 100. à 1000 kHz et particulièrerent le-s bndes de fréquence voisine de la fréquence propre-d'oscillation de l'arc, et/ou les ondes émises depuis une région de l'espace bien délimitée,les ondes détectées étant séparées par réflexion, cnlSimation, interception ou autre effet en relation avec leur propagation. D'une manière corollaire, le dispositif conforme à l'invention est caractérisé en ce- qu'il comprend essentiellement une antenne ou structure équivalente destinée à capter au moins une fraction des ondes hertziennes émisespar l'arc objet du contrôle, et un appareil détecteur associé destiné à engendrer à partir du signal capté par l'antenne un signal électrique exploitable reflétant la présence et éventnellement le comportement dudit arc. l'antenne peut être constituée par une tigemétallique isolée, éventuellement pourvue d'au moins dtun réflecteur et/ou écran associé, et dont les dimensions sont avantageusement proportionnées à l'intensité et à l'éloignement de l'arc objet du contrôle. L'appareil détecteur comporte avantageusement un premier étage faisant office d 'adaptateur et préamplificateur de tension, dont l'entrée d'impédance très élevée estcouplée à l'antenne ou à son bobinage d'accord, un second étage constitué par un amplificateur de tension à gain très élevé et un troisième étage comprenant un montage redresseur d'entrée suivi d'un amplificateur de puissance fournissant en sortie le signal électrique précité. Pour des raisons d'encombrement, de coût et de fiabilité, les organes actifs de ce montage redresseur sont avantageusement constitués par des semi-conducteurs. La surjeté de fonctionnement et la facilité d'implantation du dispositif conforme à l'invention le destinenttsat particulièrement mais non exclusivement au controle de l'arc d'allumage du mélange de gaz inflammables consommé par un brtleur équipant une chaudière, un four ou autre enceinte de chauffe, l'antenne et l'appareil détecteur pouvant être respectivement implantés à l'intérieur et à l'extérieur de l'enceinte. Dans ce cas, l'antenne avantageusement faite d'un alliage réfractaire est de préférence implantée en un point relativement froid de l'enceinte et est éventuellement protégéepar un écran thermique. D'autres caractéristiques et avantages du procédé et du dispositif conformes à l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif illustré par le dessin annexé, sur lequel : - la figure unique donne le schéma de principe d' un exemple de réalisation du dispositif conforme à l'invention. le dispositif représenté est destiné à détecter l'émission hertzienne de 1' arc d'allumage d'un bradeur industriel à gaz équipant un four ou une chaudière. Tout défaut d'allumage d'un tel brflleur implique des graves risques d'explosion, puisqu'une forte quantité d'un mélange de gaz inflammable ou détonant peut alors se trouver accumulée en peu de temps dans une enceinte close. Il importe donc de contrôler le bon allumage puis de surveiller la combustion, mais encore de pouvoir vérifier le bon fonctionnement du dispositif d'allumage, et ce notamment lorsque l'alimentation du brtleur est coupée. Dans le cas le plus usuel où ce dispositif d'allumage est constitué par un générateur d'arc électrique, la vérification la plus probante serait donc de détecter l'amorçage et l'entretien effectifs de l'arc électrique au moyen d'un phénomène n' existant qu'en sa présence et ne pouvant être affecté par des facteurs d'environnement tels que l'encrasse- ment de l'éclateur de formation de l'arc ou l'existence d'un chemin de fuite électrique à la masse. I1 conviendrait en outre que ce phénomène présente des caractéristiques liées au comportement de l'arc lui-même afin de permettre l'analyse et la surveillance de ce comportement. I1 serait enfin avanta geux que ce phénomène soit décelable à distance,et ce de manière sélective, afin de permettre par exemple le contrôle du bon fonctionnement de plusieurs générateurs d'arciélectriques respectivement associés à plusieurs brûleurs équipant une même enceinte de chauffe. Selon l'invention, la présence de l'arc est vérifiée en détectant son émission hertzienne, phénomène qui satisfait à l'ensemble des critères susmentionnés. En effet, cette émission disparatt avec l'arc, il n'est pas possible qu'elle se trouve simulée en l'absence de l'arc, par exemple par l'encrassement plus ou moins résistif des électrodes de l'éclateur.En outre, l'émission hertzienne d'un arc en milieu gazeux couvre des bandes de fréquences très étendues dans lesquelles on peut cependant distinguer la fréquence propre du circuit oscillant, située généralement, pour les arcs d'allumage de mélange de gaz inflammables, dans la bande des ondeS- longRQ8 çt moyennEs, soit entielOQ6t 1000 kHz; cette fréquence est spécifique de chaque arc et peut d'ailleurs varier dans une faible proportion pour un même arc, en fonction de la résistance du circuit, de sa température, du gaz dans lequel l'arc éclate et du degré d'ionisation de ce gaz.Enfin, l'émission hertzienne d'un arc électrique est bien entendue décelable à distance, tandis qu'une sélection des ondes effectivement captées peut être assurée en fonction de leurs fréquences et/ou de leurs conditions de propagation. Ainsi, conformément à l'invention,la présence et éventuellement le comportement d'un arc électrique peuvent être surveillés à distance au moyen d'un récepteur radioélectrique de structure simple et robuste, et par suite de fonctionnement très fiable. Un exemple non limitatif de réalisation d'un tel dispositif est illustré sur le dessin les ondes hertzienne émises par l'arc d'allumage d'un brûleur à gaz (non représenté ) sont captées par une antenne 10 située dans l'enceinte de chauffe et reliée par un câble coaxial 11 à l'enroulement primaire 13 d'un bobinage d'accord 12,à l'enroulement secondaire 14 duquel est associé un condensateur variable 15.Par réglage de ce condensateur et/ou par déplacement du noyau du bobinage d'accord 12,1lantenne iO peut donc être adaptés la réception sélective d'ondes s'inscrivant dans une bande de fréquences déterminée. En pratique, 1' antenne 10 peut être constituée par une simple tige métallique isolée de la masse, faite d'un matériau présentant une bonne tenue en présence d'une atmosphère chaude et parfois corrosive, tel qu'un acier réfractaire ou de l'inconel, et dont la longueur est proportionnée à l'intensité et à l'éloignement de l'arc objet du contrôle.A l'antenne 10 ainsi constituée peuvent eAtre éventuellement adjoints des réflecteurs ou des écrans destinés à en accroître le gain et la sélectivité en fréquence et/ou en direction, de manière à pouvoir implanter l'pensez dans une zone relativement froide de l'enceinte de chauffe. le crible coaxial li traverse~la paroi réfractaire de cette enceinte pour relier l'antenne 10 au bobinage d'accord 12 et aux autres circuits, par exemple logésdans un coffret situé à l'extérieur de l'enceinte de chauffe. L'antenne 10 étant correctement orientée par rapport à l'arc objet du controle et accordée sur la fréquence propre de ce dernier, par exemple 500 Ka7., la présence de cet arc se traduit par l'apparition d'une tension à haute fréquence auxbornesde l'enroulement secondaire 14 du bobinage d'accord 12. Cette tension est appliquée à la grille d'un transistor à effet de champ 16 dont le drain est mis à la masse à travers une résistance 17 découplée par un condensateur 18, tandis que sa source est reliée par une résistance 1 9 à une source de tension continue (+ UX par exemple de l'ordre de 15 volts et obtenue de manière classique à partir de la tension du secteur par transformation, redressement, filtrage et stabilisation grossière à l'aide d'une diode Zener. L'ensemble ainsi constitué par l'antenne10, son bobinage d'accord 12 et le transistor à effet de champ 16 constitue l'étage haute fréquence I du dispositif conforme à l'invention, qui présente,en dépit de sa structure simple, une bonne sensibilité et une excellente sélectivité.En effet, le transistor à effet de champ 16 faisant office et d'adaptateur d'impédance et de préamplificateur de tension présente une impédance d'entrée très élevée, qui permet de conserver un bon coefficient de surtension au bobinage d'accord 12 dans la bande de fréquence sélectionnée par le réglage du condensateur variable 15, tandis que la sortie d'impédance-plus faible dudit -transistor.formant un signal de niveau convenable pour l'attaque des étages amplificateurs du dispositif, qui vont maintenant être décrits. le signal de sortie de l'étage haute fréquence I est en effet prélevé sur la source du transistor à effet de champ 16 par l'intermédiaire d'un condensateur de liaison 20 pour être appliqué à l'émetteur d'un transistor 21 relié à lamasse par une résistance 22. La base du transistor 21 est maintenue à une tension de polarisation constante par un pont diviseur comprenant une résistance 23 découplée par un condensateur 24 et une résistance 25 reliée à la source de tension ( + le collecteur du transistor 21 est relié d'une part à la source (+U)à travers une résistance de charge 26 et d'autre part à la masse à travers un condensateur de découplage 27, qui permet au transistor 21 de fonctionner en régime linéaire à gain élevé. le signal amplifié prélevé aurbornes de la résistance de charge de collecteur 26 est transmis par un condensateur de liaison 28 à la base d'un transistor 29, polarisée par un pont diviseur de tension formé des résistances 30 et 31. L'émetteur du transistor 29 est relié à la masse à travers une résistance 32 découplée par un condensateur 33, tandis que son collecteur est relié à la source de tension (+U) par une résistance de charge 34. La tension prélevée sur le collecteur du transistor 29 est transmise par un condensateur de liaison 35 à la base d'un transistor 36, reliée par une résistance de polarisation 37 à la source (+ U à laquelle est directement relié le collecteur du transistor 36, dont l'émetteur est mis à la masse à travers une résistance de charge 38. L'ensemble des transistors 21, 29 et 36 ainsi couplés par des liaisons résista:ecapacité constitue un étage II d'amplification linéaire de tension, qui présente dans la bande de fréquence considérée un gain très élevé, par exemple de l'ordre de 10 000, et dont la sortie à basse impédance fournit un signal de caractéristiques -convenables pour l'attaque de l'étage amplificateur de puissance III qui va maintenant être décrit. le signal de sortie de l'étage amplificateur de tension Il est en effet prélevé sur la charge 38 du transistor 36 monté en émettodyne, cette charge étant avantageusement constituée par un potentiomètre afin de permettre le réglage du gain global du dispositif. La tension prélevée au curseur 39 de ce potentiomètre est transmise par l'intermédiaire d'un condensateur de liaison 40 à un montage redresseur constitué par une'diode 41 dont l'anode et la cathode sont respectivement reliées à la masse par une résistance 42 et par un condensateurde filtrage 43. la tension auxbornesde ce dernier est appliquée à la base d'un transistor 44 formant avec un transistor associé 45 un montage Darlington à résistance de collecteur commune 46.L'émetteur du transistor 45 est directement relié à la base d'un transistor final 47 dont l'émetteur est mis à la masse tandis que son collecteur est relié à la source de tension (+ 8 à travers une charge comportant en série une résistance 48 et un organe ou montage de sortie 49, comprenant par exemple un voyant V et un relais Z en parallèle. Le fonctionnement du dispositif qui vient d'être décrit est le suivant L'antenne 10 est implantée et orientée de manière à capter sélectivement les ondes hertziennes émises par l'arc d'allumage objet du contrôle, lesdites ondes étant si besoin est: ,concentrées et/ou collimatées par des réflecteurs et écrans judicieusement disposés; de la sorte, l'antenne 10 peut capter sélectivement les ondes hertziennes provenant d'une région bien délimitée de l'enceinte de chauffe, ce qui permet non seulement d'éloigner l'antenne de l'arc objet du contrôle mais encore de distinguer son émission de celle d'autres arcs éventuellement présents dans l'enceinte.A cette sélectivité géométrique de i'antenne 10 s'ajoute celle issue de l'accord du bobinage 12 sur la fréquence propre de l'arc objet du contrôle, qui peut donc être surveillé individuellement, sans interférence des émissions d'autres arcs éventuellement présents dans l'enceinte. lie bobinage 12 pourrait aussi bien être accordé sur l'un des harmoniques de la figure précitée de l'arc. Dès que l'arc objet du contrôle est présent, son émission hertzienne sélectivement captée par l'antenne 10 induit dans cette dernière une tension haute fréquence qui se retrouve augmentée aux bornes du secondaire 14 du bobinage d'accord 12, en proportion du facteur de surtension de ce dernier. Cette tension est à nouveau amplifiée par le transistor à effet de champ 16 -pour être appliquée à l'entrée de l'étage amplificateur de tension II. Une fraction réglable de la tension de sortie de ce dernier est prélevée par le curseur 39 du potentiomètre 38 puis redressée par la diode 41, qui charge le condensateur 43. En conséquence, l'amplificateur de puissance III fournit en sortie un signal de niveau suffisant pour provoquer l'allumage du voyant V et I'excitation du relais Z. L'allumage du voyant V constitue donc une indication visuelle de la présence effective de l'arc objet du contrôle.De surcroît si la capacité du condensateur 43 est assez réduite et si l'inertie du voyant V est assez faible, l'émission lumineuse de ce voyant est modulée en fonction de l'intensité de l'arc, et reflète donc son comportement, ce qui permet d'apprécier visuellement sa qualité, les variations de sa fréquence ainsi que l'instant de l'allumage du mélange de. gaz combustibles dont l'ionisation provoque alors une modification profonde de l'arc. C'est dire que le voyant V constitue ainsi un organe de sortie de type analogique fournissant une image du comportement de l'arc. Un résultat semblable pourrait être obtenu en substituant au voyant V un galvanomètre, un oscilloscope ou autre transducteur analogique. le relais Z constitue au contraire un organe de sortie de type digital, qui pour un choix judicieux de ses caractéristiques et du réglage du gain du dispositif, peut être sélec tivement commutélnn qle l'arc est présent ou non. L'information fournie par le relais de sortie Z peut donc être commodément exploitée par des circuits de signalisation, de sécurité, de commande et/ou d'asservissement, par exemple intégrés à un système- de commande automatique séquentiellrsde démarrage du four ou de la chaudière. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré, qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Ainsi, dans une installation de chauffe complexe comportant plusieurs bradeurs, plusieurs dispositifs semblables à celui décrit et illustré Iourraier* etre utilisés pour assurer la surveillance individuelle des arcs d'allumage des différents brûleurs ; mais on pourrait aussi bien utiliser plusieurs étages haute fréquence I respectivement associés aux différents brdleurs et chacun pourvu d'un amplificateur de tension II pouvant eAtre relié à un amplificateur de puissance commun III par l'intermédiaire d'un commutateur de sélection manuelle ou automatique. D'une manière plus générale, les différents éléments du dispositif conforme à l'invention pourraient autre combinés de toute manière appropriée auxbesoins de chaque installation ,tandis que la structure même de chacun de ces éléments pourrait faire l'objet de toutesles modifications restant à la portée de l'homme de l'art. Enfin, le procédé et le dispositif de l'invention pour le contrôle d'un arc électrique pourraient être utilisés avec avantage dans d'autres applications que celle spécifiquement mentionnée, par exemple pour des mesures ou essais d'appareillage à très haute tension. C'est dire d'une manière plus générale que l'invention n'est limitée ni au mode de mise en oeuvre ni à l'application qui ont été spécifiquement mentionnés, et comprend au contraire tous les moyens constituant des équivalents techniques de ceux décrits et illustrés, considérés séparément ou en combinaison et mis en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Procédé pour contrôler à distance par l'intermédiaire de son émission hertzienne l'amorçage et l'entretien d'un arc électrique utilisé pour l'allumage d'un mélange inflammable par exemple de gaz combustible, caractérisé en ce qu'il consiste à capter et détecter sélectivement les ondes hertziennes émises par l'arc dans une bande de fréquences déterminée, incluant la fréquence propre d'oscillation de l'arc ou l'un de ses harmoniques, et à mettre à profit les variations de ladite fréquence conditionnées par l'allumage et la combustion du mélange pour engendrer un signal électrique analogique reflétant la présence et le comportement de l'arc, et par suite de la flamme. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détection concerne sélectivement les ondes appartenant à la bande des ondes longues et moyennes, soit entre 100 et 1000 kHz environ. 3. Procédé selon la revendication I ou la revendication 2, caractérisé en ce que la détection concerne sélectivement une fraction des ondes émises par l'arc, séparée par réflexion, collimation, interception ou autre effet en relation avec la propagation desdites ondes. 4. Dispositif pour contrôler à distance par l'intermédiaire de son émission hertzienne l'amorçage et l'entretien d'un arc électrique utilisé pour l'allumage d'un mélange inflammable tar exemple de gaz combustible, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement une antenne ou structure équivalente, disposée et agencée pour capter au moins une fraction des ondes hertziennes émises par l'arc objet du contrôle, et couplée par exemple par l'intermédiaire d'un câble coaxial à un bobinage d'accord pourvu d'au moins un organe de réglage tel qutun noyau mobile ou un condensateur variable permettant d'accorder ladite antenne sur une bande de fréquences incluant la fréquence propre d'oscillation de l'arc ou l'un de ses harmoniques, un appareil détecteur couplé audit bobinage et agencé pour engendrer un signal électrique analogique variant en fonction de la différence entre la fréquence d'accord de l'antenne et celle des ondes captées par cette dernière, au moins un transducteur analogique tel qu'un voyant, un galvanomètre ou un oscilloscope traduisant ledit signal électrique en une indication reflétant la présence et le comportement de ltarc, et partant de la flamme, et éventuellement au moins un organe de commutation à seuil, tel aucun relais électromécanique ou électronique, sélectivement excité par ledit signal électrique pour contrôler le fonctionnement de circuits de signalisation, sécurité, commande automatique et/ou asservissement. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'antenne précitée est constituée par une tige métallique isolée- de la masse, éventuellement pourvued'au moins un réflecteur et/ou écran associé, et dont les dimensions sont avantageusement proportionnées à I'intensité et à l'éloignement de l'arc objet du contrôle. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que l'appareil détecteur comporte un premier étage faisant office d'adaptateur et de préamplificateur de tension, dont l'entrée d'impédance très élevée est couplée à l'antenne ou à son bobinage d'accord, un second étage constitué par un amplificateur de tension à gain très élevé et un troisième étage comprenant un montage redresseur d'entrée suivi d'un amplificateur de puissance fournissant en sortie le signal électrique précité. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce oue le premier étage de l'appareil détecteur est essentiellement constitué par un transistor à effet de champ. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé en ce que le ssecond étage de l'appareil détecteur est constitué par plusieurs transistors couplés par résistance et condensateur, commandés en tension et utilisés en régime linéaire. 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que l'amplificateur de puissance du troisième étage del'appareil détecteur est constitué par plusieurs transistors couplés en cascade par liaison directe, par exemple en montage Darlington. 10. Dispositif selon 1'ensemble des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que la charge du dernier transistor du second étage de l'appareil détecteur est constitué par un potentiomètre de réglage de gain dont le curseur est relié au montage redresseur d'entrée du troisième étage. 11. Installation pour le contrôle de l'arc d'allumage du mélange de gaz inflammables préparé par un brûleur équipant une chaudière, un four ou autre enceinte de chauffage, caractérisée en ce au'elle comprend au moins un dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, dont l'antenne d'une part, son bobinage d'accord et l'appareil détecteur d'autre part, sont respectivement implantés à l'intérieur et à l'extérieur de l'enceinte. 12. Installation selon la revendication 11, caractérisée en ce que l'antenne faite d'un matériau -réfractaire est implantée en un point relativement froide l'enceinte, et est éventuellement protégée par un écran thermique.