Brevet FR2243413A1 — publié le 19750404

La présente invention a pour objet un procédé de mesure de déplacement linéaire d'un objet et un appareil pour la muse en oeuvre du procédé de l'invention : un capteur lnduc- tif de déplacement linéaire de qrande course. On sait aux il est souvent avantageux de pouvoir mesurer le déplacement d'un objet en convertissant ledit déplacernent en un signal électrique aui lui est proportionnel. Ces capteurs électriques sont d'autant plus intéressants que les objets sont difficilement accessibles par des moyens de mesure directe, comme c'est souvent le cas dans certains dispositifs contenus dans les réacteurs nucléaires où l'accès direct n'est pas possible pour des questions de sécurité (protectlon contre les radiations) D'autre part les mesures électriques de déplacement offrent l'avantage d'être aisément enreaistrées, amplifiées et filtrées de sorte qu'on peut obtenir l'histoire desdits déplacements par un enreaistrement graphique. Les capteurs de distance calibrés ont l'avantage supplémentaire de pouvoir récoler la position d'une pièce en aveugle, notamment dans les réacteurs nucléaires. On sait qu'll existe des capteurs de déplacement du type transformateur différentiel dont la gamme de mesures est comprise entre quelques dizièmes, et plusieurs dizaines de millimètres seulement. Ces capteurs ont l'inconvénient de ne pouvoir mesurer les courses importantes de l'ordre de plusieurs centimètres. D'autre part, les capteurs de déplacement mécanique, faisant intervenir l'élasticité d'un matériau, présentent en générai une course réduite pour un encombrement raisonnable, ce qui fait qu'il est difficile de mesurer par ieur intermédiaire des déplacements linéaires dont la course est importante. La présente invention a pour objet un procédé de mesure de déplacement linéaire d'un objet, procédé permettant la mesure de déplacement linéaire de jurande course, dans lequel on convertit le déplacement d'un objet en un signal électrique, le procédé étant tel que la sensibilité, c 'est-a-dire la variation du signal électrique en fonction de la variation du dénlacement est constante quel que soit ledit déplacement. De façon plus précise, le procéde de l'invention est caractérisé en ce qu 1orj rend solidaire de l'objet dont ôn veut mesurer le déplacement, une extrémité d'un noyau magnétique, ledit noyau ayant la toEme d'un prisme isocèle et coulissant à l'intérieur de deux bobines en regard situées dans deux bras adjacents d'un pont de t natit, en ce qu'on règle ia valeur des impédances dans les deux autres bras du pont de TAheatstone de taçon à ce que ledit pont soit équilibré pour une position de l'objet et en ce qu'on mesure ie déplacement de L'objet à partir de cette position par la différence de potentiel proportionnelle audit déplacement, développée entre deux sommets opposés E et D dudit pont, lequel est alimenté en courant alternatif entre ses deux autres sommets A et B. Ainsi, lorsque ie noyau magnétique se déplace, les valeurs des inductances des deux bobines situées dans les bras adjacents du pont de Wheatstone, varient en sens opposé. En réglant la valeur des autres impédances, dans les deux autres bras, de façon à ce que le pont soit équilibré initialement, c'est-à-dire qu'il n'y ait pas de différence de potentiel entre les sommets opposés E et D, la variation des inductances des deux bobines, variation créée par le déplacement du noyau magnétique, déséquilibre le pont et crée une différence de potentiel entre D et E proportionneile au dépiacement du noyau magnétique, c'est-àdire proportionnelle au déplacement de l'objet. L'invention a également pour objet un capteur inductif de déplacement linéaire de brande course, caractérisé en ce qa'lì comprend - un pont de Wheatstone à quatre bras c@@@tant deux impédances Z1 et Z2 dans deux bras adjacents et deux inductances L et L2 dans les deux autres bras, lesdites inductances étant constituées par deux bobines en regard l'une par rapport à l'autre, à l'intérieur desquelles coulisse un noyau magnétique unique ayant la forme d'un prisme isocèle dont une extrémité est solidaire de l'obzet, - des moyens pour faire varier les impédances Z1 et Z2 - des moyens pour alimenter le pont en courant alternatif, - des moyens pour mesurer la différence de potentiel entre les deux points E et D du pont de Wheatstone, le point E étant situé entre les impédances Z1 et Z2 et le point D entre les deux inductances L1 èt L2. L'originalité de ces capteurs, réside dans l'obtention de la variation d'inductance Les deux expressions fondamentales du fluide d'induction magnétique sont =BS =LI ot est le flux d'induction dans la bobine, B l'induction mannéti- que, S la surface du flux coupé par le champ -magnétique, et L l'inductance d'une bobine. Pour une bobine plate de N spires, l'inductance L vaut : N2 BS L = I où B est l'induction moyenne créée par unie spire. Selon l'invention, et-comme on-le verra mieux sur la figure 1 décrite par la suite, le noyau magnétique n'occupe qu'une certaine partie de la surface a- 1 'intérieur de chaque bobine. Le flux total produit par le courant qui circule dans l'enroulement de ces bobines, est égal à la somme~des deux flux dérivés qui sont le flux dans le noyau magnétique (#s) et le flux dans l'air (#a). Le flux total t vaut : : #t = #s + #a Pour la source d'alimentation qui envoie du courant dans les fils d'une bobine, tout ce passe comme si les spires enseraient le noyau de très près, c'est-à-dire sans fuite magnétique , et comme si une inductance sans fer sans inductance mutuelle avec l'enroulement et de résistance négligeable était mise en série avec ltenroulement. Cette inductance théorique, appelée inductance de fuite, s'exprime également en henrys.Le flux total bt vaut #t = #s + #a = N (BsSs + BaSa) où Bs est l'induction magnétique dans le noyau magnétique, Bs = o rH, étant le champ magnétique créé par les fils de la bobine parcourue par le courant I, r la perméabilité magnétique du noyau et o la perméabilité du vide ( o = 4 # x 10-7); B = aH H est l'induction magnétique dans le vide (ou l'air) entou a a rant le noyau de la bobine magnétique. Pour des valeurs de section Ss (section de la bobine occupée par le noyau magnétique) et Sa la section de la bobine dans l'air relativement voisines et compte tenu des grandes valeurs de perméabilité relative des matériaux ferro-magnétiques on obtient couramment = 10 000), l'induction dans l'air B r a est négligeable par rapport à l'induction B dans le fer. On s a donc B S > ; B S 55 aa Par suite, l'inductance due au flux de fuite est négligeable devant l'inductance due au flux dans le noyau. L'expression de l'inductance d'une bobine à noyau magnétique de section variable est donc N Bs Ss L = #/I = I Pour I constant, l'inductance L varie donc comme la section du noyau magnétique dans la bobine. U étant l'amplitude de la tension électrique alternative de pulsation w appliqué entre les deux bornes A et B du pont de Wheatstone , la différence de potentiel e entre les bornes E et D est donnée par la formule Z1 L1 e = U - Z1 + Z2 L1 +L2 A l'équilibre, valeur pour laquelle e = O, on a légalité Z1 L2 = Z2L1. On a supposé que les résistances rl et r2 des inductances L1 et L2 étalent négligeables par rapport aux valeurs desdites inductances, c'est-à-dire que r1 ; wL1 et r2 wL2. On cholslt les plages de variation des impédances Z1 et Z2 de façon à ce que, quelle que soit la position du noyau magnétique dans les bobines L1 et L2, on puisse régler les valeurs des ces impédances pour équilibrer le pont de ttSheatstone, c'est-à-dire pour que l'égalité Z1L2 ~ Z2L1 soit vérifiée. Lorsque l'objet se déplace, le noyau magnétique qui lui est attaché se déplace aussi de telle scrute que les sections coupées par le noyau dans les deux bobines varient linéairement, ce qui fait varier de façon concomitante les Inductances L1 et L2. La configuration géométrique est telle que lorsqu t une inductance augmente de la valeur AL, 1 'autre inductance diminue de la même valeur.De la sorte un déplacement, dans la direction OZ, de valeur az, du noyau magnétique correspond à une variation d'inductance AL dans une bobine à partir de la position d'équilibrage du pont; la différence de potentiel développée entre les bornes D et E vaut alors #L e = u L t L Quelle que soit la position du noyau magnétique, la somme des inductances L1 t L2 est constante, ce qui fait que la différence de potentielle développée entre les deux bornes E et D est proportionnelle à la variation AL des inductances elle-même proportionnelle au déplacement Az.La variation d'inductance AL est pronortlonnelle au déplacement du noyau magnétique nz puisque la surface du noyau intercepté par chaque bobine varle linéairement avec la position de ce noyau suivant l'axe OZ parallèle à la base du noyau magnétique. De cette façon, on a une mesure de déplacement linéaire de grande course, la course étant de l'ordre de la moitié de la longueur de la base du noyau magnétique Dans une réalisation préférentielle de l'invention, les deux impédances Z1 et Z2 du capteur inductif de déplacement linéaire, sont deux résistances désignéespar P et Q. L'équilibrage du pont est aiors facile puisqu'il surfit d'air dans ia position de repos du noyau magnétique sur les valeurs de P et Q par des moyens potentiométriques, de façon à ce que ie pont soit équilibré, ce qui correspond a la condition PL2 QL Dans le cas ou on désire utiliser un appareil simplifié et en partant d'une position de repos fixe, où le noyau magnétique est situé entre les deux bobines, symétriquement par rapport à l'axe entre les deux bobines , position de repos telle que les inductances L1 et L2 sont égales, les valeurs des résistances P et Q peuvent être prises fixes et égales entre elles.Cette configuratlon simplifie le montage mais a pour inconvénient que la position initiale du noyau magnétique doit etre rixe et précise Ce capteur inductif de déplacement linéaire a de multiples avantages - ia courbe de réponse tension-déplacement est liné- aire dans l'exemple de réalisation décrit plus loin la linéarité est garantie à 0,5 t même pour une course supérieure à 15 cm). Contrairement à l'art antérieur, ce capteur peut être utilisé pour des détiacements de plusieurs dizaines de centimètres sans effet de dispersion marqué. - comme tout capteur 1nductl+, il n'existe pas de problème de commutation, - ia fabrication des cafteurs se fait à partir de matériaux classiques et bon marché (fer ou acier pour le noyau), - l'appareil est simple, robuste, fidèle et d'un prix de revient faible, - le sianal électrique en sortie du pont est suffisam- ment élevé pour être exploité directement sans amplification, - les impédances du bobinage et la fréquence (5kHz par exemple) sont telles que le capteur peut être alimenté par diverses alimentations existant sur le marché industriel, et comprenant un oscillateur, un démodulateur et un amplificateur. Une application avantageuse du capteur inductif de déplacement linéaire selon l'invention, consiste à l'utiliser pour déterminer la position des capsules d'irradiation expérimentales, position mesuree par rapport aux coeurs des réacteurs nu cléalres. Ces capsules d'irradiation permettent de contrôler en fonction de leur déplacement la puissance nucléaire dégagée dans le combustible. Un dispositif de déplacement de type connu rend mobiles quatre capsules indépendamment sur une course de 180 mm. Actuellement, le repérage de la position des capsules n'est possible que grâce à deux paramètres qui sont la température et le flux neutronique. Pour certaines capsules, ces parametres ne sont pas touJours représentatifs de la puissance dégagée dans le combustible, donc de la positiondes capsules.L'épuisement du combustible par exemple, rend inexact à moyen terme le rapport entre les signaux des collectrons (sondes de flux neutronique) et la puissance nucléaire dégagée. De plus, ces deux paramètres de mesure entrafnent une réponse lente de l'appareil à cause de l'inertie thermique d'une part, et de la constante radioactive du collectron d'autre part. Il est donc intéressant de fonder la détection de la position des capsules sur un paramètre indépendant dé l'environnement du réacteur et dont la réponse soit instantanée. Les capteursde déplacement de grande course de l'invention répondent parfaitement à cet objectif. Leurs intégratlons au dispositif de déplacement des capsules ne posent aucune difficulté: le corps du capteur est fixé sur la partie fixe du dispositif et le noyau est rendu solidaire de l'élément mobile du dispositif déplaçant la capsule. Une autre application est la mesure de déformation d'une double cuve métallique du coeur d'un réacteur nucléaire. Sous l'effet de la température, les cuves métalliques se dilatent et il est utile, pour des raisons de sécurité évidentes, de mesurer ces déformations. L'implantation schématique de deux capteurs pour la mesure respective des déforma- tions de chaque cuve est représentée sur la figure 5 décrite plus loin. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la iecture de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif. La descriution se réfère aux figures annexées sur lesquelles on a représenté: - sur la figure 1 un schéma de réalisation du capteur et le pont de Wheatstone associé, - sur la figure 2, les caractéristiques géométriques d'une moitié du noyau magnétique, - sur la figure 3, une courbe expérimentale représentant la tension V entre deux bras du pont de Wheatstone en fonction du déplacement z du noyau magnétique, - sur la figure 4, une coupe transversale d'un capteur, - sur la figure 5, une application de- l'invention à la mesure du déplacement de deux parois d'une cuve métallique de réacteur Comme on l'a déjà indiqué, la présente invention a pour objet la realisation d'un capteur inductif de déplacement linéaire de grande course, c'est- & dire un capteur de déplacement dont les indications sont proportionnelles dans tout son domaine d'utilisation au déplacement d'un noyau magnétique coulissant à l'intérieur des deux bobines magnétiques. La sensibilité du capteur est constante puisque la différence de potentiel entre deux bornes du pont de Wheatstone est proportionnelle à la variation de l'lnductance nL. Cette même variation AL est proportionnelle au déplacement Az du noyau magnétique solidaire de l'objet dont on veut mesurer le déplacement. La sensibilité définie comme le rapport e/Az est constante. Sur la figure 1, on a représenté le schéma du capteur comportant le prisme magnétique formé de deux prismes triangulaiw res 2 et 4 accolés sur leurs petits cotés, et coulissant à l'intérieur de deux bobines L1 et L2, les deux bobines étant sEparees-par une entretoise prismatique 6. Dans cet exemple, les impédances du pont de Wheatstone autres que les inductances, sont des résistances variabies P et Q. La différence de potentiel indicatrice du déplacement du prisme magnétique est mesurée entre E et D alors qu'une tension alternative dlamplitude constante U est appliquée entre les bornes A et B du même pont de Wheatstone. La différence de potentiel développée entre E et D est mesurée par un voltmètre ou un galvanomètre de type connu, non représentés dans la figure. L'extrémité du trapèze magnétique, l'extrémité 10 par exemple, est rendue solidaire de l'objet dont on veut mesurer le déplacement; les résistances P et Q, variables, sont ajustées de telle sorte que le pont soit à l'équilibre pour une valeur de la position de l'objet (non représenté) fixé à 1 extrémité 10, et les déplacements de cette extrémité liée à objet sont alors dlrectement proportionnels à la différence de potentiel développée entre les bornes D et E. Sur ia figure 2, on a représenté la moitié du prisme magnétique, et en traits hachurés en 12, la section moyenne du noyau lntercentee par une des deux bobines magnétiques, L1 par exemple. La valeur de la surface interceptée par une des bobines est fonction linéaire de la distance de ladite surface au plan z = 0, origine arbitraire correspondant à l'équilibrage du pont pour une position de l'objet et du noyau magnétique. Sur la figure 3, on a représenté les variations du potentiel V développé entre les bornes D et E, potentiel mesuré en volts, pour des valeurs de la position du noyau magnétique mesurées en centimètres à partir d 'une position équidistante par rapport aux deux bobines du capteur. Cette courbe expérimentale montre la parfalte linéarité entre le potentiel V et la position z du prisme magnétique entre les deux bobines. Sur la figure 4, on a représenté une coupe longitudinale du capteur. Les bobines L1 et L2 faites avec du fil d'aluminium oxydé anodiquement sont maintenues par des mandrins isolants 4 et 15. Ces mandrins, en alumine ou mieux en aluminium oxydé, sont séparés par une entretoise 6 en aluminium, L'ensemble est placé dans un boiter étanche 12 en- acier inoxydable. Le noyau magnétique se déplace dans le canal central du boitier 12. Les dimensions du boîtier inox sont d'environ 4cm; le noyau 18 est en acier doux La gaine de protection du noyau 14 est en aluminium. Sur la figure 5, on a représenté un exemple d'application des capteurs de l'invention scit deux capteurs représentés en 20 et 22. Le capteur 20 est relié à la paroi de-béton 24 et 1-extrémité du noyau magnétique 26 est fixée sur la paroi de la cuve métallique. La position xl de cette paroi est mesurée par rapport à la paroi de béton, par la différence de potentiel, captée par le voltmètre 28 et enregistrée sur-l'appareil représenté schématiquement en 30 Cette première différence de potentiel-est désignée par tell, et est proportionnelle à la position de la paroi métallique R1.Un second capteur identique au précédent est fixé à la paroi métallique -R et l'extrémité de son noyau magnétique est solidaire de la paroi R2 de la cuve du réacteur. Il mesure les variations de la distance x2 entre les deux parois des cuves par l'intermédiaire d'un voltmètre 32 dont les indications sont lues et enregistrées en 34. La différence de potentiel est désignée par e2. Les capteurs mesurent les déformations sur le rayon des cuves. A la déformation x1 de la paroi R1, correspond le signal électrique el Kxl ou K est un facteur de proportionnalité faisant intervenir entre autres la géométrie du capteur; au déplacement x2 de la paroi R2 correspond le signal électrique e2 = C(x2 - xl). Il s'ensuit que le déplacement de la paroi R2 vaut: x2 = e2/C t eliK. L'erreur éventuelle entraînée par la dilatation propre du système de mesure et de son support est négligeable, les dimensions des cuves étant de 40 à 50 fois plus grandes que la longueur totale du système de mesure, qui n'est évidemment pas représenté à l'échelle sur la figure 5. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure du déplacement linéaire d'un objet, caractérisé en ce qu'on rend solidaire de l'objet dont on veut mesurer le déplacement, une extrémité d'un noyau magnétique, ledit noyau ayant la forme d'un prisme isocèle, et dont la surface constituant la base coulisse à l'intérieur de deux bobines en regard situées dans deux bras adjacents d'un pont de Wheatstone fonctionnant en courant alternatif, en ce qu t on règle la valeur des inpédances dans les deux autres bras du pont de Wheatstone de façon à ce que ledit pontsoit équilibré pour une position de l'objet, et en ce qu'on mesure le déplacement de l'objet à partir de cette position par la différence de potentiel proportionnelle audit déplacement, développée entre deux sommets opposés E et D dudit pont, lequel est alimenté en courant alternatif entre ses deux autres sommets A et B. 2. Capteur inductif de déplacemènt linéaire d'un objet de grande course pour la mise en oeuvre de 1 'invention selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: - un pont de Wheatstone à quatre- bras comportant deux impédances Z-1 et Z2 dans deux bras adjacents et deux inductances L1 et L2 dans les deux autres bras, - deux inductances L1 et L2 constituées par deux bobines disposées en regard l'une par rapport à l'autre, - un noyau maqnetique unique ayant la-forme d'un prisme isocèle, une extrémité dudit prisme étant solidaire de l'objet et coulissant à l'intérieur des deux bobines, - des moyens pour faire varier les impédances Zl et Z2' - des moyens pour alimenter le pont en courant alterna- tif, - des moyens pour mesurer la différence de potentiel entre les deux points E et D du pont de Wheatstone, le point E étant- situé -entre les impédances Z1 et Z2 et le point D entre les deux inductances L1 et L2. 3. Cafteur inductif de déplacement linéaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que le-s deux impédances Z et Z2 sont deux résistances respectivement désignées par P et O. 4. Capteur inductif de déplacement selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens potentiométriques pour faire varier les valeurs des résistances P et Q. 5. Capteur inductif de déplacement selon la revendication 3, caractérisé en ce que les valeurs des résistances P et Q sont fixes et égales entre elles.