Brevet FR2243441A1 — publié le 19750404

Pour le pilotage d'avions, de navires etc., il est nécessaire de connaître la vitesse de rotation ainsi que le sens de rotation de l'arbre de transmission de puissance, et ceci quelquq/soit la vitesse dudit arbre, y compris pour une très basse vitesse proche de zéro; il est nécessaire également de pouvoir transmettre cette information à une unité de contre éloignée de l'arbre lui-m8me. Des systèmes connus de transducteur de vitesse, sans contact mécanique, pour de telles applications, utilisent généralement une roue dentée tachymétrique montée sur l'arbre de puissance ou sur un arbre auxiliaire dont la vitesse dépend de celle de l'arbre principal; ladite roue dentée constituant une partie d' un circuit magnétique et un capteur magnétique monté à proximité immédiate des dents constituant la deuxième partie dudit circuit magnétique. tes deux parties du circuit magnétique sont disposées de telle manière que la roue dentée en tournant provoque une variation d'entrefer entre les dents et le capteur, laquelle variation peut être détectée. La mesure de basse vitesse proche~derzéro par des moyens de ce type, présente quelques difficultés à cause d'un seuil, lié à l'utilisation de capteur fixe, correspondant à une vitesse minimum de rotation de l'arbre et en dessous duquel l'énergie engendrée par le capteur est insuffisante pour pouvoir être enregistrée par un système de mesure, en d'autre3 termes il existe un seuil minimum qui doit être dépassé pour que la mesure de la vitesse de l'arbre soit valables De plus, même si le signal fourni par le capteur est suffisant pour être enregistré par le système de mesure, le sens de rotation ne peut être déterminé en analysant ledit signal en effet, pour une vitesse de rotation donnée le même signal est fourni par le capteur quelque soit le sens de rotation dudit arbre. Des systèmes utilisant des moyens de détection mobiles pour augmenter la vitesse relative entre une roue dentée tachymétrique solidaire de l'arbre principal et le capteur magnétiqued à I dqaété utiliséspour la mesure du couple d'un arbre tournant à basse vitesse, oU l'écart de phase entre une roue dentée tachymétrique de référence et une roue dentée tachymétrique sensible au couple constitue le paramètre à mesurer et/ où par conséquent la vitesse absolue de rotation est sans importance.De telles méthodes sont décrites dans une demande de brevet en cours de dépôt, déposée par la demanderesse et intitulée : "appareil de mesure de déphasage pour mesurer une caractéristique d'un système lorsque ce système est à l'arrêt". Dans un tel système de mesure du couple lesdits me yens de détection mobiles peuvent être mis en rotation continuellement ou peuvent être mis en route uniquement lorsque le niveau du signal résultant approche du seuil critique. Pour l'application concernant la mesure de la vitesse d'un arbre, la vitesse propre du système transducteur mobile est très importante et doit être déterminée au moyen d'un capteur fixe. tes moyens de détection mobiles tournent eux mêmes en permanence ce qui autorise une simplification considérable du circuit de mesure. tes moyens de détection mobiles sont portés à une vitesse de rotation suffisante par rapport au capteur fixe de vitesse de telle manière que le signal engendré par ledit capteur de vitesse fixe soit bien supérieur au seuil critique minimum requis pour pouvoir être enregistré par le système de mesure. Les moyens de détection mobiles peuvent être constitués par une roue dentée dite roue d'excitation. La fréquence du signal mesurée entre la roue dentée tachymétrique et la roue d'excitationeila somme algébrique des fréquences produites par les dents de la roue ou du pignon solidaire de l'arbre et par celles de la roue ou du pignon d'excitation. Si les roues tournent dans la même direction, la vitesse mesurée est supérieure à la vitesse réelle de l'arbre de puissance, l'écart entre la vitesse réelle et la vitesse mesurée étant fonction de la vitesse de ladite roue d'excitation. Si les roues tournent en sens inverse, la vitesse mesurée est inférieure à la vitesse réelle de l'arbre de puissance. Pour obtenir la vitesse réelle de l'arbre de puissance, la vitesse de la roue d'excitation est retranchée de ladite somme algébrique desvitessesde la roue dentée tachymétrique et de la roue d'excitation. La roue d'excitation sera entraînée de préférence à vitesse constante, avec une vitesse suffisante pour garantir un signal résultant suffisant même à la vitesse maximum de l'arbre lorsque la plus petite vitesse différentielle entre les deux roues apparaît pour la vitesse maximum de l'arbre cette particularité se produit généralement lorsque les deux roues tournent en sens inverse; cependant, le système est applicable avec une roue d'excitation prévue pour tourner dans les deux directions. l'invention a essentiellement pour objet un système dé mesure perfectionné de la vitesse et du sens de rotation d'un arbre. L'invention s'applique également à un système de mesure perfectionné de la vitesse et du sens de rotation d'un arbre capable de mesurer en permanence une vitesse décroissante jusqu a l'arrêt complet et avec une précision amélioréed'un arbre de transmission de puissance. L'invention s'applique également à un système de mesure précité dont on puisse transmettre à distance, vers un appareil de contrôle éloigné, les informations concernant la vitesse et le sens de rotation. L'invention s'applique également à un système de mesure, sans contact mécanique, de la vitesse et du sens de rotation d'un arbre, susceptible d'etre entièrement contenu dans une boite étanche, à l'abri de la poussière et des corps étrangers de toutes sortes, de façon à garantir une durée de vie étendue et une maintenance réduite. L'invention apparaîtra plus clairement grâce à la description qui va suivre faite en référence aux dessins et au schéma annexés. la figure l montre une vue partielle d'une réalisation d'un appareillage de mesure conforme à l'invention; - la figure 2 montre une vue de dessus de l'appareillage représenté figure 1; - la figure 7 est un schéma d'un circuit électronique pouvant être utilisé pour déduire la véritable valeur de la vitesse de l'arbre et le sens de rotation dudit arbre. Selon la figure 1, une roue dentée tachymétrique 11 est montée sur l'arbre de puissance 10 ladite roue d'excitation 12 est montée sur un axe 13 parallèle à l'axe de l'arbre principal 10, ladite roue d'excitation 12 est dans le même plan que la roue tachymétrique 11 de telle manière que les dents de ladite roue d'excitation passent à proximité des dents de la roue 11, le tout formant un entrefer 14 que l'on voit plus clairement figure 2. La roue d'excitation 12 est entrainée en permanence par un moteur 15. Un capteur magnétique fixe 16 est monté à la périphérie de ladite roue d'excitation 12; sur les figures 1 et 2 ledit capteur 16 apparaît diamétralement opposé à l'entrefer 14 mais il est bien évident que ce capteur peut être disposé n importe où à la périphérie de la roue d'excitation 12. La roue d'excitation 12 est creusée et allégée axialement, de façon à ménager une fine jante 17 comportant transversalement des dents 18 et, de la neme manière, la roue tachymétrique 11 est allégée de manière à ménager une fine jante 19 comportant transversalement des dents 20. Cette double particularité permet de loger, dans l'évidement des deux roues, les pièces polaires d'un capteur magnétique 21. Un pôle 23 du capteur 21 est monté à l'intérieur de l'évidement 22 de la roue d'excitation 12, en regard de la face intérieure cylindrique 24. Le pôle 23 est couplé magnétiquent à travers l'entrefer 14 avec un pôle identique 25 monté à l'intérieur de l'évidement 26, pratiqué dans la roue 11, et en regard de la face intérieure cylindrique 27. tes pôles 23 et 25 sont reliés par un noyau ma-gnétique 28 comprenant deux extrémités en acier respectivement 29 et 30 et un aimant central 31 qui établit le flux au repos dans le circuit magnétiqle. Un bobinage 33 est enroulé autour de la partie de l'extrémité 30; ce bobinage capte les variations de flux dues à la variation de l'entrefer 14; variation elle-même engendrée par le passage des dents 20 et 18 entre les pièces polaires. te système complet dr mesure peut etre entièrement clos, et ainsi protégé de la poussière et des corps étrangers de toutes sortes, grâce à un boîtier 32. Selon la figure 2 la roue dentée tachymétrique 11 est montée sur un arbre 10 ladite roue tachrmétrique il étant représentée en coupe pour mieux montrer l'évidement intérieur 26. La roue d'excitation 12 est montée sur l'axe 13, les dents de ladite roue de référence passant à proximité des dents de la roue It, délimitant ainsi un entrefer variable 14. La paroi du boîtier protecteur 32 présente entre les pièces polaires une fenêtre transparente au champ magnétique, de sorte que ledit boîtier ne perturbe pas leslignesde flux. L'axe 13 est entraîné par le moteur 15 et la totalité du système de mesure est enfermeé dans le boîtier protecteur 32, qui est représenté -par des lignes pointillées sur la figure 1. Le boîtier 32 est fabriqué dans un matériau non magnétique, les seules ouvertures nécessaires étant celles pour lé passage du noyau magnétique qui traverse ledit boîtier en 32', pour les câbles d'alimentation du moteur 15 et pour les fils provenant de la bobine 33. Doutes ces ouvertures sont ensuite fermées par des moyens d'obturation étanches classiques. La paroi du boîtier 32 est aminciele plus possible en regard des pièces polaires pour permettre la réalisation d'un entrefer aussi mince que possible et donc une concentration de flux aussi grande que possible. Lorsque les dents 18 et 20 passent à travers les lignes de flux traversant l'entrefer entre les pièces polaires 23 et 25, lesdites lignes de flux sont perturbées. le bobinage 33 est sensible à ces variations de flux et engendre un signal dont la fréquence est proportionnelle à la somme algébrique is fréquences des signaux qui seraient engendrés individuellement par les dents de la roue 11 d'une part et de la roue 12 d'autre part. Dans l'exemple qui fait l'objet de la présente description des capteurs magnétiques ont été utilisés mais on peut trouver facilement d'autres types de capteurs pouvant tout aussi bien convenir, sans sortir du cadre de la présente invention. Bes principes de l'invention ne seront pas changés, si on utilise en particulier, des roues munies de perforations et des capteurs optiques, ou encore des capteurs fonctionnant par effet capacitif ou par courants de Foucault, ou plus généralement par n'importe quel capteur produisant un signal dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation. te montage adapté pour effectuer le traitement des signaux en provenance des capteurs 21 et 16 peut prendre des aspects très variables, mais il doit dans son principe convertir l'information fréquentielle, correspondant à la vitesse de rotation de la roue dentée, en tensions analogiques et ajouter ou soustraire lesdites tensions analogiques, selon le sens de rotation, pour déterminer la vitesse réelle de l'arbre de transmission. Un exemple de montage électronique pouvant remplir cette fonction est représenté figure 3. Selon la figure,3, le bobinage 33, qui constitue la partie sensible du capteur magnétique 21, est branché entre les deux entrées 34 et 36 d'un comparateur différentiel 35. La sortie 37 du comparateur 35 est relie à une extrémité d'un condensateur 38, l'autre extrémité étant reliée au point 39 auquel est relies une extrémité de la résistance 40. L'autre extrémité de ladite résistance 40 est reliée à la masse. Ainsi le condensateur 38 de la résistance 40 constitue un montage différenciateur pour les signaux rectangulaires 40' du comparateur 35, lesquels signaux sont transformés en pointes positives et négatives 50. Le point 39 est aussi relié à l'anode 41 d'une diode 42. La cathode de ladite diode 41 est reliée à l'entrée 43 d'un multivibrateur monostable 44. Ainsi seulement les pointes positives du signal 50 sont appliquées à l'entrée du multivibrateur 44. La sortie 45 du multivibrateur 44 est reliée à une extrémité de la résistance 46 dont l'autre extrémité est reliée à un condensateur 47 au point 48. L'autre extrémité du condensateur 47 est reliée à la masse. La partie du montage qui vient d'être décrite se comporte de la manière suivante. Le signal de sortie 49 du bobinage 33 représente la somme algébrique de la fréquence produite par le passage des dents 20 de la roue tachymétrique il dans l'entrefer 14 et de la fréquence produite par le passage de la fréquence 18 de la roue d'excitation 12 dans le meme entrefer 14. te signal 49 est appliqué au comparateur différentiel 36 qui, à cause du très grand gain qui le caractérise, développe un signal rectangulaire 49' à sa sertie 37 dont la fréquence est identique à celle du signal 49. te montage différentiateur 38, 40 transforme ce signal rectangulaire en pointes positives et négatives correspondants aux flancs dudit signal rectangulaire. la diode 42 ne transmet que les pointes positives au multivibrateur 44 qui produit une succession d'impulsions rectangulaires 51 à sa sortie 45, d'amplitude constante et de largeur constante et indépendante de la fréquence d'entrée. te temps entre deux impulsions successives 52 dépend de la fréquence d'entrée. De cette façon, la partie utile du signal rectangulaire de sortie est proportionnelle à la fréquence. Ce signal est intégré par un filtre R.C. constitué d'un condensateur 46 et d'une résistance 47, et transformé en une tension analogique continue proportionnelle à la somme algébrique des vitesses des roues il et 12; cette tension analogique est disponible au point 48. Toujours en se référant à la figure 3, le bobinage 33' représente la partie sensible du capteur 16, et par conséquent sa fréquence de sortie est proportionnelle à la vitesse de la roue excitatrice 12 et elle est déterminée par la vitesse à laquelle les dents 18 de la roue 12 passent devant le capteur 16. Il apparaît évident que la partie inférieure de la figure 3 représente un montage qui fonctionne de manière identique à celui qui vient d'etre analysé, la seule différence, réside dans le fait que la tension analogique continue qui apparaît au point 53 est proportionnelle uniquement à la vitesse de la roue excitatrice 1 2. En se référant maintenant à la partie droite de la figure 3 on a montré un comparateur 54 en courant continu. Une entrée 55 du comparateur est relié à un point 48 et par suite il y est appliqué la tension analogique continue qui correspond à la somme algébrique des vitesses de la roue tachymétrique 11 de la roue. d'excitation 12. La seconde entrée 56 du comparateur est reliée à un point 53 auquel est donc appliqué une tension analogique continue qui correspond à la vitesse de la roue d'excitation 12. La sortie du comparateur à courant continu 54, sortie correspondant au point 57 est reliée au voltmètre à zéro central 58 dont l'autre borne est mise à la masse. Trois cas peuvent se produire 1- l'arbre de transmission principal 10 peut êre arrêté, auquel cas les fréquences des signaux engendrés par les bobines 33 et 33' sont égales, les tensions analogiques continues qui apparaissent alors sur les entrées 55 et 56 sont égales et la sortie au point 57 est nulle, par conséquent le volmètre indique zéro. 2- l'arbre de transmission principal 10 est en rotation dans un sens tel que la fréquence produite par la roue tachymétrique t la fréquence produite par la roue excitatrice s'ajoutent, en conséquence la tension analogique continue appliquée à l'entrée 55 sera supérieure à celle appliquée à l'entrée 56. La tension disponible au point 57 sera alors positive et sera affichée par le volmètre. 3- l'arbre principal de transmission 10 tourne maintenant dans l'autre sens ; il en résulte que lesdites fréquences se retranchent et dans ce cas la tension analogique continue appliquée à l'entrée 55 sera inférieure à celle appliquée à l'entrée 56. La tension de sortie disponible au point 57 sera alors négative et sera affichée par le voltmètre 58. Bien évidemment ledit volmètre est gradué directement en vitesse de rotation, le sens de rotation étant indiqué par la déviation de l'aiguille d'un côté ou de l'autre du zéro central. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits elle comprend tous les équivalents techniques des moyens mis en jeux si ceux-ci le sont dans le cadre des revendications qui suivent. REVEND I CA T ION s 1. Un système de mesure de la vitesse et du sens de rotation d'un arbre commandé sans contact mécanique, comprenant une roue tachymétrique solidaire dudit arbre, une roue excitatrice, prévue pour etre commandée en rotation, disposée sensiblement dans le même plan que ladite roue tachymétrique lesdites roues étant espacées l'une par rapport à l'autre de façon à former un entrefer, délimité par les zones en regard des bords externes desdites roues, des premiers moyens de détection disposés à proximité dudit entrefer pour capter le mouvement relatif des deux roues et développer un premier signal représentatif de la somme algébrique des vitesses de la roue tachymétrique et de la roue excitatrice,des secondsmoyens de détection, disposés à proximité de ladite roue excitatrice développant un deuxième signal représentatif de la vitesse de ladite roue excitatrice et des moyens pour transformer lesdits premier et second signaux en un signal unique de sortie représentatif de la vitesse et du sens de rotation dudit arbre commandé, 2. Un système de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un instrument de mesure à zéro central auquel est appliqué ledit signal unique de sortie, et prévu pour être piloté par ledit signal. 3. Système de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premier et second moyens de détection sont constitués par des capteurs magnétiques. 4. Ut système de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que lAdite roue tachymétrique et ladite roue excitatrice comportent des dents, lesdits premier et second moyen de détection comportant des éléments sensibles au champ magnétique disposés de façon à fonctionner en coopération avec lesdites dents. 5. Un système de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites roues sont axialement évidées et allégées et que lesdits premiers moyens didétection comprennent des éléments disposés de chaque côté dudit entrefer et à l'intérieur desdites parties évidées desdites roues. 6. Système de mesure selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits premier moyens de détection sont constitués par un capteur magnétique comprenant un noyau magnétique lui-même constitué par deux portions terminales séparées par un aimant, pour établir un flux au repos à travers ledit entrefer, lesdites portions terminales opposées étant disposées de chaque côté dudit entrefer et à l'intérieur desdites parties évidées desdites roues. 7. Un système de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite roue excitatrice et au moins un desdits moyens de mesure sont contenus entièrement dans un boîtier protecteur étanche. 8. Un système de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite roue excitatrice et au moins lesdits second moyens de mesure sont contenus entièrement à l'intérieur d'un boitier protecteur étanche. 9. Un système de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce queesditsmoyepour transformer ledit premier et second signal comprennent un premier canal prévu pour recevoir ledit premier signal et transformer ledit premier signal en une tension continue analogique, un deuxième canal prévu pour recevoir ledit second signal et transformer ledit second signal en une tension continue analogique et un comparateur de tension continue prévu pour recevoir lesdites tensions analogiques et pour fournir une tension de sortie continue unique, proportionnelle à la différence entre les tensions continues d'entrée. 10. Un système de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un instrument de mesure à zéro central recevant ladite tension continue de sortie et piloté par elle. il. Un système de mesure selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier protecteur étanche anti-poussière, renfermant ladite roue excitatrice et sensiblement la totalité des éléments constituant lesdits premier et second moyensde mesure. 12. Un système de mesure pour mesurer la vitesse et le sens de rotation d'un arbre commandé, comprenant une roue tachymétrique montée sur ledit arbre, un arbre de commande une roue excitatrice montée sur l'arbre de commande et sensiblement dans le plan de la roue tachymétrique, des moyens pour commanderen rotation l'arbre de commande, lesdites roues étant disposées de telle sorte que leurs bandes externes passent à proximité l'une de l'autre en un point, en un premier capteur disposé près dudit point et dépourvu de contact mécanique avec lesdites roues pour mesurer le mouvement relatif entre lesdites roues et engendrer un signal représentatif de la somme algébrique des vitesses -de chaque roue, un second capteur disposé près du bord de la roue excitatrice pour engendrer un signal représentatif de la vitesse de la roue excitatrice et des moyens pour transformer lesdits premier. et second signaux en un signal unique de sortie indiquant la vitesse et le sens de rotation de l'arbre commandé. 13. Un système de mesure selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier étanche antipoussière renfermant tous les éléments du système sauf ledit arbre de commande, ladite roue tachymétrique et une partie dudit premier capteur. 14. Un système de mesure selon la revendication 13, caractérisé en ce que lesdiimoyenspréVUspour transformer ledit premier et second signal , comprennent un premier canal prévu pour recevoir ledit premier signal et transformer ce dit premier signal en une tension continue analogique, un second canal prévu pour recevoir ledit second signal et transformer ce dit second signal en une tension continue analogique et un comparateur de tension continue prévu pour recevoir lesdites tensions continues et produire une tension de sortie continue, unique, proportionnelle à la différence entre les tensions continues d'entrée. 15. Système de mesure seltz la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend un instrument de mesure à zéro central recevant ladite tension de sortie continue et étant commandé par elle. 16. Un système de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour commander en permanance ladite roue excitatrice. 17. Un système de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour commander ladite roue excitatrice à vitesse constante.