Brevet FR2226701A1 — publié le 19741115

La présente invention concerne un montage pour la stabilisation de puissances électriques prédéterminées, au moyen d'un dispositif dé mesure de puissance avec réaction de la valeur mesurée sur un organe de réglage de la puissance. La stabilisation et l'asservissement spontané de puissances électriques selon un programme prédéterminé sont, dans dtinnombrables domaines industriels, la condition d'une utilisation satisfaisante de l'énergie électrique. I1 suffit de citer à titre d'exemples les entrainements électriques et les chauffages de processus thermiques. Les problèmes posés par la stabilisation de puissances électriques résultent en particulier de ce que les sources de tension ou de courant non stabilisées disponibles en pratique ne peuvent pas délivrer des tensions ou courants sensiblement constants, même sur une période prolongée. C'est ainsi que l'amplitude et la forme d'onde de la tension du réseau présentent d'importantes fluctuations. L'amplitude diminue lors d'une charge élevée du réseau, résultant du branchement de nouvelles utilisations; simultanément, la forme sinusoRdale de la tension ou du courant se rapprochent souvent plus ou moins d'une forme triangulaire. I1 en est évidemment de même pour la variation de la tension dans le temps. L'aire délimitée par la courbe de puissance étant une mesure de la puissance électrique moyenne disponible, il en résulte que des variations d'amplitude et/ou de forme d'onde entraient aussi une variation notable de la puissance électrique moyenne. Cette dernière détermine toutefois, dans pratiquement tous les cas, les phénomènes lies è une conversion de puissance en phénomènes thermiques ou mécaniques. L'évaporation de couches minces sur des supports sous vide est un phénomène dans lequel le réglage d'une tension constante ou la régulation de cette dernière est un facteur important. Le matériau à déposer est chauffé à une température supérieure à son point d'évaporation, puis se dépose sur le support ou le substrat. Les relations Suivantes permettent de mieux comprendre les difficultés. Le processus d'évaporation doit être suivi dans toutes ses phases par une mesure continue ou périodique. La couche mince à déposer par évaporation d'une ou plusieurs substances sur un substrat, tel qu'un verre de lunettes, ne se forme qu'après l'évaporation d'une quantité de substance appropriée. La croissance de la couche ne peut donc fournir un paramètre approprie à la commande ou à la régulation de la vitesse d'évaporation que lorsque le processus est déjà en cours. On utilise de préférence des évaporateurs thermiques, constitués par un creuset ou une coupelle contenant le matériau à évaporer et chauffé par effet Joule. La relation entre la vitesse d'évaporation et la puissance électrique fournie à la coupelle n'est toutefois pas linéaire. L'application d'une tension de 1,6 V par exemple à une coupelle produit une vitsse d'évaporation satisfaisant pleinement aux conditions de traitement. Un accroissement de 0,05 V seulement de la tension d'alimentation, ainsi portée à 1,65 V entrasse la destruction de la coupelle par sur- > chauffe.Par suite de l'inertie inévitable des évaporateurs thermiques, les temps morts notamment entrainement des retards de réglage qui compliquent fortement la diminution d'une vitesse d'évaporation trop élevée dans le temps disponible normalement pour cette opération. Une limitation d'amplitude de la tension ou du courant d'alimentation n'est généralement pas assez précise par suite de la forme d'onde distordue, très différente de la forme sinusordale. Une autre cause d'influences gênantes sur laoemmande ou la régulation de processus d'évaporation sous vide réside dans la qualification du personnel d'une part et les exigences imposées à la qualité des produits finis d'autre part. Des processus d'évaporation sont effectués à l'échelle industrielle, dans le domaine de l'optique en particulier, avec la condition de tolérances toujours plus serrée. Cet fait s'explique par les exigences sévères imposées aux lentilles optiques, dont les verres de lunettes sont les principaux. L'obtention de tolérances serrées était essentiellement possible Jusqu'd présent par l'emploi d'un personnel très qualifié et expérimenté.L'extension croissante de la production et de l'application de processus d'évaporation conduit toutefois à la nécessité d'employer du personnel moins qualifié, simplement formé, et d'automatiser le processus d'évaporation. Les difficultés inhérentes précitées s'opposaient toutefois à l'automatisation jusqu'à présent, de sorte qu'il fallait accepter un taux de déchet de 3 Z ou plus. Un tel déchet est particulièrement gênant dans le cas des produits optiques, car les pièces traitées sont réalisées dans des matériaux très coEteux, au cours de processus de transformation représentant de lourdes charges salariales. On connaît une régulation de puissance au moyen de wattmètres. Par suite de leur caractéristique linéaire? il en résulte toutefois une sensibilité trop faible du mécanisme de régulation et par suite un écart de réglage de valeur inadmissible. L'invention a pour objet un montage du type précédemment décrit, permettant de rendre la puissance réglée indépendante de la forme d'onde et de l'amplitude, tout en assurant une sensibilité et une vitesse de réponse élevées, ainsi qu'un faible écart de réglage, sans comporter de moyens coflteux, ni se limiter a un domaine spécialisé. L'invention a plus particulièrement pour objet un montage pour la régulation de processus d'évaporation sous vide avec évaporateurs et mesure proportionnelle à la puissance, présentant une caractéristique non-linéaire, qui correspond à l'action de régulation de l'évaporateur. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le dispositif de mesure de puissance utilisé comprend un convertisseur de puissance électrique en rayonnement électromagnétique et un récepteur de rayonnement adapté. Le "convertisseur de puissance électrique en rayonnement électromagnétique" utilisé peut être un dispositif quelconque, émettant un rayonnement électromagnétique quand il est porté à une température appropriée par le passage d'un courant, c'est-à-dire par une conversion de puissance. La plage de longueur d'onde du rayonnement électromagnétique peut s'étendre de l'infrarouge à l'ultraviolet. Les dispositifs émettant un rayonnement électromagnétique dans le domaine visible sont particuliè- rement avantageux. Les longueurs d'onde particulièrement avantageuses quant à la précision de réglage se situent entre le rouge sombre naissant et le rouge sombre avancé du disposi-tif émettant le rayonnement électromagnétique. I1 existe pour chaque longueur d'onde ou pour l'ensemble des plages de longueur d'onde des récepteurs de rayonnement spéciaux, connus et qui ne seront pas décrits ici par raison de simplicité. La "liaison" entre le convertisseur de puissance électrique et le récepteur de rayonnement s'effectue de la façon la plus simple, par une disposition spatiale appropriée, dans laquelle le rayonnement du convertisseur atteint le récepteur de rayonnement avec un affaiblissement et une dispersion aussi faibles que possible. La forme la plus simple de convertisseur de puissance électrique est une lampe à incandescence, placée en regard d'un transducteur photoélectrique. Ce dernier est par exemple une cellule photoélectrique au silicium ou une photorésistance, caractérisées par une large plage de sensibilité. On a été surpris de constater que la solution indiquée convient parfaitement, car le rayonnement électromagnétique émis par le convertisseur de puissance électrique, ou le flux lumineux, correspond à la puissance sept du courant ou à la puissance quatre de la tension. Un tel montage est par son principe un amplificateur extrêmement simple, à gain élevé, caractérisé par une longue durée de vie et par suite une grande sécurité de fonctionnement. Cette dernière ou la fiabilité résulte aussi de ce que la lampe à incandescence par exemple fonctionne sous tension réduite, de préférence dans un domaine où le filament est porté au rouge sombre. La lampe à incandescence présente l'avantage de réagir instantanéaent à toute variation du courant ou de la tension et d'émettre un flux lumineux modifié en conséquence et transmis sans retard au transducteur photoélectrique. Un tel dispositif de mesure de puissance est caractérisé par une réponse instantanée, avec une précision de réglage et une reproductibilité élevées; il ne présente pratiquement pas de phénomènes de vieillissement ou d'usure.La précision de réglage ne dépend pratiquement que de l'organe de réglage de la puissance, ce dont il est possible de tenir suffisamment compte par des dispositions constructives appropriées, qui étaient indispensables aussi dans le cas du montage connu antérieur, L'organe de réglage utilisé est par exemple un servomoteur; la variation de puissance peut se faire par exemple au moyen de rhéostats, amplificateurs magnétiques, transformateurs de réglage (auto-transformateurs en particulier), thyristors commandés, etc. Le dispositif de mesure de puissance selon l'invention assure en outre une séparation galvanique entre la source et le récepteur de rayonnement, avantageuse pour de nombreuses régulations.L'emploi de moyens de focalisation de la lumière ou de guides de lumière permet d'accroitre pratiquement à volonté la distance dans l'espace. C'est ainsi qu?il est possible de monter le récepteur de rayonnement ou le transducteur photoélectrique dans un local éloigné de la source. Le montage selon l'invention est particulièrement insensible aux vibrations, par suite de sa constitution simple, et a un encombrement très réduit. I1 est par exemple possible de réaliser le dispositif de mesure de puissance en fixant une lampe à incandescence, constituant la source, directement sur une cellule photoélectrique, servant de transducteur photoélectrique. L'application du montage selon l'invention pour le traitement de verres de lunettes par évaporation sous vide a permis de réduire en pratique le taux de déchet de 3 7. à presque 0 7. Il a en outre été possible de confier l'installation d'évaporation à du personnel formé et non à du personnel très qualifié. L'activité des opérateurs se limite essentiellement au chargement et au déchargement du dispositif. La régulation du processus d'évaporation est automatique. Outre une régulation de puissance, on utilise naturellement aussi un dispostif de mesure det'épaisseur de la couche déposée, afin d'interrompre le processus d'évaporation quand les propriétés prédéterminées de la couche sont atteintes. L'emploi du dispositif de mesure de puissance selon l'invention ne se limite évidemment pas aux processus d'évaporation sous vide. Il est avantageusement possible aussi dans de nombreuses régulations de processus, avec système réglé à caractéristique linéaire ou non. I1 n'est pas néces-saire en outre d'effectuer électriquement la réaction de la valeur de mesure sur l'organe de réglage de puissance. Ce réglage peut également être effectué par un opérateur, qui observe le dispositif de mesure de puissance selon l'invention au moyen d'un appareil de mesure, puis actionne en conséquence un organe de réglage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'un exemple de réalisation du montage selon l'invention, dont la figure unique représente le schéma. Un substrat 10 à traiter est fixé par des griffes 11 sur un support 12, constitué par un disque 13 et une barre 14 réglable verticalement. Un évaporateur thermique 15, disposé au-dessous du substrat 10 pour l'évaporation du matériau à déposer, repose sur deux tiges 16 et 17, qui servent simultanément d'amenées du courant et passent à travers une plaque de base 18 dans des traversées 19 et 20 étanches au vide. Les pièces précitées sont entourées par une cloche 21 étanche au vide, reposant sur la plaque de base 18 par l'intermédiaire d'une bague d'étanchéité 22. Un groupe de pompage, reliée à la plaque de base 18 par une canalisation 23, crée un vide suffisant pour l'évaporation, de 2.10 Torr par exemple. Le courant de chauffage de l'évaporateur est délivré par une source de courant, reliée par les bornes 24 à un variateur de puissance 25, cons titubé par un transformateur de réglage. Le variateur de puissance 25 est relié à un transformateur 26, qui abaisse la tension de chauffage à une valeur assurant la puissance de chauffage requise, compte tenu de la conductibilité électrique de l'évaporateur 15. Le transformateur 26 et l'évaporateur 15,représentant l'utilisation dans l'exemple décrit, sonten parallèle avec un dispositif de mesure de puissance 27, constitué par un convertisseur 28 de puissance électrique en rayonnement électromagnétique et un récepteur de rayonnement adapté 29. Les éléments 28 et 29 sont disposés en regard, de sorte que le rayonnement émis par le convertisseur 28 tombe partiellement au moins sur le récepteur 29. Ce dernier est relié par des fils 30 et 31 à un régulateur d'entrée 32, à la borne d'entrée 33 duquel est appliquée une valeur de consigne variable. Le régulateur d'entrée 32 compare la tension de mesure, appliquée par les fils 30 et 31, à la tension de consigne appliquée par la borne 32. Un fil 34 relie la sortie du régulateur d'entrée 32 à un amplificateur 35, dont la sortie est reliée par un fil 36 à un organe de réglage 37.Ce dernier est dans le cas considéré un servomoteur, accouplé par un arbre de réglage 38 au dispositif de manoeuvre du variateur de puissance 25. Le fonctionnement du montage décrit est le suivant. Lorsque la tension appliquée aux bornes d'entrée 24 entrains par exemple une puissance de chauffage moyenne trop élevée de l'évaporateur 15, la puissance du rayonnement électromagnétique émis par le convertisseur 28 augmente obligatoirement aussi. La partie de ce rayonnement tombant sur le récepteur 29 produit une valeur de mesure coriespondante qui, par l'intermédiaire des organes précités, entraîne une régulation décroissante du variateur de puissance 25, de façon à ramener la puissance de chauffage de l'évaporateur ou de l'utilisation 15 à la valeur spécifiée. Le phénomène s'inverse quand la tension appliquée aux bornes 24 e-t par suite la puissance moyenne de l'évaporateur ou de l'utilisation sont trop faibles. Par suite du gain élevé du dispositif de mesure de puissance 27, l'action du montage complet est extr & ement rapide pour des écarts de réglage aussi faibles que possible, de sorte que la puissance de l'évaporateur ou utilisation 15 et par suite la vitesse d'évaporation sont maintenues à une valeur pratiquement constante. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Montage pour la stabilisation de puissances électriques prédéterminées, au moyen d'un dispositif de mesure de puissance avec asservissement de la valeur de mesure sur un organe de réglage de la puissance, ledit montage étant caractérisé par l'emploi comme dispositif de mesure de puissance d'un convertisseur de puissance électrique en rayonnement électromagnétique et d'un récepteur de rayonnement adapté. 2. Montage selon revendication 1, caractérisé par le couplage en parallèle du dispositif de mesure de puissance avec l'utilisation. 3. Montage selon revendications 1 et 2, caractérisé par l'emploi comme convertisseur de puissance électrique en rayonnement électromagnétique d'une lampe à incandescence en liaison avec un transducteur photoélectrique. 4. Montage selon revendication 1, caractérisé par son application à la régulation de puissance des évaporateurs d'installations d'évaporation sous vide.