Brevet FR2298093A1 — publié le 19760813

La présente invention concerne la technique de mesure et d'étude des vibrations, et plus précisément, un dispositif pour la mesure des amplitudes de vibration d'organes tournants de machines. On connait des dispositifs de mesure des amplitudes de vibration d'organes tournants de machines basés sur la tensométrie ainsi que sur des procédés de mesures sans contact. Cependant, les dispositifs de mesure des amplitudes de vibration d'organes tournants de machines basés sur la tensométrie comportent des inconvénients importants, qui sont dus au fait, que les capteurs doivent être installés directement sur les organes tournants des machines et le prélèvement de l'information provenant de ces capteurs doit se faire directement au cours de la rotation. La faible longévité des capteurs et leur remplacement compliqué, leur coût élevé et l'impossibilité de contrôler simultanément plusieurs organes tournants ne permettent pas d'élargir le domaine d'utilisation de ces dispositifs. On connatt également un dispositif de mesure des amplitudes de vibration organes tournants de machines basé sur une méthode de mesure sans contact qui ne présente pas les inconvénients indiqués. Dans ce dispositif connu on dispose sur le stator de la machine, en regard d'un repère sur l'arbre de la machine, un premier générateur d'impulsions, qui réagit au repère de l'arbre de la machine et dont la sortie est raccordée électriquement à travers.un premier conformateur d'impulsions mettant en forme déterminée les impulsions du générateur et un bloc de balayage ho rizontal branchés en série, à des plaques de déviation horizontale d'un tube cathodique ; en regard des repères de l'arbre dont le nombre est égal au nombre d'organes tournants et qui se trouvent dans le même plan que les organes tournants en l'absence de vibration de ces derniers, est disposé un second générateur d'impulsions qui réagit à ces repères et dont la sortie est raccordée électriquement à travers un second conformateur d'impulsions mettant en forme déterminée les impulsions du transmetteur, un bloc de retard des impulsions provenant de la sortie du conformateur et un bloc de balayage vertical branchés en série à des plaques de déviation verticale du tube cathodique ; enfin en regard des organes tournants, est disposé un troisième générateur d'impulsions, réagissant aux organes tournants, dont la sortie est raccor dée électriquement, à travers un troisième cnnformateur d'impulsions mettant en forme déterminée les impulsions du transmetteur, au whenelt du tube cathodique, sur l'écran duquel est formé un réseau, qui se compose de lignes verticales en nombre égal au nombre d'organes tournants mesurés, et sur chaque ligne duquel s'allume un spot ponctuel au moment du passage de l'organe tournant correspondant devant le troisième générateur d'impulsions et qui en cas de vibrations se transforme en une ligne dont la longueur est proportionnelle à l'amplitude de la vibration de l'organe tournant. L'inconvénient principal du dispositif connu de mesure des amplitudes de vibration d'organes tournants de machines réside dans le fait, qu'il ne permet plats de mesurer l'amplitude de vibration des organes tournants en cas de variation de lavitesse de rotation de l'arbre, car le fonctionnement du bloc de retard d'impulsions provenant de la sortie du second conformateur et celui des blocs de balayage horizontal et vertical ne dépendent pas de la vitesse de rotation de l'arbre. Les écarts de vitesse mêmes faibles, introduisent une erreur appréciable, qui dégrade sensiblement la précision de mesure, et lorsqu'en service les écarts deviennent importants, l'erreur est tellement grande, que les mesures indiquées s'avèrent impossibles. Un autre inconvénient du dispositif connu indiqué est l'entretien et l'utilisation difficiles. L'invention vise à éliminer les inconvénients précités. Elle a pour but la mise au point d'un dispositif de mesure des amplitudes de vibration d'organes tournants de machines, qui permettrait de mesurer la vibration d'organes de machines tournant à vitesse variable. Elle a donc pour objet un dispositif de mesure des amplitudes de vibration d'organes tournants de machines, comportant monté sur le stator de la machine, en regard d'un repère de l'arbre de la machine, un premier générateur d'impulsions, réagissant au repère de l'arbre de la machine, dont la sortie est raccordée électriquement à travers un premier conformateur d'impulsions mettant en forme déterminée les impulsions du premier générateur et un bloc de balayage horizontal branchés en série à des plaques de déviation horizontale d'un tube cathodique ; monté en regard de repères de l'arbre, qui se trouvent dans le même plan que les organes tournants, lorsque ces derniers ne vibrent pas, et dont la quantité est égale au nombre d'organes tournants, un second générateur d'impulsions raccordé électriquement à travers un second conformateur d'impulsions mettant en forme déterminée les impulsions du second générateur, un bloc de retard des impulsions provenant de la sortie du second conformateur et un bloc de balayage vertical branchés en série, à des plaques de déviation verticale du tube cathodique, et monté en regard des organes tournants, un troisième générateur d'impulsions, réagissant aux organes tournants, dont la sortie est raccordée électriquement à travers un troisième conformateur mettant en forme déterminée les impulsions du troisième générateur, au wehnelt du tube cathodique sur l'écrou duquel est formé un réseau qui se compose de lignes verticales, dont le nombre est égal au nombre d'organes tournants mesurés et sur chaque ligne du réseau s'allume un spot ponctuel dont l'allumage est déterminé par le moment du passage de l'organe tournant correspondant devant le troisième générateur d'impulsions et qui, en cas de vibration, devient une ligne, dont la longueur est proportionnelle à l'amplitude de vibration de l'organe tournant, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte en outre un convertisseur de la fréquence d'impulsions en un signal proportionnel à cette fréquence, dont l'entrée est raccordée à la sortie de l'un des conformateurs d'impulsions mettant en forme déterminée les impulsions d'un générateur, tandis que le bloc de retard des impulsions provenant de la sortie du second conformateur, le bloc de balayage horizontal et le bloc de balayage vertical sont réalisés sous la forme de générateurs de signaux en dents de scie avec une vitesse commandée de croissance du signal en dents de scie, qui comprennent des entrées de commande de la vitesse de croissance du signal en dents de scie raccordées à la sortie du convertisseur de la fréquence des impulsions en un signal proportionnel à cette fréquence. L'avantage du dispositif proposé réside dans la possibilité de mesurer les amplitudes de vibration en cas de variation de la vitesse de rotation de l'arbre. En outre, ce dispositif présente un poids réduit, un faible encombrement, et son entretien et son utilisation sont aisés. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans les quels la Fig. I montre le schéma synoptique d'un dispositif de mesure des amplitudes de vibration des organes d'une machine tournant avec l'arbre de la machine, suivant l'invention la Fig. 2 est un schéma de principe du convertisseur de la fréquence des impulsions en un signal proportionnel à la fréquence du dispositif de mesure des amplitudes de vibration d'organes tournants d'une machine, suivant l'invention ;; la Fig. 3 montre le schéma de principe du générateur de signal en dents de scie à vitesse commandée de croissance du signal en dents de scie du dispositif de mesure suivant l'invention les Fig. 4a et 4b représentent les diagrammes de la variation dans le temps du signal de sortie du générateur de signal en dents de scie à vitesse commandée de croissance du signal en dents de scie, suivant l'invention, lors du fonctionnement du dispositif de l'invention a > dans le bloc de retard b > dans les blocs de balayage 3 horizontal et vertical. On considère le dispositif de mesure des amplitudes de vibration d'organes tournants de machines en prenant comme exemple la mesure de la vibration des palettes d'une turbine I (Fig. 1), comportant un stator 2 lié par des paliers 3 à un arbre 4. Sur l'arbre 4 sont disposées des palettes vibrantes 5, qui constituent les organes tournants de la turbine 1. Sur cet arbre 5 se trouvent également des repères 6, qui sont fixes par rapport aux palettes vibrantes 5, et un repère 7 de l'arbre 4 de la turbine 1. En regard du repère 7 de l'arbre 4 sur le stator 2 est disposé un générateur d'impulsions 8 qui réagit au repère 7 de l'arbre 4 de la turbine 1 et qui se présente sous la forme d'un enroulement (non représenté) avec un noyau.En regard des repères 6, dont le nombre est égal au nombre de palettes 5, également sur le stator 2, se trouve un générateur d'impulsions 9, qui réagit aux repères 6 fixes par rapport à la vibration des organes tournants et qui est réalisé de la même manière que le générateur 8. Un générateur 10, qui réagit aux organes tournants est réalisé de la même façon que les autres précités et est placé sur le stator 2 en regard des palettes 5 de la turbine 1. La sortie du générateur 8 est raccordée à l'entrée d'un conformateur d'impulsions 11, qui donne aux impulsions du générateur 8 une forme déterminée, et qui est réalisé selon un schéma connu.La sortie du conformateur 11 est raccordée à l'entrée d'un convertisseur 12 de lafré- quence d'impulsions en un signal proportionnel à cette fréquence, et à l'entrée d'un bloc 13 de balayage horizontal. La sortie du générateur 9 est raccordée à l'entrée d'un conformateur d'impulsions 14 qui donne aux impulsions du générateur 9 une forme déterminée. La sortie du conformateur 14 est raccordée à l'entrée d'un bloc 15 de retard dns impulsions provenant de la sortie du conformateur 14. La sortie du bloc de retard 15 est raccordée x l'entrée d'un bloc 16 de balayage vertical.La sortie du générateur 10 est raccordée à l'entrée d'un circuit conformateur d'impulsions 17, qui donne aux impulsions venant du générateur 10 une forme déterminée et qui est raccordé électriquement, à travers un convertisseur 18 des signaux de fonte déterminée en signaux courts réalisé selon un schéma connu, au wehnelt M d'un tube cathodique 19. La sortie du convertisseur 12 de la fréquence d'impulsions en un signal proportionnel à cette fréquence est raccordée à travers un conducteur 20 aux entrées de commande des blocs 13, 15, 16 et les sorties des blocs 13 et 16 sont raccordées respectivement aux plaques de déviation horizontale et aux plaques de déviation verticale A et B du tube cathodique 19. L'entrée du convertisseur 12 peut être raccordée à la sortie du conformateur 14, comme à la sortie du conformateur 17.Un bloc d'alimentation 21 est raccordé respectivement aux conformateurs 11, 14 et 17, aux blocs 13, 15 et 16 et aux convertisseurs 12 et 18, ainsi qu'au tube cathodique 19. Le convertisseur 12 de la fréquence d'impulsions en un signal proportionnel à cette fréquence, représenté sur la Fig. 2, est réalisé selon un schéma connu de basculeur comportant des transistors 22 et 23, des résistances 24, 25, 26 et un condensateur 27, et raccordé à travers une diode 28 à un élément intégrateur qui se compose d'un condensateur d'emmagasinage 29 et d'une résistance 30. Le bloc 13 de balayage horizontal, le bloc 15 de retard des impulsions provenant de la sortie du conformateur 14 et le bloc 16 de balayage vertical sont réalisés selon un montage connu de générateur de signal en dents de scie avec une vitesse commandée de croissance du signal en dents de scie et sont représentés sur la Fig. 3. Ce générateur se compose d'un générateur de courant comportant des transistors 31 et 32 et une résistance 33, ainsi que d'un condensateur 34 et d'un transistor 35 fonctionnant en ré- gime de commutateur. La base du transistor 32 est raccordée à une borne 36 se trouvant à un potentiel positif, la base du transistor '5 est raccordée à une borne 37 et l'émetteur du transistor 35 est raccordé à une borne 38. A la sortie du bloc 15 est monté un rouble élément de différentiation non représenté. Les Fig. 4a et 4b représentent les diagrammes de la variation en fonction du temps du signal de sortie (de la tension) de ce générateur de signal en dents de scie avec une vitesse commandée de croissance du signal en dents de scie la Fig. 4a illustre le fonctionnement dans le bloc de retard 15 la Fig. 4b illustre le fonctionnement dans les blocs 13 et 16 de balayage horizontal et de balayage vertical. L'axe des abscisses représente le temps (t), l'axe des ordonnées, la tension (U). On considère le fonctionnement du dispositif de mesure des amplitudes de vibration d'organes tournants d'une machine, suivant l'invention. Lorsque l'arbre 4 de la turbine 1 tourne (Fig. 1) au moment ou le repère 7 passe devant le générateur 8, ce dernier débite une impulsion électrique qui attaque l'entrée du conformateur 11. L'impulsion standard formée attaque l'entrée du bloc 13 de balayage horizontal dont le signal de sortie en dents de scie est envoyé aux plaques de déviation horizontale A du tube cathodique 19 et ce signal détermine une ligne horizontale sur l'écran du tube cathodique 19. Au cours d'une révolution de l'arbre 4 tous les repères 6 passent devant le générateur 9, qui réagit en émettant une impulsion électrique à chaque repère 6. Ces impulsions attaquent, à travers le conformateur 14, l'entrée du bloc de retard 15, à la sortie duquel les impulsions retardées sont envoyées à l'entrée du bloc 16 de balayage vertical. A la sortie de ce dernier les impulsions en dents de scie correspondant à chaque repère 6 sont envoyées aux plaques de déviation verticale B du tube cathodique 19 et chaque signal en dents de scie forme une ligne verticale. En résultat sur l'écran du tube à rayons cathodiques 19 apparat t un réseau qui se compose de lignes verticales dont le nombre est égal au nombre de repères 6, et par conséquent, au nombre de palettes 5. Au moment du passage des palettes vibrantes 5 devant le générateur 10 celui-ci débite des impulsions qui sont envoyées à travers le conformateur 17 et le convertisseur 18 des t ul- sions de forme déterminée en signaux courts, au wehnelt M du tube cathodique 19. Alors sur l'écran du tube 19 apparaissent des spots lumineux, dont le nombre est égal au nombre de palettes 5. En choisissant le retard du bloc 15 on amène tous ces spots sur les lignes verticales correspondantes. En absence de vibrations les spots apparaissent aux mêmes endroits des lignes correspondantes auprès chaque tour de l'arbre 4, car le fonctionnement des balayages horizontal et vertical est détermine par les moments de passage des repères 7 et 6.A partir du moment de l'apparition d'une vibration des palettes 5, les points lumineux après chaque tour de l'arbre 4 apparaissent en des endroits différents de la ligne correspondante en traçant des lignes lumineuses dont la longueur est proportionnelle à l'amplitude de vibration de la palette 5 correspondante. Lors de la variation de la vitesse de l'arbre 4 la fréquence des impulsions attaquant l'entrée du convertisseur 12 varie. Alors à partir du collecteur du transistor 23 (Fig. 2) les impulsions de durée et d'amplitude standard attaquent à travers la diode 28 l'entrée de l'élément intégrateur, de sorte que sur le conducteur 20 apparaît une tension proportionnelle à la fréquence des impulsions, c' est-à-dire proportionnelle à la vitesse de l'arbre 4 (Fig. 1). Lorsque cette tension, qui attaque à travers le con-ducteur 20 (Fig. 3) la base du transistor 31 des blocs 13, 15 et 16 varie, le courant de charge du condensateur 34 varie proportionnellement, ce qui est assuré grâce à la forte réaction du générateur de courant à transistors 31 et 32, due au montage en cascade de ces derniers et du fait que la résistance 33 est insérée dans le circuit de l'émetteur du transistor 31. Ainsi le courant de charge du condensateur 34, et par conséquent, la vitesse de variation de la tension sur celuici, sont proportionnels à la vitesse de l'arbre 4 (Fig. 1). Des impulsions correspondant aux repères 6 et 7 attaquent alors en permanence la base du transistor 35 par la borne 37. Aux moments de l'application des impulsions le transistor 35 est débloqué et le condensateur 34 est déchargé, de sorte que sur la borne 38 apparat un signal en dents de scie. Lorsqu'unie impulsion arrive à la base du transistor 35 (Fig. 3) avant que les potentiels du collecteur et de la base du transistor 32 deviennent égaux, la durée du signal en dents de scie à la borne 38 est déterminée par la période des impulsions qui arrivent (Fig. 4b). Si l'impulsion arrive à la base du transistor 35 (Fig. 3) après l'égalisation des potentiels de la base et du collecteur du transistor 32, la durée du signal en dents de scie est déterminée par la vitesse de charge du condensateur 34 et par la valeur du potentiel positif à la borne 36 du transistor 32 (Fig. 4a). Les régimes du bloc 13 de balayage horizontal sont tels, qu'à sa sortie (sur borne 38) apparaissent des signaux tels que ceuxreprésentés sur la Fig. 4b. Ici, l'amplitude du signal en dents de scie est directement proportionnelle à la vitesse de variation de la tension aux bornes du condensateur 34 (Fig. 3) et à la période des impulsions appliquées.Mais, comme indiqué plus haut, la vitesse de variation de la tension est inversement proportionnelle à cette période et il en résulte que l'amplitude du signal en dents de scie s' avère indépendante de la variation du nombre de tours de l'arbre 4 (Fig. l) par unité de temps, tandis que la dimension du balayage horizontal nz varie pas. Les régimes de fonctionnement du bloc de retard 15 sont tels que sa sortie (borne 38, Fig. 3) apparaissent des signaux tels que ceux représentés sur la Fig. 4a. Alors la durée du signal en dents de scie est inversement proportionnelle à la tension de commande sur le conducteur 20 (Fig. 1), et par conséquent, à la vitesse de l'arbre 4, tandis que le retard est égal à la durée du signal en dents de scie. Les impulsions retardées de la sortie du bloc 15 de retard attaquent l'entrée du bloc 16 de balayage vertical, qui fonctionne de façon analogue à celle du bloc 13 de balayage horizontal en-assurant l'indépendance de l'amplitude du signal en dents de scie par rapport à la variation de la vitesse de rotation de l'arbre4c'est-à-dire, l'invariance du balayage vertical. Sur l'écran du tube à rayons cathodiques est donc maintenue une image stable qui permet d'apprécier avec précision et sans erreurs la valeur de la vibration grâce à la synchronisation des balayages et de la variation de la vitesse de rotation de l'arbre 4. Le dispositif proposé pour la mesure des amplitudes de vibration d'organes tournants de machines peut être utilisé là où il faut mesurer une vibration indépendamment de la variation de la vitesse de rotation de l'arbre et en particulier, sur les turbines et les compresseurs lorsqu'on mesure les amplitudes de vibration de leurs palettes. Outre l'encombrement et le poids réduits et la facilité d'entretien du dispositif proposé, celui-ci permet de mesurer l'amplitude de la vibration directement sur l'écran d'un tube cathodique gradué en unités de variation de l'amplitude indiquée et de fixer ces amplitudes à l'aide d'un appareil photographique ordinaire. REVENDICATION Dispositif pour mesurer les amplitudes de vibration d'organes tournants de machines, dans lequel sur le stator de la machine, en regard d'un repère de l'arbre de la machine, est disposé un premier générateur d'impulsion, réagissant au repère marbre de la machine, et dont la sortie est raccordée électri liement, à travers un premier conformateur d'impulsions mettant en une forme déterminée les impulsions dudit générateur et un bloc de balayage horizontal branchés en série avec des plaques de déviation horizontale d'un tube cathodique, en regard de repères de l'arbre se trouvant dans le même plan que les organes tournants en l'absence de vibration de ces derniers, et dont le nombre correspond au nombre d'organes tournants, est disposé un second générateur d'impulsions réagissant à ces repères, dont la sortie est raccordée électriquement, à travers, un second conformateur d'impulsions mettant en une forme déterminée les impulsions du second transmetteur, un bloc de retard des impulsions provenant du conformateur et un bloc de balayage vertical branchés en série, avec des plaques de déviation verticales du tube cathodique, et en regard des organes tournants est disposé un troisième générateur d'impulsions réagissant aux organes tournants, dont la sortie est raccordée à travers un troisième conformateur d'impulsions, mettant en une forme déterminée les impulsions du troisième générateur, au wehnelt du tube cathodique sur l'écran duquel est formé un réseau optique qui se compose de lignes verticales dont le nombre est égal au nombre d'organes tournants, un spot lumineux déterminé par le moment de passage de l'organe tournant correspondant devant le troisième générateur d'impulsions et apparaissant sur chaque ligne et se transformant en liane de présence d'une vibration, la longueur de cette ligne étant proportionnelle à l'amplitude de la vibration de l'organe tournant, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte un convertisseur de la fréquence des impulsions et un signal proportionnel à cette fréquence, dont l'entrée est raccordée à la sortie de l'un des conformateurs d'impulsions mettant en une forme déterminée les impulsions du générateur correspondant, tandis que le bloc de retard des impulsions provenant de la sortie du second conformateur, le bloc de balayage horizontal et le bloc de balayage vertical sont réalisés sous la forme de générateurs de signal en dents de scie avec une vitesse commandée de croissance du signal en dents de scie, possédant des entrées de commande de la vitesse de croissance du signal en dents de scie, qui sont raccordées à la sortie du convertisseur de la fréquence des impulsions en un signal proportionnel à cette fréquence.