Brevet FR2362400A1 — publié le 19780317

La présente invention concerne un dispositif de mesure de la vitesse de rotation d'un arbre entrainé généralement par un moteur. Elle concerne également le contrôle de cette vitesse et celui de ses variations. Bien que la connaissance de la vitesse de rotation d'un arbre ne soit pas spécialement liée à un domaine particulier, les applications envisagées dans le cadre de la présente invention et qui touchent plus particulièrement au domaine nucléaire et dans ce domaine aux arbres d'entraînement des pompes d'alimentation en eau de refroidissement, bien que non exclusivement, requièrent de ce dispositif un fonctionnement très rapide et des résultats très précis, nécessaires pour prendre à partir d'eux et immédiatement des décisions importantes. Une telle précision élimine les dispositifs de mesure utilisant des transmetteurs électriques tels que dynamos et alternateurs pour lesquels l'adaptation mécanique à l'arbre considéré entrain a priori une imprécision venant s'ajouter à celle du transmetteur lui-mme. Sur le plan de la précision, dans la détection de la rotation de 11 arbre concerné, le problème peut être résolu avec des capteurs électroniques ou détecteurs de proximité qui ntétant pas en liaison mécanique avec l'arbre dont ils doivent aider à déterminer la vitesse n'apportent aucune imprécision. la précision de la mesure ne dépend alors plus que du traitement fait en aval, des informations données par le capteur. Ces détecteurs sont de deux types, les détecteurs magnétiques et les détecteurs inductifs. Un détecteur magnétique est généralement constitué par une bobine contenant soit un noyau de ferrite soit un aimant permanent. Lorsqu'une pièce métallique passe devant ce détecteur, elle provoque des variations de champ dans 1 'enroulement, engendrant une force électromotrice d'induction créant des impulsions. Un tel détecteur, simple et robuste, peut Etre utilisé dans une plage de température s'étendant approximativement de - 400 à + 125O C. Dans un détecteur inductif, l'élément sensible est une bobine faisant partie d'un oscillateur à éléments semiconducteurs. En l'absence d'influence extérieure, la bobine est le siège d'oscillations permanentes. Cependant lorsqu'une pièce métallique est placée devant la bobine de réaction de l'oscillateur, celui-ci se bloque et le courant de sortie est modifié. On obtient un signal modulé à la fréquence de passage de l'objet métallique. On trouve actuellement des détecteurs inductifs pouvant fonctionner comme ceux du type magnétique dans une même-plage de température et dans un environnement humide grâce à leur étanchéité. La pièce métallique à laquelle il est fait référence pour créer la perturbation donnant naissance aux impulsions qui seront détectées, est une dent ou une série de dents montées sur arbre dont on veut déterminer la vitesse de rotation. La précision avec laquelle le dispositif doit fonctionner dépend donc des circuits de traitement des informations délivrées par le capteur, en l'occurrence, suivant l'invention, le magnétique qui est retenu plus particulièrement, comme peu susceptible d'entre altéré par le milieu dans lequel s'effectue la mesure. En effet, le détecteur inductif ne peut etre utilisé avec garantie de bon fonctionnement dans une ambiance radioactive. Suivant l'art antérieur, un dispositif de mesure de la vitesse de rotation d'un arbre comporte un détecteur du passage des dents montées sur l'arbre dont on veut déterminer la vitesse. Ce détecteur alimente un compteur qui compte le nombre des passages pendant un temps déterminé à l'avance, donné par un générateur de base de temps qui, connecté au couplevr,l'arrte au bout du temps déterminé. Un dispositif de ce genre n'est pas utilisable dans le cadre de la présente invention où une précision de l'ordre du pour mille est demandée. De fait pour obtenir une précision importante, il faut augmenter le nombre des dents, nombre qui est limité de par la valeur du diamètre de l'arbre et la vitesse de rotation de 11 arbre étant supposée grande, la mesure doit s'effectuer sur un temps long ce qui 'est pas admissible dans le cadre de l'invention-où les résultats des mesures doivent être connus rapidement. De plus et suivant l'invention également, il est nécessaire de contrôler cette vitesse de rotation de l'arbre et d'en étudier les variations. Dans le système de l'art antérieur, cette détermination de la variation se fait par le calcul à partir des valeurs de vitesses données par le dispositif. L'objet de la-présente invention est un dispositif de mesure de la vitesse de rotation d'un arbre donnant rapidement et avec précision la vitesse de rotation d'un arbre entraîné par un moteur ainsi que le contrôle de cette vitesse et celui de ses variations, tout ceci étant déterminé en temps réel, c'est-à-dire au fur et à mesure de l'arrivée des données, échappant de ce fait aux inconvénients et aux limitations du dispositif relevant de l'art antérieur. Suivant l'invention, le dispositif comprend principalement un moyen capable de détecter le passage d'une seule dent montée sur l'arbre dont on veut mesurer la vitesse de rotation et contrôler l'évolution de cette vitesse et également ses variations pour chaque rotation, un dispositif de mise en phase d'impulsions dthorloge avec celles délivrées par le moyen de détection et des moyens de comptage desdites impulsions entre deux passages de ladite dent devant le moyen de détection, mesurant de la sorte le temps mis par l'arbre pour effectuer une rotation, une unité de calcul déterminant la vitess de l'arbre à partir des données enregistrées dans lesdits moyens de comptage, des comparateurs affichant des seuils déterminés et les comparant aux données délivrées par lesdits moyens de couplage pour contrôler la vitesse dudit arbre, des moyens de comptage-décomptage déterminant la différence des temps mis par l'arbre pour effectuer deux rotations successives connectés auxdits moyens de comptage, un multiplicateur affichant une valeur en pourcentage prédéterminé de variation de ladite vitesse et un comparateur comparant la variation de la vitesse de l'arbre rotation par rotation audit pourcentage et des moyens d'action commandés par les signaux issus des moyens de comparaison. D'autres caractéristiques de l'invention ainsi que divers avantages apparaîtront au cours de la description qui suit d'un exemple de réalisation, donné à l'aide des figures qui représentent - la figure 1, le dispositif suivant l'invention - la figure 2, la matrice de fonctionnement de l'unité de calcul et - la figure 3, un schéma de l'unité de calcul. Ainsi que cela ressort de l'introduction de la présente description, le dispositif de mesure de la vitesse de rotation d'un arbre, le contrôle de cette vitesse et le contrôle des variations de cette vitesse se démarque de l'art antérieur, par une précision qui doit entre importante au moins de l'ordre du pour mille, pour une rapidité dans l'exécution des mesures et des contrôles qui doit etre grande, dû principalement au fait que ces dispositifs sont utilisés dans un domaine où les données qu'ils délivrent peuvent déterminer des prises de décision et des actions résultantes qui doivent être exécutées rapidement eu égards principalement aux dangers qui peuvent être encourus si ces décisions et actions qui en résultent ne sont pas prises, quand elles s'avèrent nécessaires.Ce domaine est principalement le domaine nucléaire. La figure 1 représente un diagramme schématique du dispositif selon l'invention dont la partie principale se résume à une mesure de temps à partir de laquelle sont délivrées les fonctions qu'il doit remplir. Be dispositif suivant l'invention comporte principalement comme organe d'entrée, un capteur 2 détectant les passages successifs devant lui d'une dent ou ergot 1, fixé sur l'arbre A dont dont on veut mesurer la vitesse de rotation, la contrôler et en contrôler les variations. De la sorte, le temps qui s'-écoule entre deux passages successifs de la dent 1 devant le capteur 2, détermine celui d'un tour de l'arbre ou dtune rotation. Be capteur 1 qui délivre une impulsion à chaque passage de la dent 1 devant lui est connecté à un circuit 3 de mise en phase, connecté également à une horloge H délivrant des impulsions à une fréquence donnée choisie en accord avec les impératifs auxquels le dispositif doit satisfaire. En parallèle sur ce circuit de mise en phase 3 se trouve un circuit bistable 4 alimenté par les impulsions venant du capteur 2. Chaque sortie du circuit bistable 4 est connectée à une entrée d'un circuit ET, 5 et 6 dont les deuxièmes entrées sont connectées respectivement à la sortie du circuit de mise en phase 3. Bes sorties des circuits ET 5 et 6 alimentent respectivement des compteurs 7, 8 et 9. Parmi eux, les compteurs 8 et 9 sont alimentés alternativement-par le circuit de mise en phase 3 et leur contenu est systématiquement comparé à des valeurs de seuils affichées dans des comparateurs 10 - 11. es seuils sont déterminés par roues codeuses par exemple 12 - 13, qui à travers un circuit OU 18 sont transmis à l'unité de calcul 15 qui les transforme en valeurs codées en temps et les met en mémoire respectivement dans les circuits 120 et 130 connectés aux comparateurs 10 et 11. La liaison entre les comparateurs 10 - il et les compteurs 8 - 9 se fait à travers un commutateur 14. Be compteur 7 en parallèle sur le compteur 8 - 9 se fait à travers un commutateur 14. Be compteur 7 en parallèle sur le compteur 8 est connecté à une unité de calcul 15 dont les opérations sont déclenchées par les impulsions du capteur, passant a' travers un cadenceur 16. Un dispositif d'affichage 17 est prévu en sortie de l'unité de calcul. Be fonctionnement de la partie du dispositif qui vient d'entre décrite et qui touche plus particulièrement à la mesure de la vitesse est le suivant. Le capteur 2 détecte le passage de la dent 1 disposée sur l'arbre tournant et au premier passage de ladite dent une impulsion est délivrée par le capteur au circuit bistable 4 qui, suivant l'état de ses sorties Q et Q, autorise le passage vers les compteurs des impulsions d'horloge H qui sont préalablement mises en phase dans le circuit 3 connecté également au capteur 2. Suivant donc l'état des sorties du circuit bistable 4, les compteurs 7 et 8 ou 9 sont alimentés à travers les portes ET 5 et 6 respectivement.Un sélecteur 14 permet de comparer les contenus des compteurs 8 et 9 qui sont proportionnels au temps mis par l'arbre pour effectuer une rotation, à deux valeurs dites de seuil, introduites dans les comparateurs 10 et Il sous forme numérique, ces seuils étant établis à partir des circuits 12 et 13 qui peuvent être constitués par des roues codeuses comme dit ci-dessus. Ces seuils définissent dans l'exemple choisi, des vitesses par exemple minimale et maximale que 1' arbre ne doit pas franchir. Lorsque le contenu d'un des compteur ou des deux dépasse un seuil, le comparateur délivre un signal qui provoque une action appropriée, par exemple, l'arrêt du moteur d'entrainement de l'arbre où son accélération ou son ralentissement suivant le cas. On réalise de ce fait un contrôle de la vitesse de rotation de l'arbre considéré. Be contenu du compteur 7 lui, est transmis à une unité de calcul 15 où l'on procède au calcul de la vitesse de l'arbre, à partir de l'évaluation du temps qui s'est écoulé entre les passages successifs devant le capteur 2 de la dent 1 montée sur l'arbre considéré. Be nombre des impulsions en provenance de l'horloge H qui sont emmaga- sinées dans le compteur pendant la durée d'une rotation de l'arbre, la première impulsion débloquant le bistable 4 qui connecte le compteur 7 au circuit de mise en phase 3, la seconde impulsion venant du capteur bloquant le bistable qui bloque le compteur 7, entraxe 11 exécution par l'unité de calcul de l'opération V = 1t x 60, V étant la vitesse de rotation cherchée de l'arbre considéré en tours par minute, et t le temps mis par l'arbre pour effectuer cette rotation. Un circuit 16 connecté à la sortie Q du circuit bistable 4 commande le déroulement des opérations dans l'unité de calcul. Ce circuit n'est pas décrit dans le détail, car il ne fait pas partie de l'invention. Un dispositif d'affichage 17 n'offrant pas de particularités marquantes et donc non décrit affiche les valeurs des itesses calculées. Unité de calcul prévue suivant l'invention est d'un type connu utilisé par exemple dans les calculatrices dites de poche et dont les caractéristiques sont rappelées dans ce qui suit - capacité 8 chiffres 1 2 - fonctions arithmétiques telles que : + ; - ; x ; x x - fonctions logar-ithmiques - fonctions trigonométriques - virgule flottante en entrée et en sortie - trois registres opérationnels- - un registre mémoire - indication fin de calcul sur front montant d'un signal "Prêt" (en angiais ready). Cependant, suivant l'invention, seules seront utilisées les fonctions entrée, mémoire et 1/x. On rappellera cependant au point de vue fonctionnement, dans le cadre de l'invention, qu'une opération ou une "entrée chiffre" est perçue par l'unité suite à la présence d'un signal sur une entrée appelée Ei, en synchronisme avec un signal sortie chiffre suivant la matrice représentée figure 2. L'opération 1/x nécessaire pour le calcul de la vitesse de l'arbre, sera déterminée par Irétablissement de la liaison entre la ligne marquée Dl et la colonne marquée K2. Cette opération est réalisée de façon connue à l'aide de deux circuits de multiplexage logiques affectés l'un à une ligne et l'autre à la colonne. La figure 3 représente sous la forme d'un circuit, la matrice de la figure 2. On a ainsi décrit la partie mesure de la vitesse d'un arbre et son contrôle entre des limites déterminées. On notera sur la figure 1 la présence de connexions 19 et 190 qui procèdent aux remises à zéro respectives des compteurs 7 et 8 d'une part et 9 d'autre part chaque fois qu'un des compteurs a été utilisé. Suivant l'invention, le dispositif de la figure 1 doit contrôler également la variation de la vitesse de rotation de l'arbre, qui suivant le cas dans le domaine préférentiel d'utilisation du dispositif, entrain une action, qui généralement se traduit par l'arrêt de l'installation principalement si elle est utilisée dans le domaine nucléaire, action qui doit etre entreprise dès que la variation de cette vitesse dépasse un pourcentage prédéterminé, Ce contrôle de la variation de la vitesse de 11 arbre consiste à effectuer, en temps réel et à chaque rotation de l'arbre moteur considéré, la différence entre les vitesses de rotation de l'arbre.On considère deux moments successifs, t1 et t2 représentant des temps correspondant respectivement à une nième et (n+1 )ième rotation. La variation de la vitesse de rotation en pourcentage, ledit pourcentage étant représenté par la lettre X, est donnée par la formule d'où l'on déduit X t2 = t2 - tl. Bes circuits permettant le contrôle des variations de la vitesse de rotation de l'arbre sont un compteur-décompteur 21 alimenté par les contenus respectifs des compteurs 8 et 9 qui sont mis en opération alternativement à chaque rotation de l'arbre et un circuit 25, connu sous le sigle anglo-saxon BOD.RM (Binary coded decimal, rate multiplier) délirant en sortie un nombre d'impulsions proportionnel au nombre des impulsions comptées le facteur de proportionnalité soit I-étant un pourcentage. Ce pourcentage est donné par un circuit 26 pouvant dextre constitué par des roues codeuses délivrant la valeur du pourcentage affichée sous forme numérique.Ce circuit 25 est connecté à un circuit 27 affichant la valeur du pourcentage désiré, connecté à un comparateur 24 recevant le résultat du comptagedécomptage effectué dans le compteur-décompteur 21. 1e fonctionnement de cet ensemble de circuits est le suivant. l'es compteurs 8 et 9 recevant successivement les impulsions d'horloge mise en phase dans le circuit 3, pour une rotation de l'arbre considéré A alimentent successivement à travers le circuit OU 20, le compteur-décompteur 21, dont la commande de décomptage est contrôlée par la sortie Q du circuit bistable 4 par exemple. l'e circuit 21 est ainsi en position de comptage pour les impulsions provenait du compteur 8 et correspondant au temps ti et en position de décomptage pour les impulsions provenant du compteur 9 correspondant au temps t2. Ce circuit 21 détermine de la sorte et emmagasine la valeur absolue de la différence ti - t2.Simultanément, le pourcentage X donné par le circuit 26 qui doit titre considéré comme une limite pour la variation de la vitesse de l'arbre est introduit dans le circuit multiplicateur 25 connecté à la sortie du compteur 9, circuit qui réalise le produit Xt2. Le comparateur 24 connecté d'une part au circuit 27 affichant Xt2 et d'autre part au compteur-décompteur 21 affichant l'expression t2 - t1 , délivre un signal, par exemple si la variation de vitesse de l'arbre est supérieure au pourcentage Xt2 affichée. Dans les installations nucléaires considérées, ce signal commande un arrêt immédiat de l'installation par exemple, par ltinter médiaire d'un circuit bistable 28. On notera que dans ce qui précède, si l'on veut contrôler la variation de vitesse à chaque rotation de l'arbre, la partie de la figure 1 qui est concernée est doublée ce qui est montré par l'ensemble des circuits 32, doublant l'ensemble 31. On a ainsi décrit un dispositif de mesure de la vitesse d'un arbre, de contrôle de cette vitesse et de contrôle de sa variation dans le temps caractérisé particulièrement par une rapidité importante des opérations que ledit dispositf exécute, permettant, suivant les résultats obtenus qui sont comparés à des données fixes, de prendre des décisions immédiates, immédiatement exécutoires et inté réssant ltensemble de l'installation dans laquelle le dispositif suivant l'invention est monté. REVENDiCAT IONS 1. Dispositif de mesure de la vitesse de rotation d'un arbre, du contrôle de cette vitesse ainsi que du contrôle de ses variations, comportant un capteur détectant le passage devant lui de dents fixées sur ledit arbre et délivrant une impulsion à chaque passage d'une dent, une source d'impulsions d'horloge et des moyens de comptage desdites impulsions, caractérisé par le fait que les moyens de comptage (7-8-9) sont connectés à la source d'impulsions d'hor- loge (H) pendant la durée d'une rotation complète dudit arbre (A), le capteur (2) délivrant une impulsion d'ouverture desdits moyens dè comptage lors du premier passage d'une dent (1) fixée audit arbre et une impulsion de fermeture lors du second passage de ladite dent devant lui, le nombre des impulsions d'horloge enregistrées dans les moyens de comptage étant proportionnel au temps mis par l'arbre pour effectuer une rotation complète et des moyens étant prévus connectés auxdits moyens de comptage et effectuant la mesure de la vitesse de rotation dudit arbre, le contrôle de cette vitesse et celui de ses variations, à partir dudit temps de rotation. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un circuit de mise en phase (3) connecté d'une part à la source des impulsions d'horloge (H) et d'autre part au capteur (2), ledit circuit étant connecté aux moyens de comptage (7-8-9) à travers les circuits ET (5-6) connectés au capteur (2) à travers un circuit bistable (4) et des impulsions d'horloge étant enregistrées alternativement pour deux rotations complètes successives de 11 arbre (A) dans deux compteurs (8-9). 3. Dispositif suivant les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'un troisième compteur (7) est prévu, monté en parallèle sur l'un des compteurs précédents et dont la sortie est connectée à une unité deEcalcul (15) effectuant le calcul de la vitesse de rotation dudit arbre (), sous la commande d'un circuit cadenceur (16), un circuit d'affichage (17) étant connecté à la sortie de ladite unité de calcul (ils). 4. Dispositif suivant les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre au moins un comparateur (io-ii) connecté à un circuit (12-13) établissant un seuil correspondant à une valeur de vitesse de rotation prédéterminée, ledit comparateur (10-11) étant connecté aux moyens de comptage (8-9) et commandant une action pour un résultat déterminé de ladite comparaison. 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comporte deux comparateurs (10 et 11) connectés chacun à un circuit (12-13) établissant un seuil correspondant à une valeur prédéterminée de vitesse de rotation, un circuit sélecteur (14) à au moins deux bornes connectées respectivement à la sortie des compteurs (8-9), la vitesse de rotation de l'arbre (A) étant à chaque rotation comparée aux valeurs des seuils pré-établis. 6. Dispositif suivant les revendications i et 2, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre au moins un moyen de comptage-décomptage (21) connecté aux sorties des compteurs (8 et 9) donnant le temps mis par 11 arbre (A) pour effectuer une rotation et commandé par le circuit bistable (4), et délivrant en valeur absolue un signal proportionnel à la différence des temps mis par l'arbre pour effectuer delcx rotations successives complètes. 7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un circuit multiplicateur (25) connecté d'une part à la sortie d'un des compteurs (8-9) et d'autre part à un circuit (26) établissant une valeur déterminée, ledit circuit multiplicateur (25) délivrant un signal proportionnel à un pourcentage déterminé du temps mis par 1 l'arbre pour effectuer une rotation complète 8. Dispositif suivant les revendications 6 et 7, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un circuit comparateur (24) connecté d'une part audit circuit multiplicateur (25) et audit moyen de comptage-décomptage (21), l'ensemble comprenant lesdits circuits comparateur (24), multiplicateur (25) et compteur-décompteur (21) constituant un dispositif de contrôle des variations de la vitesse de rotation dudit arbre. 9. Dispositif suivant l'ensemble des revendications 6, 7 et 8, caractérisé par le fait qu'il comprend un deuxième dispositif (B2) de contrôle des variations de la vitesse de rotation dudit arbre, autorisant ledit contrôle à chaque rotation complète de l'arbre (A). 10. Dispositif de mesure de la vitesse de rotation d'un arbre de pompe de refroidissement d'une installation nucléaire, de contrôle de cette vitesse et du contrôle de ses variations, caractérisé par le fait qu'il est conforme à l'ensemble des revendications 1 à 9.