Brevet FR2428822A1 — publié le 19800111

L'invention concerne la transmission d'informations entre deux pièces en rotation relative. Ce problème se pose fréquemment, notamment lorsqu'on désire mesurer des températures ponctuelles sur des rotors de machine tournante, et transmettre les températures ainsi mesurées à la partie fixe du stator de la machine. Une première solution connue consiste à utiliser simplement les caractéristiques de fonctionnement de la machine tournante. On déduit la température du rotor de la résistance mesurée à partir du courant et de la tension d'excitation. Ce mode de mesure ne donne qu'une température moyenne du circuit inducteur incorporé au rotor, et n'est évidemment pas applicable au rotor du type cage d'écureuil. D'autres solutions utilisent des mesures par thermocouple, transmises à l'aide de contacts glissants, constituant un collecteur tournant. Ce procédé est imprécis du fait des tensions résiduelles erratiques existant au niveau du contact mobile, et que ce contact mobile est lui-même de durée fixe faible. De surcroît, dans le cas de machine dont l'arbre est de grand diamètre, la solution est impraticable du fait d'une vitesse périphérique trop élevée. On sait également utiliser des moyens de télémesures. Assez complexe, cette solution est très performante, mais de sa complexité résulte une durée de vie probable assez faible. De surcrort, ce procédé est inadapté lorsqu'on désire effectuer une mesure de température de précision moyenne, car il ne correspond pas aux besoins limités quant à la précision. On connatt encore des oscillateurs dont la fréquence d'oscillation est sensible à la température. Le rayonnement électromagnétique émis par un tel oscillateur placé au niveau du rotor peut être utilisé depuis le stator pour déterminer la température. Un tel dispositif présente une très grande résolution, mais de nombreux inconvénients, dont une durée de vie courte, une précision faible du fait de la dérive de la fréquence de l'oscillateur à température constante, et l'impossibilité pratique de transmettre simultanément des fréquences relatives à plusieurs points de mesure (plage de mesure et fiabilité limitées par les composants actifs ; courte durée de vie du système d'alimentation). La présente invention offre une solution d'un autre genre, qui permet de transmettre une température mesure dans une gamme assez large avec une précision satisfaisante, tout en s'affranchissant des problèmes de dérive, et de variation d'entrefer. Le dispositif selon l'inventIon est généralement destiné à transmettre la valeur d'un paramètre électrique variable, entre deux pièces qui sont en rotation relative autour d'un axe. Ce dispositif est du type comportant sur la première pièce un circuit résonnant primaire cou?lé à un oscillateur, et sur la seconde pièce au moins un circuit résonnant secondaire sensi7'e, incluant le pa- ramètre électrique variable. Les circuits résonnants sont montés de telle manière qu'ils viennent périodiquement en couplage mutuel inductif du fait de la rotation relative. Ceci modifie à chaque fois le fonctionnement du circuit résonnant primaire, en fonction de la valeur du paramètre électrique. Selon une caractéristique de l'invention, la seconde pièce porte au moins un autre circuit résonnant secondaire de référence, incluant une valeur de référence du paramètre électrique, et monté pour venir périodiquement en couplage mutuel inductif avec le circuit primaire, à des instants décalés par rapport ceux qui sont relatifs au circuit résonnant secondaire sensible. Ceci permet de déterminer le fonctionnement du circuit primaire pour une valeur connue du paramètre électrique. Le circuit résonnant primaire et le ou les circuits résonnants secondaires sont accordés. Selon une autre caractéristique secondaire de l'invention, les circuits résonnants secondaires de référence sont au nombre de deux, l'un incluant une valeur maximale du paramètre électrique, et l'autre une valeur minimale de celui-ci ; la mesure eut alors être rendue indépendante des variations d'entrefer. Avantageusement, la seconde pièce porte encore un circuit résonnant secondaire auxiliaire incluant une valeur distinctive du paramètre auxiliaire, situé de préférence à l'extérieur de la plage comprise entre la Valeur minimale et la valeur maximale. Les circuits résonnants secondaires sont répartis de manière prédéterminée autour de l'axe de rotation relative ; le circuit résonnant secondaire auxiliaire donne alors une indication de début de cycle au circuit résonnant primaire, qui lui permet de savoir dans quel ordre il va se trouver couplé ensuite aux autres circuits rsonnants secondaires.La manière la plus sinple et la plus avantageuse de réaliser ce cycle consiste à disposer tous les ircuits résonnants secondaires de aire régulièrement répartie autour de l'axe de rotation. selon une autre cractéristique de l'invention, le dispositif comprend en outre un circuit d'utilisation connecté au circuit résonnant Primaire et sensible à l'am amplitude maximale des oscillations qui y règnent. Le circuit d'utilisation comprend avantageusement un circuit amplificateur, un circuit détecteur d'amplitude, un circuit de synchronisation sensible au passage de l'amplitude de signal qui correspond à la valeur dis tinctive précitée, un circuit détecteur de crêtes connecté au circuit de synchronisation et au circuit redresseur pour détecter les crêtes du signal au passage des circuits résonnants secondaires, et un circuit de traitement recevant les amplitudes de crêtes ainsi détectées pour déterminer la valeur du paramètre électrique, et remonter par là à la grandeur physique mesure. Dans un mode de réalisation, le circuit de traitement comprend un numériseur et des circuits de traitement de données numériques incluant une unité de calcul, une mémoire à accès aléatoire, une mémoire fixe pour stocker une échelle de correspondance entre les valeurs du paramètre électrique et la grandeur physique, ainsi que le programme de calcul. La mémoire à accès aléatoire sert de mémoire de stockage pour l'unité de calcul. Un dispositif peut encore comporter un affichage numérique de la valeur du paramètre électrique. Dans une application particulièrement avantageuse, le paramètre électrique est une résistance va ridule. Dans le mode de réalisation préférentiel de l'invention, le paramètre électrique est une résistance sensible à la tem.pératureQ D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront à la lecture-de la description détaillée qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, et illustrant à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation préférentiel de l'invention.Sur les dessins - la figure 1 est une vue en coupe illustrant schématiquement le rotor et le stator d'une machine tournante, ainsi que la disposition du circuit résonnant primaire et des différents circuits résonnants secondaires de l'invention, sur le stator et le rotor respectivement - la figure 2 est une vue en coupe schématique suivant la ligne de coupe A-A de la figure 1 - la figure 3 est un schéma électrique illustrant un circuit résonnant primaire relié à un oscillateur, qui se trouve en situation de couplage inductif mutuel avec l'un des circuits résonnants secondaires - la figure 4 reprend le circuit de la figure 3, en y ajoutant le schéma électrique de principe du circuit d'utilisation couplé au circuit résonnant primaire - la figure 5 est un diagramme temporel illustrant les formes d'ondes disponibles dans le circuit résonnant primaire au cours de la rotation relative du rotor et du stator ; et - la figure 6 illustre en regard de la figure 5 le schéma équivalent des différents circuits résonnants secondaires impliqués à différents instants du diagramme de la figure 5. Sur la figure 1, la référence numérique 10 désigne le stator d'une machine tournante. Ce stator porte un circuit résonnant primaire CP. La référence numérique 11 désigne le rotor de la machine tournante, qui porte plusieurs circuits résonnants secondaires CS. Le rotor 11 tourne autour du stator 10 autour d'un axe de rotation défini par l'arbre 12. Certains des circuits secondaires CS sont reliés par un câble blindé 13 à des capteurs de température 14 placés en des points choisis du rotor 11. La figure 2 illustre les cinq circuits résonnants seconeaires qui sont dans une répartition prédéterminée autour de l'axe de rotation 12 du rotor 11. Ici, les cinq circuits résonnants sont repartis de manière régulière autour de T'axe de rotation sensiblement sur une même circonférence. Cn voit ainsi que les cinq circuits résonnants vont chacun à iur tour venir en relation de couplage inductif mutuel avec le circuit résonnant primaire P de la figure 1. Le sens de rotation du rotor étant indiqué par la flèche, l'or- dre sera le suivant : circuit résonnant secondaire auxiliaire C, utilisé pour la synchronisation, premier circuit résonnant secondaire de référence CRI, premier circuit résonnant secondaire sensible C1 relié à un canteur de température, second circuit résonnant secondaire de référence CR2, et second circuit résonnant secondaire sensible (:52. La figure 3 illustre le schéma électrique du circuit primaire à gauche du trait tireté vertical et de l'un des circuits secondaires à droite. On voit que le circuit primaire comporte un oscillateur G5C, un circuit résonnant série constitué d'un condensateur C1 et d'une inductance Li, puis une résistance RS qui retourne à l'oscillateur. Lorsqu'il n'est pas couplé à un circuit secondaire, l'ensemble constitué par l'oscillateur et le circuit résonnant fournit une tension sinusoldale d'amplitude maximale E, à la fré quence de 500 kHz par exemple, sur laquelle les valeurs de C1 et L1 accordent le circuit oscillant. Chacun des circuits résonnants secondaires se compose tout d'abord en sre d'une inductance L2 et d'un condensateur C2, qui sont de même valeur pour tous les circuits secondaires. Par contre, ceux-ci diffèrent par la ré sistance qui est mise en série sur ce circuit résonnant. C2 et L2 sont accordés sur la fréquence de fonctionnement. Pour les deux circuits secondaires dits sensibles, cette rêsistane sera constituée par une thermistance placée en un point choisi du rotor, thermistance dont la résistance dépend de la température en ce point. Pour les deux circuits résonnants secondaires de référence CR1 et CR2, seront utilisées deux valeurs de résistance RH et RB, représentant respectivement la résistance maxime et la résLsnoe minimale que peuvlt prendre les capteurs de température.Enfin, pour le circuit résonnant secondaire auxiliaire, la résistance est une résistance RO de valeur très faible, qui sera donc aisément distinguée des deux autres pour établir une synchronisation, On se réfèrera maintenant aux figures 5 et 6, qui permettent de mieux comprendre comment les conditions de fonctionnement du circuit résonnant primaire vont varier lorsque celui-ci se trouve couplé à l'un des circuits résonnants secondaires. En dehors de ces instants de couplage, l'amplitude maximale du signal présent dans le circuit résonnant primaire se trouve égale à E, comme on le voit sur la figure 5, la résistance interne du générateur étant faible0 La figure 6 présente en regard de chaque instant de couplage le schéma électrique équivalent du circuit secondaire associé. Dans ces schémas équivalents, on a fait figurer la résistance propre R2 de l'inductance L2. A cela près, les schémas électriques équivalents de la figure 6 sont strictement conformes à ce qui a été décrit plus haut. De même, on voit apparaître en partie gauche le schéma équivalent du circuit résonnant fixe, où figurertla résistance propre R1 de l'inductance Li, ainsi que la résistance interne r de l'oscillateur. Si l'on appaelle F la fréquence d'oscillation de ce même oscillateur, les conditions suivantes doivent être satisfaites L1 . C1 . (21TF)2 = 1 L2 . C2 . (2n F)2 = 1 Une autre condition est que le couplage entre les circuits résonnants secondaires et le circuit résonnant primaire soient assez faibles. Si on appelle M l'inductance mutuelle associée à ce couDlage. la condition reauise s'écrit Enfin, de la description qui précède résultent les autres conditions suivantes Rg Sur la figure 5, on voit que le circuit résonnant primaire se trouve tout d'abord couplé au circuit résonnant secondaire de synchronisation CO.La valeur de la résistance RO étant de loin la plus faible, le signal dans le circuit résonnant primaire devient très faible, ce qui sera utilisé à des fins de synchronisation. Le circuit résonnant primaire se trouve ensuite couplé avec le premier circuit résonnant secondaire de référence CR1, qui comporte une résistance RB de forte valeur, qui permet le recalage du bas de gamme en mesure de température. L'amplitude du signal est alors VB . Ensuite, le circuit résonnant primaire se trouve couplé au premier circuit résonnant secondaire sensible CS1. L'amplitude de la tension dans le circuit résonnant primaire est alors Vx. Après cela, le circuit résonnant primaire va se trouver couplé avec le second circuit résonnant secondaire de référence CR2. Celui-ci comporte une résistance de faible valeur RH, qui correspond au haut de gamme en mesure de température. Le circuit résonnant primaire est alors le siège d'une tension VH. Après cela, le circuit résonnant primaire va se trouver couplé avec le second circuit résonnant sensible, ce qui donne une autre valeur de tension, non représentée sur la figure 5. On va maintenant décrire en référence à la figure 4 un exemple d'utilisation des tensions ainsi produites dans le circuit résonnant primaire. La tension existante dans le circuit résonnant primaire est prélevée par exemple sur un point intermédiaire de la résistance RS, et amenée par un câble blindé à l'entrée d'un amplificateur 100, qui présente en parallèle sur son entrée une résistance 101 dont le but est d'adapter l'impé- dance du ciblez La sortie de l'amplificateur 100 est une tension ui varie sinusoidalement à 1- l & frétuenec de 500 kHz par exemple, et dont l'amplitude rerésene l'amplitude de la tension existant dans le circuit résonnant primaire Cette tension est tout dShrd détectée dans le circuit de démodulation 101, 3près quoi elle est appliquée en même temps a un circuit de synchronisation 102 et à un circuit de détection de crêtes 103.Le circuit de synchronisation 102 détecte seulement les valeurs très faibles VO qui se produisent lorsque le circuit résonnant primaire rencontre le circuit résonnant secondaire de synchronisation. A partir des signaux de synchronisation ainsi obtenus, il va adresser des signaux d'adresse et des signaux de commande à des circuits numériques que l'on décrira plus loin, ainsi qu'un signal de validation au détecteur de crêtes 103, pour que celui-ci ne soit rendu actif qu'aux instants où le circuit résonnant primaire va se trouver couplé à l'un des autres circuits résonnants secondaires. Le circuit détecteur de crêtes va donc ensuite dé tecter successivement les valeurs VB, Vx, et Vx, déjà décrites à propos des figures 5 et 6. Ces valeurs sont séquentiellement numérisées dans un circuit de conversion analogique numérique 104, utilisant une horloge 105. Le circuit 104 va transmettre séquentiellement les valeurs numériques à un dispositif de traitement de données numériques qu'on va maintenant décrire. Le circuit de traitement numérique comporte tout d'abord un interface 200 qui reçoit les informations d'adresse et de commande du circuit de synchronisation 102, et les valeurs numériques successivement transmises par le convertisseur analogique numérique 104. Il comporte également une unité centrale 201, apte à réaliser des opérations de calcul et de commande dans le circuit de traitement numérique ; à cela s'ajoute une mémoire à accès aléatoire 202, qui peut d'une part stocker successivement les valeurs numériques issues du convertisseur analogique numérique 104, et d'autre part stocker des valeurs intermédiaires nécessaires à l'unité centrale 201 pour ces opérations de calcul et de traitement. Une mémoire fixe 203, ou mémoire à lire uniquement, stocke par exemple une correspondance entre les valeurs du paramètre électrique et la grandeur physique, ainsi que le programme de calcul. Enfin, un autre interface 204 permet à l'unité centrale 201 de commander l'affichage dans un circuit d'affichag)e numérique 205 de la valeur du paramètre électrique, ou de la grandeur physique qu'il représente. Dans l'application préférentielle où le paramètre électrique est une résistance, l'unité centrale effectue tout d'abord des opérations de linéarisation en tenant compte des résistances de recalage RH et R13 Ces opérations peuvent être définies par l'équation suivante : Ensuite, en utilisant la mémoire fixe, l'unité centrale peut déduire de la résistance de mesure ainsi corrigée la valeur de la température. Dans le mode de réalisation préférentiel, les inductances L1 et L2 sont constituées respectivement de demipots en ferrite, sur lesquels sont bobinés une self-inductance. Et les demi-pots incorporés au circuit secondaire de référence permettent de compenser l'effet de variation d'entrefer. La demanderesse a obtenu d'excellents résultats, pour l'acquisition par les moyens de l'invention d'un nombre variable de températures, pouvant aller par exemple jusqu'à 6 La variation d'entrefer dont on peut s'accomoder sans détérioration de la qualité des mesures est de plusieurs millimètres, pour une plage de température supérieure à 1000C. Dans ces conditions, la précision du système est toujours supérieure à quelques pour cent de la pleine échelle, près de la borne de recalage basse. REVENDICATIONS 1) Dispositif de transmission de la valeur d'un paramètre électrique variable, entre deux pièces en rotation relative autour d'un axe, du type comportant sur la première pièce un circuit résonnant primaire couplé à un oscillateur et sur la seconde pièce au moins un circuit résonnant secondaire sensible incluant le paramètre électrique variable, les circuits résonnants étant montés de telle manière qu'ils viennent périodiquement en couplage mutuel inductif du fait de la rotation relative, ce qui modifie le fonctionnement du circuit résonnant primaire en fonction de la valeur du paramètre électrique, caractérisé par le fait que la seconde pièce porte au moins un autre circuit résonnant secondaire de référence, incluant une valeur de référence du paramètre électrique, et monté pour venir périodiquement en couplage mutuel inductif avec le circuit primaire, à des instants décalés par rapport à ceux qui sont relatifs au circuit résonnant secondaire sensible, ce qui permet de déterminer le fonctionnement du circuit primaire pour une valeur connue du paramètre électrique. 2) Dispositif de transmission selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les circuits résonnants de référence secondaires sont au nombre de deux, l'un incluant une valeur maximale et l'autre une valeur minimale du paramètre électrique. 3) Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la seconde pièce porte un circuit résonnant secondaire auxiliaire incluant une valeur distinctive du paramètre électique , et que les circuits résonnants secondaires sont répartis de manière prédéterminée autour de l'axe de rotation relative, le circuit résonnant secondaire auxiliaire donnant une indication de début de cycle au circuit résonnant primaire. 4) Dispositif de transmission selon la revendication 3, caractérisé par le fait que tous les circuits résonnants secondaires sont régulièrement répartis autour de l'axe de rotation. 5) Dispositif de transmission selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un circuit d'utilisation couplé au circuit résonnant primaire, et sensible à l'amplitude maximale des oscillations qui y règnent. 6) Dispositif de transmission selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le circuit d'utilisation comprend un circuit amplificateur, un circuit démodulateur, un circuit de synchronisation sensible au passage de l'amplitude de signal correspondant à la valeur distinctive précitée, un circuit détecteur de crête couplé au circuit de synchronisation et au circuit redresseur pour détecter les crêtes du signal au passage des circuits résonnants secondaires, et un circuit de traitement recevant les amplitudes de crête ainsi détectées pour déterminer la valeur du paramètre électrique. 7) Dispositif de transmission selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le circuit detraitement comprend un numériseur et des circuits de traitement de données numériques incluant une unité de calcul, une mémoire à accès aléatoire et une mémoire fixe pour stocker au toins une échelle de corres nondance entre les valeurs du Far -è're électrique et une gran dur physi-ue reuree par lui. 8) Dispositif de transmission selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un affichage numérique de la valeur du paramètre électrique. 9) Dispositif de transmission selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le paramètre électrique est une résistance variable. 10) Dispositif de transmission selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le paramètre électrique est une résistance sensible à la température. 11 y Dispositif de transmission selon 1,une des rrrendi- cations 1 à 10, caractérisé par le fait que les circuits réson n--nts primaire et secondaire sont accordés sur la meme fréquence