Brevet FR2437623A1 — publié le 19800425

La présente invention se rapporte aus techniques qui permettent de mesurer la vitesse instantanEe de rotation des arbres de machines tournantes, et en particulier des groupes hydroélectriques de grande puissance éventuellement réversibles. De façon classique, on mesure cette vitesse à l'heure actuelle, soit a l'aide d'un tachymètre électronique qui utilise les signaux d'un alternateur pilote, soit à l'aide d'une dynamo tachymétrique entrainée par une courroie, ce qui nécessite alors une mise en oeuvre relativement oomplexe et peut entraîner des erreurs dues au glissement. De toute façon, un problème nouveau se trouve maintenant posé depuis le développement de groupes réversibles, dont il faut pouvoir mesurer avec précision les vitesses, positives ou négatives, depuis le démarrage jusqu 'a la survitesse. La présente invention, a précisément pour objet un procédé de mesure de la vitesse de rotation d'un arbre tournant, dont la mise en oeuvre est a la fois très simple, peu couteuse, d'une grande précision et d'une remarquable rapidité, tout en étant capable de fournir des mesures indépendamment du sens de rotation de 1' arbre considéré, en ne nécessitant, en outre, qu'un arrêt très court de l'ensemble tournant. Ce procédé de mesure se caractérise essentiellement en ce qu'il consiste a établir sur la circonférence d'une section droite de l'arbre en rotation une succession a une fréquence spatiale déterminée et constante de deux types de zones ayant chacun leur coefficient de réflexion lumineuse propre, å éclairer perpendiculairement h-l'axe en un point de ladite circonférence lesdits deux types de zones, recueillir sur une cellule photoélectrique le rayonnement réfléchi modulé en intensité et a mesurer la fréquence de cette modulation. Comme on le voit, le procédé de l'invention oonsiste essentiellement à recueillir, sur un signal lumineux réfléchi, une modulation d' intensité dont la;fréquence est caractéristi- que de la vitesse de rotation de l'arbre et puis a mesurer cette fréquence. Dans un mode de réalisation particulièrement intéressant de la présente invention, on réalise les deux types de zones à coefficients de réflexion différents en ceinturant ledit arbre tournant, sur une de ses parties accessibles, d'un morceau de film du type photographique à perforations régu- lières et calibrées, L'utilisation d'un morceau de film est spécialement simple et-efficace, puisque le film présente par oonstruc- tion même un certain nombre de caractÉristiques qui sont essentielles à son application au procédé objet de l'invention. En effet, le film possède d'abord une perforation régulière qui concrétise sur la surface de l'arbre des zones de réflexion lumineuse différentes avec une fréquence spatiale parfaitement déterminée Par ailleurs, le film photographique constitue en soi un support suffisamment souple pour qu'on puisse l'enrouler facilement autour d'un arbre et le coller ou le souder sur l'arbre ou sur lui même de façon à réaliser une ceinture unique et continue. Dans les cas les plus fréquents, la présence du film muni de ses perforations fixées à la surface latérale de l'arbre suffit pour créer les deux zones distinctes dont il a été question précédemment puisque bien entendu, le coefficient de réflexion est très différent selon que le pinceau lumineux émis par la cellule photoélectrique tombe sur une zone où le film existe, ou directement sur l'arbre luiemEme lorsqu'il s'agit d'une zone correspondant à une perforation du film. Toutefois, il peut être avantageux dans certains cas pour augmenter le contraste existant entre les pouvoirs réflecteurs de ces deux dernières zones d'interposer entre l'arbre et le film un produit coloré ou réfléchissant, par exemple un adhésif de couleur blanche. Enfin, selon le procédé objet de l'invention, on transforme généralement la fréquence de modulation du signal lumineux réfléchi en une tension électrique analogique qui est alors représentative à chaque instant de la vitesse instantanée de rotation de 1' arbre en mouvement. De toute façon, l'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui suit faite en liaison avec la figure unique d'un mode de mise en oeuvre du procédé de mesure de la vitesse de rotation d'un arbre tournant. Sur cette figure unique on voit 1' extrémité 1 de l'arbre tournant 2 d'une machine tournante (non représente-e). Bien entendu, il n'est pas indispensable de se situer en bout d'arbre, la mise en oeuvre du procédé pouvant s'effectuer en toute autre région. Pour mesurer la vitesse de rotation de l'arbre 2, on a ceinturé cet arbre 2 d'un morceau de film photographique 3 qui, dans l'exemple décrit à titre non limitatif bien entendu, est un film photographique de 35mm comportant selon les normes en vigueur des perforations 4 au pas de 4,75 mm, la précision du pas des perforations étant par fabrication de 12 micromètres. I1 est bien entendu que ceci n' est qu'un exemple et qu'un film d'une autre nature, par exemple un film de 70 nm possédant les mêmes perforations, peut autre dans certains cas plus facile à mettre en place. Il est également nécessaire de ne pas avoir de discontinuités lors de la jonction du film sur lui-même autour de l'arbre 2 de façon à obtenir un recouvrement parfait des perforations 4. Ceci est facile à réaliser grâce à 1' élasticité du film 3 sur lequel il suffit a exercer une traction m & e légère au moment de la mise en place pour obtenir ledit recouvrement. Dans le cas décrit sur la figure unique, levfilm 3 a été collé à l'aide d'une colle du type cyanolite qui permet un collage rapide et efficace et que l'on peut le cas échéant doubler d'un ruban adhésif de part et d'autre du film à condition que celui-ci ne masque pas la bande 6 des perforations utilisées. A noter que la rapidite de mise en oeuvre est ici d'un intérêt très grand car l'arrêt nécessaire pour la mise en place du film peut être très bref. On peut egalement, dans d'autres variantes de mise en oeuvre de l'invention, réaliser la fixation du film par soudure de orlui-ci sur lui-mème. C'est donc la bande 6 munie de ses perforations 4 qui constitue pratiquement les deux zones à coefficient de reflexion lumineux différent. Comme déjà indiqué précédemment, il est possible d'augmenter le contraste entre la surface du film et les parties de l'arbre 2 visibles au trayers des perforations 4 en recouvrant ledit arbre 2 d'une peinture spéciale ou en prévoyant la mise en place entre le film 3 et l'arbre 2 d'un support adhésif, notamment par exemple de couleur blanche. Selon l'invention, un capteur photo électrique 5 qui dans le cas particulier décrit est un capteur DATALOGIC du type TL 10, sert à la fois d'metteur et de récepteur lumineux et comprend une lampe spéciale de projection, un système optique de concentration et de réflexion, deux cellules au silicium et un amplificateur à circuit intégré alimentant l'étage de sortie. Ce capteur photoélectrique 5 dirige sur la circonférence correspondant a la bande de perforation 6 utilisée dans le procédé, un rayon lumineux 7 qui vient éclairer en un point de la surface de l'arbre situé sur cette zone 6 et perpendiculairement a la surface de l'arbre, l'ensemble des deux zones a coefficients de réflexion lumineuse différents.On conçoit en effet facilement, que le rayon réfléchi 8 après rencontre avec la bande de perforations 6, a une intensité qui est modulée, puisqu'elle diffère assez sensiblement selon que ce rayon réfléchi est renvoyé par la surface de l'arbre 2 au travers de l'une des perforations 4 ou par une portion de film 3 comprise entre deux de ces mêmes perforations 4. De ce fait, le capteur photoélectrigue 5 reçoit donc en retour un flux lumineux modulé à une fréquence caractéristique et proportionnelle a chaque instant a la vitesse de rotation de l'arbre. Un calcul simple montre même que cette fréquence est déterminée par la formule F = V x # x # x 1000 Px 60 formule dans laquelle - V est la vitesse de 1' arbre 2 exprimée en tours/minute - qui est le diamètre de 1' arbre exprimé en mètres - P est le pas des perforations du film 3 exprimé en mn ; ceci conduit à des fréquences variables selon la valeur .du produit V x selon le tableau suivant ; V x 0 (tours/mn x m? F (iz) 100 2102,3 200 2204.,6 500 5511,6 900 9920,8 pour un pas de perforation du film P - 4,75 nim, Le signal obtenu à la sortie 9 du capteur photoélectrique 5 est un signal rectangulaire dont la fréquence représente directement la vitesse de rotation de l'arbre pour un diamètre donné de celui-ci.Un conVertisseur fréquencetension 10 d'un type en soi connu, et dont le choix est à la portée de l'homme.de l'art, transforme alors le signal de fréquence en une tension de sortie analogique, toujours de meme signe quel que soit le sens de rotation, et rigoureusement proportionnel à la fréquence présente à la sortie 9. On obtient ainsi sur l'enregistreur 11 une courbe continue qui donne les variations de la vitesse de rotation instantanée de l'arbre 2. Dans un mode de mise en oeuvre particulier de l'invention, on a utilisé comme convertisseur 10 un convertisseur TELEDYNE 4702 dont la plage de fonctionnement s'étend de 0 à 10 kHz et dont la sensibilité est ajustée pour les quatre gammes de fréquence désignées précédemment. On peut encore mentionner l'intérêt, pour mettre en oeuvre le procédé de mesure objet de la présente invention, de rechercher pour placer le morceau de film, les parties de l'arbre qui présentent le plus grand diamètre, puisque ceci en effet permet de travailler à une fréquence plus élevée pour une vitesse de rotation égale, en restant dans la limite v x # # ~ 900. L'intérêt principal du procédé de mesure de la vitesse de rotation d'un arbre tournant objet de l'invention réside dans son prix de revient relativement faible et dans le fait qu'on peut l'utiliser très facilement sur des groupes tournants de toutes plissances et même fonctionnant de façon réversible. Par ailleurs, la gamme de vitesses de rotation que le procédé permet de mesurer s'étend depuis la valeur nulle jusqu'a la survitesse, dans les deux sens de rotation. Par ailleurs, dans le cas où les perforations ne seraient pas assez longues pour être compatibles avec les vibrations axiales de la machine, on pourrait utiliser un film non perforé sur lequel une image de raies à intervalles réguliers a été tracée. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la vitesse de votation d'un arbre tournant, caractérisé en ce qu'il oonsiste à établir sur la circonférence d'une section droite dudit arbre une succession à une fréquence spatiale déterminée et constante de deux types de zones ayant chacun leur efficient de réflexion lumineuse propre, à éclairer perpendiculairement a l'axe en un point de ladite circonférence lesdits deux types de zones, à recueillir sur une cellule photoélectrique le rayonnement réfléchi modulé en intensité et à mesurer la fréquence de cette modulation. 2. procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on réalise les deux types de zones à coefficients de réflexion différents, en ceinturant ledit arbre tournant sur une de ses parties accessibles, d'une portion de film du type photographique. 3. Procédé de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que le film comporte des perforations re- gulières et calibrées, 4. procédé de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que le film est non perforé et porte une image de raies à intervalles réguliers. 5.Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on accentue le contraste entre les parties pleines et les parties perforées dudit film en plaçant, entre ledit arbre et ledit film un adhésif réflecteur, notamment de cDu- leur blanche. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on transforme dans un convertisseur fréquence-tension la fréquence de modulation lumineuse reçue par la cellule photoélectrîque en une tension analogique représentative de la vitesse de rotation de 11 arbre. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 précédentes, caractérisé en ce que l'on utilise un même appareil optique pour l'émission et la réception lumineuses.