Brevet FR2469722A1 — publié le 19810522

La présente invention concerne un dispositif détecteur de masses métalliques, notamment pour détecter le passage des roues d'un wagon, du type comprenant un circuit oscillant série à entrefer ouvert vers la zone de détection constituant un capteur, un oscillateur relié au circuit oscillant et un circuit d'exploitation de l'amplitude du courant oscillant, ce dispositif détecteur pouvant répondre à des exigences de sécurité. Un certain nombre de dispositifs détecteurs de masses métalliques de ce type sont connus. leur fonctionnement repose sur le principe de l'augmentation des pertes, dans une self a grand entrefer, dues au courants de Foucault induits dans la masse métallique à détecter. Ainsi, lorsqu'une masse métallique se trouve à proximité de l'entrefer, le courant traversant la self diminue et cette diminution indique la présence de la masse métallique. Ces dispositifs connus sont de conceptions diverses. Dans certaines réalisations, la self est connectée à un oscillateur à fréquence et niveau fixés ; dans ce cas, on utilise soit la self seule, ce qui limite les caractéristiques de d6tection, soit la self comme élément d'un circuit oscillant à fort coefficient de surtension, ce qui améliore la détection mais drun autre c0td nécessite un ajustement et une stabilisation de fréquence entre l'oscil- lateur et le circuit oscillant.Dans d'autres dispositifs connus, la self, associée à une capacite d'accord, est insérée directement dans itoscillateur, ce qui supprime la nécessité d'un ajustement de fréquence, mais rend mauvaise la réponse dynamique lors de l'éloignement de la masse à détecter, notamment en cas de décrochage de l'oscillateur. La présente invention se propose de remédier à ces inconvénients et, pour ce faire, elle a pour objet un dispositif de détection du type précité qui se caract6rise en ce que l'oscillateur excite le circuit oscillant par des impulsions d'énergie constante, pilotées en permanence par la phase du courant oscillant.Ainsi, quelle que soit l'amplitude du courant traversant le capteur, les impulsions excitatrices sont permanentes et d'énergie constante, et sont synchronisées, aux moments opportuns,vis-à-vis de la période du courant oscillant, ce qui garantit une bonne réponse dynamique du détecteur sans décrochage de l'oscillateur, tout en permettant un parfait ajustement de la'fréquence de l'oscillateur sur celle du circuit oscillant et donc la possibilité d'exploiter un coefficient de surtension élevé pour avoir une grande sensibilité du détecteur. Plus prkcisément, l'oscillateur comprend un élément précepteur, traversé par le courant oscillant et donnant une image de celui-ci, un générateur d'impulsions constantes piloté par le signal de sortie de ltélément récepteur et un élément émetteur, en série avec ltélément récepteur et relié au généra teur pour transmettre les impulsions au circuit oscillant. Ainsi est réalisé un oscillateur délivrant des impulsions ayant les propriétés mentionnées cidessus. De préférence, le circuit est relié à l'oscillateur par une liaison bifilaire de faible impédance. Cette liaison, qui permet d'éloigner le circuit oscillant des éléments actifs de l'oseillateur, est ainsi immunisée contre les parasites extérieurs. Avantageusement, les impulsions d'excitation du circuit oscillant sont fines et apparaissent aux instants des maximums du courant oscillant et donc aux instants de meilleure transmission de lténergie. Dans un mode préféré de réalisation, ltélément récepteur est constitué par un condensateur dont la tension aux bornes sert de signal pilote du générateur d'impulsions qui l'amplifie avec un grand gain, ltéerète par une tension constante pour donner un signal carré dérivé par un circuit dérivateur comprenant une résistance en série avec une self. Cette construction permet d'obtenir des impulsions fines apparaissant aux instants des maximums de courant. En outre, l'utilisation d'un condensateur comme élément récepteur offre l'avantage d'intégrer les variations brutales du courant oscillant et de rendre négligeable l'influence des capacités parasites de la liaison bifilaire. Par ailleurs, l'élément émetteur est constitué par un transformateur donc le secondaire a peu de spires et dont le primaire constitue la self du circuit dérivateur. D'une manière avantageuse, le circuit d'exploitation est commandé par le signal de sortie de l'élément récepteur et délivre un signal dans le cas de l'absence d'une masse métallique tandis que dans le cas contraire, il ne délivre aucun signal. On réalise ainsi une détection négative ce qui procure une sécurité en cas de coupure du signal de sortie de ltélément précepteur. Dans un mode préféré de réalisation, le circuit oscillant est constitué par un condensateur à faibles pertes et une bobine de self réalisée en fil de 'titz',' enroulée sur un noyau de ferrite en U dont les branches sont dirigées vers la zone de détection. Cette construction particulière du circuit oscillant constituant le capteur lui confère un grand coefficient de surtension pour une bonne sensibilité du détecteur. De manière avantageuse, la bobine de self est constituée par deux enroulements identiques reliés en série et bobinés respectivement sur les deux branches du noyau dans le sens de l'addition des flux dans le circuit magnétique. Cette disposition symétrique permet d'insensibiliser le capteur aux champs magnétiques perturbateurs parallèles au plan de symétrie du capteur qui ne traverse par les enroulements. Ce résultat peut être amélioré en entou rant le capteur,sur ses faces autres que celles constituant la zone de detec- tion,d'un écran de ferrite. Ainsi, lorsque le capteur est fixé sur un rail de chemin de fer, il est insensible aux courants de traction.circulant dans le rail. Un mode d'exécution de la présente invention est décrit ci-après à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma synoptique du dispositif détecteur de massesmétalliquesselon l'invention ; - la figure 2 est un schéma électronique de sécurité simplifié d'un mode d'exécution particulier du dispositif de la figure 1 - la. figure 3 est une vue en perspective d'une forme de réalisation préféré du capteur du dispositif selon l'invention, fixé sur un rail de chemin de fer, pour la détection du passage des roues d'un wagon. Sur la figure 1, est représenté schématiquement un dispositif détec- teur de masse métallique selon l'invention, qui comprend un capteur 1 et un circuit électronique 2 relié au capteur par une liaison bifilaire 3. Le capteur 1 est constitué par un circuit oscillant série qui comprend un condensateur 4, une self 5 connectée en série au condensateur 4 et enroulée sur un noyau magnétique en U 6 constituant un entrefer ouvert. Le circuit oscillant se prolonge au-delà du capteur 1 par la liaison bifilaire 3 et se ferme à l'intérieur du circuit électronique 2 par la boucle 7 sur laquelle sont insérés en série, un élément récepteur 8 et un élément émetteur 9. L'élément récepteur 8 délivre un signal de sortie donnant une information de phase 10 et une information d'amplitude 11 de ce courant. Cette mesure doit se faire sous faible impédance afin qu'elle ne modifie pas la valeur du courant oscillant. Le signal de phase 10 du courant oscillant pilote un générateur 12 d'impulsions constantes. Celles-ci sont envoyés sur ltélément émetteur 9 men tisonné ci-dessus qui les transmet au circuit oscillant. Ce premier sous-ensemble du circuit électronique 2 constitue un oscillateur qui entretiesten permanence, par des impulsions d'énergie constante, les oscillations du circuit oscillant et dont la fréquence est synchronisée avec celle du circuit oscillant grâce au pilotage des impulsions par la phase du courant oscillant. Par ailleurs, l'information d'amplitude 11 du courant oscillant commande un deuxième sous-ensemble du circuit électronique comprenant un amplificateur 13 en série avec un détecteur de seuil 14 dont la sortie commande un relais 15. Ces éléments constituent un circuit d'exploitation de l'amplitude du courant oscillant, qui délivre un signal en cas d'absence de masse métallique et ne délivre aucun signal dans le cas contraire. La liaison bifilaire 3 est de préférence de-faible impédance, ce qui lui confère une bonne immunité contre les parasites extérieurs. Cette immunité peut être améliorée par un blindage. La ligne bifilaire peut être de très grande longueur afin d'éloigner le plus possible le circuit électronique 2 et ses éléments actifs, du capteur 1. Sur la figure 2, est représenté un mode de réalisation préféré de l'oscillateur décrit ci-dessus. Dans ce mode de réalisation, ltélément récepteur 8 est constitué par un condensateur 16 du type comprenant quatre sorties, relié par une première armature à une borne de sortie du capteur 1 et par sa seconde armature à une borne du secondaire 18 d'un transformateur 17 servant d'élément émetteur. Celui-ci se referme sur l'autre borne de sortie du capteur 1 pour fermer la boucle 7. La première armature du condensateur 16 est insérée dans la ligne d'alimentation positive du dispositif. Le générateur d'impulsions 12 est constitué par un comparateur 19 associé à un circuit derivateur relié à la sortie de ce dernier et comprenant une résistance 20 en série avec une self 21 constituée par le primaire du transformateur 17 qui. se referme sur la première armature du condensateur 16. Un circuit intégrateur formé d'une résistance 22 associée à un condensateur 23 assure la polarisation moyenne automatique de I'entrée négative du comparateur 19, tandis qu'un pont de résistances 24, 25 assure la polarisation moyenne de son entrée positive par l'intermédiaire d'une résistance facultative 26, le point commun du pont de résistances étant relié à la sortie susmentionnée de la deuxième armature du condensateur 16, dont la deuxième sortie est reliée à l'entrée du circuit d'exploitation non représenté. Les condensateurs 4 et 16, traversés sensiblement par le même courant, forment un diviseur capacitif. La tension aux bornes du condensateur 16 est proportionnelle à la tension aux bornes du condensateur 4, elle-meme proportionnelle au coefficient de surtension du capteur qui évolue selon la pr6sence ou non d'un objet métallique. La tension aux bornes du condensateur est amplifiée et écrétée à l'intérieur du comparateur par la tension d'alimentation. Le signal carré obtenu est dérivé par le circuit ddrivateur pour donner des impulsions fines. L'amplitude de celles-ci qui est liée à la tension d'alimentation constante, est limite intrinsèquement de meme que leur durée qui dépend de la constante de temps du circuit dérivateur, fixée par la résistance 20 et la self 21 qui ne peut augmenter.L'énergie de chaque impulsion est donc intrinsèquement limitée. Par ailleurs, ces impulsions sont pilotées par les maximums du courant oscillant et sont donc produites aux instants de meilleure transmission de lténergie, ee qui fait qu'un éventuel déphasage pro duit un affaiblissement des oscillations du circuit oscillant. Par ailleurs, un court-circuit du condensateur 4 ou du condensateur 16 ou de la liaison 3, bloque le comparateur 19 par polarisation trop positive de son entrée positive. Une coupure d'un élément quelconque, du capteur 1 ou de la liaison 3 ou du secondaire 18 du transformateur 17, annule le courant oscillant et donc le signal de sortie. Une coupure du condensateur 16 bloque soit le courant d'aliventation, soit la transmission du signal de sortie 11. Toute dégradation du capteur ne peut se traduire que par des pertes supplémen- taires qui affaiblissent le courant oscillant. Pour remédier à d'éventuelles variations de la tension d'alimentation qui provoqueraient des variations de l'amplitude des impulsions excitatrices et donc du signal de sortie, on peut utiliser, si la tension d'alimentation n'est pas limitée intrinsèquement, un comparateur dont le seuil evolue proportionnellement à la tension d'alimentation. Afin de conférer au circuit oscilant un bon coefficient de surtension, la self 5 sera réalisée en fil de "Litz" et le noyau 6 en ferrite, tandis que le condensateur 4 sera choisi à faibles pertes. Dans le cas de la détection d'une rcue d'un wagon, le capteur a la structure illustrée par la figure 3. Sur cette figure 3, le capteur est repré senté fixé le long d'un rail R en dessous d'une roue M è détecter. Sa self est constituée par deux enroulements identiques 27 et 28 reliés en série avec le condensateur 4 et bobinés respectivement sur les deux branches du noyau magnétique en U, dans le sens de l'addition des flux magnetizues engendrés par chaque enroulement.Cette construction, symdtrique par rapport à son plan médian perpendiculaire au rail fait, que les variations de champs magnétiques perpendiculaires au rail induisent, dans les deux enroulements, des tensions égales qui s'annulent par opposition, d'où il résulte une bonne immunité du capteur au courant de traction dans le rail. Cette immunité peut être améliorée encore par un écran de ferrite 30 interposé entre le capteur et les masses métalliques du rail. Enfin, une résistance 29 peut etre insérée dans le circuit oscillant pour ajuster la valeur de son coefficient de surtension. Il va de soi que le capteur peut avoir de nombreuses autres formes. Il peut par exemple comprendre une self à un seul enroulement. En conclusion, le dispositif selon l'invention procure de nombreux avantages, comme une bonne dynamique de réponse, une immunisation contre les perturbations extérieures, une bonne synchronisation de l'oscillateur sur le circuit oscillant, une séparation des éléments non actifs du capteur du reste du circuit et le respect des exigences de sécurité en cas de panne. Il est évident que l'application du dispositif selon Invention ne se limite pas à la détection des roues d'un wagon, mais s'étend à la détection de toute masse métallique. Par ailleurs, le dispositif selon l'invention peut servir à la mesure de la distance entre un objet connu et le capteur, ainsi qu'à la mesure de caractdristiques électromagnktiques de la matière d'une éprouvette. REVENDICATIONS 1. Dispositif détecteur de masses métalliques, eomportalt des moyens de sécurité, notamment pour détecter le passage des roues d'un wagon, dispositif du type comprenant un circuit oscillant série à entrefer ouvert vers la zone de détection constituant un capteur, un oscillateur relié au circuit oscillant et un circuit d'exploitation de l'amplitude du courant oscillant, caractérisé en ce que l'oscillateur excite le circuit oscillant par des impulsions d'énergie constante, pilotées en permanence par la phase du courant oscillant. 2. Dispositif détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oscillateur comprend un élément récepteur traversé par le courant oscillant et donnant une image de celui-ci, un générateur d'impulsions constantes piloté par le signal de sortie de l'élément récepteur et un élément émetteur, en série avec l'élément récepteur et relié au genérateur pour transmettre les impulsions au circuit oscillant. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit oscillant est relié à ltoscillateur par une liaison bifilaire de faible impédance. 4. Dispositif détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les impulsions d'excitation du circuit oscillant sont fines et apparaissent aux instants des maximums du courant oscillant. 5. Dispositif détecteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractéris6 en ce que ltélément récepteur est constitué par un conden- sateur dont la tension aux bornes sert de signal pilote dn générateur d'impulsions qui l'amplifie avec un grand gain, ltéerète par une tension constante pour donner un signal carr-, dérivé par un circuit dérivateur comprenant une résistance en série avec une self. 6. Dispositif détecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément émetteur est constitué par un transformateur dont le secondaire a peu de spires et dont le primaire constitue la self du circuit dérivateur. 7. Dispositif détecteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caraetérisé en ce que le circuit d'exploitation est commandé par le signal de sortie de ltélément récepteur et délivre- un signal dans le cas de l'absence d'une masse métallique tandis que dans le cas contraire, il ne délivre aucun signal. 8. Dispositif détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, earaetérisé en ce que le circuit oscillant est constitué par un condensateur à faibles pertes et une bobine de self réalisée en fil de "Lits", enrou lée sur un noyau de ferrite en U dont les branches sont dirigées vers la zone de détection. r 9. Dispositif détecteur selon la revendication 8, earaetérisé en ce que la bobine de self est constituée par deux enroulements identiques reliés en Férie et bobinés respectivement sures deux branches du noyau dans le sens de l'addition des flux dans le circuit magnétizue. 10. Dispositif détecteur selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le capteur est entouré,sur ses faces autres que celles constituant la zone de détection,d'un écran de ferrite.