Brevet FR2480428A1 — publié le 19811016

La présente invention concerne un capteur de déplacement inductif assurant la mesure continue de la position axiale d'un noyau magnétique mobile. Il existe . à l'heure actuelle, de nombreux dispositifs inductifs permettant des masures continues de déplacement compris entre quelques mierons et quelques disaines de centimètres. Basés généralement sur le principe du transformateur différentiel. leur o@urse totale dépasse rarament 30 % de la longueur du corps bobiné du capteur. Pour les courses dépassent 30 centimètres. la longueur de ces appareils devient prchibitive. du fait de leur oncombrement et de leur prix. Les capteurs linéaires inductifs ne sont pratiquement pas utilisés dans les équipements industriels dont la course de cortains organes est généralement supéri@ure à cette valeur. Le capteur de déplacement qui fait l'objet de l'invention par@et de remédier à ces inconvénients. De fabrication simple et peu coûteuse, sa @ourse peut atteindre 90 % de in longueur du corps bobiné. Il est ainsi possible de réaliser des capteurs insustriels délivrant un signal a@alogique pré@is avec des courses pouvant atteindre parfeis plusieurs mètr@s. La figure 1 représente la c@upe en long d'un cepteur réalisé suivant l'invention et comportant: - un tube intérieur t en matière isolante (verre. stratifié verre ou matière plastique) assurant le guidage du noyau mobile H et supportant les enroulements électriques p et @ - un e@@oulement primaire p constitué en principe d'une seule @ouche de @il de @uivre @solé. bobiné à spires jointives - un enroulement secondaire s conztitné également d'une seule couche de fil de cuivre isolé. bobiné à spires jointives et concentrique avec l'erroulement p - un noyau pl@agour N en matérian magnétique de haute pexméabilité (fer deux eu alliage ferro-nickel) pouvant se déplacer axialement dans le tube de guidage t - un tube extérieur b en métal magnétîque ass@rant la protection @écanique des enr@ul@- ments et évitant l'effet pert@rtat@nr des cha@ps magnétiques ertérieurs; afin de li@i- ter les pertes par con@unts de Foucault. es tube peut être fen@@ suivant une génératrice - les flasques d'obturation f1 et f2. en matière isolante. protégeant les enroulements contre la poussière et l'humidité - le câble souple de raccordement c contenant les quatre conducteurs actifs de raccorde ment des enroulements et éventuellement un einquième conducteur de nise à la uasse du tube extérieur b Afin d'assurer au capteur une excallente protection contre les intempéries et les contraintes mécaniques. l'espace annulaire compris entre les tubes t et b peur être rempli de résine isolante. La figure 2 représente le schéma électrique simplifié de l'ensemble d'une chaine de mesure de déplacement comprenant le capteur inductif proprement dit ainsi que son équipement électronique. L'enroulement prilaire p du capteur est parcouru par nn courant alternati simn- soïdal stabilisé de basse fréquence (50 à 5000 Hz). En l'absence de noyau. le couplage magnétique entre les deux enroulements est très faible et la tension induite dans l'enroulement secondaire s est pratiquenoit mulle. Le couplage magnétique est important au voisinage du noyau. La tension recueillie aux bornes de l'exroulement secondaire s peut être considérés comme proportiennelle à la profondeur de pénétration du noyau dans le corps bobiné du capteur. L'équipement électronique associé au capteur se compose: - d'une alimentation stabilisée classique délivrant en sortie une tension continue stabilisée. indépendante des fluctuations de tension de la source (réseau ou batterie) et des variations de charge -d'un oscillateur basse fréquence sinusoïdal à amplitude et fréquence constantes - d'un amplificateur basse fréquence de puissance assurant l'alimentation de l'enroulement primaire p du capteur en courant simusoïdal contraiat (donc imdépendant des variations d'impédance de l'enroulement p) - d'un "redresseur sans seuil" à très haut impédance d'entrée . délivrant en sortie une tensien continue rigoureusement proportiennelle à la tension efficace resueillie aur bernes de l'enroulement s - d'un amplificateur de mesure délivrant en sortie un signal analogique (tension ou courant) proportionnel au déplacement du moyan magnétique. Pour l'alimentation du capteur. il est avantageux d'utiliser un courant de fréquence relativement basse afin de: 1) limiter les pertes nagnétiques dans le noyau et dans le tube métallique extérieur 2) réduire au minimum la tension induite dans l'enroulement secondaire en l'ahsence de noyau magnétique 33 réduire les courants capacitif s dans le câble de raccordement du capteur (la longueur de ce câhle peut atteindre plusieurs centaines de mètres). Le signal de sortie peut être appliqué à un appareil indicateur ou enregistreur gradué directement en valeurs de déplacement. il peut être utilise d'autre part à des fins de régulation. La figure 3 représente la relation entre le signal de sortie et la profondeur d'engagement du noyau magnétique. La canrbe relevée sur un capteur dont la course utile était de l'ordre de 1 mètre. montre que l'étendue proportionnelle (linéarité meilleure que 1%) pouvait atteindre 90 % de la longueur totale du corps du capteur. La figure 4 represente le schéma électrique développé de 1 l'équipement électronique standard pouvant être utilisé avec des capteurs inductifs de course comprise entre quelques centimètres et plusieurs mètres. Le "bloc d'alimentation" qui n'est pas représenté sur ce schéma. fournit les tensions stabilisées suivantes: - tme tension de 30 V (+ et - 15 T) avec point médian - une tension de 10 T avec point 0 à la masse. Comme oscillateur sinasoldal. on utilise un montage à transistor unique T dont la liaison collecteur base est réalisée par un circuit déphaseur comprenant les con- densateurs C1, C2 et la self S constituée par une bobine à noyau magnétique. La bobine n'étant parcourue que par le courant de base du transistor. son coefficient de self-induction est particulièrement stable et la fréquence d'oscillation est pratiquement indépendante de la tension d'alimentation et de la température ambiante. La résistance R1 fixe la valeur du courant de polarisation de base du transistor T. La contre-réaction obtenue par la résistance d'émetteur R2 permet d'obtenir un signal de sortie parfaitement siniisoidal et d'amplitude constante. L'amplificateur basse fréquence. particulièrement simple. est constitué d'un circuit intégré linéaire A1 (amplificateur opérationnel) monté en générateur de courant. Le signal d'entrée sinusoidal, dont le niveau peut être réglé par le potentio- mètre P1. est appliqué à l'entrée non-inverseuse (+) de l'amplificateur opérationnel Al. La tension de contre-réaction. obtenue aux bornes de la résistance R5 . est appliquée a l'entrée inverseuse (-) par 1 'intermédiaire de la résistance R4 dont la valeur fixe le gain de A1. Le filtre "passe-haut" constitué par le condensateur C4 et la résistance R3 évite tout passage de courant continu de la source + 10 V vers Âî. L'enroulement primaire p du capteur est parcouru par le courant de sortie de l'amplificateur opérationnel 4. Ce courant. indépendant de l'impédance de p. est strictement propor- tionnel à la tension instantanée appliquée à l'entrée (+) de Le redresseur sans seuil fait appel également à un montage simple constitué d'un amplificateur opérationnel A2 monté en redresseur mono-alternance. Le signal d'entrée. provenant de l'enroulement secondaire s du capteur est appliqué k l'entrée (+) de de A2 par l'intermédiaire de la résistance R6. Du fait de la présence de la diode Do le gain de l'amplificateur A2 est élevé lorsque le signal d'entrée est négatif et pratiquement nul lorsque ce signal passe à un niveau positif. La résistance de contre-réaction W fixant le gain égal à l'unité dans le sens passant. on recueille aux bornes de la résistance R8 les demi-alternances négatives de la tension induite dans l'enroulement secondaire s.Ce montage présente l'avantage d'une impédance d'entrée très importante, indispensable pour une bonne linéarité du capteur. La tension redressée recueillie au point x est appliquée à l'entrée d'un filtre "passe-bas" constitué des résistances Rg. R10 et du condensateur C5. L'amplificateur de mesure proprement dit est constitué d'un amplificateur opérationnel A3 monté dans notre exemple en générateur de tension dent le gain peut titre ajusté au moyen du potentiomètre P3. Le potentiomètre P2 permet d'éliminer la partie non linéaire de la caractéristique: signal de sortie = r (profondeur d'engagement du noyau) représentée en figure 3. Il permet d'autre part de réaliser tout décalage de tension de sortie dans un but de régulation. La résistance R11 améliore re l'équilibrage des circuits d'entrée et évite les dérives provenant des variations de température. L'amplificateur A3 peut également être monté en générateur de courant pour l'utilisation d'appareils de mesure à courant contraint (0 i 20 mA ou 4 à 20 mA par exnmple). La figure 5 représente une variante d'exécution du capteur. destinée tout particu- lièrement aux équipements miniaturisés. Du fait de sa très faible épaisseur. ce twpe de capteur peur être logé dans un servo-moteur de régulation ou même dans le boitier d'un enregistreur potentiométrique à la place du potentiomètre à curseur dont l'usure rapide est à l'origine des pannes les plus fréquentes. Dans cette erécution. le noyau magnétique est constitué d'un feuillard en fer doux au en alliage de ferro-nickel de haute perméabilité magnétique L se déplaçant L l'in- térieur d'un mandrin isolant plat M. Les enroulements primaire p et secondaire s sont réalisés en "couche unique bifilaire" par le procédé connu sous la désignation "deux fils en main". La figure 6 représente une autre variante d'exécution permettant de réaliser des capteurs de très grande course dans un encombrement particulièrement faible, Le noyau magnétique souple est costitué par un feuillard de faible épaisseur ou par un câble multibrins en matériau de haute perméabilité magnétique C se déplaçant à l'intérieur d'une geinte isolante G pouvant être enroulée en hélice ou en spirale. Les enroulements primaire p et secondaire s sont avantageusement réalisés en "couche unique bifilaire" avant de courber le mandrin N oll la gaine isolante G. REVENDICATIONS. 1. Capteur de déplacement linéaire de type électromagnétique. comportant essentiellement denx enrculements esaxiaux dont le esuplage magnétique varie suivant une fonstion linéaire avec la pénétration d'un noyau eu matériau présentant une baute parméabilité magnétique. la linéarité étant assurée par la réalisation des enroulemonts à couche simple et spires jointives. 2. Capteur selon la revendication 1. caractérisé en ce que lenrculement primaire et l'onroulement secondaire sont réalisés en une opération suivant la technique de bobinage "bifilaire". 3. Capteur selon la revendication 1. caractérisé en ce que la ssetion du corps bobiné est rectangulaire et que le noyau mobile est constitué par un feuillard on métal ferre-magnétique. 4. Capteur selon la revendication 1. caractérisé en ce que le corps @obiré paut être droit ou eintré; dans ca dernier cas, le noyau mebile est constitué par un feuillard très souple @u par un câble multibrins en métal ferre-magnétique. 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1. à 4. caractérisé par le fait que l'alimantation de l'enroulement prinaire est assurée en courant alternatif @ont l'intensité reste constante. indépendamment des variations d'i@pédance du circuit primaire. 6. Capteur selon l'une quelconque des reverdications 1. é 5. caractérisé en ce que le pilotage de l'a@plificateur de @@urant primaire est réaligé au msyen d'un oscillateur à dépha@age par solf. délivrant @@ signal sinusoïdal particulièrement stable. 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1. à 5. caractérisé en ce que le signal alter@atif rac@silli aux bornes de l'enroulement secondaire est transforné en signal de rosnre analogique (ton@ion e@nti@ne en courant contiru) par des circuits électroniques de radressement et d'amplification équipés de circuits intégrés linéaires.