Brevet FR2498318A1 — publié le 19820723

La présente invention concerne un appareil combiné de mesure de vitesse et de dimension pour la mesure sans contact de la vitesse et d'une dimension, par exemple la largeur ou le diamètre, d'un passage de matière mobile. Des appareils optiques de mesure de la vitesse par corrélation sont déjà connus, par exemple d'après la revue technique suédoise Teknisk Tidskrift, 1976: 3, pages 18 à 21. Un tel appareil de mesure de la vitesse comprend d'une part un transducteur avec deux détecteurs de lumière et avec des éléments optiques (lentilles, diaphragme ou plaques à ouver- ture, etc.) qui recueillent la lumière issue de l'objet à mesurer et la délivrent aux détecteurs de lumière et, d'autre part, des organes de traitement des signaux qui, d'après les signaux de sortie des détecteurs de lumière, produisent une mesure de la vitesse de l'objet à mesurer. Par ailleurs, on sait déterminer optiquement une dimension d'un objet, par exemple reproduire l'objet sur un détecteur au moyen d'un système optique, ce détecteur compre- nant une multiplicité d'éléments photosensibles (photodiodes ou similaires). Par évaluation du signal de sortie ou des signaux de sortie du détecteur, on peut obtenir une mesure d'une dimen- sion de l'objet, par exemple le diamètre d'un objet de forme allongée. Des transducteurs de dimension de ce genre sont connus par exemple d'après la demande de brevet allemand n0 1 923 257. Le détecteur proprement dit peut être réalisé par exemple suivant la demande de brevet allemand n0 1 052 698 ou suivant Electronic Design, vol. 18, no 22, oct. 25, 1970, page 101. Les dispositifs de mesure des deux types mentionnés ci-dessus fonctionnent sans contact et ils conviennent donc pour une utilisation dans des conditions sévères et pour la mesure d'objets qui sont par exemple & une température élevée, là o d'autres procédés-de mesure ne peuvent pas être appliqués. Dans certains cas, il est souhaitable de mesurer le débit volumétrique à travers une.section d'un passage de matière mobile. On citera à titre d'exemple une situation dans laquelle un courant de..verre fondu ou de métal en fusion s'écou- le à partir d'un récipient, auquel cas il peut être nécessaire, pour la surveillance ou le contrôle de l'opération, de relever à chaque instant la quantité de matière qui coule par unité de temps. La mesure du débit volumétrique d'un tel courant pose des problèmes considérables, en raison notamment des conditions sévères de travail. L'une des difficultés résulte du fait que le diamètre d'un courant qui s'écoule librement diminue de façon continue de haut en bas. Si l'on veut obtenir une bonne précision de la mesure, il est donc nécessaire de mesurer le diamètre du courant au même endroit que là o est effectuée la mesure de vitesse et on rencontre de grandes difficultés pour y parvenir dans les conditions qui règnent ordinairement dans une opération de ce genre. Si l'on utilise par exempleun appareil de mesure de la vitesse par corrélation, celui-ci a, dans le cas typique, une base de mesure de 5 à 10 mm. Etant donné que le diamètre du courant varie souvent le long de l'écoulement, la mesure de diamètre doit être réglée de façon à être effectuée exactement au point correct dans les limites de la base de mesure et ce réglage doit être maintenu avec une grande précision au cours du fonctionnement de l'installation. Cela est difficile, sinon impossible lorsqu'on utilise des instruments entièrement séparés pour la'mesure de vitesse et la mesure de diamètre et, en tout cas, un nouveau réglage doit être effectué à la suite de l'enlèvement ou du remplacement de l'un quelconque des instruments, ce qui se traduit par une interruption de service qui gaspille du temps. L'invention a pour but de fournir un transducteur ou appareil de mesure du genre défini ci-dessus qui, de manière simple et économiquement avantageuse, permette de mesurer, simultanément et avec une grande précision, la vitesse et par exemple le diamètre d'un passage de matière mobile. L'in- vention a également pour but de fournir un appareil de mesure dans lequel l'endroit o le diamètre est mesuré puisse être réglé de manière simple dans la position exacte voulue et puisse être maintenu dans cette position, en rapport avec l'endroit o la mesure de vitesse est effectuée. L'appareil de mesure suivant l'invention est carac- térisé par le fait qu'il comprend un dispositif optique de mesure de la vitesse et un dispositif optique de mesure de la dimension, par le fait que des éléments optiques communs aux dispositifs de mesure sont agencés de manière à recueillir un rayonnement issu du passage de matière et par le fait que les éléments optiques communs consistent en une lentille objectif qui focalise le rayonnement, un diviseur de faisceau étant disposé dans le trajet du faisceau à la suite de l'objectif pour diviser le rayonnement en un premier faisceau, dirigé vers le dispositif optique de mesure de la vitesse, et un second faisceau, dirigé vers le dispositif de mesure de la dimension. L'invention sera décrite ci-après de façon plus détaillée, en référence aux fig. 1 et 2 annexées. La figure 1 représente un exemple d'appareil de mesure suivant l'invention. La figure 2 montre comment les signaux de sortie de l'appareil de mesure peuvent être utilisés pour une mesure de débit. La figure 1 représente un appareil de mesure suivant l'invention. L'appareil est disposé de façon à mesurer la vitesse et le diamètre d'un courant de matière A qui passe à la vitesse v en regard de l'appareil de mesure. Le courant de matière peut être par exemple un courant de verre fondu de section circulaire, s'écoulant d'un récipient. Le courant de verre chaud émet un rayonnement thermique qui est capté par une lentille objectif OB présentant l'axe optique OA. En arrière de l'objectif est disposé un miroir semi-transparentSL qui dévie une partie du rayonnement vers le côté en direction d'un diaphragme ou plaque à ouverture B2 et d'un détecteur PD3 qui servent à mesurer le diamètre du courant A. La partie du rayonnement qui poursuit son trajet dans la direction de l'axe optique rencontre un diaphrxagme BI et une plaque & fentes SP. Le diaphragme Bi est situé dans le plan focal de l'objectif. Ce peut être un simple diaphragme à ouverture, mais pour augmenter la quantité de rayonnement qui passe à travers le diaphragme, il peut être judicieux de réaliser le diaphragme avec une fente allongée dont l'axe longitudinal est perpendi- culaire au plan du papier-. La plaque à fentes SP présente deux fentes Si et S2 de forme allongée dont les axes longitudinaux sont perpendiculaires au plan du papier. Les fentes peuvent avoir par exemple une largeur de 0, 8 mm et être séparées par une distance de 4 mm. Les distances entre l'objet A et l'objec- tif OB et entre l'objectif et la plaque à fentes sont choisies de telle manière que l'objectif forme l'image de l'objet dans le plan de la plaque à fentes. Un point Pi de l'objet A est donc représenté sous forme d'un point dans la fente Si et un point P2 est représenté sous forme d'un point dans la fente S2. Le diaphragme Bi élimine tous les rayons issus de l'objet, à l'exception des rayons qui, entre l'objet et l'objec- tif, sont approximativement parallèles à l'axe optique. Il en résulte une sensibilité réduite aux variations de la distance entre l'objet et l'objectif. La profondeur de champ accrue, produite par le diaphragme, y contribue également. Le rayonnement provenant des fentes Si et S2 est dirigé par un prisme réfléchissant PR et par les lentilles Ll et L2 vers les détecteurs de lumière PDi et PD2 qui peuvent être constitués par des photodiodes. Les lentilles LI et L2 peuvent être disposées comme il convient pour former l'image du dia- phragme Bi sur les surfaces actives des détecteurs. Le signal de sortie du détecteur PDl correspond au rayonnement qui est émis à partir d'une ligne, perpendiculaire au papier, passant par le point Pi et le signal de sortie du détecteur PD2 corres- pond au rayonnement issu d'une ligne correspondante, passant par le point P2. Le rayonnement provenant de la surface de l'objet présente des variations entre différents points de cette surface. Ces variations ont pour effet que les signaux de sortie des détecteurs PD1 et PD2 varient dans le temps. En déterminant le décalage de temps TF entre les signaux de sortie des deux détecteurs, on peut déterminer la vitesse v du cou- rant A d'après l'équation suivante: v= TF dans laquelle LF est la base de mesure de l'appareil de mesure, c'est-à-dire la distance entre les points Pl et P2. Le rayonnement qui est dévié par le miroir SL ren- contre un diaphragme B2 qui est situé dans le plan focal de l'objectif. Ce diaphragme comporte une fente allongée dont l'axe longitudinal est situé dans le plan du papier et qui produit le même effet que le diaphragme BI décrit ci-dessus. Le rayon- nement qui traverse le diaphragme rencontre un détecteur PD3 qui est placé de telle manière que les points P3 de la surface de l'objet, situés le;long d'une ligne qui est perpendiculaire à la direction de mouvement du courant de matière, soient reproduits sur le détecteur. Le détecteur peut être opportu- nément réalisé, de façon connue en soi, avec une série de photodiodes qui sont disposées le long d'une ligne perpendi- culaire au plan du papier. L'une de ces diodes (D n) est repré- sentée schématiquement sur la figure. Par la détermination de celle des diodes ou du nombre de diodes qui sont frappées par le rayonnement provenant de l'objet, le diamètre du courant A peut être déterminé de façon connue en soi. La mesure de diamètre ainsi obtenue correspond au diamètre au niveau des points P3. En déplaçant le détecteur PD3 en direction latérale (dans la direction des flèches sur la figure), on peut déplacer la position des points P3 dans la direction longitudinale du courant A. Par exemple, dans le cas o l'appareil de mesure est utilisé pour déterminer le débit volumétrique du courant A, il est essentiel que le diamètre, qui diminue de façon continue de haut en bas, soit mesuré à l'endroit qui convient, c'est-à-dire au point o le diamètre correspond à la vitesse moyenne entre les points Pl et P2, mesurée par l'appareil de mesure de vitesse. Si le détecteur PD3 est équipé d'un dispositif de réglage approprié, par exemple d'une vis de réglage ou similaires, la position des points P3 peut être réglée avec une grande précision. Tous les groupes représentés sur la figure 1 sont opportunément réunis en un ensemble mécanique. Le réglage mentionné peut être alors effectué à l'usine ou dans un atelier d'entretien et aucun réglage n'est nécessaire au cours du montage ou en cas de remplacement d'un groupe défectueux par un groupe neuf ou réparé. De cette manière, une grande précision de mesure est obtenue et maintenue. En cours de service, le groupe peut être remplacé, de manière simple et rapide, par un autre groupe sans qu'il y ait besoin de procéder à un réglage qui représente une perte de temps. En outre, le fait qu'une partie dusystème optique est commune aux deux dispositifs de mesure se traduit par une réduction considérable du prix de revient, en comparai- son de deux appareils de mesure séparés pour mesurer la vitesse et le diamètre. La figure 2 montre schématiquement, à titre d'exemple, comment les signaux de sortie de l'appareil de mesure suivant l'invention peuvent être utilisés pour la détermination du débit volumétrique du courant A sur la fig. 1. L'ensemble FG comprend les éléments optiques représentés sur la fig. 1, ainsi que les trois détecteurs PD1, PD2 et PD3. A partir des détecteurs PDl et PD2 sont obtenus les signaux ul et u2, u2 étant retardé du temps TF par rapport à ul. Par détermination de la grandeur de ce retard, la vitesse du courant A peut être calculée de la manière indiquée précèdéeiment. Cela est effectué dans un circuit calculateur VB qui peut être conçu suivant la demande de brevet suédoise publiée no 409 907. A partir de ce circuit est-obtenu un train d'impulsions v', dont la fré- quence des impulsions est proportionnelle à la vitesse. Dans un convertisseur fréquence/numérique FD, le train d'impulsions est converti en un signal numérique qui correspond à la vitesse v du courant A. A partir du détecteur PD3 sont obtenus un ou plu- sieurs signaux u3 (par exemple un signal à partir de chaque photodiode) qui sont convertis, dans un circuit calculateur DB, en un signal numérique d qui correspond au diamètre du courant A. Dans un circuit d'élévation au carré SQ, le signal d est élevé au carré, ce qui donne un signal a qui est une mesure de l'aire de la section du courant A aux points P3. Dans un circuit multiplicateur MU, les signaux v et a sont multipliés et leur produit 0 est une mesure du débit volumétrique du courant A, c'est-à-dire du volume qui passe, par unité de temps, à travers une section du courant. Dans la plupart des cas, il semblerait que le mieux a faire est d'effectuer la mesure du diamètre le long d'une ligne (points P3) située dans les limites de la base de mesure (Pl - P2) de la mesure par corrélation, ligne qui est perpen- diculaire à la direction de mouvement du courant A. Mais une autre solution possible consiste à effectuer la mesure du diamètre en un endroit situé en dehors de la base de mesure, auquel cas la. valeur mesurée peut être corrigée, si nécessaire, de manière a obtenir le diamètre à l'endroit voulu. On peut éventuellement prévoir deux ou plusieurs dispositifs de mesure pour déterminer le diamètre, dispositifs qui déterminent le diamètre en des endroits différents le long de l'objet a mesurer, auquel cas le diamètre résultant peut être calculé en tant que valeur moyenne des diamètres mesurés ou en tant que toute autre fonction appropriée de ceuxci. Par exemple, deux dispositifs de mesure peuvent étre prévus pour déterminer le diamètre A chaque extrémité de la base de mesure. Afin d'accroître la précision de la mesure du diamètre, la valeur moyenne dans le temps du diamètre, pour un temps spécifié, peut être établie et utilisée par exemple pour calculer le débit de la manière indiquée sur la fig. 2. Le diaphragme B2 peut présenter un trou a la place d'une fente, mais la forme de réalisation ci-dessus décrite avec un diaphragme A fente est souvent préférable, en raison de sa plus grande capacité de transmission de la lumière. Si la surface active du détecteur PD3 a une étendue relativement grande, dans le plan du papier de la fig. l et perpendiculairement au rayonnement incident, un diaphragme peut être disposé en avant du détecteur. Le diaphragme est alors réalisé avec une fente étroite dont l'axe longitudinal est perpendiculaire au plan du papier. En déplaçant le diaphragme, isolément ou en même temps que le détecteur, dans la direction des flèches de la fig. 1, on peut régler l'empla- cement du point P3. La description qui précède indique comment l'inven- tion est appliquée a un courant de verre de section circu- laire. La dimension mesurée de l'objet est alors son diamètre. Mais dans le cas d'objets qui présentent d'autres formes, une 249831s autre dimension peut être mesurée, par exemple l'épaisseur d'un courant de matière de section rectangulaire et de largeur connue. L'invention peut être également appliquée à des objets solides, par exemple dans le cas d'un fil de métal ou d'une barre qui passe en regard de l'appareil de mesure. Si l'objet n'est pas suffisamment chaud pour émettre un rayonnement thermique suffisant, il peut être éclairé; dans ce cas, c'est la lumière réfléchie qui est utilisée pour déterminer la vitesse et le diamètre. En référence à la fig. 2, la description qui précède indique comment les signaux de sortie provenant d'un appareil de mesure suivant l'invention sont utilisés pour calculer le débit volumétrique, mais les valeurs de vitesse et de diamètre fournies par l'appareil de mesure peuvent être utilisées aussi. bien à d'autres fins. - REVENDICATIONS - ______________ 1. Appareil combiné de mesure de vitesse et de dimen- sion pour la mesure sans contact de la vitesse et d'une dimen- sion telle que la largeur ou le diamètre d'un passage de matière en mouvement (A), caractérisé en ce que cet appareil de mesure comprend un dispositif optique de mesure de la vitesse (OB, Bi, SP, PR, Ll, L2, PD1, PD2) et un dispositif optique de mesure de la dimension (OB, SL, B2, PD3), en ce que des éléments optiques (OB) communs aux dispositifs de mesure sont agencés de manière à recueillir un rayonnement issu du passage de matière, et en ce que les éléments optiques communs consistent en une lentille objectif (OB) qui focalise le rayonnement, un diviseur de faisceau (SL) étant disposé dans le trajet du faisceau à la suite de l'objectif pour diviser le rayonnement en un premier faisceau, dirigé vers le dispositif optique de mesure de la vitesse (Bi, SP, PR, Ll, L2, PD1, PD2), et un second faisceau, dirigé vers le disposi- tif de mesure de la dimention (B2, PD3). 2. Appareil de mesure selon la revendication 1, dans lequel le dispositif optique de mesure de la vitesse est conçu avec une base de mesure prédéterminée (LF), caractérisé en ce que le dispositif de mesure de la dimension est agencé de manière à mesurer une dimension du passage de matière en un endroit de mesure (P3) situé dans les limites de la base de mesure (P1-P2). 3. Appareil, de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de mesure de la dimension est équipé de moyens permettant de déplacer et de régler la positon de l'endroit de mesure dans les limites de la base de mesure. 4. Appareil de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce-que le dispositif de mesure de la dimension est agencé de manière à mesurer une dimension du passage de matière en plusieurs endroits de mesure différents le-long du passage de matière. 5. Appareil de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de mesure de la vitesse est agencé de manière à déterminer la vitesse du passage de matière au moyen d'une méthode de corrélation. 6. Appareil de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de mesure de la dimension comprend une série de photodiodes séparées ou intégrées mutuel- lement. 7. Appareil de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des diaphragmes.(B1, B2) agencés de manière à éliminer les rayons rencontrant l'objec- tif qui ne sont pas approximativement parallèles à l'axe optique de l'objectif. 8. Appareil de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce que les diaphragmes (Bi, B2) sont situés dans le plan focal de l'objectif. 9. Appareil de mesure selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend un diaphragme à fente (Bi), prévu pour le dispositif de mesure de la vitesse, diaphragme qui est orienté de manière à laisser passer le rayonnement issu de points situés le long de lignes qui, sur la surface de l'objet, sont perpendiculaires à la direction de mouvement de l'objet. 10. Appareil de mesure selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend un diaphragme à fente (B2), prévu pour le dispositif de mesure de la dimension, diaphragme qui est disposé de manière à laisser passer le rayonnement issu de points situés le long de lignes qui, sur la surface de l'objet, sont parallèles à la direction de mouvement de l'objet.