Brevet FR2506023A1 — publié le 19821119

Capteur de déplacement d'objets et dispositif en faisant application pour la mesure de la vitesse de rotation et des fréquences de vibration d'un rotor, notamment d'une roue de turbomachine. La présente invention concerne un capteur de déplacement d'objets plus particulièrement adapté au comptage à grande vitesse de défilement d'objets non magnétiques qu'ils soient peu ou très conducteurs. Les capteurs de l'art antérieur, destinés à compter des objets métalliques défilant à grande vitesse, utilisent, soit les propriétés magnétiques des matériaux composant ces objets, soit leur conductivité électrique En effet, le passage d'une masse composée d'un matériau ferro- magnétique à proximité d'une bobine de fil conducteur comportant un noyau métallique aimanté provoque une va- riation de l'induction magnétique dans le noyau, donc une impulsion de tension au bord de la bobine Cette impulsion est ensuite amplifiée, filtrée et mise en forme afin d'être prise en compte par des circuits logiques de comptage La conductivité électrique est, pour sa part, utilisée -en exploitant la variation de self d'un bobinage alimenté par un courant Cette variation de self provient des courants de Foucault induits dans le métal conducteur dont sont faits les objets La sensibilité de ce système est directement liée à la conductivité du métal. Ces capteurs de l'art antérieur présentent plusieurs inconvénients qui limitent leur utilisation En effet, leur emploi nécessite la présence d'un élément ferro- magnétique dans les objets comptés ou une faible résis- tivité électrique De plus, en présence de bruit radio- électrique, plus spécialement du type haute fréquence, la bobine de fil conducteur du capteur fournit une tension 2 2506023 avec un niveau de bruit souvent suffisant pour empêcher un comptage précis des objets Ce bruit radioélectrique est particulièrement important dans des structures telles que les turboréacteurs d'avion o il est nécessaire de mesurer avec précision la vitesse de rotation du rotor. La présente invention a pour objet un capteur de dépla- cement d'objets qui vise à remédier à ces inconvénients A cet effet, le capteur de déplacement d'objets conforme à l'invention comporte un circuit résonnant composé au moins d'un élément selfique et d'un condensateur dont une des armatures est constituée par une surface conductrice et l'autre successivement par chaque objet passant à proxi- mité de cette surface, ledit circuit résonnant étant cou- plé a un premier oscillateur dont il détermine la fréquen- ce de fonctionnement de sorte que le signal issu de ce premier oscillateur est modulé en fréquence au rythme du passage des objets à proximité du capteur. Selon un mode de réalisation préférentiel, dans le cap- teur de déplacement conforme à l'invention, le signal modulé en fréquence issu du premier oscillateur est dé mo- dulé au moyen d'un discriminateur de fréquence comportant un second oscillateur asservi par une boucle de phase comprenant un premier circuit multiplieur et un premier intégrateur, le signal de référence appliqué à l'une des entrées du circuit multiplieur étant le signal modulé en fréquence issu du premier oscillateur. Selon une autre caractéristique de l'invention, le signal de sortie du premier intégrateur est connecté à une entrée d'un second multiplieur dont la sortie est reliée à la seconde entrée dudit multiplieur par l'intermédiaire d'un second intégrateur et d'un troisième oscilateur montés en 3 2506023 série. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description et des figures d'exemples de mise en oeuvre de l'invention donnés & titre non limitatifs. La figure 1 est un schéma qui permet d'illustrer le fonctionnement d'un capteur de déplacement d'objets conforme à l'invention. La figure 2 est un exemple de réalisation du circuit résonnant utilisé pour la mise en oeuvre de l'inven- tion. La figure 3 est un bloc diagramme qui montre un exemple de réalisation préférentiel pour l'exploi- tation du signal modulé en fréquence utilisé dans un capteur conforme à l'invention. La figure 1 montre un exemple de capteur conforme à l'invention appliqué à la mesure de la vitesse de rotation d'une roue de turbine 1 Ce capteur comporte un circuit résonnant qui se compose d'un élément selfique 2 et d'un condensateur dont l'une des armatures est constituée par une surface conductrice 3 et l'autre successivement par chacune des aubes 4 de la roue de turbine 1 qui passent à proximité de cette surface conductrice 3 Le circuit ré- sonnant est couplé, par un-câble coaxial 5, à un oscilla- teur 6 dont la fréquence de fonctionnement est déterminée par la valeur de l'élément selfique, la capacité des dif- férents condensateurs parasites et la capacité du conden- sateur formée, d'une part, par la surface métallique 3 incorporée au capteur et, d'autre part, par l'aube métal- lique 4 la plus proche du capteur Les objets conducteurs qui défilent à proximité du capteur, plus particulièrement dans cet exemple la roue de turbine 1, sont reliés élec- triquement à l'oscillateur 6 Lorsque la roue de turbine 1 est en rotation, à vitesse constante, les aubes métal- liques 4 défilent à proximité de la surface métallique du capteur La valeur de la capacité du condensateur formée par cette surface métallique 3 et la surface des aubes 4 va donc varier selon une loi périodique dont la période est égale à celle du défilement des aubes devant le cap- teur Ainsi, la fréquence de la tension S disponible à la borne 7 de sortie de l'oscillateur 6 va donc varier en fonction du temps selon cette même loi La fréquence maximale de cet oscillateur, en l'absence d'aubes 4, est définie par la valeur de l'élément selfique situé dans le capteur et la capacité des différents condensateurs inhé- rente à la forme de ce capteur Par contre, la fréquence minimale de l'oscillateur est obtenu lorsque la capacité du condensateur est maximale, c'est-à-dire lorsqu'une aube 4 se trouve en regard de la surface métallique 3 On re- marque que l'élément selfique 2 est placé à l'intérieur d'un bottier métallique 8 a l'une des extrémités duquel se trouve la surface métallique 3. La figure 2 montre une disposition particulière des élé- ments à l'intérieur du boîtier métallique 8 Dans cet exemple, l'élément selfique 2 est constitué par un bobi- nage torique dont le noyau 9 peut être un tore magnétique. Un tel bobinage permet une meilleure insensibilité à l'en- vironnement radioélectrique En plus des éléments précé- demment décrits, ce capteur comporte une plaque 10 cons- tituée d'un matériau diélectrique qui permet une protec- tion de l'intérieur du capteur vis-à-vis du milieu exté- rieur (composition chimique, conditions climatiques, etc), ce qui peut s'avérer nécessaire, par exemple pour la détermination de la vitesse de rotation d'une turbine. De plus, la constante diélectrique de la plaque 10 permet d'augmenter la capacité-du condensateur constitué par la surface conductrice 3 et les objets conducteurs qui dé- filent devant elle, ce qui augmente la sensibilité du cap- teur Des points de fixation 11 sur le corps du boîtier métallique 8 sont prévus pour les contacts de masse Selon une variante de réalisation, le boîtier 8 pourrait être non conducteur et les points de fixation 10 seraient alors situés sur le conducteur extérieur du câble coaxial 5. La figure 3 montre un exemple de réalisation préféren- tielle des circuits utilisés pour le traitement du signal S modulé en fréquence, selon le rythme de défilement des objets conducteurs à proximité du capteur, issus de l'os- cillateur 6. Un premier circuit se compose d'un multiplieur 12, d'un oscillateur commandable 13 et d'un intégrateur 14 L'inté- grateur 14 est constitué, d'une manière très classique, d'un amplificateur 15, d'une résistance 16 de valeur Rl et d'un condensateur 17 de valeur Cl Le produit Rl Cl déter- mine la constante de temps de l'intégrateur 14. Le multiplieur 12 reçoit sur l'une de ses entrées, le signal S et, sur l'autre entrée, le signal issu de l'os- cillateur commandable 13 Cet oscillateur 13 est asservi en fréquence sur le signal S par l'intermédiaire d'une boucle de phase classique constituée du multiplieur 12 et de l'intégrateur 14 connecté entre la sortie de ce multi- plieur 12 et l'entrée de commande de la fréquence de l'os- cillateur commandable 13 Ainsi, le signal Si de commande d'asservissemnt de l'oscillateur 13 à la fréquence du si- gnal S est un signal périodique qui correspond très exac- tement à la fréquence de modulation de l'oscillateur 6 Ce premier circuit formé par le multiplieur 12, l'oscillateur 13 et l'intégrateur 14 constitue donc un discriminateur de fréquence 'a boucle de phase. On comprend aisément que le signal périodique SI est non seulement constitué d'un signal périodique principal qui représente le passage des aubes 4 devant le capteur mais aussi de différents signaux périodiques secondaires consé- cutifs, par exemple à des vibrations ou des balourds Il peut donc être souhaitable d'isoler, dans le signal Sl, le signal périodique qui correspond effectivement au passage des aubes A cet effet, on utilise un deuxième circuit constitué, comme le précédent, par une boucle de phase composée d'un multiplieur 18, d'un oscillateur commandable 19 et d'un intégrateur 20, cet intégrateur 20 comprenant lui-même un amplificateur 21, une résistance 22 de valeur R 2 et un condensateur 23 de valeur C 2 Un condensateur de liaison 24 permet d'éliminer du signal Sl la composante continue Ainsi, le signal 52 disponible à la sortie de l'oscillateur commandable 19, est un signal alternatif dont la fréquence est asservie à celle de la raie prin- cipale du spectre du signal Sl Ce second circuit se comporte comme un filtre passe-bande, centré sur la fréquence du signal à extraire, et ayant une bande pas- sante définie par la valeur du produit R 2 C 2. La fréquence du signal alternatif 52 permet donc de déter- miner avec une grande précision la vitesse de rotation du rotor 1 Cependant, on peut souhaiter utiliser le dispo- sitif de l'invention pour déterminer par exemple les fré- quences de vibration du rotor Dans ce cas, ce sont les signaux périodiques secondaires contenus dans Sl qui sont intéressants Ces signaux périodiques secondaires peuvent être mis en évidence en effectuant la différence Sl 52 Cette différence peut être obtenue à l'aide d'un circuit d'extraction 25 qui délivre ainsi à sa sortie un signal périodique 53 qui représente les composantes basse fréquence du signal de modulation correspondant, par exem- ple pour une turbine, aux vibrations des aubes Selon un mode de réalisation, ce circuit d'extraction 25 peut être constitué d'un mélangeur permettant d'obtenir par diffé- rence entre les spectres de fréquence des signaux Sl et 52 les composantes basse fréquence. Un avantage particulier du dispositif de l'invention est le choix possible de la -fréquence de l'oscillateur permet- tant ainsi de se placer dans une zone de fréquence présen- tant un minimum de bruit radioélectrique Par ailleurs, le dispositif d'extraction présente, vis-à-vis des parasites, la supériorité inhérente aux procédés à modulation de fré- quence dont l'immunité contre ces parasites est élevée. Un autre avantage du dispositif selon l'invention est le bon fonctionnement en présence d'objets composés de métaux de haute résistivité. On notera également que le dispositif selon l'invention est sensible aux très faibles variations de fréquence; il permet donc de mesurer des vitesses de rotation très lentes. Le dispositif de l'invention trouve une application parti- culièrement intéressante dans le domaine des turboma- chines Il permet en effet de mesurer la vitesse de rota- tion des rotors, notamment des roues de turbine, ainsi que les modes de vibrations des différents éléments du rotor, notamment des aubes. 8 2506023 REVENDICATIONS 1 Capteur de déplacement d'objets ( 4) caractérisé en ce qu'il comporte un circuit résonnant composé au moins d'un élément selfique ( 2) et d'un condensateur dont l'une des armatures est constituée par une surface conductrice ( 3) et l'autre successivement par chaque objet ( 4) passant à proximité de cette surface ( 3), ledit circuit résonnant étant couplé à un premier oscillateur ( 6) dont il déter- mine la fréquence de fonctionnement de sorte que le si- gnal issu de ce premier oscillateur ( 6) est modulé en fré- quence au rythme du passage des objets ( 4). 2 Capteur de déplacement d'objets selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal modulé en fréquence issu du premier oscillateur ( 6) est démodulé au moyen d'un discriminateur de fréquence comportant un second oscilla- teur ( 13) asservi par une boucle de phase comprenant un premier circuit multiplieur ( 12) et un premier intégrateur ( 14), le signal de référence appliqué à l'une des entrées du premier circuit multiplieur ( 12) étant le signal modulé en fréquence issu du premier oscillateur ( 6). 3 Capteur de déplacement d'objets selon la revendication 2, caractérisé en ce que le signal de sortie du premier intégrateur ( 14) est connecté à une entrée d'un second multiplieur ( 18) dont la sortie est reliée à la seconde entrée dudit multiplieur ( 18) par l'intermédiaire d'un second intégrateur ( 20) et d'un troisième oscillateur ( 19) montés en série. 4 Capteur de déplacement d'objets selon l'une des re- vendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément sel- fique ( 2) est constitué d'une bobine d'un fil conducteur dont une extrémité est électriquement relié à la surface conductrice ( 3) qui constitue l'une des armatures du condensateur. Capteur de déplacement d'objets selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément selfique ( 2) est cons- titué d'un fil conducteur bobiné sur un tore magnétique ( 9). 6 Capteur de déplacement d'objets selon l'une des reven- dications 1 à 5, caractérisé en ce que le circuit réson- nant est éloigné du premier oscillateur( 6) auquel il est couplé par un câble coaxial ( 5). 7 Capteur de déplacement d'objets selon l'une des re- vendications 1 à 6, caractérisé en ce que la surface con- ductrice ( 3) et l'élément selfique( 2) sont séparés des ob- jets qui passent en regard du capteur par au moins une partie diélectrique ( 10). 8 Capteur de déplacement d'objets selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'un circuit 25 effectue la différence entre le signal de sortie du premier intégrateur ( 14) et le signal de sortie du troisième oscillateur de sortie ( 19). 9 Dispositif pour mesurer la vitesse de rotation d'un rotor, notamment d'une roue de turbomachine, caractérisé en ce qu'il fait application, pour compter les passages successifs de différents éléments, notamment des aubes dudit rotor, d'un capteur de déplacement d'objets conforme à l'une des revendications 1 à 7. Dispositif pour mesurer la fréquence de vibration d'un rotor, notamment d'une roue de turbomachine, caractérisé en ce qu'il fait application, pour isoler le signal pério- dique caractéristique de la vibration, d'un capteur de déplacement d'objets équipé, conformémnent à la reven- dication 8, d'un circuit diff&rentiateur ( 25).