Brevet FR2502777A1 — publié le 19821001

L'invention concerne un transducteur à vibrations pour mesurer des vibrations et des chocs, spécialement des vibrations engendrées pendant le fonctionnement des machines ou d'équipement mécanique. Les vibrations sont l'un des paramètres importants, caractéristique des conditions de travail et du mode opératoire d'une machine. Il est de la plus grande importance de mesurer et d'évaluer des vibrations, en particulier pour des machines tournant à grande vitesse et pour des équipements fonctionnant en longue durée, tels que des turbines à vapeur ou à gaz. Dans les équipements mentionnés, les transducteurs à vibrations sont exposés, très souvent, à des hautes températures, à de fortes accélérations, pouvant atteindre, dans certains cas, en mode opératoire, une valeur d'amplitude de plusieurs centaines de microns, ou en opération courante, l'amplitude des vibrations est seulement de quelques microns. En outre, les transducteurs à vibrations doivent avoir un faible encombrement et un poids léger, une caractéristique linéaire dans un large éventail de mesures et doivent & re résistant aux interférences électromagnétiques. Présentement, on utilise couramment des transducteurs de vibrations à induction dans lesquels un aimant permanent est suspendu dans une membrane élastique entre deux bobines rigides. Alors, le transducteur se déplace dans lesdites bobines où une foce électromotrice est induite qui est amplifiée et mesurée par un équipement approprié. De tels transducteurs à induction ont l'inconvénient, sous certaines conditions, en particulier si l'amplitude des vibrations augmente largement, de rompre leurs organes. Ut autre transducteur à vibrations à induction connu concerne une bobine à transducteur et deux anneaux magnétiques. L'anneau magnétique intérieur qui se déplace, est monté avec jeu dans le cylindre de l'anneau magnétique extérieur. Dans l'espace cylindrique étroit, entre les deux anneaux magnétiques, se trouve une mince bobine à transducteurs dans un coussinet formant guide. L'oscillation de l'anneau magnétique intérieur mobile induit, dans la bobine à transducteurs, une force électromotrice qui est amplifiée et mesurée de manière convenable. L'inconvénient de ce type de transducteur à vibrations réside dans un signal relativement faible et dans un guidage im parfait de l'anneau magnétique intérieur mobile dans l'anneau magnétique extérieur rigide qui, formant guide, arrête son frottement croissant pendant le fonctionnement et contrecarre la marche des organes mobiles réciproquement. De ce fait, dans des amplitudes de faibles vibrations, des forces importantes non linéaires se développent en accord avec la force électromotrice induite en rapport avec la vitesse relative des anneaux magnétiques. Pour ces raisons, l'utilisation de ce transducteur à induction est limitée seulement pour mesurer la direction verticale. Un autre transducteur à induction possède, dans un profil en forme de guide au-dessus d'un corps aimanté monté rigidement et placé concentriquement, une bobine à transducteur à disque mince au-dessus de laquelle est disposé un aimant mobile sur son axe. Gracie aux aimants de polarité contraire, des forces de répulsion axiales sont créées dans leur espace (intervalle) de front commun, forces qui influent la marche comme un organe élastique soutenant l'aimant mobile dans une sustentation permanente au-dessus du corps aimanté. Ce type de transducteur à induction ne rend possible également la mesure de vibrations que dans la direction verticale. Il est connu également un transducteur de vibrations à induction équipé d'un aimant permanent mobile, monté dans un coussinet et fixé de chaque c8té par deux ressorts. Autour du coussinet, une bobine d'induction est disposée. Quand I'aimant se déplace, une force électromotrice est induite dans la bobine qui est amplifiée, mesurée et évaluée par un moyen approprié. Cependant ce type de transducteur a une faible sensibilité due au frottement dans le coussinet et due à la force de torsion transmise par les ressorts à l'aimant permanent et à sa pression sur les parois du coussinet. En outre, la masse et la fréquence propre des ressorts limitent l'utilisation de ces transducteurs à une zone relativement étroite de fréquence et d'accélération. Egalement, il est très difficile et cher de fabriquer des ressorts à une caractéristique et dimensions précises. Pour mesurer des vibrations, en particulier dans le domaine de l'invention, des transducteurs à vibrations piezoélectriques sont utilisés. Dans ces transducteurs piezo-électriques la propriété de certains cristaux est utilisée pour transmettre des forces mécaniques à une force électrique proportionnelle à l'accélération de la masse du transducteur piezo-électrique créé pendant la vibration. Cette force électrique est à nouveau amplifiée, mesurée et évaluée par un équipement approprié. L'avantage des transducteurs piezo-électriques réside dans leur aptitude à résister aux grandes accélérations et amplitudes de vibrations et aussi leurs petites dimensions. Cependant, ils donnent de faibles signaux. Toutefois, l'équipement d'amplification nécessaire doit autre à une distance relativement faible du transducteur piezo-électrique. En outre, les transducteurs piézo-électriques sont très sensibles aux changements irréguliers des températures. L'invention a pour but l'élimination de la majorité des inconvénients des transducteurs à vibrations connus. Selon l'invention, dans un transducteur de vibrations à induction pour mesurer les vibrations et les chocs, se trouve un aimant permanent monté mobile à travers au moins une bobine à induction qui est munie, dans la cavité axiale, d'un coussinet, de corps aimantés, placés face à face aux piles résultants, dans l'espace commun formés par ceux-ci, un aimant permanent mobile axialement avec des pales non-résultants, dans le coussinet portant des enroulements à induction autour de l'espace commun cité plus haut. Dans le coussinet, autour de l'espace commun formé par les corps aimantés, se trouvent des enroulements à induction speudobifilaires à l'endroit des intervalles polaires. Dans la cavité axiale du coussinet est monté un corps antifriction. L'aimant permanent peut porter une enveloppe antifriction. Le transducteur de vibrations à induction, selon l'invention, a des dimensions relativement petites et résiste aussi à une plage de température irrégulière et donne un signal de sortie relativement fort pour qu'il soit possible de placer l'équipement amplificateur et de mesure à une grande distance. Sa sensibilité est très bonne, gardant ses caractéristiques linéaires en dépendance de la force électromotrice de sortie et de la vitesse, il résiste à des températures jusqu'à 2500C. Deux modes de réalisation de l'invention sont montrés sur les dessins annexés - la figure 1 montre une coupe axiale de l'un des modes de réalisation, - la figure 2 est une coupe axiale du second. Comme montré en figure 1, le transducteur de vibrations à linduction, se présente sous la forme d'un corps cylindrique fermé 7 à l'intérieur duquel est fixé un coussinet 2, où se trouvent placés concentriquement des corps aimantés 5, 6, face à face. Entre les corps aimantés 5, 6 dans l'intervalle commun frontal de l'ouverture cylindrique du coussinet 2 est placé un aimant permanent 1 cylindrique mobile axialement. L'orientation des po- les résultant de l'aimantation des aimants 5, 6 et à travers les mêmes pales non-résultant orientés, se déplace l'aimant permanent 1 par les forces de répulsion axiales et dans le premier intervalle frontal 9 des pôles entre le premier aimant fixe 5 et l'aimant permanent mobile 1, aussi bien que dans le second intervalle frontal des pales 10, entre le second aimant fixe 6 et l'aimant permanent mobile 1. Les champs magnétiques dans les intervalles polaires situés face à face, font fonction d'organe élastique de poussée avec des caractéristiques très avantageuses. Les forces de répulsion des champs magnétiques agissant dans les intervalles polaires 9, 10 empêchent en même temps, dans une position stationnaire quelconque du transducteur de vibrations à induction, le contact direct de l'aimant permanent mobile 1 avec aucun des corps aimantés 5, 6. I1 est prévu une ouverture 12 frontale de ventilation dans l'aimant permanent mobile 1, qui comporte sur sa surface cylindrique extérieure, une enveloppe 8 anti-friction. Le matériau de la surface glissante de l'enveloppe 8 anti-friction et le matériau du coussinet 2 sont déterminés en fonction d'un facteur minimal mutuel de frottement. Deux évidements périphériques sont prévus sur la surface cylindrique extérieure du coussinet 2 pour permettre de placer des enroulements pseudo-bifilaires d'induction 3, 4. L'enroulement bifilaire des bobines 3, 4 est fait de deux conducteurs enroulés en forme d'enveloppe dans le corps de la bobine et de deux conducteurs d'une longueur sensiblement égale. Le conducteur de la première enveloppe est enroulé à contre sens du conducteur de la seconde enveloppe. Les deux conducteurs sont enroulés alternativement à leur voisinage immédiat, étant connectés conducteurs au centre du solénotde. L'étendue de cette disposition bifilaire du solénotde sert à compenser les champs magnétiques formés pendant le passage du courant électrique à travers les deux enveloppes d'enroulement conducteur. D'après l'invention, le concept du dispositif pseudobifilaire du solénoïde signifie une disposition de deux enveloppes d'enroulement conducteur à travers deux endroits d'enroulement indépendant. Dans le mode de réalisation montré, la première enveloppe d'enroulement conducteur de la première bobine à induction 4 est décalée axialement vers la seconde enveloppe d'enroulement conducteur de la seconde bobine à induction 5. Dans un tel dispositif pseudo-bifilaire les champs magnétiques formés pendant le passage du courant électrique à travers les deux enveloppes conducteurs sont compensés seulement partiellement. Autrement dit, le dispositif pseudo-bifilaire rend possible l'augmentation de la force électromotrice totale induite pendant le déplacement axial donné de l'aimant permanent 1 dans l'ouverture du coussinet 2. Un tel dispositif affaiblit en outre l'influence d'interférences, s'il y en a, des champs magnétiques extérieurs. Ce faible effet impose alors d'exécution du corps 7 en matériau ferromagnétique. Dans le second mode de réalisation montré en figure 2, le coussinet 2 est, dans son ouverture cylindrique, pourvu d'un corps mince cylindrique antifriction 11. Le coussinet 2 est fabriqué en céramique et le corps 11 anti-friction, en téflon. Cela empêche à l'aimant permanent 1 de venir frapper l'ouverture cylindrique du coussinet 2. Il garantit la stabilité dimensionnelle du coussinet 2, même pendant les changements de température relativement élevée. Autrement dit, ce second mode de réalisation est le même que le premier. Quand on fixe le transducteur de vibrations à induction sur un corps oscillant, tel qu'un palier support d'une turbine, l'aimant permanent 1 se déplace dans les parties fixes du transducteur, c'est-à-dire dans son corps 7, dans le coussinet 2, les corps aimantés 5, 6 et les bobines d'induction 3, 4. Pendant ce déplacement, les lignes de force de l'aimant permanent 1, croisent l'enroulement des bobines d'induction 3, 4, dans lesquelles la force électromotrice résultant est induite, amplifiée et mesurée alors par un équipement approprié. Grâce au dispositif speudo-bifilaire décrit des bobines d'induction 3, 4, cette force électromotrice résultant est la somme des forces partielles électromotrices formées séparément dans la première bobine à induction 3 et dans la deuxième bobine à induction 4, étant alors à sa valeur maximale. REVENDICATIONS 10) Transducteur de vibrations à induction pour mesurer des vibrations et chocs, caractérisé en ce qu'il comprend un aimant (1) permanent monté mobile à travers au moins une bobine à induction qui est munie, dans la cavité axiale d'un coussinet (2), de corps aimantés (5, 6) placés face à face aux pales résultant, dans l'espace commun formé par ceux-ci (9, 10), un aimant permanent (1) mobile axialement avec des pôles non-résultant, dans le coussinet (2) portant des enroulements à induction autour de l'espace commun cité plus haut. 20) Transducteur de vibrations à induction selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans le coussinet (2) autour de l'espace commun formé par les corps aimantés (5, 6), se trouvent des enroulements à induction speudo-bifilaires à l'en- droit des intervalles polaires (9, 10). 30) Transducteur de vibrations à induction selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans la cavité axiale du coussinet est placé un corps anti-friction (8). 40) Transducteur de vibrations à induction selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'aimant (1) permanent est muni d'une enveloppe anti-friction (11).