Brevet FR2547423A1 — publié le 19841214

Procédé de contrôle de la position d'une cible à l'intérieur d'une enveloppe à parois' épaisses, et appareil correspondant L'invention concerne un procédé de contrôle de la position d'une cible à l'intérieur d'une enveloppe à parois épaisses, et l'appareil correspondant. Le problème du contrôle de la position d'une pièce métallique, ou cible, dans une enveloppe à parois épaisses, se rencontre en particulier pour la surveillance du niveau de liquides corrosifs ou dangereux, ou placés dans des enceintes soumises à des températures ou à des pressions élevées Il se rencontre également pour la surveillance de l'état d'un clapet 10 par exemple, placé dans une enceinte soumise à des températures ou à des pressions élevées. Dans de tels cas, un flotteur ou un clapet porte une tige au bout de laquelle est placée une cible qui se déplace dans un tube, par exemple, à parois épaisses et non trans15 parentes. Pour contr 8 ler la position de cette cible dans une zone définie, il est connu d'utiliser un transformateur différentiel linéaire à couplage variable, défini usuellement par les initiales LVDT Un tel transformateur comporte un primaire 20 et deux secondaires montés en opposition La cible est alors un petit noyau magnétique dont la hauteur est plus petite que celle du bobinage Lorsque la cible se déplace à l'intérieur du bobinage, on peut ainsi contrôler sa position avec une bonne linéarité Mais si la cible sort du bobinage, on a une informa25 tion qui ne correspond plus à la position de la cible Il faut donc soit que la cible ne se déplace qu'à l'intérieur du bobinage, soit que le bobinage soit plus long que la course de la cible. Un autre inconvénient de ce système connu est qu'il fonctionne en signal sinusoïdal, de courant ou de tension. Il en résulte des déphasages entre le primaire et les secondaires du transformateur, ce qui entraîne des difficultés pour comparer les amplitudes des signaux primaire et secondaires. Par ailleurs, ce transformateur fonctionnant avec 35 une fréquence supérieure à 1 k Hz, les pertes par courant de Foucault dans les parois épaisses sont très importantes. Un but de la présente invention est de proposer un système de contrôle de la position d'une cible qui ne présente pas les inconvénients du transformateur de type LVDT connu, c'est-à-dire qui soit affranchi des déphasages, et dans une large mesure des pertes par courant de Foucault,dont la zone de contrôle ne soit pas limitée à la longueur du bobinage, et dont le capteur proprement dit puisse être disposé loin d'un circuit électronique d'alimentation et d'exploitation sans qu'il en résulte une plus grande sensibilité aux parasites. Un autre but de l'invention est d'assurer avec le même capteur la détection de deux positions différentes dont l'une est déterminée avec précision. La présente invention a pour objet un procédé de contrôle de la position d'une cible à l'intérieur d'une enve15 loppe à parois épaisses, caractérisé en ce qu'on utilise comme capteur un transformateur à couplage variable asymétrique, à deux secondaires en phase; et en ce que l'on définit à distance du capteur et par voie électronique la différence entre les signaux des deux secondaires. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: on utilise comme signal d'excitation du capteur un courant triangulaire, et on procède aux mesures par échantillonnage en fin de demi-période de courant d'excitation; le signal analogique de différence entre les 25 signaux des deux secondaires est comparé à des valeurs de seuil dans des comparateurs dont l'état de sortie est représentitif de la position de la cible; on utilise une cible magnétique suffisamment longue pour qu'une partie en soit toujours dans le capteur. L'invention a également pour objet un appareil de contrôle de la position d'une cible à l'intérieur d'une enveloppe à parois épaisses, caractérisé en ce qu'il comporte: un capteur constitué d'un transformateur à couplage variable asymétrique, à deux secondaires en phase, et un circuit électroni35 que, séparés par une ligne à quatre fils, un fil de masse, un fil d'alimentation en courant du primaire du transformateur et deux fils de transmission des signaux de sortie des deux secondaires. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: 3 2547423 -le circuit-électronique comprend un amplificateur différentiel à haute impédance d'entrée, élaborant le signal différence entre les signaux en provenance des deux secondaires, un générateur de tensions de seuil, et des compara5 teurs comparant le signal différence auxdites tensions de seuil; des circuits anti-rebonds sont prévus pour trans. mettre, après échantillonnage, l'état de sortie des comparateurs pour l'alimentation du capteur en courant, le 10 circuit électronique comporte un oscillateur, une horloge, un convertisseur de signaux carrés en signaux triangulaires, et un convertisseur tension-intensité; le capteur comporte un primaire, un secondaire de référence et un secondaire de mesure, le primaire et le 15 secondaire de référence étant bobinés l'un sur l'autre; le secondaire de mesure est plus long que le primaire et le secondaire de référence. D'autres caractéristiques de l'invention ressorten 1 de la description qui suit faite avec référence au dessin an20 nexé dans lequel on peut voir: Figure 1 un schéma symbolique simplifié d'un exemple de réalisation d'un appareil de contrôle de position d'une cible selon l'invention; Figure 2 un schéma électrique simplifié du cap-, 25 teur proprement dit de l'appareil de la figure 1; Figure 3 une représentation de quelques signaux électriques en différents points du schéma de la figure 1; Figure 4 un mode particulier de réalisation du capteur de la figure 2. En se reportant au dessin, on peut voir que l'appareil de contrôle de la position d'une cible à l'intérieur d'une enceloppe à parois épaisses se compose d'un capteur et d'un circuit électronique Le capteur 5 de la Figure 1 est représenté en détail sur la figure 2 Il est constitué d'un transforma35 teur à couplage variable asymétrique, comprenant un enroulement primaire 21, un premier enroulement secondaire 22 de référence, et un deuxième enroulement secondaire 23 de mesure Ces trois enroulements ont un conducteur commun de masse 2 4 Les deux secondaires 22 et 23 ne sont Das montés en opposition, mais 4 2547423 dans le même sens de façon que leurs signaux soient en phase. Le primaire 21 est alimenté en courant d'excitation Ie, le secondaire 22 de référence délivre une tension de référence Ur, et le secondaire 23 de mesure délivre une tension de mesure Um Devant le bobinage, est représentée la cible 20. En revenant à la figure 1, on voit qu'entre le capteur 5 et le circuit électronique, il y a une ligne symbolisée en 16, à quatre -fils, qui peut faire plusieurs centaines de mètres Le circuit électronique pour sa part, comporte: un 10 oscillateur 1 stable; une horloge 2; un convertisseur 3 de signaux carrés en signaux triangulaires, avec réglage automatique de la symétrie par rapport au zéro; un convertisseur 4 tension / courant pour alimenter le primaire 21 en courant triangulaire; un amplificateur différentiel 6 à haute impédance 15 d'entrée, recevant les deux signaux des deux secondaires 22 et 23 respectivement; deux comparateurs 7 et 8; un générateur 9 de tensions de référence pour la définition des seuils de détection; des circuits antirebonds 10, 11, ayant pour r 8 ôle d'éliminer les parasites; deux circuits de sortie 12 et 13 avec 20 les dispositifs correspondants d'affichage ou de signalisation 14 et 15, respectivement. L'oscillateur 1 fournit un signal de fréquence stable L'horloge 2 procède par divisions de fréquence, et transforme les signaux de l'oscillateur 1 en signaux carrés (ligne a, 25 Figure 3) de très basse fréquence ( 5 à 100 Hz) pour permettre la détection de la cible à travers des parois épaisses en minimisant l'influence des courants de Foucault Le convertisseur 3 transforme ces signaux carrés en signaux triangulaires (ligne b, figure 3) Ces signaux triangulaires sont réglés automatique30 ment pour être symétriques par rapport au zéro Le convertisseur tension / courant 4 permet d'alimenter le primaire 21 du transformateur à couplage variable en courant dont la dérivée par rapport au temps est constante pendant chaque demi-période. Théoriquement, la force électromotrice induite 35 dans chacun des secondaires 22 et 23, pendant chaque demi-période du courant triangulaire d'excitation, est constante En pratique, à chaque inversion de la pente du courant dans le primaire, il y a un phénomène transitoire; Cependant, dès que le phénomène transitoire est terminé, la tension dans un secondaire peut être considérée comme constante. Si l'on se place vers la fin de la demi-période correspondante, on peut alors faire plusieurs mesures successives, par échantillonnage, pendant que la tension est constante, de façon à ne transmettre un résultat de mesure qu'après confirmation de ce résultat par plusieurs mesures successives On peut ainsi s'affranchir de l'influence des parasites. En effet, un parasite se matérialise en général par un signal de tension instantané, qui peut fausser une mesure mais pas les autres mesures voisines On peut ainsi prendre par exemple la moyenne des échantillons de mesure pour faire pratiquement disparaître l'influence d'un parasite Avec les circuits anti-rebonds 10 et 11, on peut procéder:d'une manière un peu différente en ne laissant sortir le signal vers les circuits de 15 sortie 12, 13 que si le signal à l'entrée des circuits 10 et 11, respectivement, est resté constant un certain nombre de fois pour chacun des deux circuits 10 et 11 i Les échantillonnages sont assurés au moyen des signaux d'horloge émis à fréquence élevée par l'horloge 2, et synchronisés avec les signaux d'ex20 citation, comme représenté à la ligne c (figure 3) Selon l'invention, les circuits anti-rebondsassurent le filtrage des parasites et une certaine hystérésis Le système est très peu sensible aux parasites bien qu'on opère en très basses fréquence, car on a de multiples échantillons au cours d'une demie alternan 25 ce du courant triangulaire d'excitation du transformateur. Sur la figure 4, on a représenté un mode particulier de réalisation du capteur 5 selon l'invention La cible 20 en matériau magnétique se déplace dans un tube 25 en acier inox a-magnétique de grande épaisseur Autour de ce tube est disposée 30 une gane 26 en matériau amagnêtique (acier inox) consistant en une partie cylindrique appliquée sur le tube 25, et un disque supérieur. Pour constituer avec la gaine 26 un boîtier torique on a prévu une gaine extérieure 27 constituée d'une partie ex35 térieure cylindrique et d'un disque inférieur Cette gaine extérieure 27 est en matériau magnétique. A l'intérieur du boîtier ainsi constitué, est disposee une carcasse 28 de support des enroulements primaire et secondaires du transformateur Cette carcasse 28 est de préférence réalisée en matière plastique si l'appareil travaille à basse température, ou en céramique par exempie, s'il travaille à température élevée. Cette carcasse comprend un premier compartiment 29 relativement court, destiné à recevoir l'enroulement primaire 21 et l'enroulement secondaire de référence 22, et un second compartiment 30 nettement plus allongé que le premier, destiné à recevoir l'enroulement secondaire de mesure 23. La cible magnétique 20 est susceptible de se dépla10 cer verticalement Sa face supérieure 31 doit normalement se trouver au-dessus de la ligne de séparation des compartiments 29 et 30 et elle peut sortir du volume défini par le capteur S, vers le haut. Le compartiment 29 des enroulements primaire 21 et 15 secondaire de référence 22 se trouve en bas par rapport au compartiment 30, dans l'exemple de réalisation représenté. Selon l'invention, la cible magnétique 20 est suffisamment longue pour que, quelle que soit la position qu'elle doit prendre, une partie de cette cible soit logée dans le volu20 me défini par le compartiment 29. La cible 20 est liée à un organe déplaçable, tel que le flotteur, clapet, ou autre, et se déplace avec lui La position normale de repos ou de fermeture de cet organe correspond à une position de la face supérieure 31 de la cible 20 en 25 regard du niveau symbolisé en 32 (Figure 4), et correspondant à une longueur d'enroulement secondaire de mesure 23 sensiblement égale à la longueur de l'enroulement secondaire de référence 22 Pour cette position, les signaux Um et Ur transmis par les deux secondaires 23 et 22 respectivement, sont sensiblement 30 égaux La position normale d'ouverture de l'organe lié à la cible 20 correspond au niveau 33 de la face supérieure 31 de la cible, ce niveau étant compris entre le premier niveau 32 et un point situé légèrement avant l'extrémité du secondaire 23. Le principe de fonctionnement de l'appareil s'ana35 lyse de la façon suivante: pour un courant d'excitation triangulaire Ie donné, les tensions Ur et Um délivrées respectivement par les secondaires 22 et 23 sont appliquées aux deux entrées de l'amplificateur différentiel 6 qui délivre un signal analogique correspondant à la différence (Uni Ur). 7 2547423 Ce signal de différence est sensiblement égal à zéro lorsque la face 31 de la cible est au niveau 32, il est négatif lorsque la face 31 est en dessous du niveau 32, et positif lorsqu'elle est au dessus Ce signal de différence est appliqué aux deux comparateurs 7 et 8 qui eux, fonctionnent de façon logique. Chacun de ces comparateurs reçoit du générateur 9 une tension de référence correspondant par exemple à un seuil bas pour le comparateur 7 et à un seuil haut pour le comparateur 8 Dans certains cas on peut définir pour le seuil bas la valeur zéro, mais ce n'est pas obligatoire On peut ainsi par exemple définir un seuil bas correspondant à une position à peine ouverte d'un clapet, et un seuil haut correspondant à une position très ouverte Dans le schéma de la figure 1, on a représenté deux comparateurs 7 et 8 avec chacun un seuil de référence, on peut en 15 prévoir plusieurs et comparer le signal de différence (Um-Ur) à autant de seuils On pourrait également traiter le signal de différence de manière analogique Mais dans le cas de la figure 1, les états de sortie des comparateurs 7 et 8 permettent de dire si l'on se trouve au seuil bas, entre les deux seuils, 20 ou bien au seuil haut ou au-delà Les états de sortie des comparateurs logiques 7 et 8 sont examinés au cours des échantillonnages effectués à fréquence élevée par les circuits 10 et 11 pendant les -impulsions d'horloge symbolisées sur la ligne c (Figure 3) Lorsque plu25 sieurs échantillonnages successifs ont donné le même résultat, les états de sortie correspondants des comparateurs 7 et 8 sont transmis aux circuits de sortie 12 et 13, Si un parasite intervient dans la série de mesures, les états de sortie ne sont pas transmis avant une nouvelle série de mesures cohéren30 tes. L'appareil selon l'invention peut fonctionner dans des conditions de température ne dépassant pas le point de Curie des matériaux magnétiques, c'est-à-dire jusqu'à 600 C environ Le fil utilisé oour le bobinage est alors de préférence 35 du fil de cuivre ou de nickel, isolé par une céramique Le capteur présente l'avantage d'avoir une tension de référence sur place grâce au secondaire de référence 22 Cela permet de diminuer l'influence des variations de l'excitation, et d'éliminer pratiquement l'influence des paramètres locaux comme la 8 2547423 température En outre, on peut utiliser un capteur éloigné de plusieurs centaines de mètres du circuit électronique d'utilisation La différence (Um-Ur) étant faite dans ce circuit et non dans le capteur, l'influence des parasites de ligne est minimisée par la nature même de la ligne de liaison à quatre fils dont un fil de masse Un avantage de l'appareil selon l'invention est que cette ligne de liaison n'a pas besoin d'être blindée. Cet appareil s'applique notamment au domaine nu10 cléaire et à la chimie, dans les processus mettant en jeu des conditions de température élevée, ou de pression élevée, ou des conditions d'environnement corrosif impliquant des parois d'isolement épaisses. R E V E ND I C A T I O N S 1 Procédé de contrôle de la position d'une cible à l'intérieur d'une enveloppe à parois épaisses, caractérisé en ce qu'on utilise comme capteur un transformateur àcouplage variable asymétrique, à deux secondaires en phase; et en ce que l'on définit à distance du capteur et par voie électronique la différence entre les signaux des deux secondaires. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme signal d'excitation du capteur un courant triangulaire, et on procède aux mesures par échantil10 lonnage en fin de demi-période du courant d'excitation. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal analogique de différence entre les signaux des deux secondaires est comparé à des valeurs de seuil dans des comparateurs dont l'état de sortie est représentatif de la po15 sition de la cible. 4 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on utilise une cible magnétique suffisamment longue pour qu'une partie en soit toujours dans le capteur. S Appareil de contrôle de la position d'une cible à l'intérieur d'une enveloppe à parois épaisses, caractérisé en ce qu'il comporte: un capteur (S) constitué d'un transformateur à couplage variable asymétrique, à deux secondaires en phase, et un circuit électronique, séparés par une ligne ( 16) à quatre fils, un fil de masse ( 24), un fil d'alimenta25 tion en courant du primaire ( 21) du transformateur et deux fils de transmission des signaux de sortie des deux secondaires ( 22, 23). 6 Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit électronique comprend un amplificateur différentiel ( 6) à haute impédance d'entrée, élaborant le signal différence entre les signaux en provenance des deux secondaires ( 22, 23), un générateur ( 9) de tensions de seuil, et des comparateurs ( 7, 8) comparant le signal différence auxdites tensions de seuil. 7 Ap Dare 4 l selon la revendication 6, caractérise en ce que des circuits anti-rebonds ( 10, 11) sont prévus pour transmettre, après échantillonnage, l'état de sortie des comparateurs. 1 0 8 Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que pour l'alimentation du capteur ( 5) en courant, le circuit électronique comporte un oscillateur ( 1), une-horloge ( 2) un convertisseur ( 3) de signaux carrés en signaux triangu5 laires, et un convertisseur ( 4) tension-intensité. 9 Appareil selon la revendication 5, caractérisé que le capteur ( 5) comporte un primaire ( 21), un secondaire de référence ( 22) et un secondaire de mesure ( 23 le primaire ( 21) et le secondaire de référence ( 22) étant bobinés l'un-sur 10 l'autre. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que le secondaire de mesure ( 23) est plus long que le primaire ( 21) et le secondaire de référence ( 22).