Brevet FR2571845A1 — publié le 19860418

SYSTEME DE MESURE DE DISTANCE INDUCTIF SANS CONTACT,NOTAMMENT POUR LA DETECTION DU NIVEAU D'UN BAIN DE METAL LIQUIDE L'invention concerne un système de mesure de distance inductif sans contact, et plus précisément un système permettant de détecter le niveau d'un bain de métal liquide. Cependant, l'invention peut aussi bien s'appliquer à n'importe quel système dans lequel on désire mesurer la distance entre une bobine d'induction et un objet métallique, que cet objet métal- lique soit ferreux ou non derreux. L'invention s'applique plus particulièrement à la détection du niveau d'un bain d'aluminium fondu dans des matrices de moulage en régime continu. Un système de mesure de distance inductif sans contact destiné à mesurer les niveaux de bains métalliques liquides, est décrit par exemple dans le Brevet U.S.A. no 4030027 déposé le 14 juin 1977 par Yamada et Cie. Dans ce brevet, on utilise une bobine -d'induction dans le circuit de rétroaction d'un amplifi- cateur opérationnel muni de deux bornes d'entrée dont l'une est branchée à un oscillateur et dont l'autre est branchée au circuit de rétroaction ci-dessus. Le signal de sortie différentiel amplifié sortant de l'amplificateur, constitué par la différence entre le signal oscillant appliqué à l'amplificataur différentiel et le signal, également appliqué à l'amplificateur différentiel, variant en fonction de l'impédance de la bobine de détection, suivant la distance comprise entre cette bobine de détection et le corps métallique, donne une mesure de la distance entre la bobine et le corps métallique. L'un au moins des paramètres de gain en boucle ouverte de l'amplificateur différentiel et du niveau de rétro- action dans le circuit de rétroaction, sont prédéterminés de manière à linéariser, au moins dans une plage de mesure prédéterminée, les caractéristiques de sortie de l'ampli- ficateur différentiel résultant de la variation d'im- pédance de la bobine de détection provoquée par les variations de la distance. D'autres systèmes de ce type ont tenté de réaliser une variation de linéarisation du circuit de détection pour des variations de perméabilité de la bobine de détection, grâce Aàl'utilisation de ponts, de circuits de correction de phase, et autres. Ces circuits selon l'art antérieur utilisaient la correction de linéarisation en aval du premier amplificateur opérationnel, ou dans la boucle de rétroaction, comme dans l'exemple du Brevet U.S.A. n 4 030 027 ci-dessus. L'invention a pour but de créer un système perfectionné de mesure de distance inductif sans contactpermettant de mesurer les distances entre une bobine de détection et un objet métallique, cette mesure étant effectuée avec une très grande précision, soit sur une distance très courte, soit sur une distance très longue pouvant par exemple atteindre 254 mm. L'in- vention comporte des moyens permettant de compenser la température et autres effects non linéaires, tels que d'autres champs inductifs, des variations d'environnement, et autres. D'autres moyens, permettant de supprimer les effets non linéaires, comprennent un système de refroi- dissement du détecteur, une boite de contr8le d'environ- nement de l'appareil de traitement du signal, et un cir- 3- cuit de compensation électronique. Le système de détection sans contact selon l'invention est destiné à surveiller avec une très grande précision la distance entre un détecteur inductif et un objet métallique à des températures pouvant atteindre 16500C, ce qui permet ainsi d'utiliser le système pour détecter le niveau d'un bain de métal fondu. A cet effet, l'invention concerne un appareil de mesure de la distance entre une bobine de détection et un objet métallique, appareil caracté- risé en ce qu'il comprend un oscillateur, un amplifica- teur, un circuit L-C comprenant une bobine de détection et un condensateur reliant la sortie de l'oscillateur à l'entrée de l'amplificateur, de fa9on que l'ampli- tude du signal, apparaissant à la sortie de l'amplifi- cateur, varie en fonction de la distance entre la bobine de détection et un objet métallique placé au voisinage de celle-ci, et des moyens d'indication de l'amplitude de ce signal de sortie, c'est-à-dire de la distance entre la bobine de détection et l'objet métallique placé au voisinage de celle-ci. D'autres avantages caractéristiques de l'invention apportent les avantages suivants, en ce que: le circuit L-C est constitué par un circuit résonant en série; l'objet métallique est constitué par un bain de métal fondu; l'amplificateur est constitué par un amplificateur opérationnel présentant des bornes d'entrée positive et négative, en ce qu'une borne de sortie de l'oscillateur est branchée à la borne d'entrée de l'ampli- ficateur opérationnel, et en ce que l'autre borne de sortie de l'oscillateur est branchée, par l'intermédiaire du circuit L-C, à l'autre borne d'entrée de l'amplificateur opérationnel. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'appareil comprend des réseaux de rétro- action reliant la borne de sortie de l'amplificateur opérationnel à l'autre borne d'entrée. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les réseaux de rétroaction sont au nombre de trois, l'un d'eux étant constitué par une diode,- le second étant constitué par une résistance et, le troisième étant constitué par un condensateur. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la fréquence de sortie de l'oscillateur est décalée par rapport à la fréquence de résonance du circuit L-C, ce qui permet de rendre la sortie de l'amplificateur parfaitement linéaire. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la fréquence de sortie de l'oscillateur ept décalée par rapport a la fréquence de résonance du circuit L-C, d'environ 0,02% à 1,0%. L'invention sera décrite en détail en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe et en élévation représentant un ensemble de bobine de détection typique pouvant Utre utilisé dans l'appareil selon l'invention; - la figure 2 est une vue de la bobine de détection proprement dite, en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1; - la figure 3 est un schéma de circuit correspondant à une forme de réalisation de l'invention; et - la figure 4 est un diagramme de la distance en fonction de la tension de sortie, représentant le résultat de l'utilisation d'une source de tension d'entrée oscillante, de fréquence différente de la fréquence de résonnance du circuit L-C constitué par la combinaison de la bobine de détection et d'un conden- sateur branché à l'entrée d'un amplificateur opérationnel. En se référant maintenant aux dessins, et plus particulièrement à la figure 1, l'en- semble de bobine de détection représenté sur cette figure est particulièrement bien adapté à la mesure du niveau d'aluminium fondu liquide dans des matrices de machines de moulage en régime continu. Il comprend une coquille de détecteur extérieure 10 en matériau réfractaire tel que par ecemple de la silice fondue. Typiquement, cette coquille présente un diamètre extérieur de 127 mm, un diamètre intérieur de 101,6 mm et une lon- gueur d'environ 457 mm. Un manchon isolant 12 garnit le pourtour intérieur de la coquille 10. A l'intérieur du manchon 12 se monte un support de bobine cylindrique 14 en téflon ou autre, présentant une extrémité inférieure fendue portant la bobine 16 proprement dite. Un ensemble de capot de détec- teur recouvre l'extrémité supérieure de la coquill& de détecteur 10. Cet ensemble de capot comporte un boitier extérieur en forme de coupelle 18 fixé par des vis 20 à un rebord de détecteur 22 portant également un rebord 24 faisant saillie radialement vers l'extérieur à l'extrémité supérieure de la coquille de détecteur 10. Le rebord 22 peut à son tour être relié à n'importe quel dispositif de support convenable. Un tuyau 26 traverse la paroi latérale du boitier 18, et un prolongement métal- lique 28 se fixe à l'extrémité supérieure du support de bobine 14. Ce prolongement métallique pénètre à l'inté- rieur du boitier 18 et se relie, à son extrémité supérieure, par un dispositif de serrage 29, à un tuyau flexible cannelé 30. De cette façon, l'air ne peut pénétrer dans le tuyau 30 et descend à travers le prolongement 28 et la bobine 16 pour remonter ensuite par un passage annulaire 32 formé entre le manchon isolant 12 et le support de bobine 14, de manière à atteindre le boitier 18 et à sortir par le tuyau d'échappement 26. On peut bien évidemment, inverser si on le désire le sens du débit d'air, le but de ce débit d'air étant de réduire les varitaions de température de la bobine 16. Les détails de la bobine elle- même sont représentés sur la figure 2. Celle-ci comprend un capot extérieur 34 enfermant deux couches 36 de fil enroulé en hélice. Comme indiqué ci-dessus, l'extré- mité inférieure du support de bobine 14 est fendue, l'une de ces fentes étant représentée sur la figure 2 et repérée par la référence 38. L'extrémité inférieure du support 14 est munie d'un rebord annulaire 40, la bobine étant enroulée directement sur les doigts formés par les fentes 38. Un circuit typique utilisant le principe de l'invention, est représenté sur la figure 3. Celui-ci comprend une alimentation de puissance 42 bran- chée à un oscillateur44, une partie du signal de sortie de l'oscillateur apparaissant aux bornes du condensateur 46. Une borne du condensateur 46 est reliée à la borne d'entrée positive d'un premier amplificateur opérationnel 48, tandis que l'autre borne du condensateur 46 est reliée à la masse, La bobine de détecteur 16 et un condensateur sont branchés à la borne d'entrée négative d'un am- plificateur 48. Il-apparait à l'évidence que le condensa- teur 50 et la bobine 16 forment un circuit résonnant série L-C. Trois circuits de rétroaction sont branchés entre la sortie de l'amplificateur 48 et sa borne négative poar constituer un redresseur demi-onde de précision, le premier circuit de rétroaction compre- nant une diode 52, le second circuit comprenant une résistance 54, et le troisième circuit comprenant un condensateur 56. Des signaux d'une seule et même pola- rité traversent la diode 52 pour revenir à la borne négative de l'amplificateur 48, tandis que des signaux de polarité opposée traversent la diode 58, la résistance 54 et le condensateur 56 pour revenir à la borne d'entrée négative. Les signaux de sortie de l'ampli- ficateur 48 qui traversent la diode 58 sont appliqués, par l'intermédiaire d'une résistance 60, à un second amplificateur opérationnel 62 puis à un troisième apli- ficateur opérationnel 64, ces amplificateurs ne servant uniquement qu'à l'amplification. Le signal de sortie de l'amplificateur 64, constitué par un signal variant en fonction de la distance entre le bas de la bobine 16 et le niveau d'un bain métallique fondu placé au- dessous de celle-ci, apparait sur le conducteur 66 et se trouve appliqué à un circuit de compensation de tempé- rature 68. Au circuit de compensation de température 68 sont également branchés l'alimentation de puissance 42 et une thermistance 70 noyée dans les enroulements de la bobine de détecteur 16. Enfin, une thermistance 74 est branchée au circuit 68 et mesure la température de bobine en un point extérieur à l'ensemble de détecteur. Le fonctionnement satisfaisant du système de mesure de niveau sans contact selon l'invention, dépend de l'amplitude de la tension d'ali- mentation de puissance positive, de l'amplitude de la tension d'alimentation de puissance négative, de la température des circuits électroniques de l'appareil de traitement du signal, de la température de la bobine elle-même, de la température du fil de la bobine de détec- teur à l'extérieur de l'ensemble de-détecteur, et de la tension différentielle de bobine de détecteur, laquelle est proportionnelle au signal de sortie apparaissant sur le conducteur 66. Pour corriger les variations de température doit modifier le signal de sortie apparais- sant sur le fil 66 suivant l'équation ci-après: VCOMp=(KiV+) + (K2V-) + K3Vd + K4Vtemp + K5V0 + K6 + K7VWR dans laquelle: VCOMP est le signal de sortie compensé du circuit 68; V+ est l'amplitude de la tension d'alimentation de puissance positive; Y- est l'amplitude de la tension d'alimentation de puissance négative; Vd est la température des circuits électroniques de l'appareil de traitement-du signal; V est la température de la bobine 16 mesurée par temp la thermistance 70; V est la tension différentielle de la bobine de détecteur; VWR est la température du fil de bobine à l'extérieur de l'ensemble de détecteur, température étant mesurée par l'élément 74; et K1, K2, K3, K4, K5, K6 et K7 sont des constantes. Vd peut être obtenu par exemple à partir d'une thermistance ou de tout autre dispositif électrique de mesure de tem- pérature placé à l'intérieur du boitier de circuit 68. VCOMp apparait à la sortie du circuit de compensation de température 68 et peut être appliqué par exemple à un convertisseur analogique-numérique 17 branché à un appareil de lecture numérique 72 indiquant, par exemple en millimètres, la distance entre la bobine et un bain de métal fondu. Il est important de choisir, pour le circuit L-C constitué par le détecteur 16 et le condensateur 50, une fréquence de résonance qui soit différente de la fréquence de sortie de l'oscillateur 44, de manière à obtenir un signal de sortie linéaire sur une plage de distance relativement grande. Cela est illustré par exemple sur la figure 4, pour un circuit L-C (c'est-à-dire les éléments 16 et 50) présentant une fréquence de résonance de 18.324 Hertz. Lorsque la fréquence de sortie de l'socillateur 44 se trouve exac- tement à la fréquence de résonance de 18,324 Hertz, la courbe tension de sortie-distance est représentée par la courbe 74 de la figure 4. On remarquera que bien q4'une tension différentielle plus importante, de l'ordre de 8,5 volts soit obtenue sur une plage de mesure d'environ , 4 mm (12,7 à 38,1 mm), la plage elle-même est rela- tivement petite. Le fonctionnement de l'escillateur 44 à une fréquence de 18.229 Hertz, décalée de la fré- quence de résonance, donne la courbe 76 de la figure 4. On remarquera que la courbe 76 est linéaire sur une plage de 44,45 mm (19, 05 à 63,5 mm), la variation du signal de sortie dans cette plage étant de 5,5 volts. De plus grands écarts par rapport à la fréquence de résonance n'augmentent pas notablement la plage, comme illustré par les courbes 78, 80 et 82. De préférence, la variation de fréquence décalée par rapport à la fréquence de réso- nance doit être de 0,02 % à 0,010 %, et mieux de 0,04 % à 0,08 %. Bien que l'invention ait été représentée sous une forme particulière de réalisation, il est évident pour les spécialistes de la question que différentes modifications de forme et de disposition des pièces peuvent être réalisées sans sortir du cadre de l'invention. A ce propos, on peut faire varier la plage de mesure linéaire jusqu'à un maximum d'environ 254 mm, en faisant varier les paramètres du circuit. Il est également possible d'utiliser un circuit résonnant L-C parallèle à la place du circuit série représenté ici. De plus, deux circuits résonnants et/ou deux bobines de transducteurs peuvent alimenter un amplificateur opérationnel indépendant ou deux amplificateurs opérationnels, le signal de sortie étant proportionnel à la différence des circuits résonnants. La thermistance représentée ici peut par exemple être remplacée par un thermocouple, un fil RTD, ou autre, donnant un signal de température proportionnel à la température de la bobine et/ou à la température du réfrigérant. 257 1845 il REVENDICATIONS 1- Appareil de mesure de la distance entre une bobine de détection et un objet métallique, appareil caractérisé en ce qu'il comprend un oscillateur (44), un amplificateur (48), un circuit L-C comprenant une bobine de détection (16) et un conden- sateur (46) reliant la sortie de l'oscillateur à l'entrée de l'amplificateur, de façon que l'amplitude du signal, apparaissant à la sortie de l'amplificateur, varie en fonction de la distance entre la bobine de détec- tion et un objet métallique placé au voisinage de celle- ci, et des moyens d'indication de l'amplitude de ce signal de sortie, c'est-à-dire de la distance entre la bobine de détection et l'objet métallique placé au voisinage de celle-ci. 2- Appareil selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le circuit L-C est constitué par un circuit résonnant en série. 3- Appareil selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que l'objet métallique est constitué par un bain de métal fondu. 4- Appareil selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que l'amplificateur est constitué par un amplificateur opérationnel présentant des bornes d'entrée positive et négative, en ce qu'une borne de sortie de l'osoillateur est branchée à la borne d'entrée de l'amplificateur opérationnel, et en ce que l'autre borne de sortie de l'oscillateur est branchée, par l'inter- médiaire du circuit L-C, à l'autre borne d'entrée de l'amplificateur opérationnel. - Appareil selon la revendica- tion 4, caractérisé en ce qu'il comprend des réseaux de rétroaction reliant la borne de sortie de l'ampli- ficateur opérationnel à l'autre borne d'entrée. 6- Appareil selon la revendica- tion 5, caractérisé en ce que les réseaux de rétroaction sont au nombre de trois, l'un d'eux étant constitué par une diode, le second étant constitué par une résistance, et le troisième étant constitué par un condensateur. 7- Appareil selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la fréquence de sortie de l'oscillateur est décalée par rapport à la fréquence de résonance du circuit L-C, ce qui permet de rendre la sortie de l'amplificateur parfaitement liénaire. 8- Appareil selon la revendica- tion 7, caractérisé en ce que la fréquence de sortie de l'oscillateur est décalée par rapport à la fréquence de résonance du circuit L-C, d'environ 0,02 % à 1,0 %. 9- Appareil selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens branchés à la sortie de l'amplificateur pour compenser les variations de température suivant l'équation: v VCOMP=(KiV+) + (K2V-) + K3Vd + K4Vtemp + K5V + K6 + 7 WR dans laquelle: VCOMP est le signal de sortie compensé; V+ est l'amplitude de la tension d'alimen- tation de puissance positive; V- est l'amplitude de la tension d'alimen- tation de puissance négative; Vd est la température des circuits électro- niques de l'appareil de traitement du signal; Vtemp est la température de la bobine; Vtemp -V0 est la tension différentielle de bobine de détecteur; VWR est la température du fil de bobine à l'extérieur de l'ensemble de détecteur; et K1, K2, K3, K4, K5, K6 et K7 sont des constantes.