Brevet FR2575282A1 — publié le 19860627

Dispositif pour la mesure d'un angle de rotation de faible valeur et application à la mesure du couple de torsion d'un arbre. La présente invention concerne un dispositif pour la mesure des angles de rotation de faible valeur. Elle trouve une application particulièrement intéressante dans la mesure du couple de torsion d'un arbre d'une machine tournante. Les dispositifs connus pour la mesure des couples de torsion présentent l'inconvénient ci-après : ou bien leur sensibilité est insuffisante ou bien ils ont la sensibilité recherchée mais au prix d'un affaiblissement de la rigidité de la ligne d'arbres sur laquelle ils sont installés, cet affaiblissement pouvant entrainer, aux grandes vitesses de rotation, une rupture dangereuse de la ligne d'arbres. Un but de la présente invention est de réaliser un dispositif pour la mesure de couples, ayant une grande sensibilité et ne modifiant pas les caractéristiques de la ligne d'arbres sur laquelle il est monté. Plus généralement, un but de l'invention est de réaliser un dispositif pour la mesure précise des angles de rotation de faible valeur. L'invention a pour objet un dispositif de mesure de la valeur de l'angle de rotation de deux pièces ou de deux portions d'une même pièce l'une par rapport à l'autre, caractérisé en ce que chacune des pièces ou portion de pièce est solidaire d'une plaque dont le plan est perpendiculaire à l'axe de rotation, les deux plaques étant proches l'une de l'autre, chaque plaque comprenant deux rangées de fenêtres optiques séparées par des portions opaques, les quatre rangées étant en vis-à-vis deux à deux et le restant au cours de la rotation, les largeurs des fenêtres et des portions opaques étant choisies po;;r que deux rangées en vis-à-vis constituent un système vernier à lecture optique et pour que les configurations des deux systèmes vernier aient des phases évoluant en sens opposé au cours de la rotation, le dispositif comprenant en outre, des moyens pour éclairer l'une des plaques, des capteurs photo-électriques recevant la lumière ayant traversé les deux plaques et un dispositif électronique d'analyse des signaux émis par les capteurs photo-électriques et de mesure du déphasage entre les deux configurations. Dans un mode préféré de réalisation, le dispositif de mesure de la valeur de l'angle de rotation de deux pièces ou de deux portions d'une même pièce l'une par rapport à l'autre est caractérisé en ce que chacune des pièces ou portions de pièce est solidaire d'une couronne coaxiale à l'axe de rotation, lesdites couronnes étant parallèles et proches l'une de ltautre, chaque couronne portant une première série et une seconde série de fenêtres séparées par des portions opaques et disposées selon des circonférences concentriques, la première série de la première couronne étant en vis-à-vis de la première série de la seconde couronne, la seconde série de la première couronne étant en vis-à-vis de la seconde série de la seconde couronne, toutes les fenêtres d'une même série ayant une même largeur périphérique et étant régulièrement espacées, la largeur périphérique des fenêtres de la première série de la première couronne étant égale à la largeur périphérique des portions opaques qui les séparent, la largeur périphérique des fenêtres de la seconde série de la première couronne étant égale à la largeur périphérique des portions opaques qui les sépare, la largeur périphérique des fenêtres de la première série de la seconde couronne étant un peu inférieure à la largeur périphérique des fenêtres de la première série de la première couronne les portions opaques séparant ces fenêtres ayant une largeur égale à celle des fenêtres de la première série de la première couronne, la largeur périphérique des fenêtres de la seconde série de la seconde couronne étant un peu supérieure à la largeur périphérique des fenêtres de la seconde série de la première couronne, les portions opaques les séparant ayant une largeur égale à celle des fenêtres de la seconde série de la première couronne, au moins une source lumineuse éclairant toutes les fenêtres et les portions opaques de la première couronne, deux séries de capteurs photo-électriques disposés selon deux circonférences, chacune devant l'une des deux séries de fenêtres de la seconde couronne, et un dispositif de traitement des signaux électriques émis par les capteurs, comprenant au moins un organe de mesure du déphasage entre les deux configurations de signaux émis des deux séries de capteurs photo-électriques. L invention a également pour objet un dispositif pour la mesure du couple de torsion d'un arbre d'une machine, caractérisé en ce qu'il comprend deux brides calées sur ledit arbre, chaque bride portant une plaque dont le plan est perpendiculaire à l'axe de rotation, les deux plaques étant proches l'une de l'autre, chaque plaque comprenant deux rangées de fenêtres optiques séparées par des portions opaques, les quatre rangées étant en vis-à-vis deux à deux et le restant au cours d'une torsion de l'arbre, les largeurs des fenêtres et des portions opaques étant choisies pour que deux rangées en vis-à-vis constituent un système vernier à lecture optique et pour que les configurations des deux systèmes vernier aient des phases évoluant en sens opposé au cours d'une torsion, le dispositif comprenant en outre des moyens pour éclairer l'une des plaques, des capteurs photo-électriques recevant la lumière ayant traversé les plaques et un dispositif électronique d'analyse des signaux émis par les capteurs photo-électriques et de meusre du déphasage entre les deux configurations. Dans un mode préféré de réalisation, le dispositif pour la mesure du couple de torsion d'un arbre d'une machine est caractérisé en ce qu' il comprend deux brides calées sur ledit arbre, chaque bride portant une couronne coaxiale audit arbre, lesdites couronnes étant parallèles et proches l'une de l'autre, chaque couronne portant une première série et une seconde série de fenêtres séparées-par des portions opaques et disposées selon des circonférences concentriques, la première série de la première couronne étant en vis-à-vis de la première série de la seconde couronne, la seconde série de la première couronne étant en vis-à-vis de la seconde série de la seconde couronne, toutes les fenêtres d'une même série ayant une même largeur périphérique et étant régulièrement espacées, la largeur périphérique des fenêtres de la première série de la première couronne étant égale à la largeur périphérique des portions opaques qui les séparent, la largeur périphérique des fenêtres de la seconde série de la première couronne étant égale à la largeur périphérique des portions opaques qui les- sépare; la largeur périphérique des fenêtres de la première série de la seconde couronne étant un peu inférieure à la largeur périphérique des fenêtres de la première série de la première couronne, les portions opaques séparant ces fenêtres ayant une largeur égale à celle des fenêtres de la première série de la première couronne, la largeur périphérique des fenêtres de la seconde série de la seconde couronne étant un peu supérieure à la largeur périphérique des fenêtres de la seconde série de la première couronne, les portions opaques les séparant ayant une largeur égale celle des fenêtres de la seconde série de la première couronne, au moins une source- lumineuse éclairant toutes les fenêtres et les portions opaques de la première couronne, deux séries de capteurs photo-électriques disposés selon deux circonférences, chacune devant l'une des deux séries de fenêtres de la seconde couronne, et un dispositif de traitement des signaux électriques émis par les capteurs, comprenant au moins un organe de mesure -du déphasage entre les deux configurations de signaux émis des deux séries de capteurs photo-électriques. L'invention sera bien comprise par la description donnée ci-après d'un dispositif selon l'invention pour la mesure du couple de torsion d'un arbre, en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est une vue schématique d'un arbre muni d'un dispositif de mesure de couple de torsion selon l'invention. - la figure 2 est une vue schématique des principaux éléments constitutifs du dispositif de l'invention - Les figures 3 et 4 sont des vues agrandies de certains éléments de la figure 2 - les figures 5 et 6 sont des schémas expliquant le fonctionnement du dispositif de 11 invention. L'exemple d'application de l'invention qui est donné n'est nullement limitatif, mais est simplement destiné à expliquer l'invention. L'homme du métier saura, toutes les fois qu'il aura à mesurer un angle de rotation entre deux pièces, adapter le dispositif décrit ci-après. La figure 1 représente un arbre 1 dont on veut mesurer le couple de torsion. L'arbre par exemple, fait partie du rotor d'une machine tournante comprenant un stator fixe non représenté. On sait que le couple de torsion de l'arbre est proportionnel à l'angle de rotation relative de deux sections S1 et S2 de l'arbre séparés par une distance donnée 1. Si on solidarise deux pièces 2 et 3 à l'arbre, respectivement au droit des sections S1 et S2, l'angle de rotation relative de ces deux pièces sera égal à l'angle de rotation relative des sections S1 et S2. Pour mesurer cet angle, on fixe aux pièces 2 et 3 qui sont des brides bien fixees sur l'arbre, deux couronnes 10 et 20 de telle manière qu'elles entourent l'arbre et qu'elles soient disposées parallèlement l'une à l'autre et à faible distance l'une de l'autre. La couronne 10 est munie de deux séries de fenêtres séparées par des portions opaques. Les fenêtres des deux séries sont disposées selon deux circonférences concentriques. Les fenêtres d'une même série ont les memes dimensions ; elles ont de préférence la forme d'un trapèze curviligne ; la largeur (11 ou l'1) d'une-fenêtre, comptée selon un arc de circonférence moyenne (largeur périphérique), est égale à la largeur (12 ou l'2 > de la portion opaque qui les sépare (figure 3). Enfin les deux séries de fenêtres sont de préférence alignées deux à deux selon un même rayon de la couronne. La couronne 20 possède également deux séries de fenêtres concentriques. Les fenêtres de la première série sont référencées 21 et celle de la seconde fenêtre référencées 22. Les séries de fenêtre sur les couronnes 10 et 20 sont disposées de manière que la zone des fenêtres 11 de la première série de la première couronne soit en vis-à-vis de la zone des fenêtres 21 de la première série de la seconde couronne, et que la zone des.fenêtres 12 de la seconde série de la première couronne soit en vis à vis de la zone des fenêtres de la seconde série de la seconde couronne, comme le montre la figure 1. La largeur 13 des fenêtres de la première série de la seconde couronne 20 (voir figure 4), mesurée selon une circonférence moyenne, est égale à l1 - #, # étant une fraction de 11 par exemple comprise entre 1110 et 11/100. Llargeur 14 des portions opaques est égale à 12. La largeur 1'3 des fenêtres de la seconde série de la seconde couronne 20, mesurée selon une circonférence moyenne est égale à 1'3 +, E étant une fraction de 1E1 par exemple comprise entre 111110 La largeur 1'4 des portions opaques est égales à 1'2- En pratique, 11 et 1'1 pourront être égaux ainsi que 12 et 1'2, 13 et 1' et 14 et l'li' si les rayons des couronnes sont grands vis-à-vis de 3 ces longueurs. Les zones annulaires des fenêtres (11- et-12) de la première couronne (10) sont éclairées, comme le montre la figure 1, chacune par une source lumineuse (13, 14) annulaire fournissant un éclairement uniforme sur toute la surface de la zone qu'elle éclaire (on pourrait en variante n'utiliser qu'une seule source éclairant l'ensemble des deux zones annulaires). Au droit de chacune des zones des fenêtres de la couronne 20 sont disposés des capteurs photo-électriques-, placés en guirlande selon deux circonférences concentriques. Les capteurs 23 de la première guirlande recueillent la lumière ayant traversé les fenêtres 11 et 21, alors que les capteurs 24 de la seconde guirlande recueillent la lumière ayant traversé les fenêtres 12 et 22. Pour faciliter l'explication, on a choisi de décrire et de représenter des guirlandes de photo-capteurs ayant un nombre de capteurs égal à celui des fenêtres de la série correspondante de la couronne 10. En pratique, on choisira des guirlandes ayant le plus grand nombre de capteurs possibles. Pour les mêmes raisons de facilité d'exposé, on suppose que la largeur d'un capteur est égale à celle d'une partie opaque de la couronne 20. Les capteurs fournissent des signaux électriques d'intensité proportionnelle à l'éclairement reçu. Ces signaux sont envoyés à un circuit électronique de trattement, non représenté. Le groupe des deux séries de fenêtres 11 et 21, leur source lumineuse 13 et leurs capteurs photo-électriques 23 constituent un premier système type vernier à exploitation optique. Le groupe des deux séries de fenêtres 21 et 22, leur source lumineuse 14 et leurs capteurs photo-électriques 24 constituent un second système type vernier à exploitation optique. Ces deux systèmes définissent des-configurations optiques présentant, en l'absence de torsion, une phase donnée et, en cas de torsion de l'arbre, des phases de valeur différente mais de signe oppose. Considérons par exemple, en référence aux figures 5 et 6, deux séries de fenêtres 11 et 21. Supposons que la largeur des fenêtres de 11 soit 10 mm et que celle des fenêtres de 21 soit 9 mm. Les fenêtres ont été représentées alignées pour la clarté du dessin. La figure 5 représente la configuration des fenêtres en l'absence de torsion et la figure 6 représente la configuration après une rotation d'un angle donnant lieu à un déplacement des fenêtres de 3 mm les unes par rapport aux autres. Les diverses fenêtres 11 de la première série de la couronne 10 sont référencées 111, 112, 113, ... 129, Les fenêtres 21 de la première séire de la couronne 20 sont référencées 211, 212, 213,..., 229. Les capteurs 23 de la première guirlande sont référencés 231, 232, 233,... 249. On suppose qu'en l'absence de torsion, la fenêtre 111 (de la série 11) soit exactement en face d'une partie opaque de la couronne 20. Le capteur 231 en vis-à-vis de la fenêtre 111 ne reçoit aucune lumière et son signal est nul. Le capteur 232 voit 1/10 de la fenêtre 112 et fournit un signal d'intensité i. Le capteur 233 voit 2/10 de la fenêtre 113 et fournit un signal d'intensité 2i. Le capteur 240 voit à travers la fenêtre 220, 9/10 de la fenêtre 120 et fournit un signal d'intensité 9i. Le capteur 241 émet un signal d'intensité 8i, le capteur 242 un signal d'intensité 7i et ainsi de suite, le capteur 249 fournissant un signal nul. La configuration de phase se reproduit ainsi, tous les 19 capteurs dans l'exemple choisi et de part et d'autre du capteur 231 choisi comme origine. Si la couronne tourne d'un angle correspondant à un déplacement périphérique des fenêtres de 3 mm, vers la gauche (figure 6), on voit que la configuration des signaux s'est déphasée de 4 pas. L'utilisation du second système vernier (séries de fenêtres 12 et 22) permet de s'affranchir de la sujétion posée par la nécessité de déterminer une origine des phases. En effet, la largeur des fenêtres 22 supérieure à celle des fenêtres 1-2 d'une quantité égale à la différence de largeur entre les fenêtres 11 et 21, engendre une configuration vernier sur les capteurs 24 qui est tout à fait analogue, et le déphasage de la configuration en cas d'écart angulaire des couronnes est de même valeur que celui du premier système vernier, mais de signe opposé. En pratique, on s'arrangera pour que les deux configurations aient même phase en l'absence d'écart angulaire ; la mesure du déphasage relatif des deux configurations fournit alors, sans nécessiter de référence de phase, une valeur égale à la somme des valeurs absolues des déphasages individuels des deux configuration. Cette valeur est proportionnelle à l'écart angulaire entre les deux couronnes, lui même proportionnel au couple de torsion de l'arbre. Le mode de réalisation qui vient d'être décrit n'est qu'un exemple. On pourra avantageusement utiliser deux systèmes verniers angulairement identiques, chacun d'eux possédant N et N+1 fenêtres en vis-à-vis, à condition que chaque couronne portant les fenêtres possède elle-meme une série de N fenêtres et une série de N+1 fenêtres. Cette disposition semble la plus économique à réaliser. On n'aurait pu envisager d'utiliser un seul système vernier, avec un seul capteur optique mais il y aurait eu lieu de prévoir une mesure de l'origine des phases ce qui aurait compliqué le dispositif. Par ailleurs à faible vitesse ou à l'arrêt, le dispositif ne pourrait fonctionner, à moins de monter -l'ensemble sources lumineuses et capteurs sur un équipage pouvant tourner autour de l'arbre. Cette disposition entraînerait une contrainte supplémentaire, celle de prévoir des contacts tournants (bagues, balais) pour extraire les informations issues des photocapteurs. On notera que les relations entre les diverses longueurs qui ont été données ne sont qu'un exemple. L'homme du métier saura en changer selon les nécessités du problème technique posé et notamment selon les dimensions de ses couronnes et de ses capteurs. La solution proposée présente de nombreux avantages - simplicité de réalisation. Les couronnes peuvent être préparées par photogravure, ce qui assure une grande précision. Les fenêtres peuvent avoir une largeur de quelques millimètres et l'écart peut être de l'ordre du dizième de millimetre, ce qui assureune très grande amplification. - les photocapteurs sont 'disposés sur un référentiel fixe (stator d'une machine par exemple). Le dispositif ne comprend donc aucun contact électrique tournant, ce qui représente une simplification du dispositif et une grande sureté de fonctionnement. Le dispositif a une grande sensibilité en raison de l'amplification vernier pouvant atteindre plusieurs ordres de grandeur. Dans le cas de la mesure de couple de torsion, et notamment de couples de machines tournantes, le dispositif fonctionne quelle que soit la vitesse de rotation de la machine. L'amplification est telle qu'il n'est pas nécessaire, comme dans l'art connu, d'utiliser un arbre plus fragile, pour mesurer un couple. Il en résulte une plus grande sécurité du matériel et des personnels, et la mesure n'affecte pas le comportement vibratoire de la machine. Le dispositif peut être monté sur la machine, en bout d'arbre par exemple, et ne nécessite donc aucune adjonction. Le dispositif permet une mesure instantanée du couple, et permet d'obtenir une valeur moyenne sur plusieurs tours. En effectuant plusieurs mesures au cours d'un seul tour de l'arbre, il est possible d'établir une analyse harmonique du couple. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de mesure de la valeur de l'angle de rotation de deux pie ces ou de deux portions d'une meme pièce ltune par rapport à ltautre, caractérisé en ce que chacune des. pieces ou portion de pièce est solidaire d'une plaque (10, 20) dont le plan est perpendiculaire à l'axe de rotation, les deux plaques étant proches l'une de l'autre, chaque plaque comprenant deux rangées de fenetres optiques (11, 12, 21, 22) séparées par des portions opaques, les quatre rangées étant en vis-à-vis deux à deux et le restant au cours de la rotation, les largeurs (11J ( , 13, des 12, l'2, 14, 1'4) des fenetres et des portions opaques étant choisies pour que deux rangées en vis-à-vis constituent un système vernier à lecture optique et pour que les configurations des deux systèmes vernier aient des phases évoluant en sens opposé au cours de la rotation, le dispositif comprenant en outre, des moyens (13, 14) pour éclairer l'une des plaques, des capteurs (23, 24) photo-électriques recevant la lumière ayant traversé les deux plaques et un dispositif électronique d'analyse des signaux émis par les capteurs photo-éleetri- ques et de mesure du déphasage entre les deux configurations. 2/ Dispositif de mesure de la valeur de l'angle de rotation de deux pièces ou de deux portions d'une même pièce l'une par rapport à l'autre caractérisé en ce que chacune des pièces ou portions de pièce est solidaire d'une couronne coaxiale à l'axe de rotation, lesdites couronnes (10, 20) étant parallèles et proches l'une de l'autre, chaque eouronne portant une première série (11, 21) et une seconde série - 3/ Dispositif pour la mesure du couple de torsion d'un arbre d'une machine, caractérisé en ce qu'il comprend deux brides calées sur ledit arbre, chaque bride portant une plaque (10, 20) dont le plan est perpendiculaire à l'axe de rotation, les deux plaques étant proches l'une de l'autre, chaque plaque comprenant deux rangées de fenêtres optiques (11, 12, 21, 22 séparées par des portions opaques, les quatre rangées étant en vis-à-vis deux à deux et- le restant au cours d'une torsion de l'arbre, les largeurs (l1, l' l3 l'3 l2, l'2, 14, 1'4) des fenêtres et des portions opaques étant choisies pour que deux rangées en vis-à-vis constituent un système vernier à lecture optique et pour que les configurations des deux systèmes vernier aient des phases évoluant en sens opposé au cours d'une torsion, le dispositif comprenant en outre des moyens (13, 14) pour éclairer l'une des plaques, des capteurs photo-électriques (23, 24) recevant la lumière ayant traversé les plaques et un dispositif électronique d'analyse des signaux émis des deux séries de capteurs photo-électriques. 4/ Dispositif pour la mesure du couple de torsion d'un arbre d'une machine, caractérisé en ce qu'il comprend deux brides calées sur ledit arbre, chaque bride portant une couronne coaxiale audit arbre, lesdites couronnes (10, 20) étant parallèles et proches l'une de l'autre, chaque couronne portant une première série (11, 27) et une seconde série (12, 22) de fenêtres séparées par des portions opaques et disposées selon des circonférences concentriques, la première série de la première couronne étant en vis-à-vis de la première série de la seconde couronne, la seconde série de la première couronne étant en vis-à-vis de la seconde série de la seconde couronne, toutes les fenêtres d'une même série ayant une même largeur périphérique et étant régulièrement espacées, la largeur périphérique (4) des fenêtres (11) de la première série de la première couronne étant égale à la largeur périphérique (12) des portions opaques qui les séparent, la largeur périphérique (l'1) des fenêtres (12) de la seconde série de la première couronne étant égale à la largeur (l'2) périphérique des portions opaques qui les sépare, la largeur périphérique (13) des fenêtres (21) de la première série de la seconde couronne étant un peu inférieure à-la largeur périphérique (l1) des fenêtres de la première série de la première couronne les portions opaques séparant ces fenêtres ayant une largeur (14) égale à celle (lui) des fenêtres de la première série de la première couronne, la largeur périphérique (1'3) des fenêtres de la seconde série de la seconde couronne étant un peu supérieure à la largeur périphérique (liai) des fenêtres de la seconde série de la première couronne, les portions opaques les séparant ayant une largeur égale à celle des fenêtres de la seconde série de la première couronne, au moins une source lumineuse (13, 14) éclairant toutes les fenêtres et les portions opaques de la première couronne (10), deux séries de capteurs photo-électriques (23, 24) disposés selon deux circonférences, chacune devant l'une des deux séries de fenêtres de la seconde couronne, et un dispositif de traitement des signaux électriques émis par les capteurs, comprenant au moins un organe de mesure du déphasage entre les deux configurations de signaux émis des deux séries de capteurs photo-électriques.