Brevet FR2609167A1 — publié le 19880701

La présente invention concerne la mesure de dis- tances, en utilisant un rayonnement à hyperfréquences, et plus particulièrement la mesure des jeux dans des moteurs à turbine à gaz. Il existe de nombreuses techniques pour la mesure sans contact des petites distances de l'ordre de 25 mm jusqu'à quelques millimètres. Ces techniques peuvent uti- liser les effets capacitifs, magnétiques, optiques, ou acoustiques, chaque technique ayant des avantages particu- liers dans une situation donnée. Le choix de la technique dépend fréquemment de la précision exigée, du milieu de travail, et des contraintes de l'environnement. La présente invention a pour objet un capteur perfectionné de distance. Dans un mode de réalisation de l'invention, deux signaux électro-magnétiques sinusoïdaux sont transmis sui- vant des lignes séparées. Lorsqu'un objet est proche de l'une des lignes, la vitesse de propagation du signal dans cette ligne change. La valeur du changement est une fonction (généralement non linéaire) de la distance séparant l'objet et la ligne de transmission. De la mesure du changement on déduit la distance. Le changement de la vitesse de propa- gation est déterminé par un déphasage du signal électro-ma- gnétique sinusoYdal. En outre, on peut également utiliser -2- des changements pour en déduire des variations de la géo- métrie de l'objet ou du milieu environnant. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, un mode de réalisation de la présente invention; figure 2, une vue éclatée du capteur 25 de la figure 1: figure 3, une vue en coupe d'un type de ligne de transmission généralement appelé guide d'ondes à ruban (deux guides en parallèle sont illustrés); figure 4, un autre type du capteur représenté en figure 2; figure 5, la construction d'un capteur dans lequel les circuits hybrides 15, 42 de la figure 1 sont intégrés dans la construction du capteur de la figure 2. figure 6, un schéma du circuit à hyperfréquence de la figure 1 ou de la figure 5; figure 7, une courbe typique d'étalonnage; figure 8, les mouvements géométriques pour les courbes d'étalonnage; figure 9, un jeu typique d'étalonnage lorsqu'un mouvement latéral est permis; figure 10, les performances dans le cas de la mesure d'un objet complexe typique. On considérera tout d'abord les figures 1 et 6. Une liste des composants typiques appropriés est donnée dans le tableau 1, en même temps que le nom des fournisseurs correspondants. Une source électromagnétique 3 est un oscil- lateur à diode de Gunn fonctionnant à une fréquence de 10,5 gigahertz (GHz) qui fournit un signal d'entrée sur une ligne 6. Toutes les liaisons illustrées en figure 1 sont des lignes coaxiales convenant aux fréquences employées. Un fractionneur de signal 15 est un circuit hybride pour hyper- fréquences qui divise le signal d'entrée en deux signaux -3- acheminés par les lignes 18 et 21, les deux signaux étant déphasés de 90 et ayant des amplitudes approximativement égales dans le présente mode de réalisation. Une terminaison 47 absorbe les signaux réfléchis indésirables. TABLEAU 1 3 - Oscillateur stabilisé à résonateur diélectrique modèle ESC 206, ou canon M/A-COM, MA 86651A. et 12 - Coupleur hydride, OmniSpectra 2032-6348-00 39 - Extenseur de ligne à phase variable OmniSpectrra 2054-60002-00 51 - Détecteur OmniSpectra 2085-6017-00 62 - Micropositionneur Modèle I-1 de Line Tool Cp 47 et 49 - Terminaisons de précision Midisco MDC 1075 Les connecteurs de micro-ondes sont des types OSM ou SMA. Les deux signaux sont appliqués au capteur 25 qui contient des éléments 27 et 28 appelés lignes de détection. A ce stade, il suffit d'indiquer que, lorsqu'un objet, tel qu'une pale du ventilateur représenté en figure 1, est proche de l'une des lignes de détection, 27 par exemple, la propagation du signal dans cette ligne de détection est modifiée. Les deux signaux, après passage dans les lignes de détection, sortent du capteur 25 par des lignes 33 et 36 illustrées dans les deux figures. Les signaux sont recomn- binés dans un fractionneur de signaux 42, identique au fractionneur 15. Un déphaseur 39 est ajusté de façon que l'addition des deux vecteurs tournants se traduise par une addition à un point de connexion G et par une annulation à un point de connexion F. Cela a pour effet de compenser les longueurs différentes des trajets en 18, 21, 25, 33, 36, ainsi que les imperfections dans les fractionneurs et ail- - 4 - leurs. La puissance indésirable au point de connexion G est absorbée dans la terminaison 49 ou utilisée pour surveiller le fonctionnement de la source 3. La signal zéro au point de connexion F est le signal utile de sortie. Dans ce mode de réalisation, il est redressé par un détecteur vidéo 51, amplifié par un amplificateur 57, et affiché par un dispo- sitif de mesure ou oscilloscope 12. On décrira maintenant une mesure de distance utilisant le point de connexion F. En l'absence d'objet à proximité des lignes de détection, le déphaseur 39 est tout d'abord ajusté pour un signal nul, idéalement zéro, au point F. Alors, tout objet se rapprochant de l'une des lignes de détection provoquera un changement de phase dans le signal de cette ligne, tel que le niveau du signal au point F variera. Ce signal résul- tant peut être étalonné en termes de distance pour un objet donné. On a exécuté des expériences en utilisant le dispositif illustré en figure 1 et obtenu les résultats indiqués dans la figure 7 et la figure 9. Au cours de l'ex- périence, on a rapproché et éloigné du capteur 25 au moyen d'une table 62 à mouvements croisés, un objet fixe, qui peut être une pale 30 de ventilateur lorsque celui-ci ne tourne pas. La distance 64 est représentée par l'axe horizontal en figure 7. On remarquera une caractéristique importante de la figure 7, a savoir que l'axe vertical est une échelle loga- rithmique. Par exemple, le point 137 représente une tension qui est cent fois plus grande qu'au point 136. Le dispositif illustré en figure 1 s'est ainsi avéré utile pour la mesure des distances, telle que la distance 64. On donnera maintenant une description plus détail- lée du capteur 25. La figure 3 illustre, dans une vue en coupe, un guide d'ondes à ruban typique, bien que d'autres formes de lignes de transmission, telles que celles généra- lement appelées micro-bandes ou lignes fendues, par exemple, soient également utiles. Des guides d'ondes indépendants à ruban 70 sont disposes en sandwich, entre des plaques de masse conductrices 73 et 74 et séparés d'elles par un maté- riau diélectrique. Les plans diélectriques de masse peuvent être de l'air ou tout isolant approprié connu dans la tech- nique. Une séparation typique pour les plans de masse peut être de 1,3 mm, et la largeur du guide d'ondes à ruban 70 peut être approximativement 1/10 de cet espacement, bien qu'on utilise parfois des excursions plus grandes. La figure 4 est une vue éclatée d'un guide d'ondes à ruban du type illustré en figure 3; dans cette figure on a éliminé une section 80 de l'un des plans 74. Les guides d'ondes exposés 70A et 70B correspondent aux lignes de détection 27 et 28 de la figure 6. Par conséquent, lorsqu'un objet 30 est proche de l'un des guides d'ondes à ruban, la vitesse de propagation du signal dans ce ruban est modifiée, comme on l'a exposé précédemment. La figure 2 représente une variante de l'invention illustrée en figure 4. Au sens large, le guide d'ondes à ruban de la figure 4 est plié suivant les lignes en tirets 83 qui correspondent aux bords 83A de la figure 2. Les zones A et 70B des guides d'ondes à ruban correspondent aux lignes de détection 27 et 28 de la figure 6. Le plan replié de masse 73A correspond au plan plat continu de masse 73 de la figure 4, alors que les deux plans de masse 74A de la figure 2 correspondent au plan de masse discontinu 74 de la figure 4. Là encore, au moment o un objet 30 se rapproche de la section 70A, la propagation dans le guide d'ondes est altérée. Naturellement, on notera que les figures 2 et 4 ne représentent que les éléments conducteurs du capteur 25, le diélectrique n'étant pas illustré. De plus, on n'a pas représenté les changements mineurs apportés à la géométrie, comme cela est connu dans l'art, qui ont un effet sur l'im- pédance dans le but de compenser le cambrage et les modifi- cations du plan de masse. En figure 5, on a représenté un schéma détaillé - 6 - d'un autre mode de réalisa-ion du capteur 25. Le capteur 25 de la figure 5 est semblable à celui de la figure 3, mais une caractéristique supplémentaire réside dans le fait que la fonction des fractionneurs de signal 15 et 42 (figures 1 et 6) est assumée par les zones 15A et 42A des guides d'on- des à ruban 70. La configuration esquissée dans les figures s'appelle généralement coupleur a lignes en dérivation. Des zones diélectriques (DI) 90, 92 et 110 sont illustrées dans cette vue éclatée. La longueur 103 de la figure 5 est re- présentée à une échelle très exagérée. En pratique, la section 70A est séparée de la section 73C d'une distance comparable a celle entre les sections 70A et 73B. Un avantage important qu'offre le capteur de la figure 5 est l'intégration des lignes de détection et des fractionneurs de signal 15 et 42 pour ne former qu'un mo- dule. Par contraste, les fractionneurs sont à l'extérieur du capteur 25 en figure 1. Ainsi, si le signal d'entrée est représenté par une flèche 115 en figure 5, les signaux atteignant les points B et C seront égaux et déphasés de 90 . Si aucun changement ne se produit dans la section 70A, la section 42A recombinera alors les signaux de façon qu'ils soient en phase et s'ajoutent en G, et un signal nul appa- raîtra en F. Si on conçoit et fabrique le capteur avec des tolérances précises, le besoin d'un déphaseur extérieur 39 (figures 1 et 6) est éliminé, ou sa fonction peut être assumée par des réglages (c'est-à-dire, par modification de la géométrie). En outre, la symétrie naturelle de la cons- truction permettra d'éviter les nombreux effets de l'envi- ronnement sur les performances. On souligne ici que ce n'est pas en général la différence de phase réelle qu'on mesure ou même que l'on recherche. C'est la différence de la tension au point F en présence d'un objet par rapport à la tension à ce même point en l'absence de tout objet, qu'on considère comme étant généralement utile comme résultat final de la discussion -7- précédente. Comme le montre a figure 7, cette tension est fonction de la distance 64 (figure 1) entre l'objet 30 et le capteur 25. En outre, cette tension est approximativement une fonction logarithmique de la distance pour les capteurs et objets testés. On a utilisé le terme "distance" au sens large dans la discussion précédente. La figure 8 illustre une vue en coupe du capteur de la figure 2, prise le long de la ligne 8-8. Si un objet 30 se déplace en passant par des positions successives indiquées par les blocs en tirets A-30C, on obtiendra une courbe de la tension en fonction de la distance ressemblant à celle de la figure 7. Cepen- dant, si l'objet se déplace suivant un trajet différent, tel que celui représenté par les blocs 30D-30F, on peut obtenir une courbe différente telle que celle de la figure 9, pour diverses distances de rapprochement. Le capteur est étalonné comme on l'a décrit ci-dessus pour des formes données d'un objet et un trajet connu. On déduit facilement la géométrie relative des nombreuses mesures effectuées. Par exemple, si un aube 120 de moteur a turbine à gaz (figure 10) traverse la zone proche du capteur 25, comme représenté par la flèche 125, un signal 127 est obtenu à l'oscilloscope 12 qui ressemble à celui illustré. Le signal de l'oscilloscope donne une signa- ture de la géométrie de l'aube. Par exemple, les pointes 130 correspondent à ce qu'on appelle dans la technique des extrémités crissantes 133 de l'aube 120, et le creux 136 correspondrait à la zone 139 de l'aube 120. Ainsi, dans la technique des turbines à gaz, on peut utiliser la présente invention pour mesurer le jeu entre les aubes de la turbine et son enveloppe, ou obtenir la signature de l'extrémité des aubes. Dans ce dernier cas, un écart de signature par rap- port à une autre aube peut être l'indication d'une diffé- rence de géométrie des aubes, ce qui est utile à déceler lors des tests. L'écart peut indiquer un endommagement de -8- l'aube. Dans le premier cas:, la mesure du jeu (c'est-à-dire d'une distance semblable à la distance 64 de la figure 1) peut être utile dans le contrôle des jeux de la turbine dans des moteurs à turbine à gaz. Par exemple, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 4 230 436, incorporé ici à titre de référence, on décrit un système pour contrôler le jeu de la turbine. La présente invention permet d'obtenir une infor- mation immédiate, en temps réel, sur le jeu réel de la turbine, à titre d'entrée du système de contrôle. On vient de décrire une invention dans laquelle un objet situé à proximité de l'une de deux lignes de transmis- sion modifie la vitesse de propagation dans cette ligne, ce qui a pour effet d'altérer la phase des signaux présents dans les lignes. La mesure du changement de la phase, par exemple par addition des vecteurs tournants des signaux lorsque l'objet est absent, et de nouveau lorsqu'il se trouve à des positions connues, et la comparaison des deux signaux ajoutés permettent d'établir une courbe d'étalonnage telle que celle de la figure 7. Des mesures ultérieures des signaux en présence de l'objet à une distance inconnue permettent ainsi de déterminer sa distance. Comme on l'a discuté en liaison avec les figures 7 et 8, on notera que l'utilisation de la figure 7 ne s'appli- que qu'à une situation semblable à celle à laquelle cette figure correspond. Cependant, la collecte des points pendant le mouvement de l'objet de la manière connue peut être utilisée pour en tirer une information supplémentaire. De nombreuses variantes et modifications peuvent être apportées sans que l'on s'écarte de l'esprit et du domaine de la présente invention. Par exemple, on a utilisé le terme fractionneur pour décrire les éléments 15 et 42. Cependant, on peut employer tout diviseur de puissance à hyperfréquence, hy- bride ou coupleur directionnel 3 dB pour obtenir un résultat équivalent, c'est-à-dire pour fournir des signaux de fré- -9- quence identiques avec une a:mplitude et une phase connues aux points 18 et 21, ainsi que pour combiner d'une manière connue les signaux sur les lignes 33 et 36 de façon à me- surer le déphasage se produisant dans les lignes de détec- tion 27 et 28. De plus, en figure 1, on a illustré une diode 51. Cependant, on peut utiliser d'autres formes de démodulateurs ou de récepteurs a hyperfréquence. En particulier, on peut utiliser un mélangeur de hyperfréquence et un récepteur superhétérodyne avec des amplificateurs logarithmiques pour obtenir un meilleur résultat. La dernière combinaison four- nit une sortie linéaire qui augmente la plage dynamique du dispositif. - 10 - REVENDICATIONS 1. Capteur (20) pour un moteur a turbine à gaz présentant un jeu entre une aube (30) et un anneau de ren- forcement, et un jeu entre une aube et une enveloppe, carac- térisé en ce qu'il fournit un déphasage relatif entre deux signaux électriques en réponse a des changements du jeu. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre: un système pour modifier le jeu sur la base du déphasage. 3. Capteur pour moteur a turbine à gaz présentant un jeu entre une aube et un anneau de renforcement, ou un jeu entre une aube et une enveloppe, caractérisé en ce qu'il comprend: a) un moyen pour fournir deux signaux se propa- geant dans deux lignes (27, 28) dans une zone que traverse l'aube; b) un moyen pour mesurer le déphasage relatif des signaux provoqué par le passage de l'aube; et c) un moyen pour modifier le jeu en réponse au déphasage.