Brevet FR2608751A1 — publié le 19880624

Chaîne de mesure dimensionrelle capacitive DOMAINE DE L'INVENTION ia présente invention concerne des channes de niesure dimensionnelle capacitive sans contact avec la pièce mesurée qui sont utilisées notamment dans l'étude des vibrations mécaniques et dans la mesure-des défauts de circularité de pièces de révolution. FTAT PE LA TECHNIQUE ANTERIFURE Les systemes de mesure dinensionnelle capacitive existant a@tuellement et s'appuyant sur la modulation d'amplitude d'un signal porteur présentent généralement deux modes de fon@tionnement : le mode mesure et le mode étalonnage. En mode mesure, la capacité active du capteur varie en fonction du temps. Cela correspond au régime de rotation, de déplacement ou de vibratier de la machine ou du système à caractériser. En mode étalonnage, Ala: capacité du capteur est fixe. Cela correspond l'arrét de la machine ou du système et permet donc d'étalonner le capteur en fonction de la distance de la partie qui est en regard dudit capteur. Une -chalne de ce type destinée à mesurer le jeu existant entre les extrémités des aubes mobiles et le carter d'une turbomachine est décrite dans l'article "Tip clearance measurement in modern corpressor components" de Hartwig KNOELL et Kurt DING paru dans le document de l'AGARD du 23 Mai 1986 : "Advanced Instrumentation for Aéro Engine Components". Flle ne prend pas en compte, en mode étalonnage, les capacités parasites propres a l'amplificateur de charge électrique du capteur (CE) et celles des liaisons non blindc--es entre le câble et l'amplificateur (CL) comme cela apparaît sur la Fig. 1. Cette figure représente l'amplificateur de charge électrique associé au capteur capacitif en mode étalonnage. Sur cette figure, le numéro de référence 10 désigne le capteur capacitif, 2 l'amplificateur opérationnel, 3 un générateur sinusoïdal, C1 la capacité capteur/partie en regard, C3 la capacité rata site propre du capteur, C2 la capacité de contre réaction de l'amplificateur 2, R2 la résistance dé contre réaction de l'amplificateur, Vs la tension de sortie de l'amplificateur 2. Dans le domaine de fréquence de l'amplificateur, le signal de sortie Vs s'exprime par : CI+C3+CE+CL v - v ( l t ) s e C Cette expression permet d'lnirrer que la courbe d'étalonnage V s f(C1) est entachée de l'erreur qu'apportent les capacités C3, CE, et C1. T1 est noter que la capacité C3 correspond l'erreur propre du capteur. La capacité CE est celle que présente la jonction du sericonducteur de l'étage d'entrée de l'amplificateur. Sa valeur est une fonction de la tempétature et de la tension appliquée. Cela entraîne que la courbe d'étalunnage doit en toute riguetr tenir compte des conditions réelles de fonctionnement, afir qu'une correction puisse être apportée. D'autre part, compte tenu des valeurs absclues des capacités parasites (CF + ' CL = 1 à 3 pF' en regard de la capacitif des capteur. habituellement employés en mesure du jeu (C1 = ,5 à 1 pF pour ur dianètre de 4 mm d'électrode de mesure;, il s'ensuit que les capacités parasites sert prépondérantes. Ceci entraîne que la rrsoluticn et la dynamique du capteur en mode étalonnage sont limitées par la présence des capacités parasites. De plus, en mode mesure, la courbe relevée précédemment ne peut entre exploite sous so forme brute.En effet, dans ce mode de fonctionnement, la tensicr de sortie pour une tension Ve continue ne dépend que des capacités qui varient en fonction du temps (C1 dans le car présent). Il est donc nécessaire de déduire une courbe d'étalonnage de laquelle les -signaux correspondant aux capacités fixes ont été soustraits. Cette correction est source d'erreurs importantes sur la mesure et limite les performances du système. BUT DF L'INVENTION. L'invention a pour but la réduction à des valeurs négligeables, de l'influence des capacités parasites CE et CL afin d'obtenir la précision, la dynamique et la résolution que permet le capteur. De plus, l'invention autorise l'emploi de capteur dont l'électrode de mesure est d'un diamètre très faible ( la présence de la capacitif C3 (faible devant C1) doit être apportée.Cette correction est indépendante de l'aube mesurée EXPOSE DE L'INVFNTION. Les diff@rentes limitations qu'entraîne la présence des capacités parasites CE et CL de l'amplificateur de charge et de sa connexion d'entrée peuvent être levées en annulant l'action de ces capacités parasites. Or @ parvient en ne réfarencant pas l'amplificateur à la terre mais en l'alimentant par une source de tension continue 1,flottante" a haut isolement électrique résistif et capacitif, par rapport à la terre, 1'ensemble étant inclus dans un blindage porté au potentiel de la garde du capteur. Dans ces conditions, le signal de sortie est de la forme : Les capacités CE et CL n'apparaissent plus dans le signal de sortie. L'invention porte également sur les moyens de parvenir - réaliser la source "flottante" d'alimentation. source qui n'introduit pas de capacité de couplage entre l'amplificateur et la référence de terre extérieure, Pour ce faire, un transformateur particulier, alimentant un redresseur et une cellule de filtrage est employé. Ce transformateur a ses enroulements réalisés au moven de conducteurs blindés, câbles coaxiaux à un ou deux blindages, revetus d'une gaine isolante. Le conducteur central d'alimentation de l'enroulement primaire est relié " une des extrémités de la tresse de blindage et mis 7 la terre, ce blindage ainsi que le blindage oe l'enroulement secondaire formant écrans pour éviter tout couplage capacitif entre le primaire et le secondaire. En variante. l'annulation ce l'action des capacités parasites CE et CL est obtenue er alimentant l'amplificateur par une source de tension continue rrférencée @ la terre et le capteur par une source de tension, continue ou a:ternative, "flottante" réalisée au moyen dudit transformateur et interposée entre le capteur et l'amplificateur. le blindage de l'enroulement secondaire est relie è une de ses extrémités à l'électrode de garde du capteur et mis la terre I l'autre extrémité, le source d'alimentation du capteur étant incluse dans un blindage réunl à la terre.Dans ces conditions le blindage du conducteur coaxial de l'enroulement secondaire est a@ même pctentie que le conducteur central ce qui appule toute capacité de fuite entre ce conducteur et son blindage. Le signal 1 de sortie, dans le cas d'une alimentation alternative du capteur. est de la forme : L'invention n être maintenant décrite en détail en relation avec les dessins annexés dans lesquels - la Fig.l représente une chaîne capacitive de l'art antérieur et elle a été décrite dans l'entrée en matière - la Fig.2 représente un capteur capacitif et un amplificateur de charge alimente par une source flottante - la Fig.3 représente l'alimentation de l'amplificateur de charge par une source flottante réalisée a partir d'un transformateur formé d'enroulenents coaxiaux - la Fig. 4 représente une variante de realisation de l'invention ; et - la Fig.5 représente une chaîne capacitive différentielle conforme 7 l'invention. En se referont a la Fig.2, le numéro de référence 10 représente un capteur capacitif 10 ayant une électrode de détection 11 de capacité C1, une électrode de garde 13 et une électrode de terre 12 de capacitif C3 par rapport a' l'électrode de détection 11. Le conducteur interne 14 du câble coaxial 17 est relié G l'une des entres de l'amplificateur opérationnel 2. Le conducteur interméciaire 1@ de ce même câble coaxial 1@ est relie à un blindage 18 port au potentiel de la garde. Le conducteur extérieur 16 du câble 17 est relié 2 un blindage 19 porté au potentiel de la terre. L'amplificateur opérationne' 5 est bouclé sur un circuit R2-C2 de contre-réaction. Les capacités C F et CI sont, comme sur la Fig.' les capacités parasites. Conformément à l'invention l'amplificateur de charge 2 est alimenté par un dispositif d'alinentation continue flottante 5. La structure de ce dispositif est explicitée en relation avec la Fig.3. Sur la Fig.3 on retrouve le capteur capacitif 10 avec ses électroces il ce capacité C1, 2 de capacité C3 et 1@ qui est l'électroce mise à la terre. Les fils 14, 15 et 16 du câble coaxial 17 sont reliés respectivement à l'amplificateur 2, au blindage de garde IF et au blindage de terre 19. Les numéros de référence 4 et 50 désignent respectivement un générateur sinusoldal de polarisation du capteur et un générateur sinusoïdal d'alimentation du transformateur 51. La sortie du générateur 5C est une sortie coaxiale comprenant un conducteur extérieur 52 réuni à la terre et un conducteur intérieur 53 réuni à, une extrémité, une borne du générateur mise a' la terre, et à l'autre extrémité, à la borne active dudit générateur. Le câble coaxial 52-53 forme l'enroulement primaire 54 du transformateur 51. Le câble est enroulé autour du noyau magnétique 55. L'enroulement secondaire 56 du transformateur 51 est également un câble coaxial. Il comprend un conducteur extérieur 57 réuni au blindage de garde 18. Le conducteur intérieur 58 de l'enroulement secondaire est relié à un pont de redresseurs 59. La sortie du pont de redresseurs 59 est reliée à une cellule de filtrage 60. Cette cellule de filtrage alimente l'amplificateur ?. Cette disposition permet de réaliser un couplage magnétique entre le primaire et le secondaire du transformateur exempt de couplage capacitif entre ces mêmes enroulements, c'est-à-dire entre l'entrée de l'amplificateur de charge et la terre électrique. Cette ahsence de couplage est réalisee puisque l'âme du fil coaxial de l'enroulement secondaire est entourée totalement d'un conducteur porté au potentiel de la garde. Aucune ligne de champ électrique ne peut se développer entre l'âme du circuit secondaire et le circuit primaire puisque le champ électrique à l'intérieur d'un conducteur fermé (le blindage du ircuit secondaire) est nul. L'ensemble des capacités présentes entre le blindage 18 perte a'. potentiel de la garde et le blindage 19 porté au potentiel de la terre se retrouve aux bornes du générateur 4. la force électro-motrice de ce générateur, de type tension. n'est pas modifiée par la présence de ces capacités. Pans les deux variantes de réalisation de l'invention représentées sur les figures 4 et 5 le capteur capacitif est polarisé par une source de tension mettant eh oeuvre le transformateur à haut isolement électrique résistif et capacitif pal rapport à la terre. L'amplificateur de charge du capteur est alors alimerté de manière conventionnelle par des sources de tension continue référencées à la terre. Sur la figure 4 les conducteurs 58 et 57 de l'enroulement secondaire d'un transformateur 51 sont interposés, respectivement, d'une part, entre l'électrode de détection Il et une entrée de l'amplificateur 2 et, d'autre part, entre l'électrode de garde 13 et l'autre entrée dudit amplificateur. Le transformeur est inclus dans un blindage 19, ris à la terre et relié à l'électrode de garde du capteur. Le générateur 50 alimente l'enroulement prinaire 54. La figure 5 représente une channe de mesure capacitive différentielle. Le capteur différentiel 10 possède dec électrodes 11, 12, 13 et 11', 12' et 13' disposée de part et d'autre de la pièce a mesurer 6. Les électrodes de détection 11-11' du capteur sont relies respeetivement, aux conducteurs 58-58 des demi-enroulements secondaires 56-56' d'un transformateur différentiel 51', le point milieu 70 tant connecte à une entrée de l'amplificateur 2. Les blindages externes 57 et 57' de ces demi-enroulements sont reliés, respectivement, aux électrodes de garde 1.3-13', reunis au blindage 19 et mis a la terre. Le générateur 50 alimente en série les deux demi-enroulements primaires 54 et 54'. Du point de vue pratique, les enroulements du transfor@ateur 51 peuvent être réalisés en fil coaxial seri-rigide (âme et blindage en cuivre massif) isolé. Une autre possibilité est offerte par l'emploi de câble coaxial a tresst métallique traité antisignal. La présence du traitement antisignal conducteur améliore le taux de couverture de la tresse de ce câble. l'emploi de ce dernier type de câble entraide toutefoiS qu'une trèS faible capacité de fuite subsiste entre les âmes des enroulements réalisés. Les valeurs typiques relevées deneurent inférieures a 10 4 pF/m.Four réduire encore les capacités parasites les enroulements peuvent être realises er conducteurs triaxiaux, les blindages des gaines extérieures étant réunis entre eux au niveau de chaque câble triaxial (capacité c 11 8 pF/m) L'avantage essentiel du dispositif de l'invention réside dans l'absence de capacitif parasite entre le point chaud de mesurt et la terre È l'entrée de la chaînt de mesure, et la simplicité de son obtention : transformateur très simple @ réaliser, absence de réglage et d'ajustement. Cette absence, ou très forte réduction de la capacité de fuite, permet l'utilisation, pour les systèmes de mesure de distance, de capteurs de très petite dimension. sans avoir à introduire de ccefficient de correction lié aux capacités de fuite de la chaîne. De plus, l'emploi de câble de liaison de grande longueur (plusieurs mètres) ne dégrade pas les performances de la chaîne. Il est même possible, pour ce câble, d'employer un fil coaxial simple et ncc un fil triaxial puisque la garde est réunie à un générateur de tension basse impédance. Le generateur 4 de polarisation du capteur capacitif représente figure 3 peut être soit continu (pour la mesure des seules variations de capacité utile), soit alternatif (pour la resure des valeurs statiques et dynamiques de la capacité utile) sans modification du coefficient d'étalonnage @uelle que soit la fréquence retenue pour ce générateur 'i l'intérieur du domaine de fréquence de l'amplificateur de charge.La puissance disponible aux bornes du transformateur pouvant atteindre 0,5 W, il est possible d'alimenter plusieurs étages d'amplification, et donc d'associer à l'amplificateur de charge un autre amplificateur qui permet par exemple d'atr1'lifier le signal et d'abaisser l'impédance de la source du signal de sortie Vs, autorisant de ce fait l'emploi de câble de liaison de grande longueur. Les caractéristiques principales de al chaîne réalisée sont données ci-après - sensibilité sous 10 V de polarisation : 65 V/pF - capacité déte@table dens le hande passante : 50.10 pF - dynamique : 8@ dB - bande passante à -8 dI : -10 Hz à 900 kHz pour une polarisatior continue du capteur ; - 0 à 250 kHz pour une polarisation alternative - bruit en sortie dans la bande : 10 Hz-I Mhz : 15 mV CC - bruit en sortie dans la bande 10 Hz-100 kHz : 3,5 mV crête à crete - détectivité équivalente (exprimée en densité spèctrale) 0,2 10-6 pF.Hz -1/2 ; - longueur du cable capteur typique : 2 @ ; - longueur du câble de Sortie typique : 5 m. A titre d'exemple. les chaines usuelles présentent : (Hitec Corporation) - capacité détestable : 10 pF - dynamique : 30 dB ; - bande passante à -3 d@ : 10 Hz-3000 Hz. REVENDICATIONS I - Chaîne de mesure dinensionneile capacitive comportant - un capteur capacitif (10) formé d'une électrode centrale de détection (11) c'une électrode de garde (13) entourant l'électrode de détection et d'une électrode de terre (12) entourant l'électrode de garde ; - ur amplificateur de charge du capteur - ur fil de connexion (14) reliant l'électrode de détection à une entrée de l'amplificateur, un pressier conducteur blindé (15) entourant ledit fil et relié à l'electrode de garde et å la deuxième entrée de l'amplificateur, et un second conducteur blindé (16) entourant le premier conducteur blindé et relié à l'électrode de terre ;; caractérisée en ce qu'elle comprend, en outre, un transformateur (51) d'alimentation dont les enroulements sont des conducteurs coaxiaux (5?-53) et (57-58), le conducteur (53) de l'enroulement primaire (54) étant connecté à la sortie d'un générateur sinuscSdal et le conducteur extérieur (52) étant relié à la terre et à une borne dudit générateur d'où il résulte que les conducteurs (52) et (57) forment écrans poui @viter tout couplage capacitif entre le primaire et le secondaire. 2 - Chaîne de mesure dimensionnelle capacitive selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre - un Ilindage de garde (lb) entourant l'amplificateur et relié au premier conducteur blindé, ainsi qu'un blindage de terre (19) entourant le blindage de garde et relié au second conducteur blindé - un générateur (4) de polarisation du capteur connecte entre le blindage de terre et le blindage de garde ; et en ce que l'enroulement secondaire (56) du transformateur est relié à l'entre d'un pont de redresseurs (5 ) alimentant l'amplificateur de charge, le conducteur extérieur (57) étant relié au blindage de garde d'o il résulte que la tension fournie par ledit pont de redresseurs est flottante. 3 - Chaîne de mesure dimensionnelle capacitive selon la revendication 1, caractérisée en ce que le conducteur coaxial (58-5) de l'enroulement secondaire (56) du transformateur (51 est interposé entre les électrodes de détection et de garde du capteur, et, respectivement, la première et la deuxième entrée de l'amplificateur, et er ce que le transformateur est entourr d'un blindage de terre (19) relié au premier et au second conducteur blindé (15-16). 4 - Chaîne de mesure selon la revendication 3, caractérisée en ce que le capteur capacitif est un capteur différentiel et en ce que le transformateur est un transformateur différentiel dont le point milieu (70" de l'enroulement secondaire est connecte a' l'entrée de l'amplificateur (2). 5 - Chaine de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 ( 4 caractérisée en ce que les conducteurs coaxiaux du transformateur sont des câbles triaxiaux dont les deux gaines extérieures sont réunies entre elles au niveau de chaque câble triaxial.