Brevet FR2605406A1 — publié le 19880422

- 1 - La présente invention concerne un dispositif pour la mesure électrique indirecte sans contact du couple sur un arbre: - comportant d'une part un système de captage placé à une légère distance de l'arbre, se composant d'un générateur de champ magné- tique en forme de U et d'au moins un capteur comportant un noyau et une bobine pourvue de bornes électriques, et un circuit de traitement dans lequel le capteur est intégré par l'intermédiaire des bornes, et - d'autre part, dans la zone du système de captage, des revêtements fixés sur l'arbre, et comprenant une première couche amorphe, à magnétostriction, à fort magnétisme doux qui canalise le champ longitudinal magnétique produit par le générateur de champ magnétique, en vue de la fermeture d'un circuit magnétique, dans la direction longitudinale de l'arbre, ladite première couche étant placée sur une seconde couche située en dessous et fortement non-magnétique, et - le capteur est disposé dans la zone du champ longitudinal canalisé par la première couche et, en cas de torsion de l'arbre, capte dans son noyau une variation de magnétisation dans la première couche sous la forme d'une variation du flux magnétique; ainsi l'in- vention concerne un dispositif à l'aide duquel il est possible de capter, sur un arbre en rotation, notamment à magnétisme doux, les tensions mécaniques proportionnelles au couoleà transmettre. Chaque matériau à magnétisme doux, par exemple celui d'un arbre, possède, en fonction de ces pré-condition- nements mécaniques, une magnétisation de base plus ou moins grande. Celleci varie entre autre sous l'effet d'une sollicitation mécanique et avec le vieillissement du -2- matériau. Si on captait, en utilisant "l'effet de Matteucci", selon lequel une barre ferromagnétique placée dans un champ longitudinal magnétique induit subit une variation de sa magnétisation lors d'une torsion, ces variations de magné- tisation à l'aide d'un système de captage de champ magné- tique correspondant, pour obtenir ainsi les informations concernant les tensions mécaniques engendrées dans l'arbre, il faudrait analyser de façon relative lesdites informa- tions en correspondance car celles-ci peuvent être ou bien sont influencées et falsifiées par la magnétisation de base proprement dite et par la variation indéterminée de la ma- gnétisation de base du matériau de l'arbre. Il est connu un dispositif du type précité (DE-OS 23 16 344) dans lequel est déposée sur un arbre à magnétisme doux une couche formée d'un matériau non magné- tique, et sur celle-ci à nouveau une couche ayant de bonnes propriétés de magnétostriction. La couche non magnétique doit à cet égard remplir la fonction d'isoler l'arbre magnétiquement de la couche extérieure au travers de la- quelle doit passer tout le flux magnétique qui est produit par une bobine de magnétisation alimentée en courant alter- natif, une variation du flux magnétique étant captée par une bobine de détection opérant selon le principe du transformateur. Bien qu'il soit prévu dans ce cas une isolation entre la couche de mesure déposée et l'arbre, la magnétisation de base instable de l'arbre produit, lors d'une sollicitation dynamique, encore toujours une falsi- fication du résultat de mesure car le champ magnétique de l'arbre magnétisé pénètre également dans la couche de mesure. L'invention a pour but d'agencer un dispositif du type précité de telle sorte que, également en régime permanent et dans le cas d'une forte sollicitation alternative mécanique ainsi que dans des conditions d'environnement physiquement et chimiquement sévères, on obtienne des signaux de mesure non falsifiés, c'est-à-dire corrects et stables en longue durée. Ce problème est résolu conformément à l'inven- tion en ce que - la seconde couche est disposée sur une troisième couche amorphe non à magnétostriction, très perméable et disposée directement sur l'arbre, - le noyau, situé également dans le circuit magnétique, du capteur se compose d'un métal amorphe et non à magnétostriction, - et en ce que le champ magnétique produit par le géné- rateur de champ magnétique est un champ continu, qui est superposé au champ alternatif produit par la bobine excitée, - de sorte qu'une variation du flux magnétique produit une variation de la perméabilité dynamique g (H)=dB/dH du no- yau par l'intermédiaire 'de la fonction non linéaire B=f(H) de la courbe de magnétisation et en conséquence de l'in- ductance de la bobine,cette variation étant convertie dans le circuit de traitement en un signal électrique analogiqoe de torsion. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente schématiquement la structure du dispositif conforme à l'invention, - la figure 2 représente schématiquement une variante du dispositif, et - la figure 3 est une vue en élévation laté- rale faite selon la ligne III-III de la figure 2. Le principe de fonctionnement du dispositif est basé sur l'effet de Matteucci connu: si on soumet à une torsion une barre à magnétisme doux placée dans un champ longitudinal magnétique, sa magnétisation varie. En référence à la figure 1, le dispositif comporte d'une part un système de captage 1 et d'autre part des revêtements 2.1, 2.2. et 2.3 disposés sur l'arbre à magnétisme doux 2 - l'objet de mesure. Le système de captage 1 se compose notamment d'un générateur de champ magnétique 1.1, profilé en forme de U et s'étendant dans la direction longitudinale de l'arbre 2 - ce générateur étant constitué par un étrier 1.1 à magnétisme doux, en forme de U et comportant, aux extrémités des branches dirigées vers l'arbre, des aimants permanents 1.1.2 et 1.1.3 - et d'un capteur 1.2, qui com- porte un noyau 1.2.1. en forme de U, constitué d'un métal amorphe non à magnétostriction et placé à l'inté- rieur de l'étrier 1.1.1., les extrémités des branches de ce noyau étant également dirigées vers l'arbre et son âme por- tant une bobine 1.2.2 pourvue de bornes électriques 1.2.3, qui sont reliées à un circuit de traitement 3. Aussi bien les aimants permanents que les extrémités des branches du noyau sont placés à une légère distance de l'arbre. L'arbre 2 porte, dans la zone d'action du système de captage 1 - c'est-à-dire dans la direction longitudinale de l'arbre un peu au-dessus des aimants permanents - des revêtements, auquel cas il est prévu directement sur l'arbre 2 une troisième couche amorphe 2.3 non à ma- gnétostriction, fortement perméable, fixée en place et sur laquelle sont à nouveau fixées en place une seconde couche 2.2. fortement non magnétique et, sur celle-ci, à nouveau une première couche amorphe 2.1, à magnéto- striction et à fort magnétisme doux; évidement les cou- ches entourent l'arbre sur toute sa périphérie. La troisième couche 2.3 remplit la fonction de court-circuiter le magnétisme de base de l'arbre 2 dans la zone d'action du système de captage de telle sorte que le flux magnétique 0K résultant du magnétisme de base ne puisse passer qu'à l'intérieur de l'arbre et de la troisième couche 2.3. La seconde couche 2.2. sert au découplage magnétique de la troisième couche 2.3 et de la première couche 2.1 tandis que la première couche 2.1 représente la couche de mesure proprement dite. Comme le montre la figure 1, un champ magnétique continu est produit par le générateur de champ magnétique 1.1 et est introduit dans la première couche 2.1 (flux 0), de sorte que le circuit magnétique est fermé dans la direction longitudinale de l'arbre. Lorsque maintenant l'arbre 2 - et avec lui les couches - est soumis à une torsion, sa condition de magnétisation est modifiée dans la couche 2.1, ce qui a pour conséquence une variation du flux magnétique 0. Du fait que le noyau 1.2.1 du capteur 1.2 est également placé dans le circuit magnétique, une variation du flux magnétique 0 a égale- ment pour conséquence une variation du flux magnétique 0s dans le noyau du capteur, et notamment de la façon suivante: la bobine 1.2.2 du capteur est alimentée par une source de tension 3.1 du circuit de traitement 3 avec une fréquence constante - par exemple la fréquence de 100 kHz d'un oscillateur de sorte qu'un champ alterna- tif déterminé est produit dans le capteur et que le noyau du capteur est commuté dans la condition de satura- tion. Ce champ alternatif est superposé à une partie du champ continu du générateur de champ magnétique de sorte qu'une variation du flux magnétique 0 résultant du champ continu produit également une variation du flux magnétique Os - et notamment en relation avec la proportion de champ continu - dans le noyau. Cette variation du flux magnétique Os produit dans le noyau 1.2.1, en relation avec la fonction non linéaire B = f (H) de la courbe de magnétisation, une variation de sa per- méabilité dynamique g (H) = dB/dH, et en conséquence une variation de l'inductance L de la bobine 1.2.2, qui peut être explicitée dans un étage de traitement de signaux 3.2 du circuit de traitement 3 - par exemple un simple circuit électronique à oscillateur - de telle sorte qu'on obtienne une représentation d'une tension élec- trique ou d'une fréquence en fonction de la torsion. A la différence de l'exemple de réalisation de la figure 1, il est prévu, dans l'exemple de réalisa- tion des figures 2 et 3, en plus du capteur 1.2, encore un autre capteur 1.2' placé dans une position diamétra- lement opposée sur l'arbre 2, les deux capteurs étant re- liés au circuit de traitement 3 par l'intermédiaire de leurs bornes. Dans le circuit de traitement 3, les signaux engendrés par les capteurs sont maintenant additionnés électroniquement. Par ces moyens, il est possible d'éliminer des oscillations de l'arbre dans une direction verticale, avec les variations de flux magnétique en résultant, tandis que le signal utile est doublé. Du fait que - notamment comme le montre la figure 3 - les capteurs sont placés dans des positions diamétralement opposées et dans une direction verticale, de petites oscillations de l'arbre dans une direction hori- zontale n'ont plus d'influence sur les signaux engendrés par les capteurs car l'entrefer entre les capteurs et l'arbre reste approximativement constant. Quand les capteurs sont en outre maintenus par un support mobile par translation dans une direction verticale, il est possible d'obtenir un équilibrage de zéro en ce qui concerne les signaux engendrés par les capteurs. En ce qui concerne l'agencement des capteurs 1.2 et 1.2', il est à noter que leur résistance inductive, peu dépendante de la température, est choisie supérieure d'un multiple à leur résistance ohmique dépen- dante de la température, auquel cas on utilise pour la bobine de capteur de préférence un fil de cuivre ayant un faible coefficient de résistance thermique - par exemple du "Thermosyn" - ce qui permet de maintenir très faibles des variations éventuelles en fonction de la température. Les couches 2.1 à 2. 3 peuvent dans un cas très simple, être formées par trois feuilles minces - d'une épaisseur d'environ 20 à 50 Nm - qui sont reliées entre elles et avec l'arbre par une technique de collage ou par une technique de soudage par explosion. Il est cependant également possible de réaliser les couches successives précitées, avec des propriétés physiques spécifiques, par différents procédés chimiques ou physiques - comme une vaporisation, une pulvérisation cathodique, etc., ou des procédés de dépôt électrolytique ou des réactions chimiques de dépôt - ou bien une combi- naison d'un procédé chimique de dépôt et d'un procédé physique. Il semble particulièrement avantageux d'utiliser un procédé chimique de dépôt de nickel avec une certaine proportion de phosphore, auquel cas en agissant sur la proportion de phosphore, il est possible de réaliser des couches dont les propriétés magnétiques peuvent aller d'un fort magnétisme doux jusqu'à une absence de magné- tisme. Avec ce procédé, il est alors possible, en faisant varier quelques paramètres lors du processus de dépôt chimique, de déposer successivement les trois couches sur l'arbre. Du fait de l'imbriquement moléculaire des différentes couches, il ne se produira aucune varia- tion des propriétés mécaniques et magnétiques même dans le óas d'une forte sollicitation dynamique pendant une très longue durée et on obtient une grande adhérence des cou- ches sur l'arbre et les unes par rapport aux autres. En outre, ces couches ne présentent aucune tendance à la corrosion du fait de leur structure surfacique de sorte que, également pour cette raison les propriétés magnétique et mécaniques desdites couches sont très stables à long terme. Grâce à l'invention, on crée ainsi un dispo- sitif: - qui a une structure mécanique simple et robuste, - qui fonctionne d'une manière correcte et stable à long terme également en régime permanent sous une forte sollicitation alternative mécanique et dans des condi- tions d'environnement physiquement et chimiquement sévères, et - qui permet de traiter ultérieurement le signal engendré par les capteurs dans un circuit électronique de traite- ment de signaux d'une structure simple et peu coûteuse. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour la mesure électrique indirecte sans contact du couple sur un arbre, - comportant d'une part un système de captage placé à une légère distance de l'arbre, 5. se composant d'un générateur de champ magnétique en forme de U et d'au moins un capteur comportant un noyau et une bobine pourvue de bornes électriques, et un circuit de traitement dans lequel le capteur est intégré par l'intermédiaire des bornes, - et d'autre part, dans la zone du système de captage, des revêtements disposés en positions fixes sur l'ar- bre, et comprenant une première couche amorphe, à magnéto- striction, à fort magnétisme doux qui canalise le champ longitudinal magnétique produit par le générateur de champ magnétique, en vue de la fermeture d'un circuit magnétique, dans la direction longitudinale de l'arbre, ladite première couche étant placée sur une seconde couche située en dessous et fortement non-magnétique, - et le capteur est disposé dans la zone du champ longitudinal canalisé par la première couche et, en cas de torsion de l'arbre, capte dans son noyau une variation de magnétisation dans la première couche sous la forme d'une variation du flux magnétique, - caractérisé en ce que: - la seconde couche (2.2) est disposée sur une troi- sième couche amorphe (2.3) non à magnétostriction, fortement perméable et disposée directement sur l'arbre (2), - le noyau (1.2.1), situé également dans le circuit magnétique, du capteur (1.2) se compose d'un métal amorphe et non à magnétostriction, - et en ce que le champ magnétique produit par le générateur de champ magnétique (1.1) est un champ continu, qui est superposé au champ alternatif produit par la bo- bine excitée (1.2.2), - de sorte qu'une variation du flux magnétique (Os) produit une variation de la perméabilité dynamique g (H)=dB/dH du noyau (1.2.1) par l'intermédiaire de la fonction non linéaire B=f(H) de la courbe de magnétisa- tion et en conséquence de l'inductance (L) de la bobine (1.2.2), cette variation étant convertie dans le cir- cuit de traitement (3.3.2) en un signal électrique de torsion analogique. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu sur l'arbre (2) un autre capteur (1.2'), qui est placé dans une position diamétralement opposée par rapport au capteur (1.2) en direction verticale et qui est également intégré par l'intermédiaire de ses bornes dans le circuit de traitement (3). 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux capteurs (1.2, 1.2') sont maintenus par un support (4) pouvant être déplacé en direction verticale. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trois couches (2.1 à 2.3) sont déposées sur l'arbre par un procédé chimique de dépôt de nickel et d'une proportion d'un métalloide - comme du phosphore - ou de plusieurs proportions de diffé- rents métalloides, auquel cas, pendant le procédé de dépôt, la proportion de phosphore ou la proportion des autres métalloides est modifiée d'une couche à l'autre.