Brevet FR2619913A1 — publié le 19890303

CAPTEUR DE POSITION SANS CONTACT MECANIQUE L'invention concerne un dispositif de détection, sans aucun contact mécanique, de la position d'un élément mobile suivant une trajectoire prédéterminée, comportant un capteur de position comportant un enroulement primaire alimenté par une source de courant alternatif et un enroulement second,a,ire,qcguplé inductivement avec ledit enroulement secondaire, ledit element mobile présentant une partie magnétique susceptible de modifier le couplage inductif entre lesdits enroulements au cours de son déplacement, l'enroulement secondaire étant constitué par trois groupes de bobines élémentaires disposées et connectées de manière à engendrer trois signaux de sortie distincts destinés à être appliqués à un dispositif de traitement et dont la combinaison logique permet de déterminer la position dudit élément mobile. Les dispositifs détecteurs de position de ce type sont utilisés dans de nombreux domaines et ils présentent un grand intérêt lorsque l'élément mobile est dans un milieu fermé dans lequel on ne peut introduire de composants mécaniques ou électriques en raison des propriétés de ce milieu. Une application particuliere de tels dispositifs consiste à contrôler la position des barres de commande dans les réacteurs nucléaires. Le brevet français 2169437 et son certificat d'addition 2182400 décrivent tous deux des capteurs de position sans contact mécanique du type à transformateur dans lesquels l'enroulement secondaire est constitué par des couples de bobines, disposés régulierement le long de la trajectoire de l'élément mobile et délivrant chacun un signal différentiel de valeur nulle pour toute position d'élément mobile engendrant un même couplage inductif entre l'enroulement primaire et les deux bobines dudit couple. Dans le certificat d'addition précité, les bobines de l'enroulement secondaire sont disposées de manière à fournir une information numérique codée, par exemple en code GRAY, à un dispositif de traitement relié au capteur. Pour obtenir une précision suffisante avec un tel dispositif, il est nécessaire d'augmenter le nombre de bits de l'information codée, et en conséquence d'augmenter le nombre de fils de sortie du capteur1 ce qui pose des problèmes de connexion. La présente invention a pour but d'obtenir une précision supérieure à celle qu'il serait possible d'obtenir avec une information codée sur 5 bits dans un dispositif selon le certificat d'addition précité tout en conservant le même nombre de bornes de sortie que dans un capteur connu à 3 bits. Selon la présente invention, ce but est atteint par le fait que chacun desdits groupes est subdivisé en sou'5-groupes comportant chacun au moins deux bobines elémentaires connectées électriquement en série, deux sous-groupes adjacents d'un même groupe étant connectés électriquement en opposition. Avec une telle disposition et une telle connexion des bobines élémentaires de l'enroulement secondaire du capteur, les trois signaux de sortie du capteur varient en fonction de la position de l'élément mobile de manière à ce qu'g chaque position de l'élément mobile corresponde un point situé sur un flanc montant ou descendant, correspondant à une variation sensiblement linéaire de l'un des signaux de sortie entre une valeur basse et une valeur haute pouvant être prises par ce signal. Le nombre de bobines élémentaires connectées en série à l'intérieur de chacun des sous-groupes est de préférence compris entre 3 et 6. Pour améliorer la précision de la mesure, il est possible de décaler latéralement les bobines d'extrémité d'un sous-groupe de manière à les imbriquer dans les sous-groupes adjacents des autres groupes. Ceci permet d'obtenir un chevauchement des flancs montant ou descendant des courbes correpondant à deux signaux de sortie et d'améliorer la précision de la mesure aux points de croisement des courbes. Selon l'invention il est également possible d'améliorer encore la précision de la mesure en tenant compte de l'influence de la température. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre de différents modes de mise en oeuvre de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente un schéma de connexion des bobines primaires ét secondaires d'un capteur de position selon l'invention; - la figure 2 illustre les différentes courbes théoriques de variation des signaux de tension délivrés par les groupes de bobines secondaires de la figure 1; - la figure 3 représente une variante du schéma selon la figure1; - la figure 4 illustre la variation des courbes selon la figure 2 en fonction de la température; - la figure 5 représente les courbes des signaux de sortie obtenus expérimentalement avec un capteur de position selon la figure 3; et - les figures 6 et 7 représentent deux variantes de connexion des bobines d'un capteur de position selon l'invention, comportant respectivement 31 et 40 bobines secondaires. Le capteur selon l'invention est destiné à détecter, sans aucun contact mécanique, la position d'un élément mobile (non représenté) en matériau magnétique susceptible de se déplacer linéairement suivant un axe. Le capteur du type à transformateur, c'est à dire comportant un enroulement primaire 10 et un enroulement secondaire 12, coaxiaux, entourant ledit axe sur toute la trajectoire de l'élément mobile. L'enroulement primaire 10 est alimenté par une source de courant alternatif de manière à engendrer un flux inducteur constant à l'intérieur de cet enroulement 10, le couplage entre les deux enroulements, et donc la tension induite dans l'enroulement secondaire, variant en fonction de la position de l'élément mobile et pouvant en conséquence constituer une mesure de cette position. Il est évident qu'il suffit que la partie de l'élément mobile couvrant l'ensemble de sa course soit en matériau magnétique. Des capteurs de ce type sont bien connus et sont décrits notamment dans le brevet français 21 69437 et dans son certificat d'addition 2182400, auxquels on pourra se référer pour une description plus détaillée du fonctionnement d'un tel capteur. Comme dans le certificat d'addition précité, l'enroulement secondaire 1 2 du capteur selon l'invention est constitué par une pluralité de bobines, toutes identiques, réparties régulièrement le long de la trajectoire de déplacement de l'élément mobile et reliées électriquement entre elles de manière à former plusieurs groupes. Dans les modes de réalisation préférés représentés sur les figures 1, 3, 6 et 7, l'enroulement primaire 10 est constitué par une pluralité de bobines connectées électriquement en série entre deux bornes d'entrée 14 et 16 et intercalées entre les bobines secondaires. Comme représenté sur la figure 1, l'enroulement secondaire 1 2 du capteur comporte trois groupes de bobines A, B et C dont une extrémité est reliée à une borne de sortie commune 18, tandis que les autres extrémités des groupes A, B et C sont connectées respectivement à trois bornes de sorties distinctes 20, 22 et 24, de manière à engendrer trois signaux de sortie Va, Vb et Vc distincts. Le groupe A est constitué par 4 sous-groupes A1, A2, A3 et A4, le groupe B par 2 sous-groupes B1 et B2 et le groupe C par un sousgroupe unique C7. Les sous- groupe A1 et A2 sont connectés électriquement en opposition pour constituer un couple produisant un signal différentiel, les sous-groupes A3 et A4 étant également connectés en opposition pour constituer un second couple produisant un second signal différentiel. Comme représenté sur la figure, les deux couples Al, A2 et A3, A4, du groupe'À sont de préférence reliés en opposition les uns aux autres, de manière à éviter d'additionner les signaux résiduels non nuls de chacun des couples. De manière analogue, les sous-groupes B1 et B2 du groupe B sont connectés électriquement en opposition. Une telle connexion des bobines de l'enroulement secondaire a déjà été décrite dans le certificat d'addition 2182400 précité, dans lequel le dispositif de traitement des signaux de sortie du capteur transforme ces signaux en signaux numériques formant un code logique, le code GRAY, au moyen de déclencheurs à seuil permettant de détecter le passage de l'un des signaux de sortie d'un état logique à un autre. De cette manière le dispositif de traitement dispose, pour un enroulement secondaire constitué de trois groupes de bobines A, B et C connectées de la manière indiquée ci-dessus, d'une information codée sur 3 bits représentative de la position de l'élément mobile, ce qui permet de déterminer huit positions de l'élément mobile. Une telle précision n'est généralement pas suffisante en pratique, surtout aux extrémités des capteurs, et il a été proposé d'augmenter la précision en augmentant le nombre de groupes de bobines de l'enroulement secondaire et en transmettant une information codée sur un nombre supérieur de bits. Cependant une augmentation du nombre de bits implique une augmentation du nombre de fils, ce qui pose des problèmes de connexion. La présente invention permet d'obtenir une précision supérieure à celle qu'il serait possible d'obtenir avec une information codée sur 5 bits tout en conservant le même nombre de bornes que dans un capteur à 3 bits, à savoir les deux bornes 14 et 16 d'entrée de l'enroulement primaire, les 4 bornes 18, 20, 22 et 24 de sortie de l'enroulement secondaire, et une borne 26 à laquelle est reliée la masse mécanique du capteur, soit au maximum 7 bornes. Pour cela chaque sous-groupe (A1, A2, A3, A4, B1, B2 et C1) de bobines de l'enroulement secondaire 12 est constitué d'une pluralité de bobines élémentaires connectées électriquement en série à l'intérieur du sous-groupe. Dans le mode de réalisation préférentiel représenté sur la figure 1, chacun des sous-groupes comporte 3 bobines élémentaires. Bien entendu, il est possible d'augmenter le nombre de bobines élémentaires de chaque sous-groupe, ce qui permet d'améliorer encore la précision de la mesure. Cependant, pour une application donnée, le nombre total de bobines élémentaires pouvant être disposées le long de la trajectoire de l'élément mobile est limité. A titre d'exemple, un capteur de position utilisé pour le contre de la position des barres d'un réacteur nucléaire comporte en pratique entre 20 et 40 bobines dans l'enroulement secondaire. Lorsque ces bobines sont divisées en sept sous-groupes connectés de manière à former 3 groupes pour engendrer 3 signaux de sortie formant un code logique, par exemple un code GRAY, le nombre maximal de bobines élémentaires dans chaque sous-groupe ne peut dépasser 6. La figure 2 représente les signaux de tension induits dans les différents groupes (A, B et C) de l'enroulement secondaire 12 en fonction de la position de l'élément mobile, l'enroulement primaire 10 étant alimenté par une source de courant alternatif constant. La courbe a, en trait plein, représente en fonction de la position de l'élément mobile, le signal de tension Va présent entre la borne 20 de sortie des bobines du groupe A et la borne de sortie commune 18. Sur la figure 2 la position de l'élément mobile est exprimée en nombre de pas "p", cette grandeur étant celle classiquement utilisée pour représenter la course d'une barre de commande d'un réacteur nucléaire. La courbe b, en pointillé, représente le signal de tension Vb présent entre la borne de sortie commune 18 et la borne 22 de sortie des bobines du groupe B, tandis que la courbe c représente le signal de tension Vc présent entre la borne de sortie commune 18 et la borne 24 de sortie des bobines du groupe C. Il ressort clairement de la figure 2 qu'à chaque position de l'élément mobile correspond un point situé sur un flanc montant ou descendant de l'une des courbes a, b ou c. Cette caractéristique est utilisée par un dispositif (non représenté) de traitement des signaux Va, Vb et Vc de sortie du capteur de position pour déterminer avec précision la position de l'élément mobile. Le dispositif de traitement utilise la variation sensiblement linéaire de chacun des signaux de sortie Va, Vb et Vc lorsque l'élément mobile se déplace en regard des bobines élémentaires d'un sous-groupe correspondant du groupe associé au signal considéré. A tout instant les 3 signaux Va, Vb et Vc sont appliqués au dispositif de traitement. Dans un mode de réalisation préférentiel les 3 signaux de sortie Va, Vbetvcsont multipleis, puis convertis en signaux numériques et sérialisés pour être appliqués à un dispositif numérique de traitement, ce dernier comportant de préférence un ordinateur central comportant en mémoire des tables de correspondance, obtenues expérimenta lement, entre les valeurs des signaux et la position de l'élément mobile. Le dispositif de traitement combine, de façon logique, les informations qui lui sont fournies par les 3 signaux de sortie Va, Vb et Vc, de manière à déterminer en regard de quel sousgroupe se trouve l'élément mobile, et donc sur quel flanc, montant ou descendant, se trouve le signal à prendre en considération pour la détermination précise de la position de l'élément mobile. A titre d'exemple, si les signaux Vb et Vc sont tous déux au niveau bas, la valeur associée de Va se trouve sur le premier flanc montant de la courbe a, correspondant au sous-groupe Al. Par contre, si Vb est au niveau haut, Vc restant au niveau bas, le dispositif de traitement est en mesure be déterminer que la valeur de Va se trouve sur le premier flanc descendant de la courbe a, correspondant au sous-groupe A2. Comme représenté sur la figure 2, le capteur selon l'invention permet d'obtenir une réponse quasi-linéaire à l'intérieur d'un intervalle de déplacement de 1 'élément mobile correspondant à un sous-groupe, soit 40 pas dans le mode de réalisation représenté, ce qui permet d ' obtenir une précision de mesure très supérieure à celle pouvant être obtenue avec un capteur à 3 bits de sortie selon le certificat d'addition précité, la précision étant de 40 pas, pour un déplacement maximal de 280 pas, dans ce dernier. La stabilité de la mesure obtenue avec le capteur décrit cidessus est relativement bonne en raison de la connexion en opposition par couples des sous-groupes de chacun des groupes de manière à délivrer un signal différentiel de valeur nulle pour toute position de l'élément mobile engendrant un même couplage inductif entre l'enroulement primaire et chacun desdits sousgroupes du couple. Il est néanmoins souhaitable de prévoir une correction de la mesure en fonction de la température, de manière à améliorer encore la précision de cette mesure. Dans ce but une bobine supplémentaire 28, dite bobine basse, est disposée à l'entrée du capteur de manière à être traversée en permanence par l'élément mobile. Cette bobine basse est incorporée au sous-groupe C1, c'est à dire qu'elle est électriquement connectée en série avec les autres bobines du sous-groupe C1, ce qui provoque un décalage vers le haut de la courbe c, comme représenté en c' sur la figure 2. Comme représenté sur la figure 3, il est possible de ne pas modifier le nombre total de bobines du capteur en réduisant d'une unité le nombre de bobines du groupe C1 disposées dans la partie médiane du capteur entre les bobines des sous-groupes A2 et A3, et en utilisant la bobine ainsi libérée ptur former la bobine basse 28. Dans cas, le sous-groupe C1 comporte toujours 3 bobines connectées électriquement en série, mais l'une d'entre elles (28) a été décalée latéralement de manière à constituer la bobine basse. La figure 4 illustre la variation des courbes a, b et c' selon la figure 2 en fonction de la température. Les courbes en trait plein représentent les valeurs de Va, Vb et Vc à froid, à une première température prédéterminée, par exemple 250C, tandis que les courbes en pointillé représentent les valeurs des mêmes signaux à chaud, à une seconde température prédéterminée, par exemple 100 OC. Il ressort clairement de ces courbes que l'écart du à une variation de température est maximal d'une part pour la courbe c' et d'autre part pour les courbes a et b lorsque l'élément mobile traverse complètement le premier sous-groupe d'un couple (Al, B1 ou A3) et n'a pas encore atteint le second sous-groupe associé (respectivement A2, B2 ou A4), c'est à dire lorsque les signaux Va ou Vb ont atteint leur valeur haute correspondant aux paliers supérieurs des courbes a et b. Des courbes d'étalonnage préenregistrées à chaud, par exemple pour une température prédéterminée de 1000C, étant mises en mémoire dans l'ordinateur central, celui-ci compare la valeur des signaux Va, Vb et Vc de sortie du capteur avec les courbes d'étalonnage, détermine à partir du résultat de cette comparaison, la température au moment de la mesure et la correction à apporter au signal mesure. La bobine basse 28 permet d'obtenir une bonne correction de température à l'extrémité inférieure du capteur, la valeur basse du signal Vc (courbe c') étant influencée essentiellement par la température du capteur. Pour améliorer la précision de la correction de température on utilise de préférence pour chaque position de l'élément mobile l'information fournie par le palier le plus proche en amont de ladite position. Ainsi, on compare la courbe c' à la courbe d'étalonnage correspondante pour la correction des signaux Va situés sur le premier flanc de montée de la courbe a, puis la courbe a à la courbe d'étalonnage correspondante pour la correction des signaux Vb situés sur le flanc de montée de la courbe b, puis la courbe b pour la correction des signaux situés sur le premier flanc descendant de la courbe a, le flanc montant de la courbe c' et le second flanc montant de la courbe a, puis de nouveau la courbe a pour la correction des signaux situés sur le flanc descendant de la courbe b, et enfin la courbe c' pour la correction des signaux situés sur le second flanc descendant de la courbe a. Dans la partie supérieure du capteur on peut, en pratique, simplifier la correction en utilisant exclusivement l'information fournie par la courbe c, le gradient maximal de température étant beaucoup moins important que dans la partie inférieure du capteur. La figure 5 représente les courbes a, b et c' obtenues expérimentalement avec un capteur de position selon la figure 3, les courbes en trait plein étant obtenues lors d'essais à froid et les courbes en pointillé lors d'essais à chaud. Les modes de réalisation représentés sur les figures 6 et 7 permettent d'améliorer la précision aux croisements des courbes, c'est à dire au passage d'un flanc à un autre. Pour celà on décale les bobines d'extrémités de chacun des sous-groupes de manière à les imbriquer dans le sous-groupe adjacent. A titre d'exemple, la figure 6 représente un capteur dans lequel l'enroulement secondaire 12 comporte 31 bobines élémentaires. Comme représenté sur la figure chacun des sous-groupes B1, B2 et C1 comporte 5 bobines élémentaires, chacun des sous-groupes Al, A2, A3 et A4 du groupe A comportant 4 bobines élémentaires. La première bobine du sous-groupe B1 est disposée entre les troisième et quatrième bobines du sous-groupe Al , de sorte que la dernière bobine de Al est disposée entre les première et seconde bobines de B1. Il en est de même pour tous les sous-groupes. Typiquement, on obtient la succession suivante: une première bobine d'extrémité d'un sous-groupe donné (par exemple A3) suivie par une bobine du sous-groupe précédent (C1), les bobines centrales (2 dans le cas du sous-groupe A3) du sous-groupe donné (A3), une bobine d'extrémité du sous-groupe suivant (B2) et enfin la seconde bobine d'extrémité du sous-groupe donné (A3). De cette manière les bobines d'extrémité de chacun des sousgroupes sont imbriquées dans les sous-groupes adjacents et il y a superposition des flancs des courbes a, b et c aux points de croisement de ces courbes. Bien entendu le dispositif de traitement doit tenir compte de cette imbrication. De manière analogue, la figure 7 représente un capteur dont l'enroulement secondaire comporte 40 bobines élémentaires, chacun des sous-groupes des groupes A et B comportant 6 bobines élémentaires et le sous-groupe C1 comportant 4 bobines élémentaires. A titre d'exemple, si l'on considère le sousgroupe A2 dans ce mode de réalisation particulier, sa première bobine d'extrémité est séparée de ses 4 bobines centrales par une bobine d'extrémité du sous-groupe B1, et une bobine d'extrémité du sous-groupe C1 est intercalée entre les bobines centrales et la seconde bobine d'extrémité du sous-groupe A2. La précision de la mesure pouvant être obtenue au moyen d'une combinaison des différentes caractéristiques décrits ci-dessus rend un tel capteur particulièrement adapté à une utilisation dans des conditions exceptionnelles, notamment dans les réacteurs nucléaires. Bien entendu la présente invention n'est en aucune manière limitée à cette application particulière, mais peut au contraire être utilisée pour toute mesure, sans contact mécanique, de la position d'un élément mobile nécessitant une bonne précision de mesure. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection, sans aucun contact mécanique, de la position d'un élément mobile suivant une trajectoire prédéterminée, comportant un capteur de position comportant un enroulement primaire (10) alimenté par une source de courant alternatif et un enroulement secondaire (12) couplé inductivement avec ledit enroulement secondaire, ledit élément mobile présentant une partie magnétique suceptible de modifier le couplage inductif entre lesdits enrouiements au cours de son déplacement, l'enroulement secondaire (12) étant constitué par trois groupes (A, B, C) de bobines élémentaires disposées et connectées de manière à engendrer trois signaux de sortie (Va, Vb, Vc) distincts destinés à être appliqués à un dispositif de traitement et dont la combinaison logique permet de déterminer la position dudit élément mobile, dispositif caractérisé en ce que chacun desdits groupes (A, B, C) est subdivisé en sousgroupes (Al, A2, A3, A4, B1, B2, C1) comportant chacun au moins deux bobines élémentaires connectées électriquement en série, deux sous-groupes adjacents d'un même groupe étant connectés électriquement en opposition. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un premier groupe (A) de bobines de l'enroulement secondaire (12) est subdivisé en quatre sous-groupes (A7, A2, A3, A4) connectés deux à deux en opposition, le second groupe (B) étant subdivisé en deux sous-groupes (B1, B2) connectés en opposition, le troisième groupe (C) comportant un seul sous-groupe (C1) disposé dans la partie médiane du capteur, les sous-groupes des premier et second groupes étant répartis régulièrement le long de la trajectoire de l'élément mobile de part et d'autre du troisième groupe avec une imbrication des différents groupes. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque sous-groupe comporte 3 à 6 bobines élémentaires en série. 4. Dispositif selon la revendication caractérisé en ce que les hobines d'extrémité d'un sous-groupe. sont décalées latéralement de manière à être imbriquées dans les sous-groupes adjacents des autres groupes. 5. Dispositif selon l'une quelconque des. revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une bobine élémentaire (28) est disposée à l'entrée du capteur de manière à être traversée en permanence par l'élément mobile, et est connectée en série avec les bobines élémentaires du sous-groupe (C1) disposé dans la partie médiane du capteur. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif de traitement effectue une correction de la mesure en fonction de la température après avoir comparé aux valeurs correspondantes d'une courbe préenregistrée à une température prédéterminée les valeurs atteintes par le signal de sortie (Va, Vb, ou Vc) associé à l'un des groupes (A, B ou C) lorsque l'extrémité de l'élément mobile n'est pas en regard de l'un des sous-groupes de ce groupe.