Brevet FR2630204A1 — publié le 19891020

-1- Capteur de position La présente invention concerne un capteur de position utilisable notamment pour détecter la position d'un essieu de véhicule ferroviaire par rapport à un rail de la voie ferrée. Des tentatives ont été faites pour construire un capteur au moyen d'un électro-aimant ou d'un aimant, disposé sur un arbre mobile, solidaire de l'essieu, dont on mesure l'angle de rotation lorsque l'essieu s'écarte de sa position moyenne par rapport au rail. De tels capteurs sont très encombrants lorsqu'on utilise des électro-aimants en raison de grand nombre de spires que doit posséder la bobine pour obtenir, avec un courant acceptable, une sensibilité suffisante. Lorsqu'on utilise des aimants, ces capteurs sont d'un prix de revient élevé en raison du coût des aimants à mettre en oeuvre. Un but de l'invention est de réaliser un capteur sensible, peu encombrant et d'un prix de revient modéré. L'invention est fondée sur l'observation des déformations que subit un champ magnétique uniforme de direction Oz perpendiculaire au plan de la voie, dans une direction Oy parallèle au plan de la voie, et perpendiculaire à la voie, en raison de la présence du rail. Si on observe par exemple les lignes de force d'un champ magnétique créé par un solénoïde d'axe Oz (figure 1), on constate qu'elles ont la forme de droites parallèles à Oz, sauf au voisinage des parois d'abscisses + a et-a du solénoïde. Si la direction Oz est une direction perpendiculaire au plan d'une voie et contenue dans le plan vertical de symétrie d'un rail, on constate que la présence de la masse métallique constituée par un rail 10 dans le champ magnétique de la figure 1 provoque une déformation des lignes de force; une représentation en est donnée dans la figure 2. Si l'on observe (figure 3) la représentation graphique des variations de la composante Hy selon Oy du champ magnétique en fonction de la distance au plan de symétrie du rail, on constate - 2 - qu'en se plaçant à une hauteur h donnée au dessus du rail, les variations de la composante Hy du champ sont linéaires sur une distance de plusieurs centimètres. Dans la figure 3, on a tracé les courbes Hy (y) pour h = 10, 20 et 30 mm et on constate une linéarité sur une distance selon Oy comprise entre -30 et + 30 mm. Dans cette fourchette, il est donc possible d'écrire Hy = K.y o k est un facteur dépendant entre autres, de la hauteur par rapport à la partie supérieure du rail. On observe également qu'il existe des points liés aux aimants o la variation de la composante Hx du champ est linéaire en fonction du déplacement selonOx des aimants par rapport au rail. C'est sur la base de ces considérations qu'est fondée l'inven- tion. Le capteur de l'invention comprend un moyen pour élaborer un champ magnétique qui serait sensiblement perpendiculaire au plan de la voie en l'absence de rail, et des moyens pour mesurer les variations de sa composante selon une direction à une distance donnée au dessus du rail. Les moyens de mesure comprennent une sonde à effet Hall. Dans une application à la mesure de la position d'un essieu de véhicule ferroviaire, il est impossible de maintenir en permanence une sonde à une hauteur h bien définie du rail, car l'essieu est soumis à des déplacements verticaux par rapport au rail. Pour obtenir une mesure indépendante de la hauteur on place deux sondes à effet Hall, assujetties à rester à la même distance horizontale d l'un de l'autre et placées, en l'absence de mouvement de l'essieu, à la même hauteur au-dessus du rail. Si la première sonde est, à un instant donné, placée à une abscisse a, elle mesure un champs H1 = ka. La seconde sonde mesure H2 = k (a - d). Si un circuit élabore un signal, H1 + H2 k 2a - d 2a - d S H1 - H2 = k d d On voit que ce signal est indépendant de k et donc de la hauteur. Conformément à une caractéristique de l'invention le capteur de l'invention comprend donc avantageusement deux sondes placées à une distance horizontale fixe l'une de l'autre et à la même hauteur au-dessus du rail et un circuit d'établissement du rapport de la somme à la différence des signaux émis par ces sondes. Un mode préféré de réalisation de l'invention est décrit maintenant en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est une représentation graphique des lignes de force d'un champ magnétique produit par un solénolde, - la figure 2 est une représentation graphique du même champ en présence de la masse métallique constituée.par un rail de chemin de fer, la figure 3 est une représentation graphique de la composante selon une direction perpendiculaire au rail du champ de la figure 2, - la figure 4 est une vue en perspective d'un rail muni d'aimants pour élaborer un champ perpendiculaire au rail, - les figures 5, 6 et 7 sont des vues schématiques respectivement en élévation, en bout et de dessus montrant les dispositions des aimants et des sondes du capteur par rapport au rail, - la figure 8 est une vue en perspective d'un rail avec une autre disposition des aimants, - la figure 9 est une vue en coupe par un plan perpendiculaire au rail de l'ensemble de la figure 8, - la figure 10 montre le même ensemble en élévation, - la figure 11 est un schéma électronique du montage à "champ nul" des sondes à effet Hall utilisées dans le capteur selon l'inven- tion, - la figure 12 est une vue en élévation en coupe d'un capteur selon un mode de réalisation, La figure 4 représente un rail 10 d'axe Ox. L'axe Oz est une verticale dirigée vers le haut. L'axe Oy est un axe transvers&I perpendiculaire à Oz et Ox. Dans un premier mode de réalisation, le champ magnétique est créé par deux barreaux 11 et 12, parallèles, dont la grande - 4 - longueur est dirigée selon l'axe Ox et aimantés NS selon l'axe Oz, de telle sorte que dans l'espace 13 compris entre les aimants, le champ soit uniforme et vertical. Pour mesurer les variations de la composante horizontale du champ, deux sondes à effet Hall 14 et 15 sont placées dans l'espace 13, leur plan étant parallèle au plan zOx. Elles sont situées à une distance ho du rail et séparées entre elles par une distance d. Si V1 et V2 sont les tensions de Hall obtenues en leur injectant un courant de contrôle donné, on a vu que la mesure de la composante selon Oy du champ magnétique, donc l'écart de position recherché, est obtenue sans influence de la hauteur des sondes au-dessus des rails en élaborant un signal Vi + V2 VS -V V2 En général, le rail est utilisé pour le retour du courant de traction des véhicules ferroviaires; il génère donc dans les sondes 13 et 14 un signal parasite. Cet inconvénient est supprimé en équipant le capteur d'une troisième sonde à effet Hall, 16, placée loin de l'influence des aimants 11 et 12, à une même hauteur ho au dessus du rail que les sondes 14 et 15. Si V3 est le signal détecté par la sonde 16, le circuit électro- nique du capteur de l'invention élaborera un signal corrigé S3 tel que S3 3 V1 + V2 - 2 V3 Vi - V2 On notera que pour des applications o on n'utiliserait qu'une seule sonde soumise au champ magnétique, (par exemple parce que la hauteur de la sonde ne varierait pas) on pourrait utiliser une sonde de compensation fournissant un signal Vc et on élaborerait un signal S2 = V1 - Vc proportionnel à la composante recherchée. Les figures 8 à 10 illustrent une variante de la disposition -5 des aimants par rapport au rail. Les éléments communs à ces figures et aux figures 4 à 7 ont reçu les mêmes numéros de référence. Cette fois, les aimants 11 et 12 sont des barreaux dont la plus grande dimension est parallèle au rail 10 (direction Ox); ils sont aimantés NS selon la direction verticale Oz. Les sondes de Hall 14 et 15 ont des plans parallèles au plan vertical parallèle au rail (plan zOx). Pour de multiples raisons bien connues, il est préférable de faire travailler à champ nul les sondes à effet Hall. C'est pourquoi les sondes à effet Hall 14, 15 et 16 sont associées à un circuit électronique tel que celui décrit en référence à la figure 11. La sonde 15, par exemple, est placée à l'intérieur d'une bobine 25 créant un champ parallèle au champ Hy mesuré et de sens opposé. Cette bobine est alimentée par un courant IB élaboré à partir de la tension de Hall VH de la sonde 14 appliqué aux entrées d'un amplificateur opérationnel 25 suivi d'un étage à transistors 26 et 27. Le champ de la bobine-compense donc à chaque instant celui à mesurer et annule la tension de Hall. Le courant de contrôle Ic traversant la sonde à effet Hall est élaboré par un circuit comprenant une source continue, par exemple - 15V, + 15V et une résistance d'ajustage 28. La source sert à polariser l'amplificateur et les transistors. Le signal recherché proportionnel au courant IB de la bobine 24, est prélevé aux bornes d'une résistance 30 sous forme d'une tension VM. La figure 9 représente, en coupe un capteur de position selon un mode de réalisation particulièrement compact. Il comprend un bottier 40, à deux compartiments 41 et 42, réalisé en matériau magnétique tel que du fer. Le bottier est fermé à sa partie inférieure par une semelle 43 en matériau amagnétique; tel que de l'acier inoxydable. Dans le compartiment 41 sont placés les aimants 11 et 12, fixés de préférence par une couche de colle respectivement 11A -6- et 12A sur la semelle 43. Le compartiment 41 contient également les deux sondes 14 et 15 et leur bobine associée. Seule la sonde 15 et sa bobine 25 sont visibles dans la figure 9. Les sondes et les bobines sont reliées par des connexions telles que 44 à un circuit électronique placés sur un plaque impri- mée 45 fixée à la semelle 43 par des tiges telle que 46. Un bornier de sortie 47 permet de transmettre les informations et signaux à un circuit d'utilisation extérieur. Le compartiment 42 renferme la sonde de compensation 16 et sa bobine associée 26, reliées par des connexions 48 au circuit électronique. Les sondes et bobines sont avantageusement maintenues en position fixe en remplissant les compartiments 41 et 42 d'un résine isolante durcissable. -7 - REVENDICATIONS: 1/ Capteur de position destiné à mesurer l'écart de position, selon une direction donnée, d'une première pièce telle qu'un élément donné d'un essieu de véhicule ferroviaire par rapport à une seconde pièce fixe tel qu'un rail sur lequel circule ledit essieu, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (11, 12) pour élaborer au-dessus de ladite seconde pièce (10) un champ magnétique et des moyens (15) pour mesurer la valeur de sa composante selon ladite direction (0y), la variation de cette valeur étant proportionnelle audit écart de position. 2/ Capteur de position selon la revendication 1 caratérisé en ce que lesdits moyens pour élaborer ledit champ comprenant deux aimants (11, 12) disposés parallèlement entre eux, leur direction commune d'aimantation étant perpendiculaire à ladite direction (Oy). 3/ Capteur de position selon l'une des revendications 1 et 2 caracté- risé en ce que lesdits moyens pour mesurer la valeur de la composante selon ladite direction dudit champ magnétique comprennent.-une sonde à effet Hall (15) dont le plan est perpendiculaire à ladite direction (Oy), solidaire de la première pièce, la valeur V de la tension de Hall étant proportionnelle audit écart de position. 4/ Capteur de position selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que lesdits moyens pour mesurer la valeur de ladite composante selon ladite direction dudit champ magnétique comprennent deux sondes à effet Hall (14, 15) solidaires de la première pièce, dont les plans sont perpendiculaires à ladite direction (Oy), disposées à une distance fixe (d) l'une de l'autre et à la même hauteur (ho) par rapport à la seconde pièce, et parcourues par un courant de contrôle identique, et un circuit élaborant un signal S: V1 + V2 VI - V2 o V1 et V2 sont les tensions de Hall respectives desdites sondes, le signal S1 étant proportionnel audit écart de position. / Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits -8moyens pour mesurer la valeur de ladite composante selon ladite direction comprennent une seconde sonde à effet Hall solidaire de la première pièce, placée hors de l'influence dudit champ et parallèlement à la première sonde, à une même hauteur de la première pièce que la première sonde et parcourue par une même valeur de courant de contrôle, et un circuit élaborant un signal S2 = V1 - Vc o Vl est la tension de Hall de la première sonde et Vc la tension de Hall de la seconde sonde, le signal S2 étant proportionnel audit écart de position. 6/ Capteur de la position selon la revendication 3 caractérisé en ce que lesdits moyens pour mesurer la composante selon ladite direction comprennent une première et une seconde sondes à effet Hall (14, 15) solidaires de la première pièce, dont les plans sont perpendiculaires à ladite direction (Oy), disposées à une distance fixe (d) l'une de l'autre et à la même hauteur (ho) par rapport à la seconde pièce, parcourue par un même courant de contrôle, et une troisième sonde à effet Hall (16) solidaire de la première pièce, placée hors de l'effet dudit champ magnétique, à une même hauteur que les autre sondes par rapport à ladite seconde pièce, dont le plan est perpendiculaire à ladite direction, parcourue par un même courant de contrôle que lesdites autres sondes et un circuit élaborant un signal: V1 + V2 - 2V3 S3 = V: - V2 - V1 -V2 o Vl, V2 et V3 sont les tensions de Hall des première, seconde et troisième sondes respectivement, le signal S3 étant proportionnel audit écart de position. 7/ Capteur selon l'une des revendications 3 à 6 caractérisé en ce que chaque sonde (14, 15, 16) est munie d'un circuit pour permettre à ladite sonde de travailler à champ nul. 8/ Capteur selon la revendication 7 caractérisé en ce que ledit circuit comprend pour chacune (15) desdites sondes, une bobine (25) entourant ladite sonde et dont l'axe est perpendiculaire au -9. plan de ladite sonde, ladite bobine étant parcourue par un courant IN proportionnel à la tension VH de Hall de ladite sonde, dans un sens tel que le champ qu'il produit soit de sens opposé au champ mesuré par ladite sonde, la mesure de la tension de Hall étant obtenue par la mesure du courant de la dite bobine.