Brevet FR2647577A1 — publié le 19901130

Equipement électro-optique de transmission de mesures notamment pour machines tournantes La présente invention concerne de manière générale la transmission de signaux de mesure entre deux éléments cn mouvement l'un par rapport à l'autre. Plus particulièrement, l'invention concerne la transmlssion de signaux de mesure entre le rotor et le stator d'une machine tournante telle qu'une turbomachine. La transmission de signaux de mesure entre le rotor et le stator thune machine tournante se heurte fréquemment à tes problèmes de contact, de parasites et d'étanchéité. Différentes solutions ont été proposée6 généralement basées sur l'association de collecteurs et de balais, ou l'utlllsation de couplages électro-magnétiques. Ainsi, par exemple, les demandes te brevet franchis FR-A-2428824, FR-A-2428821 et FR-A-242B825 divulguent tes dispositifs de transmission sans contact faisant appel à tes couplages électro-magnétiques. Des bobines, tes transformateurs tournants, et des lignes radio-électriques couplées sont utilisées afin t'assurer la transmission des signaux te mesure. Du fait du principe même de couplage qui est mis en oeuvre, ces différents dispositifs de transmission sans contact sont sensibles aux signaux parasites électro-magnétiques, signaux parasites fréquents et nombreux en milieu industriel et particulièrement néfastes dans les lignes de mesure généralement à bas niveau de tension. La présente invention vise à remédier aux inconvénients de la technique antérieure en fournissant des équipements électro-optlques de transmission de mesures insensibles aux parasites électro-magnétiques et adaptés pour équiper des machines tournantes fonctionnant à des vitesses de rotation élevées. A cette fin, un équipement électro-optlque selon l'invention pour tran8mettre un signal de mesure entre tes premier et second éléments en déplacement l'un par rapport à l'autre, est caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de premiers moyens optiques, reliés au premier élément et ayant des premières fenêtres de mesure en regard du second élément pour recevoir des impulsions lumineuses à transmettre du second élément vers des moyens te traitement te mesures reliés au premier élément, lesdites premières fenêtres te mesure étant alignées selon un sens de déplacement et distribuées de manière déterminée, des seconds moyens optiques reliés au second élément et ayant une seconde fenêtre de mesure coïncidant successivement, au cours du déplacement, avec chacune des premières fenêtres de mesure pour convoyer les impulsions lumineuses et les démultiplexer dans les premiers moyens optiques. des moyens de mesure et de synchronisation répartis dans les premier et second éléments pour traiter le signal de mesure produit par un capteur disposé dans le second élément et fournir un échantillon numérique représentatif de l'amplitude dudit signal, produire des informations de contrôle et transmettre en série une information de contrôle ou un bit d'échantillon numérique à chaque colncldence entre l'une des premières fenêtres de mesure et la seconde fenêtre de mesure, et des moyens de conversion électro-opeique reliant les moyens de mesure et de synchronisation aux seconds moyens optiques pour convertir les informations de contrôle et les bits d'échantillon numérique en les impulsions lumineuses transmises dans les seconds moyens optiques afin d'être démultiplexées dans les premiers moyens optiques, Lestlts premier et second éléments correspondent, généralement, respectivement au stator et au rotor d'une machine tournante et lesdits premiers et seconds moyens optiques comprennent des fibres optiques. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante de plusieurs réalisations préférées de l'équlpement électro-optique selon l'invention en référence aux dessins.annexés correspondants dans lesquels : - la Fig, 1 montre une machine tournante équipée avec un équipement selon l'invention pour transmettre, vers un dispositif de traitement, des mesures produites dans un rotor de la machine tournante ; - la Fig. 2 représente des impulsions lumineuses de synchronisation commandant dans ltéquipement la transmisslon de bits d'échantillon numérique de mesure ; et - la Flg. 3 est un bloc-diagramme d'un circuit de mesure localisé dans le rotor te la machine tournante. En référence à la Fig, 1, un équipement selon l'invention pour une machine tournante 1 comprend essentiellement un dispositif photoémetteur de synchronisation 2, un faisceau de fibres optiques de synchronisation FS, une fibre optique de détection de synchronisation Fs, un circuit de mesure 3, une fibre optique de transmission de mesure Fm et un faisceau de fibres optiques de transmission de mesure FM. La machine tournante 1 comprend un stator 10 et un rotor 11. Le stator 10 est équipé, sur une périphérie externe 100, de têtes optiques de synchronisation 101 et de mesure 102 associées respectivement aux faisceaux de fibres optiques FS et FM. Le dispositif photoémetteur de synchronisation 2 est couplé aux têtes de synchronisation 101 et comprend N+2 diodes laser 20O à 20N et 20f alimentées en continu par une tension VA. Le faisceau de fibres optiques te synchronisation FS comprend N+2 fibres FSO à FSN et FSf et transment en continu des signaux lumineux produits respectivement par les diodes 20O à 20N et 20f. Les fibres FSO à FSN et FSf sont logées dans des conduits de fibre correspondants aménagés dans le stator 10. Des faces extrêmes des fibres optiques FSO à FSN et FSf sont alignées le long d'une circonférence interne 103 du stator 10 et forment des fenêtres lumineuses ou marqueurs lumineux FSO à fsN et fsf qui sont répartis de préférence régulièrement et espacés entre eux d'un arc de longueur d. Le faisceau de fibres optiques FM comprend N+1 fibres optiques FMo à FMN respectivement pour transmettre, vers un dispositif de traitement des mesures, des impulsions de départ isO et des bits mel à meN d'échantillons numériques de mesure ME. Les échantillons numériques ME sont représentatifs d'un signal de mesure SM produit par un capteur de mesure logé dans le rotor 11. Le dispositif de traitement des mesures 4 comprend un dispositif photodétecteur 40 équipé de N+1 photodiodes 400Q à 400N, un registre d'entrée 41, et un calculateur 42. Les diodes 4000 à 400N sont en regard de faces extrêmes respectivement des fibres FMo à FMN et détectent des signaux lumineux convoyés par lesdites fibres. En sortie, le dispositif photodétecteur 40 délivre les impulsions de départ isO et les bits mel à meN des échantillons numériques ME. Les fibres FMO à FMN sont logées dans des conduits de fibre correspondants aménagés dans le stator 10. La tête optique de mesure 102 a pour fonction de connecter des premiers et des seconds tronçons des fibres FMo à FMN. Les premiers et seconds tronçons des frbres FMO à FMN convoient des signaux lumineux respectivement de la circonférence interne 103 à la périphérie extérieure 100 du stator 10 et de la périphérie extérieure 100 au dispositif de traitement 4. Des faces extrêmes des fibres optiques FMo à FMN sont alignées, par exemple, de même que les fenêtres fsO à fsN le long de la circonférence interne 103 du stator 10 et forment respectivement des fenêtres fmO à fmN pour recevoir des signaux lumineux transmis par le circuit de mesure 3. Les fenêtres fmO à fmN sont réparties le long de la circonférence interne 103 identiquement aux fenêtres fsO à fsN de sorte que des fenêtres quelconques fsn et fmn de même indice n sont décalées d'un angle fixe prédéterminé C, par exemple égal à gnt, comme montré à la Fig, 1e Dans le rotor 11 sont disposés le circuit de mesure 3, la fibre optique de détection de synchronisation Fs et la fibre optique de transmission de mesure Fm. Le circuit de mesure 3 a pour fonctIon d'échantillonner et numériser le signal de mesure SM en les échantillons numériques ME, et de multiplexer et transmettre les impulsions de départ isO et les bits mel à meN des mots PIVE, respectivement, à travers les fenêtres fmO à fmN du faisceau FM. Les fibres optiques Fs et Fm ont pour fonction d'assurer la transmission des signaux lumineux respectivement entre le faisceau de fibres optiques de synchronisation FS et le circuit de mesure 3 et entre le circuit de mesure 3 et le faisceau de fibres optiques de mesure FM. Les fibres Fs et Fm sont logées dans des conduits de fibre et des faces extrêmes des fibres Fs et Fm forment, respectivement, des fenêtres frs et frm disposées à #=90 l'une de l'autre le long d'une circonférence 110 du rotor 11 en regard à la circonférence interne 103 du stator 10. A chaque rotation du rotor 11, un échantillon ME est transmis du circuit de mesure 3 vcrs le dispositif de traitement 4. Les fenêtres fsO à fsN, fmO à fmN, et frs, frm correspondant aux faisceaux FS, FM, et aux fibres Fs et Fm sont disposées de telle sorte que lorsque la fenêtre frs est en regard d'une fenêtre fsn du faisceau FS, la fenêtre frm est en regard de la fenêtre fmn du faisceau FM. Comme montré à la Fig. 2, lors d'une rotation du rotor 11 et d'un passage de la fenêtre frs devant les fenêtres fsO à fsN et fsf, N+2 impulsions lumineuses de synchronisation ISO à ISN et ISf sont transmises successivement à travers la fibre Fs vers le circuit de mesure 3, avec une période de répétition t-d/(.R), où et R représentent, respectivement, la vitesse de rotation angulaire et le rayon du rotor I1, et d la longueur de l'arc séparant deux fenêtres adjacentes. Une première impulsion lumineuse de synchronisation ISO commande la transmission de l'impulsion de départ isO à travers la fibre optique FMo. N impulsions lumineuses de synchronisation IS1 à ISN commandent respectivement la transmission des bits mel à meN d'un échantillon ME respectivement à travers les fibres FMI à FMN. Une dernière impulsion lumineuse ISf commande l'initialisation du circuit de mesure 3 pour la transmission d'un autre échantillon ME au prochain passage des fibres Fm et Fs devant les fenêtres fsl à fsN, fsf et fml à fmN. Les impulsions ISO à ISN et ISf correspondent à des co@ncidences de la fenêtre fr du rotor 11 acec, respectivement, les fenêtres fs, à a s 1 fsN et fsf du stator 10. En référence à nouveau à la Fig. l, dans le dispositif de traitement des mesures 4, l'impulsion isO commande le transfert vers le calculateur 42 d'un échantillon numérique ME reçu précédemment et mémorisé temporairement dans le registre d'entrée 41, Après le transfert dudit échantillon ME vers le calculateur 62, le registre d'entrée 41 est pret pour recevoir et mémoriser temporairement un autre échantillon ME nouvellement transmis par le circuit de mesure 3. En référence à la Fig. 3, le circuit de mesure 3 comprend essentiellement un photodétecteur 30, un commutateur 31, un convertisseur analogique-numérique 32, un multiplexeur 33, un compteur 34, un détecteur logique 35, et un photoémetteur36. Le photodétecteur 30 comprend une photodiode 300 placée en regard d'une face extrême de la fibre optique de détection de synchronisation Fs afin de détecter les impulsions lumineuses de synchronisation ISO à ISN et ISf convoyées par la fibre Fs. Le photodétecteur 30 réalise une conversion opto-électrique et délivre en sortie des impulsions électriques correspondantes isO à isN et isf. Le commutateur 31 est représenté schématiquement sous la forme de deux paires de contacts 310, 310a et 311, 311a respectivement de types "repos" et "travail". Des premières bornes des contacts 310 et 311 sont reliées ensemble à une sortie du photodétecteur 30. Des secondes bornes des contacts 310 et 311 sont reliées, respectivement, à une entrée de commande du convertisseur analogique-numérique 32 et à une entrée d'horloge H du compteur 34. Des premières bornes des contacts 310a et 311a sont reliées, respectivement, à la seconde borne du contact 310 et à une sortie du multiplexeur 33. Des secondes bornes des contacts 310a et 311a sont reliées ensemble à une entrée du photoémetteur 36. Le convertisseur analogique-numérique 32 reCoit le signal de mesure SM délivré par un capteur de mesure 3a et délivre en sortie sous forme de bits en parallèle teg échantillons numériques ME. Le multiplexeur 33 comprend N entrées reliées respectivement à N sorties du convertisseur 32 afin de recevoir respectlvement les bits me1 à meN des échantillons ME. Le multiplexeur 33 est commandé par le compteur 34 et comprend des entrées de commande reliées à des sorties du compteur 34. Lorsque le photodétecteur 30 délivre l'impulsion de départ isO. un signal de commande CC appliqué au commutateur 31 est à ltétat "0" et les contacts 310 et 310a du commutateur 31 sont fermés. L'impulsion isO est transmise à l'entrée de commande du convertisseur 32 et à l'entrée du photoémetteur 36. En réponse à la réception de l'impulsion isO, le convertisseur 32 échantillonne le signal SM et délivre un échantillon correspondant ME. L'impulsion iso active dans le photoémetteur 36 une diode laser 360 et consécutivement une impulsion lumineuse correspondante est injectée dans la fibre optique Fm et est convoyée vers le dispositif de traitement 4. Le registre d'entrée 41 revoit à son entrée de commande l'impulsion isO et le dispositif de traitement 4 est alors prêt pour la réception d'un échantillon numérique ME, Après la production d'un échantillon ME consécutivement à la réception de l'impulsion isO, le convertisseur analogique-numérique 32 fournit une impulsion de commande CM à l'état "1". L'impulsion CM="1" est appliquée à une entrez de mise à l'état "1", S, d'une bascule 312 et consécutivement le signal de commande CC vient à l'état "1". Le signal CC="1" fait basculer l'état du commutateur 31 et les contacts 310, 310a et 311, 311a s'ouvrent et se ferment respectivement. Les impulsions isl à isN sont appliquées à l'entrée d'horloge H du compteur 34. Le compteur 34 est initialement à un état de repos et délivre un mot de commande CP=0. Le mot CP est appliqué aux entrées de commande du multiplexeur 33 et à des entrées du détecteur logique 35. Le mot CP=0 est inactif et ne sélectIonne aucune des entrées du multiplexeur 33. L'impulsion isl inclémente le compteur 34 et celui-ci délivre le mot CP=1. Le mot CP=1 sélectionne une première entrée du multiplexeur 33 à laquelle est appliqué le premier bit mel te l'échantillon numérique ME. Les impulsions suivantes is2, is3... isN sont successivement recues à l'entrée H du compteur 34 et en réponse le compteur 34 délivre des mots CP=2, CP=3... CP=N qui sélectionnent respectivement des seconde, troisième... Nième entrée6 du multiplexeur 33. Le multiplexeur 33 délivre ainsi successivement les bits mel à meN en réponse respectivement à la réception des impulsions lumineuses ISl à ISN. Les bits mel à meN sont appliqués à l'entrée du photoémetteur 36 et sont transmis sous forme d'impulsions lumineuses respectivement dans les fibres FMl à FMN via la fibre Fm. Après la réception de l'impulsion isf, le compteur 34 délivre le mot CP=N+1. Le mot CP-N+1 est détecté par le détecteur logique 35, Une impulsion d'initialisation INIT à l'état "1" est produite par le détecteur 35 congécutivement à la détection du mot CP=N+1. L'impulsion INIT="1" est appliquée à des entrées de remise à zéro RAZ et R respectivement du compteur 34 et de la bascule 312. Le compteur 34 est initialisé à zéro, CP=0, et le signal CC commute à ltétat "0". Le commutateur 31 revient alors à un état de repos dans lequel les contacts 310, 310a et 311, 311a sont respectivement fermés et ouverts. Le circuit de mesure 3 est initialisé ct est prêt pour produire et transmettre un autre échantillon numérique tE au prochain passage des fibres Fs et Fm devant les fenêtres correspondantes des faisceaux de fibres FS et FM. L'équipement selon l'invention utilise de préférence des fibres optiques de fabrication récente dont les propriétés suivantes sont mises à profit : - Possibilité de commutation ultra rapide (de l'ordre du GHz) - Insensibilité aux parasites électromagnétiques ; - Encombrement réduit ; - Transmission aisée de signaux numériques sur 8, 12 ou 16 bits ; - Faible coût. L'emploi de joints à lèvres insérés de chaque cté des têtes optiques contribue à diminuer la périodicité du nettoyage des extrémités de fibre qui sont susceptibles d'être altérées et souillées par des infiltrations de produits polluants. De plus, un dispositif de réglage peut être adjoint à l'équipement afin de remédier à d'éventuels défauts d'alignement des fibres consécutif6 à des contraintes mécaniques telles que des dilatations axiales. Dans le cas où il est nécessaire d'effectuer plus d'une mesure par cycle de rotation, des multiplexeurs associés à plusieurs têtes optiques seront éventuellement prévus dans le circuit de mesure. De plus, du fait de l'extrême rapidité de la transmission due à l'utilisstion d'éléments rapides présentant de faibles temps de traversée, l'équipement selon l'invention est applicable pour des mesures stroboscopiques. REVENDICATIONS 1 - Equipement électro-optique pour transmettre un signal de mesure (SM) entre des premier (10) et second (11) éléments en déplacement l'un par rapport à l'autre, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de premiers moyens optiques (FMo à FMN), reliés au premier élément (10) et ayant des premières fenetres de mesure (fmO à fm.) en regard du second élément (10) pour recevoir des impulsions lumineuses à transmettre du second élément (11) vers des moyens de traitement de mesures (4) reliés au premier élément (10), lesdites premières fenetres de mesure (fmO à fmN) étant alignées selon un sens de déplacement et distribuées de manière déterminée, des seconds moyens optiques (Fm) reliés au second élément (11) et ayant une seconde fenetre de mesure (fr ) coincidant successivement, au cours du déplacement, avec chacune des premières fenetres de mesure (fmO à fm.) pour convoyer les impulsions lumineuses et les démultiplexer dans les premiers moyens optiques (FMo à fl), des moyens de mesure et de synchronisation (2, FS, Fs, 3) répartis dans les premier et second éléments (10 et 11) pour traiter le signal de mesure (SM) produit par un capteur (3a) disposé dans le second élément (li) et fournir un échantillon numérique (ME) représentatif de l'amplitude dudit signal (SM), produire des informations de contrôle (iso, is f) et transmettre en série une information de contrôle (is ) ou un bit d'échantillon numérique (mel à meN) à chaque cotncidence entre l'une des premières fenêtres de mesure (fmO à fmh,) et la seconde fenêtre de mesure (frm), et des moyens de conversion électro-optique (36) reliant les moyens de mesure et de synchronisation (3) aux seconds moyens optiques (Fm) pour convertir les informations de contrôle (isO) et les bits d'échantillon numérique (meO à meN) en les impulsions lumineuses transmises dans les seconds moyens optiques (Fm) afin d'etre démultiplexées dans les premiers moyens optiques (FMo à 2 - Equipement électro-optique conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure et synchronisation (2, FS, Fs, 3) comprennent une pluralité de premiers moyens électro-optiques (2, FSo à FSN' FSf) reliés au premier élément (10) et ayant des premières fenetres de synchronisation (fsO à fsN' fsf) en regard du second élément (11), lesdites premières fenetres de synchronisation étant distribuées similairement aux premières fenetres de mesure (fmO à fmN) pour produire une pluralité de marqueurs lumineux de synchronisation, des seconds moyens électro-optiques (Fs, 3) reliés au second élément (11) et ayant une seconde fenetre de synchronisation (fr ) coincidant successivement au cours du déplacement avec chacune des premières fenetres de synchronisation (fsO à fsN, fsf) pour détecter lesdits marqueurs et commander, en réponse, la transmission d'une information de contrôle (isO) ou d'un bit d'échantillon numérique (me à mezzo 3 - Equipenent électro-optique conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que des premier et dernier marqueurs lumineux de synchronisation correspondent respectivement à des informations de contrôle de départ (ils0) et de fin (isf) de mesure. 4 - Equipement électro-optique conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que dans les moyens de mesure et synchronisation (3), l'information de contrôle de départ de mesure (isO) commande un échantillonnage du signal de mesure (SM) pour produire l'échantillon numérique (ME), et l'information de contrôle de fin de mesure (isf) commande une initialisation des moyens de mesure et synchronisation (3) pour une prochaine mesure, et en ce que lesdites informations de contrôle de départ et/ou de fin de mesure (isO, iSf) sont également transmises vers les moyens de traitement de mesures (4). 5 - Equipement électro-optique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens optiques et électro-optiques comprennent des fibres optiques (FS, FM, Fs, Fm), des diodes laser (200 à 20f, 360) et des photodiodes (300), et en ce que lesdites fenêtres correspondent à des faces extremes des fibres optiques. 6 - Equipement électro-optique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits premier et second éléments correspondent, respectivement, au stator (10) et au rotor (11) d'une machine tournante (1), et en ce qu'il est transmis vers les moyens de traitement de mesures (4) au moins un échantillon numérique (ME) du signal de mesure (SM) à chaque tour du rotor (11). 7 - Equipement électro-optique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les différents moyens compris dans l'équipement sont des éléments rapides présentant de faibles temps de traversée.