Brevet FR2641373A1 — publié le 19900706

INSTALLATION DE MESURE DES DEFORMATIONS D'UN OBJET SOU- MIS À DES CONTRAINTES. DESCRIPTION L'invention concerne une installation permet- tant de mesurer à distance Les déformations d'un objet soumis à des contraintes, tel qu'un volant d'inertie tournant à grande vitesse dans une enceinte sous vide. Une telle installation est destinée à être utilisée pour étudier le comportement de pièces soumises à des contraintes, que ces pièces soient des pièces tournantes ou des pièces non tournantes soumises par exemple à des vibrations ou des déplacements alternés, dont on désire connaître les amplitudes maximum. En particulier, l'installation selon l'inven- tion peut être utilisée pour étudier le comportement des rotors des systèmes de stockage cinétique d'énergie qui sont utilisés sur les engins spatiaux tels que-les satellites artificiels, pour fournir aux appareils em- barqués sur ces derniers l'énergie nécessaire à leur fonctionnement, lorsque les satellites se trouvent dans une zone d'ombre. Ces systèmes de stokage cinétique d'énergie ont été développés dans le but de remplacer les batteries électriques qui constituaient la source principale de panne des satellites et représentaient une masse embarquée importante. Le rotor ou volant d'inertie d'un tel système de stockage cinétique d'énergie est constitué de plu- sieurs éléments fonctionnels dont l'élément utile est une jante animée d'une grande vitesse de rotation Cenvi- ron 30000 tours/mn pour un diamètre de 600 mm), afin d'obtenir une énergie cinétique élevée par unité de mas- se. Cette jante est reliée par des bras à un moyeu cen- tral supporté par suspension magnétique. En outre, des moyens d'équilibrage statique et dynamique sont prévus. Compte tenu de la vitesse de rotation très éLevée du rotor dans le vide, les contraintes centrifu- ges exercées sur le rotor sont importantes. La connais- sance du comportement des rotors soumis à de telles contraintes constitue un élément important dans La conception de ces rotors. En particuLier, il est souhai- table de pouvoir mesurer avec une grande précision Les déformations telles que L'élongation et le gonflement des rotors tournant à grande vitesse. Pour effectuer de teLLes mesures, il existe actuellement plusieurs installations permettant de re- constituer au sol les conditions de fonctionnement du rotor dans l'espace, en plaçant ce rotor dans une en- ceinte sous vide et en le faisant tourner à grande vitesse à l'intérieur de cette enceinte. Parmi ces installations, certaines mettent en oeuvre des capteurs de déplacement à courants de Fou- cault. Cependant, ces capteurs sont inutilisables lors- que le rotor ne comporte pas de surface conductrice ou Lorsque l'environnement du rotor est un milieu conduc- teur. De plus, la forme, les dimensions et La nature des matériaux constituant Le rotor affectent l'impédance de la bobine du capteur et, par conséquent, La quaLité de la mesure. En outre, étant donné que La mesure effec- tuée est une moyenne des élongations respectives du rotor, elle présente un manque de précision notable. Par ailleurs, l'utilisation de capteurs de déplacement à courants de Foucault conduit également à des erreurs de mesure en raison des dérives thermiques qui sont compensées sur Le capteur mais non sur le ro- tor. Ainsi, la perméabilité magnétique du rotor varie avec La température, de même que sa résistivité, dans Le cas o L'épaisseur du rotor est inférieure à la pro- fondeur de pénétration des courants de Foucault. Des erreurs de mesure sont également introduites lorsque Les rayons de courbure des rotors sont trop importants par rapport à la taille du capteur ou lorsque les surfa- ces des rotors sont inférieures à celles du capteur. Toutes ces causes d'erreurs rendent nécessaire un éta- lonnage du capteur en fonction de la température du rotor. L'appareil doit, par conséquent, être étalonné pour chaque forme de rotor et chaque type de matériau. Cet étalonnage nécessite plusieurs paramètres de régla- ge, de sorte que la mise en oeuvre de ces capteurs est particulièrement délicate. Parmi les autres installations de mesure con- nues, on citera notamment des installations optiques fonctionnant sur la base d'une mesure de contraste noir/ blanc. Comme les installations utilisant des capteurs à courants de Foucault, la mesure est une moyenne, ce qui conduit à un manque de précision notable. De plus, ces installations présentent des difficultés d'utilisa- tion et des problèmes d'étalonnage et d'éclairage. En outre, leur coût de mise en oeuvre est relativement éle- vé. D'autres installations connues ne permettent pas d'effectuer une mesure de déformation mais seulement de visualiser ces déformations au moyen par exemple d'un système vidéo. Cependant, ces installations présentent l'inconvénient d'être limitées par le nombre d'images émises durant le défilement. En outre, aucune mesure n'est effectuée et aucune donnée n'est enregistrée. Pour effectuer des mesures de la déformation d'un rotor tournant à grande vitesse dans une enceinte sous vide, on peut envisager d'utiliser d'autres métho- des telles que l'interférométrie utilisant la différence de marche entre deux trajets optiques ou la télémétrie à laser. Cependant, ces méthodes présentent elles aussi des difficultés de mise en oeuvre et d'application car, d'une manière générale, elles sont délicates à manipu- ler. L'invention a précisément pour objet une ins- tallation permettant de mesurer la déformation d'un objet soumis à des contraintes, tel qu'un rotor tournant à grande vitesse dans une enceinte sous vide, avec une bonne précision et en tout point, cette installation étant facile à mettre en oeuvre et permettant à volonté une visualisation directe des mesures et/ou leur enre- gistrement. Selon l'invention ce résultat est obtenu au moyen d'une installation pour mesurer la déformation d'un objet soumis à des contraintes caractérisée par le fait qu'elle comprend: - un premier objectif formant une image réelle de l'ob- jet, à l'échelle 1; - un réticule gradué placé à l'emplacement de ladite image réelle; - un deuxième objectif placé au-delà de l'image réelle par rapport au premier objectif, et formant des images grossies de l'image réelle et du réticule; et - des moyens d'observation desdites images grossies per- mettant, par comparaison des images grossies du réti- cule et de l'image réelle, de mesurer des déformations de cette dernière et, par conséquent, de l'objet. Dans le cas particulier d'un objet tournant à grande vitesse, une telle installation comprend de plus: - une enceinte sous vide apte à recevoir ledit objet; - un stroboscope délivrant des impulsions lumineuses dirigées sur l'objet; - des moyens pour synchroniser la fréquence desdites impulsions lumineuses sur la vitesse de l'objet; le premier objectif étant placé hors de l'enceinte, de- vant un hublot de cette dernière, de façon à former l'image réelle de l'objet à l'extérieur de l'enceinte. Avantageusement, pour permettre d'observer différentes zones de l'objet, l'instalLation comprend de plus un moyen de déphasage des impulsions lumineuses déLivrées par le stroboscope. Bien que tous moyens d'observation tels qu'un écran, un appareil photographique ou autres puissent être utilisés, ces moyens d'observation comprennent avantageusement une caméra vidéo connectée à un enregis- treur vidéo relié à un écran vidéo. Un mode de réalisation préféré de l'invention va à présent être décrit, à titre d'exemple non limita- tif, en se référant au dessin annexé dans lequel La fi- gure unique représente de façon schématique une instal- lation selon l'invention, appliquée à la mesure des déformations d'un rotor tournant à grande vitesse. Sur la figure, la référence 10 désigne un rotor ou volant d'inertie destiné à être utilisé comme système de stockage cinétique d'énergie sur un satellite artificiel. Afin de permettre de mesurer et de visuali- ser l'élongation et le gonflement de ce rotor 10 avant son montage sur le satellite, ce rotor est placé sur une installation de mesure au sol réalisée conformément à L'invention, et conçue pour reconstituer au sol Les conditions de fonctionnement du rotor dans l'espace. A cet effet, le rotor 10 ainsi qu'une turbine à air comprimé 12 permettant d'entraîner le rotor 10 en rotation à grande vitesse sont placés à l'intérieur d'une enceinte étanche 14 dans laquelle un vide poussé est créé à l'aide d'un circuit de vide (non représenté). Dans ces conditions, la vitesse de rotation du rotor 10 peut atteindre pratiquement sans échauffement des valeurs d'environ 30000 tours/mn pour un diamètre de 600 mm. Ces valeurs sont comparables à celles qui sont atteintes dans l'espace, de sorte que les mesures effec- tuées sont représentatives du fonctionnement du rotor sur te satellite. L'installation de mesure selon l'invention comprend tout d'abord un stroboscope 16, pLacé hors de L'enceinte 14. Le stroboscope 16 permet d'arrêter arti- ficielLement, par effet stroboscopique, l'image d'une zone déterminée de la jante constituant La partie péri- phérique du rotor 10, en délivrant périodiquement des impulsions lumineuses dirigées sur cette partie, à l'ai- de d'une lampe 16a placée à l'intérieur de l'enceinte 14. Afin que les impulsions lumineuses émises par le stroboscope soient synchronisées sur la vitesse de rotation du rotor 10 à tout moment, le fonctionnement du stroboscope 16 est commandé à partir d'un capteur 18 relié au stroboscope par un conducteur 20 et placé en face de fentes de codage 22 solidaires du moyeu du rotor 10. Il est ainsi possible d'observer avec préci- sion le comportement du rotor pendant la phase d'accélé- ration. La synchronisation peut notamment être faite de telle sorte que le stroboscope 16 déLivre 60 impul- sions lumineuses par tour du rotor 10. Afin de permettre une observation de différen- tes zones du rotor, un système asservi 23 constitué par un déphaseur est placé sur le conducteur 20 entre le capteur 18 et le stroboscope 16. Ce système permet un contrôle fin du décalage angulaire des impulsions lumi- neuses délivrées par le stroboscope. Les images arrêtées du rotor 10 ainsi formées à l'aide du stroboscope 16 doivent ensuite être sorties de l'enceinte sous vide 14, afin que les mesures et les observations puissent être faites à l'extérieur de cette enceinte. A cet effet, l'enceinte 14 comporte un hublot 24 en face de la zone du rotor 10 soumise aux impulsions lumineuses délivrées par la lampe 16a du stroboscope. Derrière ce hublot 24 est placé un objectif 26 à grande 2 6 4 1373 focale qui a pour fonction de former, à l'extérieur de l'enceinte 14, une image réelle à échelle I de chacune des images arrêtées du rotor obtenues à l'aide du stro- boscope. La focale de l'objectif 26 est déterminée en fonction de la distance qui sépare le rotor 10 du hublot 24, sachant que cet objectif 26 est placé juste derrière ce dernier. Etant donné que dans la pratique, cette dis- tance est généralement voisine de 1 m, - la focale de l'objectif 26 est comprise entre environ 300 mm et envi- ron 400 mm. Sur la figure, le plan dans lequel se forme l'image réelle, à l'échelle 1, de chacune des images arrêtées du rotor obtenues à L'aide du stroboscope 16 est désigné par la référence 28. Afin que l'image réelle qui se forme à l'é- chelle 1 dans le plan 28 puisse ensuite servir de base à une mesure précise, on place également dans le plan 28 un réticule gradué 30 qui se superpose à l'image réelle. Les images superposées du rotor et du réticule situées dans le plan 28 sont ensuite reprises par un objectif 32 à courte focale, qui a pour fonction d'assu- rer le grossissement de ces images avant leur utilisa- tion. Un objectif 32 de focale comprise entre environ mm et environ 38 mm peut notamment être utilisé. Dans le mode de réalisation représenté, une caméra vidéo 34 est placée derrière l'objectif 32, La distance entre la surface sensible de la caméra 34 et L'objectif 32 étant suffisamment grande pour obtenir un grossissement compris entre environ 100 fois et envi- ron 300 fois. Pour permettre la visualisation directe de l'image agrandie de la partie du rotor située sur le chemin optique de l'installation, à laquelle se super- pose l'image agrandie dans les mêmes proportions du réticule 30, la caméra vidéo 34 est raccordée à un écran 264 1373 vidéo 36. Une visualisation et une mesure en temps réel des phénomènes de déformations du rotor sous l'effet de sa rotation à grande vitesse sont ainsi réalisées. De plus, un enregistreur vidéo 38 est avanta- geusement interposé entre la caméra 34 et l'écran 36, pour permettre un stockage de l'image en vue d'une ex- ploitation ultérieure. Le réticule 30 peut notamment être gradué en dizièmes de millimètres, un dizième de millimètre pou- vant être représenté par 30 mm sur l'écran 36. Des mesu- res précises des déformations du rotor telles que son élongation et son gonflement sous l'effet des contrain- tes centrifuges qu'il subit peuvent ainsi être effec- tuées soit de façon directe sur l'écran vidéo 36, soit ultérieurement sur l'enregistreur 38, soit en ayant recours à chacune de ces techniques. La description qui précède montre que l'ins- tallation de mesure selon l'invention est particulière- ment simple et que sa mise en oeuvre ne présente pas de difficulté notable. De plus, la disposition de tous les appareils de l'installation, depuis le stroboscope 16 jusqu'à l'enregistreur 38, à l'extérieur de l'encein- te sous vide 14 permet d'utiliser une enceinte de peti- tes dimensions dans laquelle un vide de bonne qualité peut être rapidement obtenu, tout en facilitant l'utili- sation des appareils. Comme l'illustre la figure, les deux objectifs 26 et 32, ainsi que le réticule 30 et la caméra vidéo 34 sont placés sur un même banc optique 40 permettant d'effectuer les réglages des distances entre ces diffé- rents appareils et la distance séparant l'objectif 26 du rotor 10 à visualiser. Sur ce banc 40, les seuls réglages à effectuer concernent la distance séparant le rotor 10 de l'objec- tif 26, qui détermine la netteté de l'image, et les distances séparant l'objectif 32 respectivement de l'ob- ject;f 26 et de la surface sensible de la caméra 34, qui déterminent le grossissement obtenu à l'aide de l'objectif 32. Le premier de ces réglages est effectué sur le banc de mesure alors que le second réglage est effectué en laboratoire. Il est à noter que la distance séparant l'objectif 26 du plan 28 dans lequel est placé le réticule gradué 30 est fixée une fois pour toute pour que l'image au niveau du réticule soit à l'échelle 1. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple, mais en couvre toutes les variantes. En par- ticulier, les images du rotor et du réticule grossies par l'objectif 32 peuvent être observées par des moyens différents de la caméra vidéo 34, de l'écran 36 et de l'enregistreur 38. Ainsi, selon l'exploitation qui doit être faite de ces images, celles-ci peuvent être formées directement sur un écran placé derrière l'objectif 32, ou encore recueillies par un appareil photographique ou par une caméra cinématographique. Par ailleurs, il va de soi qu'on peut adjoin- dre à l'installation décrite des moyens permettant de visualiser sur un écran tel que l'écran 36 ou d'enregis- trer à tout instant la valeur de la vitesse de rotation du rotor 10 détectée par le capteur 18. Enfin, l'installation selon l'invention peut être utilisée pour mesurer les déformations d'un objet quelconque soumis à des contraintes. Si ces contraintes ne sont pas induites par un mouvement rapide de l'objet comme dans l'application décrite, le stroboscope et les moyens de synchronisation qui lui sont associés peu- vent donc être supprimés. En outre, l'utilisation d'une enceinte sous vide n'est justifiée que lorsque l'objet est soumis à un mouvement rapide risquant d'entralner son échauffement. 2 6 4 13 7 3 REVENDICATIONS 1. Installation pour mesurer les déformations d'un objet (10) soumis à des contraintes, caractérisée par le fait qu'elle comprend: - un premier objectif (26) formant une image réelle de l'objet, à l'échelle 1; - un réticule gradué (30) placé à l'emplacement de ladi- te image réelle; - un deuxième objectif (32) placé au-delà de l'image réelle par rapport au premier objectif, et formant des images grossies de l'image réelle et du réticu- le; et - des moyens d'observation (34) desdites images grossies permettant, par comparaison des images grossies du réticule et de l'image réelle, de mesurer des déforma- tions de cette dernière et, par conséquent, de l'ob- jet. 2. Installation selon la revendication 1, ap- pliquée à la mesure des déformations d'un objet (10) tournant à grande vitesse, caractérisée par le fait qu'elle comprend de plus: - une enceinte sous vide (14) apte à recevoir ledit ob- jet; - un stroboscope (16) délivrant des impulsions lumineu- ses dirigées sur l'objet (10); - des moyens (18,20,22) pour synchroniser la fréquence desdites impulsions lumineuses sur la vitesse de l'ob- jet; le premier objectif (26) étant placé hors de l'enceinte, devant un hublot (24) de cette dernière, de façon à for- mer l'image réelle de l'objet à l'extérieur de l'encein- te. 3. Installation selon la revendication 2, ca- ractérisée par le fait qu'elle comprend de plus un moyen (23) de déphasage des impulsions lumineuses délivrées 1 1 par le stroboscope (16). 4. Installation selon L'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée par le fait que Les- dits moyens (18,20,22) pour synchroniser la fréquence des impulsions lumineuses sur la vitesse de rotation de l'objet, sont réglés afin que le stroboscope délivre impulsions par tour de l'objet. 5. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que le premier objectif (26) a une focale comprise entre envi- ron 300 mm et environ 400 mm. 6. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que le deuxième objectif (32) a une focale comprise entre envi- ron 25 mm et environ 38 mm. 7. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que le grossissement des images grossies par rapport à l'image réelle et au réticule est compris entre environ 100 fois et environ 300 fois. 8. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que les- dits moyens d'observation comprennent une caméra vidéo (34) connectée à un enregistreur vidéo (38) relié à un écran video (36).