Brevet FR2660751A1 — publié le 19911011

- CAPTEUR POUR LA MESURE DU DEPLACEMENT RELATIF TRANSVERSAL D'UNE PIECE CONDUCTRICE DE FORME ALLONGEE La présente invention concerne un capteur pour la mesure du déplacement relatif transversal d'une pièce conductrice de forme allongée. L'invention trouve une application particulièrement intéressante dans la mesure de la position transversale d'une roue d'un véhicule par rapport à un rail sur lequel ou à côté duquel elle roule; une connaissance précise et permanente de cette position est une condition indispensable pour la réalisation, par exemple, de véhicules ayant des essieux à orientation asservie. Le capteur selon l'invention est du type à courants de Foucault C'est en effet ce type de capteur qui est le plus approprié aux applications ferroviaires, car il est robuste, possède une bonne immunité aux bruits, peut être rendu pratiquement insensible aux variations éventuelles de température En outre, ce type de capteur n'est pas sensible aux variations des propriétés magnétiques de la pièce dont on mesure le déplacement transversal relatif, de sorte qu'il peut même être utilisé sur les tronçons de rails amagnétiques (coeur d'aiguillage au manganèse), pourvu qu'ils restent conducteurs. Cette technologie de capteur est connue, par exemple par la demande de brevet japonais no 57-173 701, qui utilise deux bobinages de forme polygonale, en particulier triangulaire, placés de part et d'autre de l'axe longitudinal du rail, dans un même plan, et de manière à ce qu'un angle de chaque polygone soit à l'intersection de l'axe vertical du rail Les bobinages sont alimentés à leur fréquence de résonance, ce qui permet d'observer des variations d'impédance des bobinages Chaque impédance est convertie en tension continue par un étage de conversion, et le déplacement transversal du capteur par rapport au centre du rail est obtenu par un traitement, dans un 2- circuit électronique, de la différence des signaux continus. Un tel capteur présente des inconvénients: la taille des bobinages est telle que le capteur ne reste dans l'ombre de la roue que pour un faible déplacement latéral Pour des déplacements latéraux plus importants, le capteur sort alors inévitablement du gabarit utilisé. un tel capteur possède de par sa conception, deux faces actives, et l'approche d'une pièce conductrice par le dessus du capteur se traduit par la même variation de la mesure que lors de l'approche de la même pièce par le dessous du capteur. pour tenir compte de la hauteur du capteur par rapport au rail qui peut varier au cours de la mesure ou d'un capteur à l'autre, il est nécessaire d'apporter une correction au signal de déplacement; le brevet japonais évoque la mise en oeuvre d'une électronique numérique avec en particulier mémorisation au préalable de données de référence La présence de cette mémoire complique le circuit électronique. Un but de l'invention est de réaliser un capteur à courants de Foucault à une seule face active, totalement insensible à la présence de pièces métalliques au-dessus du capteur. Un autre but de l'invention est de réaliser un capteur et une électronique associée totalement analogique permettant de fournir un signal précis de mesure du déplacement transversal qui tienne compte automatiquement des variations possibles de la hauteur du capteur par rapport au rail. Un autre but de l'invention est de réaliser un capteur peu sensible aux variations de température, ne nécessitant pas la présence d'une sonde de température. L'invention a pour objet un capteur pour la mesure du déplacement relatif transversal d'une pièce conductrice 3 - de forme allongée, du type à courants de Foucault, caractérisée en ce qu'il comprend un circuit en matériau magnétique en forme de T muni de quatre plots d'axes parallèles sur chacun desquels est disposé un enroulement de mesure, les plots du premier et du troisième de ces enroulements étant disposés aux extrémités de la barre transversale du T, le plot du second de ces enroulements étant placé au milieu de la barre transversale du T, la barre transversale du T étant perpendiculaire à la l O direction longitudinale de ladite pièce, le plot du quatrième enroulement étant placé à l'extrémité de la barre verticale du T, un cinquième enroulement alimenté à fréquence élevée et bobiné sur la barre verticale du T, les premier et troisième enroulements ayant un même nombre de spires, le second et le quatrième enroulement possédant un nombre se spires assurant sensiblement l'égalité des tensions induites à leur bornes, le capteur étant associé en outre un circuit électronique détectant la différence (Ul U 3) des tensions mesurées aux bornes des premier et troisième enroulements, la somme (U 2 + U 4) des tensions mesurées aux bornes des second et quatrième enroulements et calculant le rapport de ladite différence à ladite somme, ce rapport constituant le déplacement recherché. Le capteur comporte un blindage entourant complètement le circuit magnétique et les plots à l'exception de l'extrémité des plots en regard de la pièce conductrice. Dans un premier mode de réalisation, le blindage comprend une partie inférieure d'épaisseur sensiblement égale à la hauteur des plots et comprenant quatre trous épousant la forme des enroulements et une partie supérieure, ladite partie inférieure comprenant des saignées pratiquées sur toute son épaisseur et s'étendant de chacun des trous à ses bords, les deux parties étant électriquement isolées l'une de l'autre. Les saignées sont des fentes planes ou courbes. 4 - Elles peuvent comporter des pièges à flux constitués d'obstacles métalliques. Dans un autre mode de réalisation, le blindage comprend trois parties dont les faces en contact sont isolées électriquement. Chaque plot peut être associé à un plot complémentaire disposé symétriquement par rapport au circuit magnétique et muni d'un enroulement identique. Avantageusement, le blindage, réalisé en trois parties dont les faces en contact sont isolées électriquement, comporte une cavité de référence entourant les plots complémentaires dans laquelle sont disposés des éléments de haute perméabilité magnétique destinés à réaliser une répartition des flux magnétiques identique à celle qui existe au niveau des plots situés au droit de la pièce conductrice, lorsque celle-ci se trouve centrée par rapport au capteur et à la hauteur nominale. L'invention est précisée par la description de divers modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples illustratifs mais nullement limitatifs. On a choisi de montrer l'application du capteur de l'invention à la mesure du déplacement transversal entre une roue d'un véhicule ferroviaire et le rail supportant la roue Il est bien entendu que cet exemple ne limite pas la portée de l'invention qui trouve application dans bien d'autres branches de l'industrie. On se référera au dessin annexé dans lequel: la figure 1 est une vue partielle d'un essieu de véhicule muni d'un capteur selon l'invention, la figure 2 est une vue en perspective éclatée d'un capteur selon un premier mode de réalisation de l'invention, la figure 3 est une vue partielle en plan d'un blindage selon un mode particulier de réalisation, la figure 4 est une vue partielle en plan d'un blindage selon une variante, - la figure 5 est une vue en perspective éclatée d'un capteur selon une variante de réalisation de l'invention, la figure 6 est une vue en perspective éclatée d'un capteur selon une autre variante de réalisation de l'invention la figure 7 est un schéma du circuit électronique associé au capteur. Dans la figure 1, la référence 1 désigne un rail, vu l O en bout, sur lequel roule une roue 2 portée par un arbre 3; le capteur de l'invention 4 est placé devant la roue, à une hauteur h égale à quelques centimètres Le capteur est porté par un bras 5 fixé à la boîte d'essieu Le capteur est destiné, rappelons-le, à mesurer le déplacement transversal de la roue par rapport au rail, en vue par exemple de réaliser des bogies à essieux orientables. Dans la figure 2, la référence 10 désigne un circuit en matériau à haute perméabilité magnétique, de préférence de la ferrite, qui a une forme générale en T et présente quatre plots cylindriques 11, 12, 13 et 14 Ces plots sont représentés à base circulaire,mais ceci n'est qu'un exemple car la forme de la base n'est pas critique; elle peut être, en variante, carrée ou polygonale, de surface approximativement égale Chacun des plots porte un bobinage de mesure: les plots 11 et 13, situés aux extrémités de la barre transversale du T, portent des enroulements 21 et 23; le plot 12, situé au milieu de la barre transversale du T, à égale distance des plots 11 et 13, porte un enroulement 22 Le plot 14 porte un enroulement 24. Un enroulement d'excitation 25, disposé autour de la barre verticale du T, est relié à une source alternative à fréquence élevée, supérieure à 100 k Hz et préférentiellement de l'ordre de 250 k Hz, non représentée. Le flux issu du plot 14 se referme sélectivement sur les plots 11, 12, et 13 Les trois entrefers d'air 6 - associés possèdent une réluctance équivalente dont les variations peuvent être reliées directement à la proximité de la pièce conductrice (dans l'exemple décrit, la pièce conductrice est le rail) Cette variation de réluctance duale d'un changement de topographie des lignes de champ magnétique, est due à la présence de nappes de courant de Foucault qui se développent dans l'épaisseur de peau de la pièce métallique (épaisseur très faible aux fréquences utilisées et pour des matériaux métalliques) et qui à leur tour créent un champ antagoniste au champ incident La conjonction de ces deux champs génère le champ total qui est nul dans la pièce conductrice Le décalage du rail vers le plot 13 par exemple, augmente la réluctance du circuit magnétique associé à ce plot au détriment de celle du circuit magnétique associé au plot 11 Il s'en suit des variations de tensions observées aux bornes des bobinages 21 à 24. On désignera dans la suite par Ul, U 2, U 3 et U 4 les tensions respectives aux bornes des enroulements 21 à 24. Le capteur possède un blindage métallique en matériau conducteur, par exemple en duralumin Ce blindage a un triple rôle: tout d'abord, il assure la rigidité mécanique du capteur ensuite, il permet de réduire le flux de fuite, ce qui permet d'augmenter sa sensibilité, enfin il permet, grâce à sa partie qui surmonte le circuit magnétique, de ne rendre le capteur sensible que sur une seule face, dénommée face active. Le blindage représenté dans la figure 2 comprend une plaque inférieure 30 d'épaisseur égale à la hauteur des plots Elle peut être de section rectangulaire ou, comme montré dans le dessin de la figure 2, découpé en forme de T comme le circuit magnétique Le blindage est complété par une plaque supérieure 50, fixée à la plaque 30 par des moyens non représentés. 7 - La plaque 30 possède quatre trous 31 à 34 perpendiculaires au plan de la plaque, dans lesquels s'engagent les enroulements 21 à 24 Les plots affleurent à la surface de la plaque; cette dernière est munie de saignées 41 à 44 s'étendant sur toute l'épaisseur de la plaque et de chacun des trous 31 à 34 à un bord de la plaque Cette disposition permet d'éviter la mise en court-circuit de boucles de courant dans le blindage et autour des plots, ce qui reviendrait à annuler les la tensions observées Les saignées sont soit des fentes droites, comme représenté dans la figure 2, soit des fentes courbes 45 comme il est montré dans la figure 3, en vue de limiter les flux de fuite Les saignées peuvent également comporter des pièges à flux, formés d'obstacles métalliques, comme le montre la figure 4, qui représente une saignée plane 43 A présentant un élargissement dans lequel est placé une tige métallique 46 Toujours pour éviter la fermeture de ces boucles de courant, il est impératif de veiller à l'isolation électrique des blindages 30 et 50 par exemple par traitement des surfaces en contact ou par interposition entre les plaques d'une feuille plastique isolante, par exemple en mylar (marque déposée). La figure 5 représente une première variante de réalisation de l'invention dans laquelle seule le blindage diffère de celui représenté dans la figure 2 Les éléments communs aux figures 2 et 5 ont reçu les mêmes numéros de référence. Le blindage est cette fois réalisé en trois parties 71, 72 et 73 qui sont destinées à être juxtaposées Les parties possèdent des cavités telle que 71 a, 71 b, 71 c, 72 a, 72 b, 72 d, et 73 b, 73 c, 73 d qui, lorsque la juxtaposition est effectuée, délimitent les volumes destinés aux plots porteurs des enroulements. Les faces des parties destinées à venir en contact sont isolées, par exemple par un traitement de surface 8 - adéquat (tel qu'anodisation) ou en recevant une couche de matériau isolant ou par interposition d'une feuille de matériau isolant, par exemple une feuille de mylar (marque déposée). La figure 6 décrit une autre variante de réalisation de l'invention Les éléments communs aux figures 5 et 6 ont reçu les mêmes numéros de référence Dans cette variante, on se propose de rendre toutes les mesures différentielles pour s'affranchir des dérives dues aux variations de température. Pour cela, il est prévu d'associer à chacun des plots décrits précédemment, un plot complémentaire, lia, 12 a, 13 a, 14 a; ces plots complémentaires sont munis d'enroulements 21 a, 22 a, 23 a, 24 a respectivement identiques aux enroulements des plots associés; les plots complémentaires sont disposés symétriquement par rapport au circuit magnétiques; les enroulements de deux plots complémentaires sont reliés en série et fournissent quatre tensions de mesure Ul, U 2, U 3 et U 4 Grâce à cette double série de plots on peut compenser: les effets dus à la dilatation différentielle pouvant survenir entre les plots (en ferrite) et le blindage (en duralumin), les variations des capacités parasites existant entre enroulements et blindage ou entre enroulements et circuit magnétique. Pour ne conserver qu'une seule face active au capteur, une cavité 75 de référence est disposée dans la partie supérieure du blindage Afin de reproduire, à la position nominale (c'est-à-dire à déplacement nul du rail) un environnement magnétique identique pour les deux séries de plots, il est prévu de disposer, dans la cavité 75 qui surmonte les plots complémentaires et qui contient l'ensemble des flux magnétiques circulant entre ces plots, des éléments à haute perméabilité magnétique de forme et de dimensions ajustables. -9 - Une telle présence d'éléments magnétique permet de réduire avantageusement la taille de la cavité 75. Un exemple de réalisation du circuit électronique associé au capteur est représenté dans la figure 7 dans le rectangle en pointillé Le circuit électronique traite les deux tensions Ul U 2 et U 2 + U 4 obtenues par la mise en série convenable des enroulements 21 et 23 d'une part, et 22 et 24 d'autre part Il comprend une alimentation 55 à haute fréquence (supérieure à 100 K Hz, par exemple 250 K Hz), qui alimente l'enroulement 25 par l'intermédiaire d'un amplificateur 60. Le circuit électronique opère tout d'abord une détection de l'amplitude respective des tensions Ul U 3 et U 2 + U 4 grâce aux amplificateurs 61 et 62. On notera que le signal Ul U 3 est nul pour la position nominale (déplacement relatif du rail nul) Cette circonstance est favorable car l'amplificateur 61 travaille loin de la saturation Pour permettre à l'amplificateur 62 relatif au signal U 2 + U 4 de travailler dans les mêmes conditions, on retranche au signal reçu un signal en phase avec l'alimentation 55, grâce à la liaison 62 A Cette liaison peut être supprimée lorsqu'on utilise le mode de réalisation de la figure 6, car toutes les tensions de mesure sont nulle à la hauteur nominale et pour un rail centré. Le circuit électronique opère ensuite une détection synchrone au moyen de deux circuits spécialisés 64 et 65 recevant respectivement les signaux issus des amplificateurs 61 et 63 et un signal en phase avec la tension d'alimentation convenablement mis en forme par un circuit 63 La détection synchrone est un mode préférentiel de détection car il permet une bonne réjection du bruit situé à d'autres fréquences que celle de l'alimentation (bruit lié à la présence de forts courants dans les rails ou aux interrupteurs électroniques - mis en oeuvre pour l'alimentation des moteurs de traction par exemple). Après filtrage, par des organes 66 et 67, on dispose de deux grandeurs dont on effectue le rapport grâce à un circuit arithmétique analogique 69 Ce circuit fournit un signal 70 qui est l'indication du déplacement latéral relatif du rail par rapport au capteur Cette indication est pratiquement indépendante de la hauteur du capteur par rapport au rail. La hauteur du capteur peut en effet varier en raison des fortes accélérations sur le capteur et de l'élasticité de la patte de fixation On peut avantageusement ajuster un offset 68 sur l'organe 67 de manière à rendre le signal de sortie 70 encore plus indépendant de la hauteur. L'invention trouve une application toute les fois qu'on souhaite rechercher l'écart transversal de position d'un objet donné par rapport à une pièce conductrice de forme allongée. il - REVENDICATIONS 1/ Capteur pour la mesure du déplacement relatif transversal d'une pièce conductrice de forme allongée, du type à courants de Foucault, caractérisée en ce qu'il comprend un circuit ( 10) en matériau magnétique en forme de T muni de quatre plots ( 11, 12, 13, 14) d'axes parallèles sur chacun desquels est disposé un enroulement de mesure ( 21, 22, 23, 34) , les plots du premier ( 21) et du troisième ( 23) de ces enroulements étant disposés aux extrémités de la barre transversale du T, le plot du second ( 22) de ces enroulements étant placé au milieu de la barre transversale du T, la barre transversale du T étant perpendiculaire à la direction longitudinale de ladite pièce, le plot du quatrième enroulement ( 24) étant placé à l'extrémité de la barre verticale du T, un cinquième enroulement ( 25) alimenté à fréquence élevée et bobiné sur la barre verticale du T, les premier et troisième enroulements ayant un même nombre de spires, le second et le quatrième enroulement possédant un nombre se spires assurant sensiblement l'égalité des tensions induites à leur bornes, le capteur étant associé en outre à un circuit électronique détectant la différence (Ul - U 3) des tensions mesurées aux bornes des premier et troisième enroulements, la somme (U 2 + U 4) des tensions mesurées aux bornes des second et quatrième enroulements et calculant le rapport de ladite différence à ladite somme, ce rapport constituant le déplacement recherché. 2/ Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un blindage ( 30, 50) entourant complètement le circuit magnétique et les plots à l'exception de l'extrémité des plots en regard de la pièce conductrice. 3/ Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le blindage comprend une partie inférieure ( 30) d'épaisseur sensiblement égale à la hauteur des plots et comprenant quatre trous épousant la forme des enroulements ( 21, 22, 23, 24), et une partie supérieure ( 50), ladite 12 - partie inférieure comprenant des saignées ( 41, 42, 43, 44) pratiquées sur toute son épaisseur et s'étendant de chacun des trous à ses bords, les deux parties étant électriquement isolées l'une de l'autre. 4/ Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les saignées ( 41, 42, 43, 44) sont des fentes planes. / Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les saignées sont des fentes courbes ( 45). 6/ Capteur selon l'une des revendications 3 à 5, lu caractérisé en ce que lesdites saignées comportent des pièges à flux constitués d'obstacles métalliques. 7/ Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le blindage comprend trois parties ( 71, 72,73) dont les faces en contact sont isolées électriquement. 8/ Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque plot ( 11, 12, 13, 14) est associé à un plot complémentaire (lla, 12 a, 13 a, 14 a) disposé symétriquement par rapport au circuit magnétique et muni d'un enroulement identique ( 21 a, 22 a, 23 a, 24 a). 9/ Capteur selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le blindage, réalisé en trois parties dont les faces en contact sont isolées électriquement, comporte une cavité de référence ( 75), entourant les plots complémentaires (lia, 12 a, 13 a, 14 a) dans laquelle sont disposés des éléments de haute perméabilité magnétique destinés à réaliser une répartition des flux magnétiques identique à celle qui existe au niveau des plots ( 11, 12, 13, 14) situés au droit de la pièce conductrice, lorsque celle-ci se trouve centrée par rapport au capteur et à sa hauteur nominale.