Brevet FR2671177A1 — publié le 19920703

APPAREIL ELECTRO-OPTIQUE COMPORTANT UN RESEAU DE PHOTO- DETECTEURS La présente invention concerne un appareil électro-optique comportant un dispositif détecteur et un dispositif formateur d'image qui forme une image d'un rayonnement sur le dispositif détecteur. Des appareils électro-optiques tels que les pyromètres comportent un système optique formateur d'image, par exemple au moyen d'une lentille et d'un détecteur, par exemple une photodiode, sur lequel le système formateur d'image forme une image d'un rayonnement exté- rieur Dans certains appareils, il est nécessaire d'avoir une sortie sur deux canaux, notamment quand les signaux de sortie sont délivrés à deux éléments différents d'un équipement, ou dans deux buts dif- férents, ou lorsqu'une redondance est nécessaire pour des raisons de sécurité Afin d'assurer que les deux signaux de sortie soient égaux, les deux photodiodes doivent être montées de façon à recevoir toutes deux la même quantité de rayonnement, c' est-à-dire que l'aire de l'image qui tombe sur l'une des photodiodes doit être égale à celle qui tombe sur l'autre Autrement, on peut ajuster le gain des amplifi- cateurs recevant les signaux de sortie des photodiodes de façon à délivrer des signaux égaux Si l'image du rayonnement est plus petite que l'aire des photodiodes ou si le rayonnement n'est pas égal sur toute l'étendue de l'image, un déplacement de l'image perpendiculai- rement à la ligne reliant les centres des deux photodiodes a pour effet une variation des signaux de sortie des photodiodes, mais celle-ci est généralement la même pour les deux photodiodes Par contre, si le centre de l'image se déplace dans une direction ayant une composante parallèle à la droite reliant les centres des photodiodes, il en résulte généralement une élévation du signal d'une photodiode et une baisse du signal de l'autre. La présente invention a pour objet un appareil électro-optique agencé de façon à minimiser l'effet d'un déplacement relatif entre l'image du rayonnement et un ensemble de plusieurs détecteurs. A cet effet, l'appareil électro-optique selon l'invention est caractérisé en ce que le dispositif détecteur comporte un réseau d'au moins deux paires de détecteurs, en ce que les détecteurs de chaque paire sont situés mutuellement en opposition sur une diagonale du réseau, et en ce que les sorties respectives des détecteurs de chaque paire sont branchées ensemble sur l'un d'au moins deux canaux correspondant aux paires de détecteurs, de sorte qu'il n'y a pas de variation substantielle du signal de sortie d'un canal dans le cas d'une réduc- tion de l'aire de l'image sur l'un des détecteurs d'une paire et d'une augmentation égale de l'aire de l'image sur l'autre détecteur de ladite paire. De préférence, les détecteurs sont arrangés suivant un réseau ortho- gonal, o le dispositif formateur d'image forme une image circulaire sensiblement centrée par rapport au réseau Les détecteurs ont de préférence une forme rectangulaire et le réseau est plus grand dans une première direction que dans une direction perpendiculaire à celle- ci L'image peut être plus petite que l'une des dimensions du réseau et plus grande qu'une autre dimension du réseau. De préférence, les détecteurs sont des photodiodes et peuvent être en contact thermique avec un organe de chauffage à autorégulation. Les détecteurs et un circuit de conditionnement de signaux peuvent être montés dans une enveloppe dont une extrémité opposée est rac- cordée à un câble optique conduisant le rayonnement aux détecteurs. L'appareil peut être un appareil pyrométrique à rayonnement, dans lequel le dispositif formateur d'image forme une image d'un rayon- nement issu d'un corps radiant sur les détecteurs, le signal de sortie de chaque canal étant alors représentatif de la température du corps radiant. A titre d'exemple de réalisation de l'invention, on décrira ci- dessous un pyromètre à rayonnement pour un moteur à turbine à gaz selon l'invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue en perspective partiellement coupée du pyro- mètre et du moteur, la figure 2 est une vue en coupe d'une partie du pyromètre, les figures 3 à 5 sont des vues partielles en coupe transversale suivant la ligne III-111 de la figure 2 et montrent l'effet des différents déplacements relatifs d'une image de rayonnement sur le réseau de détecteurs du pyromètre, et la figure 6 est une vue analogue aux figures 3 à 5, montrant l'effet d'un déplacement d'une image plus petite. En référence à la figure 1, l'appareil pyrométrique comprend une tête pyrométrique 1, montée de façon à viser des aubes 2 d'un moteur à turbine à gaz, un dispositif détecteur 3 raccordé à la tête pyromé- trique au moyen d'un câble optique 4, et une unité de traitement 5 qui reçoit les signaux de sortie du dispositif détecteur et délivre un signal représentatif de la température et d'autres paramètres à une unité 6 de commande du moteur. La tête pyrométrique 1 présente une construction connue, telle que décrite dans les publications de brevet GB 2 158 576 A ou GB 1 589 531, comprenant une lentille convergente réfractaire 10 montée dans la partie arrière d'un tube de visée 11 La lentille 10 focalise sur l'extrémité avant 40 du câble 4 un rayonnement émis par les aubes 2 et entrant dans le tube de visée 11 Le câble 4 est un câble à fibres optiques, ou n'importe quel guide similaire de rayonnement optique, et il est flexible ou orientable afin que l'on dispose d'une certaine liberté pour le montage de la tête pyrométrique 1 et du dispositif détecteur 3 Le câble peut être armé pour être bien protégé et est assez long pour permettre de placer dans une zone plus froide le dispositif détecteur 3 fixé à l'extrémité arrière 41 du câble. En référence à la figure 2, le dispositif détecteur 3 comporte une enveloppe cylindrique 30 comprenant une partie avant 31 et un dispo- sitif de fiche ou connecteur 32 à l'arrière La partie avant 31 com- prend un manchon intérieur 33, soudé à l'extrémité arrière 41 du câble, et un manchon extérieur 34 dont l'extrémité avant bute contre un épaulement 35 du manchon intérieur et dont l'extrémité arrière est assemblée au connecteur 32 La longueur totale du dispositif détecteur 3 est de 60 mm et il a un diamètre de 20 mm Un réseau 20 de photo- diodes est monté dans la partie avant 31 du dispositif 3 L' extrémité arrière 41 du câble 4 sert de moyen formateur d'image, pour former, sur le réseau 20, une image du rayonnement transmis par le câble 4. A cet égard, l'extrémité 41 du câble peut comporter une lentille convergente Le réseau 20 de photodiodes est supporté dans le manchon intérieur 33 par une bague de support 42 thermiquement iso- lante Un élément chauffant à autorégulation (non représenté) peut être placé en contact thermique avec le réseau 20 pour permettre d'élever la température de celui-ci quand c'est nécessaire. Les signaux électriques de sortie du réseau 20 de photodiodes sont délivrés à un circuit électrique 37 logé à l'intérieur de l'enveloppe 30. Le circuit 37 effectue un conditionnement des signaux électriques de sortie du réseau 20 pour les mettre sous une forme apte à être traitée par l'unité de traitement 5 Les signaux issus du circuit 37 sont déli- vrés par des conducteurs 51 au connecteur 32 monté à l'arrière de l'enveloppe 30 Le connecteur 32 est un connecteur mâle multibroche et comprend des broches par lesquelles de l'énergie électrique est délivrée au circuit 37 Le connecteur 32 comporte un collet radial 43 qui est entouré et épaulé par une bague extérieure filetée 44 de blocage. Le connecteur 32 monté sur le dispositif détecteur 3 est agencé pour s'enficher sur un connecteur correspondant 52 monté sur le boîtier 53 de l'unité de traitement 5 Le connecteur 52 a une surface plate (non représentée) contre laquelle le collet 43 du connecteur 32 bute en ayant un bon contact thermique L'unité de traitement 5 contient des circuits électroniques de traitement, indiqués globalement par le numéro 54 Ces circuits sont raccordés au connecteur 52 de façon à recevoir le signal de sortie conditionné du réseau 20 de photodiodes du dispositif détecteur 3 L' unité de traitement 5 reçoit aussi des signaux d'entrée sur une ligne 56, en provenance de divers autres capteurs et dispositifs de contrôle indiquant, par exemple, la vitesse, la température et la pression, et délivre un signal de sortie à l'unité 6 de commande du moteur L'unité de traitement 5 comprend une unité de transfert thermique 60 qui est montée sur le boîtier 53 de l'unité 5 et qui est alimentée par un fluide tel que du combustible liquide, afin d'effectuer un transfert de chaleur et en particulier de refroidir l'unité de traitement 5. Tel que décrit jusqu'ici, l'appareil est connu et est décrit dans la publication GB 2 198 259 Le réseau 20 de photodiodes diffère des agencements antérieurs en ce qu'il comporte un réseau orthogonal de quatre photodiodes séparées 21 à 24, comme le montre la figure 3. Les photodiodes 21 à 24 sont formées de préférence sur un substrat commun 12 et chacune a une forme rectangulaire, plus longue dans la direction horizontale des x que dans la direction verticale des y Les photodiodes 21 à 24 pourraient être carrées ou d'une autre forme. Elles sont rangées suivant un réseau orthogonal o leurs côtés sont parallèles et présentent entre eux des distances égales Le rayon- nement issu de l'extrémité arrière 41 du câble 4 forme une image cir- culaire 25 sur le réseau 20, dont le centre 26 se trouve au centre du réseau Le diamètre 2 d de l'image 25 est plus grand que la dimension Y du réseau 20, mais plus petit que la dimension X de ce réseau On voit que l'aire de l'image est la même sur toutes les photodiodes 21 à 24, c' est-à-dire que les signaux de sortie de celles-ci seront tous égaux Toutefois, des imprécisions de montage ou des vibrations en cours d'utilisation, par exemple, peuvent avoir pour effet un défaut d'alignement entre l'image 25 et le réseau 20 Par exemple, ltimage peut être décalée vers la gauche jusqu'à la position 25 ' représentée en traits interrompus Il en résultera une augmentation Ai de l'aire de l'image du rayonnement tombant sur la diode 21, une diminution A 2 sur la diode 22, une diminution A 3 sur la diode 23 et une augmen- tation A 4 sur la diode 24 Les aires Ai à A 4 sont toutes égales Les signaux de sortie des diodes 21 et 23 opposées en diagonale sont réunis en un seul canal par des conducteurs 28 De même, les signaux de sortie de l'autre paire de diodes 22 et 24 opposées en diagonale sont regroupés en un second canal par des conducteurs 29 De cette manière, les signaux de sortie des deux canaux restent tous deux inchangés, parce que le mouvement de l'image du rayonnement par rapport au réseau affecte les deux diodes de chaque canal dans des mesures égales, mais opposées. Si l'image 25 se déplace verticalement par rapport au réseau 20, comme indiqué par la ligne en traits interrompus 25 " dans la figure 4, les signaux de sortie des diodes supérieures 21 et 22 devient plus forts, tandis que les signaux de sortie des diodes inférieures 23 et 24 dimi- nuent dans la même mesure On peut constater que cela a pour effet de maintenir un niveau constant des signaux dans les deux canaux, à cause du couplage par paires en diagonale des diodes supérieures et inférieures. La figure 5 montre ce qui se passe si les déplacements relatifs entre les images 25 et 25 "' du rayonnement et le réseau 20 de photodiodes ne s'effectuent pas suivant l'axe x ou l'axe y On voit que la varia- tion de l'aire de l'image tombant sur chaque photodiode n' est pas la même pour chaque photodiode et qu'il y aura donc une modification des signaux de sortie des deux canaux Cependant, pour chaque paire de photodiodes, l'aire de l'image augmente sur l'une des photodiodes et diminue sur l'autre La variation totale pour chaque paire est donc la différence des variations individuelles, ce qui tend à réduire la variation du signal de sortie du canal correspondant L'effet de varia- tion est considérablement moindre que dans les appareils antérieurs qui n'utilisent que deux photodiodes, ce qui serait équivalent à former des paires de photodiodes adjacentes, par exemple 21 + 24 et 22 + 23, ou 21 + 22 et 23 + 24. Si le diamètre 2 d' de l'image 25 du rayonnement est inférieur à la fois à la hauteur Y et à la largeur X du réseau 20 de photodiodes, comme le montre la figure 6, un déplacement dans la direction représentée à la figure 5 produit une augmentation ou une diminution des signaux de sortie des canaux, mais dans la même mesure pour les deux canaux. Grâce à l'utilisation de deux paires de détecteurs situés en opposition l'un par rapport à l'autre sur une diagonale, on réduit l'effet de petites erreurs d'alignement entre le réseau de détecteurs et le dispo- sitif formateur d'image, résultant d'erreurs de fabrication ou d'un déplacement ultérieur Cela aboutit à réduire le rebut à la fabrication et les défauts de fonctionnement de l'appareil lors de l'utilisation. On remarquera que si l'image de rayonnement était plus grande que la zone o se trouve les photodiodes, de sorte que chaque photodiode soit entièrement éclairée pour tous les déplacements possibles du dispositif formateur d'image, la présente invention ne procurerait aucun avantage Cependant, si la distribution de l'éclairement n'était pas constante sur toute l'image (par exemple si le centre était plus brillant que la périphérie), l'utilisation de photodiodes couplées par paires en diagonale réduirait les variations à la sortie en cas de déplacement de l'image En pratique, pour assurer une utilisation maximale du rayonnement disponible, on choisit l'étendue de la zone des photodiodes de façon qu'elle soit au moins aussi grande que l'image du rayonnement. En pratique, les signaux de sortie des photodiodes sont délivrés à des amplificateurs dont les gains peuvent être ajustés lors de l'étalonnage pour fournir des amplitudes de sortie égales La présente invention réduit les exigences de calibrage des amplificateurs et de recalibrage en cours d'utilisation. Quand il est utilisé dans un appareil pyrométrique, le dispositif détecteur peut être logé dans le même tube que la tête de visée, o la température n'est pas assez élevée pour avoir des effets négatifs sur les performances des photodiodes. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus et s'étend à toute modification ou variante évidente pour un homme du métier En particulier, elle n'est pas limitée aux pyromètres mais s'applique aussi à d'autres appareils électro-optiques destinés à délivrer un signal électrique sur deux canaux en réponse à un rayonnement optique. REVENDICATIONS 1 Appareil électro-optique comportant un dispositif détecteur et un dispositif formateur d'image qui forme une image d'un rayonnement sur le dispositif détecteur, caractérisé en ce que le dispositif détecteur comporte un réseau ( 20) d'au moins deux paires de détecteurs ( 21 et 23, 22 et 24), en ce que les détecteurs de chaque paire sont situés mutuellement en opposition sur une diagonale du réseau et en ce que les sorties respectives des détecteurs de chaque paire sont branchées ensemble sur l'un d'au moins deux canaux ( 28, 29) correspondant aux paires de détecteurs, de sorte qu'il n'y a pas de variation substan- tielle du signal de sortie d'un canal dans le cas d'une réduction de l'aire de l'image sur l'un des détecteurs ( 22 ou 23) d'une paire et d'une augmentation égale de l'aire de l'image sur l'autre détecteur ( 24 ou 21) de ladite paire. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les détec- teurs ( 21-24) sont arrangés suivant un réseau orthogonal ( 20), o le dispositif formateur d'image ( 41) forme une image circulaire ( 25) sensiblement centrée par rapport au réseau ( 20). 3 Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les détecteurs ( 21-24) ont une forme rectangulaire et en ce que le réseau est plus grand dans une première direction que dans une direction perpendiculaire à celle-ci. 4 Appareil selon lune des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'image ( 25) est plus petite que l'une (X) des dimensions du réseau ( 20). Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'image ( 25) est plus grande que l'une (Y) des dimensions du réseau ( 20) 6 Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les détecteurs ( 21-24) sont des photodiodes. 7 Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les détecteurs ( 21-24) sont en contact thermique avec un organe de chauffage à autorégulation. 8 Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les détecteurs ( 21-24) et un circuit de conditionnement de signaux ( 37) sont montés dans une enveloppe ( 30) dont une extrémité opposée est raccordée à un câble optique ( 4) conduisant le rayon- nement aux détecteurs ( 21-24). 9 Appareil pyrométrique à rayonnement, selon l'une des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que le dispositif formateur d'image ( 41) forme une image d'un rayonnement issu d'un corps radiant ( 2) sur les détecteurs ( 21-24) et en ce que le signal de sortie de chaque canal ( 28, 29) est représentatif de la température du corps radiant ( 2).