Brevet FR2665535A1 — publié le 19920207

La présente invention concerne un procédé pour déterminer la température d'un organe de machine chauffé par induction, le chauffage de l'organe de machine, ou d'un élément de chauffage dans ou sur l'organe de machine, s'effectuant à l'aide du champ magnétique alter- natif produit par un enroulement primaire sur un noyau ouvert ou fermé, et l'organe de machine étant fixe ou mobile par rapport à l'enroulement primaire L'invention concerne également un dispositif pour déterminer la température d'un organe de machine chauffé par in- duction, le chauffage de l'organe de machine, ou d'un élément de chauffage dans ou sur l'organe de machine, s'effectuant à l'aide du champ magnétique alternatif produit par un enroulement primaire sur un noyau ouvert ou fermé, et l'organe de machine étant fixe ou mobile par rapport à l'enroulement primaire. Dans le domaine de la construction de machines, on utilise des organes de machine chauffés par induction pour de multiples applica- tions, par exemple dans des outils pour la transformation de matières plastiques, pour des joints d'étanchéité dans des machines et des ins- tallations, pour le chauffage d'organes de machine mobiles, notamment rotatifs, etc Dans ce domaine, on appelle également "chauffage par induction" des chauffages se basant sur le principe de transformation, et donc non sur la production d'écoulements tourbillonnaires Dans chaque cas, le chauffage de l'organe de machine proprement dit, ou d'un élément de chauffage en matériau correspondant disposé dans ou sur l'organe, par exemple une bague court-circuitée coopérant avec un enroulement comme enroulement secondaire court-circuité, s'effectue à l'aide du champ magnétique alternatif produit par un enroulement pri- maire L'organe de machine, ou l'organe de machine muni de l'élément de chauffage, peut très bien être mobile par rapport à l'enroulement primaire, par exemple dans le cas de roues ou de cylindres tournant à une vitesse plus ou moins grande par rapport à l'enroulement primaire. Dans les procédé connus, la détermination de la température s'effectue à l'aide de capteurs de température, montés à des endroits correspondants sur l'organe de machine Cela soulève souvent des dif- ficultés, par exemple pour des outils utilisés dans la transformation 3 5 de matières plastiques, qui doivent être facilement remplaçables aux fins de nettoyage, ou pour des organes de machine mobiles, notamment rotatifs Dans le premier cas, des éléments de raccordement spéciaux, aisément démontables doivent être présents et incorporés d'une manière correspondante dans l'outil; dans le second cas, il faut prévoir et incorporer des transmetteurs de valeurs de mesure, afin de transmettre au dispositif fixe de mesure et de réglage les signaux de mesure de température provenant du capteur de température qui se déplace avec l'organe de machine. La présente invention a pour but d'indiquer un procédé du type mentionné en introduction, qui permette de déterminer la température d'un organe de machine chauffé par induction sans présenter les diffi- cultés décrites ci-dessus. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que d'abord, aux fins d'étalonnage, on mesure l'intensité et la tension du côté primaire sur la plage de température de l'organe de machine attendue en service, on mesure les températures réelles correspondantes sur l'organe de machine, on les transforme par le calcul en paramètres d'étalonnage et on les mémorise, et qu'ensuite, en service, on ne me- sure plus que l'intensité et la tension du côté primaire, à partir de quoi on détermine par le calcul la température de l'organe de machine. L'invention utilise le fait que le courant qui s'écoule du côté secon- daire, et qui conduit finalement au réchauffement de l'organe de ma- chine ou de l'élément de chauffage, dépend de la résistance ohmique de l'organe de machine ou de l'élément de chauffage, généralement appelée "résistance secondaire de cuivre" Cette résistance augmente avec la température, de sorte qu'on peut finalement déduire par le calcul, à partir de l'intensité de la tension du côté primaire, la température de l'organe de machine ou de l'élément de chauffage qui s'y trouve. Même si la précision de mesure n'est pas ici optimale, du fait de dif- férentes influences perturbatrices, elle suffit cependant très bien pour un grand nombre de cas d'application Par ailleurs, du fait des influences perturbatrices et afin de tenir compte de la géométrie et de la résistance de l'organe de machine à chauffer, il faut entre- prendre initialement des mesures d'étalonnage, telles qu'indiquées plus haut En service, il ne suffit ensuite plus que de mesurer l'intensité et la tension du côté primaire et donc stationnairement, à partir de quoi on peut calculer la température de l'organe de machine ou de l'élément de chauffage qui s'y trouve On peut donc renoncer aux capteurs de température qui étaient jusqu'alors nécessaires sur l'organe de machine. Comme intensité du côté primaire, on peut mesurer l'intensité de chauffage extérieure, ce qu'on peut notamment faire à l'aide d'un transformateur d'intensité de mesure Par contre, la tension de chauf- fage extérieure ne convient pas d'une manière optimale pour la mesure, attendu que la résistance ohmique du côté primaire et la chute de ten- sion par l'inductance de fuite du côté primaire, influencent négative- ment la précision de mesure Il est donc recommandé, d'une manière préférentielle, d'enregistrer comme tension du côté primaire la ten- sion induite, c'est-à-dire la tension sur l'inductance principale En matière de technique de mesure, ceci peut être réalisé en enregistrant la tension induite au moyen d'un enroulement auxiliaire sur le noyau, enroulement qui est totalement séparé du circuit d'intensité de chauf- fage, donc de l'enroulement primaire. En principe, on peut calculer à partir de l'étalonnage initial décrit cidessus une courbe d'étalonnage, en tout cas si l'on utilise un ordinateur Mais la précision de mesure est encore améliorée si l'on développe le procédé selon l'invention par le fait que d'abord, aux fins d'étalonnage, on mesure d'une part la résistance ohmique (R 2) de l'organe de machine chauffé ou de l'élément de chauffage en fonc- tion de sa température (T), à partir de quoi on calcule et mémorise une fonction T = f T (R 2), et d'autre part l'intensité (IL) à travers l'inductance principale en fonction de la chute de tension (UL) sur l'inductance principale, à partir de quoi on calcule et mémorise une fonction IL = f L (UL), et en ce qu'en service, on calcule la tempéra- ture (t) selon la formule: T = f T ( UL) \ A L (L) L'équation ci-dessus est exacte, mais elle est difficile à évaluer par le calcul, et notamment non linéaire Il est donc recommandé d'introduire une formule d'approximation, et d'entreprendre ensuite l'évaluation On a constaté que l'on arrivait à des résultats suf- fisamment précis dans la pratique en calculant la température selon la formule d'approximation: (u LL L) T T y + f (U + A T \ A o A T est une valeur de correction de température, éventuellement né- gative, mémorisée d'après la mesure d'étalonnage initiale, pour chaque valeur de température calculée T La mesure d'étalonnage initiale dé- crite plus haut ne s'exprime plus ici que par la valeur de correction de température. Un dispositif du type mentionné en introduction est tout d'abord caractérisé par le fait qu'il comprend un dispositif de mesure de ten- sion avec un capteur de mesure de tension, un dispositif de mesure d'intensité avec un capteur d'intensité, et un montage de calcul et d'évaluation Selon une configuration supplémentaire préférentielle de ce dispositif, le capteur de mesure de tension est un enroulement auxiliaire sur le noyau De même, le capteur d'intensité peut être un transformateur d'intensité de mesure Selon d'autres caractéristiques supplémentaires, le dispositif de mesure de tension présente un convertisseur d'impulsions de tension et un compteur d'impulsions consécutif, le dispositif de mesure d'intensité présente un convertis- seur d'impulsions d'intensité et un compteur d'impulsions consécutif, et un circuit porte est associé au convertisseur d'impulsions de ten- sion et au convertisseur d'impulsions d'intensité Enfin, selon une caractéristique supplémentaire particulièrement avantageuse, le convertisseur d'impulsions de tension, le convertisseur d'impulsions d'intensité et le circuit porte sont réunis en un transmetteur Selon une nouvelle configuration supplémentaire du dispositif, le montage de calcul et d'évaluation présente un circuit d'entrée de température, pour le raccordement d'un capteur de température Enfin, le montage de calcul et d'évaluation est réalisé sous forme de micro-ordinateur. L'exposé qui suit décrit plus en détail l'invention à l'aide des dessins annexés, qui en représentent un simple exemple de réalisation, et dans lesquels: la figure 1 représente le principe de base d'un chauffage par induction, ou plus précisément ici par transformation, d'un organe de machine, la figure 2 représente le schéma équivalent de l'agencement de la figure 1, et la figure 3 représente un schéma-blocs d'un dispositif selon un exemple préférentiel de mise en oeuvre de l'enseignement de l'invention. En matière de procédé, l'enseignement de l'invention a déjà été expliqué en détail plus haut, et on peut donc renoncer à le décrire ici. La figure 1 représente, tout d'abord suggéré comme étant une bague, l'organe de machine 1 à chauffer par induction, qui coopère avec un enroulement comme enroulement secondaire court-circuité. L'organe 1 est chauffé à l'aide du champ magnétique alternatif produit par un enroulement primaire 2 sur un noyau 3, qui est ici fermé Le noyau 3 pourrait aussi être ouvert L'organe 1 est ici représenté im- mobile, mais il pourrait aussi être mobile par rapport à l'enroulement primaire 2, notamment tourner Le noyau 3 pourrait aussi être divisé, une partie du noyau 3 tournant conjointement avec l'organe de machine 1. La figure 2 représente le schéma équivalent, avec la tension de chauffage UA appliquée du côté primaire, l'intensité de chauffage ex- térieure IA, la résistance ohmique du côté primaire Ri, l'inductance de fuite du côté primaire Li, l'inductance principale L, l'inductance de fuite du côté secondaire L 2, la résistance ohmique du côté secon- daire R 2, c'est-à-dire la résistance ohmique de l'organe de machine 1, et l'intensité I 2 du côté secondaire, s'écoulant à travers la résis- tance ohmique R 2 Ce circuit équivalent montre immédiatement nettement pourquoi il est opportun, en matière de technique de mesure, de mesu- rer comme tension de chauffage extérieure UA la tension induite UL, c'est-à-dire la tension sur l'inductance principale L En matière de technique de mesure, ceci peut être mis en oeuvre comme représenté sur la figure 1, donc par un enroulement auxiliaire 4 sur le noyau 3, en- roulement qui est séparé de l'enroulement primaire 2. On peut tirer du schéma équivalent les équations qui suivent. La résistance ohmique R 2 dans le circuit secondaire est fonction de la température T de l'organe de machine 1 Il en résulte qu'à l'inverse, on peut déduire la température T d'après la valeur de la résistance ohmique Rz On a donc T = f T (Rz). Pour la résistance Rz, on a, dans une approximation adéquate, R 2 = UL/I 2 = UL/(IA-IL) Ceci résulte de la loi de Kirchhoff. Cela étant, on sait également qu'IL dépend de la tension sur l'inductance principale, donc de UL; on a donc IL = f L (UL). Si donc on mesure la résistance ohmique de l'organe de machine chauffé ou de l'élément de chauffage en fonction de sa température réelle, on peut calculer et mémoriser la première fonction citée, tan- dis qu'on peut calculer et mémoriser la seconde fonction citée lorsqu'on mesure et enregistre l'intensité à travers l'inductance principale en fonction de la chute de tension sur l'inductance princi- pale. Enfin, on peut alors calculer la température d'après la formule exacte: /UL\ T = f T -L IA f L (UL)) Une approximation avantageuse, suffisamment exacte et optimale en ma- tière de technique de calcul, est fournie par la formule suivante: T UL f U \ T T t L (L \A/ o A T représente une valeur de correction de température, éventuel- lement négative, mémorisée d'après la mesure d'étalonnage initiale, pour chaque valeur de température calculée T. La figure 3 représente un schéma-blocs d'un dispositif corres- pondant à un exemple de réalisation préférentiel pour déterminer la température d'un organe de machine 1 chauffé par induction On recon- naît tout d'abord à nouveau l'enroulement primaire 2, le noyau 3 et l'enroulement auxiliaire 4, qui ont été expliqués précédemment On a en outre représenté ici une source de courant alternatif 5, un triac 6 servant d'élément de commande pour la commande de l'intensité de chauffage IA à travers l'enroulement primaire 2, et une connexion de commande correspondante 7. Cela étant, le dispositif selon l'invention proprement dit pré- sente tout d'abord un dispositif de mesure de tension 8, avec un cap- teur de mesure de tension sous la forme de l'enroulement auxiliaire 4, un dispositif de mesure d'intensité 9, avec un capteur d'intensité 10 réalisé ici sous forme de transformateur d'intensité de mesure, et un montage de calcul et d'évaluation 11. Dans l'exemple de réalisation préférentiel représenté, le dispo- sitif de mesure de tension 8 présente un convertisseur d'impulsions de tension 12 et un compteur d'impulsions consécutif 13; d'une manière correspondante, dans l'exemple de réalisation préférentiel représenté, le dispositif de mesure d'intensité 9 présente un convertisseur d'impulsions d'intensité 14 et un compteur d'impulsions 15 Par ail- leurs, un circuit porte 16 est associé aux deux convertisseurs 12,13, circuit qui n'ouvre que de manière synchrone les entrées des deux compteurs d'impulsions 13,15, par l'intermédiaire de deux portes ET. Dans l'exemple de réalisation représenté, on a choisi une construction en deux parties, et le convertisseur d'impulsions de ten- sion 12, le convertisseur d'impulsions d'intensité 14 et le circuit porte 16 muni des portes ET, sont réunis en un transmetteur 17 Tous les autres éléments sont réunis dans le montage de calcul et d'évaluation 11 qui, dans l'exemple de réalisation représenté, est réalisé d'une manière particulièrement préférentielle, à savoir qu'il présente un circuit d'entrée de température 18, pour le raccordement d'un capteur de température 19 Ce capteur de température 19 est uti- lisé pour les mesures d'étalonnage décrites plus haut; il peut donc déterminer, avec la précision spécifique au capteur, la température réelle de l'organe de machine 1 Par ailleurs, dans le présent exemple de réalisation, le montage de calcul et d'évaluation 11 est -réalisé sous forme de micro-ordinateur. Le micro-ordinateur, qui constitue le montage de calcul et d'évaluation 11, possède encore d'autres composants, à savoir, dans l'exemple de réalisation représenté, un étage de calibrage 20, un étage de calcul 21, un régulateur de sortie 22 et un amplificateur de sortie 23 La connexion de commande 7 du triac 6 est reliée à l'amplificateur de sortie 23, de sorte qu'on réalise ici un montage de régulation complet Il ne s'agit bien sûr que d'un exemple de réalisa- tion. REVENDICATIONS 1 Procédé pour déterminer la température d'un organe de machine chauffé par induction, le chauffage de l'organe de machine ou d'un élément de chauffage disposé dans ou sur l'organe de machine s'effectuant à l'aide du champ magnétique alternatif produit par un enroulement primaire sur un noyau ouvert ou fermé, et l'organe de ma- chine étant fixe ou mobile par rapport à l'enroulement primaire, ca- ractérisé en ce que d'abord, aux fins d'étalonnage, on mesure l'intensité et la tension du côté primaire sur la plage de température de l'organe de machine attendue en service, on mesure les températures réelles correspondantes sur l'organe de machine, on les transforme par le calcul en paramètres d'étalonnage et on les mémorise, et en ce qu'ensuite, en service, on ne mesure plus que l'intensité et la ten- sion du côté primaire, à partir de quoi on détermine par le calcul la température de l'organe de machine. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on me- sure, comme intensité du côté primaire, l'intensité de chauffage exté- rieure (IA). 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'intensité, notamment l'intensité de chauffage extérieure (IA), est enregistrée au moyen d'un transformateur d'intensité de mesure. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, ca- ractérisé en ce qu'on enregistre comme tension du côté primaire la tension induite (UL), c'est-à-dire la tension sur l'inductance princi- pale. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la tension induite (UL) est enregistrée au moyen d'un enroulement auxi- liaire. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, ca- ractérisé en ce que d'abord, aux fins d'étalonnage, on mesure d'une part la résistance ohmique (R 2) de l'organe de machine chauffé ou de l'élément de chauffage en fonction de sa température (T), à partir de quoi on calcule et mémorise une fonction T = f T (R 2), et d'autre part l'intensité (IL) à travers l'inductance principale en fonction de la chute de tension (UL) sur l'inductance principale, à partir de quoi on calcule et mémorise une fonction IL = f L (UL), et en ce qu'en service, on calcule la température (T) selon la formule /UL\ T = f T c A L (U L) 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on calcule la température selon une formule d'approximation /L\ T = I T L (UL) +S T \ A T o A T est une valeur de correction de température, éventuellement né- gative, mémorisée d'après la mesure d'étalonnage initiale, pour chaque valeur de température calculée T. 8 Dispositif pour déterminer la température d'un organe de ma- chine chauffé par induction, le chauffage de l'organe de machine ou d'un élément de chauffage dans ou sur l'organe de machine s'effectuant à l'aide du champ magnétique alternatif produit par un enroulement primaire sur un noyau ouvert ou fermé, et l'organe de machine étant fixe ou mobile par rapport à l'enroulement primaire, notamment pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de mesure de tension ( 8) avec un capteur de mesure de tension ( 4), un dispositif de mesure d'intensité ( 9) avec un capteur d'intensité ( 10), et un montage de calcul et d'évaluation ( 11). 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le capteur de mesure de tension est un enroulement auxiliaire ( 4) sur le noyau ( 3). Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le capteur d'intensité ( 10) est un transformateur d'intensité de mesure. 11 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le dispositif de mesure de tension ( 8) présente un convertisseur d'impulsions de tension ( 12) et un compteur d'impulsions ( 13) consécutif. 12 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que le dispositif de mesure d'intensité ( 9) présente un convertisseur d'impulsions d'intensité ( 14) et un compteur d'impulsions ( 15) consécutif. 13 Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu' un circuit porte ( 16) est associé au convertisseur d'impulsions de tension ( 12) et au convertisseur d'impulsions d'intensité ( 14). 14 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que le convertisseur d'impulsions de tension ( 12), le convertisseur d'impulsions d'intensité ( 14) et le circuit porte ( 16) sont réunis en un transmetteur ( 17). Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 14, caractérisé en ce que le montage de calcul et d'évaluation ( 11) pré- sente un circuit d'entrée de température ( 18), pour le raccordement d'un capteur de température ( 19). 16 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 15, caractérisé en ce que le montage de calcul et d'évaluation ( 11) est réalisé sous forme de micro-ordinateur.