Brevet FR2664973A1 — publié le 19920124

t. DISPOSITIF DE DETECTION DE ROTATION D'UN ELEMENT TOURANT TEL QUE LA TURBINE D'UN COMPTEUR D'EAU L'invention concerne un dispositif de détection de rotation d'un élément tournant tel que la turbine d'un compteur d'eau, et plus particulièrement un compteur d'eau intégéré dans un calorimètre pour comptabiliser l'énergie délivré par un circuit d'eau chaude. La plupart des compteurs d'eau comprennent traditionellement un totalisateur à entraînement mécanique, c'est-à-dire que la rotation de la turbine entraine, par l'intermédiaire d'une transmisssion mécanique et/ou magnétique, les rouleaux de l'index du compteur. Plus récemment, il a été envisagé de détecter la rotation de la turbine à l'aide d'un détecteur de proximité placé en regard d'un élément tournant solidaire de la turbine, et destiné à détecter le passage d'une marque placée de manière excentrée sur l'élément tournant Le détecteur de proximité peut par exemple être basé sur une méthode inductive, auquel cas la marque sera constituée par un matériau dont les caractéristiques magnétiques et/ou électriques diffèrent du reste de l'élément tournant De tels détecteurs présentent cependant des inconvénients. Tout d'abord il existe une série de paramètres qui varient en fonction du temps; par exemple pour un compteur d'eau intégré dans un calorimètre, il s'agit de la température de l'eau qui peut faire varier les caractéristiques du détecteur, de la tension 2 - d'alimentation du circuit de détection, notamment lorsque l'alimentation se fait par l'intermédiaire d'une pile, et de la distance variable entre le détecteur de proximité et l'élément tournant due au soulèvement de la turbine à grande vitesse. Il existe également une série de paramètres qui varient d'un détecteur à l'autre et qui sont difficiles et coûteux à maîtriser dans une production en grande série; par exemple, pour un détecteur du type inductif, il s'agit notamment des valeurs de la bobine et de son coefficient de qualité, ce qui conduit à un étalonnage de chaque détecteur ou à un tri. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients en utilisant un système adaptatif comprenant au moins deux détecteurs de proximité. Le dispositif selon l'invention, permettant de détecter la rotation d'un élément tournant autour d'un axe XX' comprend: a) _ détecteurs de proximité situés dans un plan perpendiculaire à l'axe XX' selon m directions radiales; b) une marque solidaire dudit élément et excentrée par rapport à l'axe XX', ladite marque étant susceptible de modifier la réponse des détecteurs de proximité lorsque ledit élément est animé d'un mouvement de rotation; c) une alimentation déstinée à alimenter lesdits détecteurs de proximité; d) des moyens de sélection pour sélectionner une série de m-1 détecteurs de proximité à alimenter; -3- e) des moyens de traitement pour, d'une part étudier l'évolution des signaux délivrés par chacun des détecteurs de ladite série à l'aide de paramètres représentatifs de cette évolution, et ainsi identifier le passage de la marque au niveau d'un des détecteurs situé à l'extrémité de ladite série, et d'autre part, dès que ce passage a été identifié, pour: en déduire le nombre de tours de rotation; actionner les moyens de sélection de manière à sélectionner une nouvelle série de m-l détecteurs de proximité excluant le détecteur au niveau duquel le passage de la marque vient d'être identifié; et réinitialiser lesdits paramètres destinés à étudier l'évolution des signaux à venir de ladite nouvelle série de manière à ce que les paramètres ainsi réinitialisés soient représentatifs du fait que la marque ne peut pas être au niveau de l'un des détecteurs de ladite nouvelle série. De manière avantageuse, l'élément tournant est en matière non-métallique, la marque est constituée par une partie métallisée dudit élément tournant, chaque détecteur de proximité est constitué par un circuit oscillant comprenant une bobine et un condensateur; et les moyens pour alimenter comprennent un générateur d'impulsions délivrant des impulsions d'environ 3 V pour alimenter successivement chaque détecteur de ladite série sélectionnée à une fréquence située entre 400 et 800 Hz. Selon un premier mode de réalisation dans lequel m = 2, les moyens de traitement comprennent: 4 - pour chaque signal délivré, des moyens pour compter le nombre N de périodes du signal dépassant une tension de seuil prédéterminée Vseuil; pour chaque valeur N ainsi obtenue, des moyens pour comparer N à deux paramètres Nmax et Nseuil représentatifs de l'évolution et pour calculer deux nouvelles valeurs desdits paramètres, lesdites valeurs desdits paramètres d'évolution étant calculés de la manière suivante: si N > Nmax Nmax = N Nseuil = f(Nmax) f étant une fonction linéaire de Nmax, avec Nseuil tours de rotation lorsque N est inférieur à Nseuil. Selon un second mode de réalisation, m= 3, c'est-à-dire que le dispositif comprend trois détecteurs, le traitement portant alors sur les signaux délivrés par deux détecteurs Le = Lp ou Ln Selon ce second mode, les moyens de traitement comprennent: pour chaque signal délivré par un détecteur Le, des moyens pour compter le nombre N de périodes dépassant une tension de seuil prédéterminée Vseuil; pour chaque valeur de N ainsi obtenue, des moyens pour comparer N à un paramètre Nmax(Le) représentatif de l'évolution des signaux délivrés par le détecteur Le et à un paramètre fixe Nseuil valable pour les trois détecteurs, et pour calculer des nouvelles valeurs desdits paramètres de la manière suivante si N > Nmax Nmax(Le) = N si Nmax(Le)-Nseuil identifiée. De préférence, les moyens de traitement comprennent en outre: des moyens pour s'assurer du bon fonctionnement de chaque détecteur en comparant le nombre N à une valeur Nmin; si l'un des détecteurs venait à tomber en panne ou être déclaré hors service, des moyens permettant au dispositif de fonctionner à l'aide des deux autres détecteurs. L'invention trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine du comptage de l'eau. 6 - L'invention et les avantages qu'elle apporte seront mieux compris au vue de la description qui suit et dans laquelle: la figure 1 représente un premier mode de réalisation de l'invention avec deux détecteurs; la figure 2 est un schéma des circuits associés aux deux détecteurs de proximité de la figure 1; la figure 3 représente les signaux obtenus avec des détecteurs de proximité du type inductif; la figure 4 est un organigramme du traitement des signaux pour le premier mode de réalisation; les figures 5 et 6 illustrent un second mode de réalisation comprenant trois détecteurs de proximité permettant la détection du sens de rotation; la figure 7 est un organigramme de la logique qui régit les séquences successives du second mode de réalisation; la figure 8 est un organigramme du traitement pour analyser l'évolution des signaux délivrés selon le second mode de réalisation. En référence à la figure 1 qui illustre un premier mode de réalisation, l'ensemble tournant est constitué par exemple par la turbine 1 d'un débitmètre (non représenté) et du disque 2 qui est solidaire de la turbine 1 Lors de l'écoulement d'un fluide, tel que l'eau, la turbine 1 et le disque 2 sont animés d'un mouvement de rotation autour de l'axe XX' La vitesse de rotation de l'élément tournant est directement reliée au débit instantané du fluide. Deux détecteurs de proximité LO et Ll situés dans un plan P perpendiculaire à l'axe XX', selon deux directions radiales par rapport à l'axe XX' sont sensibles à la proximité d'une marque 5 qui est 7 solidaire du disque 2 et excentrée par rapport à l'axe de rotation XX' Il s'ensuit que lorsque l'élément tournant (turbine 1 et disque 2) est animé d'un mouvement de rotation, la réponse des détecteurs de proximité LO et Li va évoluer en fonction de la position de la marque 5. A titre illustratif, les deux détecteurs de proximité LO et Li sont des bobines magnétiques 3 a et 4 a couplées en parallèle avec des condensateurs 3 b et 4 b, formant ainsi deux circuits oscillants disposés selon deux directions radiales opposées Le disque 2 est en matière non-métallique, par exemple du plastique moulé, et la marque 5 un secteur radial métallisé du disque. La figure 2 représente l'architecture des circuits associés aux détecteurs de proximité LO et Ll Une alimentation 10 par, exemple une pile, assure à travers un commutateur 11, l'apport en énergie nécessaire à exciter soit l'un, soit l'autre des deux détecteurs de proximité LO et Ll. Des moyens de traitement 12 reliés à travers le commmutateur 11, permettent d'analyser les signaux délivrés par le détecteur de proximité excité de manière à identifier le passage de la marque 5 au niveau du détecteur de proximité actif. L'identification du passage de la marque 5 au niveau du détecteur actif s'effectue en analysant l'évolution des signaux successivement délivrés par le détecteur de proximité actif, par exemple en comparant le signal délivré à des paramètres représentatifs de cette évolution qui sont calculés à partir du ou des signaux précédents. -8- Dès que les moyens de traitement 12 ont identifié le passage de la marque au niveau de l'un des détecteurs de proximité, ils vont déclencher les étapes suivantes: ils délivrent un signal de commande qui va actionner le commutateur il de manière à sélectionner l'autre détecteur de proximité; ils délivrent un signal de rotation représentatif du demi-tour de rotation effectué par l'élément tournant et qui va piloter un circuit de comptage mémorisant le nombre de tours effectués par l'élément tournant; et ils réinitialisent les paramètres d'analyse qui vont servir au signal suivant qui va provenir de l'autre détecteur de proximité nouvellement connecté, de manière à ce que ces paramètres réinitialisés soient indicatifs du fait que la marque ne se trouve pas en regard du détecteur nouvellement connecté; ces paramètres réinitialisés sont alors indépendants de la distance qui sépare le détecteur et l'élément tournant. On peut ainsi suivre l'approche de la marque vers le détecteur nouvellement connecté en suivant l'évolution du signal qu'il délivre, jusqu'à ce que l'on ait une indication sans aucun doute possible que la marque est sous le détecteur en question. On obtient ainsi un système suiveur adaptatif qui ne nécessite pas de seuil de détection fixé au préalable. Il prend également en compte les différences existantes entre les deux capteurs de proximité sans avoir à 9 - étalonner chacun des deux capteurs et garder en mémoire ces coefficients d'étalonnage en vue d'analyser les signaux Comme indiqué précédemment, ces coefficients d'étalonnage varient non seulement d'un détecteur à l'autre, mais également en fonction du temps, de la température, de la tension d'alimentation et de la distance séparant chacun des détecteurs de l'élément tournant. De plus, le fait d'exciter alternativement l'un ou l'autre des détecteurs représente une économie d'énergie particulièrement intéressante dans le cas d'une alimentation par pile dont la durée de vie doit être de quelques années. En reprenant l'exemple illustratif évoqué précédemment, on va maintenant décrire, en référence à la figure 4, une manière possible de traiter les signaux délivrés par les circuits oscillants LI et L 2 Il existe naturellement d'autres manières d'analyser les signaux qui sont à la portée de l'homme du métier. Comme le montre la figure 3, le signal délivré par le circuit oscillant est plus ou moins amorti en fonction de la position de la marque 5: lorsque le secteur métallisé 5 est au niveau de la bobine magnétique, le signal est fortement amorti et lorsque le secteur métallisé est éloigné le signal est faiblement amorti. Pour évaluer-l'amortissement du signal délivré par un circuit oscillant Li ou L 2, on excite le circuit oscillant en question avec des impulsions d'environ 3 V délivré par l'alimentation 10 opérant à une fréquence d'échantillonnage d'environ 400 Hz Ce mode opératoire - par échantillonnage représente, en comparaison à un mode continu, une économie substantielle dans le cas d'une alimentation par pile. On échantillonne le signal délivré (bloc 20) et on compte (bloc 21) le nombre de périodes N du signal qui dépassent une tension de seuil Vseuil qui provient de l'alimentation 10 Pour chaque valeur N ainsi obtenue, on calcule les paramètres Nmax et Nseuil à partir de la valeur N et des paramètres précédents Nmax et Nseuil calculés au cycle précédent, de la manière suivante a) si N>Nmax (bloc 22) Nmax = N Nseuil = f(Nmax) avec Nseuil l'échantillon suivant. Le mode de réalisation qui a été décrit ci-dessus est naturellement transposable à n'importe quel autre type de détecteurs de proximité, par exemple du type capacitif ou optique. En outre, il peut être généralisé à un dispositif comprenant m détecteurs de proximité, généralisation qui va maintenant être illustrée à l'aide d'un second mode de réalisation représenté à la figure 5, dans lequel le dispositif de détection de rotation comprend trois détecteurs de proximité du type inductif LO, Ll et L 2 disposés selon trois direction radiales à 1200, c'est-à-dire m= 3. Un oscillateur 50 pilote une unité de traitement 51 chargée de traiter les signaux délivrés par les détecteurs LO, Ll et L 2, et de régir les séquences de sélection des détecteurs à travers un circuit d'attaque 53 Deux sorties de l'unité de traitement 51, respectivement IP pour les signaux de rotation de sens positif et IN pour les signaux de rotation de sens négatif, fournissent aux circuits électroniques de comptage 52 les informations nécessaires pour comptabiliser les tours de rotation Selon un mode particulièrement avantageux, tous les circuits 50 à 54 peuvent être réalisés selon la technologie des circuits intégrés. 12 - Un tel dispositif présente plusieurs avantages par rapport au dispositif à deux détecteurs décrit précédemment: il permet notamment de détecter le sens de rotation de la turbine (cf figure 6) et de comptabiliser séparément ou de manière cumulative les tours de rotation dans le sens positif et dans le sens négatif; en outre, il procure un caractère de redondance au dispositif dans la mesure o si l'un quelconque des détecteurs venait à tomber en panne, le dispositif pourra encore opérer sur deux détecteurs, mais sans détection du sens de rotation. On va maintenant décrire en référence à la figure 7 le traitement logique qui régit les séquences successives du dispositif à trois détecteurs Le traitement portera sur m-I détecteurs, c'est-à-dire deux détecteurs d'indice p et a, respectivement Lp et Ln. Au démarrage, nous prendrons comme valeur arbitraire intiale Lp=L 1 et Ln=L 2 (bloc 100), c'est-à-dire que le dispositif démarrera sur les détecteurs Ll et L 2. Tout d'abord, on échantillonne le signal délivré par le détecteur Lp (bloc 101), et on vérifie que ce dernier n'a pas été déclaré hors service (bloc 102), par exemple suite à une panne du détecteur ou suite à un choix délibéré d'opérer uniquement avec deux détecteurs Si le détecteur Lp est hors service on en informe l'index ou les circuits électroniques de comptage (bloc 105) de manière à ce que les circuits de comptage modifie le poids affecté à chaque signal Ip reçu, et on passe directement à l'échantillonnage du signal délivré par le détecteur Ln (bloc 201) Dans le cas contraire, on va analyser le signal délivré par le 13 - détecteur Lp et vérifier s'il est amorti ou non (bloc 103),c'est-à-dire si la marque a été détectée ou non. Le traitement détaillé visant à analyser le signal et identifier le passage de la marque sera décrit plus loin en référence à la figure 8. Si le signal délivré par le détecteur Lp n'est pas amorti, on passe directement à l'échantillonnage du signal délivré par le détecteur Ln (bloc 201) Dans le cas contraire, c'est-à-dire si la marque a été détectée au niveau du détecteur Lp, on va successivement: envoyer aux circuits électroniques de comptage 52 une information IP qui correspond à 1/3 d'un tour dans le sens positif de rotation (bloc 106), puis modifier les détecteurs sélectionnés Lp et Ln de la manière suivante: si Lp=LO (bloc 107), alors Lp = Ll et Ln = L 2 (bloc 108); si Lp=Ll (bloc 109), alors Lp = L 2 et Ln = LO (bloc 110);, si Lp=L 2, alors Lp = LO et Ln = Ll (bloc 111); finalement, passer à l'échantillonnge du signal délivré par le détecteur Ln (bloc 201). Le traitement du signal délivré par le détecteur Ln est presque similaire à celui qui a été exposé ci-dessus pour le signal délivré par le détecteur Lp. On échantillonne le signal délivré par le détecteur Ln (bloc 201) et on vérifie que ce dernier n'a pas été déclaré hors service (bloc 202) S'il est hors service, on en informe l'index ou les circuits de comptage (bloc 205) de manière à ce que les circuits de comptage modifient le poids affecté à chaque signal IP reçu, 14 - deux informations IP correspondant alors à un tour de rotation, et on retourne directement à l'échantillonnage du détecteur Lp Dans le cas contraire, on va analyser le signal délivré par le détecteur Ln et vérifier s'il est amorti ou non (bloc 203). Si le signal délivré par le détecteur Ln n'est pas amorti, on retourne à l'échantillonnage du détecteur Lp (bloc 101) Dans le cas contraire, on va vérifier que le détecteur Lp n'a pas été déclaré hors service (bloc 204) et au cas o il aurait été déclaré hors service, on envoie aux circuits électroniques de comptage une information IP (bloc 212) étant donné que si l'un des détecteurs est en panne, il n'est plus possible de détecter le sens de rotation; dans un tel cas on admettra que la turbine tourne toujours dans le sens positif de rotation Si le détecteur Lp n'a pas été déclaré hors service, on envoie aux circuits électroniques de compatge une information IN qui correspond à 1/3 d'un tour dans le sens négatif de rotation (bloc 206). Après l'envoi d'une information IP ou IN, on modifie les détecteurs sélectionnés Lp et Ln de la manière suivante si Ln=LO (bloc 207), alors Lp=Ll et Ln=L 2 (bloc 208) si Ln=Ll (bloc 209), alors Lp=L 2 et Ln=LO (bloc 210) si Ln=L 2, alors Lp=Lo et Ln=Ll (bloc 211); et finalement, on retourne à l'échantillonnage du signal délivré par le détecteur Lp (bloc 101). - En référence à la figure 8, on va maintenant décrire l'échantillonnage et le traitement du signal délivré par un détecteur Le = Lp ou Ln (bloc 300) permettant de décider si le signal est amorti ou non, c'est-à-dire si la marque a été détectée ou non au niveau du détecteur Le en question. L'échantillonnage s'effectue à une fréquence de 800 Hz, valeur qui permet de compter des vitesses de rotation de la turbine s'étalant de O à 40 tours/seconde. L'échantillonnage démarre par l'envoi d'une impulsion d'attaque d'environ 3 V sur le détecteur Le (bloc 301) avec Le = Lp ou Ln. En réponse à cette impulsion, le détecteur Le va délivrer un signal sinusoïdal amorti dont la fréquence se situe aux environs de 250 K Hz On compte alors le nombre N de périodes au dessus d'une tension de seuil Vseuil déterminée, par exemple 0 3 V (bloc 302) et on s'assure que le détecteur est opérationnel en comparant le nombre N à une valeur Nmin (bloc 303), Nmin étant représentatif du nombre minimum de périodes en dessous duquel le détecteur est déclaré hors service. Si N l'échantillon suivant (bloc 310). 16 - Dans le cas contraire, c'est-à-dire si N>Nmin, on mémorise le fait que le détecteur fonctionne (bloc 304) et on compare le nombre N à une valeur Nmax(Le)-Nseuil (bloc 306), dans laquelle Nmax(Le) correspond au paramètre calculé pour le détecteur Le en question au cycle précédent et Nseuil correspond à une valeur de seuil prédéterminée valable pour les trois détecteurs. Si N l'échantillonnage suivant (bloc 310). Dans le cas contraire, on regarde si N>Nmax(Le) (bloc 308); si c'est la cas, on réactualise le paramètre Nmax(Le)=N et on se place en attente pour l'échantillonnage suivant (bloc 310). Finalement, si Nmax(Le)-Nseuik N l'échantillonnage suivant (bloc 310). 17 - REVENDICATIONS 1 Dispositif pour détecter la rotation d'un élément tournant ( 1, 2) autour d'un axe XX' comprenant: a) m détecteurs de proximité (LO, Ll,) situés dans un plan perpendiculaire à l'axe XX' selon _ directions radiales; b) une marque ( 5) solidaire dudit élément et excentrée par rapport à l'axe XX', ladite marque étant susceptible de modifier la réponse des détecteurs de proximité lorsque ledit élément est animé d'un mouvement de rotation; c) une alimentation ( 10) déstinée à alimenter lesdits détecteurs de proximité; d) des moyens de sélection ( 11) pour sélectionner une série de m-1 détecteurs de proximité à alimenter; e) des moyens de traitement ( 12) pour d'une part étudier l'évolution des signaux délivrés par chacun des détecteurs de ladite série à l'aide de paramètres représentatifs de cette évolution, et ainsi identifier le passage de la marque au niveau d'un des détecteurs situé à l'extrémité de ladite série, et d'autre part, dès que ce passage a été identifié, pour: en déduire le nombre de tours de rotation; actionner les moyens de sélection ( 11) de manière à sélectionner une nouvelle série de m-1 détecteurs de proximité excluant le détecteur au niveau duquel le passage de la marque vient d'être identifié; et réinitialiser lesdits paramètres destinés à étudier l'évolution des signaux à venir de ladite nouvelle série de manière à ce que les 18 - paramètres ainsi réinitialisés soient représentatifs du fait que la marque ne peut pas être au niveau de l'un des détecteurs de ladite nouvelle série. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que: l'élément tournant est en matière non-métallique, la marque est constituée par une partie métallisée dudit élément tournant, chaque détecteur de proximité est constitué par un circuit oscillant comprenant une bobine et un condensateur;et les moyens pour alimenter comprennent un générateur d'impulsions alimentant successivement chaque détecteur de ladite série sélectionnée. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la fréquence du générateur d'impulsions se situe entre 400 et 800 Hz et qu'il délivre des impulsions d'environ 3 V. 4 Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé par le fait que la fréquence du signal délivré par ledit circuit oscillant se situe aux environs de 250 k Hz. Dispositif selon l'une des revendication 2 à 4, caractérisé par le fait que m= 2. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les moyens de traitement comprennent: pour chaque signal délivré, des moyens pour compter le nombre N de périodes du signal 19 - dépassant une tension de seuil prédéterminée Vseuil; pour chaque valeur N ainsi obtenue, des moyens pour comparer N à deux paramètres Nmax et Nseuil représentatifs de l'évolution et pour calculer deux nouvelles valeurs desdits paramètres, lesdites valeurs desdits paramètres d'évolution étant calculés de la manière suivante: si N > Nmax Nmax = N Nseuil = f(Nmax) avec Nseuil tours de rotation lorsque N est inférieur à Nseuil. 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la fonction Nseuil = f(Nmax) est déterminée à partir des nombres minimum et maximum de périodes dépassant la tension de seuil lorsque le signal est respectivement fortement et faiblement amorti. 8 Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que m= 3, c'est-à-dire que le dispositif comprend trois détecteurs (LO, Ll et L 2), le traitement portant sur les signaux délivrés par deux détecteurs Le = Lp ou Ln. - 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que les moyens de traitement comprennent: pour chaque signal délivré par un détecteur Le, des moyens pour compter le nombre N de périodes dépassant une tension de seuil prédéterminée Vseuil; pour chaque valeur de N ainsi obtenu, des moyens pour comparer N à un paramètre Nmax(Le) représentatif de l'évolution des signaux délivrés par le détecteur Le et à un paramètre fixe Nseuil valable pour les trois détecteurs, et pour calculer des nouvelles valeurs desdits paramètres de la manière suivante: si N > Nmax Nmax(Le) = N si Nmax(Le)- Nseuil pour sélectionner les deux nouveaux détecteurs. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les moyens de traitement comprennent en outre: des moyens pour s'assurer du bon fonctionnement de chaque détecteur en comparant le nombre N à une valeur Nmin; si l'un des détecteurs venait à tomber en panne, des moyens permettant au dispositif de fonctionner à l'aide des deux autres détecteurs. 21 - 11 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'élément tournant est constitué par un disque solidaire de la turbine d'un compteur d'eau, ledit compteur d'eau pouvant notamment être intégré dans un calorimètre destiné à comptabiliser l'énergie délivrée par un circuit d'eau chaude.