Brevet FR2671627A1 — publié le 19920717

DISPOSITIF DE MESURE DE SIGNAUX ELECTRIQUES REPRESENTATIFS DE GRANDEURS PHYSIQUES A MESURER SUR UN ARBRE DE TRANSMIS SION MECANIQUE. La présente invention est relative à l'ensemble mécanique constitué par un arbre de transmission communiquant son mouvement de rotation à une pièce mécanique. Cette sructure simple est présente dans tous les concepts mécaniques. Il est nécessaire, dans nombre d'application de connaître les paramètres physiques liés au fonctionnement de cet ensemble mécanique, par exemple, couple et puissance transmise vitesse de rotation, position angulaire, balourd de l'arbre. De nombreux capteurs électriques de ces grandeurs physiques à mesurer existent,, dont on doit assurer la mise en place et le montage mécanique. Celui-ci est adapté à chaque capteur et devient d'autant plus alaisé et couteux que leur nombre augmente. La présente invention vise à simplifier en rassemblant en un ensemble traversé par l'arbre et fixé sur celui-ci comportant un capteur multifonctionnel, un micro processeur de traitement des grandeurs mesurées et la transmission sans contact des informations électriques représentatives des grandeurs physiques mesurées ou calculées. Le capteur multifonctionnel selon l'invention solidaire en deux plans transversaux de l'arbre qui le traverse comporte deux bobinages de fil d'extensiométrie disposés suivant deux diagonales sur une même génératrice de l'arbre de transmission. Les bobinages sont sollicités en tension et relâchement en fonction du couple de torsion exercé sur l'arbre. Dans le plan transversal qui correspond au point d'intersection des fils des deux bobinages,une couronne est disposée, solidaire mécaniquement de ceux-ci portant des repères concentriques représentatifs d'un code binaire à plusieurs bits. Cette même couronne fait également fonction de masse inertielle, nécessaire à la mesure du balourd éventuellement présent sur l'arbre. Les deux bobinages sont alimentés par un générateur à courant constant et connectés chacun à deux résistances de précision. Selon l'invention, l'ensemble constitué des deux bobinages et de la couronne associée est solidaire d'un support fixé sur l'arbre, en forme de flasque-disque qui comporte, outre les circuits électriques de traitement des signaux des bobinages, un circuit électromagnétique de transmission d'informations recueillies et d'alimentation de ceux-ci en énergie électrique sans contact mécanique. Un second flasque-disque solidaire du support fixé sur l'arbre, immobilisé en rotation dudit arbre par I'interposition d'un roulement à billes comporte un microprocesseur, un lecteur des repères de la couronne solidaire des bobinages et un circuit électromagnétique de transmission d'informations recueillies qui assure également l'alimentation en énergie électrique sans contact mécaniquedes;bobinages et des circuits électroniques associés. La présente invention a donc pour objet un dispositif de mesure de couple, vitesse, position angulaire et balourd sur un arbre de transmission mécanique, caractérisé par le fait que le capteur multifonctionnel solidaire en deux plans transversaux de l'arbre qui le traverse comporte deux bobinages de fil d'extensiométrie disposés suivant deux diagonales sur une même génératrice de l'arbre et qui supportent au point d'intersection des fils un disque inertiel équipé de repères disposés concentriquement, représentatifs d'un mot binaire à plusieurs bits. Selon l'invention, les fils de bobinages sont mis en tension pour faciliter la mesure dans la limite d'élasticité du matériau des fils et de façon a.obtenir la meilleure étendue de mesure de la variation de résistance dû à l'allongement ou au rel chement de l'un ou l'autre des bobinages consécutif au couple de torsion exercé sur l'arbre. Une entretoise extensible est disposée entre les deux bagues solidaires de l'arbre qui portent les bobinage, pour assurer la mise en tension initiale. Cette disposition permet de s'affranchir des effets de la force de pesanteur l'influence de ces forces sur le circuit de mesure étant de mode commun, donc facile à éliminer par l'amplificateur de mesure des signaux issus des bobinages et des résistances deprécisions associées en pont de Wheastone. La couronne équipée de repères concentriques qui peuvent être lues par tout moyen optique, laser, infrarouge fait office de masse inertielle nécessaire à la mesure du balourd. Le résultat de la lecture des repères est transmis au microprocesseur dont les moyens logiciels permettent le calcul de la vitesse de l'arbre, son accélération et la puissance transmise. Selon l'invention, un circuit électronique disposé sur le flasque-disque solidaire de l'arbre traite de façon analogique les signaux issus des bobinages. Le signal résultant est converti sous forme numérique, puis transmis sous forme série par le circuit de transmission électromagnétique sans contact au calculateur. I1 est représentatif du couple exercé sur l'arbre et du balourd éventuellement présent sur celui-ci. Le flasque-disque immobilisé en rotation comporte : le circuit de réception électromagnétique sans contact du signal numérique couple balourd, le dispositif de lecture des repères de la couronne, un démodulateur synchrone dont la référence de phase est issue-de la mesure de position angulaire obtenue grâce au lecteur des repères de la couronne, le calculateur qui traite les deux signaux de sortie du démodulateur fournit les coordonnées du balourd éventuel et son amplitude. Pour mieux illustrer l'objet de l'invention, on va en décrire maintenant à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, un mode de réalisation représenté sur le dessin annexé. Sur ce dessin - la Figure 1 est une représentation partiellement en élévation, partiellement en coupe, d'un dispositif suivant l'invention ; - la Figure 2 est une vue en perspective partielle du. capteur équipant le dispositif de la Figure 1 ; et - la Figure 3 est un schéma bloc du montage du capteur et des circuits électroniques de mesure et de traitement des signaux recueillis sur le capteur multifonctionnel. Si l'on se réfère aux Figures, on voit que l'on a désigné par 1 dans son ensemble, un dispositif pour la mesure du couple exercé sur un arbre de transmission 2, de la position angulaire de ce dernier et du balourd éventuel présent sur cet arbre de transmission 2, lorsqu'il est en rotation. Deux bagues 3 et 4 sont montées sur l'arbre 2, solidaires de celui-ci à distance l'une de l'autre, une entretoise 5 fixant l'écartement des deux bagues 3 et 4 sur ledit arbre 2. Ces bagues 3 et 4 comportent, au voisinage de leur périphérie, des trous 3a, 4a, disposés sur un cercle en étant régulièrement répartis sur celui-ci. Ces trous 3a, 4a permettent le passage d'un fil d'extensiométrie allant d'un trou 3a1 à un trou 4a1, puis revenant à un trou 3a2 immédiatemment adjacent au trou 3al, puis passant dans le trou 4a2, et ainsi de suite. Les trous 3a, et 4an sont décalés angulairement. I1 est ainsi constitué un premier bobinage 6a. De la même façon, il est constitué un bobinage 6b, réalisé de façonftidentique au bobinage 6a, mais orienté à l'inverse, de façon à constituer une zone de croisement 6c disposée dans le plan médian parallèle aux deux bagues 3 et 4. Tous les points de croisement sont disposés sur un cercle C. Une couronne 7 est disposé autour des deux bobinage 6a et 6b ; son ouverture centrale présente un diamètre sensiblement égal ou légèrement supérieur à celui du cercle C, et il est fixé par exemple par collage aux points de croisement de la zone 6c, comme on peut le voir sur la Figure 2. La couronne 7 comporte huit pistes porte repères concentriques, 7a à 7h, représentatives d'un mot binaire de huit bits. La bague 4 est solidaire également d'un flaquedisque 8, lequel comporte un logement annulaire 9, concentrique comportant le dispositif de mesure et de transmission d'informations à l'arbre 2, du capteur constitué par la structure représentée sur la Figure 2. Ce dispositif comprend un pont de mesure alimenté par un générateur à courant constant 9e et constitué des deux bobinages 6a, 6b et des résistances de précision 6d, 6e associées à chacun de ces réseaux ; et, en série, un amplificateur de mesure 9a qui recueille les signaux issus des deux diagonales du pont de mesure, et dont le signal de sortie est appliqué à l'entrée AN1 d'un convertisseur analogique-numérique 9b et un court-circuiteur 9c. En 9d, est représentée l'alimentation électrique de l'amplificateur 9a, du convertisseur 9b et du pont de mesure. Parallèlement à l'amplificateur de mesure 9a, sont disposés deux amplificateurs 9h, 91, qui reprennent les signaux du pont de mesure, les traitent, et les appliquent à l'entrée AN2 du convertisseur 9b. La mesure de la différence des signaux de la diagonale du pont est amplifiée en 9d et est donc représentative du couple de torsion (c) exercé sur l'arbre 2 quant aux amplificateurs 9h et 9i, qui traitent la tension de mode commun sur les deux points de mesure du pont, laquelle est représentative du balourd (b). Des diodes de redressement D3, D4 redressent la f.e.m. recueillie aux bornes d'un bobinage 10, dont le montage est décrit ci-après, et la renvoient à l'alimentation 9d. A la périphérie du flasque-disque 8, est disposé un demi-circuit magnétique 11, concentrique à l'arbre 2, de section en U, comportant intérieurement un bobinage 10. En regard du demi-circuit magnétique 11, est disposé le demi-circuit complémentaire 12, de mêmes caractéristiques mécaniques et magnétiques, dans lequel se loge le bobinage 13. Un flasque 14 porte ce demi-circuit magnétique 12, et, à l'opposé, un logement 16, également concentrique à l'arbre 2. Ce flasque 14 est immobilisé en rotation par rapport à l'arbre 2 par interposition d'un roulement à billes 15 fixé sur un épaulement 8a du flasquedisque 8, constitée par une saillie annulaire du flasquedisque 8, entourant le capteur entre la bague 4 et s'arrêtant au voisinage de la couronne 7. Le roulement à billes 15 est disposé entre la périphérie de cette saillie et la bordure interne du flasque 14, un entrefer 17, de très faible dimension, de l'ordre du dixième de millimètre, sépare les deux flasques 14 et 8. Le logement circulaire 16 comporte un dispositif de traitement des données recueillies par le dispositif d'acquisition. Ce dispositif de traitement comprend un calculateur ou microcontrôleur 16a, sa mémoireprogramme 16b, un démodulateur synchrone 16c, un convertisseur digital analogique 16 , un registre à décalage 16e série-parallèle, un circuit de démodulation 16f et un circuit d'alimentation haute fréquence 16g. Les sorties du registre à décalage sont symbolisées par 16k et 161 ; la sortie 16k est représentative du couple (c) sous forme d'un mot binaire parallèle ; et la sortie 161 est représentative du balourd (b) également sous forme d'un mot binaire parallèle.La parenthèse 161 représente les sorties du microcontroleur 16a, sur lesquelles'on retrouve toutes les grandeurs mesurées, et représente aussi les alimentations électriques et l'ensemble mécanique d'immobilisation en rotation du flasque-disque 14. A l'extrêmité et en regard de la couronne 7, est disposé le lecteur 16h. La connexion 161 immobilise et raccorde électriquement le dispositif 1. Les signaux électriques mesurés calculés sont disponibles sous forme parallèle et en séquence. Dans le logement 16 on trouve l'ensemble 16g constitué des portes logiques bl et b2 b3 coopérant avec les transistors T1, T2 et T3, T4 dont l'entrée 4 reçoit par la -liaison 16i un signal logique à rapport cyclique égal à 1/2 dont la fréquence est comprise entre 500 KHZ à 2 MHz. Ce signal amplifié alimente le bobinage 13 du dispositif de transmission. La f.e.m. recueillie aux bornes du bobinage 10 est redressée par les diodes D3 et D4. Cette f.e.m. redressée alimente le régulateur de tension 9d. Les diodes D1 et D2 redressent le signal appliqué à l'enroulement 13 qui commande le transistor 15. A ce transistor sont associées trois résistances connectées sur sa gate et son drain. Cet assemblage qui porte le repère 16f est connecté au registre à décalage 16e. Celuici communique sous forme parallèle d'une part avec le microcontrâleur 16d par les liaisons 16k et 161. La liaison 161 est aussi dirigée vers le convertisseur digital analogique (représentatif du balourd). La sortie de celuici est connectée à l'entrée du démodulateur synchrone 16c. Celui-ci reçoit ses références de phase 01 02 par les liaisons venant des bornes Q1 et 02 du microcontrâleur. Les signaux traités par le démodulateur 16c sont transmis au microcontrôleur 16d aux entrées X et Y. Le lecteur 16h des repères concentriques de la couronne 7 est raccordé au microcontrâleur 16d qui traite les signaux. La mémoireprogramme 16b du microcontrâleur comporte également le programme exécutable. Le dispositif représenté sur la Figure 1 fonctionne de la façon suivante A la mise sous tension du dispositif, l'ensemble 16g est activé grâce au signal d'horloge de fréquence élevée 162 de 500 KHZ à 2MHz. L'amplificateur incorporé à l'ensemble 16cul alimente le bobinage 13 du dispositif de transmission des signaux par couplage magnétique. Le bobinage 10 recueille la f.e.m. nécessaire après redressement au circuit 9d qui fournit l'alimentation électrique à travers un générateur de courant 9e. Les bobinages 6a et 6b traversés par le meme courant, ainsi que la résistance de précision 6c et 6d. L'amplificateur 9a de type differentiel mesure la différence des tensions dans chacune des résistances 6c et 6d.L'action de la pesanteur sur les bobinages 6b et 6a est annulée, étant de mode commun. Il en est de même pour l'effet de la force centrifuge lorsque l'arbre est mis en rotation. Lorsqu'un couple est appliqué à l'arbre, les réseaux de fil d'extensiométrie 6a et 6b modifient leur résistance électrique, représentative du couple exercé sur l'arbre et de ses balourds. Le signal issu dans l'amplificateur 9a est converti sous forme numérique en mode série par le convertisseur analogique digital 9b de façon répétitive. Celui-ci reçoit également la mesure de la tension mode commun à son entrée AN2. Issu des amplificateurs 9h et (91) le convertisseur commande le court-circuiteur 9e pour chaque bit transmis du mot binaire. Le court-circuit du du bobinage 10 (le secondaire du transformateur) est transmis au primaire (le bobinage 13) pour chaque bit du mot converti représentatif du couple et du balourd. Le détecteur 16f analyse la baisse de tension aux bornes du bobinage 13, représentative de chaque bit du mot binaire transmis, suivant qu'il y a court-cicuit imposé par le court-circuiteur 9c (texte sur planche 4/4). Le registre à décalage 16e positionne sous forme parallèle le mot binaire transmis représentatif du couple et du balourd mesuré. Ce mot binaire est transmis au calculateur 16a et au convertisseur digital analogique 16d, et au démodulateur synchrone 9b via la liaison 16e. Celui-ci, grâce aux références 01 et 02 de phase synchrone de la position angulaire de l'arbre 2 issue du lecteur 16h restitue au calculateur 16d deux signaux X et Y représentatifs de l'amplitude du balourd et de sa position angulaire. Le détecteur 16h lit les repères disposés sur la couronne 7. Le résultat de la lecture est représentatif de la position angulaire de l'arbre 2. Ce signal primaire est traité pour déterminer par des moyens logiciels, la vitesse, l'accélération et la puissance transmise par l'arbre 2. L'analyse du spectre de fréquence, du signal représentatif du balourd est utile à la détection de vibrations éventuelles. La couronne 7 est utilisée comme masse inertielle nécessaire à la connaissance du balourd. Les moyens logiciels stockés en mémoire 16b permettent de faire un historique de celui-ci. D'autres moyens logiciels sont également implantés en mémoire 16b pour permettre l'étalonnage du capteur de couple 100 à l'arret, en appliquant un couple de torsion connu sur l'arbre 2. Si l'on se réfère à la Figure 4 en phase 1, on peut voir la représentation de la tension U13 aux bornes de bobinages 13 en fonctionnement hors transmission de mot binaire. Celle-ci est synchrone du signal SYNK. UA à ce moment est l'image de U13 après redressement par les diodes D3 et D4. L'ensemble électronique constitué des repères 6 et 9 est alimenté en énergie électrique, le détecteur 16f dont la sortie est représentée en UB ne détecte pas de bit, est donc nulle. Lors d'une transmission de bit comme représentée en phase 2 (D13 actif d'un mot binaire), la tension UA devient quasi nulle sous l'action du courtcircuiteur 9c. Le détecteur 16f est activé et délivre en sortie (UB) une impulsion courte, le bit D13 = 1 logique. Les bits DO à D12 et D14, D15 valent 0 logique. Chaque transmission de bit est précédée par un bit de départ. I1 est bien entendu que le mode de réalisation ci-dessus décrit n'est nullement limitatif et pourra' donner lieu à toutes modifications désirables, sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de mesure de signaux électriques représentatifs de grandeurs physiques à mesurer sur un arbre de transmission mécanique, caractérisé par le fait qu'il comprend -un capteur (100) solidaire en rotation de l'arbre (2) constitué de deux bobinages (6a) et (6b) de fil d'extensiométrie disposés sur une même enveloppe (6) cylindrique extérieure à l'arbre (2), coaxiale à une partie de celui-ci, délimitée par les bagues (3) et (4) solidaire dudit arbre, chacun des bobinages (6a) et (6b) étant formé de brins rectilignes parallèles supportés par les bagues (3) et (4), les bobinages (6a) et (6b) étant par ailleurs disposés obliquement de manière à se croiser dans le plan médian tranversal de la partie d'arbre (2), les deux bobinages (6a) et (6b) étant sollicités en tension ou relâchement en fonction du couple de torsion exercé sur ledit arbre (2), lesdits bobinages (6a) et (6b) étant connectés électriquement en pont de Wheastone avec deux résistances de précision portent une couronne (7) marquée de repères concentriques représentatifs d'un code binaire, disposée sur ledit plan médian transversal et fixée par sa bordure intérieure aux points de croisement des bobinages (6a) et (Gb), ladite couronne (7) constituant un moyen de mesure de la position angulaire--dudit arbre (2) et servant, le cas échéant, de masse inertielle pour la mesure du balourd éventuellement présent sur l'arbre (2). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les fils d'extensiométrie des bobinages (Ga) et (6b) sont'mis en tension initiale grâce à la présence de l'entretoise extensible (5) qui tend à écarter les bagues (3) et (4). 3 - Dispositif selon les revendications 1 et caractérisé par le fait que les deux bobinages (6a) et (6b) sont alimentés à courant constant à travers de deux résistances de précision (6d) et (6e) sur lesquelles sont prélevées les variations de potentiel électrique consécutives à la variation de résistance électrique des bobinages (oa) et (6b), dont la mesure est effectuée dans le mode différentiel pour le signal représentatif du couple exercé sur l'arbre (2). 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le signal électrique représentatif du balourd éventuel sur l'arbre (2) est obtenu par la mesure de la tension de mode commun présenté aux bornes des résistances de précision (6e) et (6d) grâce à deux amplificateurs sommateur/soustracteur (9h) et (91). 5 - Dispositif selon. la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une couronne (7), disposée dans ledit plan médian transversal de la partie d'arbre (2) fixée au point d'intersection (6c) des fils constitutifs des bobinages (6a) et (6b) sont disposés des repères (7a) à (7q) concentriques, représentatifs d'un mot binaire dont le bit de poids le plus faible correspondant à la piste la plus excentrée. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la couronne (7) en forme de disque se comporte comme une masse inertielle nécessaire à la mesure du balourd éventuellement présent sur l'arbre (2). 7 - Dispositif selon la revendication À, caractérisé par le fait que le traitement des signaux électriques représentatifs du couple et du balourd éventuel est assuré par les amplificateurs (9a), (9b), (9i), le convertisseur analogique/numérique à sortie série (9b) et du courtcircuiteur (9c) et la transmission desdits signaux est assurée sans contact mécanique grâce au couplage magnétique des deux bobinages (10) et (11) véhiculant à la fois desdits signaux et-l'alimentation en énergie électrique de l'ensemble électronique amplificateur(9a), (9b), (9i),le convertisseur (9b) et les bobinages (6a) et (6b). 8 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le flasque-disque (16), immobilisé en rotation grâce à la liaison (161) comporte l'ensemble (16h) de lecture des repères concentriques de la couronne en forme de disque (7) dont les signaux électriques représentatifs de la position angulaire de l'arbre (2), le microprocesseur (16a) qui traite lesdits signaux afin d'obtenir par calcul grâce à des moyens logiciels prévus à cet effet la vitesse angulaire, l'accélération et la puissance transmise par l'arbre de transmission (2). 9 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le signal représentatif de la position angulaire de l'arbre (2) issu du capteur (16h) sert de référence de phase au démodulateur synchrone (16c) pour le calcul des coordonnées et de l'amplitude du balourd éventuel présent sur l'arbre (2). 10 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les variations crête à crête du signal balourd (161) peuvent être analysées en fréquence et amplitude, des moyens logiciels étant prévus à cet effet, qui sont représentatives des vibrations sur l'arbre de transmission (2).