Brevet FR2680243A1 — publié le 19930212

La présente invention concerne un dispositif de télémesure pour organe rotatif de machine. I1 existe de nombreux types de machines comportant un ou des organes rotatifs sur lesquels il convient d'effectuer des mesures de température, accélération, vibration, contrainte, isolement électrique, etc. ou autres paramètres physiques. Tel est particulièrement le cas pour les machines travaillant dans des environnements difficiles. La mesure de ces paramètres au moyen de capteurs montés sur un organe rotatif pose le problème de la transmission des signaux fournis par les capteurs à un poste de traitement permettant d'en assurer l'exploitation. Pour ce faire, il est déjà connu d'utiliser des transformateurs tournants capables à la fois d'assurer l'alimentation électrique des capteurs et/ou des circuits électriques associés et de transmettre au poste de traitement fixe les signaux délivrés par les capteurs solidaires en rotation de l'organe sur lequel sont effectuées les mesures, par exemple par modulation d'amplitude. Toutefois, ces transformateurs tournants ont l'inconvénient d'être coûteux et sensibles aux interférences électromagnétiques. En outre, leur fréquence de travail, et par conséquent la bande passante allouée pour la transmission des données, est limitée, sauf à recourir à des transformateurs extrêmement onéreux. L'invention vise à fournir un dispositif de télémesure pour organe rotatif de machine qui soit sensiblement moins coûteux qu'un transformateur tournant tout en offrant une bonne fiabilité, une immunité élevée aux interférences électromagnétiques et un débit d'informations important. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de télémesure pour organe rotatif de machine, comprenant au moins un capteur monté sur ledit organe rotatif et des moyens de transmission sans contact du signal de sortie délivré par le capteur à un poste de traitement, caractérisé en ce que lesdits moyens de transmission comprennent - des moyens convertisseurs pour convertir un signal de tension image dudit signal de sortie en un signal de fréquence variable, - des premiers moyens optoélectroniques solidaires en rotation dudit organe pour transmettre sous forme lumineuse ledit signal de fréquence variable, et - des seconds moyens optoélectroniques fixes adaptés pour recevoir ledit signal lumineux de fréquence variable et le convertir en un signal électrique appliqué au poste de traitement. L'utilisation de moyens optoélectroniques confère aux moyens de transmission un faible volume et une faible masse tout en assurant un isolement galvanique et mécanique total des éléments embarqués par rapport aux éléments fixes. Ces avantages se combinent avec ceux de la conversion tension/fréquence qui présente une bonne fiabilité et offre une grande souplesse d'utilisation car il est possible à la réception, c'est-à-dire au niveau du poste de traitement, de choisir pour chaque capteur le compromis approprié entre dynamique et fréquence d'échantillonnage et de faire varier ce compromis dans les limites autorisées par la bande passante des moyens convertisseurs. De préférence, le dispositif comprend un chemin lumineux, tel qu'une fibre optique1 adapté pour recevoir et appliquer aux seconds moyens optoélectroniques ledit signal lumineux transmis par lesdits premiers moyens optoélectroniques. Suivant un mode préféré de réalisation de l'invention, lesdits premiers moyens optoélectroniques et ledit chemin lumineux sont sensiblement alignés optiquement avec ledit axe de rotation. Suivant une caractéristique de l'invention, lesdits premiers moyens optoélectroniques sont constitués par une diode électroluminescente et lesdits seconds moyens optoélectroniques sont constitués par un phototransistor ou une photodiode. Dans le cas où le dispositif comprend plusieurs capteurs montés sur ledit organe rotatif, les moyens de transmission comprennent de préférence des moyens convertisseurs associés à chaque capteur et des moyens de multiplexage pour appliquer sous forme multiplexée auxdits premiers moyens optoélectroniques les signaux de fréquence variable délivrés respectivement par lesdits moyens convertisseurs, et le poste de traitement comprend des moyens de démultiplexage du signal lumineux reçu par lesdits seconds moyens optoélectroniques. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comprend des moyens générateurs pour alimenter en énergie électrique les circuits électriques du dispositif solidaires en rotation dudit organe rotatif. De préférence, lesdits moyens générateurs sont constitués par un alternateur à bobinage extérieur d'alimentation desdits circuits solidaire en rotation dudit organe rotatif, les moyens inducteurs dudit alternateur étant fixes et de préférence montés coaxialement audit chemin optique, par exemple sur un manchon traversé par un tube de positionnement axial de fibre optique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple et illustré par les dessins annexés sur lesquels la figure 1 est un schéma-bloc d'un dispositif de télémesure selon l'invention ; et la figure 2 est une vue en coupe axiale d'une forme d'implantation du dispositif de la figure 1 en bout d'arbre d'un organe rotatif, combiné avec un alternateur d'alimentation des circuits électriques montés sur l'organe rotatif. En se reportant à la figure 1, la référence 1 désigne les éléments d'un dispositif de télémesure qui sont embarqués sur un organe rotatif et la référence 2 les éléments de ce dispositif de télémesure qui sont fixes, la ligne en trait mixte 3 symbolisant la séparation entre les éléments mobiles 1 et les éléments fixes 2. Sur l'organe rotatif (non représenté sur la figure 1) sont montés un certain nombre de capteurs 4,, .... tels que des capteurs de température, d'accélération, de vibration, de contrainte, d'isolement électrique ou autres destinés à mesurer des paramètres physiques de l'organe rotatif. Les signaux de sortie des capteurs 41, 42, 43.. sont mis en forme et/ou convertis en une tension électrique par des circuits de traitement 51, 52, 53...5n respectivement. Les sorties en tension des circuits de traitement 51, 52, 53...5n sont appliqués à des convertisseurs tension/fréquence 61, 62, 63...6n respectivement, dont les sorties sont connectées à un circuit de multiplexage 7. De préférence, les convertisseurs 61, 62, 63...6n et le circuit de multiplexage 7 sont constitués par un circuit intégré 8 tel que le circuit AD652 de la Société ANALOG DEVICES. Ce circuit 8 assure l'application synchrone des signaux multiplexés à une diode électroluminescente 9 en regard de laquelle est disposé un chemin optique 10, tel qu'une fibre optique, aligné avec l'axe de rotation de l'organe rotatif. Ce chemin optique est connecté à son extrémité opposée à la diode électroluminescente 9 à un récepteur optoélectronique 11 tel qu'un phototransistor qui applique à un circuit démultiplexeur 12 un signal électrique image du signal lumineux transmis par la diode 9. La référence 13 désigne un poste de traitement proprement dit recevant du démultiplexeur 12 les signaux de fréquence variable f1, f2, f3... f et permettant de restituer sous forme analogique ou numérique les signaux de mesure des capteurs 4t, 42, 43...4n et d'assurer leur exploitation. En fonctionnement, le débit maximal d'informations qui peut être transmis par la partie 1 du dispositif est fixé par les convertisseurs tension/fréquence 6 selon la loi nxfxd - n représente le nombre de voies de transmission - f est la fréquence d'échantillonnage en Hertz - d est la dynamique sur la pleine échelle et - B est la bande passante du dispositif. C'est ainsi que pour une bande passante B d'environ 4 MHz et pour une dynamique de 12 bits (d = 4096) pour chaque capteur, le nombre de voies possibles (et de capteurs susceptibles de transmettre des mesures) est de 1 pour une fréquence d'échantillonnage de 1000 Hertz, de 10 pour une fréquence d'échantillonnage de 100 Hertz et de 100 pour une fréquence d'échantillonnage de 10 Hertz. I1 est important de noter que, pour chaque capteur, le compromis entre la dynamique d et la fréquence d'échantillonnage f peut être choisi au niveau du poste de traitement 13 dans les limites imposées par la loi ci-dessus et ce compromis peut être modifié à tout moment en cours de mesure pour augmenter par exemple la fréquence d'échantillonnage d'un signal provenant d'un capteur au détriment de sa dynamique, et réciproquement. La figure 2 illustre un exemple particulier d'implantation du dispositif de télémesure de la figure 1 à l'extrémité de l'arbre 20 d'un organe rotatif 21. Le dispositif comprend un carter 22 solidaire en rotation de l'arbre 20 et comprenant un premier flasque 23 en forme de disque circulaire monté sur l'extrémité de l'arbre 20 au moyen d'un manchon 24 et un deuxième flasque 25 fixé à sa périphérie à celle du premier flasque 23 par des moyens de fixation conventionnels tels que, par exemple, des vis schématisées par des lignes 26. Les flasques 23 et 25 délimitent entre eux une première chambre cylindrique 27 de grand diamètre dans laquelle un circuit imprimé 28 est monté parallèlement au flasque 23, c'est-à-dire perpendiculairement à l'axe de rotation AA de l'arbre 20. De préférence, le circuit imprimé 28 a la forme d'un disque circulaire dont le rayon extérieur est égal ou légèrement inférieur à celui de la première chambre cylindrique 27 de manière à assurer le positionnement radial du circuit imprimé 28. Le positionnement axial du circuit 28 dans la chambre 27 est assuré par des entretoises annulaires 29 et 30 qui enserrent le bord périphérique du circuit 28 et qui sont elles-mêmes serrées entre le flasque 23 et une paroi du flasque 25, tout en épousant la paroi cylindrique de la chambre 27. Le circuit imprimé 28 porte les circuits 5, 6 et 7 de la partie mobile 1 du dispositif tandis que les capteurs 4 (non représentés sur la figure 2) sont disposés aux emplacements voulus sur l'organe rotatif 21 et connectés au circuit imprimé 28 au moyen de conducteurs (non représentés) qui pénètrent dans le carter 22 par un passage de fils 31 ménagé radialement à la périphérie du carter 25. Le circuit imprimé 28 porte également la diode électroluminescente 9 centrée sur l'axe de rotation AA de l'organe rotatif 21. L'alimentation électrique des circuits électriques du circuit imprimé 28 est assurée par une génératrice désignée dans son ensemble par la référence 32 et logée dans une cavité cylindrique 33 de plus petit diamètre que la chambre 27, ménagée dans une partie tubulaire 34 du flasque 25 opposée à l'arbre 20. Le fond 35 de cette partie tubulaire est percé d'une ouverture 36 traversée par un tube 37 qui s'étend coaxialement à l'axe AA dans la cavité 32 et dont une extrémité est disposée en regard de la diode électroluminescente 9, tandis que son autre extrémité, disposée à l'extérieur du flasque 25, est emmanchée dans une ouverture 38 d'un support fixe 39. Le tube cylindrique 37 entoure et maintient mécaniquement une fibre optique 40 disposée dans la cavité 32 suivant l'axe AA de rotation de la pièce 21 et dont l'extrémité libre dans la cavité 32 est exactement alignée avec la diode électroluminescente 9. L'autre extrémité de la fibre optique 40 est connectée aux moyens optoélectroniques 11. A l'intérieur de la cavité 32, le tube 37 s'étend à travers un manchon 41 dont la position axiale par rapport au support fixe 39 est délimitée par une entretoise 42 qui s'étend à travers l'ouverture 36 du fond 35. Le manchon 41 porte du côté du fond 35 la partie inductrice 43 d'un alternateur, constituée par exemple d'aimants permanents. Cette partie inductrice 43 est fixe et constitue donc le stator de l'alternateur. Le rotor de l'alternateur est constitué d'un bobinage 44 épousant la paroi intérieure de la partie tubulaire 34 du flasque 25, du côté du fond 35 de la cavité 33. Le bobinage 44, qui sert à alimenter électriquement les circuits électriques du circuit imprimé 28, est disposé entre le fond 35 de la partie 34 et un roulement à billes 45 interposé entre la paroi cylindrique de la partie 34 et une entretoise annulaire 46 traversée par le manchon 41. En résumé, la partie inductrice 43, l'entretoise 46 et le manchon 41 sont fixes à la fois en rotation et en translation. Le tube 37 contenant la fibre optique 40 est également fixe en rotation mais peut être déplacé en translation par coulissement dans le manchon 41 de manière à régler très précisément la position axiale de l'extrémité réceptrice de la fibre optique 40 par rapport à la diode électroluminescente 9. En fonctionnement, la rotation de l'organe 21 entraine celle du carter 22 portant le bobinage 44, lequel alimente électriquement les circuits électriques du circuit imprimé 28. Le dispositif qui vient d'être décrit permet de réaliser sous un volume et une masse particulièrement faibles un dispositif de télémesure comprenant sa propre source d'énergie électrique constituée d'un alternateur à partie inductrice fixe et bobinage tournant. Il va de soi que le mode de réalisation décrit n'est qu'un exemple et l'on pourrait le modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. C'est ainsi, par exemple, que le chemin optique 10 peut être réalisé par tout moyen matériel ou immatériel autre qu'une ou plusieurs fibres optiques, notamment des systèmes à collimateur, miroir, hublot, etc... De plus, les premiers moyens optoélectroniques et le chemin optique ne sont pas nécessairement alignés avec l'axe de rotation de l'organe 21. Si les premiers moyens optoélectroniques sont décentrés par rapport à l'axe de rotation AA, un anamorphaseur à fibres optiques peut être utilisé en association avec les premiers et/ou les seconds moyens optoélectroniques pour prolonger la durée de coïncidence. L'utilisation d'une conversion tension/fréquence pour transmettre les informations fournies par les capteurs au poste de traitement offre l'avantage d'une grande fiabilité, entre autres parce que chaque circuit de mesure comprenant un capteur 5 et son circuit de mise en forme 6 n'est connecté au circuit 8 de conversion et de multiplexage que par une seule soudure, ce qui limite les risques de défaillance. Tel ne serait pas le cas si l'on utilisait une conversion analogique/numérique multiplexée qui, en outre, ne permettrait pas de faire varier en réception le compromis dynamique-fréquence d'échantillonnage. Par conséquent, les caractéristiques du dispositif de télémesure décrit ci-dessus se combinent avantageusement pour permettre d'effectuer des mesures sur des organes rotatifs dans des environnements difficiles. REVENDICATIONS 1. Dispositif de télémesure pour organe rotatif de machine, comprenant au moins un capteur monté sur ledit organe rotatif et des moyens de transmission sans contact du signal de sortie délivré par le capteur à un poste de traitement, caractérisé en ce que lesdits moyens de transmission comprennent - des moyens convertisseurs (6) pour convertir un signal de tension image dudit signal de sortie en un signal de fréquence variable, - des premiers moyens optoélectroniques (9) solidaires en rotation dudit organe (21) pour transmettre sous forme lumineuse ledit signal de fréquence variable, et - des seconds moyens optoélectroniques fixes (11) adaptés pour recevoir ledit signal lumineux de fréquence variable et le convertir en un signal électrique appliqué au poste de traitement (13). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un chemin lumineux (10) adapté pour recevoir et appliquer aux seconds moyens optoélectroniques (11) ledit signal lumineux transmis par lesdits premiers moyens optoélectroniques (9). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens optoélectroniques (9) et ledit chemin lumineux (10) sont sensiblement alignés optiquement avec ledit axe de rotation (AA). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit chemin lumineux comprend au moins une fibre optique (40). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens optoélectroniques (9) sont constitués par une diode électroluminescente. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits seconds moyens optoélectroniques (11) sont constitués par un phototransistor ou une photodiode. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant plusieurs capteurs montés sur ledit organe rotatif, caractérisé en ce que lesdits moyens de transmission comprennent des moyens convertisseurs (61, 62, 63...6n) associés à chaque capteur (4X, 42, 43... 4n) et des moyens de multiplexage (7) pour appliquer sous forme multiplexée auxdits premiers moyens optoélectroniques (9) les signaux de fréquence variable délivrés respectivement par lesdits moyens convertisseurs, et en ce que ledit poste de traitement comprend des moyens (12) de démultiplexage du signal lumineux regu par lesdits seconds moyens optoélectroniques (11). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens générateurs (32) pour alimenter en énergie électrique les circuits électriques (1) du dispositif solidaires en rotation dudit organe rotatif (21). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens générateurs (32) sont constitués par un alternateur à bobinage extérieur (44) d'alimentation desdits circuits solidaire en rotation dudit organe rotatif (21), les moyens inducteurs (43) dudit alternateur étant fixes. 10. Dispositif selon les revendications 3 et 9, caractérisé en ce que lesdits moyens inducteurs (43) sont montés coaxialement audit chemin optique (10). 11. Dispositif selon les revendications 4 et 10, caractérisé en ce que lesdits moyens (43) inducteurs sont montés sur un manchon (41) traversé par un tube (37) de positionnement axial de ladite fibre optique (40). 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend un carter (22) solidaire en rotation dudit organe rotatif (21) et contenant lesdits moyens générateurs (32) et un circuit imprimé (28) portant les circuits électriques du dispositif qui sont solidaires en rotation dudit organe.