Brevet FR2690244A1 — publié le 19931022

Description Procédé et/ou dispositif de mise en oeuvre du procédé de mesure capacitive susceptible d'effectuer des mesures dimensionnelles sans contact et de très haute précision (déplacements, positions, vitesses, accélérations), en milieu industriel (présence de liquides, poussières..; mesures dans des fluides dans des conditions de pressions et/ou de températures fortement variables). Domaine technique: Ce nouveau procédé et/ou dispositif de mise en oeuvre du procédé de mesures est capable d'effectuer des mesures dimensionnelles sans contact et avec une précision très haute, en milieu industriel, notamment dans les laminoirs et les machines-outils ou les industries pétro-chimiques. Etat de la technique antérieure: Pendant longtemps, les capteurs inductifs ou pneumatiques furent seuls capables d' effectuer des mesures dimensionnelles sans contact en milieu pollué ; cependant, les capteurs inductifs ont leur calibration qui varie avec la composition chimique de la cible, tandis que les capteurs pneumatiques n'ont qu'une bande passante très faible et une étendue de mesure encore plus limitée que celle des capteurs inductifs. En milieu propre, les capteurs capacitifs surclassent tous les autres types de capteurs pour la précision, pour la résolution et pour la dynamique de mesure ; leur calibration est indépendante de la composition chimique de la cible ; enfin, les dérives thermiques sont non seulement très faibles, mais encore bien modélisables. Ce n'est que très récemment que les performances exceptionnelles des capteurs capacitifs ont pu être partiellement mises à profit dans le milieu des machines-outils. Le nouvel état de l'art de ces capteurs capacitifs pour emploi dans l'environnement industriel consiste à doter le capteur d'une buse (ou de plusieurs buses) par laquelle est éjecté un fluide diélectrique sous pression. Les buses d'éjection sont situées dans et/ou à proximité de l'électrode active du capteur (1 1 Ces nouveaux capteurs capacitifs sont appelés "capteurs-souffleurs". Le fluide est soufflé ou éjecté par les buses dans le but d'éliminer tous les débris, poussières, copeaux, gouttes de liquides, . possiblement présents et dans le but aussi de rendre homogène tout l'espace diélectrique situé entre le capteur et la pièce mesurée. La vitesse et le débit du fluide soufflé doivent être suffisants pour que le milieu situé entre le capteur et la pièce à mesurer soit rempli exclusivement par le fluide que les buses injectent dans cet espace ceci implique aussi que la vitesse et le débit du fluide soufflé soient assez puissants pour que les copeaux, débris, gouttes de liquides, . soient chassés de cet espace inter-électrodes et donc ne perturbent pas la mesure dimensionnelle. Le fluide soufflé peut être un gaz (par exemple, de l'air comprimé) ou de l'huile, notamment l'huile de coupe utilisée dans la machine-outil, comme par exemple pour mesurer l'objet en cours d'usinage (ou immédiatement après usinage, I'objet restant monté sur la machineoutil). Ce récent développement connu de la technique n'a jusqu'ici amené une amélioration substantielle que dans deux cas précis 1") le fluide injecté est un gaz sec comprimé suffisamment pour que l'écoulement de ce gaz à travers la ou les buse(s) soit sonique. 2") le fluide ejecté est une huile pure (non émulsionnée) maintenue à une température bien stable. En effet, la calibration du capteur dépend linéairement de la valeur de la constante diélectrique ; il importe donc que la calibration du capteur ait été effectuée avec la même valeur de la constante diélec -trique que celle qui vaut pour la mesure : aussi faut-il que le fluide diélectrique reste identique à lui-même, que sa composition chimique ne change pas (par exemple, que le taux d'humidité ne change pas) et que sa température reste stable, bref que tous les paramètres d'influence de la constante diélectrique restent, tout le temps de la mesure, égaux à ce qu'ils étaient pendant la calibration (étalonnage) du capteur.Pratiquement, la mesure dimensionnelle par capteursouffleur peut devenir très erronée si le fluide diélectrique devient diphasé ; ceci peut se produire dans les deux cas suivants - a ) : le fluide diélectrique est un liquide qui s'émulsionne, - b ) : le fluide diélectrique est un gaz saturé en vapeur d'eau ; le refroidissement inhérent à la détente produit une sursaturation, c'est-à-dire un brouillard de gouttelettes d'eau liquide. Hormis ces deux situations particulières, qui introduisent des erreurs graves, la perte de précision de mesure résulte de la variation thermique de la constante diélectrique. Cette dérive thermique de la constante diélectrique est importante pour les liquides plusieurs centaines de fois supérieure à celle des gaz : il suffit que la température de l'huile change de 3 "C pour que la calibration du capteur soit modifiée de 1 pour mille. Exposé de l'invention: L'invention ici décrite permet de surmonter toutes les difficultés antérieurement dressées et qui interdisaient une bonne précision pour des mesures effectuées dans les conditions réelles de l'environnement industriel, notamment celui des machines-outils, des moteurs ou de l'industrie chimique. Dorénavant, les mesures dimensionnelles pourront être affranchies des effets indésirables des inévitables fluctuations thermiques, de composition chimique, d'émulsion ou de brouillard du fluide éjecté à proximité du capteur. L'invention ici décrite consiste à utiliser, outre le capteur mesurant, au moins un autre capteur, appelé "capacité de référence", semblable au capteur mesurant (c'est-à-dire, comportant, comme le capteur mesurant, un ou plusieurs orifice(s) situé(s) dans et/ou près de l'électrode active), mais géométriquement fixe par rapport à sa cible (distante de r = constante), la cible étant portée au même potentiel que l'objet à mesurer ( et qui est généralement la masse électrique ) ; les orifices du capteur mesurant et de la "capacité de référence" sont alimentés par le même fluide diélectrique pressurisé.Dès lors, pourvu que le fluide diélectrique soit homogène, mais pas nécessairement monophasé, la capacité électrique du condensateur géométriquement fixe ("capacité de référence") est directement proportionnelle à la valeur de la constante diélectrique du milieu inter-électrodes ; ce milieu est constitué par le fluide éjecté par les buses intégrées ou situées à proximité de la "capacité de référence". Pourvu aussi que le capteur mesurant et la "capacité de référence" soient constamment baignés (c'est-à-dire alimentés en permanence par le même fluide, la mesure de la "capacité de référence", C r = (Kr/ r) (T) x r (T, composition ) (1) fournit le moyen parfait de corrections de la valeur instantanée de la constante diélectrique r de ce fluide, qui est aussi le fluide diélectrique homogène caractérisant le milieu inter-électrodes du capteur mesurant et de corrections des effets de dilatation thermique du capteur. Le "capteur-souffleur de référence" fournit en effet des données brutes qui intégrent les effets des variations de la valeur instantanée de la constante diélectrique r du fluide diélectrique utilisé et les effets dus à la dilatation thermique du capteur de référence et de son support : la surface de l'électrode active augmente avec la température avec le coefficient double du coefficient de dilatation linéaire du matériau constituant cette électrode (ai) ; d'autre part, le support se dilate avec son propre coefficient de dilatation linéaire (au) ; si le capteur et son support sont construits dans le même matériau ((ai) = (a2)), assorti à celui (as) de la machine ; (ai) = (az) = (a3) = a; la constante (Kr/ r)(T) de la formule ( 1 ) augmente avec la température comme ( 1 + a T ) ; cet effet géométrique de dilatation du capteur et de son support est de signe opposé et d'amplitude envi ron 20 fois inférieure à la dérive thermique de r, , si le fluide est un liquide ; le signe reste opposé, mais l'amplitude de la dérive thermique de dilatation est 5 à 7 plus forte que la dérive thermique de r si le fluide est un gaz sec. Dans la mesure où le capteur mesurant est assimilable à un "condensateur plan", sa capacité électrique est Cm = Km(T) X (2) où x est la distance inconnue entre le capteur et sa cible et Km(T) = x S avec S = surface de l'électrode active du capteur T est la température du fluide, puisque les deux capteurs mesurant et de référence sont alimentés avec le même fluide et s'équilibrent thermiquement avec ce fluide. Des équations ( 1 ) et ( 2 ), on tire x=(Km/ Kr) x(Cr I Cm) x (3) Les fluctuations de température du fluide diélectrique n'interviennent pas ; ses fluctuations de constante diélectrique, non plus. Ainsi, I'emploi de capteurs-souffleurs permet de nettoyer la pièce à mesurer de la présence possible de poussières, . . , et l'emploi d'un (ou plusieurs) capteur(s)-souffleur(s) de référence, positionné(s) à une distance r constante d'une cible portée au même potentiel électrique que l'objet à mesurer, permettent des mesures dimensionnelles précises dans un environnement industriel difficile et fluctuant. En effet, que le fluide utilisé ne soit pas pur, ou que sa température ne soit pas stable, ou que sa composition fluctue dans le temps, que le fluide s'émulsionne. . . , ne constituent plus une impossibilité de mesure dimensionnelle par moyen capacitif, ni même une source d'erreurs ; ces mesures dimensionnelles sans contact peuvent désormais atteindre un très haut degré de qualité, malgré les conditions hautement difficiles du milieu industriel. Le plus souvent, plusieurs mesures simultanées sont requises ; on pourra réaliser un appareil "multi-cotes" sans contact, en employant au moins un capteur-souffleur de plus que le nombre de capteurs-souffleurs qu'il est nécessaire de mettre en oeuvre pour acquérir toutes les cotes simultanées requises ; le capteur-souffleur supplémentaire est semblable aux capteurs-souffleurs mesurants, sauf que celui-ci est géométriquement fixé par rapport à sa cible. Description d'un mode de réalisation de l'invention: Une réalisation particulière de l'invention a été obtenue en utilisant trois "capteurs-souffleurs", identiques entre eux ; pour chacun d'eux, I'électrode active, qui est une pièce métallique de forme cylindrique, a simplement été percée d'un trou en face avant (coté mesurant) ; la face arrière de ces capteurs porte non seulement le raccord électrique, mais aussi un raccord étanche connectable à un circuit hydraulique ou pneumatique ; le circuit hydraulique peut simplement être le circuit d'huile sous pression de la machine-outil (tour). Cette huile est filtrée, pour la débarrasser de poussières métalliques fines qu'elle pourrait entrainer en suspension.Le circuit pneumatique est constitué d'une bouteille d'azote comprimé à 200 bars, détendu par un mano-détendeur réglable, sous une pression choisie généralement vers 5 bars ; dans ces conditions, on obtient un jet sonique, très efficace pour dégager le capteur et l'objet des possibles poussières et gouttes de liquide { 1 }. Le capteur-souffleur n" 1, installé sur le chariot porte-outil du tour, juste derrière l'outil, visait la pièce usinée ; le capteur n" 2, installé sur le chariot porte-outil du tour visait aussi la pièce usinée, mais au point diamétralement opposé de la même section du cylindre. Le troisième capteur-souffleur, identique aux deux autres, a été positionné de façon rigide sur un bloc d'acier en forme d'anneau carré, placé aussi sur le chariot du tour ; son électrode active était placée à une distance r= 0,3 mm de la surface opposée de l'anneau carré.Plusieurs essais ont été effectués : pour chaque essai, un bout de rond était tourné, avec une première passe de = 0,2 mm, puis une seconde passe de = 0,1 mm ; un rond d'acier dur a été tourné sous lubrification d'huile de coupe entière (Wynn's Tar-fib) ; un rond d'acier inox fut tourné sous lubrification d'huile de coupe soluble (eau + 5% de Wynn's WF273).Les 2 capteurs n" 1 et 2 mesurent un diamètre du bout de rond usiné ; ce diamètre évolue en cours d'usinage ; on a fait des séries de mesures après une passe d'usinage d'abord le diamètre a été mesuré à sec, I'objet ayant été nettoyé et séché préalablement à la mesure ; ensuite, les mêmes mesures ont été faites en présence d'un arrosage d'une huile ou de l'autre huile, les capteurs-souffleurs débitant des jets soniques d'azote ; les ré sultats ont montré que la mesure n'est pas influencée par l'arrosage d'huile, pour les 2 huiles essayées, sous conditions que - la vitesse de rotation du mandrin ou le débit de liquide de coupe ne sont pas trop élevés, - les capteurs-souffleurs sont placés à moins de 0,5 mm de la surface de l'objet visé, - la précision de mesures n'est pas demandée meilleure que 2 ,um. Si le débit de liquide de coupe des machines-outils est trop élevé, ce jet unique dans l'électrode active ne suffit plus ; dans une seconde réalisation, outre une buse située au milieu de l'électrode active, on a ajouté une buse dans l'électrode de garde (qui entoure l'électrode active), de chaque coté de l'électrode active, dans la direction du déplacement de l'objet relativement au capteur. Dans une troisième réalisation, deux séries de buses situées dans les électrodes de garde et de masse électrique du capteur ont été ajoutées à la buse centrale. Ces buses situées en "amont" de l'électrode active font le même effet que l'étrave d'un navire : elles écartent le liquide qui, alors, coule au large de l'électrode active du capteur ; de fait, pour toutes les machines expérimentées (tour, rectifieuse, laminoir), le capteur est fixe par rapport au bâti de la machine, tandis que l'objet mesuré est animé d'un mouvement de translation (laminoir) ou de rotation (tour, rectifieuse) par rapport au bâti et donc l'objet mesuré défile, en général rapidement, par rapport au capteur : un jet de fluide "amont" écarte les éventuels copeaux et pré-nettoie la surface de l'objet mesuré ; le sens de déplacement pouvant être inversé, les buses ont été installées de chaque coté de l'électrode centrale. Ces diverses réalisations ont fait la preuve expérimentale de leur aptitude à effectuer de bonnes mesures dimensionnelles par moyen capacitif, en milieu très pollué, comme l'environnement d'une machine-outil, avec une résolution de mesure nettement meilleure que 0,1 ,um, mais une précision de mesures limitée à 2 Fm. Un essai avec une huile visqueuse (huile de boite de vitesse) a montré que le jet de gaz est insuffisant pour chasser le film d'huile visqueuse. On a recommencé tous les essais précedemment décrits en rempla çant le gaz comprimé par l'huile comprimée : on a pu vérifier la bonne qualité des mesures capacitives, c'est-à-dire l'insensibilité aux variations de composition chimique (huile de coupe entière (Wynn's Tar-fib) ; huile de coupe soluble ( eau + 5% de Wynn's WF273) ; huile de boite de vitesse ). On a pu vérifier l'insensibilité des mesures aux variations de température de l'huile, après avoir corrigé les données brutes du capteur de mesure dimensionnelle par la mesure de la capacité de référence ; cette façon de corriger les mesures capacitives permet d'accéder à la précision ultime, même si le diélectrique est un liquide, notamment si ce liquide est mal défini comme c'est fréquemment le cas dans l'environnement d'une machine-outil, d' un moteur ou de mécaniques fonctionnant dans l'huile, à températures et/ou sous pressions élevées. REVENDICATIONS 1) Dispositif de mesures dimensionnelles sans contact, par moyen capacitif, caractérisé en ce qu'il comporte : au moins un capteur mesurant et au moins un autre capteur, appelé "capacité de référence", semblable au capteur mesurant, mais géométriquement fixe par rapport à sa cible, le capteur mesurant et la "capacité de référence" comportant un ou plusieurs orifice(s) situé(s) dans et/ou près de l'électrode active par lesquel(s) est éjecté un fluide préalablement pressurisé, en ce que les orifice(s) du capteur mesurant et de la "capacité de référence" sont alimentés par le même fluide pressurisé, et en ce qu'il corrige les données du capteur mesurant par celles du capteur de référence selon l'expression : x = (Km / Kr) x r x (Cr/ Cm) où x est la distance inconnue entre le capteur et sa cible et r est une constante du capteur de référence ; Km et Kr sont aussi des constantes respectivement égales aux produits des surfaces Sm et Sr de l'électrode active du capteur mesurant ou du capteur de référence par la valeur, Q , de la constante diélectrique du vide : Km = QX Sm et Kr = Sur; cor et Cm sont respectivement les capacités électriques mesurées des capteurs de référence et mesurant. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide pressurisé est le liquide avec lequel l'objet à mesurer est en contact. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide pressurisé est de l'air sec comprimé (par exemple, 5 bars). 4) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide pressurisé est de l'azote comprimé (par exemple, 5 bars).