Brevet FR2707756A1 — publié le 19950120

La présente invention est relative à la détection de passage d'au moins un objet lumineux. Elle concerne en premier lieu un procédé pour détecter une source de lumière en particulier un jet de métal liquide. L'invention concerne également un dispositif permettant la mise en oeuvre d'un procédé de détection de passage d'objets lumineux. Les dispositifs utilisés de contrôle de niveau de métal liquide émettant des rayons infrarouges, donc d'objets lumineux, comprennent un photo-élement standard muni de caches délimitant une zone sensible (voir par exemple le document nO FR-A-2 286 373). De tels dispositifs sont limités à la détection d'un liquide confine dans un récipient. En effet l'image est formée par une fenêtre allongée aménagée dans le cache visant une zone de la surface libre du bain. Donc un déplacement vertical de tout l'ensemble de la surface du bain est détecté. Ce dispositif n'est pas en mesure de détecter systématiquement l'arrivée d'un jet de métal car dans cette situation le métal n'arrive pas suivant une surface plane ou même rectiligne, comme c' est le cas lors d'une montée du niveau de métal liquide dans une poche. En outre, le capteur de ces dispositifs connus est courant et adapté avec un cache qui forme la fenêtre, si bien qu'une partie de la surface efficace a été supprimée, ce qui entraîne une perte de rendement de ce capteur. De plus, il n'est pas prévu d'orienter les dispositifs connus dans la direction de la zone à surveiller où l'on prévoit le passage d'objets lumineux en créant une image de ladite zone permettant un préréglage. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de fournir une détection immédiate du passage d'un objet lumineux. A cet effet le procédé selon l'invention consiste a: 1) former une image réelle au moyen d'une source de lumière ; l'image réelle permet d'effectuer une phase d'installation et réglage avec les trois étapes suivantes - orientation - réglage grandissement - réglage mise au point optique. L'image réelle matérialise une zone comprise entre deux plans sécants dont le plan bissecteur de l'angle aigu formé par lesdits plans est sensiblement perpendiculaire à la direction du passage des objets lumineux, 2) former une image de l'objet lumineux lorsqu'il pénètre dans l'espace compris entre lesdits deux plans sécants, 3) convertir en grandeur électrique la lumière provenant de l'image dès son arrivée dans la zone comprise entre les plans, 4) transmettre la grandeur électrique constituant l'information fonctionnelle. Suivant d'autres caractéristiques : - on transforme la lumière en intensité électrique puis on amplifie celle-ci avant de la transmettre, - la zone exploitée de l'image est limitée par deux autres plans sensiblement parallèles à la direction du passage des objets lumineux, l'angle formé entre ces derniers plans étant plus obtus que l'angle formé par les deux premiers plans, ladite zone exploitée de l'image formant sensiblement un rectangle. L'invention a également pour objet un dispositif permettant la mise en oeuvre d'un procédé tel que défini ci-dessus, comprenant, monté dans un boîtier, un système notamment optique et de détection de la lumière, qui comporte un objectif à focale réglable et sur une carte électronique un convertisseur relié électriquement à un transducteur photo-électrique présentant la forme de la zone exploitée de l'image de l'objet surveillé, ledit convertisseur étant relié à un comparateur lui-même relié à un étage tampon. Le convertisseur intégrant un générateur de courant proportionnel, le comparateur et l'étage tampon sont branchés à une alimentation. Le générateur de courant permet de transmettre une information fonctionnelle continue, plus précisément une information proportionnelle au courant émis par le transducteur. Le dispositif comprend également une source de lumière, la carte électronique étant située entre la zone de détection de passage des objets lumineux et la source de lumière. Suivant d'autres caractéristiques du dispositif - la carte électronique comporte au moins une ouverture traversante à proximité du transducteur photoélectrique, - l'ouverture traversante est adjacente au transducteur photo-électrique, - l'ouverture traversante est de section rectangulaire, - un moyen de sécurité thermique est relié à la source lumineuse, - le moyen de sécurité thermique est constitué d'un capteur de conversion de la température en signal électrique, un moyen fournissant une référence de la valeur de seuil du signal électrique, d'un comparateur à seuil, d'un étage tampon, d'un relais, - le capteur de conversion de la température en signal électrique et le moyen fournissant une référence de la valeur de seuil du signal électrique sont chacun reliés à une entrée du comparateur, - le relais est relié à la sortie de l'étage tampon lui même relié à la sortie du comparateur à seuil et à la source de lumière, - le couvercle creux contenant la source de lumière présente un moyen de refroidissement, en particulier des ailettes, - la source de lumière est constituée d'une lampe halogène et d'un filtre thermique de manière à ne transmettre que la lumière froide. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés sur lesquels - la Fig. 1 représente schématiquement la détection de métal liquide sortant par jet déversé par le bec d'une poche de coulée - la Fig. 2 représente les plans délimitant la zone surveillée conforme à l'invention - la Fig. 3 est un schéma de l'arrangement des composants fixés sur une carte électronique - la Fig. 4 représente une vue en coupe d'une variante d'un dispositif selon l'invention - la Fig. 5 représente une vue en coupe éclatée d'un dispositif selon l'invention pouvant être orienté en fonction de la zone surveillée - la Fig. 6 est un schémas d'une autre variante de l'arrangement des composants fixés sur la carte électronique correspondant au dispositif de la Fig. 5. On notera tout d'abord sur les dessins que les éléments identiques portent les mêmes références. Ainsi la référence 1 désigne la carte électronique ou la zone surveillée la référence 10. L'installation représentée à la Fig. 1 présente la zone surveillée 10 à une extrémité de l'axe optique 11 prolongeant le détecteur 20 selon l'invention maintenu par le support 21. La zone surveillée 10 de forme rectangulaire allongée horizontalement se situe au niveau d'une poche 30 de coulée de métal liquide au-dessus d'un déversoir 40 d'un canal 50 et en-dessous du bec de coulée 60 de la poche 30. La zone surveillée 10 est délimitée par les plans 12, 13, 14 et 15 représentés à la Fig. 2. Lesdits plans présentent un point d'intersection 16 sur l'axe optique 11, en particulier au centre optique de l'objectif. Deux des plans 12, 13 sécants sont proches de la position horizontale et les deux autres 14, 15 sont verticaux. L'axe 11 est l'axe de symétrie de ces plans. L'axe 11 est perpendiculaire au passage du jet de métal liquide. En partant de la zone surveillée, au delà du point d'intersection 16 des plans 12, 13, 14, 15 il se forme un plan image 17 représentant la zone 10 Le plan image 17 est représenté après un réglage optique, sur un transducteur photo-électrique 3, typiquement une photodiode, représentée à la Fig. 3. Cette photodiode 3 transforme le flux lumineux reçu en un courant électrique. Elle est branchée à un convertisseur 2 branché à un comparateur 5 branché à un étage tampon 6. Une alimentation électrique 7 est branchée au comparateur 5 à l'étage tampon 6 et au convertisseur 2. Une diode de protection 4 est branchée en antiparallèle au transducteur photo-électrique 3. Les composants électroniques sont reliés par des liaisons équipotentielles référencées de Ol à 20' dans lesquels 0' représente le branchement à la masse et 1' l'alimentation positive régulée et 19' l'entrée d'alimentation positive non régulée. Le convertisseur 2 comprend trois résistances RI, R2, R3, trois capacités C1, C2, C3, un amplificateur opérationnel IC1 et un potentiomètre P2. La résistance R1 est comprise entre les liaisons équipotentielles 2' et ?'. La résistance R2 est connectée aux liaisons 0' et 4'. La résistance R3 est connectée aux liaisons 5' et 6'. La capacité C2 est connectée aux liaisons 0' et 4' côté positif ; la capacité C1 est connectée aux liaisons 4' et 1', côté positif ; la capacité C3 est connectée aux liaisons 5' et 6'. Le potentiomètre P2 est connecté aux liaisons 4' et 2'. Ledit potentiomètre P2 est aussi relié par son curseur à la liaison 3'. L'amplificateur opérationnel IC1 présente une entrée non inverseuse branchée à la liaison 4', l'entrée inverseuse branchée en 5' et une sortie branchée à la liaison 6'. Cette structure du convertisseur 2 permet de minimiser le courant d'obscurité de la photodiode 3. L'anode A3 de ladite photodiode 3 et la cathode K4 de la diode 4 sont reliées à la liaison équipotentielle 4'. La cathode K3 de la photodiode 3 et l'anode A4 de la diode 4 sont reliées à la liaison équipotentielle 5'. Le comparateur 5 comprend deux résistances R4 et R5, une capacité C4 et un amplificateur IC2. La résistance R4 est branchée aux liaisons 3' et 7'. La résistance R5 est branchée aux liaisons 7' et 8'. La capacité C4 est branchée aux liaisons 0' et 3 côté positif. L'amplificateur IC2 est branché aux liaisons 6', 7' et 8' respectivement par son entrée inverseuse, son entrée non inverseuse et sa sortie. Le comparateur 5 compare la tension de sortie du convertisseur 2 à une tension de référence déterminée par le potentiométre P2. L'étage tampon 6 comprend trois résistances R7, R8 et R9, deux diodes D2, D3, un transistor T2 et, un relais R formé d'une bobine et de trois interrupteurs. La résistance R7 est branchée aux liaisons 8' et 9' La résistance R8 est branchée aux liaisons 9' et 0' La résistance R9 est branchée aux liaisons 1' et 12' Le transistor T2 est branché aux liaisons 0' et 9' et 10' respectivement aux électrodes émetteur base collecteur. La diode D2 est branchée aux liaisons 1' et 10' respectivement par sa cathode K2, et son anode A2. La diode D3 est branchée aux liaisons 0' et 11' respectivement par sa cathode K et son anode A. La bobine du relais est branchée aux liaisons 1' et 10'. Les trois interrupteurs du relais sont branchés respectivement aux liaisons 11' et 12' normalement fermé, 13' et 14' normalement fermé, 13' et 15' normalement ouvert. L'alimentation 7 comprend une résistance RP, quatre capacités C5, C6, C', C", une diode D1, un fusible F, une diode zener de protection TR1 et un régulateur T1. La résistance RP est branchée aux liaisons 17' et 18'. La capacité C5 est branchée aux liaisons 0' et 16' côté positif. La capacité C6 est branchée aux liaisons 0' et 1' côté positif. La capacité C' est branchée aux liaisons 0' et 16'. La capacité C" est branchée aux liaisons 0' et 1'. La diode D4 est branchée aux liaisons 16' par la cathode et 17' par l'anode. Le fusible F est branché aux liaisons 18' et 19'. Le régulateur T1 est branché aux liaisons 1' par sa sortie, 16' par son entrée et 0' par sa référence. La diode de protection TRî qui remplit une fonction d'écrêteur, est branchée aux liaisons 0' et 17'. L'alimentation 7 comprend un diviseur relié électriquement au convertisseur 2 et au comparateur 5, ledit diviseur fournissant la tension repos du convertisseur 2 et la tension de référence du comparateur 5. La Fig. 4 représente le dispositif 20 maintenu par le système de fixation 21. Le dispositif 20 comprend un boîtier cylindrique creux 220 fermé à une extrémité par un couvercle 230 emprisonnant une rondelle 240 qui ferme radialement le creux interne du boîtier 220. La rondelle 240 supporte le potentiomètre P2. Le couvercle 230 est maintenu sur le boîtier par des vis 250. En se dirigeant vers la deuxième extrémité, le boîtier 220, entoure la carte électronique 1 placée radialement au boîtier 220 dans le plan image 17. Un flasque 260 présentant un diamètre cylindrique creux plus petit que le diamètre du boîtier est fixé à la deuxième extrémité au moyen de vis 270. Une bride de blocage creuse 280 sensiblement cylindrique est fixée par des vis 290 sur le flasque 260. La bride de blocage 280 présente à une extrémité une embase 281 au contact du flasque. Ladite bride 280 entoure l'objectif à focale réglable 300 et permet le blocage de ce dernier par des vis de serrage 310 traversant deux perçages débouchants usinés à l'extrémité libre de la bride de blocage 280. L'objectif 300 et la bride 280 sont entourés par un tube de protection 320 fixé à l'embase 281 de la bride 280 par l'intermédiaire d'une collerette 321 et de vis 330. Le tube 320 est formé par un filtre ultra-violet 340 de protection de l'objectif 300. L'ensemble du dispositif se termine par une buse de soufflage 350 orientée vers le passage du jet de métal liquide. Le dispositif 20 forme sensiblement un cylindre d'axe confondu à l'axe optique 11. Le boîtier 220 et le tube 320 sont en un métal présentant une perméabilité magnétique et une conductivité électrique d'un niveau apte à fournir une immunité face aux perturbations magnétiques et électriques. Le couvercle 230 et la buse 350 protègent le dispositif 20 des poussières. Toutes ces agressions, magnétiques, électriques, poussières provenant de l'environnement ambiant dans une usine sont arrêtées par le tube 320, le couvercle 230, la buse de soufflage 350 et le boîtier 220. Sur la Fig. 5 on a représenté un dispositif 20 de détection de métal liquide dont le système optique et le boîtier sont identiques à ceux de la Fig. 4, les éléments identiques étant repérés par les mêmes références numériques sur les deux figures. Ce dispositif diffère de celui représenté à la Fig. 4 en ce qu'il comprend une lampe 241 avec filtre thermique située sur la rondelle 240 qui supporte également un porte fusible 248, l'ensemble potentiomètre P, lampe 241 et porte fusible 248 est contenu dans un couvercle 230 à ailettes de refroidissement 231. La lampe 241 comporte une douille 242 reliée par des câbles 243 à un connecteur à embase 244 fixé sur le couvercle 230a par des vis 245. Le dispositif de la Fig. 5 diffère également de celui de la Fig. 4 en ce que la carte électronique 1 comporte deux fentes rectangulaires horizontales 102, 103 au voisinage de la photodiode 3. Une fente 102 est située au-dessus de la photodiode 3, la fente 103 est située audessous. Les fentes 102, 103 traversantes sont taillées en biseau, la grande ouverture située vers la lampe 241, la petite ouverture située vers la zone surveillée 10. La carte électronique 1 comprend en plus du convertisseur 2, du comparateur 5, de l'étage tampon 6 et de l'alimentation électrique 7, un moyen de sécurité en température 101 et un générateur de courant 104. La Fig. 6 représente l'arrangement des composants fixés sur la carte électronique 1 correspondant au dispositif représenté Fig. 5. Ce dispositif diffère de celui représenté à la Fig. 3 en ce qu'il comprend un étage électronique formant un moyen de sécurité thermique 101, un générateur de courant 104, le fusible F de l'alimentation 7 est raccordé à la liaison 17', la capacité C1 a été enlevée et l'étage tampon 6 est modifié de la manière suivante : la résistance R9 est branchée aux liaisons 20' et 21', la diode D3 est branchée aux liaisons O' et 20' respectivement par sa cathode et son anode. Les trois interrupteurs du relais R1 sont branchés respectivement aux liaisons 16' et 21' normalement fermé, 27' et 26' normalement fermé, 27' et 28' normalement ouvert. La bobine du relais 1 est branchée aux liaisons 10' et 16' et la diode D2 est branchée aux liaisons 16' et 10' respectivement par sa cathode et son anode. L'étage tampon 6 est apte à recevoir un moyen de protection tel qu'une résistance non linéaire VDR entre les liaisons 26' et 27'. Le moyen de sécurité thermique 101 se compose de six résistances R15, R16, R17, R18, R19, R20, d'un transistor T3, d'un relais L2 formé d'une bobine et d'un interrupteur, d'une diode D5 d'un circuit intégré IC5 forme de deux amplificateurs opérationnels et d'une référence de tension, et d'un capteur de température IC4. La résistance R15 est branchée aux liaisons 35' et 36'. La résistance R16 est branchée aux liaisons 0' et 36'. La résistance R17 est branchée aux liaisons 33' et 34'. La résistance R18 est branchée aux liaisons 34' et 35'. La résistance R19 est branchée aux liaisons 32' et 33'. La résistance R20 est branchée aux liaisons 0' et 32'. Le transistor T3 est branché aux liaisons 0', 36', 37' respectivement aux électrodes émetteur, base, collecteur. La bobine du relais L2 est branchée aux liaisons 16' et 37'. L'interrupteur du relais L2 est branché en sévie dans le circuit d'alimentation de la lampe halogène par les liaisons 30' et 29. La diode D5 est branchée aux liaisons 16' et 37' respectivement par sa cathode et son anode. La référence de tension est branchée aux liaisons 0' et 38' respectivement par sa cathode et son anode. Le premier amplificateur opérationnel de IC5 est branché aux liaisons 32', 38', 33' respectivement par son entrée inverseuse, son entrée non inverseuse et sa sortie. Le deuxième amplificateur opérationnel de IC5 est branché aux liaisons 31', 34', 35' respectivement par son entrée inverseuse, son entrée non inverseuse et sa sortie. Le capteur de température IC4 est branché aux liaisons 0', 1', 31' respectivement par son alimentation négative, son alimentation positive et sa sortie. Le générateur de courant 104 comprend cinq résistances RîO, R11, R12, R13, R14, une diode de protection TR2 et un amplificateur opérationnel IC3. La résistance R10 est branchée aux liaisons 6' et 23'. La résistance Rîl est branchée aux liaisons 23' et 25'. La résistance R12 est branchée aux liaisons 4' et 22'. La résistance R13 est branchée aux liaisons 22' et 24'. La résistance R14 est branchée aux liaisons 24' et 25'. La diode de protection TR2 est branchée aux liaisons 25' et 0' respectivement par sa cathode et son anode. L'amplificateur opérationnel IC3 est branché aux liaisons 22', 23' et 24' respectivement par son entrée inverseuse, son entrée non inverseuse et sa sortie. L'alimentation positive et l'alimentation négative des amplificateurs IC1, IC2 et IC3 du capteur IC4 et du circuit intégré IC5 sont respectivement reliées aux liaisons 1' et 0'. Le fonctionnement de l'installation est le suivant la poche 30 bascule, le métal liquide est projeté par jet du bec de coulée 60 dans le déversoir 40 et de là s'écoule dans le canal 50. Dès que la première goutte de métal atteint la zone surveillée 10 qui présente une longueur sensiblement plus grande que la largeur du bec 60, le détecteur 20 convertit en grandeur électrique la lumière provenant du métal liquide, amplifie ladite grandeur électrique puis la transmet. Ainsi l'information de l'arrivée du métal est transmise de façon à faire fonctionner l'outillage prévu au moment opportun. Comme on peut le noter, il est très difficile de détecter avec précision le moment exact de l'arrivée du métal. En raison de la largeur du bec 60, le métal peut provenir d'un côté ou du milieu du bec 60, si bien que la position de chute du jet ne sera pas constante, mais se déplacera. Ceci empêche une coulée régulière et provoque des variations de poids des pièces métalliques coulées. Donc l'invention permet par la géométrie de la zone 10 d'une longueur supérieur à la largeur du bec 60, d'obtenir la répétabilité des poids de métal, en conséquence une quantité constante qui évite les surépaisseurs de métal pour les pièces coulées. Lorsque l'appareil comprend une lampe 241, il peut être orienté dans une phase de réglage avant l'arrivée du métal liquide. La lampe est allumée, les rayons lumineux traversent les fentes 102, 103 et matérialisent par l'image des fentes sur la poche 30 la zone surveillée 10. On pointe l'appareil en superposant l'image des fentes 102, 103 à la zone à observer. Lorsque la lampe 241 reste allumée longtemps, elle produit de la chaleur évacuée par les ailettes 231. Lorsque cette durée est trop importante et que la température s'élève trop, le moyen de sécurité en température 101 déclenche l'interrupteur de l'alimentation électrique de la lampe 241, ce qui éteint cette dernière. En variante, il est possible de placer la zone surveillée 10 à un autre endroit, comme par exemple à l'extrémité du canal 50. REVENDICATIONS 1.- Procédé de détection de passage d'au moins un objet lumineux, en particulier un jet de métal liquide, caractérisé en ce qu'il consiste à 1) former une image réelle au moyen d'une source de lumière (241) matérialisant une zone (10) comprise entre deux plans sécants (12, 13) dont le plan bissecteur de l'angle aigu formé par lesdits plans est sensiblement perpendiculaire à la direction du passage des objets lumineux, 2) former une image de l'objet lumineux lorsqu'il pénètre dans l'espace compris entre lesdits deux plans sécants (12, 13), 3) convertir en grandeur électrique la lumière provenant de l'image dès son arrivée dans la zone (10) comprise entre les plans (12, 13), 4) transmettre la grandeur électrique constituant l'information fonctionnelle. 2.- Procédé selon la revendication 1 dans lequel on transforme la lumière en intensité électrique puis en tension en amplifiant cette dernière et de nouveau en courant. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel la zone de l'image est limitée par deux autres plans (14, 15) sensiblement parallèles à la direction du passage des objets lumineux, l'angle formé entre ces deux derniers plans étant plus obtus que l'angle formé par les deux premiers plans, ladite zone de l'image formant sensiblement un rectangle. 4.- Dispositif permettant la mise en oeuvre d'un procédé conforme à l'une des revendications 1 à 3, comprenant, monté dans un boîtier, un système notamment optique et de détection de la lumière caractérisé en ce qu'il comporte un objectif à focale réglable et sur une carte électronique (1) un convertisseur (2) relié électriquement à un transducteur photo-électrique (3) présentant la forme de la zone exploitée de l'image de l'objet surveillé, ledit convertisseur (2) étant relié à un comparateur (5) lui-même relié à un étage tampon (6), le convertisseur, le comparateur et l'étage tampon étant branchés à une alimentation (7), ledit dispositif comprenant également une source de lumière (241), la carte électronique (1) étant située entre la zone (10) de détection de passage des objets lumineux et la source de lumière (241). 5.- Le dispositif selon la revendication 4 comporte un générateur de courant proportionnel. 6.- Dispositif selon les revendications 4 ou 5, dans lequel la carte électronique (1) comporte au moins une ouverture traversante à proximité du transducteur photoélectrique (3). 7.- Dispositif selon la revendication 6, dans lequel l'ouverture traversante est adjacente au transducteur photo-électrique (3). 8.- Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, dans lequel l'ouverture traversante est de section rectangulaire 9.- Dispositif selon l'une des revendications 4 à 8 dans lequel un moyen de sécurité thermique est relié à la source lumineuse (241). 10.- Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que le moyen de sécurité thermique est constitué d'un capteur de conversion de la température en signal électrique, un moyen fournissant une référence de la valeur de seuil du signal électrique, d'un comparateur à seuil, d'un relais ; le capteur de conversion de la température en signal électrique et le moyen fournissant une référence de la valeur de seuil du signal électrique étant chacun reliés à une entrée du comparateur, le relais est relié à la sortie du comparateur à seuil par l'intermédiaire d'un étage tampon, et à la source de lumière. 11.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, dans lequel le couvercle creux (230) contenant la source de lumière (241) présente un moyen de refroidissement (231), en particulier des ailettes. 12.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la source de lumière (241) est constituée d'une lampe halogène et d'un filtre thermique de manière à ne transmettre que la lumière froide.