Brevet FR2733057A1 — publié le 19961018

ACCELEROMETRE La présente invention est relative à un accéléromètre, destiné par exemple à mesurer l'accélération dans les barres constituant le stator d'un turbo-alternateur. Diverses observations ont montré que les barres constituant le stator d'un turbo-alternateur de grande puissance pouvaient accuser, au cours du temps, divers jeux causés par les forces électro-magnétiques de Laplace, associées à des desserrages progressifs des systèmes de maintien. Ces forces s'expriment mathématiquement par le produit de la longueur L de la barre par le produit vectoriel de l'intensité I que traverse la barre par l'induction magnétique B à laquelle la barre est soumise. Ces forces engendrent des vibrations à la fréquence double de celle du courant. Si le turbo-alternateur produit un courant à 50 Hz, la fréquence vibratoire est donc de 100 Hz. Néanmoins, lors des manoeuvres ou changement de régime de la machine, d'autres fréquences vibratoires peuvent apparaître. I1 est utile de pouvoir mesurer en permanence les fréquences et les amplitudes des vibrations subies par les barres d'un turbo-alternateur, de manière à analyser les phénomènes qui surviennent, en faire l'historique, et prévoir des programmes de maintenance. Compte tenu de ce qui a été énoncé plus haut, il est intéressant de pouvoir disposer d'un accéléromètre "large bande", pour obtenir des informations correcte des états de vibrations des divers endroits examinés, et d'effectuer une mesure précise en amplitude,en phase et en fréquence. La présence de la haute tension sur diverses barres du stator interdit d'y disposer des accéléromètres conventionnels reliés galvaniquement à leur circuit électronique. L'apparition des fibres optiques, naturellement isolantes, permet d'envisager la possibilité de réaliser un accéléromètre qui ne présenterait pas les difficultés rencontrées avec les accéléromètres classiques. Un but de la présente invention est donc de réaliser un accéléromètre à fibres optiques permettant d'assurer la mesure de l'accélération dans un axe déterminé, avec une grande précision, dans un environnement difficile. A titre d'exemple un cahier des charges imposé à l'accéloromètre à définir serait le suivant: Gamme des fréquences mesurées: 10 à 2000 Hz. Déphasage de la mesure à 100 Hz: Dynamique de mesure sur chaque fréquence: 0,lg à 10g. Précision de mesure: 2% en plus ou en moins. Sensibilité transverse: L'environnement dans lequel l'accéléromètre devrait fonctionner selon les exigences précitées serait: Présence de champs magnétiques de l'ordre du Tesla. Présence de haute tension de l'ordre de 25 kV. Pression relative d'hydrogène de l'ordre de 4 bars. Température de fonctionnement comprise entre +100C et 900C. L'accéléromètre de l'invention se fonde sur une combinaison des lois de la dynamique et des lois de la biréfringence. On rappelle que si on impose à une masselotte de masse m un mouvement sinusoïdal le long d'un axe x de la forme: x = xosinot cette masselotte reçoit une accélération y qui est la dérivée seconde de ce mouvement, soit: y = - o > 2x On note immédiatement ce fait remarquable que l'accélération est proportionnelle au déplacement. Ceci signifie que pour connaître le mouvement vibratoire d'une pièce mécanique, il suffit de connaître son accélération. Nous notons qu'un mouvement vibratoire quelconque peut toujours se décomposer sous la forme d'une série de Fourier de composantes vibratoires purement sinusoïdales, ce qui signifie que, d'une façon très générale, il suffit de connaître l'amplitude et la phase de l'accélération de toutes les harmoniques composant l'accélération générale du mouvement pour en déduire le mouvement de la pièce. La masselotte précitée reçoit donc une force d'inertie F telle que: F = my On rappelle maintenant que lorsqu'un élément en matériau optique transparent (verre ou cristal), par exemple de forme parallélépipédique, supporte une pression P, nous constatons l'apparition d'une biréfringence due à la contrainte subie par le matériau. Cet effet s'appelle l'effet élasto-optique et on pourra se référer pour plus de détail à l'ouvrage de Georges BRUHAT, Cours de Physique Générale; OPTIQUE, 1959, page 510, Editions Masson et Cie. Les directions des deux lignes neutres de cette biréfringence sont respectivement parallèle et perpendiculaire à la direction de la force qui crée la pression sur l'élément. On caractérisé l'effet élasto-optique par un constante K, appelée coefficient élasto-optique. Les constructeurs de verres optiques, par exemple la société SCHOTT, fournissent les valeurs de cette constante avec des unités telles que le déphasage entre deux vibrations lumineuses identiques se propageant sur les deux lignes neutres s'écrit: AQ K.1.F Dans cette équation: F désigne la force appliquée, S est la surface d'appui de la masselotte sur l'élément optique, 1 est la longueur d'interaction avec le faisceau lumineux, K est le coefficient élasto-optique, k est la longueur d'onde de la lumière. L'invention est fondée sur les principes suivants: - on fixe une masselotte de masse M sur la barre dont on souhaite mesurer le déplacement (ou l'accélération). On interpose entre la masselotte et la barre un élément optique de telle sorte que ces pièces soient solidarisées entre elles. Si la barre vibre, l'élément optique subit une contrainte de pression due à la force d'inertie F de la masselotte et présente donc une biréfringence élastooptique. Pour détecter et mesurer cette biréfringence, il faut injecter à l'entrée de l'élément optique une lumière polarisée à 450 des lignes neutres de la biréfringence, et projeter la polarisation résultante en sortie de l'élément optique sur un polariseur d'analyse. Cette méthode permet de transformer la modulation de polarisation en une modulation d'intensité de la puissance optique transitant dans l'élément optique. Les calcul de Jones montrent que pour obtenir une fonction de modulation monotone avec le phénomène, il faut placer en série avec l'élément optique un élément déphasant d'une valeur de roc/2. On démontre que la puissance lumineuse en sortie du système comprenant l'élément optique et l'élément déphasant de n/2 s'exprime par la relation: P(t) = Po/2. (1 + sinto), t représentant le temps. L'invention a ainsi pour objet un accéléromètre optique pour la détermination du déplacement d'une pièce soumise à des vibrations, caractérisé en ce qu'il comprend une masselotte solidarisée à ladite pièce et un élément optique principal solidarisé à ladite masselotte, ledit élément optique étant optiquement en série avec un élément optique déphasant la lumière de in/2, une source lumineuse pour faire passer dans les éléments optiques une lumière polarisée à 450 des lignes neutre de biréfringence de l'élément optique principal, un photodétecteur recueillant la lumière en sortie du système optique et la transformant en un signal optique, et un circuit électronique extrayant du signal la valeur du déphasage qui est proportionnelle audit déplacement. Dans un mode préféré de réalisation, l'élément optique principal est constitué d'un boîtier parallépipédique en verre dont au moins une partie du fond constitue l'élément optique traversé par la lumière. Le boîtier est muni d'un couvercle, ladite masselotte étant disposée à l'intérieur du boîtier et solidarisée au fond de ce boîtier par collage, le fond du boîtier comprenant une cavité dans laquelle est disposée un polariseur et une lame quart d'onde constituant ledit élément optique déphasant, une première face latérale du boîtier comprenant un perçage dans lequel est collé un embout d'une fibre optique reliée extérieurement à une diode électroluminescente constituant ladite source lumineuse, la face latérale opposée à ladite première face latérale possédant une portion traitée pour réfléchir la lumière émise par la diode électroluminescente et qui traverse une partie du fond du boîtier, ladite lumière réfléchie étant reçue par ledit photodétecteur, ladite diode électroluminescente et ledit photodétecteur étant relié à la fibre optique par un coupleur optique en Y. Le verre du boîtier est un verre de constante élasto-optique au moins égale à 3.10-6 mm2/N Le matériau de la masselotte est choisi parmi les matériau amagnétiques ayant une masse spécifique au moins égale à 5g/cm3. Le matériau de la masselotte est par exemple du tungstène ou du flint lourd. Le verre du boîtier est le verre Schott KzFsN2. Le matériau de collage de la masselotte au boîtier est une colle souple, telle que la colle silicone CAF1. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description d'un mode préféré de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue de dessus de la partie optique de l'accéléromètre de l'invention, avec le couvercle partiellement arraché, - la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II II de la figure 1, - la figure 3 est une vue de la liaison entre la fibre et le module électronique de l'accéléromètre, - la figure 4 est une vue synoptique de la carte de traitement du signal électrique. Dans les figures 1 et 2, on distingue un boîtier parallélépipédique 1, en verre, muni d'un couvercle 2; le boîtier possède un fond épais 3 constituant l'élément optique de l'accéléromètre et qui est en partie traversé par la lumière. Celle-ci est acheminée par une fibre optique 6 reliée à un embout optique 7 engagé dans une cavité d'une face latérale 8 du boîtier. L'embout est prolongé par une lentille optique 9 débouchant dans une cavité 10 pratiquée dans le fond du boîtier. Dans cette cavité sont également disposés, dans l'axe optique de la lentille, un polariseur 11 et une lame de quartz 12 procurant un déphasage de z/4; en sortie de la cavité, la lumière se propage dans la matière du fond du boîtier, comme il est indiqué par les lignes 13A et 13B qui délimitent la faisceau optique. La face 14 du boîtier, opposée à la face 8, est polie intérieurement sur une portion 14A recevant le faisceau 13A13-13B de sorte que la lumière s'y réfléchit et parcourt en sens inverse, le chemin parcouru dans son trajet aller, qui comprend le fond du boîtier, la lame déphasante 12, le polariseur 11, la cavité 10, la lentille 9, l'embout 7 et la fibre optique 6. La face 14 est protégée par une plaque 14B faisant de préférence partie intégrante du couvercle 2. On notera que le couvercle est fait du même verre que le boîtier proprement dit. On note que le double passage à travers la lame déphasante de z/4 produit au bout du compte un déphasage de in/2, qui est le but recherché. La masselotte 15 est un bloc parallélépipédique d'un matériau de densité élevée. Si le cahier des charges le permet, ce matériau sera de préférence du tungstène pur, dont la densité élevée permet d'obtenir une très grande sensibilité de l'appareil. Ce métal est totalement amagnétique, de sorte que l'appareil ne sera pas perturbé par la présence des champs magnétiques élevés, de l'ordre de 1 à quelques Teslas, qui règnent au voisinage des barres des turbo-alternateurs. Le tungstène est de faible coût, comparé à l'or et au platine qui ont des masses spécifiques voisines. On notera, et on en verra l'intérêt plus loin, que le coefficient de dilatation thermique du tungstène est de 5,5.10-6 /OK. Si le cahier des charges prohibe, pour la réalisation de la masselotte, l'emploi de matériaux conducteurs de l'électricité, donc de métaux, on pourra choisir comme matériau pour la masselotte un verre de forte masse spécifique, tel qu'un flint lourd, qui a une densité trois fois moins grande que le tungstène, mais qui assure cependant à l'appareil une sensibilité suffisante. L'avantage de ce choix est l'absence de pièces conductrices au voisinages d'éléments sous tension, tels que des barres d'alternateur. Le flint a l'avantage d'être amagnétique et de posséder un coefficient de dilatation voisin de celui du boîtier. Le verre choisi pour le boîtier est de préférence un verre ayant une constante élasto-optique élevée et un coefficient de dilatation thermique voisin de celui du tungstène. Le verre commercialisé par la société Schott sous la référence KzFsN2 a une constante élasto-optique égale à 3,78.10-6 mm2/N, ce qui est élevé, et un coefficient de dilatation thermique égal à celui du tungstène. Ce verre est donc particulièrement bien adapté à la présente application. Selon une caractéristique importante de l'invention, la masselotte est solidarisée à l'élément optique par collage. On choisit de préférence une colle souple, qui assure une bonne transmission des vibrations dans le sens utile lorsqu'elle est appliquée en film mince. Une telle colle peut être celle commercialisée sous le vocable silicone CAF1. Ce type de colle atténue très fortement, d'un facteur 10, la transmission des efforts de la masselotte sur le milieu optique dans les axes transverses. Cette colle assure une bonne répartition de la pression sur l'élément optique, ce qui évite d'avoir à polir la masselotte. Cette colle permet un fonctionnement à des températures très variable sans induire de contraintes particulière sur l'élément optique. L'intérieur du boîtier est rempli d'azote sec et le couvercle est scellé. Le boîtier 1 est solidarisé à la pièce dont on souhaite mesurer les vibrations par exemple par collage avec une colle dure capable de transmettre les vibrations; en variante, un élément intermédiaire à évidement en queue d'aronde est fixée sur la pièce, la base du boîtier présentant une forme en queue d'aronde complémentaire qui est engagée dans ledit élément; l'ensemble est fretté sur la pièce. L'embout optique 7 est classique; il est relié à une fibre optique 6 multimode qui sert à l'aller et au retour de la lumière. Comme le montre la figure 3, la fibre optique 6 est reliée, par un coupleur en Y référencé 20, faisant partie du circuit électronique 21 de l'appareil, d'une part à une diode électroluminescente ou LED 22, émettant la lumière, d'autre part à une photo-diode 23, recevant la lumière après son passage dans le boîtier et convertissant la lumière en un signal électrique qui est traité par une carte électronique 24. Cette carte électronique de traitement du signal permet d'extraire la valeur de AQ, proportionnelle à x. Elle comprend, comme le montre la Fig.4, des moyens 25 de conversion courant/tension du signal de la photo-diode 23, des moyens 27 de traitement analogique permettant de faire apparaître les composantes continue et alternative du signal qui sont adressées respectivement par des liaisons 28 et 29 à un circuit de conversion analogique-numérique 30; les signaux sont acheminés par un bus 31 à un circuit de traitement numérique 33 qui élabore la différence de phase Af recherchée. Le résultat est présenté au moyen d'un circuit d'interface 34 adéquat, sous forme analogique et/ou numérique. Plusieurs accéléromètres du type décrit peuvent être reliés au même circuit de traitement numérique, par l'intermédiaire du bus 31. L'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit d'application aux barres d'un alternateur, mais elle s'applique toutes les fois qu'une mesure des vibrations dans un environnement difficile est souhaité. REVENDICATIONS 1/ Accéléromètre optique pour la détermination du déplacement d'une pièce soumise à des vibrations, caractérisé en ce qu'il comprend une masselotte (15) solidarisée à ladite pièce et un élément optique principal (3) solidarisé à ladite masselotte, ledit élément optique principal étant optiquement en série avec un élément optique (12) déphasant la lumière de in/2, une source lumineuse (22) pour faire passer dans les éléments optiques une lumière polarisée, par un polariseur (11), à 45" des lignes neutre de biréfringence de l'élément optique principal, un photodétecteur (23) recueillant la lumière en sortie du système optique et la transformant en un signal électrique, et un circuit électronique (24) extrayant du signal la valeur du déphasage qui est proportionnelle audit déplacement. 2/ Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément optique principal est constitué d'un boîtier parallélépipédique (1) en verre dont au moins une partie du fond (3) est traversée par la lumière. 3/ Accéléromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que le boîtier est muni d'un couvercle (2), ladite masselotte (15) étant disposée à l'intérieur du boîtier et solidarisée au fond de ce boîtier par collage, le fond du boîtier comprenant une cavité (10) dans laquelle est disposée un polariseur (11) et une lame optique (12) constituant ledit élément optique déphasant, une première (8) face latérale du boîtier comprenant un perçage dans lequel est collé un embout (7) d'une fibre optique reliée extérieurement à une diode électroluminescente (22) constituant ladite source lumineuse, la face latérale (14) opposée à ladite première face latérale possédant une portion (14A) traitée pour réfléchir la lumière émise par la diode électroluminescente, ladite lumière réfléchie étant reçue par ledit photodétecteur (23), ladite diode électroluminescente (22) et ledit photodétecteur (23) étant relié à la fibre optique (6) par un coupleur optique (20) en Y. 4/ Accéléromètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que le verre du boîtier (1) est un verre de constante élasto-optique au moins égale à 3.10-6 mm2/N 5/ Accéléromètre selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau de la masselotte (15) est choisi parmi les matériau amagnétiques ayant une masse spécifique au moins égale à 5g/cm3. 6/ Accéléromètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau de la masselotte (15) est choisi parmi le tungstène et le flint lourd. 7/ Accéléromètre selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le verre du boîtier (1) est le verre Schott KzFsN2. 8/ Accéléromètre selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le matériau de collage de la masselotte (15) au boîtier est une colle souple, telle que la colle silicone CAF1.