Brevet FR2863700A1 — publié le 20050617

DISPOSITIF ELECTRONIQUE DE MESURE DE DISTANCE ENTRE UNE CIBLE ET UN CAPTEUR INDUCTIF DISTANT DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001] L'invention est relative à un dispositif électronique de mesure de distance entre une cible et un capteur inductif distant, en particulier pour des applications en milieu hostile. ETAT DE LA TECHNIQUE 2] On utilise couramment des détecteurs ou des capteurs de proximité inductifs afin de détecter sans contact la présence de pièces métalliques généralement appelées cibles. De tels détecteurs comprennent une bobine qui possède une impédance décomposable en une réactance et une résistance. La bobine est alimentée par un circuit électrique et génère dans l'espace où peut se trouver la cible une induction magnétique variable, le plus souvent alternative. L'approche de la cible modifie la répartition, l'amplitude et la phase de l'induction magnétique et donc les caractéristiques d'auto-induction et l'impédance de la bobine. Le détecteur comporte également un circuit électronique qui transforme cette variation d'impédance en signal électrique aisément exploitable, par exemple en tension électrique. La détection de la cible est possible pour des distances qui sont de l'ordre du rayon de la bobine. 3] Très souvent les détecteurs de proximité inductifs utilisent comme principe physique de détection les pertes par courants de Foucault dans la cible. En effet, les courants de Foucault induisent une variation de la partie résistive de l'impédance de la bobine, et c'est cette variation de la résistance qui est détectée par le circuit électronique. 4] Pour que l'effet de variation de la résistance soit significatif, il est préférable de générer des variations d'induction magnétique à des fréquences égales ou supérieures à plusieurs centaines de kilohertz. Le mode de détection par courants de Foucault est généralement utilisé dans les capteurs pour lesquels la bobine et le circuit électronique sont placés à proximité l'un de l'autre dans un unique et même boîtier. 5] Certaines applications, en particulier en milieu hostile, exigent une haute fiabilité de l'ensemble de détection, alors que la cible se trouve le plus souvent dans un environnement soumis à des variations de températures de très grande amplitude. Une solution fréquemment retenue afin d'augmenter la fiabilité du dispositif de détection consiste alors à ne laisser à proximité de la cible que le minimum de pièces, c'est à dire essentiellement la bobine, protégées par un boîtier hermétique; le circuit électronique étant placé dans un environnement thermique moins agressif de façon à diminuer les risques de défaillance. 6] La bobine et le circuit électronique sont alors reliés par des fils électriques dont la longueur peut atteindre plusieurs dizaines de mètres. Par exemple, dans le cas d'une application aéronautique cela correspond à la distance qui sépare l'extrémité de l'aile d'un avion où peuvent se trouver la cible et la bobine, de la partie pressurisée de l'avion où sont installés les calculateurs et en particulier le circuit électronique de détection. 7] Dès lors, les fils électriques possèdent une impédance non négligeable du fait de leur grande longueur, impédance qui se combine avec l'impédance de la bobine de détection proprement dite. Ainsi les fils électriques constituent une cause de variation d'impédance qui n'a rien à voir avec le mouvement de la cible et qui risque d'avoir pour conséquence de mauvaises interprétations par le circuit électronique de détection. La longueur des fils électriques constitue donc un risque d'erreur, pouvant faire croire au circuit électronique que la cible est présente à proximité de la bobine alors qu'elle est en réalité absente. 8] On pourrait imaginer que la longueur des fils électriques entre la bobine et le circuit électronique étant connue pour une installation donnée, l'impédance des fils et ses variations pourraient être compensées de façon à éliminer tout risque d'erreur. Or en pratique un grand nombre de cibles et de bobines associées sont installées dans des endroits divers. Le circuit électronique est alors relié à une pluralité de bobines et comporte un système de multiplexage afin de mesurer séquentiellement l'impédance de chacune des bobines auxquelles il est relié. La longueur des fils électriques qui la relient au circuit électronique est donc différente pour chacune des bobines, les bobines étant disposées à différents endroits. De ce fait la compensation ne pourrait être réalisée qu'au moyen d'un système complexe. 9] Par ailleurs, la bobine doit être placée dans un boîtier hermétique pour des raisons 30 de fiabilité afin d'être totalement à l'abri d'agressions extérieures telles que l'humidité, des fluides agressifs ou des variations de pression trop importantes. Le boîtier protecteur est en métal afin de satisfaire aux conditions d'herméticité et de fiabilité. Il se trouve donc entre la bobine et la cible une partie métallique, généralement appelée face active, dont l'épaisseur minimale est imposée par les contraintes de résistance mécanique. Etant conductrice de l'électricité, cette face active se comporte, d'une part, comme une cible qui modifie l'impédance de la bobine et, d'autre part, elle atténue les effets de variation d'impédance normalement provoqués par la cible réelle en diminuant ainsi la sensibilité du système de détection. La face active constitue donc une cause de diminution de performance du système de détection. EXPOSE DE L'INVENTION [0010] L'invention vise donc à remédier aux inconvénients de l'état de la technique, en proposant un dispositif de traitement électronique pour capteur de déplacement inductif permettant de minimiser aussi bien l'impact des longueurs des fils électriques reliant le dispositif selon l'invention aux bobines que l'impact des faces actives des boîtiers métalliques protégeant celles-ci. Pour détecter une cible à une distance donnée, les bobines utilisées avec un dispositif selon l'invention peuvent alors être d'un diamètre plus faible que celles actuellement utilisées avec les dispositifs de traitement électronique existants. Cela permet de réduire la masse et l'encombrement de la partie détectrice du système tout en conservant un niveau de fiabilité adéquat, sans augmenter la complexité du dispositif de traitement électronique. 1] A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif électronique de mesure de distance entre une cible et un capteur inductif distant, comportant une pluralité de bornes de connexion destinées à être reliées électriquement au capteur inductif distant au moyen de câbles électriques, et un circuit électronique; caractérisé en ce qu'il comprend également une résistance et un condensateur montés en série avec les bornes de connexion afin de constituer un circuit oscillant lorsque le capteur inductif est relié électriquement aux bornes de connexion et un générateur de signal périodique de fréquence sensiblement égale à la fréquence de résonance du circuit oscillant, excitant le circuit oscillant, et en ce que le circuit électronique comprend des moyens de mesure aptes à mesurer le déphasage entre le signal généré par le générateur et le courant circulant dans le circuit oscillant. 2] Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif électronique comprend également des moyens de comparaison aptes à comparer la mesure du déphasage à au moins un seuil afin de déterminer si la cible est présente ou absente à proximité du capteur inductif. 3] Optionnellement, le dispositif électronique selon l'invention comprend en outre un multiplexeur de façon à pouvoir mesurer au moins une seconde distance entre une seconde cible et un second capteur inductif distant. 4] Selon deux variantes de mise en oeuvre, le circuit électronique du dispositif électronique selon l'invention comporte des moyens aptes à effectuer une mesure respectivement numérique et analogique du temps de déphasage entre le signal généré par le générateur et le courant circulant dans le circuit oscillant. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES 5] D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode particulier de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple 15 non limitatif, et représenté aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 illustre de façon schématique un dispositif selon l'invention; la figure 2 représente un exemple de réalisation des moyens de mesure du déphasage; la figure 3 représente le temps de déphasage mesuré ; - les figures 4a - 4c permettent d'illustrer l'avantage d'un dispositif selon l'invention 20 DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION 6] Selon l'invention, le dispositif (10) comporte une capacité (11), une résistance (12) et deux bornes (13) destinées à être reliées à un capteur inductif (20) au moyen de câbles électriques (30). Les bornes (13) , le condensateur (11) et la résistance (12) sont reliés en série de façon à former un circuit oscillant lorsqu'un capteur inductif (20) est relié aux bornes (13) du dispositif (10). La fréquence de résonance du circuit oscillant est indépendante de la valeur de la résistance (12) et des résistances parasites (22, 32) du capteur (20 et des câbles électriques (30). Le dispositif (10) comprend également un générateur de signal alternatif sinusoïdal (14) dont la fréquence fixe est sensiblement égale à la fréquence de résonance du circuit oscillant, et qui est destiné à exciter le circuit oscillant. Le dispositif (10) est prévu pour fonctionner avec des capteurs inductifs (20) possédant une bobine (21) de réactance donnée. Seule la dimension des capteurs varie en fonction de l'application, et plus particulièrement le diamètre de la bobine (21) en fonction de la distance prévue par l'application entre la cible et le détecteur (20). 7] La valeur de la fréquence de résonance est choisie suffisamment basse afin de minimiser les courants de Foucault qui apparaissent dans la face avant ainsi que l'effet de peau qui se produit dans les fils électriques (30) reliant la bobine (21) du détecteur (20) au dispositif (10). De préférence, la fréquence est comprise entre 100 hertz et 10 kilohertz, par exemple 1 kilohertz. 8] Le dispositif (10) comprend également des moyens de mesure de déphasage (15) entre la tension V14 aux bornes du générateur (14) et le courant électrique circulant dans le circuit oscillant, mesuré par la tension V12 aux bornes de la résistance (12). 9] En l'absence de cible ou lorsque la cible est hors de la zone de détection, le circuit est excité par le générateur de signal périodique (14), il oscille exactement à sa fréquence de résonance et le déphasage est nul. Lorsque la cible approche du capteur inductif (20), l'inductance de celui-ci va progressivement varier et faire apparaître un déphasage entre la tension V14 du générateur (14) et le courant circulant dans le circuit oscillant. Le déphasage ne dépend que de la valeur de la réactance du circuit oscillant et donc de la distance entre la cible et le capteur (20), et il est totalement insensible aux valeurs des résistances et en particuliers des résistances parasites (22, 32). Celles- ci proviennent essentiellement de deux origines: d'une part des câbles (30) dont les longueurs peuvent être importantes et d'autre part de la résistance parasite (22) au sein du capteur inductif (20), dont la valeur va varier en fonction de la température. 0] Ainsi, en mesurant le déphasage entre la tension aux bornes du générateur (14) et le courant circulant dans le circuit, mesuré aux bornes de la résistance (12), on obtient une mesure de la distance entre la cible et le capteur inductif (20) qui ne dépend ni de la longueur des câbles (30) reliant le capteur (20) au dispositif de traitement (10), ni des températures appliquées au capteur (20) et aux câbles (30), ce qui assure une plus grande précision qu'avec les systèmes actuels. 1] La figure 2 représente un exemple de réalisation des moyens de mesure du déphasage (15), connu en soi. La figure 3 représente la sortie du composant OU exclusif (16), en fonction des tensions V14 et V12 mesurées respectivement aux bornes du générateur de signal périodique (14) et de la résistance (12). La mesure du déphasage peut se faire de façon numérique, par exemple en utilisant un compteur (17) qui mesurera le temps t de déphasage. La mesure du déphasage peut également être faite de façon analogique, par exemple en utilisant avec un circuit intégrateur (17) ou bien par un dispositif de charge de condensateur pendant une durée égale au temps t de déphasage. Dans ce cas la mesure du déphasage entre la cible et le capteur est exprimée sous forme de tension électrique. Le circuit de mesure (17) peut éventuellement faire à la fois une mesure numérique et une mesure analogique. La mesure du déphasage, numérique ou analogique, est disponible à la sortie (18) des moyens de mesure du déphasage (15). 2] Selon un mode optionnel de mise en oeuvre de l'invention, le circuit (17) peut comporter également des moyens de comparaison destinés à comparer la mesure du déphasage, numérique ou analogique, à un ou plusieurs seuils afin de déterminer si la cible est présente ou absente à proximité du capteur inductif (20). Dans ce cas la sortie (18) indique de façon binaire la présence ou l'absence d'une cible. Dans le cas où plusieurs seuils sont utilisés, la sortie (18) peut prendre une troisième valeur d'indétermination, souvent révélatrice d'une défaillance mécanique. 3] Selon un autre mode optionnel de mise en oeuvre de l'invention, le dispositif (10) peut également comporter un multiplexeur qui lui permet d'être relié à une pluralité de capteurs inductifs (20) ayant la même réactance, et de déterminer si une cible se trouve à proximité de l'un quelconque des capteurs en effectuant un balayage. Il est également possible d'utiliser des capteurs inductifs (20) munis de bobines (21) ayant des réactances différentes, mais dans ce cas il convient d'utiliser pour chacun d'eux une fréquence d'excitation correspondant à la fréquence de résonance du circuit oscillant. 4] La Figure 4 permet d'illustrer un autre avantage de l'invention, en particulier lorsque le dispositif (10) est utilisé dans l'aéronautique où la réduction de l'encombrement et de la masse est une préoccupation constante: la possibilité d'utiliser des capteurs (20) munis de bobines (21) de plus faibles dimensions et donc de plus faibles masses. 5] Les courbes des Figure 4 représentent la mesure t du déphasage en fonction de la distance entre la cible et le capteur inductif (20). 6] La Figure 4a représente les courbes de réponse de deux bobines de même réactance mais de diamètres différents. On constate immédiatement que pour un seuil d donné, la bobine de plus grand diamètre permet d'obtenir une meilleure sensibilité de mesure que la bobine de petit diamètre, la sensibilité correspondant à la pente de la courbe au point considéré. 7] La Figure 4b représente la marge d'erreur de mesure (et) due aux éléments parasites du système de mesure. En pratique, la courbe réelle est comprise entre les deux courbes extrêmes théoriques Cmin et Cmax, qui sont des translations verticales de la courbe théorique idéale et qui correspondent aux erreurs maximales de mesure. Ainsi pour une mesure t de déphasage, et compte tenu de la précision du système de mesure, la distance entre la cible et le capteur inductif (20) est comprise entre dl et d2. 8] Lorsqu'il conçoit un système, l'utilisateur du dispositif selon l'invention définit pour chaque cible un seuil dl et un seuil d2, la cible étant considérée comme présente pour toute mesure de déphasage correspondant à une distance inférieure au premier seuil dl, et la cible étant considérée comme absente pour toute mesure de déphasage correspondant à une distance supérieure au second seuil d2. 9] L'utilisateur, connaissant les tolérances mécaniques propres à son application, définit les seuils dl et d2 de façon à ce que la cible ne puisse pas se trouver à une distance comprise entre les deux seuils, à moins d'une défaillance du système mécanique. La zone d'incertitude mécanique comprend alors toutes les distances mesurées comprises entre dl et d2 pour lesquelles le système ne peut conclure si la cible est présente ou absente et risque de donner une mauvaise indication. L'utilisateur choisit alors un capteur inductif (20) compatible avec les valeurs des seuils dl et d2, en fonction de la sensibilité du capteur (20) et de la précision du système de mesure. 0] Ainsi, la Figure 4b correspond à la courbe d'un capteur (20) dont la sensibilité est suffisante pour l'application considérée, compte tenu de la marge d'erreur (Et) du système de mesure. En effet, toute mesure de déphasage inférieure à t implique que la distance entre la cible et le capteur inductif (20) est inférieure à dl et toute mesure de déphasage supérieure à t implique que la distance entre la cible et le capteur inductif (20) est supérieure à d2. 1] Sur la Figure 4c a été superposé à la courbe précédente une courbe d'un autre capteur (20) de sensibilité suffisante lorsque la marge d'erreur (Et) du système de mesure est plus importante. On constate que sensibilité du capteur (20) doit être augmentée afin de compenser la plus faible précision du système de mesure, ce qui implique d'utiliser des bobines (21) de plus grand diamètre et donc de masse plus importante. 2] Or, le dispositif selon l'invention permet d'améliorer fortement la précision de la mesure. Par conséquent, le dispositif selon l'invention permet d'utiliser des capteurs munis de bobines de plus faibles diamètres, ce qui implique une diminution de coût et une diminution de masse. 9 REVENDICATIONS 1 Dispositif électronique (10) de mesure de distance entre une cible et un capteur inductif (20) distant, comprenant - une pluralité de bornes de connexion (13) destinées à être reliées électriquement au capteur inductif (20) distant au moyen de câbles électriques (30), - un circuit électronique (15) caractérisé en ce qu'il comprend également une résistance (12) et un condensateur (11) montés en série avec les bornes de 10 connexion (13) afin de constituer un circuit oscillant lorsque le capteur inductif (20) est relié électriquement aux bornes de connexion (13), - un générateur (14) de signal périodique (V14) de fréquence sensiblement égale à la fréquence de résonance du circuit oscillant, excitant le circuit oscillant, et en ce que le circuit électronique (15) comprend des moyens de mesure aptes à mesurer le déphasage entre le signal (V14) généré par le générateur (14) et le courant circulant dans le circuit oscillant 2 Dispositif électronique (10) de mesure de distance entre une cible et un capteur inductif (20) distant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit électronique comprend des moyens de comparaison aptes à comparer la mesure du déphasage à au moins un seuil afin de déterminer si la cible est présente ou absente à proximité du capteur inductif (20). 3 Dispositif électronique (10) de mesure de distance entre une cible et un capteur inductif (20) distant selon l'une des revendication précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un multiplexeur de façon à pouvoir mesurer au moins une seconde distance entre une seconde cible et un second capteur inductif (20) distant. 4 - Dispositif électronique (10) de mesure de distance entre une cible et un capteur 30 inductif (20) distant selon l'une des revendication précédentes, caractérisé en ce que le circuit électronique comporte des moyens (17) aptes à effectuer une mesure numérique du temps (t) de déphasage entre le signal (V14) généré par le générateur (14) et le courant circulant dans le circuit oscillant. - Dispositif électronique (10) de mesure de distance entre une cible et un capteur inductif (20) distant selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le circuit électronique comporte des moyens (17) aptes à effectuer une mesure analogique du temps (t) de déphasage entre le signal (V14) généré par le générateur (14) et le courant circulant dans le circuit oscillant