Brevet FR2906884A1 — publié le 20080411

CAPTEUR DE VIBRATION, NOTAMMENT POUR MACHINE TOURNANTE Afin de garantir la fiabilité des machines tournantes et principalement des pompes, les services de maintenance mettent en oeuvre des procédés dits de maintenance prédictive pour programmer les interventions nécessaires hors de la période de fonctionnement des installations. Le principe de la mesure prédictive consiste à comparer l'évolution des paramètres d'usure de la machine à des courbes dites " d'expérience ". Afin de suivre l'évolution des paramètres, des 15 capteurs sont placés à demeure dans la pompe lors de sa construction. A la mise en service initiale de la pompe chez le client, des mesures permettent de mémoriser l'état des paramètres initiaux préalablement définis comme 20 significatifs de l'usure de la pompe. Le choix des paramètres surveillés a été déterminé, par expérience, en observant durant toute la durée de vie de produits similaires quels étaient les plus significatifs et prédictifs de dégradation des 25 composants. Il a été constaté que la surveillance des vibrations permet d'estimer l'évolution des différentes parties actives de la pompe dans le temps dont: - L'évolution de l'équilibrage de la masse 30 tournante. La lubrification et l'usure des paliers lisses. - La lubrification et l'usure des roulements à billes ou à rouleaux. 2906884 2 - Le comportement magnétique du moteur. - L'usure de la roue et du corps hydraulique. - Le fonctionnement en cavitation. - Le désalignement de la ligne d'arbre. 5 A chaque événement surveillé, correspond une fréquence ou une bande de fréquence particulière bien définie comprise entre 20 et 16 000 Hz. La mesure des vibrations ne présente pas de difficulté particulière et les capteurs de vibration du 10 commerce sont efficaces. Dans la technique actuelle, le capteur de vibration est réalisé à partir d'un cristal piézoélectrique qui transcrit l'ensemble des vibrations comprises entre 20 et 16 000 Hz ainsi que les amplitudes correspondantes sous forme d'une tension. Un calculateur associé extrait chaque bande du spectre et par calcul suivant les séries de Fourrier fait ressortir les fréquences fondamentales ainsi que leurs harmoniques sous la forme d'une courbe FFT. Ce traitement mathématique des vibrations recueillies est nécessaire pour dissocier les fréquences par bandes et pouvoir en observer les amplitudes. Le frein actuel à la diffusion de ce procédé de surveillance réside dans le coût de l'ensemble capteur et dispositif de traitement du signal et dans la nécessité d'en disposer pour chaque machine. L'invention y remédie par un capteur comprenant un premier élément piézoélectrique ayant une première fréquence de résonance sous l'effet de vibrations et un deuxième élément piézoélectrique, caractérisé en ce que le deuxième élément piézoélectrique a une deuxième fréquence de résonance différente de la première fréquence. 2906884 3 Sous l'effet de vibrations à la première fréquence de résonance, caractéristique de l'usure d'une première partie d'une machine tournante, il apparaît, aux bornes du premier élément piézoélectrique, une tension qu'il est 5 aisé de mesurer à l'aide d'un voltmètre. A cette première fréquence de résonance, le deuxième élément piézoélectrique ne résonne pas. Il n'apparaît pratiquement pas de tension à ses bornes. A la deuxième fréquence de résonance, caractéristique, elle, de l'état 10 d'usure d'une deuxième partie de la machine tournante, c'est l'inverse qui se produit. On se dispense ainsi complètement d'un calculateur qui doit être associé en permanence à la machine ou qui, sinon, doit être associé, de temps à autre, à la machine 15 tournante avec l'inconvénient que la surveillance de l'usure devient discontinue et l'inconvénient aussi d'avoir à déplacer et à connecter chaque fois le calculateur. Chaque élément piézoélectrique peut être relié à un 20 voltmètre qui lui est propre, mais suivant un mode de réalisation avantageux les deux éléments piézoélectriques sont reliés à un même multiplexeur relié à un seul voltmètre. On a besoin ainsi de moins de pièces pour réaliser le capteur, notamment lorsqu'il y a, non pas 25 seulement deux éléments piézoélectriques, mais un grand nombre d'entre eux, ce qui est habituel. Il y a de préférence trente éléments piézoélectriques dont les fréquences de résonance diffèrent successivement d'un tiers d'octave de 20 Hz à 16 KHz. En d'autres termes, la 30 première fréquence de résonance diffère de la deuxième d'un tiers d'octave et la troisième diffère de la deuxième, elle aussi, d'un tiers d'octave. Suivant un mode de réalisation qui facilite beaucoup le montage, tous les éléments piézoélectriques sont 2906884 4 intégrés dans une même tranche à semi-conducteur et, de préférence aussi, lorsqu'il y a un multiplexeur il est intégré dans cette tranche. L'invention vise aussi une machine tournante, 5 notamment une pompe, mais aussi une turbine, un ventilateur ou autre ayant une partie fixe dans laquelle les éléments piézoélectriques d'un capteur, suivant l'invention, sont fixés à la partie fixe. Au dessin annexé, donné uniquement à titre 10 d'exemple : la figure 1 est une vue schématique illustrant le mode de réalisation préféré d'une machine tournante suivant l'invention, tandis que la figure 2 illustre un autre mode de réalisation. 15 La figure 1 représente une pompe comprenant un arbre (1) entraîné par un moteur (2) et porté par des paliers (3). L'arbre (1) fait tourner une roue (4) hydraulique. Sur le palier (3) sont fixés trente éléments piézoélectriques, seuls deux d'entre eux étant 20 représentés, à savoir le premier élément (5) piézoélectrique et le deuxième élément (6) piézoélectrique. Le premier élément (5) piézoélectrique a une fréquence de résonance, lorsqu'il est soumis à des 25 vibrations mécaniques, qui est différente de la fréquence de résonance du deuxième élément (6) piézoélectrique. Pour obtenir cette différence de fréquence, on taille différemment les deux éléments piézoélectriques en leur donnant notamment des dimensions différentes. 30 Les bornes des éléments (5, 6) piézoélectriques sont reliées à un multiplexeur (7), lequel est lui-même relié à un voltmètre (8). Le voltmètre indique successivement dans le temps la tension qui apparaît aux bornes de l'élément (5) 2906884 5 piézoélectrique et de l'élément (6) piézoélectrique, ainsi que des vingt huit autres suivants. Lorsqu'une tension apparaît sur le voltmètre (8) à un instant correspondant à l'un des éléments (5 ou 6), on 5 peut en déduire le niveau d'usure de la partie de la pompe qui correspond à la fréquence de résonance de l'un des trente éléments piézoélectriques. A la figure 2, les bornes des éléments (5, 6) piézoélectriques sont reliées directement à un voltmètre 10 (9, 10) respectif, sans interposition d'un multiplexeur. Dans ce cas, les éléments (5, 6) piézoélectriques sont sur une même tranche T de semi-conducteur, alors que les voltmètres en sont indépendants, tandis que dans le mode de réalisation de la figure 1 le voltmètre reste 15 indépendant de la tranche T à semi-conducteur, mais le multiplexeur (7) est intégré lui aussi à la tranche T. Revendications 1. Capteur comprenant un premier élément (5) piézoélectrique ayant une première fréquence de résonance sous l'effet de vibrations et un deuxième élément (6) piézoélectrique, caractérisé en ce que le deuxième élément (6) piézoélectrique a une deuxième fréquence de résonance différente de la première fréquence. 2. Capteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque élément est relié à un voltmètre (9, 10) qui lui est propre. 3. Capteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les deux éléments sont reliés à un même multiplexeur (7) relié à un seul voltmètre (8). 4. Capteur suivant l'une des revendications 20 précédentes, caractérisé en ce que la première fréquence de résonance diffère de la deuxième, d'un tiers d'octave. 5. Capteur suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il a trente éléments piézoélectriques dont les 25 fréquences de résonance diffèrent successivement d'un tiers d'octave. 6. Capteur suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que tous les éléments 30 piézoélectriques sont intégrés dans une même tranche à semi-conducteurs. 2906884 7 7. Capteur suivant les revendications 3 et 6, caractérisé en ce que le multiplexeur est intégré dans la tranche. 5 8. Machine tournante ayant une partie fixe, caractérisé en ce que les éléments piézoélectriques d'un capteur suivant les revendications 1 à 7 sont fixés à la partie fixe.