Brevet FR2916277A1 — publié le 20081121

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé pour déterminer le couple interne d'un rotor d'un capteur de sens d'écoulement. Les capteurs de direction ou de sens d'écoulement comme celui représenté par exemple dans la figure servent à déterminer la direction de l'écoulement de l'air par exemple pour la navigation aérienne, pour déterminer l'angle d'inclinaison d'un avion (également appelé angle d'attaque de transducteur ou Vane ). Il existe un drapeau ou volet 1 pivotant, relié à un capteur d'angle 3 par l'intermédiaire d'un axe de rotation 5 pour s'aligner suivant la direction de l'écoulement de l'air. La position du drapeau ou volet est définie par les couples externes et internes appliqués aux pièces rotatives, notamment le drapeau et le rotor du capteur d'angle ; dans la suite, les parties rotati- ves seront globalement appelées rotor du capteur de direction d'écoulement. Le couple externe est engendré par l'écoulement de l'air appliqué au drapeau. Le couple interne est occasionné par le capteur lui-même, par exemple par : -le frottement du palier et des joints, - des forces d'élastiques et le balourd statique du rotor. Pour chacun de ces effets physiques, on a des couples partiels dont la réunion donne le couple interne global. L'importance du couple interne dépend des tolérances de fabrication, des effets de vieillissement et de la position de montage. La connaissance du couple interne ainsi que des composantes des différents couples partiels sont nécessaires pour évaluer la précision du capteur. Pour mesurer les couples internes d'un capteur de direc- tion d'écoulement on utilise habituellement les procédés suivants : - Mesures effectuées sur un banc d'essai : Le capteur de valeur de mesure est installé dans un poste d'essai. On tourne le drapeau à vitesse constante. Le couple né-cessaire à la rotation est détecté par un capteur de force et est enregis-tré. L'inconvénient de ce procédé est qu'il faut monter et démonter le capteur. De plus, il faut un banc d'essai. Mesure à l'aide d'une horloge de mesure : Le drapeau est déplacé manuellement par un opérateur. La force nécessaire à cet effet se détermine à l'aide d'une horloge de me-sure. Dans ce procédé, la précision dépend fortement de l'habileté de l'opérateur. La mesure ne fournit finalement que la somme des couples internes. Toutefois, souvent seuls quelques couples partiels sont déterminants pour évaluer la précision du capteur. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un pro-cédé de détermination du couple interne appliqué à un rotor d'un capteur de direction d'écoulement, qui puisse se mettre en oeuvre simplement et de façon rapide sans moyens auxiliaires particuliers pour les manipulations et permettre de fournir des données précises et significatives. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on détermine le couple interne à partir de l'évolution chronologique du mouvement du rotor dans une phase de mouvement libre au cours de laquelle le rotor n'est soumis à aucun couple extérieur. Selon l'invention, on détermine le couple interne à partir de l'évolution chronologique du mouvement du rotor dans une phase de mouvement libre au cours de laquelle le rotor n'est soumis à aucun couple externe. Le procédé de mesure selon l'invention ne nécessite aucun accessoire particulier. Il suffit uniquement d'un enregistreur de données pour enregistrer le diagramme course/temps du rotor ainsi qu'un ordinateur pour l'exploitation. Il n'est pas nécessaire de prévoir des moyens auxiliaires compliqués, par exemple un banc d'essai spécialement installé. Le procédé de mesure selon l'invention s'exécute simple-ment et rapidement. Le procédé de mesure selon l'invention est effectué directement sur le capteur en position installée. Cela permet de tenir également compte de l'influence de la position de montage et de l'emplacement du montage dans la mesure. Il n'est pas nécessaire de démonter et de monter le capteur ni de le renvoyer au fabricant. Le procédé de mesure selon l'invention permet également de déterminer les participations des différents couples partiels. La détection et la mesure des différentes sources de couple permet une surveillance développée du capteur essayé. L'invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation pratiques. Un exemple d'un capteur de direction d'écoulement sur lequel est exécuté le procédé selon l'invention est représenté à la figure et a déjà été décrit dans le préambule. Une réalisation pratique du procédé de mesure selon l'invention s'exécute avec les étapes suivantes : (1) on relie à un enregistreur de données le système dans lequel est intégré le capteur. Le capteur d'angle, relié au drapeau du capteur, permet de détecter et de numériser la position du drapeau à une fréquence constante définie. Il ne faut aucune adaptation spéciale du système pour la mesure. L'enregistrement des don-nées se fait à l'aide d'un enregistreur de données. (2) on démarre l'enregistrement des données fournies par le capteur. (3) l'opérateur met brièvement en mouvement manuellement le dra- peau 1 du capteur, par exemple en le touchant d'un doigt pour que le drapeau se déplace librement sur quelques degrés d'angle (par exemple dans une plage d'environ 10 à 50 ). La valeur de l'angle balayé par le rotor importe peu pour le procédé de mesure. De même, la valeur de l'impulsion transmise est sans significa- tion. (4) En répétant l'impulsion par le doigt appliquée au drapeau 1, on déplace le drapeau dans toute la plage angulaire autorisée (dans le cas du capteur selon la figure, il s'agit par exemple de -80 d'angle jusqu'à +80 d'angle). Dans ce cas également, les valeurs angulaires précises du point initial et du point final d'une course partielle sont sans importance pour le procédé de mesure. (5) On termine l'enregistrement des données. (6) Le programme d'ordinateur démarre pour exploiter automatique- ment les données enregistrées. (7) Le programme d'ordinateur présente le résultat sous les formes suivantes : - courbe de mesure pour le couple total ou des couples partiels, - tableau des paramètres des couples partiels, -indication essai réussi/essai non réussi , c'est-à-dire que les valeurs de mesure se situaient à l'intérieur ou à l'extérieur de la plage de tolérance prédéfinie, - message valeur de mesure exploitable/valeur de mesure non exploitable . Au lieu de déplacer le rotor en le poussant plusieurs fois dans la plage angulaire intéressante, il est également possible dans le cadre de l'invention de faire cela en variante par une unique impulsion appliquée au rotor (les détails des conditions appliquées aux valeurs de mesure sont données ultérieurement). L'algorithme d'exploitation des données de mouvement enregistrées se déroule comme suit : Les données d'entrée de l'algorithme sont les valeurs angulaires w(ti) détectées aux instants t. (1) Tout d'abord on calcule pour la fonction w(ti) , les fonctions cor- respondantes de la vitesse v(ti) et de l'accélération a(ti) du rotor. w, v et a décrivent totalement l'état de mouvement du rotor à l'instant t. (2) A partir de la fonction a(ti) et du moment d'inertie connu I du rotor, on calcule le couple M(ti) appliqué au rotor. M(t, ) = I . a(t, ) (eq. 1) (3) Puis on détermine les segments de temps dans les données enregistrées au cours desquels le drapeau n'est soumis à aucun cou- ple externe. Il s'agit de la plage de mouvement libre (lorsque le doigt de l'opérateur ne touche plus le drapeau). Les plages de 20 mouvement libre et de mouvement forcé se distinguent par l'amplitude et l'évolution chronologique de l'accélération. Lors-qu'on touche avec le doigt, le rotor subit une forte accélération impulsionnelle. Cette accélération importante n'est établie que pendant le contact du doigt avec le drapeau. A un intervalle de sécurité dans le temps après la fin de l'impulsion, le drapeau est supposé libre de toutes forces externes. Les valeurs M(ti) situées dans les plages de mouvement libre pour le couple correspondent au couple interne global appliqué au rotor. On obtient ainsi les valeurs recherchées pour le couple interne et on termine le procédé. Dans la plage de mouvement libre, les couples sont indépendants du temps et ne sont qu'une fonction des grandeurs d'état de mouvement angle, vitesse et signe algébrique de la vitesse : M(wi ,vi ,ut )=M(w(t, ),v(t, ),u(ti)) (eq.2) Pour simplifier la représentation, on a introduit la grandeur u pour le signe algébrique de la vitesse comme suit : u = -1 pour v 0 en effet, certains types de frottements ne dépendent que du signe algébrique mais non de la valeur absolue de la vitesse v. En cas de frotte-ment, le rotor se décrit par les deux fonctions suivantes M(w, v -1) et M(w,v,+1). Pour apprécier la précision du capteur, seul un ou plu-sieurs couples partiels sont déterminants dans le couple global. Selon 30 une réalisation particulièrement avantageuse de l'invention, on détermine pour cela également les différents couples partiels. Ainsi, on développe l'algorithme décrit ci-dessus des étapes (4) à (7) suivantes. Pour le mouvement du rotor, on suppose l'équation de la somme des couples suivante : 35 10 6 M (w, v, u) = L m1(w, v, u) = M, (w, u) + M, (v, u) (eq.4) dans cette équation, mi représente les différents couples partiels qui peuvent se répartir en couple Mä dépendant de la vitesse et en couple 5 Mw indépendant de la vitesse : M v(v,u)=F1 •v+F2 •u •v2 (eq.5) M w(w, u) = M (w,u) = L aJ (u) • zi (w) (eq.6a) La composante Mw (w,u) peut se décrire par une bonne approximation pour de nombreuses applications sous la forme sui-vante : 15 M w(w, u) = M , u) = SB + Fo • u (eq.6b) +S1•w+Fow•u•w +G•sin(a)•cos(w-WG ) Le couple interne total se compose à tout instant du 20 mouvement libre de la somme des différents couples partiels pour les forces de ressort, le balourd statique et le frottement ; le frottement se subdivise en plusieurs composantes pour différents types de frottements. Pour le frottement, du fait de la complexité des opérations réel-les de frottement, on fait une évaluation générale avec une série en v 25 que l'on arrête après le second ordre. Les paramètres F de la série des puissances s'interprètent en général comme suit : - Fo : frottement de Coulomb, frottement de glissement indépendant de la vitesse pour des surfaces de friction non lubrifiées (équation 6b), - Fl : frottement liquide pour des surfaces de frottement séparées un 30 film lubrifiant ayant un écoulement laminaire (équation 5), - F2 : frottement de liquide et de gaz engendré par un écoulement tur- bulent (équation 5). Pour une éventuelle dépendance entre le frottement et l'angle w on développe une série de puissance que l'on arrête après 35 l'élément du premier ordre en w avec le paramètre Fow (équation 6b). Le ressort se décrit par la constante de ressort SI et la précontrainte SB du ressort (équation 6b). Le couple engendré par le balourd statique G du rotor est dépendant de la position w du rotor et de la position de montage du capteur, c'est-à-dire de l'angle a entre l'axe 5 du rotor et la direction de la force de gravitation. Le couple est nul si l'axe du rotor est parallèle à la direction de la force de gravitation. La figure montre un axe de rotor 5 faisant un angle a = 90 degrés pour une position angulaire w = 0 degrés du drapeau 1. Le balourd se détermine par la masse du rotor et la position du centre de gravité. La distance entre le centre de gravité et l'axe du rotor ainsi que la masse du rotor se décrivent par G, la position angulaire du centre de gravité par WG. Du fait de la forme allongée d'un drapeau, on peut supposer en général avec une précision suffisante que le centre de gravité se situe sur l'axe longitudinal du drapeau, c'est-à- dire wG = 0 ou 180 degrés. Pour des systèmes de rotors réels, on aura en plus des couples donnés dans l'équation 6b, d'autres couples M wp2 qui ne peu-vent se modéliser difficilement. Une reproduction précise de l'évolution de M w(w, u) = M ,,pi(w, u) + M ,,2(w, u) peut se faire par une fonction générale M wk (équation 6a), par exemple par une fonction Spline dont les paramètres n'ont toutefois aucune signification physique directe. Pour un tracé quelconque de M w(w, u), il est ainsi toujours possible d'avoir une description totale du système de rotor par M wk et M v. Dans l'hypothèse que les couples supplémentaires M wp2 ou leur valeur moyenne glissante sont négligeables dans les parties importantes de la plage angulaire, le modèle physique M Wpl décrira avec suffisamment de précision les couples partiels essentiels. L'évolution exacte de M w(w,u) est en outre représentée par Mwk. Les plages angulaires non modélisables sont soit connues pour un certain type de rotor, soit déterminées dans l'étape 6 décrite ci-après par le procédé des moindres carrés. Chacun des couples partiels est une fonction de l'état de mouvement du rotor décrit par w, v et a et d'un paramètre indépendant de l'état de mouvement. (4) Pour poursuivre l'algorithme selon l'invention on classe le cas échéant tout d'abord les plages de mouvement libre selon différents modes de mouvement du rotor. Le rotor a de façon générale différents modes de mouvement qui se définissent chaque fois par des jeux de paramètres propres. On pourra par exemple avoir une évolution vers un autre mode qui se définit chaque fois par des jeux de paramètres propres. On pourra par exemple avoir une évolution vers un autre mode si aux faibles vitesses, le frottement de glissement se transforme en frottement d'accrochage. Pour chacun de ces modes il faut exécuter séparément les étapes 5-7 suivantes. (5) Dans l'étape suivante, pour chaque instant ti, en substituant les valeurs d'état de mouvement déjà connues w(tt), v(tt) dans l'équation du couple total (équation 4 en liaison avec l'équation 5 en utilisant les équations 6a et 6b) on détermine les composantes c1 dépendant du mouvement des couples partiels m~. M i(w, v, u) = L m1(w, v, u) _ L m1(w(ti), v(ti), u (ti)) = L p; ' c; (w(ti), v(ti), u (ti)) (eq.7) Les paramètres pi décrivent les composantes d'un couple partiel mi(tt) indépendant de l'état de mouvement du rotor. (6) L'ensemble des coefficients c1 se détermine en différents instants de mesure tt, globalement avec les valeurs correspondantes M(tt) d'un système d'équation donnant les paramètres pi. Cela se fait par exemple par le procédé des moindres car- rés. Ainsi, les couples partiels internes sont totalement définis. Dans la solution du système d'équation on peut tenir compte avantageusement de l'influence de la vitesse sur la résolution angulaire de M ,, ( w, u) . La largeur de la plus petite structure résolvable Ouvres de la fonction M ,,,,(w, u) pour l'angle w est donnée par la fréquence de détection fs du signal angulaire et de la vitesse v du drapeau : LXwres(w)= v(w) (eq.8) fs Pour optimiser la résolution angulaire, on pondère la participation des différentes équations à la vitesse pour que l'influence d'une équation augmente en fonction de la diminution de la vitesse. A partir du système d'équation (éq.7) ci-dessus on déduit les exigences concernant un jeu minimum de valeurs de mesure : - chaque valeur de mesure définit une équation. C'est pourquoi il faut que le nombre des valeurs de mesure soit supérieur au nombre des paramètres à déterminer, - on obtient une indépendance linéaire des équations par les valeurs de mesure qui diffèrent en w, v et u, - si un système de rotor déterminé se décrit de manière suffisante par moins de couples partiels (équation 5 et équation 6b), le nombre de valeurs de mesure nécessaire diminue de façon correspondante, - une couverture continue de la plage angulaire n'est nécessaire pour déterminer MWk(u,v) (équation 6a), - la résolution angulaire peut être optimisée en accélérant le drapeau par plusieurs petits chocs au lieu d'un choc important (voir équation 8). (7) Le résultat peut être émis par l'utilisateur sous la forme d'une liste des paramètres pi indépendants de l'état de mouvement du rotor ou encore sous la forme d'une représentation graphique de la fonction suivante : M x(w,v,u) = E p. 1 (w, v, u) (eq.9) on fait la somme des couples partiels intéressants j. Il peut être important de distinguer les différents couples partiels par exemple si les courbes de couples enregistrées à l'état ins- tallé doivent être comparées à des courbes enregistrées au cours de la 5 10 fabrication du capteur. Pour cela, il faut éliminer les valeurs de mesure des couples dépendant de la position de montage. Pour la représentation de la paire de courbes de couples indépendante de la position de montage (u=+/ -1) pour la vitesse fixe vo on aura : M g(W,VO,u) =M wk(W,u)+M v(VO,u)ùM wpl,red(W,u) (eq.10) Dans cette équation M wp l,red ne contient que les couples dépendant de la position de montage selon l'équation 6b. 15 REVENDICATIONS 1 ) Procédé pour déterminer le couple interne d'un rotor d'un capteur de sens d'écoulement, caractérisé en ce qu' on détermine le couple interne à partir de l'évolution chronologique du mouvement du rotor dans une phase de mouvement libre au cours de laquelle le rotor n'est soumis à aucun couple extérieur. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on génère une phase de mouvement libre au cours de laquelle on met tout d'abord le rotor en mouvement et ensuite on l'abandonne à lui-même pour qu'il puisse se déplacer sans être soumis à des couples extérieurs. 3 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rotor est mis en mouvement par une action brusque. 4 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase de mouvement libre s'étend sur au moins 10 degrés d'angle. 5 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour déterminer le couple interne on introduit plusieurs phases de mouvement libre, produites dans des segments angulaires différents. 6 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les segments angulaires de mouvement libre en tout couvrent l'ensemble de la plage angulaire autorisée du rotor. 7 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'- on met le rotor en mouvement et ensuite on le laisse libre de façon qu'il puisse se déplacer sans être soumis à aucun couple extérieur, en enregistrant la position angulaire du rotor de façon continue en fonction du temps, - on détermine la vitesse et l'accélération ainsi que le couple appliqué au rotor à partir de la relation enregistrée angle/temps du rotor, et - on détermine les phases de mouvement au cours desquelles le rotor n'est exposé à aucun couple extérieur à partir de l'évolution chrono-logique de la vitesse, de l'accélération et/ou du couple, le couple au cours de la phase de mouvement libre correspondant au couple intérieur. 8 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on détermine en plus les composantes des différents couples partiels dans le couple intérieur total. 9 ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu' on détermine les composantes des différents couples partiels dans tout le couple intérieur en procédant comme suit : - on détermine la partie des différents couples partiels dépendant de l'état de mouvement du rotor à partir des valeurs mesurées ou dé-duites de l'état de mouvement de l'angle, de la vitesse et de l'accélération, chaque fois pour plusieurs instants de mesure, - on détermine la partie des différents couples partiels indépendante de l'état de mouvement du rotor à partir de valeurs dépendant de l'état de mouvement pour plusieurs instants de mesure. 10 ) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu' on détermine la partie indépendante de l'état de mouvement du rotor en résolvant un système d'équations, ce système étant défini par la globalité des composants dépendant de l'état de mouvement pour les couplespartiels ainsi que du couple intérieur total correspondant, chaque fois à différents instants de mesure. 11 ) Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu' on pondère la participation des différentes équations du système d'équations avec la vitesse de façon que l'influence d'une équation augmente avec la diminution de la vitesse. 12 ) Procédé selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu' on détermine les couples partiels pour plusieurs modes de mouvements différents du rotor.15