Brevet FR2930677A1 — publié le 20091030

SYSTEME OPTRONIQUE IR A MAINTENANCE PREDICTIVE A PARTIR D'UNE DERIVE BRUTALE Le domaine de l'invention est celui des systèmes optroniques tels que des caméras thermiques, équipés de détecteurs infrarouges (� IR �) refroidis aussi désignés détecteurs-refroidisseurs. La figure 1 présente une conception classique de détecteur-refroidisseur qui comporte : un détecteur IR 1 placé dans une enceinte à vide (cryostat 2) qui maintient la température de cette enceinte à une température de fonctionnement du détecteur soit environ -200 ~o °C, une machine à froid 3 qui utilise par exemple de l'hélium et fournit au cryostat le froid nécessaire pour amener (en général baisser) sa température d'une température ambiante à la température de fonctionnement. Le temps nécessaire pour 15 atteindre la température de fonctionnement est désigné � Temps de Mise en Froid � (TMF). La performance de l'ensemble est mesurée sur une plage de température significative : de -173°C à -190°C. Le TMF pour passer de - 173°C à -190°C est typiquement de quelques dizaines de 20 secondes. un dispositif d'asservissement 4 de cette machine à froid en fonction de la température du détecteur TD fournie par un capteur 8. Les détecteurs-refroidisseurs utilisés aujourd'hui sont fragiles, 25 hétérogènes en ce sens que deux détecteurs-refroidisseurs identiques ne se comportent pas de la même manière, et coûteux. La maintenance actuelle se limite à constater la panne lorsqu'elle survient c'est-à-dire en détectant une sortie de spécification du temps de mise à froid. La panne entraîne des indisponibilités et de l'insatisfaction de la part des utilisateurs. De plus les 30 coûts de maintenance sont élevés. En conséquence, il existe à ce jour un besoin pour un système permettant de pallier les inconvénients précités sans pour autant augmenter son encombrement. Le principe qui sous-tend l'invention consiste à anticiper les dysfonctionnements c'est-à-dire à réaliser une maintenance prédictive afin de limiter les pannes. Cette maintenance prédictive est basée sur un suivi de 5 l'état de santé du refroidisseur-détecteur. Plus précisément elle est effectuée à partir de la mesure de la dérive du temps de mise à froid. En effet cette dérive du TMF peut trahir : - une fuite de l'hélium de la machine à froid, - une pollution de l'hélium, ~o - une dégradation du vide du cryostat, - avec pour conséquence une fatigue de la machine à froid sous forme de : - dégradation des éléments mécaniques de la machine à froid, - dégradation de l'isolation thermique, 15 - variation de la température interne du système optronique lors du démarrage de la mise en froid, - variation de la température initiale du détecteur lors du démarrage de la mise en froid. Le temps de mise en froid augmente lorsque la machine à froid 20 fatigue. A chaque démarrage de la machine à froid on mesure ce TMF. L'invention est basée sur un traitement statistique de ces données. Ceci permet de détecter une évolution significative de ce TMF pour ainsi estimer le potentiel de vie du détecteur-refroidisseur. Un des inconvénients de ce traitement statistique réside dans le 25 stockage des données car les systèmes optroniques ont peu de mémoire disponible pour la maintenance. L'utilisation du modèle statistique de Koenig-Huyghens permet de s'affranchir des problèmes de stockage. L'algorithme permet à chaque détecteur-refroidisseur de construire seul son propre modèle de comportement. Le système est � auto-adaptatif �. 30 Plus précisément l'invention a pour objet un système optronique équipé : a. d'un détecteur-refroidisseur qui comprend : i. une machine à froid, 35 ii. un cryostat, iii. un détecteur IR placé dans le cryostat, iv. un capteur de la température TD du détecteur, b. d'une carte de traitement qui comporte des moyens d'asservissement de la machine à froid en fonction de la température TD. II est principalement caractérisé en ce que le système comprend un capteur de la température T5 interne au système, et en ce que la carte de traitement comprend des moyens de calcul : du temps de mise à froid TMF à partir des températures TD et Ts, à chaque cycle � Marche-Arrêt � du détecteur-refroidisseur, - de l'évolution de la dérive du temps de mise à froid TMF, en fonction du nombre de cycles � Marche-Arrêt � du détecteur-refroidisseur, d'une dérive brutale en fonction de ladite évolution de la dérive du TMF, et des moyens de stockage de données utilisées dans lesdits calculs et en ce que ces données sont des données cumulées et non pas les mesures de températures TD et Ts ni lesdits TMF, afin de limiter la taille 20 des moyens de stockage. Cette solution permet donc avec un minimum d'espace mémoire de déterminer toute dérive brutale de son comportement. II en résulte notamment une économie de l'espace mémoire nécessaire aux autres applications du système optronique, une meilleure maîtrise du détecteur- 25 refroidisseur par l'utilisateur, une amélioration des performances opérationnelles, une augmentation de l'autonomie par une diminution de l'énergie consommée par le détecteur refroidisseur. On se donne alors l'opportunité de : déclencher une opération de maintenance préventive car les 30 défauts décelés sont réversibles, donner le choix à l'utilisateur de partir en mission avec un détecteur-refroidisseur en bon état plutôt qu'un autre au potentiel trop entamé. Il comprend avantageusement un indicateur de maintenance 35 prédictive relié aux moyens de calcul. 10 15 Selon une caractéristique de l'invention, la dérive brutale est définie en fonction d'un TMF moyen. Selon une autre caractéristique de l'invention, le calcul est réalisé à partir d'une somme des TMF, d'un nombre de mises en froid cumulé, et 5 d'un cumul des carrés des TMF. De préférence, le calcul est réalisé pour différentes classes de température TD du détecteur. La somme de TMF, le nombre de mises en froid cumulé, et le cumul des carrés des TMF sont typiquement réalisés pour une classe de 1 o température. Chaque classe de température fait avantageusement l'objet de calculs indépendants. Ce système est par exemple une caméra thermique. 15 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 déjà décrite représente schématiquement un système optronique selon l'état de la technique, 20 la figure 2 représente schématiquement un système optronique selon l'invention, la figure 3 est un organigramme présentant la méthode de détection d'une dérive brutale et soudaine, la figure 4 représente schématiquement une courbe de 25 température du détecteur en fonction du temps. D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références. Le système selon l'invention représenté figure 2, comprend en 30 plus du système de l'état de la technique, un capteur 9 de la température TS interne au système et des moyens de calcul 5 et de stockage de données 10, ainsi qu'un indicateur 6 de maintenance prédictive. L'invention est basée sur un traitement statistique des mesures du TMF lors de chaque démarrage de la machine à froid 3. Cela permet de 35 détecter une évolution significative de ce TMF c'est-à-dire de vérifier que ce TMF ne dérive pas de manière inacceptable. Cela revient à détecter une dérive brutale et soudaine du TMF. Ce calcul est décrit en relation avec l'organigramme de la figure 3. Ce calcul est basé sur la mesure de la température TD du détecteur et de la température interne Ts du système optronique (étape A). Ces mesures sont ensuite validées (étape B) c'est-à-dire ne sont prises en compte que dans certaines conditions. En effet, les éléments suivants perturbent la mesure du TMF ; il faut donc s'affranchir de ces perturbations. a. Une variation de la température interne caméra lors du démarrage de la mise en froid. Le calcul est réalisé pour différentes classes de température TD ou Ts, par exemple par pas de 5°C. Chaque classe de température fait l'objet d'un calcul de moyenne / écart-type indépendant. II n'est donc pas utile de ramener les mesures à une température de référence. De plus, on considère que pour un système optronique donné, les conditions d'emploi sont assez reproductibles et donc centrées sur 2 ou 3 classes de températures. b. Une variation de la température initiale du détecteur lors du démarrage de la mise en froid. Si la mise en froid est réalisée peu de temps après un arrêt, le TMF peut être très court (le cryostat reste froid quelques heures après l'arrêt de la MAF). Ce TMF n'est alors pas représentatif car la mise en froid ne réalise pas un cycle complet de mise en froid. Ces cas sont éliminés par comparaison de la température TD initiale avec la température interne Ts du système. Si TD s'écarte trop de T5, la mesure n'est pas prise en compte. Une fois les mesures validées, un calcul pour chaque classe de températures, de l'écart type et de la moyenne des TMF mesurés permet de vérifier que la mesure TMF courante reste acceptable. Chaque classe de températures fait l'objet de calculs indépendants. Il n'est donc pas utile de ramener les mesures à une température de référence. L'écart type est de préférence calculé selon le théorème de Koenig-Huyghens. Ce théorème permet de calculer l'écart type d'un échantillon de données sans sauvegarder l'ensemble des mesures. A chaque mesure, les données sont réévaluées puis sauvegardées. La mesure des TMF, TD et Ts est quant à elle perdue. Pour chaque classe de température on utilise les données suivantes : - TMF_TOT qui est la somme de tous les TMF dans la classe de température considérée, - Nb-cycles qui est le nombre de mises en froid cumulé dans la classe de température considérée, - TMF_CARRE qui est le cumul des carrés des TMF dans la ~o classe de température considérée ; ce TMF_CARRE sert au calcul de l'écart-type, - ERREUR qui est le compteur des mesures qui dépassent le TMF moyen de k écart-type. La quantité k d'écart-type reste un paramètre pouvant être ajusté en fonction des retours d'expérience afin d'améliorer la pertinence 15 de ce compteur. Ces données sont des données cumulatives dont la valeur évolue en fonction de la mesure courante. Il n'y a pas de sauvegarde de chaque mesure. Ceci permet de limiter l'espace mémoire dédié à ce test de dérive brutale du TMF. 20 Les 3 premières données sont sauvegardées dans un tableau de K colonnes, K étant le nombre de classes de températures différentes, les lignes du tableau correspondant à ces données. Le nombre K est par exemple déterminé par le nombre de tranches de 5°C. Le compteur ERREUR est incrémenté quelle que soit la température à laquelle survient 25 l'ERREUR. II n'y a donc qu'une variable ERREUR. On se reporte à l'organigramme de la figure 3. Le TMF est mesuré dans une fourchette de température prédéfinie (étape C). Celle-ci est définie à partir de la courbe de la température du détecteur en fonction du temps, 30 schématiquement représentée figure 4: cette fourchette correspond à la portion quasi-linéaire de la courbe typiquement comprise entre -173 et -190 °C. La colonne du tableau de sauvegarde des données est sélectionnée en fonction de la température TD du détecteur (étape D). 7 Diverses données sont alors calculées et sauvegardées dans ladite colonne du tableau en vue du calcul de l'évolution du temps de mise en froid : Nb-cycles (étape E), TMF_TOT (étape F), et TMF_CARRE (étape H). On calcule également le TMF moyen, TMF_MOY qui est égal à 5 TMF TOT/Nb_cycles (étape G) ; cette donnée n'est pas sauvegardée dans le tableau. On calcule alors l'écart-type (étape I) de préférence par le théorème de Koenig-Huyghens car il permet de calculer l'écart-type d'un échantillon de données sans sauvegarder l'ensemble des mesures TMF, TD 10 et T. II est calculé selon la formule suivante : ECARTYPE = ITMF CARRE _TMF MOY2 (Formule de Koenig-Huygens) Nb _ Le TMF mesuré est alors comparé à une valeur seuil (étape J) 15 représentative d'une panne imminente ; cette valeur est égale à TMF_MOY + k. écart-type. Le nombre k d'écart-type est paramétrable. On a par exemple k=2. Si TMF 20 sinon il y a un défaut et le compteur ERREUR est incrémenté (étape K) et comparé à un nombre prédéterminé P (étape L). Il est incrémenté quelle que soit la température TD à laquelle survient ce TMF : il est ainsi cumulé sur toutes les températures du détecteur. II n'y a donc qu'un compteur ERREUR pour toutes les classes de températures. Le nombre P est paramétrable. On 25 a par exemple P=3. Si le compteur ERREUR ne dépasse pas ce nombre P, alors, bien qu'une anomalie soit a priori détectée selon l'étape K, elle n'est pas considérée comme significative d'une dérive à prendre en compte. Si le compteur dépasse ce nombre P, cela signifie qu'une dérive brutale et 30 soudaine se produit ; une interface utilisateur du système optronique recommande alors un retour pour opération de maintenance préventive (étape M). Cette interface utilisateur 6 peut être une interface sonore et/ou visuelle. Les valeurs k et P peuvent être ajustées en fonction des retours 35 d'expérience afin d'améliorer la pertinence du compteur ERREUR. Cette méthode permet de s'affranchir des problèmes de disparité liés à la production. Chaque système optronique dispose d'une analyse qui lui est propre. Il n'y a pas de modèle générique. De plus, la méthode est tolérante en début de vie puis l'écart-type se resserre. Ceci laisse le temps au système optronique de � construire � son modèle. Le compteur ERREUR ne devient intéressant qu'après un certain nombre de démarrages. Ce nombre de démarrages est variable ; il est par exemple de l'ordre de 30. Cette solution permet donc avec un minimum d'espace mémoire de déterminer toute dérive brutale de son comportement. II en résulte notamment : une économie de l'espace mémoire (l'espace mémoire nécessaire est de 2 Ko) qui est ainsi disponible pour d'autres applications du système optronique, une meilleure maîtrise du détecteur-refroidisseur par l'utilisateur, une amélioration des performances opérationnelles, une augmentation de l'autonomie par une diminution de l'énergie consommée par le détecteur refroidisseur.20 REVENDICATIONS1. Système optronique équipé : - d'un détecteur-refroidisseur qui comprend : i. une machine à froid (3), ii. un cryostat (2), iii. un détecteur IR (1) placé dans le cryostat, iv. un capteur (8) de la température TD du détecteur, - d'une carte de traitement (7) qui comporte des moyens d'asservissement (4) de la machine à froid en fonction de la température TD, caractérisé en ce que le système comprend un capteur (9) de la 15 température Ts interne au système, et en ce que la carte de traitement comprend des moyens de calcul (5) : du temps de mise à froid TMF à partir des températures TD et Ts, à chaque cycle � Marche-Arrêt � du détecteur-refroidisseur, 20 de l'évolution de la dérive du temps de mise à froid TMF, en fonction du nombre de cycles � Marche-Arrêt � du détecteur-refroidisseur, d'une dérive brutale en fonction de ladite évolution de la dérive du TMF, 25 et des moyens de stockage (10) de données utilisées dans lesdits calculs et en ce que ces données sont des données cumulées et non pas les mesures de températures TD et Ts ni lesdits TMF, afin de limiter la taille des moyens de stockage. 30 2. Système optronique selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend un indicateur (6) de maintenance prédictive relié aux moyens de calcul (5). 3. Système optronique selon l'une des revendications précédentes, 35 caractérisé en ce que la dérive brutale est définie en fonction d'un TMF moyen. 4. Système optronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calcul est réalisé à partir d'une somme des TMF, d'un nombre de mises en froid cumulé, et d'un cumul des carrés des TMF. 5. Système optronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calcul est réalisé pour différentes classes de température TD du détecteur ou Ts du système. 6. Système optronique selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la somme de TMF, le nombre de mises en froid cumulé, et le cumul des carrés des TMF sont réalisés pour une classe de température. 15 7. Système optronique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque classe de température fait l'objet de calculs indépendants. 20 8. Système optronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ce système est une caméra thermique.10