Brevet FR2957413A1 — publié le 20110916

La présente invention concerne un dispositif de mesure de la 10 position d'un objet dans une enceinte fermée. Elle concerne plus particulièrement un dispositif de mesure de la position d'un objet métallique dans une enceinte fermée métallique. 15 Elle concerne notamment un dispositif de mesure de la position d'un objet métallique amagnétique dans une enceinte fermée métallique magnétique. Elle concerne en particulier un dispositif de mesure de la position 20 d'un objet métallique amagnétique située à l'intérieur d'une enceinte métallique ferromagnétique, cette enceinte étant fermée, étanche et remplie d'un fluide isolant électriquement. Actuellement il existe de nombreux systèmes magnétiques 25 permettant de connaître le déplacement linéaire d'un solide. Les capteurs de type "LVDT" de l'anglais " Linear Variable Differential Transformer", sont bien connus. Ils permettent de définir la position d'un solide magnétique appelé noyau positionné à l'intérieur d'un ensemble de trois bobines appelées transformateur. Le transformateur est en général constitué de trois bobines de 30 formes cylindriques et coaxiales, une primaire, et deux secondaires. Un noyau ferromagnétique coulisse dans l'axe du transformateur. Lors de son 1 mouvement, il modifie la distribution des champs à l'intérieur du transformateur. On applique une tension alternative cyclique comprise entre 2000 et 5000 Hz sur le primaire et on mesure les tensions des secondaires. Les avantages de ces capteurs sont réels mais ont des caractéristiques particulières inhérentes à leur fonctionnement qui empêchent de les utiliser dans certains cas. En effet lorsque le noyau est placé dans une enceinte métallique magnétique, les parois de l'enceinte canalisent les lignes de champs et empêchent d'engendrer des modifications de ces lignes de champs selon la position du noyau. Ceci est encore plus vrai quand le noyau est amagnétique, car insensible aux lignes de champs. Il existe, d'autre part, des systèmes basés sur les "courants de Foucault" du nom de leur inventeur. Les "courants de Foucault" sont des courants électriques créés dans une masse conductrice, soit par la variation d'un champ magnétique extérieur soit par un déplacement de cette masse conductrice dans un champ magnétique constant. Ce phénomène a été découvert par le physicien français Léon Foucault en 1851. Le champ magnétique variable au cours du temps est responsable de l'apparition d'une force électromotrice à l'intérieur du milieu conducteur. Cette force électromotrice induit des courants dans la masse. Ces courants ont deux effets : premièrement, ils provoquent un échauffement par effet Joule de la masse conductrice et deuxièmement, ils créent un champ magnétique qui s'oppose à la cause de la variation du champ extérieur. Les courants induits sont les plus significatifs lorsque la fréquence imposée est inférieure à la centaine d'Hertz. Mais lorsque le noyau est placé à l'intérieur d'une enceinte métallique magnétique, les lignes de champs suivent cette enceinte qui forme un écran. Ainsi l'effet sur le noyau est trop faible pour être utilisé. De nombreux brevets relatifs à l'art antérieur existent. A titre d'exemple le brevet français N°2 921 720 décrit un dispositif d'acquisition à double chaine de démodulation, mais ne permet pas de mesurer la position d'un objet amagnétique dans une enceinte fermée comprenant des parois magnétiques. Dans la description qui suit les termes suivants auront la défmition suivante : - Transimpédance : impédance globale à travers plusieurs bobines. - tension alternative : Une tension alternative périodique est caractérisée par sa fréquence, mesurée en hertz (Hz). C'est le nombre d'« allers-retours » qu'effectue la tension électrique en une seconde. Un courant alternatif périodique de 50 Hz effectue 50 « allers-retours » par seconde, c'est-à-dire qu'il change 100 fois (50 allers et 50 retours) de sens par seconde. - courant alternatif : Un courant alternative périodique est caractérisé par sa fréquence, mesurée en hertz (Hz). C'est le nombre d« Des expériences ont été réalisées et ont confirmé que ni le concept "LVDT" ni le concept "courant de Foucault" pris séparément ne permet de déceler la position d'un noyau solide dans le cas particulier où un noyau amagnétique serait inclus à l'intérieur d'une enceinte fermée magnétique. Par contre il a été observé que si on réalise un dispositif permettant de se placer au confluent de ces deux technologies, il est possible d'obtenir un signal variant de façon univoque en fonction du déplacement du solide amagnétique. L'objectif est de déterminer la position d'un solide amagnétique inclus dans une enceinte fermée, la paroi de cette enceinte étant magnétique. L'application principale de cette invention est de permettre la détermination de la position d'un solide amagnétique inclus dans une enceinte fermée, la paroi de cette enceinte étant magnétique et donc de mesurer le déplacement de ce solide de façon continue et en temps réel. D'autres applications existent et seront facilement imaginées par l'homme de l'art. L'invention parvient à résoudre les problèmes énoncés précédemment en proposant un dispositif spécialement bien adapté permettant à un opérateur de connaitre en temps réel la position d'un solide amagnétique placé à l'intérieur d'une enceinte fermée, les parois de cette enceinte étant magnétiques, le dispositif étant composé - de trois bobinages B1, B2, B3 disposés sur un support isolant amovible S1 pouvant glisser à l'extérieur de ladite enceinte fermée et comprenant un moyen de fixation par rapport à ladite enceinte fermée pendant la mesure, les deux bobinages extrêmes B I et B3 étant enroulés de façon opposée, reliés entre eux et excités par un courant alternatif de fréquence égale à une fréquence sensiblement égale à la fréquence F correspondant au point d'inflexion PI de la courbe représentant la valeur de la phase de la transimpédance par rapport à la fréquence d'excitation, la bobine B2 comprenant deux bornes B21 et B22 et étant placée entre les deux bobines B1 et B3, - d'un moyen permettant la mesure de la tension alternative aux bornes de la bobine B2, - d'un moyen permettant la mesure de l'intensité alternative circulant dans la bobine B1 et B3, - d'un moyen d'analyse permettant de calculer le rapport entre le module de la tension de la bobine B2 et le module de l'intensité du courant circulant dans les bobines B1 et B3, - d'un moyen d'analyse permettant de calculer le déphasage entre la tension de la bobine B2 et l'intensité des bobine B1 et B3, - d'un moyen de calcul univoque permettant de définir la position du solide amagnétique en fonction de la partie réelle de la transimpédance ZR telle que la position P du solide amagnétique soit une fonction univoque de la partie réelle de la transimpédance (P=Fonction(ZR)). Dans des modes de réalisation non limitatifs, le dispositif selon l'invention pourra présenter avantageusement les éléments et/ou les caractéristiques supplémentaires décrits ci-après pris isolément ou en combinaison de manière avantageuse dans lequel : - le moyen de calcul univoque permettant de définir la position du solide amagnétique est une fonction de la partie imaginaire de la transimpédance Z telle que la position P est une fonction univoque de la partie imaginaire de la transimpédance (P=Fonction(ZI)) - la bobine B2 est placée entre les deux bobines B I et B3 de telle façon que le champ magnétique reçu par cette bobine B2 soit minimal pour une des positions extrêmes dudit solide amagnétique. - la fréquence F de mesure est comprise entre la fréquence F moins 30 200 hertz et la fréquence F plus 1000 hertz. - les bobinages sont constitués de fils conducteurs de diamètre inférieur à I millimètre. - les bobinages sont constitués de fils conducteurs comme 5 l'aluminium, le cuivre, l'or ou l'argent ou de fils supraconducteurs. - le support isolant est en matériaux isolants électriquement comme les matières plastiques ou les composites à base de fibres de verre ou de "Kevlar". - le support isolant a une épaisseur mince inférieure à 5 mm dans les zones supportant les bobinages B1, B2 et B3. - le solide amagnétique beigne dans un fluide isolant ou dans le 15 vide. - le fluide isolant est de l'huile. 20 Un mode de réalisation de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, en faisant référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement un dispositif permettant de mettre en oeuvre la mesure non destructive et en temps réel de la position 25 d'un solide amagnétique dans une enceinte fermée comprenant des parois magnétiques selon l'invention. - la figure 2 représente dans un repère logarithmique l'évolution de la valeur du module d'impédance MI exprimé en Ohm en fonction de la fréquence F. 10 - la figure 3 représente dans un repère logarithmique en abscisse, et normal en ordonnée, l'évolution de la valeur de l'angle de phase en fonction de la fréquence F. La figure 1 est une coupe schématique d'une enceinte fermée magnétique (1) contenant un fluide (3). A l'intérieur de cette enceinte fermée se trouve un solide amagnétique (2) pouvant se déplacer à l'intérieur de cette enceinte fermée. Une bague S1 pouvant coulisser à l'extérieur de l'enceinte fermée magnétique est réalisée en matériau isolant comprend trois bobinages B1, B2, B3. Le bobinage B2 est placé entre les bobinages B1 et B3. Une tension alternative est appliquée aux bornes B 11 et B22 de la bobine B2. Les bobinages B1 et B3 sont enroulés en sens inverse. Les bobinages B1 et B3 sont reliés de façon à n'avoir que deux bornes de sortie B 11 et B31. Un ampèremètre (4) permet de mesurer l'intensité alternative produite aux bornes B11etB31. La figure 2 représente dans un repère logarithmique l'évolution de la valeur du module d'impédance MI exprimé en Ohm en fonction de la fréquence F exprimée en Hertz. Trois zones caractéristiques sont représentées : ZR qui est la zone résistive, ZI qui est la zone inductive, et ZC qui est la zone capacitive. La figure 3 représente dans un repère logarithmique en abscisse, et normal en ordonnée, l'évolution de la valeur de l'angle de phase en fonction de la fréquence F. Trois zones caractéristiques sont représentées : ZR qui est la zone résistive, ZI qui est la zone inductive, et ZC qui est la zone capacitive. Le point d'inflexion PI est également représenté. Il correspond à la fréquence F utilisée pour exciter la bobine B2. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 1 une enceinte fermée 1 contient un fluide isolant 3 ici de l'huile. Un solide amagnétique peut se déplacer à l'intérieur de l'enceinte. Sous l'effet d'une accélération extérieure, le solide amagnétique a tendance à se déplacer dans l'enceinte. Pour mesurer en temps réel la position du solide amagnétique on place à l'extérieur de l'enceinte un ensemble de trois bobines B I, B2, et B3 enroulées sur une structure isolante S 1. Cette structure S1 est amovible pour pouvoir tester plusieurs enceintes avec le même dispositif non destructif, mais comprend une vis de blocage (non représentée) permettant de fixer la structure S 1 sur l'enceinte pendant la mesure. La bobine B2 est placée sensiblement au milieu entre les bobines B1 et B3. Les bobines B1 et B2 sont enroulées en sens inverse l'une de l'autre et reliées entre elles par une de leur extrémité. . Les deux bornes B12 et B31 de l'ensemble des deux bobine B1 et B3 sont reliée à un excitateur alternatifs générant un courant alternatif dans les deux bobines. Ici la fréquence d'excitation est fixée à 305 Hertz correspondant à la fréquence du point d'inflexion PI de la courbe représentant l'évolution de la transimpédance en fonction de la fréquence. La tension alternative lue V aux bornes B22 et B21 de la bobine B2 permet de reliée de façon univoque quasi linéaire la tension V avec la position du solide amagnétique. Des essais ont permis de calibrer les écarts avec la droite théorique. On voit donc qu'il est possible de réaliser de façon industrielle un dispositif permettant de mesurer en temps réel et de façon non destructive la position d'un solide amagnétique situé dans une enceinte fermée magnétique. L'homme de l'art pourra appliquer ce concept à de nombreux 25 autres systèmes similaires sans sortir du cadre de l'invention défini avec précision dans les revendications jointes. REVENDICATIONS1) Dispositif de mesure non destructif permettant à un opérateur de connaitre en temps réel la position d'un solide amagnétique placé dans une enceinte fermée, les parois de cette enceinte fermée étant magnétiques, caractérisé par la présence - de trois bobinages B I, B2, B3 disposés sur un support isolant amovible S1 pouvant glisser à l'extérieur de ladite enceinte fermée et comprenant un moyen de fixation par rapport à ladite enceinte fermée pendant la mesure, les deux bobinages extrêmes B I et B3 étant enroulés de façon opposée, reliés entre eux et excités par un courant alternatif de fréquence égale à une fréquence sensiblement égale à la fréquence F correspondant au point d'inflexion de la courbe représentant la valeur de la phase de la transimpédance par rapport à la fréquence d'excitation, la bobine B2 comprenant deux bornes B21 et B22 et étant placée entre les deux bobines B1 et B3 - d'un moyen permettant la mesure de la tension alternative aux bornes de la bobine B2 - d'un moyen permettant la mesure de l'intensité alternative circulant dans la bobine B I et B3. - d'un moyen d'analyse permettant de calculer le rapport entre le 25 module de la tension de la bobine B2 et le module de l'intensité du courant circulant dans les bobines B1 et B3, - d'un moyen d'analyse permettant de calculer le déphasage entre la tension de la bobine B2 et l'intensité des bobine B1 et B3, - d'un moyen de calcul univoque permettant de définir la position 30 du solide amagnétique en fonction de la partie réelle de la transimpédance ZRtelle que la position P du solide amagnétique soit une fonction univoque de la partie réelle de la transimpédance (P=Fonction(ZR)) 2) Dispositif de mesure non destructif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen de calcul univoque permettant de définir la position du solide amagnétique est une fonction de la partie imaginaire de la transimpédance Z telle que la position P est une fonction univoque de la partie imaginaire de la transimpédance (P=Fonction(ZI)) 3) Dispositif de mesure non destructif selon une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que la bobine B2 est placée entre les deux bobines B I et B3 de telle façon que le champ magnétique reçu par cette bobine B2 soit minimal pour une des positions extrêmes dudit solide amagnétique. 4) Dispositif de mesure non destructif selon une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la fréquence F de mesure est comprise entre la fréquence F moins 200 hertz et la fréquence F plus 1000 hertz. 5) Dispositif de mesure non destructif selon une des revendications 20 1 à 4 caractérisé en ce que les bobinages sont constitués de fils conducteurs de diamètre inférieur à 1 millimètre. 6) Dispositif de mesure non destructif selon une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les bobinages sont constitués de fils d'argent à 25 température ambiante ou de fils supraconducteurs. 7) Dispositif de mesure non destructif selon une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le support isolant est en matériau plastique. 8) Dispositif de mesure non destructif selon une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le support isolant a une épaisseur mince inférieure à 5 mm dans les zones supportant les bobinages B1, B2 et B3. 9) Dispositif de mesure non destructif selon une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le solide amagnétique beigne dans un fluide isolant. 10) Dispositif de mesure non destructif selon une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que le solide amagnétique est placé dans le vide.