Brevet FR2950401A1 — publié le 20110325

Dispositif de mesure de la position de la tige d'un piston dans le corps d'un vérin La présente invention concerne un dispositif de mesure de la position de la tige d'un piston dans le corps d'un vérin et, plus particulièrement, un dispositif du type comprenant un capteur potentiométrique linéaire, comportant une piste résistive montée dans le vérin, un curseur, relié au piston, en contact avec ladite piste résistive, et des moyens pour déterminer la position de la tige du piston dans le corps du vérin en fonction de la position dudit curseur sur ladite io piste résistive. Il est connu dans l'état de la technique de mesurer la position de la tige de piston relativement au corps d'un vérin au moyen d'un capteur potentiométrique linéaire intégré au vérin, fournissant à un appareil de mesure un signal électrique qui est fonction de la position d'un curseur lié à l'objet mobile et dont 15 les variations traduisent sa position et son déplacement. Ces capteurs fonctionnent donc sur le principe d'un potentiomètre avec le déplacement d'un curseur sur une piste résistive. Ils sont classiquement constitués d'une part, d'un profilé rectiligne sur lequel s'étend la piste résistive, qui est adapté à être maintenu axialement dans le corps du vérin par une de ses extrémités logée 20 dans le fond du vérin, de sorte à traverser le piston et la tige de piston et, d'autre part, d'un curseur fixé sur une bague enfilée sur le profilé et montée solidaire du piston. Ce système permet de recueillir, sur une borne reliée au curseur, une tension qui dépend de la position du curseur et de la tension à laquelle est soumise la piste du potentiomètre. 25 Toutefois, la mise en place de ce capteur dans le corps du vérin nécessite souvent d'avoir à modifier fortement la conception du vérin lui-même pour pouvoir y intégrer le capteur (creusement de la tige, etc.). La fourniture de vérins ainsi instrumentés est donc rendue contraignante. Il en résulte en outre un impact défavorable sur le coût de production. 30 Une alternative peut consister à placer le capteur à côté du vérin, c'est-à-dire en dehors de celui-ci. Cependant, si le capteur est situé en dehors du vérin, il n'est pas protégé, ce qui rend cette solution inappropriée dans un contexte où les agressions extérieures sont nombreuses. C'est pour cette raison qu'une telle solution est rejetée notamment par les constructeurs de machines de travaux publics. En outre, la contrainte d'avoir à placer le capteur en dehors du vérin rend plus complexe la conception de la machine sur laquelle le vérin est destiné à être monté. Un autre inconvénient concerne la durée de vie de ces capteurs, qui est limitée du fait de l'usure du ou des contacts entre le curseur et la piste sur laquelle il se déplace. Dans ce contexte, la présente invention a pour but de remédier au moins io en partie à ces inconvénients, en proposant un dispositif de mesure de la position de la tige d'un vérin, dont l'intégration au vérin est simplifiée et qui présente une grande précision. A cette fin, le dispositif de mesure de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement 15 caractérisé en ce que en ce la piste conductrice du potentiomètre est formée par le corps du vérin. Grâce à cet agencement, où le corps de vérin lui-même est utilisé comme piste de potentiomètre et où le curseur du potentiomètre est placé dans le piston, on s'affranchit avantageusement des contraintes d'intégration liées au 20 maintien d'un profilé rectiligne dans le corps du vérin, la présence d'un tel élément destiné à supporter la piste du potentiomètre étant rendue caduque par la présente invention. Selon un mode de réalisation, le dispositif de mesure comprend des moyens d'alimentation en courant du corps du vérin et les moyens pour 25 déterminer la position de la tige du piston comprennent des fils électriques de connexion reliant respectivement le curseur, par l'intermédiaire d'un premier point de prise de contact sur la tête de tige à l'extérieur du corps du vérin, et les extrémités respectives de la piste résistive, par l'intermédiaire de deuxième et troisième points de prise de contact sur la face externe du corps du vérin 30 définissant lesdites extrémités respectives, à un module de calcul adapté à effectuer un rapport des différences de tension mesurées respectivement entre le premier point de prise de contact et le deuxième point de prise de contact et entre le troisième point de prise de contact et le deuxième point de prise de contact. En outre, les moyens d'alimentation en courant du corps du vérin comprennent des fils d'amené du courant connectant respectivement un quatrième point de prise de contact externe sur la base du corps du vérin et un cinquième point de prise de contact externe sur la tête du corps du vérin à un générateur de courant continu ou alternatif. Le dispositif de mesure selon l'invention présente ainsi l'avantage de ne io nécessiter la présence d'aucun fils électriques de connexion à l'intérieur du vérin, ce qui facilite la conception de l'ensemble. De préférence, le générateur de courant est un générateur de courant alternatif connecté au corps du vérin par l'intermédiaire d'un transformateur. Avantageusement, les fils électriques de connexion reliant le curseur et les 15 extrémités respectives de la piste résistive au module de calcul comprennent des fils de thermocouple. Selon un agencement particulier, le dispositif de mesure peut encore comprendre des moyens de mesure d'un courant circulant dans la tige et des moyens d'asservissement à zéro dudit courant circulant dans la tige. 20 Cet agencement particulier permet avantageusement de pallier à une absence d'isolation électrique de la tête de la tige relativement à l'extérieur du vérin, entraînant un risque de rebouclage du courant circulant dans le vérin dans la tige, par l'intermédiaire de la structure de la machine sur laquelle le vérin est monté, au détriment de la fiabilité de la mesure. 25 Les moyens d'asservissement peuvent comprendre un générateur de courant alternatif adapté à fournir un courant de compensation à la tige et des moyens d'ajustement de ce courant de compensation fourni par le générateur en fonction du courant mesuré dans la tige. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture 30 de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la Figure 1 est un schéma illustrant un dispositif de mesure selon l'invention de la position de tige du piston par rapport au corps du vérin ; - la Figure 2 est un schéma illustrant un mode de réalisation des moyens d'alimentation en courant du vérin du dispositif de mesure selon l'invention; - la Figure 3 est un schéma illustrant un agencement particulier du dispositif de mesure selon l'invention. La Figure 1 illustre un vérin 10 comprenant un corps 13 de vérin, ou io cylindre, dans lequel coulissent un piston 12 et une tige 11 solidaire du piston 12, permettant de transmettre effort et déplacement. L'étanchéité entre le corps 13 et la tige 11 est classiquement réalisée par des joints, permettant en outre d'assurer dans de nombreux cas une isolation électrique entre ces éléments. Du fait que dans de nombreux cas, la tige de vérin et le corps du vérin 15 sont isolés électriquement, le dispositif de mesure selon l'invention prévoit d'utiliser le corps 13 du vérin comme piste P de potentiomètre, un curseur 14 étant placé sur le piston 12 de sorte à être mis en contact directement avec la piste résistive P formée par le corps même du vérin, en sa face interne. Le curseur 14 pourra par exemple être constitué d'un élément en bronze 20 autolubrifiant, de manière à ce que son contact sur le corps du vérin ne l'endommage pas. Selon une variante, dans le cas où l'étanchéité entre les deux chambres du vérin isolées par le piston est réalisée par l'intermédiaire d'un joint métallique, ce dernier pourra avantageusement jouer le rôle du curseur pour assurer le contact sur la piste formée par le corps du vérin. 25 Des points de prise de contact externe C4 et C5, situés respectivement sur la base 13b du corps du vérin et sur la tête 13c du corps du vérin, côté extérieur du corps du vérin, sont prévus pour alimenter en courant le corps du vérin. Pour ce faire, des fils d'amenés du courant 18 et 19 relient respectivement les points de prise de contact externe C4 et C5 à un générateur 30 de courant I, qui pourra être un générateur de courant continu ou alternatif et, préférentiellement un générateur de courant alternatif, comme il sera détaillé plus loin. Cette méthode d'alimentation en courant permet de s'affranchir des problèmes de résistance de contact qui perturberaient la mesure. Des points de prise de contact Cl et C2 sont prévus sur la face externe 13a du corps du vérin pour effectuer des mesures de tension VRefl et VRef2 aux extrémités respectives de la piste résistive P, correspondant aux positions voisines de fins de course du piston dans le corps du vérin, séparées par la distance de course L. Un point de prise de contact C3 est également prévu sur la tête de tige 11 a située à l'extérieur du corps du vérin, en tant que sortie de la mesure de io tension Vm au niveau du curseur 14. Des fils électriques de connexion 15, 16, 17 relient respectivement le curseur, par l'intermédiaire du point de prise de contact C3, et les extrémités respectives de la piste résistive P, par l'intermédiaire des points de prise de contact Cl et C2, à un module de calcul 20. Les impédances d'entrée au 15 module 20 des fils électriques de connexion 15, 16, 17 sont très élevées afin de s'affranchir de l'influence des résistances de contact lors de la mesure. Le module de calcul 20 est un module de calcul analogique ou numérique. L'ensemble forme alors un potentiomètre à cinq bornes, dont une borne C3 est reliée au curseur 14 se déplaçant sur le corps du vérin formant la piste 20 résistive P terminée par les deux autres bornes Cl et C2, l'alimentation en courant se faisant par les deux bornes C4 et C5. Cet ensemble permet donc au module de calcul 20 de recueillir, sur la borne C3 reliée au curseur 14, la tension Vm, qui dépend de la position X du curseur 14 (correspondant à la position de la tige par rapport au corps du vérin) 25 et de la tension à laquelle est soumise la piste résistive P, laquelle tension est définie par les tensions VRefl et VRef2 recueillies aux bornes Cl et C2 définissant les extrémités respectives de la piste P. Cet agencement permet qu'il n'y ait pas de chute de tension perturbatrice au niveau des liaisons entre les contacts sur le vérin et le module de calcul 20. A partir des mesures des tensions Vm, VRefl et VRef2, et de la longueur de course L du piston dans le corps du vérin, le module de calcul 20 est donc en mesure d'en déduire la position X de la tige du piston dans le corps du vérin : L(V ùVrefl X 2 Vrefl Comme indiqué plus haut, un tel dispositif de mesure pourra être mis en oeuvre seulement si la tige de vérin est isolée électriquement du corps du vérin. En particulier, il n'est pas souhaitable d'avoir de retour électrique vers le corps du vérin par la tête 11 a de tige de vérin. Compte tenu de la très faible résistivité du corps du vérin, les isolements io nécessaires pour ne pas perturber la mesure sont très faciles à obtenir, dans la mesure où l'isolation n'a pas besoin d'être très importante (une résistance d'isolation 10 000 fois supérieure à la résistance du corps du vérin est suffisante pour ne pas perturber la mesure). La linéarité de la réponse et donc la justesse de la mesure, ne pourra être 15 limitée que par le degré d'homogénéité de la résistivité du matériau constituant le corps du vérin et par les irrégularités de ses diamètres extérieurs et intérieurs. Pour ce qui concerne la régularité du diamètre intérieur, elle est déjà nécessaire pour le bon fonctionnement du vérin. Pour la surface extérieure, un usinage soigné classique sera suffisant. Pour plus de sûreté de fonctionnement, 20 et notamment afin d'éviter les courts-circuits, la surface extérieure du corps du vérin pourra être protégé avec une peinture appropriée, comme cela est d'ailleurs pratiqué habituellement. La résistivité de l'acier varie en fonction de la nuance, elle est par exemple de 9,9.10-8 0m pour le fer, 17.10-8 0m pour l'acier et de 66.10-8 0m pour 25 certains aciers inoxydables. Par exemple, pour un corps de vérin en acier au carbone de longueur 1 m, de 150 mm de diamètre intérieur et de 170 mm de diamètre extérieur, la résistance maximale à mesurer sera de l'ordre de 34 p0. Ainsi, si un courant de 1 A est utilisé, la chute de tension maximale à mesurer sera de 34 pV, tandis qu'un courant de 5 A provoquera une chute de tension de 30 170 pV. Compte tenu de ces faibles valeurs à mesurer, afin notamment d'annuler l'influence de l'effet Seebeck, qui génère une tension parasite variable de quelques pV/°C, provoquée par l'utilisation de matériaux de différentes natures ayant des potentiels chimiques différents et les inhomogénéités de température, on utilisera de préférence des courants de mesure alternatifs (carré ou sinusoïdal). Connaissant la fréquence des signaux à mesurer, le module de calcul pourra en effet effectuer la mesure des chutes de tensions, respectivement (Vm-VRefl) et (VRef2-VRefl), à l'aide par exemple d'une détection synchrone permettant, de façon connue en soit, et notamment dans le cadre de signaux de très faibles amplitudes (pV), de minimiser l'influence du bruit sur le io signal utile. Le générateur de courant I est donc de préférence un générateur de courant alternatif, de sorte à pouvoir utiliser des techniques de mesure propres à minimiser ces effets thermoélectriques sur les tensions mesurées. Industriellement, il est en outre important que le générateur de courant utilise 15 une faible puissance. Compte tenu de la très faible résistance du vérin, le générateur doit être adapté à générer un courant important. Avec l'exemple de vérin précédent, un courant de 10 A provoquera une chute de tension de l'ordre de 500 pV environ. La principale source de résistance sera celle des fils d'amené de courant. En choisissant des fils d'amené de courant appropriés, par 20 exemple des fils d'amené de courant de 0.01 0, diamètre 2 mm et longueur 2 m, on peut ramener la chute de tension à environ 0.1 V. Cependant, comme illustré à la figure 2, il est préférable d'utiliser un générateur de courant alternatif connecté au corps du vérin par l'intermédiaire d'un transformateur T. On évite de cette manière de mettre en oeuvre un 25 générateur de courant fort, particulièrement désavantageux en termes de pertes par effet joule. Ainsi, en utilisant par exemple un transformateur T de rapport de transformation 100, on peut mettre en oeuvre un générateur de courant fournissant par exemple un courant de 0,1 A avec une tension à ses bornes de 10 V et utilisant donc une faible puissance (1 W), tout en obtenant en 3o sortie du transformateur un courant de 10 A avec une tension à ses bornes de 0.1 V. Outre l'influence des parasites électriques et la génération de tension de contact par effet Seebeck, la justesse de la mesure peut être perturbée par l'influence de la température, qui modifie la résistivité de l'acier du corps du vérin. Le coefficient de température de la résistivité de l'acier (0,5 %/°C) n'étant pas négligeable, une compensation en température est réalisée en très grande partie par la méthode de mesure potentiométrique décrite plus haut. Néanmoins, une méthode complémentaire pourra être mise en place pour réduire encore davantage l'influence de cette perturbation. Pour cela, les fils électriques 15, 16 et 17, utilisés respectivement pour la mesure des tensions Vm, VRefl et VRef2, peuvent être constitués par des fils de thermocouples, de sorte à associer une mesure de température moyenne pour chaque partie du corps du vérin pour la mesure des chutes de tensions, permettant ainsi au module de calcul 20 de compenser les dérives en température moyenne du corps du vérin. La figure 2 illustre un agencement particulier du dispositif de mesure de la figure 1. Les éléments en commun aux figures portent les mêmes références et ne seront pas décrits à nouveau. Le dispositif illustré à la figure 3 vise à tenir compte du cas où le corps du vérin 13 ou la tête de tige 11 a située à l'extérieur du corps du vérin, ne peuvent être parfaitement isolés en dehors du vérin et où il y a donc un risque de rebouclage par le reste de la machine sur laquelle le vérin est montée, susceptible de venir fausser les mesures. Par exemple, si la tige de vérin n'est pas parfaitement isolée, un courant indésirable It peut être amené à circuler dans la tige de vérin. Selon cet agencement particulier de l'invention, on prévoit de mettre en oeuvre un système de compensation, permettant néanmoins d'effectuer la mesure de la position X de la tige de vérin de façon fiable. Le système de compensation comprend un générateur de courant alternatif générant un courant de compensation I, adapté à annuler le courant It circulant dans la tige de vérin. Le courant de compensation est appliqué au niveau de la tête de tige 11 a. L'ajustement du courant de compensation fourni par le générateur de courant alternatif de compensation est réalisé en mesurant le courant It dans la tige de vérin par l'intermédiaire de moyens de mesure 30 et en asservissant ce courant It à zéro.5 REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure de la position de la tige (11) d'un piston (12) dans le corps (13) d'un vérin (10) dans lequel ledit piston (12) est adapté à coulisser, le dispositif étant du type comprenant un capteur potentiométrique linéaire, comportant une piste résistive (P) montée dans le vérin, un curseur (14), relié au piston (12), en contact avec ladite piste résistive, et des moyens pour déterminer la position de la tige (11) du piston dans le corps dudit vérin en fonction de la position dudit curseur sur ladite piste résistive, ledit dispositif io étant caractérisé en ce que ladite piste résistive (P) est formée par le corps du vérin. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'alimentation en courant du corps du vérin et en ce que les moyens 15 pour déterminer la position de la tige (11) du piston comprennent des fils électriques de connexion (15, 16, 17) reliant respectivement le curseur (14), par l'intermédiaire d'un premier point de prise de contact (C3) sur la tête de tige (11 a) à l'extérieur du corps (13) du vérin, et les extrémités respectives de la piste résistive (P), par l'intermédiaire de deuxième et troisième points de prise 20 de contact (Cl, C2) sur la face externe (13a) du corps du vérin définissant lesdites extrémités respectives, à un module de calcul (20) adapté à effectuer un rapport des différences de tension mesurées respectivement entre le premier point de prise de contact et le deuxième point de prise de contact et entre le troisième point de prise de contact et le deuxième point de prise de 25 contact. 3. Dispositif selon la revendications 2, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation en courant du corps du vérin comprennent des fils d'amené du courant (18, 19) connectant respectivement un quatrième point de prise de 30 contact externe (C4) sur la base (13b) du corps du vérin et un cinquième point de prise de contact externe (C5) sur la tête (13c) du corps du vérin à un générateur de courant continu ou alternatif (I). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le générateur de courant (I) est un générateur de courant alternatif connecté au corps (13) du vérin par l'intermédiaire d'un transformateur (T). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les fils électriques de connexion (15, 16, 17) reliant le curseur (14) et les extrémités respectives de la piste résistive (P) au module de calcul (20) comprennent des fils de thermocouple. io 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure (30) d'un courant (It) circulant dans la tige (11) et des moyens d'asservissement à zéro dudit courant circulant dans la tige. 15 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'asservissement comprennent un générateur de courant alternatif adapté à fournir un courant de compensation (I,) à la tige (11) et des moyens d'ajustement du courant de compensation fourni par le générateur en fonction du courant mesuré dans la tige. 20