Brevet FR2966229A1 — publié le 20120420

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne un procédé de maintenance prédictive d'un module de détection refroidi, comportant un détecteur comportant des pixels sensibles aux signaux lumineux, un cryostat, contenant le détecteur, et une machine à froid. Elle concerne également un module de mise en oeuvre du procédé. ETAT DE L'ART Les systèmes optroniques connus travaillant dans l'infrarouge (IR) comportent fréquemment des modules de détection (MdD) dits refroidis, c'est-à-dire dont le détecteur est porté à une température très faible (-170°C). Les performances ainsi atteintes sont meilleures que celles des MdD non refroidis. Classiquement, un MdD IR refroidi comporte: - un détecteur IR, sensible aux signaux lumineux IR; - un cryostat, qui contient le détecteur IR et qui sert à conditionner mécaniquement le détecteur et à assurer une isolation thermique, afin de limiter la consommation énergétique du MdD refroidi; et - une machine à froid (MàF), électro-mécanique, servant à abaisser localement la température du cryostat, grâce à des détentes de gaz répétées. Le fonctionnement d'un MdD comporte deux parties : - un premier régime de mise en froid (MeF), c'est-à-dire un régime transitoire de refroidissement d'une zone supportant le détecteur pour passer de la température ambiante à sa température opérationnelle ; et - un second régime de régulation (Rég), c'est-à-dire un régime stabilisé durant lequel la MàF compense l'isolation thermique imparfaite du cryostat encapsulant le détecteur. Un tel MdD possède des éléments mobiles limitant intrinsèquement la durée d'exploitation du matériel. Les sources d'incident du MdD sont associées au détecteur, au cryostat et à la MàF, mais essentiellement à la MàF et au cryostat. La phase de MeF est en effet une période critique pour la MàF, puisque les constituants de la MàF sont extrêmement sollicités. Ainsi une maintenance préventive est traditionnellement mise en place sur le MdD. Par ailleurs, la prévision de défaillance spécifique d'une MàF a déjà fait l'objet de publications, notamment dans FR 2 930 677 et FR 2 930 678. FR 2 930 677 et FR 2 930 678 divulguent le principe de détection d'une défaillance de la MàF grâce à - l'observation du Temps de Mise en Froid (TMF) de la MàF, durant la mise en froid, sur une plage de température spécifique, ainsi que - l'observation de l'évolution du TMF en fonction du nombre de cycles Marche/Arrêt considérés comme valides, et sélectionnés suivant le type de mise en froid. FR 2 930 677 et FR 2 930 678 enseignent en outre les observations 15 précitées sur des données cumulées dans le temps. En outre, l'enseignement de FR 2 930 678 s'attache à une prédiction de maintenance en termes de nombre de cycles Marche/Arrêt, tandis que l'enseignement de FR 2 930 677 s'attache à une détection d'une dérive brutale par rapport à l'écart-type des TMF précédents. 20 Les techniques précédentes présentent cependant des inconvénients. La maintenance préventive d'un MdD assure à l'utilisateur du MdD d'éviter les pannes liées au vieillissement du MdD, mais ne prend pas en compte l'état réel du MdD. Elle ne permet pas non plus une optimisation de la maintenance préventive, car elle ne tient pas compte du régime 25 d'exploitation de la MàF. La durée d'exploitation d'un MdD, généralement exprimée en nombre d'heures de fonctionnement, reste en effet statistique et ne permet pas de prendre en compte les disparités de fabrication et/ou d'utilisation. De ce fait, il n'est pas possible pour l'utilisateur de profiter au maximum de la longévité du MdD dans le cadre d'une utilisation normalisée. 30 De même, en cas de défaillance soudaine des performances du MdD (c'est-à-dire avant le passage en maintenance), l'utilisateur ne peut que constater la défaillance de son MdD. Par ailleurs, les techniques selon FR 2 930 677 et FR 2 930 678 ne permettent pas la détection d'une panne dans laquelle la MàF se dégrade comme suite à un fonctionnement continu sur un long intervalle de temps. Elles ne permettent pas non plus de discriminer entre la nécessité d'une opération de maintenance préventive (du type regonflage de la MàF - c'est-à-dire une injection de gaz dans la MàF, afin de compenser ses pertes dues aux fuites, ou du type getterisation du cryostat - c'est-à-dire une régénération du piège à gaz (également appelé « getter »), par exemple par circulation de courants forts dans le piège à gaz, afin d'assurer la qualité du vide du cryostat, etc.) et la nécessité d'un remplacement du matériel, par exemple en cas de panne mécanique sévère. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose de pallier au moins un de ces inconvénients. A cet effet, l'invention propose selon un premier aspect un procédé de maintenance prédictive d'un module de détection refroidi, comportant: - un détecteur comportant des pixels sensibles aux signaux lumineux; - un cryostat, contenant le détecteur; et - une machine à froid, le procédé étant caractérisé en ce que qu'il comporte une étape selon laquelle une carte de traitement du module, reliée électriquement au détecteur, au cryostat et à la machine à froid, mesure, stocke et traite au moins - un courant moteur, c'est-à-dire un courant d'alimentation de la machine ; - une tension moteur, c'est-à-dire une tension d'alimentation de la machine ; et - un nombre de pixels défectueux du détecteur. L'invention selon son premier aspect est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de 30 leur combinaison techniquement possible : - la carte est en outre adaptée pour - mesurer, stocker et traiter au moins un temps de changement de régime, c'est-à-dire un temps séparant un instant d'allumage du module d'un instant où la machine transite vers un régime de régulation de la température du détecteur ; et - effectuer une étape de comparaison du temps de changement de régime TCR à un seuil SMeF, et déclarer le module défaillant lorsque la 5 condition suivante est vérifiée : TCR > SMeF - la carte effectue une étape de comparaison : a) d'un courant moteur moyen Imot_moy à un seuil Imot_min, et déclare le module défaillant lorsque la condition suivante est vérifiée : 10 Im ot _ moy Vmot _ max , et c) d'un nombre Ppix_def de pixels défectueux du détecteur à un nombre 15 maximum toléré Ppix_def_max, et déclare le module défaillant lorsque la condition suivante est vérifiée : Ppix _ def > Ppix _ def _ max . - la carte est en outre adaptée pour mesurer, stocker et traiter au moins 20 un nombre NMM de mises en marche du module, c'est-à-dire une quantification des allumages du module ; et un nombre CCR de changements de régime, c'est-à-dire de transitions du module d'un régime mise en froid à un régime régulation un temps Tps d'utilisation du module, c'est-à-dire la durée totale en 25 régime régulation et/ou en régime mise en froid du module, depuis une mise en service. - la carte calcule une typologie d'utilisation du module par la formule : TU = x-Tps y-CCR+z-NMM où x, y et z sont des paramètres mémorisés sur la carte ; 30 - la carte calcule : - le taux d'accroissement, par rapport au temps, du courant moteur et de la tension moteur, et - une défaillance future du module en fonction du NMM, CCR et/ou du Tps. - les mesures sont effectuées régulièrement et en temps réel par la carte. L'invention concerne également selon un second aspect un module de détection refroidi configuré pour la mise en oeuvre du procédé, comportant : - un détecteur comportant des pixels sensibles aux signaux lumineux; - un cryostat, contenant le détecteur ; et - une machine à froid, le module étant caractérisé en ce que qu'il comporte en outre une carte de traitement, reliée électriquement au détecteur, au cryostat et à la machine à froid, la carte étant adaptée pour mesurer, stocker et traiter au moins - un courant moteur, c'est-à-dire un courant d'alimentation de la machine ; - une tension moteur, c'est-à-dire une tension d'alimentation de la machine ; et - un nombre de pixels défectueux du détecteur. Le module peut comporter un afficheur de maintenance prédictive, relié à la 20 carte. Il peut en outre former un module IR, avec un détecteur du type IR. L'invention présente de nombreux avantages. Elle permet d'anticiper les pannes du MdD grâce à une mesure en continu, en temps réel, des caractéristiques de consommation électrique (courant et tension) pour le cryostat et pour la MàF, ainsi qu'à une évolution 25 du nombre de pixels défectueux du détecteur. L'utilisateur n'a plus à craindre l'apparition de pannes intempestives non prévues et liées au vieillissement naturel du MdD, dans le cadre d'une utilisation spécifique. Il est prévenu par anticipation de la nécessité d'une maintenance ou 30 d'un remplacement de son MdD. Il peut anticiper les phases de maintenance de son équipement, et ainsi réduire les immobilisations du matériel. Grâce à l'observation en régime régulé, l'invention permet la détection d'un type de panne indétectable par les techniques antérieures, et qui correspond principalement au cas où le système se dégrade comme suite à un fonctionnement continu sur un long intervalle de temps (par exemple pour les systèmes de surveillance continue). L'observation croisée des courants et des tensions permet un meilleur diagnostic de la défaillance, puisqu'elle permet de discriminer entre la nécessité d'une opération de maintenance préventive (du type regonflage de la MàF, getterisation du cryostat, etc.) et la nécessité d'un remplacement du matériel, par exemple en cas de panne mécanique sévère. La typologie d'utilisation permet une optimisation de la maintenance préventive en tenant compte du régime d'exploitation du matériel. Ensuite, la considération de la typologie d'utilisation (une utilisation 24h/24 - 7j/7 est ainsi différente d'une utilisation d'une heure par jour par exemple) est un réel avantage pour l'évaluation de l'état du système, donc pour la définition des conditions optimales de maintenance préventive. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit 20 être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente un module selon l'invention ; - les figures 2 représentent l'évolution du courant moteur et de la tension moteur de la MàF, en fonction du temps ; - la figure 3 représente l'évolution du nombre de pixels défectueux en 25 fonction du nombre de mise en marche ; et - la figure 4 représente l'évolution de la tension moteur en fonction du temps, lors d'un changement de régime. Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références numériques identiques. 30 DESCRIPTION DETAILLEE Comme le montre la figure 1, un MdD refroidi selon l'invention comporte principalement: - un détecteur 1, sensible aux signaux lumineux, composé d'une matrice de pixels photosensibles; - un cryostat 2, qui contient le détecteur 1 et qui sert à conditionner mécaniquement le détecteur 1 et à assurer une isolation thermique; et - une machine 3 à froid (MàF), électro-mécanique, servant à abaisser localement la température du cryostat 2, grâce à des détentes de gaz répétées. Le MdD comporte également une carte 4 de traitement, comportant 10 tous les moyens classiques de mémoire et de calcul pour la mise en oeuvre de l'invention. La carte 4 permet également de gérer de manière classique la commande de la machine à froid 3 pour la mise en froid et pour la régulation décrites dans la partie introductive de la présente description. 15 La carte 4 est reliée électriquement au détecteur 1, au cryostat 2 et à la MàF 3. La carte 4 est adaptée pour mesurer, stocker et traiter au moins - un courant moteur, c'est-à-dire un courant d'alimentation de la machine 3 ; 20 - une tension moteur, c'est-à-dire une tension d'alimentation de la machine 3 ; et - un nombre de pixels défectueux du détecteur 1. Le nombre de pixels défectueux peut bien entendu être exprimé en pourcentage. 25 Le courant moteur, la tension moteur et le nombre de pixels défectueux sont mesurés très avantageusement régulièrement (périodicité de l'ordre de la minute) et en temps réel par la carte 4. Les valeurs correspondant aux mesures sont stockées sur la carte 4. Une gestion, par exemple circulaire, de la mémoire de la carte 4 évite une 30 saturation de la mémoire, dans le cas où la mémoire ne permet de stocker que quelques dizaines de valeurs par exemple. Grâce à la connaissance des paramètres de tension, courant et du nombre de pixels défectueux, il est possible d'informer l'utilisateur du type de défaut (besoin remplacement ou simple opération de maintenance) et, le cas échéant, l'opération de maintenance à conduire (regonflage, regetterisation). DETECTION D'UNE DEFAILLANCE SOUDAINE Comme le montre la figure 4, l'observation de l'évolution du courant moteur et de la tension moteur permettent de détecter un changement de régime, c'est-à-dire la transition du régime de mise en froid MeF au régime de régulation Rég. Grâce à l'observation, avantageusement régulière et en temps réel, du courant moteur et de la tension moteur, la carte 4 peut donc déterminer un Changement de Régime CR, c'est à dire un instant où la MàF transite d'un régime MeF à un régime Rég. Le CR correspond en effet à un point d'inflexion sur les courbes du courant moteur et de la tension moteur en fonction du temps. La carte 4 peut ainsi également définir un Temps de Changement de Régime TCR, c'est-à-dire un temps séparant l'instant d'allumage de la MàF de l'instant du CR. Puis la carte 4 effectue une étape de comparaison du temps de changement de régime TCR à un seuil SMeF, et déclare le module défaillant 20 lorsque la condition suivante est vérifiée : TCR i SMeF La carte 4 peut donc détecter une défaillance soudaine du module pendant la MeF, car la mise en froid MeF est trop longue dans le temps. Le module comporte un afficheur 5 de maintenance prédictive, relié à 25 la carte 4. L'afficheur 5 est par exemple un écran du type à cristaux liquides, éventuellement associé à une alarme sonore, et prend la déclaration de défaillance issue de la carte 4 pour avertir l'utilisateur de la défaillance soudaine en régime MeF. Le seuil SMeF dépend du système optronique dans lequel le module est 30 implémenté, et un TCR significativement plus faible que SMeF est le signe d'un allumage de la MàF très rapproché dans le temps de la dernière MeF. Cette situation ne traduit pas une anomalie du module. La carte 4 peut également permettre de détecter une défaillance soudaine lors d'un régime Rég. A cet effet, la carte 4 effectue une étape de comparaison d'un courant moteur moyen Imot_moy à un seuil Imot_min. Imot_moy est calculée sur des valeurs de courant instantané lors du régime Rég. La fréquence des mesures instantanées par la carte 4, comme le nombre de mesures sur lequel la moyenne est calculée, peut être ajusté afin d'être adapté aux applications souhaitées. Comme le montre la figure 2A, Imot_min est le seuil en-dessous 10 duquel la carte 4 considère que la valeur moyenne du courant traduit une défaillance du MdD. La carte 4 déclare le module défaillant lorsque la condition suivante est vérifiée : Im ot _ moy Vmot _ max . Comme on le verra dans la suite de la présente description, l'observation croisée du comportement en tension moteur et en courant moteur permet de discriminer entre un besoin de maintenance ou un besoin de remplacement de la MàF. Comme le montre la figure 3, la carte 4 peut également effectuer, en complément ou en alternative, une étape de comparaison d'un nombre Ppix_def de pixels défectueux du détecteur à un nombre maximum toléré Ppix_def_max, et déclare le module défaillant lorsque la condition suivante est vérifiée : Ppix _ def > Ppix _ def _ max . Il est ainsi possible de déterminer immédiatement quel est le type de défaillance, c'est-à-dire s'il s'agit d'un besoin de remplacement du module 15 ou d'une simple opération de maintenance. Par exemple, si l'on s'aperçoit que pour une même tension moteur le courant moteur requis est plus faible, il s'agit typiquement d'un cas de fuite d'hélium au niveau de la MàF. En effet, le courant moteur est l'image de la résistance à la rotation du moteur de la machine 3 à froid, et si ce besoin en 20 courant moteur diminue pour une même vitesse requise pour le moteur de la machine 3 à froid (c'est-à-dire une même tension moteur), cela signifie qu'il y a moins de gaz qu'auparavant. Il est alors conseillé de regonfler la MàF. DETECTION D'UNE DEFAILLANCE LENTE 25 La carte 4 est en outre adaptée pour, avantageusement régulièrement et en temps réel, mesurer, stocker et traiter au moins un nombre NMM de mises en marche du module, c'est-à-dire une quantification des allumages du module ; un nombre CCR de changements de régime, c'est-à-dire de 30 transitions du module d'un régime mise en froid à un régime de régulation ; et un temps Tps d'utilisation du module, c'est-à-dire la durée totale en régime régulation et/ou en régime mise en froid du module, depuis une mise en service. La mémoire de la carte 4 est donc dimensionnée pour permettre le 5 stockage de ces données complémentaires. La carte 4 peut ainsi calculer une typologie d'utilisation TU du module. La typologie d'utilisation est par exemple fonction de Tps, de CCR et de NMM. Par exemple, TU est avantageusement déterminé par la formule : 10 TU = x Tps y-CCR+z-NMM où x, y et z sont des paramètres mémorisés sur la carte 4. D'autres formules sont également possibles, comme par exemple : TU = x-Tps+z-NMM y-CCR Le choix des paramètres x, y et z permet d'ajuster les importances 15 respectives du Tps, du CCR et du NMM sur la durée de vie du MdD. La carte 4 peut également calculer le taux d'accroissement PENTE, par rapport au temps, du courant moteur moyen Imot_moy et de la tension moteur moyen Vmot_moy, entre les temps t et At suivant la formule : La carte 4 peut évaluer de la même manière le taux d'accroissement du nombre ou du pourcentage de pixels défectueux Ppix_def. 25 L'intervalle At de temps sur lequel est calculé le taux d'accroissement peut être : - soit grand (tendance de la grandeur observée sur le long terme) - soit petit (tendance immédiate de la grandeur). Imot_moy(t+Ot) -Imot_moy(t) Vmot _ moy(t + Ot) -Vmot _ moy(t) 20 PENTE, = At PENTE v S At En option, la carte 4 peut effectuer une comparaison entre une valeur sur le long terme et une valeur immédiate, pour conforter la prédiction ou non d'une défaillance. Les calculs précités permettent à la carte 4 de calculer une défaillance future du module en fonction du NMM, et/ou CCR et/ou du Tps suivant le choix de l'utilisateur. En effet la projection du taux d'accroissement PENTE de la grandeur observée (I, V ou le pourcentage de pixels défectueux par exemple) permet de calculer le nombre d'heures maximal au bout duquel une opération sur le MDD est nécessaire, comme le montrent la figure 2A pour le courant, la figure 2B pour la tension, et la figure 3 pour le nombre de pixels défectueux. La projection donnant le nombre d'heures maximal le plus petit sur les figures 2 et 3 est bien entendu choisi. La carte 4 permet de définir la durée de vie résiduelle de fonctionnement du module, c'est-à-dire le NMM, le CR et/ou le Tps restant avant un besoin de renvoi en maintenance. En effet, le nombre d'heures maximal ainsi trouvé permet de trouver le temps TpsRESIDUEL de fonctionnement résiduel spécifique. Par exemple, à l'instant Tpso pour connaître le temps résiduel de fonctionnement en mode régulé à l'aide de la projection de la tension moteur, on utilisera la formule suivante : Vmot _ max- Vmot _ moy Tpso ) + 2 X Tpso TpsRESIDUEL - pENTEv Il est alors aisé de convertir cette information, suivant les souhaits de l'utilisateur, par exemple en NMM résiduel spécifique NMMRESIDUEL par la formule : Tps RESIDUEL NMMRESIDUEL25 NMM x NMMRESIDUEL sa NMM > k CCRRESIDUEL = NMMRESIDUEL sinon Le pourcentage k étant une borne inférieure utilisée pour s'affranchir des cas particuliers de débuts de vie (lorsque les CCR et NMM ont des valeurs faibles). En option, le TU permet de pondérer le TpsRESIDUEL, le NMMRESIDUEL ou le CCRRESIDUEL en les intégrant dans le calcul du nombre d'heures maximal 10 au bout duquel une opération sur le MDD est nécessaire. Avantageusement, le module décrit ci-dessous est un module IR (infrarouge), avec un détecteur du type IR. Par suite on définit également le CCRRESIDUEL CCR CCR par : CCRRESIDUEL = REVENDICATIONS1. Procédé de maintenance prédictive d'un module de détection refroidi, 5 comportant: - un détecteur (1) comportant des pixels sensibles aux signaux lumineux; - un cryostat (2), contenant le détecteur (1); et - une machine (3) à froid, le procédé étant caractérisé en ce que qu'il comporte une étape selon 10 laquelle une carte (4) de traitement du module, reliée électriquement au détecteur (1), au cryostat (2) et à la machine (3) à froid, mesure, stocke et traite au moins - un courant moteur, c'est-à-dire un courant d'alimentation de la machine (3) ; 15 - une tension moteur, c'est-à-dire une tension d'alimentation de la machine (3) ; et - un nombre de pixels défectueux du détecteur (1). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la carte (4) est en outre 20 adaptée pour - mesurer, stocker et traiter au moins un temps de changement de régime, c'est-à-dire un temps séparant un instant d'allumage du module d'un instant où la machine (3) transite vers un régime de régulation de la température du détecteur (1) ; et 25 - effectuer une étape de comparaison du temps de changement de régime TCR à un seuil SMeF, et déclarer le module défaillant lorsque la condition suivante est vérifiée : TCR i SMeF 30 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la carte (4) effectue une étape de comparaison a) d'un courant moteur moyen Imot_moy à un seuil Imot_min, et déclare le module défaillant lorsque la condition suivante est vérifiée : Im ot _ moy Vmot _ max , et c) d'un nombre Ppix_def de pixels défectueux du détecteur à un nombre maximum toléré Ppix_def_max, et déclare le module défaillant lorsque la condition suivante est vérifiée : Ppix _ def > Ppix _ def _ max . 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la carte (4) est en outre adaptée pour mesurer, stocker et traiter au moins un nombre NMM de mises en marche du module, c'est-à-dire une quantification des allumages du module ; et un nombre CCR de changements de régime, c'est-à-dire de transitions du module d'un régime mise en froid à un régime régulation un temps Tps d'utilisation du module, c'est-à-dire la durée totale en régime régulation et/ou en régime mise en froid du module, depuis une mise en service. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la carte (4) calcule une typologie d'utilisation du module par la formule : x-Tps 6. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, dans lequel la carte (4) calcule - le taux d'accroissement, par rapport au temps, du courant moteur et de la tension moteur, et - une défaillance future du module en fonction du NMM, CCR et/ou du Tps. TU = y-CCR+z-NMM où x, y et z sont des paramètres mémorisés sur la carte (4).30 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les mesures sont effectuées régulièrement et en temps réel par la carte. 8. Module de détection refroidi, comportant: - un détecteur (1) comportant des pixels sensibles aux signaux lumineux; - un cryostat (2), contenant le détecteur (1); et - une machine (3) à froid, le module étant caractérisé en ce que qu'il comporte en outre une carte (4) de traitement, reliée électriquement au détecteur (1), au cryostat (2) et à la machine (3) à froid, la carte (4) étant adaptée pour mesurer, stocker et traiter au moins - un courant moteur, c'est-à-dire un courant d'alimentation de la machine (3) ; - une tension moteur, c'est-à-dire une tension d'alimentation de la 15 machine (3) ; et - un nombre de pixels défectueux du détecteur (1). 14. Module selon la revendication 8, comportant un afficheur (5) de maintenance prédictive, relié à la carte (4). 15. Module selon l'une des revendications 8 ou 9, formant module IR, avec un détecteur du type IR. 20