Brevet FR3008183A1 — publié le 20150109

Dispositif de mesure de température d'une pièce en mouvement par polariscopie La présente invention concerne la mesure, sans contact, de la 5 température d'une pièce en mouvement, notamment une pièce tournante, par exemple sur un rotor de moteur. La technique actuelle consiste à utiliser une caméra thermographique qui fournit une image dans l'infrarouge de la pièce à mesurer. La caméra permet d'obtenir la répartition complète des températures en surface de la 10 pièce mais le coût d'une telle caméra fait que c'est essentiellement une technique de laboratoire ou de diagnostic. Une autre technique consiste à utiliser un capteur unique qui ne mesure la température que sur un point de la géométrie. Cette technique est simple et peu coûteuse mais elle est cependant entachée de défauts majeurs : 15 - Il est délicat de mesurer un point précis sur une pièce tournante au moyen d'un capteur fixe puisque le point à mesurer défile devant le capteur. - Pour que la mesure soit précise, la surface à mesurer doit être recouverte d'une peinture dont l'émissivité est connue. Cette peinture peut 20 interférer avec le bon fonctionnement de la pièce, notamment dans le cas de composants électroniques. - La température du capteur doit être maintenue dans une gamme précise afin de ne pas perturber la mesure. - Si la température de plusieurs points doit être surveillée alors 25 il faudra utiliser plusieurs capteurs ce qui augmente d'autant le coût de la solution. Le but général de l'invention est de proposer un autre principe de mesure sans contact de la température d'une pièce tournante en mouvement, qui ne présente pas les inconvénients précités. 30 Parmi les autres principes connus de mesure sans contact de température, le document US7265847 décrit un procédé de mesure de température ambiante utilisant une technique de polariscopie d'un cristal biréfringent dont la biréfringence dépend de la température ; cependant, ce document ne donne aucun enseignement qui permette d'adapter une telle 35 méthode au problème de la mesure de la température d'une pièce en mouvement, notamment une pièce tournante. Or c'est là le but précis que se fixe l'invention. L'invention atteint son but grâce à un dispositif de mesure de température d'une pièce en mouvement, du type comprenant un ensemble de source lumineuse agencé pour produire un faisceau lumineux polarisé, un capteur lié à la pièce comportant un élément biréfringent agencé pour recevoir ledit faisceau lumineux polarisé et le séparer en deux groupes d'ondes, un dispositif d'observation des deux groupes d'ondes réfractés, et un dispositif d'interprétation du résultat observé pour en déduire une température, caractérisé en ce que le capteur est sous forme d'un sandwich bilame réfléchissant composé d'une couche de substrat et d'une couche biréfringente, la matière du substrat et celle de la couche biréfringente présentant des coefficients de dilatation thermique différents, le capteur étant solidarisé à la surface de la pièce en mouvement de sorte que la température de la pièce entraîne dans la couche biréfringente du capteur bilame des contraintes modifiant la biréfringence de la couche, en ce que le dispositif d'observation des deux groupes d'ondes est disposé de manière à recevoir les groupes d'ondes réfractés et réfléchis par le sandwich bilame réfléchissant et en ce que le dispositif d'interprétation est adapté pour interpréter les modifications de biréfringence observées au moyen des groupes d'ondes réfractés et réfléchis comme indicatives de la température de la pièce en mouvement. Ainsi, grâce à ce capteur bilame mis en contact permanent avec la pièce dont on doit mesurer la température, il est possible de mesurer ladite température en mesurant par polariscopie les contraintes de la couche biréfringente du capteur, lesquelles peuvent être rapportées à la température par une table de correspondance établie lors d'un étalonnage préalable. Le sandwich bilame est donc constitué d'un substrat et d'un matériau biréfringent agencés d'une part pour avoir des coefficients de dilatation 30 différents (pour former un bilame) et d'autre part pour former un ensemble réfléchissant les rayons réfractés. Parmi les matériaux biréfringents adaptés pour former le bilame de l'invention, on peut citer la calcite (CaCO3) et les polycarbonates, ces derniers étant tout particulièrement adaptés pour les applications plus particulièrement visées par l'invention en raison de la souplesse du matériau et la possibilité de le former aisément. Comme substrat, on peut envisager d'utiliser des métaux dont la conductivité thermique et le taux de dilatation permettent de garantir une mise en contrainte mesurable sur le matériau biréfringent. L'aluminium, en particulier, est bien adapté car simple à mettre en oeuvre et moins coûteux que d'autres métaux. Une couche mince suffit amplement pour l'application préférée dans une gamme de températures entre 0°C et 200°C : une épaisseur de l'ordre de 100ium est adaptée. Comme on l'a vu, le bilame doit être globalement réfléchissant afin de rendre la lecture plus facile par le capteur optique constituant le dispositif d'observation. Il y a plusieurs modes de réalisation du bilame réfléchissant. Le plus avantageusement, le sandwich bilame du capteur est réfléchissant grâce à une couche mince réfléchissante prévue dans le sandwich, de préférence entre la couche de substrat et la couche biréfringente. On peut aussi envisager de mettre la couche réfléchissante en dessous du substrat, qui devra alors être transparent, ce qui impose de ne pas choisir un métal, avec des contraintes sur la gamme de températures et la conductivité thermique qui ne sont pas compatibles avec des applications basse température, mais peuvent être intéressantes dans d'autres applications. Au lieu d'une couche additionnelle de matériau réfléchissant, on peut envisager de polir le matériau du substrat afin de lui conférer les propriétés 25 réfléchissantes nécessaires, l'aluminium étant à cet égard bien adapté. On peut aussi envisager des substrats réfléchissants dans des longueurs d'ondes autres que la lumière visible ou ayant un indice de réfraction adéquat et constituées de matériaux autres que des métaux (verre, céramiques). Mais ces matériaux sont en principe plus adaptés à des 30 gammes de températures autres que la gamme 0-200°C. De manière connue, le faisceau lumineux polarisé peut être obtenu grâce à un premier filtre polarisant disposé entre une source lumineuse de lumière non cohérente et le capteur. Autrement dit, l'ensemble de source lumineuse mentionné plus haut comprend ladite source lumineuse et le 35 premier filtre polarisant. D'une manière particulièrement avantageuse, la source lumineuse est une lampe à éclat fournissant des impulsions lumineuses à une fréquence choisie. Ceci permet de simplifier grandement l'observation du capteur lié à la pièce tournante en utilisant l'effet stroboscopique. Selon un premier mode de réalisation, la pièce en mouvement est une pièce tournante et il est avantageux que la fréquence des impulsions lumineuses soit calée sur la fréquence de rotation de la pièce tournante, ce qui permet de faire paraître celle-ci immobile et donc de pouvoir observer facilement le capteur embarqué qui s'y trouve. Selon une variante, la pièce en mouvement est un rotor de moteur électrique et la fréquence des impulsions lumineuses est calée sur la fréquence du courant électrique alimentant le rotor. Dans ce cas, on peut isoler visuellement au choix chaque pôle du rotor et étudier de manière indépendante la température de chacun d'entre eux. Le capteur est avantageusement sous forme d'une pastille solidarisée à la pièce tournante. Il est de préférence collé à la surface de la pièce en mouvement. Mais tout mode d'assujettissement qui permet au capteur d'être sensiblement à la température de la pièce à mesurer convient. Le capteur peut être sous forme d'une pluralité de pastilles 20 solidarisées à la pièce en mouvement, permettant l'observation simultanée de la température en plusieurs points de la pièce. Selon une caractéristique très avantageuse, le dispositif d'observation comprend une caméra numérique et un second filtre polarisant. Ceci est particulièrement approprié en association avec l'effet stroboscopique 25 mentionné plus haut, une simple caméra permettant, dans un champ d'observation où l'image stroboscopique du capteur est immobile, l'observation des contraintes par interférométrie et un logiciel approprié permettant de traiter l'image pour en déduire le niveau de contrainte de la couche biréfringente du capteur, et donc la température. 30 Les principaux avantages de l'invention par rapport aux techniques de mesure connues sont les suivants : - Les techniques qui utilisent un faisceau lumineux calibré conduit par une fibre optique jusqu'à un capteur biréfringent ne sont compatibles qu'avec des pièces immobiles ou n'ayant qu'une 35 faible amplitude de mouvement. L'invention utilise une simple lampe à éclat et une caméra : la mesure se fait sans contact et peut donc se faire sur des pièces en mouvement. - Le fait d'effectuer selon l'invention une mesure non continue mais par impulsions au rythme des éclats de la lampe permet de mesurer des températures sur des pièces en mouvement très rapide. - L'invention n'utilise pas d'instruments de mesure complexes, coûteux, délicats à régler et volumineux comme des interféromètres, peu compatibles avec des applications de grande série. Au contraire, l'invention utilise une simple caméra vidéo numérique qui peut être intégralement montée sur une simple puce (lentille y compris). Ces caméras ne nécessitent aucune calibration et sont produites en très grande série à des coûts extrêmement faibles. Il est possible d'utiliser une si simple caméra parce que les variations de franges colorées induites par les contraintes dans le matériau biréfringent sont très visibles. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante. Il sera fait référence aux dessins annexés sur lesquels : La figure 1 est une vue schématique du dispositif de mesure de la 20 température d'une pièce tournante, conforme de l'invention. La figure 2 est une vue en section de détail du capteur de mesure de la figure 1, solidarisé à la pièce tournante. Les figures 3A, 3B, 3C représente schématiquement la section du capteur de mesure de l'invention respectivement à une température 25 d'équilibre (fig. 3A), et à une température entraînant une dilatation thermique différentielle des couches du capteur soit avec creusement (fig. 3B) soit avec bombement (fig. 3C). La figure 4 est une vue de détail partielle de la pièce tournante dans le cas où le dispositif est adapté pour la mesure de la température en 30 plusieurs points. La figure 5 est une vue schématique de la représentation du champ de la caméra du dispositif selon la fréquence d'éclairage de la pièce. Le dispositif de mesure selon l'invention est représenté sur la figure 1. On y voit la pièce tournante 1 dont on veut mesurer la température au 35 moins en un point. Ici la pièce tournante 1 est un rotor de moteur centré sur son axe 2 et présentant différents pôles radiaux 3 répartis circonférentiellement. La pièce 1 tourne dans le sens de la flèche 4. Sur l'un des pôles 3 a été solidarisé le capteur 5 sous forme d'une pastille fixée à la surface de la pièce 1. Cette pastille est représentée plus en détail sur les figures 2 et 3A, 3B, 3C. Elle est constituée par un sandwich de trois couches formant un bilame : un substrat 6 (du côté de la pièce), une très mince couche réfléchissante 7 et une couche biréfringente 8. La pastille 5 est collée (ou fixée par tout autre moyen) sur la zone dont la température est à mesurer. Lorsque la température de la pièce augmente, le substrat 6 et la couche biréfringente 8 se dilatent à des taux différents (mm/°C). Il se produit donc une déformation de la pastille 5 qui met sous contrainte la couche biréfringente ; selon que le taux de dilatation thermique du substrat 6 est supérieur ou inférieur au taux de dilatation thermique de la couche biréfringente 8, la pastille 5 va être contrainte dans un sens qui tend à 15 donner en surface une courbure concave (creusement, figure 3B) ou convexe (bombement, figure 3C). Selon l'invention, on mesure ces contraintes par polariscopie, ce qui permet d'en déduire la température de la pastille 5 par l'intermédiaire d'une table de référence. Le principe général de la polariscopie est connu, 20 éventuellement sous le nom de polarimétrie ou photoélasticimétrie. C'est une méthode de visualisation des contraintes internes à un matériau par le biais d'une lumière polarisée. Une source de lumière non cohérente envoie sa lumière vers la pièce à travers un premier filtre polarisant. Toutes les ondes qui traversent le premier filtre ont la même polarisation. La pièce 25 dans laquelle on souhaite mesurer les contraintes est faite d'un matériau transparent. La plupart des matériaux transparents ont comme propriété de devenir biréfringents sous l'effet de contraintes mécaniques. Quand un matériau est biréfringent, la lumière s'y propage à deux vitesses différentes. La lumière polarisée va donc se séparer en deux groupes d'ondes : un lent, 30 un rapide. La distance séparant les deux trains d'ondes lumineuses est fonction du niveau de contrainte dans le matériau transparent. Un deuxième filtre polarisant permet de faire interférer les deux trains d'ondes lumineuses. Chaque fois que le retard entre les deux trains d'onde est un multiple de la longueur d'onde, il se produit une interférence destructive et 35 on voit apparaître une frange d'interférence ayant la forme de la zone où le niveau de contrainte est situé. En filmant la pièce au moyen d'une caméra, on a donc une image des contraintes dans le matériau, chaque couleur correspondant à un niveau de contraintes dans le matériau. Revenant à la figure 1, on va détailler la partie du dispositif qui 5 permet cette mesure par polariscopie. On y trouve au voisinage de la pièce 1 une lampe à éclats 10 de lumière non cohérente, qui envoie des impulsions lumineuses représentées sur l'écran 11 grâce à des moyens de commande classiques non représentés. Entre la lampe 10 et la pièce 1, un premier filtre polarisant 12 permet d'envoyer sur la pastille 5 collée sur la pièce 1 un 10 faisceau 13 de lumière cohérente polarisée. La fréquence des impulsions lumineuse est calée sur la fréquence de rotation de la pièce 1, ce qui permet de faire apparaître la pastille 5 comme immobile par effet stroboscopique. Une caméra numérique 14 observe un champ rectangulaire 15 au sein duquel se trouve la pastille 5 à chaque éclair. La caméra peut être d'un type 15 courant et peu coûteux, contrairement à une caméra rapide qui serait requise pour filmer des pastilles défilant à très haute vitesse. La caméra 14 est équipée d'un second filtre polarisant 16. L'image des pastilles est ensuite analysée au moyen d'un dispositif logiciel de traitement d'image non représenté en détail mais symbolisé par 17 et couplé à la caméra 14. De tels 20 logiciels de traitement d'image sont connus en photoélasticimétrie. Le traitement de l'image permet de connaître le niveau de contraintes dans le capteur observé, et grâce à des tables de référence et un étalonnage préalable, la température du capteur et donc de la pièce. Une seule caméra 14 permet de mesurer la température de plusieurs 25 points en filmant plusieurs pastilles 5, 5a-5e collées sur la pièce 1 et observables dans le même champ 15 de la caméra 14 (cf. figure 4), ce qui permet d'obtenir une série de mesures à moindres frais. En utilisant une fréquence d'éclairage de la lampe 10 strictement égale à la fréquence de rotation de la pièce 1, on obtient une image par révolution de la pièce. 30 La mesure en plusieurs points est utile par exemple dans le cas particulier illustré d'un rotor de moteur électrique : les pôles de rotor ne s'échauffent pas uniformément ; certaines parties du pôle concentrent les pertes. Typiquement, les extrémités des têtes de pôles sont soumises à une saturation beaucoup plus intense que la masse de la dent. Dans le cas de 35 machines à aimants, les aimants néodymes sont sujets à des pertes par courants de Foucault importants qui les échauffent plus vite que la tôle alentour. Dans le cas de machines à flux axial, les aimants sont pris dans une cage en inox qui est elle-même sujette à des pertes par courants de Foucault importantes. De plus, suivant le point de fonctionnement (basse vitesse / haute vitesse, fort couple / faible couple), les pertes changent de lieu de dissipation. Il est donc utile de pouvoir mesurer plusieurs points de la machine afin de mesurer les dégâts et pouvoir modifier le point de fonctionnement (courant/phase sur les machines synchrones, tension/fréquence sur les machines asynchrones) et pouvoir réduire l'échauffement. L'éclairage stroboscopique polarisé peut être calé sur la fréquence de rotation de la pièce 1 à mesurer au moyen d'un capteur de vitesse mais il peut être souhaitable de ne pas interférer avec le dispositif étudié. Il est alors possible de caler la fréquence de l'éclairage 10 sur la fréquence de rotation par un moyen alternatif : on sait que la fréquence de l'éclairage 10 est la bonne quand la pastille 5 apparaît, par stroboscopie, fixe devant l'objectif de la caméra. Si l'image 5' de la pastille 5 avance dans le champ 15 (cf. figure 5), la fréquence d'éclairage est trop faible. Si l'image 5" de la pastille 5 recule dans le champ 15, la fréquence d'éclairage est trop rapide. Il suffit donc de mesurer la position de la pastille 5 le long de sa trajectoire 17 dans le champ 15 au moyen du logiciel d'analyse d'image et de varier la fréquence d'éclairage pour la maintenir en un point fixe, le centre de l'image par exemple. Selon une variante non représentée, on utilise une fréquence d'impulsions stroboscopiques égale à la fréquence électrique, on obtient une image par pôle 3 du rotor 1, cela impose de traiter chacune d'entre elles indépendamment mais cela permet de mesurer chaque pôle indépendamment. La mesure de chaque pôle est utile notamment dans deux cas : - Pour prendre en compte les dispersions liées à la fabrication : si le processus de fabrication de chaque pôle de rotor est identique, le résultat ne l'est pas. Les spires ont une fâcheuse tendance à se placer dans un relatif désordre, surtout en dehors du paquet de tôles. Or c'est dans ces têtes de bobines qu'interviennent la plupart des échauffements et des courts- circuits. Il est donc utile de mesurer chaque pôle pour tenir compte des dispersions à la fabrication. - Pour détecter un défaut ne survenant que sur un pôle. L'exemple le plus parlant est un défaut d'isolation sur une spire. Ce type de 5 défaut apparait en un point où l'émail du fil a été fissuré lors du bobinage puis usé par les décharges en couronne résultant de l'alimentation du fil par une alimentation électronique à découpage. Le défaut d'isolation devient court-circuit : on a donc une spire convertissant toute variation du champ magnétique la traversant en chaleur. Cette chaleur attaque l'émail des spires 10 avoisinantes, propageant le défaut. Avec une mesure de température sur chaque pôle, on peut détecter cette montée en température au plus tôt et isoler le défaut. 15 REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure de température d'une pièce (1) en mouvement, comprenant un ensemble (10, 12) de source lumineuse agencé pour produire un faisceau lumineux polarisé (13), un capteur (5) lié à la pièce (1) et comportant un élément biréfringent (8) agencé pour recevoir ledit faisceau lumineux polarisé (13) et le séparer en deux groupes d'ondes réfractés, un dispositif d'observation (14, 16) des deux groupes d'ondes réfractés, et un dispositif (17) d'interprétation du résultat observé pour en déduire une température, caractérisé en ce que le capteur (5) est sous forme d'un sandwich bilame réfléchissant composé d'une couche de substrat (6) et d'une couche biréfringente (8), la matière de la couche de substrat (6) et celle de la couche biréfringente (8) présentant des coefficients de dilatation thermique différents, le capteur (5) étant solidarisé à la surface de la pièce (1) en mouvement de sorte que la température de la pièce (1) entraîne dans la couche biréfringente (8) du capteur bilame des contraintes modifiant la biréfringence de la couche, en ce que le dispositif d'observation des deux groupes d'ondes est disposé de manière à recevoir les groupes d'ondes réfractés et réfléchis par le sandwich bilame réfléchissant et en ce que le dispositif (17) d'interprétation est adapté pour interpréter les modifications de biréfringence observées au moyen des groupes d'ondes réfractés et réfléchis comme indicatives de la température de la pièce (1) en mouvement. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sandwich bilame du capteur (5) est réfléchissant grâce à une couche mince réfléchissante (7) prévue dans le sandwich, de préférence entre la couche de substrat (6) et la couche biréfringente (8). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le faisceau lumineux polarisé (13) est obtenu grâce à un premier filtre polarisant (12) disposé entreune source lumineuse (10) de lumière non cohérente et le capteur (5). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la source lumineuse (10) est une lampe à éclat fournissant des impulsions lumineuses à une fréquence choisie. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la pièce (1) est une pièce tournante et la fréquence des impulsions lumineuses de la source lumineuse (10) est calée sur la fréquence de rotation de la pièce (1). 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la pièce (1) est un rotor de moteur électrique et la fréquence des impulsions lumineuses de la source lumineuse (10) est calée sur la fréquence du courant électrique alimentant le rotor. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le capteur (5) est sous forme d'une pastille solidarisée à la pièce en mouvement (1), de préférence par collage. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le capteur est sous forme d'une pluralité de pastilles (5, 5a-5e) solidarisées à la pièce en mouvement (1). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le dispositif d'observation (14, 16) comprend une caméra numérique (14) et un second filtre polarisant (16).