Brevet FR3039271A1 — publié le 20170127

2015P00136FR 1 ENSEMBLE CAPTEUR POUR ROULEMENT AVEC CAPTEUR DE TEMPÉRATURE SANS FIL Domaine de l'invention L'invention concerne un roulement comprenant un capteur de température sans fil selon le préambule de la revendication 1. Contexte de l'invention Le fait de munir des roulements, tels que des roulements à billes ou des roulements à rouleaux, de capteurs de température est connu. Pour surveiller le roulement, la chaleur générée à l'interface des billes/rouleaux et des chemins de roulement est détectée par un capteur de température situé aussi près que possible de cette interface. Ceci fait de la cage d'un roulement une position souhaitable pour la mesure de température. Toutefois, une cage de roulement est une pièce tournante et n'est pas facilement accessible, et l'espace disponible est exigu. En particulier pour les plus petits roulements, il est difficile d'intégrer des batteries ou un générateur dans la cage de roulement. Le document EP 1 849 013 B1 décrit un roulement doté d'une cage équipée d'une bobine réceptrice d'alimentation. Un émetteur servant à envoyer un signal indicatif de l'état détecté du roulement à une autre antenne disposée sur le chemin de roulement extérieur est intégré dans la cage. Toutefois, cette solution n'est faisable que pour les plus gros roulements dotés d'une cage capable de porter l'électronique de l'émetteur. Des capteurs passifs de température sans fil pour cages de roulement ont été proposés, par ex. dans l'article "A Passive Wireless Temperature Sensor for Harsh Environment Applications", Sensors 2008, 7982-7995 par Ya Wang, Yi Jia, Qiushui Chen et Yanyun Wang. Un circuit oscillateur passif comprenant une capacitance dépendant de la température et un inducteur est disposé sur une cage de telle façon que la bobine d'induction interagisse avec une bobine émettrice d'un circuit oscillateur piloté disposé sur une bague non tournante du roulement. La dépendance en température de la capacitance se traduit par une 3039271 2015P00136FR 2 dépendance en température de la fréquence de résonance du circuit résonant dans la cage, qui peut être mesurée. Des systèmes similaires ont été explorés par S. Scott et al de l'Université Purdue, voir par ex. http://docs.lib.purdue.edu/nanopub/1089. 5 Le circuit résonant dans la cage absorbe de l'énergie provenant du circuit primaire à l'aide d'une bobine sur la bague non tournante de telle façon que la fréquence de résonance peut être déduite d'un pic d'absorption dans le balayage de fréquence. Le procédé mesure l'énergie manquante à la fréquence d'oscilla- 10 tion. Typiquement, un générateur de fonctions insère un signal en onde sinusoïdale dans un câble coaxial. Sur le lieu de la mesure, un dispositif séparateur en T sépare le signal en une partie allant vers la bobine primaire/bobine émettrice- 15 réceptrice et la partie allant vers un récepteur pour réaliser l'analyse spectrale. La combinaison de la bobine primaire et de la bobine de mesure dans la cage absorbe une certaine quantité d'énergie à une certaine fréquence et cette fraction absorbée est dépendante de la température. Le reste, quel qu'il soit, est censé atteindre le récepteur. Ce procédé utilise le couplage de flux entre les bobines 20 comme dans un transformateur. Cependant, le procédé souffre d'un faible rapport signal-bruit et de la microphonie causée par une adaptation d'impédance inadéquate. En réalité, seule une partie du signal en retour provenant de la bobine émettrice- 25 réceptrice atteint le circuit d'analyse du récepteur, tandis qu'une autre partie revient dans le générateur et conduit à un faible rapport signal-bruit. La bobine primaire du capteur est essentiellement une boucle et donc un système électrique de type équilibré, alors que le câble standard coaxial est 30 déséquilibré. Le problème inhérent est l'inadaptation de l'impédance du système qui provoque une microphonie, c.à.d. la dépendance vis-à-vis des conditions extérieures comme les vibrations ou les tolérances de telle sorte que les valeurs de sortie varient largement. La microphonie est principalement causée par un courant réfléchi circulant dans l'enveloppe extérieure d'un câble, qui peut être 3039271 2015P00136FR 3 influencé par un contact ou un mouvement. Ceci se traduit par des difficultés d'étalonnage et de reproductibilité. Résumé de l'invention 5 L'invention a pour objet de munir un roulement d'une détection intégrée de température dans un circuit résonant passif présentant un meilleur rapport signal-bruit. L'invention a en outre pour objet de créer une plate-forme de mesure sur la cage de roulement respectant les limitations applicables d'espace et de poids 10 tout en transférant de manière fiable à la fois de l'énergie et des données. L'invention concerne un ensemble capteur destiné à être utilisé dans un roulement à éléments roulants doté d'au moins une cage de roulement et d'une pluralité d'éléments roulants disposés dans ladite cage. La cage fait partie d'un 15 ensemble capteur selon l'invention, comprenant un circuit oscillateur piloté comprenant un récepteur, un générateur de fonctions et une bobine primaire, ladite cage de roulement comprenant un circuit oscillateur passif comprenant une capacitance dépendant de la température et une bobine d'induction, ledit circuit oscillateur passif étant fixé à ladite cage de telle façon que la bobine d'induction 20 interagisse avec la bobine primaire du circuit oscillateur piloté. L'invention propose en particulier de mettre en place un coupleur directionnel entre un générateur de fonctions et la bobine primaire du système, le coupleur directionnel étant disposé de façon à délivrer un signal réfléchi du circuit résonant 25 passif dans la cage vers un récepteur accordé recevant la réaction des signaux générés par le générateur de fonctions. Le récepteur est utilisé pour détecter le vecteur d'amplitude complexe du signal réfléchi. Un système d'échantillonnage effectuant une conversion analogique-numérique suit ce récepteur et peut analyser le signal. Généralement mais pas nécessairement, il prend une 30 moyenne sur une période suffisante pour que la cage décrive au moins un tour, permettant ainsi l'élimination de toute composante de distance répétée et facilitant la séparation de l'amplitude. L'invention est applicable à tout type de roulement doté d'une cage capable de 35 loger un circuit passif comme défini plus haut. Il serait possible d'utiliser une cage 3039271 2015P00136FR 4 métallique elle-même en tant que bobine d'induction ou d'encastrer la bobine d'induction dans une rainure ou un autre type d'évidement dans une cage diélectrique ou simplement de fixer la bobine à une surface extérieure de celle-ci. 5 Le circuit oscillateur piloté peut être fixé à la bague non tournante du roulement, à un logement de roulement ou à n'importe quel endroit approprié à proximité. La bobine primaire est de préférence fixée à une des bagues du roulement, de préférence la bague extérieure du roulement, par ex. en étant fixée à un joint ou à un chapeau de roulement ou intégrée dans le joint ou le chapeau de telle façon 10 qu'un couplage de flux magnétique entre la bobine primaire et la bobine d'induc- tion soit suffisamment fort. En faisant en sorte que la paire émetteur-récepteur balaie une petite plage de fréquences par échelons, des paires fréquence-amplitude peuvent être enregis- 15 trées. La fréquence d'oscillation du circuit de capteur peut être déterminée de telle façon que la température correspondante dans la position de la capacitance puisse être mesurée. Le coupleur directionnel empêche une perte d'énergie de signal en direction du 20 générateur de fonctions et conduit par conséquent à une augmentation du rapport signal-bruit. Fondamentalement, le coupleur directionnel permet de mesurer la réflexion du signal plutôt que la dissipation de telle façon qu'un meilleur rapport signal-bruit soit obtenu. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la bobine primaire d'induction 25 et la bobine d'induction du circuit résonant passif s'étendent toutes deux sur toute la circonférence de la cage de roulement. Le flux peut ainsi être maximisé et un couplage fort entre antennes émettrices-réceptrices et antennes de cage peut être obtenu. 30 Selon un aspect supplémentaire de l'invention, il est proposé de mettre en place en outre un transformateur, de préférence sous la forme d'un symétriseur en mode courant, dans une ligne de signal comportant un câble coaxial entre le coupleur directionnel et la bobine primaire. Du fait du symétriseur, le câble coaxial peut être équilibré et la microphonie du système peut être réduite, c.à.d. 3039271 2015P00136FR 5 que le système est beaucoup moins sensible aux variations de conditions, aux vibrations, tolérances ou autres similaires. Un transformateur analogique-numérique peut être utilisé pour numériser le 5 signal et pour permettre l'utilisation de techniques améliorées de traitement numérique du signal. Les modes de réalisation ci-dessus de l'invention ainsi que les revendications et les figures jointes montrent des traits caractéristiques multiples de l'invention 10 dans des combinaisons spécifiques. Les personnes qualifiées pourront facile- ment envisager des combinaisons ou des sous-combinaisons supplémentaires de ces traits afin d'adapter l'invention telle que définie dans les revendications à leurs besoins spécifiques. 15 Description succincte des figures La Fig. 1 est un diagramme schématique de circuit d'un ensemble capteur selon l'invention destiné à être utilisé dans un roulement ; et la Fig. 2 est un détail d'une cage de l'ensemble capteur selon l'invention. 20 Description détaillée des modes de réalisation La Fig. 1 illustre un ensemble capteur comprenant un circuit oscillateur piloté 12 comprenant un récepteur 12a, un générateur 12b de fonctions et une bobine 25 primaire 12c. En outre, l'ensemble capteur comprend un circuit oscillateur passif 14 comprenant une capacitance dépendant de la température 14a et une bobine 14b d'induction. Le circuit oscillateur passif 14 est configuré pour être monté dans une cage 10 de roulement de telle façon que la bobine 14b d'induction interagit avec la bobine primaire 12c du circuit oscillateur piloté 12. 30 Le circuit oscillateur piloté 12 peut être fixé à une bague non tournante du roulement, à un logement de roulement ou à n'importe quel endroit approprié à proximité. La bobine primaire 12c est de préférence fixée à une des bagues de roulement, de préférence la bague extérieure du roulement, par ex. en étant fixée 3039271 2015P00136FR 6 à un joint ou à un chapeau de roulement ou intégrée dans le joint ou le chapeau (non représenté). Selon l'invention, un coupleur directionnel 12e est mis en place dans une ligne de 5 signal entre un générateur 12b de fonctions et la bobine primaire 12c du système. Le coupleur directionnel 12e est disposé de façon à délivrer un signal réfléchi du circuit résonant passif dans la cage 10 vers un récepteur accordé 12a recevant la réaction des signaux générés par le générateur 12b de fonctions. 10 Un transformateur 12d configuré comme un symétriseur en mode courant est placé à l'extrémité d'une ligne de signal comportant un câble coaxial 12f entre le coupleur directionnel 12e et la bobine primaire 12c. Le transformateur 12d équilibre le câble coaxial 12f de telle façon que l'ensemble du système, y compris le câble coaxial 12f et la bobine primaire, 12c, devienne équilibré. 15 Une unité 16 de traitement de signal configurée pour analyser le signal reçu par le récepteur 12a est mise en place et comprend un convertisseur analogique-numérique 16a recevant la sortie du récepteur 12a. L'unité 16 de traitement de signal est configurée pour calculer une moyenne du signal sur une période 20 suffisante pour que la cage 10 décrive au moins un tour par rapport à une bague non tournante, permettant ainsi l'élimination de toute composante de distance répétée et facilitant la séparation de l'amplitude. L'unité 16 de traitement de signal est utilisée pour détecter le vecteur d'amplitude complexe du signal réfléchi et pour analyser le signal. 25 En faisant en sorte que la paire générateur de fonctions-récepteur balaie une petite plage de fréquences par échelons, un ensemble de paires fréquence-amplitude peut être enregistré. Un pic dans le spectre de fréquences d'oscillation du circuit de capteur peut être déterminé en tant que fréquence de résonance, de telle façon que la température correspondante de la cage soit mesurée. 30 La Fig. 2 illustre un détail de la cage 10 de roulement équipée du circuit résonant passif 14 selon l'invention. La bobine primaire 12c et la bobine 14b d'induction du circuit résonant passif s'étendent toutes deux sur toute la circonférence de la bague de roulement ou de la cage 10 de roulement et sont disposées coaxiale-ment à proximité immédiate l'une de l'autre. La bobine 14b d'induction est 3039271 2015P00136FR 7 montée dans une encoche 10a sur une surface latérale axiale de la cage 10 de roulement. La même surface latérale comprend un évidement 10b légèrement plus grand logeant le condensateur 14b. 5 Le modèle selon le mode de réalisation préféré de l'invention utilise un oscillateur primaire distinct en tant que générateur 12b de fonctions insérant son énergie dans un seul enroulement de la bobine primaire 12c (ou antenne) via le système spécial décrit ci-dessus doté du coupleur directionnel 12e et du transformateur 12d (symétriseur en mode courant) comme illustré sur la Fig. 1. 10 Lorsqu'un circuit primaire est employé, l'énergie insérée dans la bobine primaire 12c peut soit passer dans l'air, soit être réfléchie via le transformateur 12d jusque dans le coupleur directionnel 12e. Une des fonctions du coupleur directionnel 12e est d'empêcher dans toute la mesure du possible qu'une partie de l'énergie réfléchie ne retourne au circuit 15 générateur de fonctions et d'ajouter une sortie supplémentaire offrant cette énergie réfléchie. Celle-ci est alors guidée jusque dans le récepteur accordé 12a. Parmi les avantages, en comparaison de l'état antérieur de la technique, figurent un meilleur rapport signal-bruit et une réduction de la sensibilité à une variation des conditions, c.à.d. de la microphonie. 20 REVENDICATIONS1. Ensemble capteur destiné à être utilisé dans un roulement à éléments roulants comprenant au moins une cage (10) de roulement configurée pour loger au moins un élément roulant dudit roulement, l'ensemble capteur comprenant a. un circuit oscillateur piloté (12) comprenant un récepteur (12a), un générateur (12b) de fonctions et une bobine primaire (12c), et b. un circuit oscillateur passif (14) comprenant une capacitance (14a) dépendant de la température, ledit circuit oscillateur passif (14) étant configuré pour être fixé à ladite cage (10) de roulement de telle façon que la bobine d'induction (14b) interagisse avec la bobine primaire (12c) du circuit oscillateur piloté (12), caractérisé en ce qu'un coupleur directionnel (12e) est mis en place dans une ligne de signal entre un générateur (12b) de fonctions et la bobine primaire (12c) du système, le coupleur directionnel (12e) étant disposé de façon à délivrer un signal réfléchi du circuit résonant passif dans la cage vers un récepteur accordé (12a) recevant la réaction des signaux générés par le générateur (12b) de fonctions. 2. Ensemble capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un transformateur (12d) dans une ligne de signal comportant un câble coaxial (12f) entre le coupleur directionnel (12e) et la bobine primaire (12c). 3. Ensemble capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit transformateur (12d) est configuré comme un symétriseur en mode courant. 4. Ensemble capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une unité (16) de traitement de signal con- 3039271 2015P00136FR 9 figurée pour analyser le signal reçu par le récepteur (12a). 5. Ensemble capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que 5 l'unité (16) de traitement de signal est configurée pour calculer une moyenne du signal sur une période suffisante pour que la cage décrive au moins un tour par rapport à une bague non tournante du roulement. 6. Ensemble capteur selon l'une des revendications précédentes, 10 caractérisé en ce qu'il comprend en outre un convertisseur analogique-numérique (16a) recevant une sortie dudit récepteur (12a). 7. Ensemble capteur selon l'une des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce que la bobine primaire (12c) et la bobine d'induction (14b) du circuit résonant passif s'étendent toutes deux sur toute la circonférence de la cage (10) de roulement. 20 8. Roulement comprenant un ensemble capteur selon l'une des revendica- tions précédentes. 9. Machine comprenant un roulement équipé d'un dispositif de capteur selon l'une des revendications 1 à 7. 25