Brevet FR3065803A1 — publié le 20181102

PROCÃDÃ DE DÃTECTION D'UN DÃFAUT D'UN CAPTEUR DE VIBRATION, DISPOSITIF ET PROGRAMME D'ORDINATEUR ASSOCIÃS DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE Le domaine de l'invention est celui des systÃ¨mes de surveillance de l'Ã©tat de santÃ© d'une machine, telle qu'une turbomachine d'aÃ©ronef, notamment Ã des fins de maintenance prÃ©dictive. L'invention a trait Ã une surveillance de la machine par analyse des vibrations de celle-ci, et porte plus particuliÃ¨rement sur la dÃ©tection d'un dÃ©faut, notamment un dÃ©faut de fixation, d'un capteur de vibration utilisÃ© pour rÃ©aliser une telle surveillance. ÃTAT DE LA TECHNIQUE ANTÃRIEURE Les machines tournantes sont utilisÃ©es dans une large variÃ©tÃ© d'applications, comme le transport, le gÃ©nie civil, la production industrielle, l'Ã©nergie, etc. Souvent, ces machines fonctionnent dans des environnements durs et sous des conditions opÃ©rationnelles sÃ©vÃ¨res. MalgrÃ© une bonne fiabilitÃ©, ces systÃ¨mes mÃ©caniques sont naturellement exposÃ©s Ã des dysfonctionnements. De tels dysfonctionnements peuvent non seulement accroitre significativement le coÃ»t de fonctionnement du systÃ¨me, mais peuvent Ã©galement entraÃ®ner des risques graves pour les usagers. Une solution pour optimiser le fonctionnement d'une machine tout en assurant la sÃ©curitÃ© est la maintenance prÃ©dictive. Celle-ci est basÃ©e sur un systÃ¨me de surveillance dont le rÃ´le est de produire des commandes pour des actions de maintenance Ã partir d'une analyse de diffÃ©rents types d'entrÃ©es mesurÃ©es par des capteurs (tempÃ©rature, pression, vibrations, courant, tension, etc.). L'efficacitÃ© d'une telle approche repose donc principalement sur la prÃ©cision et la fiabilitÃ© du systÃ¨me de surveillance. Dans ce contexte, l'analyse vibratoire est une technique largement acceptÃ©e pour la surveillance de l'Ã©tat de santÃ© des machines dans une variÃ©tÃ© 3065803 2 d'applications mÃ©caniques. L'efficacitÃ© de cette approche rÃ©sulte du fait que les vibrations des machines contiennent beaucoup d'informations sur les forces internes dans le systÃ¨me. Ces forces internes sont souvent liÃ©es Ã certains mÃ©canismes de dÃ©fauts et prÃ©sentent des symptÃ´mes de vibration distinctifs dÃ©signÃ©s sous le nom de signatures 5 mÃ©caniques. Les vibrations peuvent Ãªtre mesurÃ©es avec diffÃ©rents types de capteurs, Ã savoir les capteurs de dÃ©placement, de vitesse et d'accÃ©lÃ©ration. Les accÃ©lÃ©romÃ¨tres sont les plus utilisÃ©s aujourd'hui car ils permettent l'observation d'une large gamme de frÃ©quences, et sont robustes et disponibles dans une large gamme de tailles et de 10 configurations. Le capteur de vibration est fixÃ© Ã proximitÃ© des Ã©lÃ©ments Ã surveiller (par exemple sur le palier d'un engrenage ou d'un roulement). Il est suivi d'une chaÃ®ne d'acquisition dont le rÃ´le est de convertir le signal analogique du capteur en un signal numÃ©rique. Ce signal numÃ©rique, appelÃ© Â« signal brut Â», comprend la composante liÃ©e au 15 dÃ©faut, en plus d'autres composantes liÃ©es Ã d'autres sources. Il est traitÃ© par des mÃ©thodes mathÃ©matiques du signal (par exemple filtrage, analyse spectrale, outils statistiques, optimisation, etc.) afin d'identifier la prÃ©sence de signatures vibratoires d'anomalies. Des indicateurs sont calculÃ©s Ã partir des signaux traitÃ©s pour Ã©valuer la progression de l'anomalie et quantifier sa sÃ©vÃ©ritÃ©. Les valeurs de ces indicateurs sont 20 comparÃ©es Ã des seuils et, en consÃ©quence, une dÃ©cision est prise pour dÃ©clencher ou non une alarme. Dans la plupart des applications, les capteurs de vibration sont fixÃ©s Ã l'aide d'un adhÃ©sif (par exemple colle cyanoacrylate, ruban adhÃ©sif double face, pÃ©trocire, colle chaude). La frÃ©quence naturelle d'un capteur de vibration dÃ©pend de la rigiditÃ© 25 de la fixation, aussi le choix de l'adhÃ©sif est crucial pour une mesure prÃ©cise. Les critÃ¨res suivants sont ainsi considÃ©rÃ©s lors du choix de l'adhÃ©sif: la masse du capteur de vibration, la largeur de bande de frÃ©quence nÃ©cessaire pour la mesure, l'amplitude attendue et la tempÃ©rature au point de mesure. En rÃ©alitÃ©, mÃªme en respectant ces critÃ¨res, les capteurs de vibration sont susceptibles de subir un dÃ©collement plus ou moins important en raison de fonctionnement dans des environnements durs et sous des conditions 3065803 3 opÃ©rationnelles sÃ©vÃ¨res (par exemple tempÃ©rature, vitesse et couple Ã©levÃ©s). Ce dÃ©collement peut affecter significativement la fonction de transfert du capteur et ses propriÃ©tÃ©s. Par consÃ©quence, la structure des signaux mesurÃ©s peut Ãªtre significativement modifiÃ©e et des fausses alarmes peuvent Ãªtre dÃ©clenchÃ©es par le systÃ¨me de surveillance 5 de l'Ã©tat de santÃ© de la machine. Afin de rÃ©duire le taux des fausses alarmes et ainsi d'amÃ©liorer la fiabilitÃ© des systÃ¨mes de surveillance d'Ã©tat de santÃ©, on peut chercher Ã Ã©valuer l'exactitude des mesures fournies par un capteur de vibration en venant en dÃ©tecter un Ã©ventuel dÃ©faut, tel qu'un dÃ©faut de fixation. 10 Un dÃ©faut du capteur de vibration altÃ¨re sa fonction de transfert du capteur en la rendant non-linÃ©aire, ce qui se manifeste par une forte asymÃ©trie dans le signal vibratoire. Il est ainsi possible, comme rapportÃ© dans l'article de V. Girondin et al. intitulÃ© Â« Vibration-based fault detection of accelerometers in helicopters Â», SAFEPROCESS - 8th IFAC Symposium on Fault Detection, Supervision and Safety of 15 Technical Processes, Aug. 2012, Mexico City, Mexico. pp.720-725, 2012, de venir quantifier l'asymÃ©trie du signal vibratoire et de prÃ©sumer l'existence d'un dÃ©faut lorsque cette asymÃ©trie excÃ¨de un seuil. EXPOSÃ DE L'INVENTION L'invention a pour objectif d'amÃ©liorer la prÃ©cision de la dÃ©tection d'un 20 dÃ©faut du capteur de vibration par quantification de l'asymÃ©trie du signal vibratoire, et de lÃ d'augmenter la fiabilitÃ© d'un systÃ¨me de surveillance de l'Ã©tat de santÃ© d'une machine par analyse vibratoire. A cet effet, l'invention propose un systÃ¨me de surveillance de l'Ã©tat de santÃ© d'une machine par analyse vibratoire, comprenant un capteur de installÃ© au sein de 25 la machine et une unitÃ© de traitement de donnÃ©es couplÃ©e au capteur de vibration. L'unitÃ© est configurÃ©e pour rÃ©aliser la dÃ©tection d'un dÃ©faut d'un capteur de vibration par mise en oeuvre d'un blanchiment spectral du signal vibratoire dÃ©livrÃ© par le capteur de vibration, et d'un calcul d'un indicateur d'asymÃ©trie du signal vibratoire blanchi. 3065803 4 Certains aspects prÃ©fÃ©rÃ©s mais non limitatifs de ce systÃ¨me sont les suivants : le blanchiment du signal vibratoire est un blanchiment cepstral ; le blanchiment cepstral du signal vibratoire comprend une transformÃ©e de Fourier 5 du signal vibratoire, le calcul du module de ladite transformÃ©e, la division de ladite transformÃ©e par son module et une transformÃ©e de Fourier inverse du rÃ©sultat de ladite division ; le calcul de l'indicateur d'asymÃ©trie comprend un comptage d'un nombre de points aberrants dans le signal vibratoire blanchi ; 10 un point du signal vibratoire blanchi est un point aberrant lorsque sa valeur absolue est supÃ©rieure Ã un seuil d'aberration ; le calcul de l'indicateur d'asymÃ©trie comprend le calcul de la diffÃ©rence entre le nombre de points aberrants positifs et le nombre de points aberrants nÃ©gatifs ; un dÃ©faut du capteur de vibration est dÃ©tectÃ© lorsque l'indicateur d'asymÃ©trie 15 excÃ¨de un seuil d'alarme ; le capteur de vibration est un accÃ©lÃ©romÃ¨tre. L'invention porte Ã©galement sur un procÃ©dÃ© de dÃ©tection d'un dÃ©faut d'un capteur de vibration, comprenant le blanchiment spectral du signal vibratoire dÃ©livrÃ© par le capteur de vibration, et le calcul d'un indicateur d'asymÃ©trie du signal vibratoire 20 blanchi. Le signal vibratoire peut Ãªtre exploitÃ© par un systÃ¨me de surveillance de l'Ã©tat de santÃ© de la machine par analyse vibratoire lorsqu'aucun dÃ©faut du capteur de vibration n'est dÃ©tectÃ©. L'invention s'Ã©tend Ã une unitÃ© de traitement de donnÃ©es comprenant des moyens configurÃ©s pour mettre en oeuvre ce procÃ©dÃ©, ainsi qu'Ã un produit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code pour la mise en oeuvre de ce procÃ©dÃ© 25 lorsque ledit programme est exÃ©cutÃ© sur un ordinateur. BRÃVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres aspects, buts, avantages et caractÃ©ristiques de l'invention apparaÃ®tront mieux Ã la lecture de la description dÃ©taillÃ©e suivante de formes de 3065803 5 rÃ©alisation prÃ©fÃ©rÃ©es de celle-ci, donnÃ©e Ã titre d'exemple non limitatif, et faite en rÃ©fÃ©rence aux dessins annexÃ©s sur lesquels : - la figure 1 est un schÃ©ma d'un systÃ¨me de surveillance de l'Ã©tat de santÃ© d'une machine par analyse vibratoire mettant en oeuvre l'invention ; 5 - la figure 2 est un ordinogramme illustrant le procÃ©dÃ© de dÃ©tection d'un dÃ©faut d'un capteur de vibration selon l'invention ; - la figure 3 illustre un mode de rÃ©alisation possible du blanchiment spectral rÃ©alisÃ© dans le cadre de l'invention ; - la figure 4 illustre un exemple de calcul possible d'indicateur d'asymÃ©trie. 10 EXPOSÃ DÃTAILLÃ DE MODES DE RÃALISATION PARTICULIERS En rÃ©fÃ©rence Ã la figure 1, l'invention peut Ãªtre mise en oeuvre dans un systÃ¨me de surveillance 1 de l'Ã©tat de santÃ© d'une machine par analyse vibratoire. La machine peut Ãªtre une machine tournante, une machine Ã combustion ou explosion, un banc d'essai. Une application privilÃ©giÃ©e est celle de la surveillance de moteurs d'avions 15 ou d'hÃ©licoptÃ¨res. Le systÃ¨me 1 comprend une unitÃ© d'acquisition du signal vibratoire 2, une unitÃ© de calcul d'indicateurs d'Ã©tat de santÃ© 3 et une unitÃ© de restitution 4 permettant de fournir une indication sur l'Ã©tat de la machine et du capteur de vibration. L'unitÃ© d'acquisition 2 comprend un capteur de vibration 21 fixÃ© Ã la 20 machine sous surveillance Ã l'aide d'un adhÃ©sif, par exemple un accÃ©lÃ©romÃ¨tre, et une chaÃ®ne d'acquisition 22 du signal vibratoire dÃ©livrÃ© par le capteur de vibration 21. Le rÃ´le de la chaÃ®ne d'acquisition est de convertir le signal analogique dÃ©livrÃ© par le capteur de vibration 21 en un signal numÃ©rique. La chaine comprend typiquement les Ã©lÃ©ments suivants : un conditionneur (amplification, isolation galvanique et d'excitation des 25 capteurs passifs, etc.), un filtre analogique (pour limiter la bande passante du capteur et Ã©viter ainsi la dÃ©tÃ©rioration du rapport signal sur bruit et le repliement spectral), un Ã©chantillonneur bloqueur (qui prÃ©lÃ¨ve un Ã©chantillon du signal et le maintient constant pendant la phase de conversion) et un convertisseur analogique-numÃ©rique. Le signal vibratoire brut ainsi numÃ©risÃ© est transfÃ©rÃ© Ã l'unitÃ© de calcul 3. 3065803 6 L'unitÃ© de calcul 3 se distingue d'une unitÃ© classiquement utilisÃ©e en surveillance d'Ã©tat de santÃ© en ce qu'elle comporte un module 21 de dÃ©tection d'un dÃ©faut du capteur de vibration configurÃ© pour mettre en oeuvre le procÃ©dÃ© dÃ©crit par la suite. La sortie de ce module de dÃ©tection de dÃ©faut capteur est Ã©valuÃ©e par un premier 5 module de test 32. Si aucun dÃ©faut capteur n'est dÃ©tectÃ© (sortie Â« N Â» du premier module de test 32), le signal vibratoire fait l'objet d'un traitement numÃ©rique dans un module de traitement 33 et des indicateurs sont calculÃ©s Ã partir des signaux traitÃ©s dans un module de calcul d'indicateurs 34. Les indicateurs calculÃ©s sont Ã©valuÃ©s par un second module de 10 test 35 oÃ¹ ils sont confrontÃ©s Ã des seuils pour prendre une dÃ©cision pour dÃ©clencher ou non une alarme (sorties Â« N Â» et Â« O Â» du second module de test 35), cette dÃ©cision Ã©tant fournie par l'unitÃ© de restitution 4, typiquement un afficheur apte Ã prÃ©senter une information relative Ã un Ã©tat sain de la machine sous surveillance (bloc 41) ou Ã un Ã©tat dÃ©fectueux via la levÃ©e d'une alarme (bloc 42). 15 Si un dÃ©faut capteur est dÃ©tectÃ© (sortie Â« O Â» du premier module de test 32), le signal vibratoire n'est pas traitÃ© et l'unitÃ© de restitution 4 prÃ©sente une information relative Ã la prÃ©sence d'un dÃ©faut capteur (bloc 43). On dÃ©crit dans la suite le procÃ©dÃ© de dÃ©tection d'un Ã©ventuel dÃ©faut du capteur de vibration mis en oeuvre dans le module de dÃ©tection 21. 20 L'invention est basÃ©e sur le constat que la mÃ©thode divulguÃ©e dans l'article prÃ©citÃ© associe toute asymÃ©trie dans le signal vibratoire Ã la prÃ©sence d'un dÃ©faut du capteur de vibration. Or la Demanderesse observe que l'asymÃ©trie d'un signal vibratoire n'est pas exclusivement liÃ©e Ã un dÃ©faut du capteur de vibration, mais peut Ã©galement rÃ©sulter de la non-linÃ©aritÃ© du systÃ¨me mÃ©canique et de la rÃ©partition des 25 phases au niveau des harmoniques (sinusoÃ¯des) du fait des vibrations pÃ©riodiques gÃ©nÃ©rÃ©es par exemple par les engrenages. Dans un cas de fonctionnement sans dÃ©faut du capteur de vibration, le signal vibratoire prÃ©sente donc une asymÃ©trie qui risque d'Ãªtre identifiÃ©e comme excessive et donc de gÃ©nÃ©rer une fausse alarme. Afin de permettre de distinguer les diffÃ©rentes sources d'asymÃ©trie, et 30 en rÃ©fÃ©rence Ã la figure 2, le procÃ©dÃ© comprend une premiÃ¨re Ã©tape El de blanchiment 3065803 7 spectral du signal vibratoire X(n). Cette Ã©tape permet en effet de rejeter toute la composante dÃ©terministe du signal vibratoire et, par consÃ©quent, l'asymÃ©trie qu'elle induit. Dans ces conditions, l'asymÃ©trie dans le signal vibratoire blanchi Xb(n) peut Ãªtre exclusivement assimilÃ©e Ã la prÃ©sence d'un dÃ©faut du capteur de vibration. 5 La partie dÃ©terministe du signal vibratoire est pÃ©riodique en rÃ©gime stationnaire et prÃ©sente donc un spectre frÃ©quentiel discret. La partie alÃ©atoire du signal vibratoire prÃ©sente quant Ã elle un spectre frÃ©quentiel continu. Le blanchiment spectral d'un signal consiste Ã en modifier le spectre de sorte Ã le rapprocher du spectre d'un bruit blanc. Le signal vibratoire blanchi prÃ©sente ainsi une densitÃ© spectrale de puissance 10 constante oÃ¹ les pics de l'enveloppe spectrale du signal vibratoire ont Ã©tÃ© uniformisÃ©s et oÃ¹ la contribution de la partie dÃ©terministe a par consÃ©quent Ã©tÃ© gommÃ©e. La sÃ©paration de la partie dÃ©terministe de la partie alÃ©atoire du signal vibratoire peut notamment Ãªtre rÃ©alisÃ©e au moyen d'un blanchiment cepstral qui permet de conserver les sources prÃ©sentes dans la phase du signal vibratoire et d'Ã©liminer toutes 15 les sources qui se manifestent sur l'amplitude. Cette technique offre une capacitÃ© remarquable d'Ã©limination aveugle du contenu dÃ©terministe d'un signal vibratoire tout en blanchissant son spectre. Cette technique consiste Ã mettre Ã zÃ©ro tout le cepstre complexe du signal en conservant seulement la composante relative Ã la quÃ©frence zÃ©ro. Le cepstre ainsi mis Ã zÃ©ro est ensuite transformÃ© dans le domaine temporel, aprÃ¨s 20 recombinaison avec la phase du signe d'origine. On pourra trouver une description de cette technique de blanchiment cepstral dans l'article de P. Borghesani et al intitulÃ© "Application of cepstrum pre-whitening for the diagnosis of bearing faults under variable speed conditions Â», Mech. Syst. Sig. Process. 36 (2013) 370-384. De maniÃ¨re avantageuse, le blanchiment cepstral peut Ãªtre rÃ©alisÃ© sans 25 calcul du cepstre en utilisant simplement la transformÃ©e de Fourier du signal vibratoire. Dans un tel cas de figure, et en rÃ©fÃ©rence Ã la figure 3, le blanchiment du signal vibratoire X(n) comprend une transformÃ©e de Fourier FT du signal vibratoire, le calcul MOD du module de ladite transformÃ©e, la division DIV de ladite transformÃ©e par son module et une transformÃ©e de Fourier inverse IFT du rÃ©sultat de ladite division. Avec DFT la 3065803 8 transformÃ©e de Fourrier discrÃ¨te et DFT-1 est la transformÃ©e inverse, l'opÃ©ration de blanchiment spectral s'Ã©crit comme Xb(n) = DFT-1 IDFT [X(n)} 1. IDFT[X(n)}11" En rÃ©fÃ©rence Ã la figure 2, le procÃ©dÃ© comprend une deuxiÃ¨me Ã©tape E2 de calcul d'un indicateur d'asymÃ©trie du signal vibratoire blanchi. Ce calcul permet 5 d'Ã©valuer la non-linÃ©aritÃ© de la fonction de transfert du capteur de vibration ou, vu diffÃ©remment, la prÃ©sence d'un dÃ©faut, telle qu'un dÃ©faut de fixation, du capteur de vibration. Dans un mode de rÃ©alisation possible, l'indicateur d'asymÃ©trie est le classique coefficient de dissymÃ©trie (skewness en anglais). 10 Dans un autre mode de rÃ©alisation possible, l'indicateur d'asymÃ©trie est un compteur de points aberrants dans le signal vibratoire blanchi. Plus prÃ©cisÃ©ment, le compteur des points aberrants quantifie l'asymÃ©trie Ã partir de la diffÃ©rence entre les points aberrants positifs et nÃ©gatifs, ces points aberrants Ã©tant dÃ©finis par rapport Ã un seuil symÃ©trique dit seuil d'aberration. On dÃ©signe par a le seuil d'aberration, Ã savoir un 15 entier positif plus petit que la valeur maximale de la valeur absolu du signal Xb(n) : 0 a n=1 L N- = IXb(n) REVENDICATIONS1. ProcÃ©dÃ© de dÃ©tection d'un dÃ©faut d'un capteur de vibration (11), comprenant le blanchiment spectral (El) du signal vibratoire (X (n)) dÃ©livrÃ© par le capteur de vibration, et le calcul (E2) d'un indicateur d'asymÃ©trie du signal vibratoire blanchi (Xb(n)). 2. ProcÃ©dÃ© selon la revendication 1, dans lequel le blanchiment du signal vibratoire est un blanchiment cepstral. 10 3. ProcÃ©dÃ© selon la revendication 1, dans lequel le blanchiment cepstral du signal vibratoire comprend une transformÃ©e de Fourier (FT) du signal vibratoire, le calcul du module (MOD) de ladite transformÃ©e, la division (DIV) de ladite transformÃ©e par son module et une transformÃ©e de Fourier inverse (IFT) du rÃ©sultat de ladite division. 15 4. ProcÃ©dÃ© selon l'une des revendications 1 Ã 3, dans lequel le calcul de l'indicateur d'asymÃ©trie comprend un comptage d'un nombre de points aberrants (N+, N1 dans le signal vibratoire blanchi. 5. ProcÃ©dÃ© selon la revendication 4, dans lequel un point du signal vibratoire blanchi 20 est un point aberrant lorsque sa valeur absolue est supÃ©rieure Ã un seuil d'aberration (a). 6. ProcÃ©dÃ© selon l'une des revendications 4 et 5, dans lequel le calcul de l'indicateur d'asymÃ©trie comprend le calcul de la diffÃ©rence entre le nombre de points aberrants positifs et le nombre de points aberrants nÃ©gatifs. 25 7. ProcÃ©dÃ© selon l'une des revendications 1 Ã 6, dans lequel un dÃ©faut du capteur de vibration est dÃ©tectÃ© lorsque l'indicateur d'asymÃ©trie excÃ¨de un seuil d'alarme (f4. 8. ProcÃ©dÃ© selon l'une des revendications 1 Ã 7, dans lequel le capteur de vibration 30 est installÃ© au sein d'une machine, et dans lequel le signal vibratoire est exploitÃ©-par un 3065803 12 systÃ¨me de surveillance (1) de l'Ã©tat de santÃ© de la machine par analyse vibratoire lorsqu'aucun dÃ©faut du capteur de vibration n'est dÃ©tectÃ©. 9. UnitÃ© de traitement de donnÃ©es (3) comprenant des moyens (31) configurÃ©s pour mettre en oeuvre le procÃ©dÃ© selon l'une des revendications 1 Ã 7. 10. SystÃ¨me de surveillance (1) de l'Ã©tat de santÃ© d'une machine par analyse vibratoire, comprenant un capteur de vibration (11) installÃ© au sein de la machine et une unitÃ© de traitement de donnÃ©es (3) selon la revendication 9 couplÃ©e au capteur de vibration. 11. SystÃ¨me selon la revendication 10 dans lequel le capteur de vibration est un accÃ©lÃ©romÃ¨tre. 12. Produit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code pour la mise en oeuvre du procÃ©dÃ© selon l'une des revendications 1 Ã 7, lorsque ledit programme est exÃ©cutÃ© sur un ordinateur.