Brevet FR3097325A1 — publié le 20201218

Description Titre de l'invention : Dispositif de surveillance d'état ayant un com- mutateur de puissance entre un collecteur d'énergie intégré et procédé pour faire fonctionner ledit commutateur de puissance. Art Antérieur 100011 La présente invention concerne le domaine des dispositifs de surveillance d'état, et en particulier les capteurs de surveillance d'état pour surveiller l'état d'un système, par exemple une machine mobile. 100021 Les dispositifs de surveillance d'état permettent de surveiller l'état d'un système sans nécessiter d'inspection manuelle. Ces dispositifs peuvent être particulièrement avantageux dans les emplacements éloignés ou les emplacements qui sont difficiles et/ ou dangereux à atteindre, par exemple les essieux et/ou les paliers d'un système ferroviaire. 100031 L'analyse des signaux de vibrations produits par les machines mobiles est bien connue dans le domaine de la surveillance d'état de machines. 100041 En général, des capteurs électriques sont utilisés pour collecter des mesures de vi- brations qui peuvent ensuite être analysées pour déterminer l'état de la machine et détecter des défauts éventuels de la machine. [0005] Dans de nombreuses situations, il peut être pratique que les dispositifs de sur- veillance d'état soient alimentés par une source génératrice intégrée. En effet, il peut être nécessaire de fournir de l'énergie électrique à des dispositifs qui sont situés à des emplacements éloignés, par exemple lorsqu'une infrastructure d'alimentation en puissance n'existe pas ou, si une telle infrastructure existe, lorsque la puissance n'est pas disponible à l'emplacement spécifique auquel le dispositif est installé. [0006] Pour alimenter les dispositifs de surveillance d'état, il est connu d'utiliser un bloc- batterie ou une source de puissance de capacité limitée telle qu'un collecteur d'énergie. [0007] Un tel dispositif de surveillance d'état est basé sur les vibrations produites par la machine surveillée ; les vibrations mécaniques peuvent ainsi être utilisées comme source de puissance qui peut être collectée localement. En effet, la collecte d'énergie de vibrations est le processus consistant à utiliser les vibrations provenant de l'environnement pour entraîner des générateurs qui fournissent de la puissance destinée à être utilisée dans des dispositifs électriques. Une telle technologie est particulièrement avantageuse car elle est capable de fournir une autonomie en matière de puissance à des dispositifs situés à des emplacements éloignés. [0008] Le collecteur d'énergie de vibrations génère habituellement une puissance électrique à partir d'une bobine conductrice qui se déplace par rapport à un champ magnétique. 2 Ce mouvement relatif est provoqué par l'énergie des vibrations provenant de la machine dont l'état est surveillé. Du courant est ainsi induit dans un conducteur se déplaçant à travers un champ magnétique. En général, le collecteur d'énergie de vibrations comprend un aimant permanent fixe et une bobine suspendue par des ressorts qui est amenée à osciller par rapport à l'aimant permanent. Dans un autre type de collecteur d'énergie, l'aimant permanent est suspendu sur des ressorts et est amené à osciller par rapport à une bobine fixe. [0009] Afin de réaliser une collecte d'énergie efficace, il est nécessaire d'augmenter le mouvement d'oscillation à l'intérieur dudit collecteur. Toutefois, lors de l'acquisition des mesures de signaux de vibrations, le courant dans la bobine peut produire un champ magnétique alternatif qui peut induire un signal indésirable dans le capteur de surveillance d'état. [0010] Il est donc nécessaire de réduire les oscillations du collecteur au cours de l'acquisition des mesures. Résumé de l'invention [0011] L'objet de la présente invention consiste à fournir un système et un procédé pour limiter le mouvement du collecteur d'énergie au cours de l'acquisition de mesures de signaux de vibrations par le capteur de surveillance d'état. [0012] Un objet particulier de la présente invention consiste à fournir un dispositif de sur- veillance d'état conçu pour être monté sur un système pour surveiller l'état dudit système, comme par exemple une machine mobile. Le dispositif de surveillance d'état comprend un capteur de surveillance d'état configure pour acquérir des signaux de vibrations produits par le système ; et une alimentation en puissance intégrée pour fournir une énergie de puissance au capteur de surveillance d'état. Ladite alimentation en puissance intégrée comprend un collecteur d'énergie ayant une bobine électromagnétique et un aimant permanent, Fun parmi la bobine électromagnétique et l'aimant permanent étant configure pour osciller par rapport à l'autre, l'alimentation en puissance intégrée comprenant en outre un commutateur de puissance de système entre le collecteur d'énergie et le capteur de surveillance d'état. [0013] Le commutateur de puissance de système est configure pour être commuté entre au moins une première position à impédance élevée fournissant de l'énergie de puissance du collecteur d'énergie au capteur et une deuxième position à faible impédance à laquelle le collecteur d'énergie est court-circuité et aucune puissance n'est transmise du collecteur d'énergie au capteur. [0014] Le dispositif de surveillance d'état comprend un système pour limiter le mouvement du collecteur d'énergie, configuré pour être connecté en travers de la bobine électromagnétique dans la deuxième position à faible impédance du commutateur de puissance 3 de système. [0015] L'impédance est considérée comme faible lorsqu'elle est comprise entre 5000 ohms et 100 ohms. L'impédance du système limitant le mouvement est conçue pour trouver un compromis entre deux exigences conflictuelles. L'impédance doit être faible pour augmenter le courant s'écoulant à travers la bobine du collecteur d'énergie. À mesure que l'impédance diminue et que le courant augmente, la chaleur augmente, ce qui peut endommager le collecteur d'énergie intégré et le capteur de surveillance d'état. [0016] Le collecteur d'énergie peut donc être commuté au mode à faibles oscillations au cours de l'acquisition de mesures par le capteur de surveillance d'état. Le mouvement du collecteur d'énergie peut ainsi être limité au cours de l'acquisition de mesures par le capteur de surveillance d'état. Ceci permet un diagnostic anticipé des défauts de la machine, ainsi qu'une augmentation de la durée de vie utile du collecteur, ce qui augmente à son tour la durée de vie utile de la surveillance d'état. [0017] Avantageusement, le commutateur de puissance de système présente une entrée connectée à une première borne de la bobine et une sortie pouvant être déplacée entre la première position à impédance élevée et la deuxième position à faible impédance. [0018] Ladite entrée peut par exemple être connectée de manière permanente à la première borne de la bobine. [0019] Selon un mode de réalisation, le système de limitation du mouvement comprend un câble ayant une première extrémité configurée pour être connectée à la sortie du commutateur de puissance de système dans la position à faible impédance et une deuxième extrémité connectée entre la sortie du capteur de surveillance d'état et la deuxième borne de la bobine. [0020] La deuxième extrémité du système de limitation du mouvement peut par exemple être connectée de manière permanente entre la sortie du capteur de surveillance d'état et la deuxième borne de la bobine. [0021] Le système de limitation du mouvement peut comprendre une ou plusieurs ré- sistances et/ou inductances et/ou un ou plusieurs composants capacitifs passifs. Le système de limitation du mouvement est configuré pour réduire le mouvement du collecteur d'énergie lorsqu'il ne doit pas générer de la puissance. [0022] Selon un mode de réalisation, le commutateur de puissance de système est configuré pour être commuté entre la première position à impédance élevée, la deuxième position passive à faible impédance et une troisième position à très faible impédance à laquelle la sortie du commutateur n'est connectée à aucun élément. [0023] L'impédance est considérée comme étant très faible lorsqu'elle est strictement in- férieure à 100 ohms. Cette troisième position permet de maximiser pendant une brève période de temps, par exemple de 20 secondes, la limitation du mouvement du collecteur d'énergie oscillant tandis qu'une mesure de vibrations est capturée afin de réduire tout bruit parasite généré par le collecteur. [0024] Selon un mode de réalisation, le dispositif de surveillance d'état comprend en outre un dispositif de stockage d'énergie intégré, tel que par exemple un condensateur ou une batterie rechargeable pour alimenter le capteur de surveillance d'état lorsque le collecteur est commuté à un mode à faibles oscillations, c'est-à-dire à la position à faible impédance. Le dispositif de stockage d'énergie intégré est avantageusement situé parallèlement au capteur 12 entre le commutateur et l'entrée du capteur. [0025] Par exemple, le collecteur d'énergie comprend un boîtier, la bobine électroma- gnétique étant fixée au boîtier et comprenant des bornes électriques, et l'aimant permanent étant suspendu entre des ressorts connectés audit boîtier, l'aimant permanent étant amené à osciller par rapport à la bobine fixe. [0026] Dans un exemple non limitatif, le dispositif peut en outre comprendre un régulateur de charge connecté à la sortie du commutateur. [0027] Selon un autre aspect, l'invention concerne un procédé pour faire fonctionner le com- mutateur de puissance de système du dispositif de surveillance d'état tel que décrit ci-dessus. Le procédé comprend : [0028] - la vérification de l'état du capteur de surveillance d'état ; [0029] - la commutation du commutateur de puissance de système à la première position à impédance élevée si le capteur de surveillance d'état n'est pas en cours d'acquisition de mesures ; et [0030] - la commutation du commutateur de puissance de système à la deuxième position à faible impédance si le capteur de surveillance d'état est en cours d'acquisition de mesures. [0031] Lorsque le dispositif de surveillance d'état comprend un dispositif de stockage d'énergie intégré, le procédé comprend : [0032] - la comparaison de la puissance d'énergie contenue dans le dispositif de stockage d'énergie avec un seuil ; [0033] - la commutation du commutateur de puissance de système à la première position à impédance élevée si l'énergie de puissance est en dessous dudit seuil ; et [0034] - la commutation du commutateur de puissance de système à la deuxième position à faible impédance si l'énergie de puissance est supérieure audit seuil. Brève description des figures [0035] La présente invention et ses avantages vont être mieux compris en étudiant la des- cription détaillée de modes de réalisation spécifiques fournis à titre d'exemples non limitatifs et illustrés dans les dessins annexés, dans lesquels : [0036] la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de surveillance d'état ayant un système pour limiter le mouvement d'un collecteur d'énergie selon un mode de réalisation de l'invention ; et la figure 2 est un organigramme décrivant un procédé pour faire fonctionner un commutateur de puissance de système du dispositif de surveillance d'état de la figure 1. Description détaillée de l'invention [0037] Examinons tout d'abord la figure 1, qui illustre un mode de réalisation d'un dispositif de surveillance d'état 10 selon l'invention conçu pour être monté sur un système pour surveiller l'état dudit système, comme par exemple une machine mobile. [0038] Le dispositif de surveillance d'état 10 comprend un capteur de surveillance d'état 12 configuré pour acquérir des signaux de vibrations produits par la machine mobile. En variante, ou en plus, le dispositif de surveillance d'état comprend un capteur configure pour acquérir un signal représentatif d'une température, d'un déplacement, d'une vitesse ou d'une accélération. [0039] Le dispositif de surveillance d'état 10 comprend en outre une alimentation en puissance intégrée 14 pour fournir dc la puissance au capteur de surveillance d'état 12. [0040] L'alimentation en puissance intégrée 14 présente une source dc puissance dc capacité limitée, telle qu'un collecteur d'énergie 16. [0041] Le collecteur d'énergie 16 comprend un boîtier 18, une bobine électromagnétique fixe 20 fixée à des surfaces latérales 18a, 18h du boîtier 18 et pourvue de bornes électriques 20a, 20b. [0042] Le collecteur d'énergie 16 comprend en outre un aimant permanent 22 suspendu entre un ressort supérieur et un ressort inférieur 23a, 23b connectés respectivement à une surface supérieure et à une surface inférieure 18e, 18d du boîtier 18. L'aimant permanent 22 est amené à osciller par rapport à la bobine fixe 20. [0043] L'aimant permanent 22 est positionné de manière mobile à l'intérieur dc la bobine électromagnétique 20 et passe en partie à travers elle, de telle sorte que le mouvement de l'aimant 22 induise une énergie électrique à l'intérieur. Le mouvement d'oscillation de l'élément 22 par rapport à la bobine 20 donne lieu à une génération d'électricité par induction à l'intérieur de la bobine 20, laquelle devient disponible au niveau des bornes 20a, 20b. [0044] En variante, le collecteur d'énergie peut comprendre un aimant permanent fixe et une bobine suspendue par des ressorts, laquelle est amenée à osciller par rapport à l'élément permanent. [0045] En général, le collecteur d'énergie 16 génère de la puissance sur la base des vi- brations d'un élément par rapport à un autre. [0046] L'alimentation en puissance 14 comprend en outre un commutateur de puissance de système 24 entre le collecteur d'énergie 16 et le capteur de surveillance d'état 12, en 6 particulier entre la première borne de bobine 20a et l'entrée 12a du capteur de surveillance d'état 12. [0047] Le commutateur de puissance de système 24 a une entrée 24a connectée de manière permanente à la première borne de bobine 20a de la bobine 20 et une sortie 24b qui peut être connectée à l'entrée 12a du capteur de surveillance d'état 12. [0048] Le commutateur de puissance de système 24 peut comprendre n'importe quel type de commutateur mécanique ou à semi-conducteurs, par exemple un relais, BIT, MOSP'LT, IGBT, etc. Par exemple, le commutateur peut être un transistor à effet de champ à canal p. [0049] Le dispositif de surveillance d'état 10 comprend en outre un système 26 pour limiter le mouvement du collecteur d'énergie 16. Ledit système 26 comprend un câble ayant une première extrémité 26a qui peut être connectée à la sortie 24b du commutateur de puissance de système 24 et une deuxième extrémité 26b connectée de manière permanente entre la sortie 12b du capteur de surveillance d'état 12 et la deuxième borne de bobine 2011 de la bobine 20. [0050] Le système de limitation de mouvement 26 peut comprendre une ou plusieurs ré- sistances, et/ou des inductances et/ou des composants passifs capacitifs. Le système de limitation de mouvement 26 est configure pour réduire le mouvement du collecteur d'énergie lorsqu'il ne doit pas générer de la puissance. [0051] La sortie 24b du commutateur de puissance de système 24 est configurée pour être commutée entre trois positions : [0052] - une première position à impédance élevée à laquelle ladite sortie 24b est connectée à l'entrée 12a du capteur de surveillance d'état 12, fournissant ainsi de l'énergie de puissance du collecteur d'énergie 16 audit capteur 12. Dans cette position, l'élément oscillant, dans ce cas l'aimant permanent 22, est libre de se déplacer avec peu de force d'opposition suivant les flèches M. [0053] - une deuxième position passive à faible impédance à laquelle ladite sortie 24b est connectée à l'entrée 26a du câble du système de limitation de mouvement 26, par conséquent le collecteur d'énergie 16 est court-circuité et aucune puissance n'est transmise au capteur 12. Dans cette position à faible impédance, les forces d'opposition sont augmentées, limitant ainsi le mouvement d'oscillation de l'aimant permanent 22. Cette position peut être désignée comme un mode à faible oscillation. Dans cette position à faible impédance, le système de limitation de mouvement 26 est connecté en travers de la bobine électromagnétique 20. L'impédance est considérée comme faible lorsqu'elle est comprise entre 5000 ohms et 100 ohms. L'impédance du système de limitation de mouvement 26 est conçue pour trouver un compromis entre deux exigences conflictuelles. L'impédance doit être faible pour augmenter le courant s'écoulant à travers la bobine 20 du collecteur d'énergie. À mesure que l'impédance 7 réduit et que le courant augmente, la chaleur augmente, ce qui peut endommager le collecteur d'énergie intégré 16 et le capteur de surveillance d'état 12. [0054] - une troisième position à très faible impédance à laquelle ladite sortie 24b n'est connectée à aucun élément. L'impédance est considérée comme très basse lorsqu'elle est strictement inférieure à 100 ohms. Cette troisième position permet de maximiser la limitation du mouvement du collecteur d'énergie oscillant pendant une brève période de temps, par exemple de 20 secondes, tandis qu'une mesure de vibrations est capturée afin de réduire tout bruit parasite généré par le collecteur. [0055] En variante, la sortie 24b du commutateur de puissance de système 24 est configure° pour être commutée seulement entre la première position à impédance élevée et la deuxième position à faible impédance. [0056] Le collecteur d'énergie 16 est ainsi commuté aux modes à faible oscillation lors de l'acquisition de mesures par le capteur de surveillance d'état. Ceci permet un diagnostic anticipé des défauts de la machine, ainsi qu'une augmentation de la durée de vie utile du collecteur, ce qui augmente à son tour la durée de vie utile de la surveillance d'état. [0057] Dans un exemple non limitatif, le dispositif de surveillance d'état 10 peut comprendre un dispositif de stockage d'énergie intégré 28, par exemple un condensateur ou une batterie rechargeable, en tant que moyen pour alimenter le capteur de surveillance d'état 12 lorsque le collecteur 16 est commuté à un mode à faible oscillation. Le dispositif de stockage d'énergie intégré 28 est situé parallèlement au capteur 12 entre la sortie 24b du commutateur 24 et l'entrée 12a du capteur 12. [0058] Dans un exemple non limitatif, le dispositif 10 comprend en outre un régulateur de charge 29 connecté au niveau de la sortie 24b du commutateur 24. [0059] Un procédé 30 de fonctionnement du commutateur de puissance de système 24 du dispositif de surveillance d'état 10 de la figure 1 est illustré à la figure 2. [0060] Au bloc 32, l'état du capteur de surveillance d'état 12 est vérifié. [0061] Si le capteur de surveillance d'état 12 n'est pas en cours d'acquisition de mesures, la sortie 24a du commutateur 24 est connectée, au bloc 34, à l'entrée 12a du capteur 12. [0062] Si le capteur de surveillance d'état 12 est en cours d'acquisition de mesures, la sortie 24a du commutateur 24 est connectée, au bloc 36, à l'entrée 26a du système de limitation de mouvement 26. [0063] À titre d'exemple non limitatif, lorsque le dispositif de surveillance d'état 10 comprend le dispositif de stockage d'énergie intégré 28, si le capteur de surveillance d'état 12 n'est pas en cours d'acquisition de mesures, le procédé 30 compare, au bloc 38, la puissance d'énergie contenue dans ledit dispositif de stockage d'énergie 28 avec un seuil afin de fournir de la puissance d'énergie au capteur 12. Si l'énergie de puissance est au-dessus dudit seuil, la sortie 24a du commutateur 24 est connectée, au bloc 36, à l'entrée 26a du système de limitation de mouvement 26 et si l'énergie de 8 puissance est inférieure audit seuil, la sortie 24a du commutateur 24 est connectée, au bloc 36, à l'entrée 12a du capteur 12. [0064] Grâce à l'invention, le collecteur d'énergie est combiné à un système à impédance contrôlée. Il est donc possible de sélectionner l'impédance de charge présentée au collecteur d'énergie en fonction du mode de fonctionnement du dispositif de surveillance d'état intégré. 9 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] REVENDICATIONSDispositif de surveillance d'état (10) conçu pour être monté sur un système pour surveiller l'état dudit système, comprenant : un capteur de surveillance d'état (12) configuré pour acquérir des signaux de vibrations produits par le système ; et une alimentation en puissance intégrée (14) pour fournir de l'énergie de puissance au capteur de surveillance d'état (12) ; ladite alimentation en puissance intégrée (14) comprenant un collecteur d'énergie (16) ayant une bobine électromagnétique (20) et un aimant permanent (22), la bobine électromagnétique (20) et l'aimant permanent (22) étant configurés pour osciller l'un par rapport à l'autre, l'alimentation en puissance intégrée (14) comprenant en outre un commutateur de puissance de système (24) entre le collecteur d'énergie (16) et le capteur de surveillance d'état (12), caractérisé en ce que le commutateur de puissance de système (24) est configuré pour être commuté entre au moins une première position à impédance élevée fournissant de l'énergie de puissance du collecteur d'énergie (16) au capteur (12) et une deuxième position passive à faible impédance à laquelle le collecteur d'énergie (16) est court-circuité et en ce que le dispositif de surveillance d'état comprend un système (26) pour limiter le mouvement du collecteur d'énergie (16), configuré pour être connecté en travers de la bobine électromagnétique (20) dans la deuxième position à faible impédance du commutateur de puissance de système (24). Dispositif de surveillance d'état (10) selon la revendication 1, dans lequel le commutateur de puissance de système (24) présente une entrée (24a) connectée à une première borne de bobine (20a) de la bobine (20) et une sortie (24b) pouvant être déplacée entre la première position à impédance élevée et la deuxième position à faible impédance. Dispositif de surveillance d'état (10) selon la revendication 2, dans lequel ladite entrée (24a) est connectée de manière permanente à la première borne de bobine (20a) de la bobine (20). Dispositif de surveillance d'état (10) selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le système de limitation de mouvement (26) comprend un câble ayant une première extrémité (26a) configurée pour être connectée à la sortie (24b) du commutateur de puissance de système (24) dans la position à faible impédance et une deuxième extrémité (26b) connectée 10 [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] entre la sortie (12b) du capteur de surveillance d'état (12) et la deuxième borne de bobine (20b) de la bobine (20). Dispositif de surveillance d'état (10) selon la revendication 4, dans lequel la deuxième extrémité (26b) du système de limitation de mouvement (26) est connectée de manière permanente entre la sortie (12b) du capteur de surveillance d'état (12) et la deuxième borne de bobine (20b) de la bobine (20). Dispositif de surveillance d'état (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le commutateur de puissance de système (24) est configure pour être commuté entre la première position à impédance élevée, la deuxième position passive à faible impédance et une troisième position à très faible impédance à laquelle la sortie (24b) du commutateur (24) n'est connectée à aucun élément. Dispositif de surveillance d'état (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un dispositif de stockage d'énergie intégré (28) pour alimenter le capteur de surveillance d'état (12) lorsque le collecteur (16) est commuté à un mode à faible oscillation, ledit dispositif de stockage d'énergie intégré (28) étant situé entre le commutateur (24) et l'entrée (12a) du capteur (12). Dispositif de surveillance d'état (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le collecteur d'énergie (16) comprend un boîtier (18), la bobine électromagnétique (20) étant fixée au boîtier (18) et comprenant des bornes électriques (20a, 20b), et l'aimant permanent (22) étant suspendu entre des ressorts (23a, 23b) connectés audit boîtier (18), l'aimant permanent (22) étant amené à osciller par rapport à la bobine fixe (20). Procédé (30) pour faire fonctionner le commutateur de puissance de système (24) du dispositif de surveillance d'état (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant : - la vérification (32) de l'état du capteur de surveillance d'état (12) ; - la commutation du commutateur de puissance de système (24) à la première position à impédance élevée si le capteur de surveillance d'état (12) n'est pas en cours d'acquisition de mesures ; et - la commutation du commutateur de puissance de système (24) à la deuxième position à faible impédance si le capteur de surveillance d'état (12) est en cours d'acquisition de mesures. Procédé (30) selon les revendications 7 et 9, comprenant : - la comparaison de la puissance d'énergie contenue dans le dispositif de 11 stockage d'énergie (28) avec un seuil ; - la commutation du commutateur de puissance de système (24) à la première position à impédance élevée si l'énergie de puissance est en dessous dudit seuil ; et - la commutation du commutateur de puissance de système (24) à la deuxième position à faible impédance si l'énergie de puissance est supérieure audit seuil.