Brevet FR3125331A1 — publié le 20230120

Une soupape présente un dispositif de détection de position (12) comprenant au moins un capteur à effet Hall (24) et un générateur de signaux (22), le capteur à effet Hall (24) étant réalisé de manière à détecter des composantes de champ magnétique dans un premier sens de mesure (x) et dans un deuxième sens de mesure (y) orthogonal à celui-ci, les deux sens de mesure (x, y) se trouvant dans une zone de mesure plane (28) du capteur à effet Hall (24). Le générateur de signaux (22) est un aimant à polarisation axiale qui est agencé sur un poussoir de soupape (16) déplaçable linéairement le long d'un axe de déplacement (A x ) de telle sorte que ses pôles se trouvent dans l'axe de déplacement (A x ), l'axe de déplacement (A x ) s'étendant parallèlement au premier sens de mesure (x) et le long d'une normale à la surface (N) de la zone de mesure (28), à distance de la zone de mesure (28). Une ligne médiane imaginaire (M) est définie sur la zone de mesure (28) à travers un centre (M P ) de la zone de mesure (28) et le long du premier sens de mesure (x), l'axe de déplacement (A x ) étant agencé à distance de la ligne médiane (M) le long du deuxième sens de mesure (y). Fig. 1 Soupape avec un dispositif de détection de position L'invention concerne une soupape présentant un dispositif de détection de position. Pour détecter la position d'un élément de soupape et ainsi déterminer l'état de la soupape par rapport à une position d'ouverture ou de fermeture, il est connu d’agencer sur un poussoir de soupape relié à l'élément de soupape et déplaçable linéairement un aimant servant de générateur de signaux, lequel se déplace dans la zone de détection d'un capteur à effet Hall. Le signal de mesure ainsi généré dans le capteur à effet Hall est utilisé pour déterminer la position. L'intensité du signal de mesure varie fortement en fonction de la distance à laquelle l'aimant passe devant le capteur à effet Hall, de sorte qu’une distance aussi faible que possible est normalement choisie pour obtenir une amplitude de signal aussi élevée que possible. C'est pourquoi le capteur à effet Hall est généralement positionné aussi près que possible de l'aimant et sa zone de mesure est orientée de manière centrée sur l’axe de déplacement de l'aimant, de sorte qu'une normale à la surface partant d'une ligne médiane de la zone de mesure coupe l’axe de déplacement. Dans le cas des capteurs à effet Hall qui mesurent un mouvement dans trois sens dans l’espace perpendiculaires entre eux, un mouvement axial d'un aimant à polarisation axiale se traduit, dans un tel agencement, par un signal de mesure pour le sens de déplacement (également appelé sens x dans ce qui suit) ainsi que par un signal de mesure pour le sens de l'aimant vers le capteur à effet Hall le long de la normale à la surface de la zone de mesure (également appelé sens z dans ce qui suit). En raison du tracé des lignes de champ magnétique, aucun signal n'est mesuré ou seulement un signal très faible pour le troisième sens dans l’espace perpendiculaire au premier sens de mesure dans le plan de la zone de mesure (également appelé sens y dans ce qui suit). Pour évaluer les signaux de mesure, il est par exemple connu du document DE 10 2018 203 884 A1 de former le quotient des deux signaux de mesure obtenus et d'appliquer à ce résultat une fonction sigmoïde, par exemple une fonction arc tangente, pour la linéarisation. Dans le cas de capteurs à effet Hall intégrés dans des puces semi-conductrices, les propriétés des capteurs partiels, pour des raisons de fabrication, varient pour les différents sens dans l'espace individuels, comme par exemple la sensibilité, le décalage et la dérive. Les capteurs partiels x et y agencés sur la surface du capteur à effet Hall présentent des propriétés similaires, tandis que les propriétés du capteur partiel z orienté dans la profondeur du capteur à effet Hall divergent davantage. Ainsi, lors de l'utilisation des signaux de mesure des capteurs partiels x et z, toutes les propriétés des capteurs doivent être prises en compte lors de l'évaluation, ce qui nécessite des calculs complexes ou des corrections d'erreurs. Le but de l'invention est d'améliorer la détection de position dans une soupape. Ce but est atteint avec une soupape présentant un dispositif de détection de position comprenant au moins un capteur à effet Hall et un générateur de signaux, le capteur à effet Hall étant réalisé de manière à comprendre au moins deux capteurs partiels qui détectent des composantes de champ magnétique dans un premier sens de mesure et dans un deuxième sens de mesure orthogonal à celui-ci, les deux sens de mesure se trouvant dans une zone de mesure plane du capteur à effet Hall. Une extension du capteur à effet Hall dans les deux sens de mesure, dans le plan de la zone de mesure, est supérieure à une extension du capteur à effet Hall perpendiculairement à celui-ci. Le générateur de signaux est un aimant à polarisation axiale qui est agencé sur un poussoir de soupape déplaçable linéairement le long d'un axe de déplacement de telle sorte que ses pôles se trouvent dans l'axe de déplacement, l'axe de déplacement s'étendant parallèlement au premier sens de mesure et le long d'une normale à la surface de la zone de mesure, à distance de la zone de mesure. Une ligne médiane imaginaire est définie sur la zone de mesure à travers un centre de la zone de mesure et le long du premier sens de mesure, l'axe de déplacement étant agencé à distance de la ligne médiane le long du deuxième sens de mesure. Comme dans l’agencement connu, l’axe de déplacement est donc placé à une (faible) distance dans le sens z (c'est-à-dire perpendiculairement au plan défini par les deux sens de mesure) devant la zone de mesure, mais il est en outre également décalé le long du deuxième sens de mesure par rapport à la ligne médiane de la zone de mesure qui constitue l'axe de symétrie du capteur partiel y. Ainsi, le capteur partiel y détecte également une composante du champ magnétique du générateur de signaux et fournit un signal suffisamment fort. Cela permet d'utiliser pour le calcul du signal de mesure les valeurs du capteur partiel x et du capteur partiel y, qui sont tous deux agencés dans la zone de mesure plane et présentent des caractéristiques de capteur similaires. Il en résulte l'avantage que, lors de la formation d'un quotient des signaux de mesure, les erreurs de capteur identiques sont réduites et les erreurs de capteur similaires sont au moins réduites, ce qui simplifie l'évaluation. Dans l’agencement décrit ci-dessus, le premier sens de mesure correspond au sens x, tandis que le deuxième sens de mesure correspond au sens y. La zone de mesure représente la zone de mesure active du capteur à effet Hall et est normalement nettement plus petite que les dimensions du boîtier du capteur à effet Hall. Cette zone de mesure est connue pour chaque capteur et est clairement visible pour l'homme du métier sur le capteur à effet Hall lui-même ou dans une documentation du fabricant pour ce capteur à effet Hall, afin de permettre un montage du capteur à effet Hall dans une position précise. Dans les capteurs à effet Hall connus, un centre de la zone de mesure est par exemple indiqué avec les dimensions de la zone de mesure et l'orientation des sens de mesure. Particulièrement adaptés à la mise en œuvre de l'invention sont les capteurs à effet Hall qui sont conçus pour le montage sur une platine et qui présentent le plus souvent des contacts agencés de part et d'autre de la surface définie par la zone de mesure, de sorte que la zone de mesure est parallèle à une face supérieure du capteur à effet Hall et parallèle à la platine. Étant donné que l'axe de déplacement est positionné devant la surface de la zone de mesure du capteur à effet Hall dans le sens z, la platine sur laquelle est agencé le capteur à effet Hall est apte à être montée sur une paroi du boîtier, ce qui permet un agencement compact. La distance entre l'axe de déplacement et la ligne médiane peut être choisie à l’appréciation de l'homme du métier. Il est nécessaire de noter que la distance doit être choisie suffisamment grande pour obtenir un signal de mesure du capteur partiel y associé au deuxième sens de mesure qui est utilisable à des fins pratiques. L'intensité du signal de la composante y augmente tout d'abord avec l'augmentation de la distance, étant donné que la composante y du champ magnétique du générateur de signaux est de plus en plus détectée, jusqu'à ce que l'intensité du signal diminue à nouveau après le dépassement d'un maximum en raison de la dépendance générale de la distance. L'intensité du signal de la composante x diminue toutefois avec l'augmentation de la distance, dès que l'axe de déplacement et la ligne médiane ne coïncident plus. Dans les limites de cette distance utile, l'homme du métier peut librement choisir la position de l'axe de déplacement. Le choix d’un décalage de l'axe de déplacement par rapport à la ligne médiane le long du deuxième sens de mesure suffisamment grand pour que, dans une projection le long de la normale à la surface de la zone de mesure, l’axe de déplacement ne chevauche pas la ligne médiane et, facultativement, ne chevauche pas la zone de mesure, s’est avéré être un bon agencement. Le décalage de l'axe de déplacement par rapport à la ligne médiane le long du deuxième sens de mesure est facultativement choisi de manière à être un facteur de 0,3 à 0,5 d'un diamètre du générateur de signaux perpendiculairement à l'axe de déplacement. Pour un diamètre du générateur de signaux de 19 mm et une hauteur de 5 mm, le décalage par rapport à la ligne médiane peut par exemple être compris entre 5 mm et 8 mm. Une zone de mesure d'un diamètre de 1 mm le long du deuxième sens de mesure a été supposée ici. Le décalage de l'axe de déplacement dans le sens z peut par exemple être de 10 mm. De préférence, l'axe de déplacement est espacé de la ligne médiane de telle sorte que les intensités de signal dans le premier et le deuxième sens de mesure sont du même ordre de grandeur en termes de valeur. Le rapport entre les différences entre les valeurs minimales et maximales des signaux de mesure résultant du premier et du deuxième sens de mesure lors du déplacement en éloignement du générateur de signaux sur toute sa plage de déplacement peut par exemple être compris entre 1,0 et 2,0. Le générateur de signaux est de préférence un aimant permanent qui présente exactement deux pôles et est polarisé linéairement, de sorte qu’il est possible d’utiliser des aimants simples et peu coûteux. Afin d'élargir la plage de mesure, il est possible d’agencer une pluralité de capteurs à effet Hall distincts les uns derrière les autres le long de l'axe de déplacement, lesquels détectent successivement le générateur de signaux. Il est par exemple possible de prévoir trois à cinq capteurs à effet Hall, en particulier identiques, les uns derrière les autres en ligne droite, l’axe de déplacement présentant un décalage identique pour tous les capteurs à effet Hall par rapport à la ligne médiane de la zone de mesure. Le capteur à effet Hall est notamment reçu dans une tête de commande de la soupape, dans laquelle s'étend le poussoir de soupape avec le générateur de signaux fixé sur celui-ci. La tête de commande comprend par exemple exclusivement des sections de la soupape fluidiquement non traversées par le fluide de processus. La tête de commande présente de préférence une structure de fixation pour une platine sur laquelle le capteur à effet Hall est monté. La tête de commande présente en outre normalement un passage pour le poussoir de soupape d’un côté orienté vers un élément de soupape de la soupape. La structure de fixation et le passage définissent par leurs positions la position de l'axe de déplacement par rapport au capteur à effet Hall, ce qui facilite le montage précis du capteur à effet Hall. L'élément de soupape est en contact avec des zones de la soupape traversées par un fluide et obture par exemple un siège de soupape ou le libère, l'élément de soupape étant relié au poussoir de soupape et donc au générateur de signaux selon une relation mécanique univoque, de sorte qu'une détermination de la position du générateur de signaux fournit une information univoque concernant la position de l'élément de soupape. La soupape est par exemple une soupape de processus, l'invention peut cependant également être mise en œuvre dans toutes les autres soupapes appropriées. Pour traiter les signaux du capteur à effet Hall, le dispositif de détection de position comprend de préférence une unité de commande et/ou d'évaluation qui est reliée au capteur à effet Hall de manière à transmettre des signaux. Cette unité de commande et/ou d'évaluation peut par exemple être agencée sur la même platine que le capteur à effet Hall. Il est cependant également possible de traiter les signaux en externe et donc d’agencer l'unité de commande et/ou d'évaluation à un autre endroit de la soupape ou en dehors de la soupape. L'invention est décrite plus en détail dans ce qui suit à l'aide d'un exemple de réalisation en référence aux figures annexées. Les dessins montrent : une représentation schématique d'une soupape selon l'invention ; schématiquement le positionnement d'un générateur de signaux par rapport à un capteur à effet Hall du dispositif de détection de position de la soupape de la dans le plan y-z ; schématiquement le positionnement du générateur de signaux par rapport au capteur à effet Hall dans le plan x-y ; schématiquement le positionnement du générateur de signaux par rapport au capteur à effet Hall dans le plan x-z ; et une représentation schématique des signaux de mesure des capteurs partiels du capteur à effet Hall saisis dans le dispositif de détection de position de la soupape de la . La montre une soupape 10, ici une soupape de processus, avec un dispositif de détection de position 12 représenté schématiquement, lequel est reçu dans une tête de commande 14 de la soupape 10. La tête de commande 14 comprend ici exclusivement des composants de la soupape 10 qui ne sont pas traversés par le fluide de processus. Un poussoir de soupape 16 fait saillie à travers un passage 18 à l'extrémité inférieure de la tête de commande 14 et est solidaire d'un élément de soupape 20 à l'extérieur de la tête de commande 14. L'élément de soupape 20 coopère avec les composants de la soupape 10 transportant les fluides de processus, lesquels sont uniquement esquissés ici. L'élément de soupape 20 peut par exemple obturer ou libérer un siège de soupape ou coopérer avec un composant qui obture ou libère le siège de soupape. Dans tous les cas, le mouvement du poussoir de soupape 16 se transmet immédiatement et directement à l'élément de soupape 20, de sorte qu'une position du poussoir de soupape 16 fournit une information univoque concernant la position de l'élément de soupape 20. Un générateur de signaux 22 est agencé sur le poussoir de soupape 16 à l'extrémité opposée à l'élément de soupape 20. Le générateur de signaux 22 est un aimant à polarisation axiale dont les pôles sont agencés le long de l'axe longitudinal du poussoir de soupape 16. L’agencement des pôles représenté sur la est choisi à titre d'exemple, le générateur de signaux 22 peut bien entendu être polarisé en sens inverse. L'axe longitudinal du poussoir de soupape 16 définit un axe de déplacement A x , le poussoir de soupape 16 se déplaçant linéairement en va-et-vient le long de l'axe de déplacement A x dans une plage de déplacement prédéfinie afin de déplacer l'élément de soupape 20. Le générateur de signaux 22 est agencé en position fixe sur le poussoir de soupape 16 et génère un champ magnétique à symétrie de révolution autour de l'axe de déplacement A x . Il n'est prévu ici qu'un seul générateur de signaux 22 dans la soupape 10. Le générateur de signaux 22 fait partie du dispositif de détection de position 12. Le dispositif de détection de position 12 comprend également un ou plusieurs (ici trois) capteurs à effet Hall 24. Dans cet exemple, tous les capteurs à effet Hall 24 sont montés ensemble sur une platine 26. Tous les capteurs de Hall 24 sont alignés le long d'une ligne droite. Chacun des capteurs à effet Hall 24 comprend une zone de mesure 28 qui est plus petite que les dimensions du boîtier du capteur à effet Hall 24. Dans cet exemple, tous les capteurs de Hall 24 sont réalisés de manière à pouvoir détecter des signaux de mesure dans trois sens dans l’espace x, y, z perpendiculaires entre eux. On considère ici comme sens x et y un premier et un deuxième sens de mesure qui se trouvent dans la surface de la zone de mesure 28 et qui sont donc agencés sur la plus grande surface du capteur à effet Hall 24 qui est de forme sensiblement parallélépipédique. Le premier et le deuxième sens de mesure x, y sont ici également parallèles à la surface de la platine 26. Le troisième sens de mesure s'étend donc en sens z dans la profondeur du capteur à effet Hall 24, perpendiculairement à la zone de mesure 28. Ce sens de mesure n'a pas d'importance pour le procédé décrit ici, mais le signal fourni par ce capteur partiel peut également être évalué pour obtenir d'autres informations. L'invention peut bien entendu également être mise en œuvre avec des capteurs à effet Hall qui ne comportent que des capteurs partiels pour le premier et le deuxième sens de mesure x, y, mais pas pour le sens z. Les dessins ne sont pas à l'échelle. Une structure de fixation 30 est réalisée à l'intérieur de la tête de commande 14, sur laquelle la platine 26 est montée de manière fixe. La structure de fixation 30 et le passage 18 déterminent de manière fixe la position du poussoir de soupape 16 et des capteurs à effet Hall 24 à l'intérieur de la tête de commande 14, et donc également les positions relatives du générateur de signaux 22 par rapport aux capteurs à effet Hall 24. L'axe de déplacement A x est orienté selon le premier sens de mesure x et est agencé avec un décalage v y et v z par rapport aux capteurs à effet Hall 24, plus précisément par rapport à une ligne médiane imaginaire M de la zone de mesure 28 de chacun des capteurs à effet Hall 24 par rapport au sens y (voir également les figures 2 à 4). La ligne médiane imaginaire M passe par un centre M P de chaque zone de mesure 28 et le long du premier sens de mesure x. Le sens z coïncide avec une normale à la surface N de la zone de mesure 28 (voir également la ). Comme le montre la , le décalage v y crée une distance entre l'axe de déplacement A x et la ligne médiane M le long du deuxième sens de mesure y, tandis que le décalage v z crée une distance entre l'axe de déplacement A x et la zone de mesure 28 dans le sens z. Le décalage v y est facultativement choisi suffisamment grand pour que, dans une projection le long de la normale à la surface N, le générateur de signaux 22 ne chevauche pas la zone de mesure 28, comme représenté sur les figures 1 à 3. Dans tous les cas, l'axe de déplacement A x est cependant positionné de telle sorte qu'une normale à la surface N partant de la ligne médiane M de la zone de mesure 28 ne coupe pas l'axe de déplacement A x . Le générateur de signaux 22 est un aimant permanent à polarisation axiale présentant exactement un pôle nord et un pôle sud. Le diamètre d perpendiculairement à l'axe de déplacement A x est par exemple de 19 mm. La hauteur le long de l'axe de déplacement A x est choisie ici égale à 5 mm. Dans cet exemple, la zone de mesure 28 du capteur à effet Hall 24 présente une largeur de 1 mm selon le sens y. Le décalage v y est ici de 5 à 8 mm. De manière générale, le décalage v y peut par exemple être un facteur de 0,3 à 0,5 du diamètre d du générateur de signaux 22. Le dispositif de détection de position 12 comprend en outre une unité de commande et/ou d'évaluation 32 (voir la ), qui est reliée aux capteurs à effet Hall 24 de manière à transmettre des signaux et qui est ici également agencée sur la platine 26. Lorsque le poussoir de soupape 16 est déplacé le long de l'axe de déplacement A x , le générateur de signaux 22 se déplace dans la même mesure que l'élément de soupape 20. Étant donné que le générateur de signaux 22 se déplace par rapport aux capteurs Hall 24, le signal de mesure généré par les capteurs Hall 24 change. L'unité de commande et/ou d'évaluation 32 enregistre de manière connue et non expliquée en détail ici lequel des capteurs à effet Hall 24 est actuellement le plus proche du générateur de signaux 22 et est donc actuellement responsable de la détection. Le champ magnétique déplacé du générateur de signaux 22 génère dans le capteur partiel du capteur à effet Hall 24 responsable du premier sens de mesure x un signal de mesure 34 dont la valeur augmente et diminue sensiblement de manière continue, comme le montre la . Pour le deuxième sens de mesure y, des composantes de champ magnétique sont détectées dans le sens y en raison du décalage v y , lesquelles changent de polarité au cours du passage du générateur de signaux 22 le long du capteur à effet Hall 24. Il en résulte un signal de mesure 36 qui présente à la fois un pic positif et un pic négatif (voir la ). L'allure des courbes de mesure dépend bien entendu de la polarité du générateur de signaux 22. Le signal de mesure 38 du capteur partiel z n'est pas pris en compte ici. La position de l'axe de déplacement A x par rapport à la zone de mesure 28, c'est-à-dire la valeur du décalage v y , v z , doit être choisie à l’appréciation de l'homme du métier de manière à ce que l'amplitude S du signal de mesure 36 reçu pour le deuxième sens de mesure y soit du même ordre de grandeur que l'amplitude S du signal de mesure 34 reçu pour le premier sens de mesure x. Les intensités maximales des signaux (mesurées de la ligne zéro à pic ou de pic à pic) des signaux de mesure 34, 36 pour le premier et le deuxième sens de mesure x, y ont un rapport de 1,0 à 2,0. Lors de l'évaluation des signaux de mesure 34, 36, un quotient des signaux de mesure 34, 36 détectés pour le premier sens de mesure x et le deuxième sens de mesure y est formé et ce résultat est appliqué à une fonction sigmoïde, par exemple une fonction d'arc tangente, pour obtenir le signal de longueur, ce qui donne, de manière connue, une courbe avec une section ascendante approximativement rectiligne qui présente une dépendance directe par rapport au déplacement du capteur de signaux 22 et permet ainsi de déterminer facilement la position du capteur de signaux 22 et de l'élément de soupape 20 (non représenté ici). La longueur de cette section approximativement linéaire entre deux points d'inflexion de la courbe détermine la plage de mesure utilisable. En règle générale, la dépendance s'applique ici, selon laquelle un décalage v y plus élevé entraîne une plage de mesure utile plus importante, mais lors du dépassement d'une valeur prédéfinie par le système actuel pour le décalage v y , l'amplitude S du signal du deuxième sens de mesure y se réduit lorsque le décalage v y augmente. L'homme du métier doit choisir la position appropriée de l'axe de déplacement A x pour le système concret dans cette plage de paramètres. Soupape présentant un dispositif de détection de position (12) comprenant au moins un capteur à effet Hall (24) et un générateur de signaux (22), le capteur à effet Hall (24) étant réalisé de manière à comprendre au moins deux capteurs partiels qui détectent des composantes de champ magnétique dans un premier sens de mesure (x) et dans un deuxième sens de mesure (y) orthogonal à celui-ci, les deux sens de mesure (x, y) se trouvant dans une zone de mesure plane (28) du capteur à effet Hall (24), une extension du capteur à effet Hall (24) dans les deux sens de mesure (x, y), dans le plan de la zone de mesure (28), étant supérieure à une extension du capteur à effet Hall (24) perpendiculairement à celui-ci, et le générateur de signaux (22) étant un aimant à polarisation axiale qui est agencé sur un poussoir de soupape (16) déplaçable linéairement le long d'un axe de déplacement (A x ) de telle sorte que ses pôles se trouvent dans l'axe de déplacement (A x ), l'axe de déplacement (A x ) s'étendant parallèlement au premier sens de mesure (x) et le long d'une normale à la surface (N) de la zone de mesure (28), à distance de la zone de mesure (28), une ligne médiane imaginaire (M) étant définie sur la zone de mesure (28) à travers un centre (M P ) de la zone de mesure (28) et le long du premier sens de mesure (x), et l'axe de déplacement (A x ) étant agencé à distance de la ligne médiane (M) le long du deuxième sens de mesure (y). Soupape selon la revendication 1, un décalage (v y ) de l’axe de déplacement (A x ) par rapport à la ligne médiane (M) le long du deuxième sens de mesure (y) étant suffisamment important pour que, dans une projection le long de la normale à la surface (N) de la zone de mesure (28), l’axe de déplacement (A x ) ne chevauche pas la ligne médiane (M). Soupape selon la revendication 2, le décalage (v y ) de l'axe de déplacement (A x ) par rapport à la ligne médiane (M) le long du deuxième sens de mesure (y) étant un facteur de 0,3 à 0,5 d'un diamètre (d) du générateur de signaux (22) perpendiculairement à l'axe de déplacement (A x ). Soupape selon l'une des revendications précédentes, le générateur de signaux (22) étant un aimant permanent présentant exactement deux pôles. Soupape selon l'une des revendications précédentes, plusieurs capteurs à effet Hall (24) distincts étant agencés le long de l'axe de déplacement (A x ). Soupape selon l'une des revendications précédentes, le capteur à effet Hall (24) étant reçu dans une tête de commande (14) de la soupape (10), dans laquelle s'étend le poussoir de soupape (16) avec le générateur de signaux (22) fixé sur celui-ci. Soupape selon la revendication 6, la tête de commande (14) présentant une structure de fixation (30) pour une platine (26) sur laquelle le capteur à effet Hall (24) est monté, ainsi que, d’un côté orienté vers un élément de soupape (20), un passage (18) pour le poussoir de soupape (16), lesquels définissent par leurs positions la position de l'axe de déplacement (A x ) par rapport au capteur à effet Hall (24). Soupape selon l'une des revendications précédentes, la soupape (10) étant une soupape de processus. Soupape selon l'une des revendications précédentes, le dispositif de détection de position (12) comprenant une unité de commande et/ou d'évaluation (32) reliée au capteur à effet Hall (24) de manière à transmettre des signaux.