FR3133671A1 - Dispositif de mesure du couple de torsion et de la poussée auxquels est soumis un arbre en rotation - Google Patents
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Abstract
Dispositif de mesure du couple de torsion et de la poussée d’un arbre (1) en rotation soumis à des couples résistants, comportant :
- des première et deuxième séries (3, 4) d’un nombre déterminé de motifs visuels (3i, 4i) agencés autour de l’arbre en étant espacés d’une longueur déterminée (L) ; chaque motif comportant au moins un marqueur encodant un angle de rotation absolu déterminé ;
- un premier et au moins un deuxième moyen de capture d’images (5, 6), délivrant des images de chaque motif des première et deuxième séries (3, 4) ;
- des moyens de traitement synchrone (7) des images, configurés pour déduire le couple de torsion (c) et la poussée (p) à partir des motifs de la deuxième série et leurs positions sur une même ligne de référence partagée avec le marqueur de la première série.
(Figure 1)
Description
La présente invention se rapporte de manière générale aux dispositifs de mesure et concerne plus particulièrement un dispositif de mesure du couple de torsion et de la poussée auxquels est soumis un arbre en rotation.
De tels dispositifs sont adaptés pour mesurer des propriétés mécaniques des arbres tournants appartenant par exemple à des systèmes de propulsion pour navires, de systèmes de récupération d’énergie notamment des éoliennes, .... Ces systèmes mettent en œuvre au moins une hélice qui, selon le cas, peut être une hélice motrice ou réceptrice couplée à un moteur, ou générateur, par un arbre.
Un tel arbre, appelé également arbre de transmission de puissance, est généralement de forme cylindrique de section circulaire. Il est donc défini géométriquement par sa longueur et son diamètre. On parlera de surface latérale, ou surface cylindrique pour définir la surface extérieure du cylindre qui est délimitée à ses extrémités par deux bases circulaires planes parallèles entre elles.
La mesure, in situ, des performances d’un système de propulsion n’est possible que par la mesure précise du couple de torsion et de la poussée, ou force axiale, appliqués à l’arbre reliant mécaniquement l’émetteur (le moteur, ou générateur) au récepteur (l’hélice). Par « in situ », on entend, des mesures qui sont réalisées dans l’environnement réel de fonctionnement de l’arbre, c’est-à-dire : arbre en charge et en rotation.
Pour ce faire, il est connu d’utiliser des capteurs de couple qui mesurent la charge (couples résistants) appliquée à l’arbre, la poussée exercée sur l’arbre (jauges de contrainte) ou encore le déplacement par déformation en torsion de l’arbre (disques rotatifs, cordes acoustiques, décalages optiques ou bande magnétique). Les capteurs de mesure de la poussée sont moins courants et sont généralement intégrés à un dynamomètre qui se base sur le même principe (déformation ou déplacement) mais dans une direction longitudinale de l’arbre.
Cependant, les méthodes et équipements nécessaires pour la mise en place de ce type de capteurs sont relativement encombrantes, intrusives et coûteuses.
La présente invention propose une solution de mesure non invasive, de grande précision, stable et à faible coût.
Par solution non invasive, on entend une solution qui n’impacte pas ou très faiblement la mesure (transparence des moyens de mesure sur la mesure elle-même) et qui n’engendre pas ou peu de transformation ou adaptation spécifique du milieu, ou site, de la mesure. Elle ne nécessite pas d’équipement lourd ou compliqué à mettre en place pour effectuer la mesure. Par mesure stable, on entend une mesure qui reste fiable même en cas de perte d’alimentation intermittente du dispositif d’alimentation.
A cet effet, la présente invention a pour premier objet, un dispositif de mesure du couple de torsion et de la poussée d’un arbre cylindrique en rotation soumis à des couples résistants, comportant :
- une première série d’un nombre déterminé de motifs visuels agencés régulièrement autour d’une première section droite de l’arbre, sur la surface cylindrique de l’arbre, en un premier emplacement déterminé sur la longueur de l’arbre ; chaque motif comportant au moins un marqueur encodant un angle de rotation absolu déterminé x ;
- au moins une deuxième série du même nombre déterminé de motifs visuels, identiques aux motifs visuels de la première série, agencés régulièrement autour d’une deuxième section droite de l’arbre, sur la surface cylindrique de l’arbre, en un deuxième emplacement déterminé sur la longueur de l’arbre et à une distance axiale déterminée du premier emplacement ; chaque motif comportant au moins un marqueur encodant un angle de rotation absolu déterminé x’ ou x’+S ;
- un premier moyen de capture d’images numériques dit de référence, agencé fixement en regard de la première série de motifs visuels et délivrant des images numériques de chaque motif de la première série ;
- au moins un deuxième moyen de capture d’images numériques agencé fixement en regard de la deuxième série de motifs visuels délivrant des images numériques de chaque motif de la deuxième série ;
- des moyens de traitement synchrone des images capturées par les premier et deuxième moyens de capture d’images, configurés pour repérer au moins un marqueur x’+S dans un motif de la deuxième série, en correspondance avec un marqueur x de la première série sur, ou au plus près, d’au moins une même ligne de référence ; lesdits moyens de traitement étant configurés en outre pour comparer la valeur de l’angle de rotation absolu encodé dans le marqueur x’+S et sa position T’+TT, avec la valeur de l’angle de rotation absolu encodé dans le marqueur x’ de la deuxième série et de sa position T’, préalablement enregistrées dans une étape d’étalonnage dans laquelle aucun couple résistant n’est appliqué à l’arbre, et en déduire le couple de torsion à partir de S et la poussée à partir de TT.
Selon une caractéristique, les images sont de forme générale rectangulaire ; la ligne de référence correspondant à la ligne médiane horizontale passant par le centre des images.
Selon une autre caractéristique, un bord latéral des images est choisi comme bord de référence vertical pour déterminer la position du marqueur sur, ou au plus près, de la ligne de référence.
Selon une autre caractéristique, un marqueur de taille réelle connue, est représenté par un nombre déterminé de pixels et sa position dans l’image correspond à un nombre de pixels déterminés séparant le début du motif de la ligne de référence et du bord de référence.
Selon une autre caractéristique, la position du marqueur dans l’image correspond à un nombre déterminé de pixels entre la ligne de référence et un premier pixel du marqueur.
Selon une autre caractéristique, l’arbre étant de forme cylindrique à section circulaire, les premier et deuxième moyens de capture d’images sont disposés fixement dans un même plan tangentiel à la surface cylindrique de l’arbre et respectivement en regard des première et deuxième séries de motifs visuels.
Selon une autre caractéristique, les premier et deuxième moyens de capture d’images sont des caméras à hautes vitesse disposées tangentiellement à l’arbre, à une distance déterminée des motifs de manière à présenter un plan focal dans le plan tangentiel des motifs.
La présente invention a pour deuxième objet, un procédé de mesure mis en œuvre par le dispositif de mesure tel que décrit ci-dessus, ledit procédé consistant :
- à identifier, dans l’image capturée par le deuxième moyen de capture d’images, sur ou au plus près d’une ligne horizontale de référence, au moins un marqueur x’+S encodant un angle de rotation absolu déterminé, et sa position T’+TT par rapport à un bord vertical de référence de l’image ;
- à identifier, dans l’image capturée par le premier moyen de capture d’images, sur ou au plus près de la même ligne horizontale, le marqueur x correspondant, encodant un angle de rotation absolu déterminé, et sa position T ;
- à rechercher ledit marqueur x dans une base de données contenant les marqueurs de la première série et leur position T dans la première série et les marqueurs x’ de la deuxième série correspondants, et leur position T’ ; les valeurs des angles de rotation absolu encodés par lesdits marqueurs x, x‘ et de leurs positions T, T’ ayant été préalablement enregistrées dans la base de données au cours d’une phase préalable d’étalonnage consistant à faire tourner l’arbre d’au moins un tour, sans couple résistant appliqué à l’arbre ;
- à partir du marqueur x identifié dans la base de données, à relever la valeur de l’angle de rotation absolu encodé par le marqueur x’ correspondant et de la position correspondante T’ ;
- à soustraire de la valeur de l’angle de rotation absolu encodé dans ledit marqueur x’+S, la valeur de l’angle de rotation absolu encodé dans le marqueur x’, relevée dans la base de données, pour en déduire le couple de torsion ; et
- à soustraire de la position T’+TT dudit marqueur x’+S, la position T’ relevée dans ladite base de données pour en déduire la poussée.
La présente invention a pour troisième objet, un programme produit d’ordinateur comportant des instructions pour l’exécution des étapes du procédé tel que décrit ci-dessus.
Enfin, la présente invention a pour quatrième objet, un système de propulsion comportant une hélice couplée mécaniquement à un moteur par un arbre ; ledit système comportant un dispositif de mesure tel que décrit ci-dessus.
D’autres avantages et caractéristiques pourront ressortir plus clairement de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins dans lesquels :
La présente invention propose un dispositif de mesure précise, en temps réel et simultanée du couple de torsion et de la poussée d’un arbre en rotation et en charge (en présence de couples résistants), en utilisant des moyens d’imagerie, ou vision, industrielle. Cette mesure peut être réalisée ponctuellement à intervalles réguliers ou en continu pour une surveillance continue des performances du système de propulsion.
La poussée à laquelle est soumis un arbre en charge, à une des extrémités de l’arbre, a pour effet de comprimer l’arbre suivant sa direction longitudinale. L’arbre subit donc une déformation ou déplacement selon cette direction.
Le couple de torsion auquel est soumis un arbre en charge et qui est maximal en phase de démarrage de la rotation de l’arbre, a pour effet de déformer la surface cylindrique de l’arbre suivant une direction de torsion.
Le dispositif selon l’invention exploite ces deux types de déformation pour mesurer « visuellement » et simultanément le couple de torsion et la poussée.
On considère, ci-après, que l’arbre est un arbre utilisé pour la propulsion des navires. Dans l’exemple décrit, il est de forme cylindrique à section circulaire constante de rayon R et de longueur déterminée. Son diamètre (2xR) est compris entre 200 mm et 1000 mm. La vitesse de rotation de l’arbre se situe entre 100 et 1000 tr / min.
La illustre schématiquement un mode de réalisation d’un dispositif de mesure selon l’invention.
Sur cette figure, un arbre 1 appartenant à système de propulsion 2, objet de la mesure, est représenté avec son axe longitudinal AA’ s’étendant horizontalement suivant X.
L’arbre 1 transmet la puissance générée par un moteur MOT, ou générateur, à une charge HEL, notamment une hélice.
La poussée exercée sur l’arbre 1, de gauche à droite sur la figure, est représentée par une flèche P selon la direction axiale X. Le sens de rotation de l’arbre est matérialisé sur la figure par la flèche ROT.
Le dispositif de mesure selon l’invention met en œuvre des première et deuxième bandes de codage visuel 3 et 4 supportant respectivement des première et deuxième séries de motifs visuels 3i et 4i. Les première et deuxième bandes 3 et 4 sont rapportées fixement sur la surface cylindrique SC de l’arbre 1, respectivement autour de première et deuxième sections droite de l’arbre 1, par collage ou autre procédé de fixation très faiblement intrusif. Quand elles sont rapportées sur l’arbre 1, les bandes 3 et 4 se présentent sous la forme de bagues d’épaisseur négligeable. A titre de variante, les motifs 3i, 4i peuvent être directement imprimés sur la surface SC de l’arbre 1 par un procédé de marquage laser, sérigraphie ou autre. Les deux bandes 3 et 4 sont identiques : même largeur (selon X) et mêmes motifs visuels 3i et 4i agencés de la même manière sur leurs bandes respectives 3 et 4. Les première et deuxième bandes 3 et 4 sont agencées sur l’arbre 1 respectivement, au voisinage de l’hélice HEL (représentée à gauche sur la figure) et du moteur MOT (représenté à droite sur la figure), en étant espacées axialement (selon X) d’une longueur déterminée L.
Chaque motif 3i, 4i contient au moins un marqueur encodant un angle de rotation absolu, agencé de manière à obtenir une résolution d’au moins 1 degré lors de la mesure du couple de torsion. Les motifs 3i et 4i sont de hauteur identique et peuvent être contigus ou espacés régulièrement les uns des autres. Les motifs peuvent représenter des caractères alphanumérique, des formes géométriques, etc.
Comme indiqué ci-dessus, la poussée P a pour effet de déformer l’arbre 1 suivant sa direction axiale X. Cette déformation se traduit par un déplacement de la surface SC de l’arbre 1 suivant cette direction, déplacement qui est donc subi par la première bande de codage 3. Ce déplacement, symbolisé par la flèchep ,est quantifié par une distance TT.
Comme également indiqué ci-dessus, le couple de torsion qui est appliqué à l’arbre 1, a pour effet de déformer la surface cylindrique SC de l’arbre 1 suivant une direction de torsion. Cette déformation symbolisée par la flèchec, se traduit par un déplacement angulaire φ de la surface SC de l’arbre 1, déplacement qui est subi par la deuxième bande de codage 4 qui est disposée côté moteur MOT. Ce déplacement angulaire (angle de torsion) φ est quantifié par une distance S (longueur de l’arc).
Le déplacement de la deuxième bande 4, symbolisé par la flèchec, introduit un décalage S des motifs 4i de la deuxième bande de codage 4 par rapport aux motifs 3i de la première bande de codage 3.
En prenant comme exemple un arbre 1 de 500 mm de diamètre (2xR), en acier (module de rigidité G = 79 GPa) avec un couple C = 500 KNm (équivalent de 2600 kW de puissance), l’angle de torsion φ de l’arbre 1 considéré entre deux points de la surface de l’arbre 1 espacés d’une longueur L = 5 m, sera de φ = 0,3 degré ce qui équivaut, en longueur d’arc de cercle, à S = 15,5 mm.
φ est obtenu à partir de la formule suivante : où J0correspond au moment polaire d’inertie d’une section de l’arbre 1.
Le dispositif de mesure selon l’invention, et dans le mode de réalisation décrit, comporte en outre deux moyens de capture d’images numériques 5 et 6 disposés respectivement en regard des deux bandes de codage 3 et 4.
Les moyens de capture d’images 5 et 6 sont de préférence des caméras à haute vitesse (vitesses supérieures à 60 images/seconde) qui sont des caméras généralement utilisées dans l’industrie pour l’inspection de pièces et/ou le contrôle de process industriels. Chaque caméra 5 et 6 est agencée fixement et à une distance déterminée des bandes de codage 3 et 4 de manière à présenter un plan focal (plan de netteté ou plan de mise au point) dans un même plan tangentiel à chacune des bandes de codage 3 et 4. Chaque caméra 5 ou 6 est équipée de préférence d’une source d’éclairage dans le spectre visuel ou infra-rouge, IR (InfraRed), non représentée. Par convention, on définit la première caméra 5, celle qui est la plus proche de l’hélice HEL, comme caméra de référence appelée également caméra « maitre ». La deuxième caméra 6 est par conséquent désignée par caméra « esclave ».
Les deux caméras 5 et 6 sont ainsi aptes à capturer des images de chacun des motifs 3i et 4i des deux bandes de codage 3 et 4 au cours de la rotation de l’arbre 1. Les deux caméras 5 et 6 sont synchronisées par un synchroniseur 10, de manière à délivrer leurs images « synchrones » à des moyens de traitements 7 comportant des moyens d’analyse d’images 8. Une base de données 9 hébergée dans une mémoire ou serveur de stockage, est couplée aux moyens de traitement 7. Cette base de données 9 contient des données de mesure issues d’une phase d’étalonnage décrite ci-après.
Les moyens de traitement synchrone 7 reconstituent des images planes de forme rectangulaire des motifs visuel 3i et 4i à partir des séquences d’images capturées par les deux caméras 5 et 6 pendant la rotation de l’arbre 1 en utilisant les moyens (un ou plusieurs calculateurs) d’analyse d’images 8.
Le procédé d’analyse d’images mis en œuvre par les moyens d’analyse 8 est décrit ci-dessous en se référant aux figures 2 et 3.
On a représenté sur la même , les images IMG1-IMG4 capturées par les première et deuxième caméras 5 et 6 dans une phase préalable d’étalonnage (IMG1 et IMG2) et dans une phase de fonctionnement (IMG3 et IMG4) de l’arbre 1 dans une configuration de fonctionnement réelle : arbre 1 en rotation et en charge. Les images IMG1-IMG4 sont de forme générale rectangulaire.
Le procédé d’analyse considère une ligne médiane MED horizontale comme ligne de référence horizontale dans les images IMG1-IMG4. Cette ligne de référence horizontale MED s’étend selon la direction axiale selon X de l’arbre 1. Elle est utilisée comme « curseur de lecture » de l’angle de rotation absolu.
Le bord latéral gauche EDG des images IMG1-IMG4 est choisi comme ligne de référence verticale. Elle s’étend perpendiculairement à la ligne de référence horizontale MED selon la direction Y. La position axiale selon X d’une bande de codage 3 ou 4, se calcule par la distance entre le bord latéral (dans le mode de réalisation décrit : le bord latéral gauche) de la bande 3,4 et le bord latéral (dans le mode de réalisation décrit : bord latéral gauche) de l’image.
On considère préalablement qu’à chaque motif 3i de la première bande de codage 3 correspond un seul et même motif 4i de la deuxième bande de codage 4.
Chaque motif 3i, 4i comporte au moins un marqueur, ici, un marqueur x, x’, x’+S encodant un angle de rotation absolu. Par convention, les motifs 3i, respectivement 4i, sont ordonnés verticalement (selon Y) sur leurs bandes respectives 3 et 4. Les motifs 3i, 4i s’étendent horizontalement (suivant X) en travers de leurs bandes respectives 3 et 4. La valeur des angles de rotation absolus, encodée par les marqueurs x, x’ et x’+S, s’incrémente positivement dans le sens de rotation ROT de l’arbre 1 (direction selon Y) à partir de la ligne de référence MED : x, x+1, x+2, x+3, … pour la première bande de codage 3 (IMG1 et IMG3), x’, x’+1, x’+2, x’+3, … (IMG2) et x’+S, x’+S+1, x’+S+2, x’+S+3… (IMG4) pour la deuxième bande de codage 4. La valeur des angles de rotation absolus, encodée par les marqueurs x, x’ et x’+S, s’incrémente négativement dans le sens inverse de rotation ROT de l’arbre 1 à partir de la ligne de référence MED : x, x-1, x-2, x-3, … pour la première bande de codage 3 (IMG1 et IMG3), x’, x’-1, x’-2, x’-3, …, (IMG2) et x’+S, x’+S-1, x’+S-2, x’+S-3, … (IMG4) pour la deuxième bande de codage 4.
La phase d’étalonnage, illustrée graphiquement par les images IMG1 et IMG2, est effectuée lors de l’installation du dispositif de mesure. Cet étalonnage consiste à enregistrer de manière synchrone les valeurs des angles de rotation absolus (marqueurs : x, x’) pour chaque motif 3i et son motif correspondant 4i ainsi que les positions axiales T et T’ (suivant X) des bords latéraux gauche des bandes 3 et 4 par rapport à la ligne de référence verticale EDG, en faisant tourner l’arbre 1 d’au moins un tour complet dans le sens de rotation ROT, sans aucune charge (aucun couple résistant) appliquée à l’arbre 1. Les valeurs des angles de rotation absolus x’ et des positions T’ mesurées, sont enregistrées dans une base de données 9, en correspondance avec les valeurs des angles de rotation absolus x et des positions T respectives. Ces enregistrements serviront aux moyens de traitement 7 au cours de la mesure dans les conditions réelles de fonctionnement, comme valeurs de référence, pour calculer la poussée et le couple de torsion appliquées à l’arbre 1. En phase de fonctionnement réel, le couple de torsion est obtenu en calculant la différence S entre la lecture de la valeur réelle de l’angle de rotation absolu x’+S et l’angle de rotation absolu correspondant x’, préenregistré dans la base de données 9 en correspondance avec la valeur de l’angle de rotation absolu encodé dans le marqueur x. La poussée est obtenue en calculant la différence de position TT (déplacement) entre la lecture réelle de la position T’+TT du marqueur x’+S et la position T’ correspondante, préenregistré dans la base de données 9.
Sur les figures 2 et 3, les images IMG3 et IMG4 correspondent aux images capturées respectivement par les caméras 5 et 6 après le démarrage du moteur MOT en conditions réelles de fonctionnement (arbre 1 en charge).
En condition réelle de mesure (IMG3 et IMG4), la première caméra 5, considérée comme la caméra de référence (ou maitre) est utilisée comme « clé de lecture » pour la mesure. L’angle de rotation absolu encodé par le marqueur x (IMG3) et lu par la caméra maitre 5, est utilisé pour rechercher dans la base de données 9 les valeurs correspondantes d’angle de rotation absolu x’ et de position T’, préenregistrées à partir de la caméra esclave 6 lors de la phase d’étalonnage.
La caméra esclave 6 restitue une image IMG4 dans laquelle le motif 4i qui partage la ligne de référence horizontale MED avec le motif 3i de l’image IMG3, supporte un marqueur x’+S encodant l’angle de rotation absolu tenant compte du décalage angulaire S induit par le couple de torsion appliqué à l’arbre 1.
L’analyse des images est effectuée par les moyens d’analyse 8 à partir des images restituées par les caméras 5 et 6 avec le référentiel tel que défini ci-dessus : bord latéral gauche EDG, ligne médiane horizontale MED. Le procédé d’analyse consiste à repérer les marqueurs dans l’image en utilisant un ou des algorithmes de reconnaissance d’image.
Un point d’intérêt tel qu’un marqueur, peut être représenté par un ou plusieurs pixels, voire moins d’un pixel, par une interpolation de sous-pixel à partir de pixels avoisinants permettant d’accroitre la résolution de la reconnaissance et donc la précision de la mesure. Les dimensions (ou taille) d’un marqueur déterminé peuvent donc s’exprimer en nombre de pixels dans l’image.
Un marqueur est un élément visuel caractéristique appartenant à un motif 3i ou 4i. Il y a au moins un marqueur par motif 3i, 4i. Chaque marqueur a une forme et des dimensions physiques (ou taille réelle) connues déterminées. Les marqueurs sont régulièrement espacés entre eux d’une distance déterminée et agencés à une distance déterminée des bords latéraux de leurs bandes de codage respectives 3, 4. Les moyens d’analyse 8 sont donc en mesure d’identifier les marqueurs comme des pixels de l’image et de les repérer au millimètre près sur la surface de leurs bandes de codage respectives 3, 4. Chaque marqueur encode un angle de rotation absolu déterminé de la bande correspondante 3, 4.
Pour certains types de motifs, la précision du calcul de l’angle de rotation absolu est augmentée en calculant la distance (calcul du nombre de pixels) entre la ligne de référence horizontale MED et le début du marqueur et comme les dimensions physiques du marqueur (taille réelle des marqueurs) sont connues, la distance entre le début de ce marqueur et le bord de la bande de codage est déduite par simple translation des pixels de l’image sur la surface de la bande.
Pour limiter les erreurs de lecture et donc robustifier le calcul de l'angle de rotation absolu, il est possible d'utiliser plusieurs lignes de références horizontales MED dans la même image. L'utilisation de caméras comme moyens de mesure offre l'avantage de disposer d'un support de lecture à deux dimensions : image (2D), contrairement à un capteur délivrant un signal à une seule dimension (1D).
En synthèse, le procédé de mesure mis en œuvre par le dispositif de mesure selon l’invention consiste :
- à identifier, dans l’image IMG4 capturée par la deuxième caméra (caméra esclave) 6, sur ou au plus près de la ligne horizontale de référence MED, au moins un marqueur x’+S encodant un angle de rotation absolu déterminé, et sa position T’+TT par rapport au bord vertical de référence EDG de l’image IMG4 ;
- à identifier, dans l’image IMG3 capturée par la première caméra (caméra maitre) 5, sur ou au plus près de la même ligne horizontale MED, le marqueur x correspondant, encodant un angle de rotation absolu déterminé, et sa position T ;
- à rechercher ledit marqueur x dans une base de données 9 contenant les marqueurs de la première bande 3 et leur position T dans la première bande 3 et les marqueurs x’ de la deuxième bande 4 correspondants, et leur position T’ ; les valeurs des angles de rotation absolus encodés par lesdits marqueurs x, x‘ et de leurs positions T, T’ ayant été préalablement enregistrées dans la base de données 9 au cours d’une phase préalable d’étalonnage consistant à faire tourner l’arbre 1 d’au moins un tour, sans couple résistant appliqué à l’arbre 1 ;
- à partir du marqueur x identifié dans la base de données 9, à relever la valeur de l’angle de rotation absolu encodé par le marqueur x’ correspondant et de la position correspondante T’ ;
- à soustraire de la valeur de l’angle de rotation absolu encodé dans ledit marqueur x’+S, la valeur de l’angle de rotation absolu encodé dans le marqueur x’, relevée dans la base données 9, pour en déduire le couple de torsion ; et
- à soustraire de la position T’+TT dudit marqueur x’+S, la position T’ relevée dans ladite base données 9 pour en déduire la poussée.
La illustre un exemple de motifs d’une bande de codage 3, 4 ayant l’apparence d’une règle graduée en centimètres (cm). Les motifs 3i et 4i, respectivement x-1, x, x+1 et x’-1, x’ et x’+1, correspondent à 2 cm, 3 cm et 4 cm (IMG3) et 4 cm, 5 cm et 6 cm (IMG4). Le marqueur correspond ici à un millimètre (mm) qui est un élément du motif 3i et 4i (le centimètre). Ainsi, la lecture du marqueur, encodant l’angle de rotation absolu, est interprétée par la position du marqueur (le millimètre) à l’intérieur du motif (le centimètre) et au plus près de la ligne médiane MED qui fait office de curseur de lecture. La précision de la mesure est donc donnée par l’intervalle entre deux marqueurs successifs, ici le millimètre. La valeur du code vue par la première caméra 5 et interprétée par les moyens d’analyse 8, est ici de 2,8 cm. Le couple de torsion appliqué sur l’arbre 1 a induit un décalage angulaire (angle de rotation absolu) qui est directement interprété par les moyens de traitement 7 à partir des images (IMG4) capturées par la caméra 6. La nouvelle valeur du marqueur correspondant au motif x’, est ici de 5,7 cm. Ce décalage, ramené en longueur d’arc de cercle, équivaut à une distance S = 2,9 cm.
Avec ce type de codage (position angulaire absolue), la mesure reste fiable même en cas de perte d'alimentation intermittente du dispositif de mesure, d’erreurs de lecture par exemple dues à une dégradation des marqueurs, etc.
D’autres types de motifs et marqueurs peuvent être exploités par le dispositif selon l’invention et notamment des motifs en forme d’une séquence de codes barre, de taille identique, et aligné, verticalement (selon Y).
L’exploitation de ces données peut ensuite permettre de déterminer avec précision les performances du système de propulsion et ses évolutions dans le temps (vieillissement dû à l’usure, l’environnement extérieur, charge, etc.) permettant ainsi d’anticiper d’éventuelle détériorations voire casses de l’arbre pouvant entrainer l’immobilisation du navire.
Plusieurs caméras « esclave » peuvent être utilisées en étant agencées à différents emplacements le long de l’arbre, toujours en regard de leurs bandes de codage respectives et synchronisées à la caméra « maitre ». Auquel cas, les moyens de traitement 7 moyennent les valeurs de poussée et de couple de torsion obtenues par chacune des caméras « esclave ».
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Claims (10)
- Dispositif de mesure du couple de torsion et de la poussée d’un arbre cylindrique (1) en rotation soumis à des couples résistants, comportant :
- une première série (3) d’un nombre déterminé de motifs visuels (3i) agencés régulièrement autour d’une première section droite de l’arbre (1), sur la surface cylindrique (SC) de l’arbre (1), en un premier emplacement déterminé sur la longueur de l’arbre (1) ; chaque motif (3i) comportant au moins un marqueur encodant un angle de rotation absolu déterminé x ;
- au moins une deuxième série (4) du même nombre déterminé de motifs visuels (4i), identiques aux motifs visuels (3i) de la première série (3), agencés régulièrement autour d’une deuxième section droite de l’arbre (1), sur la surface cylindrique (SC) de l’arbre (1), en un deuxième emplacement déterminé sur la longueur de l’arbre (1) et à une distance axiale (L) déterminée du premier emplacement ; chaque motif (4i) comportant au moins un marqueur encodant un angle de rotation absolu déterminé x’ ou x’+S ;
- un premier moyen de capture d’images numériques (5) dit de référence, agencé fixement en regard de la première série (3) de motifs visuels (3i) et délivrant des images numériques (IMG1, IMG3) de chaque motif (3i) de la première série (3) ;
- au moins un deuxième moyen de capture d’images numériques (6) agencé fixement en regard de la deuxième série (4) de motifs visuels (4i) délivrant des images numériques (IMG2, IMG4) de chaque motif (4i) de la deuxième série (4) ;
- des moyens de traitement synchrone (7) des images capturées par les premier et deuxième moyens de capture d’images (5 et 6), configurés pour repérer au moins un marqueur x’+S dans un motif de la deuxième série (4), en correspondance avec un marqueur x de la première série (3) sur ou au plus près d’au moins une même ligne de référence (MED) ; lesdits moyens de traitement (7) étant configurés en outre pour comparer la valeur de l’angle de rotation absolu encodé dans le marqueur x’+S et sa position T’+TT, avec la valeur de l’angle de rotation absolu encodé dans le marqueur x’ de la deuxième série (4) et de sa position T’, préalablement enregistrées dans une étape d’étalonnage dans laquelle aucun couple résistant n’est appliqué à l’arbre (1), et en déduire le couple de torsion à partir de S et la poussée à partir de TT. - Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel les images sont de forme générale rectangulaire ; la ligne de référence (MED) correspondant à la ligne médiane horizontale passant par le centre des images (IMG1-IMG4).
- Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel un bord latéral des images (IMG1-IMG4) est choisi comme bord de référence vertical (EDG) pour déterminer la position (T’, T’+TT) du marqueur sur, ou au plus près, de la ligne de référence (MED).
- Dispositif selon la revendication précédente dans lequel un marqueur de taille réelle connue, est représenté par un nombre déterminé de pixels et sa position dans l’image correspond à un nombre de pixels déterminés séparant le début du motif (3i, 4i) de la ligne de référence (MED) et du bord de référence (EDG).
- Dispositif selon la revendication précédente dans lequel la position du marqueur dans l’image correspond à un nombre déterminé de pixels entre la ligne de référence (MED) et un premier pixel du marqueur.
- Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel l’arbre (1) étant de forme cylindrique à section circulaire, les premier et deuxième moyens de capture d’images (5 et 6) sont disposés fixement dans un même plan tangentiel à la surface cylindrique de l’arbre (1) et respectivement en regard des première et deuxième séries (3, 4) de motifs visuels (3i, 4i).
- Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel les premier et deuxième moyens de capture d’images (5 et 6) sont des caméras à hautes vitesse disposées tangentiellement à l’arbre (1), à une distance déterminée des motifs (3i, 4i) de manière à présenter un plan focal dans le plan tangentiel des motifs (3i, 4i).
- Procédé de mesure mis en œuvre par le dispositif de mesure selon l’une quelconque des revendications précédentes, ledit procédé consistant :
- à identifier, dans l’image (IMG4) capturée par le deuxième moyen de capture d’images (6), sur ou au plus près d’une ligne horizontale de référence (MED), au moins un marqueur x’+S encodant un angle de rotation absolu déterminé, et sa position T’+TT par rapport à un bord vertical de référence (EDG) de l’image (IMG4) ;
- à identifier, dans l’image (IMG3) capturée par le premier moyen de capture d’images (5), sur ou au plus près de la même ligne horizontale (MED), le marqueur x correspondant, encodant un angle de rotation absolu déterminé, et sa position T ;
- à rechercher ledit marqueur x dans une base de données (9) contenant les marqueurs de la première série (3) et leur position T dans la première série (3) et les marqueurs x’ de la deuxième série (4) correspondants, et leur position T’ ; les valeurs des angles de rotation absolu encodés par lesdits marqueurs x, x‘ et de leurs positions T, T’ ayant été préalablement enregistrées dans la base de données (9) au cours d’une phase préalable d’étalonnage consistant à faire tourner l’arbre (1) d’au moins un tour, sans couple résistant appliqué à l’arbre (1) ;
- à partir du marqueur x identifié dans la base de données (9), à relever la valeur de l’angle de rotation absolu encodé par le marqueur x’ correspondant et de la position correspondante T’ ;
- à soustraire de la valeur de l’angle de rotation absolu encodé dans ledit marqueur x’+S, la valeur de l’angle de rotation absolu encodé dans le marqueur x’, relevée dans la base de données (9), pour en déduire le couple de torsion ; et
- à soustraire de la position T’+TT dudit marqueur x’+S, la position T’ relevée dans ladite base de données (9) pour en déduire la poussée. - Produit programme d’ordinateur comportant des instructions pour l’exécution des étapes du procédé selon la revendication 8.
- Système de propulsion (2) comportant une hélice (HEL) couplée mécaniquement à un moteur (MOT) par un arbre (1) ; ledit système (2) comportant un dispositif de mesure selon l’une des revendications 1 à 7.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| FR2202304A FR3133671A1 (fr) | 2022-03-16 | 2022-03-16 | Dispositif de mesure du couple de torsion et de la poussée auxquels est soumis un arbre en rotation |
| PCT/EP2023/056676 WO2023175046A1 (fr) | 2022-03-16 | 2023-03-15 | Dispositif de mesure du couple de torsion et de la poussée auxquels est soumis un arbre en rotation |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2202304A FR3133671A1 (fr) | 2022-03-16 | 2022-03-16 | Dispositif de mesure du couple de torsion et de la poussée auxquels est soumis un arbre en rotation |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| FR3133671A1 true FR3133671A1 (fr) | 2023-09-22 |
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Family Applications (1)
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US2359125A (en) * | 1940-07-12 | 1944-09-26 | Westinghouse Electric & Mfg Co | Device for measurement of thrust and torque in propeller shafts |
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-
2022
- 2022-03-16 FR FR2202304A patent/FR3133671A1/fr active Pending
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2023
- 2023-03-15 WO PCT/EP2023/056676 patent/WO2023175046A1/fr unknown
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023175046A1 (fr) | 2023-09-21 |
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