WO2023175046A1 - Device for measuring the torsion torque and thrust to which a rotating shaft is subjected - Google Patents

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WO2023175046A1
WO2023175046A1 PCT/EP2023/056676 EP2023056676W WO2023175046A1 WO 2023175046 A1 WO2023175046 A1 WO 2023175046A1 EP 2023056676 W EP2023056676 W EP 2023056676W WO 2023175046 A1 WO2023175046 A1 WO 2023175046A1
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Rodion DENYSYUK
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Eyegauge
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    • G01L3/04Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/08Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving optical means for indicating
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    • G01L5/00Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/12Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring axial thrust in a rotary shaft, e.g. of propulsion plants

Definitions

  • Such devices are suitable for measuring the mechanical properties of rotating shafts belonging for example to propulsion systems for ships, energy recovery systems in particular wind turbines, etc.
  • These systems use at least one propeller which, depending on the case, can be a driving or receiving propeller coupled to a motor, or generator, by a shaft.
  • Thrust measurement sensors which measure the load (resisting torques) applied to the shaft, the thrust exerted on the shaft (strain gauges) or even the displacement by torsional deformation of the shaft.
  • shaft rotating disks, acoustic strings, optical shifts or magnetic tape.
  • Thrust measurement sensors are less common and are generally integrated into a dynamometer which is based on the same principle (deformation or displacement) but in a longitudinal direction of the shaft.
  • non-invasive solution we mean a solution which has no or very little impact on the measurement (transparency of the measurement means on the measurement itself) and which generates little or no specific transformation or adaptation of the environment, or site. , measurement. It does not require heavy or complicated equipment to set up to carry out the measurement.
  • stable measurement we mean a measurement that remains reliable even in the event of intermittent loss of power to the power device.
  • the first object of the present invention is a device for measuring the torsional torque and the thrust of a rotating cylindrical shaft subjected to resistant torques, comprising:
  • a lateral edge of the images is chosen as a vertical reference edge to determine the position of the marker on, or as close as possible, to the reference line.
  • the shaft being of cylindrical shape with circular section
  • the first and second image capture means are arranged fixedly in the same plane tangential to the cylindrical surface of the shaft and respectively facing the first and second series of visual patterns.
  • the fourth object of the present invention is a propulsion system comprising a propeller mechanically coupled to a motor by a shaft; said system comprising a measuring device as described above.
  • FIG. 1 illustrates a block diagram of a measuring device according to the invention
  • FIG. 1 illustrates an example of coding band used by the measurement method implemented by the measuring device according to the invention.
  • the torsional torque to which a shaft is subjected under load and which is maximum during the start-up phase of the rotation of the shaft, has the effect of deforming the cylindrical surface of the shaft in a direction of torsion.
  • Shaft 1 transmits the power generated by an MOT motor, or generator, to a HEL load, notably a propeller.
  • the measuring device implements first and second visual coding bands 3 and 4 respectively supporting first and second series of visual patterns 3i and 4i.
  • the first and second bands 3 and 4 are fixedly attached to the cylindrical surface SC of the shaft 1, respectively around the first and second straight sections of the shaft 1, by gluing or other very slightly intrusive fixing process.
  • bands 3 and 4 are in the form of rings of negligible thickness.
  • the patterns 3i, 4i can be directly printed on the surface SC of the shaft 1 by a laser marking, screen printing or other process.
  • the two bands 3 and 4 are identical: same width (along X) and same visual patterns 3i and 4i arranged in the same way on their respective bands 3 and 4.
  • the first and second bands 3 and 4 are arranged on the tree 1 respectively, in the vicinity of the HEL propeller (represented on the left in the figure) and the MOT motor (represented on the right in the figure), being spaced axially (along X) by a determined length L.
  • Each pattern 3i, 4i contains at least one marker encoding an absolute rotation angle, arranged so as to obtain a resolution of at least 1 degree when measuring the torque.
  • Patterns 3i and 4i are of identical height and can be contiguous or evenly spaced from each other. Patterns can represent alphanumeric characters, geometric shapes, etc.
  • the twisting torque which is applied to the shaft 1 has the effect of deforming the cylindrical surface SC of the shaft 1 in a twisting direction.
  • This deformation symbolized by the arrow c , results in an angular displacement ⁇ of the surface SC of the shaft 1, a displacement which is undergone by the second coding strip 4 which is arranged on the MOT motor side.
  • This angular displacement (torsion angle) ⁇ is quantified by a distance S (length of the arc).
  • the measuring device further comprises two digital image capture means 5 and 6 arranged respectively opposite the two coding bands 3 and 4.
  • the two cameras 5 and 6 are thus capable of capturing images of each of the patterns 3i and 4i of the two coding bands 3 and 4 during the rotation of the shaft 1.
  • the two cameras 5 and 6 are synchronized by a synchronizer 10, so as to deliver their “synchronous” images to processing means 7 comprising image analysis means 8.
  • a database 9 hosted in a memory or storage server is coupled to the processing means 7. This database 9 contains measurement data from a calibration phase described below.
  • the images IMG1-IMG4 captured by the first and second cameras 5 and 6 in a preliminary calibration phase (IMG1 and IMG2) and in an operating phase (IMG3 and IMG4) of the shaft 1 in a real operating configuration : shaft 1 rotating and under load.
  • the IMG1-IMG4 images are generally rectangular in shape.
  • the analysis method considers a horizontal MED midline as the horizontal reference line in the IMG1-IMG4 images.
  • This horizontal reference line MED extends in the axial direction along X of shaft 1. It is used as a “reading cursor” of the absolute angle of rotation.
  • the left lateral edge EDG of the IMG1-IMG4 images is chosen as the vertical reference line. It extends perpendicular to the horizontal reference line MED in the direction Y.
  • the axial position along X of a coding strip 3 or 4 is calculated by the distance between the lateral edge (in the embodiment described: the left side edge) of the strip 3,4 and the side edge (in the embodiment described: left side edge) of the image.
  • each pattern 3i of the first coding band 3 corresponds to one and the same pattern 4i of the second coding band 4.
  • the calibration phase is carried out during installation of the measuring device.
  • This calibration consists of synchronously recording the values of the absolute rotation angles (markers: x, x') for each pattern 3i and its corresponding pattern 4i as well as the axial positions T and T' (along X) of the left lateral edges of the bands 3 and 4 relative to the vertical reference line EDG, by rotating shaft 1 at least one complete turn in the direction of rotation ROT, without any load (no resisting torque) applied to shaft 1.
  • the values of the measured absolute angles of rotation x' and positions T' are recorded in a database 9, in correspondence with the values of the absolute angles of rotation x and the respective positions T.
  • images IMG3 and IMG4 correspond to the images captured respectively by cameras 5 and 6 after starting the MOT motor in real operating conditions (shaft 1 under load).
  • the first camera 5, considered as the reference (or master) camera is used as a “reading key” for the measurement.
  • the absolute rotation angle encoded by the marker x (IMG3) and read by the master camera 5, is used to search in the database 9 for the corresponding values of absolute rotation angle x' and position T', pre-recorded from the slave camera 6 during the calibration phase.
  • the slave camera 6 renders an IMG4 image in which the pattern 4i which shares the horizontal reference line MED with the pattern 3i of the IMG3 image, supports a marker x'+S encoding the absolute rotation angle taking into account the angular offset S induced by the torque applied to shaft 1.
  • the analysis of the images is carried out by the analysis means 8 from the images rendered by the cameras 5 and 6 with the reference frame as defined above: left lateral edge EDG, horizontal center line MED.
  • the analysis process consists of locating markers in the image using one or more image recognition algorithms.
  • a point of interest such as a marker can be represented by one or more pixels, or even less than one pixel, by sub-pixel interpolation from neighboring pixels making it possible to increase the resolution of the recognition and therefore the precision of the measurement.
  • the dimensions (or size) of a specific marker can therefore be expressed in number of pixels in the image.
  • a marker is a characteristic visual element belonging to a 3i or 4i pattern. There is at least one marker per pattern 3i, 4i. Each marker has a specific known shape and physical dimensions (or actual size). The markers are regularly spaced apart from each other by a determined distance and arranged at a determined distance from the lateral edges of their respective coding strips 3, 4. The analysis means 8 are therefore able to identify the markers as pixels of the image and to locate them to the nearest millimeter on the surface of their respective coding strips 3, 4. Each marker encodes a determined absolute angle of rotation of the corresponding strip 3, 4.
  • the measurement method implemented by the measuring device according to the invention consists of:
  • the patterns 3i and 4i respectively x-1, x, x+1 and x'-1, x' and x'+1, correspond to 2 cm, 3 cm and 4 cm (IMG3) and 4 cm, 5 cm and 6 cm (IMG4).
  • the marker here corresponds to a millimeter (mm) which is an element of the pattern 3i and 4i (the centimeter).
  • the precision of the measurement is therefore given by the interval between two successive markers, here the millimeter.
  • the value of the code seen by the first camera 5 and interpreted by the analysis means 8 is here 2.8 cm.
  • the torque applied to the shaft 1 induced an angular shift (absolute rotation angle) which is directly interpreted by the processing means 7 from the images (IMG4) captured by the camera 6.
  • patterns and markers can be used by the device according to the invention and in particular patterns in the form of a sequence of bar codes, of identical size, and aligned, vertically (along Y).
  • slave cameras can be used by being arranged at different locations along the tree, always facing their respective coding strips and synchronized to the “master” camera.
  • the processing means 7 average the thrust and torque values obtained by each of the “slave” cameras.

Abstract

The invention relates to a device for measuring the torsion torque and thrust of a rotating shaft (1) subjected to resistance torques, the device comprising: - first and second series (3, 4) of a given number of visual patterns (3i, 4i) arranged around the shaft and being spaced apart by a given length (L); each pattern comprising at least one marker encoding a given absolute rotation angle; - a first and at least a second image capture means (5, 6) delivering images of each pattern of the first and second series (3, 4); - synchronous image processing means (7), which are configured to determine the torsion torque (c) and the thrust (p) based on the patterns of the second series and their positions on one and the same reference line shared with the marker of the first series.

Description

Dispositif de mesure du couple de torsion et de la poussée auxquels est soumis un arbre en rotationDevice for measuring the torque and thrust to which a rotating shaft is subjected
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. The present invention relates generally to measuring devices and more particularly concerns a device for measuring the torque and thrust to which a rotating shaft is subjected.
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. Such devices are suitable for measuring the mechanical properties of rotating shafts belonging for example to propulsion systems for ships, energy recovery systems in particular wind turbines, etc. These systems use at least one propeller which, depending on the case, can be a driving or receiving propeller coupled to a motor, or generator, by a shaft.
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. Such a shaft, also called a power transmission shaft, is generally cylindrical in shape with a circular section. It is therefore defined geometrically by its length and its diameter. We will speak of lateral surface, or cylindrical surface to define the exterior surface of the cylinder which is delimited at its ends by two plane circular bases parallel to each other.
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. Measuring, in situ, the performance of a propulsion system is only possible by precisely measuring the torque and thrust, or axial force, applied to the shaft mechanically connecting the transmitter (the motor, or generator) to the receiver (the propeller). By “in situ”, we mean measurements which are carried out in the real operating environment of the shaft, that is to say: shaft under load and rotating.
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. To do this, it is known to use torque sensors which measure the load (resisting torques) applied to the shaft, the thrust exerted on the shaft (strain gauges) or even the displacement by torsional deformation of the shaft. shaft (rotating disks, acoustic strings, optical shifts or magnetic tape). Thrust measurement sensors are less common and are generally integrated into a dynamometer which is based on the same principle (deformation or displacement) but in a longitudinal direction of the shaft.
Cependant, les méthodes et équipements nécessaires pour la mise en place de ce type de capteurs sont relativement encombrantes, intrusives et coûteuses. However, the methods and equipment required for implementing this type of sensor are relatively cumbersome, intrusive and expensive.
La présente invention propose une solution de mesure non invasive, de grande précision, stable et à faible coût. The present invention provides a non-invasive, high precision, stable and low cost measurement solution.
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. By non-invasive solution, we mean a solution which has no or very little impact on the measurement (transparency of the measurement means on the measurement itself) and which generates little or no specific transformation or adaptation of the environment, or site. , measurement. It does not require heavy or complicated equipment to set up to carry out the measurement. By stable measurement, we mean a measurement that remains reliable even in the event of intermittent loss of power to the power device.
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 : To this end, the first object of the present invention is a device for measuring the torsional torque and the thrust of a rotating cylindrical shaft subjected to resistant torques, comprising:
- 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 ;- a first series of a determined number of visual patterns arranged regularly around a first straight section of the tree, on the cylindrical surface of the tree, in a first determined location along the length of the tree; each pattern comprising at least one marker encoding a determined absolute rotation angle 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 ; - at least a second series of the same determined number of visual patterns, identical to the visual patterns of the first series, arranged regularly around a second straight section of the tree, on the cylindrical surface of the tree, in a second location determined along the length of the shaft and at a determined axial distance from the first location; each pattern comprising at least one marker encoding a determined absolute rotation angle x’ or 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 ; - a first means of capturing so-called reference digital images, arranged fixedly opposite the first series of visual patterns and delivering digital images of each pattern of the first series;
- 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 ;- at least one second digital image capture means arranged fixedly opposite the second series of visual patterns delivering digital images of each pattern of the second series;
- 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.- means for synchronous processing of images captured by the first and second image capture means, configured to identify at least one marker x'+S in a pattern of the second series, in correspondence with a marker x of the first series on, or as close as possible to, at least the same reference line; said processing means being further configured to compare the value of the absolute angle of rotation encoded in the marker x'+S and its position T'+TT, with the value of the absolute angle of rotation encoded in the marker x ' of the second series and its position T', previously recorded in a calibration step in which no resistant torque is applied to the shaft, and deduce the torque from S and the thrust from from 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. According to one characteristic, the images are generally rectangular in shape; the reference line corresponding to the horizontal center line passing through the center of the 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. According to another characteristic, a lateral edge of the images is chosen as a vertical reference edge to determine the position of the marker on, or as close as possible, to the reference line.
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. According to another characteristic, the position of the marker in the image corresponds to a determined number of pixels between the reference line and a first pixel of the marker.
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. According to another characteristic, the shaft being of cylindrical shape with circular section, the first and second image capture means are arranged fixedly in the same plane tangential to the cylindrical surface of the shaft and respectively facing the first and second series of visual patterns.
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. According to another characteristic, the first and second image capture means are high-speed cameras arranged tangentially to the tree, at a determined distance from the patterns so as to present a focal plane in the tangential plane of the patterns.
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 : The second object of the present invention is a measurement method implemented by the measuring device as described above, said method consisting of:
- 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 ; - to identify, in the image captured by the second image capture means, on or as close as possible to a horizontal reference line, at least one marker x'+S encoding a determined absolute rotation angle, and its position T'+TT relative to a vertical reference edge of the 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 ;- to identify, in the image captured by the first image capture means, on or as close as possible to the same horizontal line, the corresponding marker x, encoding a determined absolute rotation angle, and its 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 ;- to search for said marker x in a database containing the markers of the first series and their position T in the first series and the corresponding markers x’ of the second series, and their position T’; the values of the absolute rotation angles encoded by said markers x, x' and their positions T, T' having been previously recorded in the database during a preliminary calibration phase consisting of rotating the shaft d 'at least one revolution, with no resistive torque applied to the shaft;
- 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’ ;- from the marker x identified in the database, to note the value of the absolute rotation angle encoded by the corresponding marker x’ and of the corresponding position 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- to subtract from the value of the absolute angle of rotation encoded in said marker x'+S, the value of the absolute angle of rotation encoded in the marker x', recorded in the database, to deduce the torque twisting; And
- 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.- to subtract from the position T’+TT of said marker x’+S, the position T’ recorded in said database to deduce the thrust.
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. Finally, the fourth object of the present invention is a propulsion system comprising a propeller mechanically coupled to a motor by a shaft; said system comprising a measuring device as described above.
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 : Other advantages and characteristics may emerge more clearly from the description which follows, given solely by way of non-limiting example and made with reference to the drawings in which:
illustre un schéma bloc d’un dispositif de mesure selon l’invention ; illustrates a block diagram of a measuring device according to the invention;
illustre graphiquement le procédé de mesure mis en œuvre par le dispositif de mesure selon l’invention ; et graphically illustrates the measurement method implemented by the measuring device according to the invention; And
illustre un exemple de bande de codage utilisée par le procédé de mesure mis en œuvre par le dispositif de mesure selon l’invention. illustrates an example of coding band used by the measurement method implemented by the measuring device according to the invention.
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. The present invention proposes a device for precise, real-time and simultaneous measurement of the torsional torque and the thrust of a rotating and loaded shaft (in the presence of resistant torques), using imaging means, or vision. , industrial. This measurement can be carried out occasionally at regular intervals or continuously for continuous monitoring of the performance of the propulsion system.
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. The thrust to which a loaded shaft is subjected, at one end of the shaft, has the effect of compressing the shaft in its longitudinal direction. The tree therefore undergoes deformation or displacement in this 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. The torsional torque to which a shaft is subjected under load and which is maximum during the start-up phase of the rotation of the shaft, has the effect of deforming the cylindrical surface of the shaft in a direction of torsion.
Le dispositif selon l’invention exploite ces deux types de déformation pour mesurer « visuellement » et simultanément le couple de torsion et la poussée. The device according to the invention uses these two types of deformation to measure “visually” and simultaneously the torsional torque and the thrust.
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. We consider, below, that the tree is a tree used for the propulsion of ships. In the example described, it is cylindrical in shape with a constant circular section of radius R and determined length. Its diameter (2xR) is between 200 mm and 1000 mm. The rotation speed of the shaft is between 100 and 1000 rpm.
La illustre schématiquement un mode de réalisation d’un dispositif de mesure selon l’invention.There schematically illustrates an embodiment of a measuring device according to the 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. In this figure, a shaft 1 belonging to propulsion system 2, object of the measurement, is represented with its longitudinal axis AA' extending horizontally along X.
L’arbre 1 transmet la puissance générée par un moteur MOT, ou générateur, à une charge HEL, notamment une hélice. Shaft 1 transmits the power generated by an MOT motor, or generator, to a HEL load, notably a propeller.
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. The thrust exerted on shaft 1, from left to right in the figure, is represented by an arrow P in the axial direction X. The direction of rotation of the shaft is shown in the figure by the arrow 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. The measuring device according to the invention implements first and second visual coding bands 3 and 4 respectively supporting first and second series of visual patterns 3i and 4i. The first and second bands 3 and 4 are fixedly attached to the cylindrical surface SC of the shaft 1, respectively around the first and second straight sections of the shaft 1, by gluing or other very slightly intrusive fixing process. When they are attached to shaft 1, bands 3 and 4 are in the form of rings of negligible thickness. As a variant, the patterns 3i, 4i can be directly printed on the surface SC of the shaft 1 by a laser marking, screen printing or other process. The two bands 3 and 4 are identical: same width (along X) and same visual patterns 3i and 4i arranged in the same way on their respective bands 3 and 4. The first and second bands 3 and 4 are arranged on the tree 1 respectively, in the vicinity of the HEL propeller (represented on the left in the figure) and the MOT motor (represented on the right in the figure), being spaced axially (along X) by a determined length 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. Each pattern 3i, 4i contains at least one marker encoding an absolute rotation angle, arranged so as to obtain a resolution of at least 1 degree when measuring the torque. Patterns 3i and 4i are of identical height and can be contiguous or evenly spaced from each other. Patterns can represent alphanumeric characters, geometric shapes, 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 flèche p, est quantifié par une distance TT.As indicated above, the thrust P has the effect of deforming the shaft 1 in its axial direction the first coding band 3. This movement, symbolized by the arrow p, is quantified by a 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 flèche c, 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).As also indicated above, the twisting torque which is applied to the shaft 1 has the effect of deforming the cylindrical surface SC of the shaft 1 in a twisting direction. This deformation, symbolized by the arrow c , results in an angular displacement φ of the surface SC of the shaft 1, a displacement which is undergone by the second coding strip 4 which is arranged on the MOT motor side. This angular displacement (torsion angle) φ is quantified by a distance S (length of the arc).
Le déplacement de la deuxième bande 4, symbolisé par la flèche c, 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.The movement of the second band 4, symbolized by the arrow c , introduces an offset S of the patterns 4i of the second coding band 4 relative to the patterns 3i of the first coding band 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. Taking as an example a shaft 1 of 500 mm in diameter (2xR), made of steel (rigidity modulus G = 79 GPa) with a torque C = 500 KNm (equivalent to 2600 kW of power), the twist angle φ of the tree 1 considered between two points on the surface of the tree 1 spaced by a length L = 5 m, will be φ = 0.3 degrees which is equivalent, in arc length, to S = 15 .5mm.
φ est obtenu à partir de la formule suivante : où J0 correspond au moment polaire d’inertie d’une section de l’arbre 1.φ is obtained from the following formula: where J 0 corresponds to the polar moment of inertia of a section of shaft 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. The measuring device according to the invention, and in the embodiment described, further comprises two digital image capture means 5 and 6 arranged respectively opposite the two coding bands 3 and 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 ». The image capture means 5 and 6 are preferably high-speed cameras (speeds greater than 60 images/second) which are cameras generally used in industry for part inspection and/or process control. industrial. Each camera 5 and 6 is arranged fixedly and at a determined distance from the coding bands 3 and 4 so as to present a focal plane (plane of sharpness or focusing plane) in the same plane tangential to each of the coding bands 3 and 4. Each camera 5 or 6 is preferably equipped with a lighting source in the visual or infrared spectrum, IR (InfraRed), not shown. By convention, we define the first camera 5, the one closest to the HEL propeller, as the reference camera also called “master” camera. The second camera 6 is therefore designated as a “slave” camera.
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. The two cameras 5 and 6 are thus capable of capturing images of each of the patterns 3i and 4i of the two coding bands 3 and 4 during the rotation of the shaft 1. The two cameras 5 and 6 are synchronized by a synchronizer 10, so as to deliver their “synchronous” images to processing means 7 comprising image analysis means 8. A database 9 hosted in a memory or storage server is coupled to the processing means 7. This database 9 contains measurement data from a calibration phase described below.
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. The synchronous processing means 7 reconstruct plane images of rectangular shape of the visual patterns 3i and 4i from the image sequences captured by the two cameras 5 and 6 during the rotation of the shaft 1 using the means (one or more calculators) for image analysis 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. The image analysis method implemented by the analysis means 8 is described below with reference to Figures 2 and 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.We represented on the same , the images IMG1-IMG4 captured by the first and second cameras 5 and 6 in a preliminary calibration phase (IMG1 and IMG2) and in an operating phase (IMG3 and IMG4) of the shaft 1 in a real operating configuration : shaft 1 rotating and under load. The IMG1-IMG4 images are generally rectangular in shape.
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. The analysis method considers a horizontal MED midline as the horizontal reference line in the IMG1-IMG4 images. This horizontal reference line MED extends in the axial direction along X of shaft 1. It is used as a “reading cursor” of the absolute angle of rotation.
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. The left lateral edge EDG of the IMG1-IMG4 images is chosen as the vertical reference line. It extends perpendicular to the horizontal reference line MED in the direction Y. The axial position along X of a coding strip 3 or 4 is calculated by the distance between the lateral edge (in the embodiment described: the left side edge) of the strip 3,4 and the side edge (in the embodiment described: left side edge) of the 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. We consider beforehand that each pattern 3i of the first coding band 3 corresponds to one and the same pattern 4i of the second coding band 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. Each pattern 3i, 4i includes at least one marker, here, a marker x, x’, x’+S encoding an absolute rotation angle. By convention, the patterns 3i, respectively 4i, are ordered vertically (along Y) on their respective bands 3 and 4. The patterns 3i, 4i extend horizontally (along X) across their respective bands 3 and 4. The value absolute rotation angles, encoded by the markers x, x' and x'+S, increment positively in the direction of rotation ROT of shaft 1 (direction along Y) from the reference line MED: x , x+1, x+2, x+3, … for the first coding band 3 (IMG1 and IMG3), x', x'+1, x'+2, x'+3, … (IMG2) and x'+S, x'+S+1, x'+S+2, x'+S+3… (IMG4) for the second coding band 4. The value of the absolute rotation angles, encoded by the x markers , x' and x'+S, increments negatively in the opposite direction of rotation ROT of shaft 1 from the reference line MED: x, x-1, x-2, x-3, … for the first coding band 3 (IMG1 and IMG3), x', x'-1, x'-2, x'-3, …, (IMG2) and x'+S, x'+S-1, x' +S-2, x'+S-3, … (IMG4) for the second coding band 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. The calibration phase, graphically illustrated by images IMG1 and IMG2, is carried out during installation of the measuring device. This calibration consists of synchronously recording the values of the absolute rotation angles (markers: x, x') for each pattern 3i and its corresponding pattern 4i as well as the axial positions T and T' (along X) of the left lateral edges of the bands 3 and 4 relative to the vertical reference line EDG, by rotating shaft 1 at least one complete turn in the direction of rotation ROT, without any load (no resisting torque) applied to shaft 1. The values of the measured absolute angles of rotation x' and positions T' are recorded in a database 9, in correspondence with the values of the absolute angles of rotation x and the respective positions T. These recordings will be used by the processing means 7 during the measurement in real operating conditions, as reference values, to calculate the thrust and the torque applied to the shaft 1. In the real operating phase, the torque of torsion is obtained by calculating the difference S between the reading of the real value of the absolute rotation angle x'+S and the corresponding absolute rotation angle x', pre-recorded in the database 9 in correspondence with the value of the absolute rotation angle encoded in the x marker. The thrust is obtained by calculating the difference in position TT (displacement) between the actual reading of the position T'+TT of the marker x'+S and the corresponding position T', pre-recorded in database 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). In Figures 2 and 3, images IMG3 and IMG4 correspond to the images captured respectively by cameras 5 and 6 after starting the MOT motor in real operating conditions (shaft 1 under load).
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. In real measurement conditions (IMG3 and IMG4), the first camera 5, considered as the reference (or master) camera, is used as a “reading key” for the measurement. The absolute rotation angle encoded by the marker x (IMG3) and read by the master camera 5, is used to search in the database 9 for the corresponding values of absolute rotation angle x' and position T', pre-recorded from the slave camera 6 during the calibration phase.
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. The slave camera 6 renders an IMG4 image in which the pattern 4i which shares the horizontal reference line MED with the pattern 3i of the IMG3 image, supports a marker x'+S encoding the absolute rotation angle taking into account the angular offset S induced by the torque applied to shaft 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. The analysis of the images is carried out by the analysis means 8 from the images rendered by the cameras 5 and 6 with the reference frame as defined above: left lateral edge EDG, horizontal center line MED. The analysis process consists of locating markers in the image using one or more image recognition algorithms.
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. A point of interest such as a marker can be represented by one or more pixels, or even less than one pixel, by sub-pixel interpolation from neighboring pixels making it possible to increase the resolution of the recognition and therefore the precision of the measurement. The dimensions (or size) of a specific marker can therefore be expressed in number of pixels in the 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. A marker is a characteristic visual element belonging to a 3i or 4i pattern. There is at least one marker per pattern 3i, 4i. Each marker has a specific known shape and physical dimensions (or actual size). The markers are regularly spaced apart from each other by a determined distance and arranged at a determined distance from the lateral edges of their respective coding strips 3, 4. The analysis means 8 are therefore able to identify the markers as pixels of the image and to locate them to the nearest millimeter on the surface of their respective coding strips 3, 4. Each marker encodes a determined absolute angle of rotation of the corresponding strip 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. For some pattern types, the accuracy of absolute rotation angle calculation is increased by calculating the distance (pixel count calculation) between the horizontal reference line MED and the start of the marker and as the physical dimensions of the marker ( actual size of the markers) are known, the distance between the start of this marker and the edge of the coding strip is deduced by simple translation of the pixels of the image on the surface of the strip.
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). To limit reading errors and therefore robusten the calculation of the absolute rotation angle, it is possible to use several horizontal MED reference lines in the same image. The use of cameras as measuring means offers the advantage of having a two-dimensional reading medium: image (2D), unlike a sensor delivering a signal in only one dimension (1D).
En synthèse, le procédé de mesure mis en œuvre par le dispositif de mesure selon l’invention consiste : In summary, the measurement method implemented by the measuring device according to the invention consists of:
- 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 ;- to identify, in the IMG4 image captured by the second camera (slave camera) 6, on or as close as possible to the horizontal reference line MED, at least one marker x'+S encoding a determined absolute rotation angle, and its position T'+TT relative to the vertical reference edge EDG of the IMG4 image;
- 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 ;- to identify, in the IMG3 image captured by the first camera (master camera) 5, on or as close as possible to the same horizontal line MED, the corresponding marker x, encoding a determined absolute rotation angle, and its 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 ; - to search for said marker x in a database 9 containing the markers of the first band 3 and their position T in the first band 3 and the corresponding markers x’ of the second band 4, and their position T’; the values of the absolute rotation angles encoded by said markers x, x' and their positions T, T' having been previously recorded in the database 9 during a preliminary calibration phase consisting of rotating the shaft 1 at least one revolution, without resistive torque applied to shaft 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’ ;- from the marker x identified in the database 9, to note the value of the absolute angle of rotation encoded by the corresponding marker x’ and of the corresponding position 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- to subtract from the value of the absolute angle of rotation encoded in said marker x'+S, the value of the absolute angle of rotation encoded in the marker x', recorded in the database 9, to deduce the torque twisting; And
- 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.- to subtract from the position T’+TT of said marker x’+S, the position T’ recorded in said database 9 to deduce the thrust.
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.There illustrates an example of patterns of a coding strip 3, 4 having the appearance of a ruler graduated in centimeters (cm). The patterns 3i and 4i, respectively x-1, x, x+1 and x'-1, x' and x'+1, correspond to 2 cm, 3 cm and 4 cm (IMG3) and 4 cm, 5 cm and 6 cm (IMG4). The marker here corresponds to a millimeter (mm) which is an element of the pattern 3i and 4i (the centimeter). Thus, the reading of the marker, encoding the absolute angle of rotation, is interpreted by the position of the marker (the millimeter) inside the pattern (the centimeter) and closest to the center line MED which acts as a cursor reading. The precision of the measurement is therefore given by the interval between two successive markers, here the millimeter. The value of the code seen by the first camera 5 and interpreted by the analysis means 8 is here 2.8 cm. The torque applied to the shaft 1 induced an angular shift (absolute rotation angle) which is directly interpreted by the processing means 7 from the images (IMG4) captured by the camera 6. The new value of the corresponding marker to the pattern x', is here 5.7 cm. This offset, reduced to the length of an arc of a circle, is equivalent to a 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. With this type of coding (absolute angular position), the measurement remains reliable even in the event of intermittent loss of power to the measuring device, reading errors for example due to degradation of the markers, 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). Other types of patterns and markers can be used by the device according to the invention and in particular patterns in the form of a sequence of bar codes, of identical size, and aligned, vertically (along 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. The use of this data can then make it possible to precisely determine the performance of the propulsion system and its changes over time (aging due to wear, the external environment, load, etc.), thus making it possible to anticipate future changes. possible damage or even breakage of the shaft which could lead to the immobilization of the vessel.
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 ». Multiple “slave” cameras can be used by being arranged at different locations along the tree, always facing their respective coding strips and synchronized to the “master” camera. In which case, the processing means 7 average the thrust and torque values obtained by each of the “slave” cameras.

Claims (8)

  1. 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), 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) 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 mesure (5) dit de référence, agencé fixement en regard de la première série (3) de motifs visuels (3i) et délivrant un signal (IMG1, IMG3) de chaque motif (3i) de la première série (3) ;
    - au moins un deuxième moyen de mesure (6) agencé fixement en regard de la deuxième série (4) de motifs visuels (4i) délivrant un signal (IMG2, IMG4) de chaque motif (4i) de la deuxième série (4) ;
    - des moyens de traitement synchrone (7) des signaux mesurés par les premier et deuxième moyens de mesure (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,
    caractérisé en ce que les motifs visuels (3i, 4i) des première et deuxième séries (3, 4) sont agencés sur la surface cylindrique (SC) de l’arbre (1), en ce que les premier et deuxième moyens de mesure (5, 6) sont des moyens de capture d’images numériques délivrant des images numériques (IMG1-IMG4) de forme générale rectangulaire ; la ligne de référence (MED) correspondant à la ligne médiane horizontale passant par le centre des images (IMG1-IMG4), et en ce qu’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).
    Device for measuring the torsional torque and the thrust of a cylindrical shaft (1) in rotation subjected to resistant torques, comprising:
    - a first series (3) of a determined number of visual patterns (3i) arranged regularly around a first straight section of the tree (1), in a first determined location along the length of the tree (1) ; each pattern (3i) comprising at least one marker encoding a determined absolute rotation angle x;
    - at least a second series (4) of the same determined number of visual patterns (4i), identical to the visual patterns (3i) of the first series (3), arranged regularly around a second straight section of the tree (1 ) at a second location determined along the length of the shaft (1) and at a determined axial distance (L) from the first location; each pattern (4i) comprising at least one marker encoding a determined absolute rotation angle x' or x'+S;
    - a first measuring means (5) called reference, arranged fixedly opposite the first series (3) of visual patterns (3i) and delivering a signal (IMG1, IMG3) of each pattern (3i) of the first series ( 3);
    - at least one second measuring means (6) arranged fixedly opposite the second series (4) of visual patterns (4i) delivering a signal (IMG2, IMG4) of each pattern (4i) of the second series (4);
    - synchronous processing means (7) of the signals measured by the first and second measuring means (5 and 6), configured to identify at least one marker x'+S in a pattern of the second series (4), in correspondence with a marker x of the first series (3) on or closest to at least the same reference line (MED); said processing means (7) being further configured to compare the value of the absolute angle of rotation encoded in the marker x'+S and its position T'+TT, with the value of the absolute angle of rotation encoded in the marker x' of the second series (4) and its position T', previously recorded in a calibration step in which no resistant torque is applied to the shaft (1), and deduce the torsion torque therefrom from S and the thrust from TT,
    characterized in that the visual patterns (3i, 4i) of the first and second series (3, 4) are arranged on the cylindrical surface (SC) of the shaft (1), in that the first and second measuring means ( 5, 6) are digital image capture means delivering digital images (IMG1-IMG4) of generally rectangular shape; the reference line (MED) corresponding to the horizontal median line passing through the center of the images (IMG1-IMG4), and in that a lateral edge of the images (IMG1-IMG4) is chosen as the vertical reference edge (EDG) to determine the position (T', T'+TT) of the marker on, or as close as possible, to the reference line (MED).
  2. 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).Device according to the preceding claim in which a marker of known real size is represented by a determined number of pixels and its position in the image corresponds to a determined number of pixels separating the start of the pattern (3i, 4i) from the line of reference (MED) and reference edge (EDG).
  3. 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.Device according to the preceding claim in which the position of the marker in the image corresponds to a determined number of pixels between the reference line (MED) and a first pixel of the marker.
  4. 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).Device according to the preceding claim, in which the shaft (1) being of cylindrical shape with circular section, the first and second image capture means (5 and 6) are arranged fixedly in the same plane tangential to the cylindrical surface of the tree (1) and respectively opposite the first and second series (3, 4) of visual patterns (3i, 4i).
  5. 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).Device according to the preceding claim, in which the first and second image capture means (5 and 6) are high-speed cameras arranged tangentially to the shaft (1), at a determined distance from the patterns (3i, 4i) so as to present a focal plane in the tangential plane of the patterns (3i, 4i).
  6. Procédé de mesure mis en œuvre par le dispositif de mesure selon les 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.
    Measuring method implemented by the measuring device according to the preceding claims, said method consisting of:
    - to identify, in the image (IMG4) captured by the second image capture means (6), on or as close as possible to a horizontal reference line (MED), at least one marker x'+S encoding a determined absolute rotation angle, and its position T'+TT relative to a vertical reference edge (EDG) of the image (IMG4);
    - to identify, in the image (IMG3) captured by the first image capture means (5), on or as close as possible to the same horizontal line (MED), the corresponding marker x, encoding an absolute rotation angle determined, and its position T;
    - to search for said marker x in a database (9) containing the markers of the first series (3) and their position T in the first series (3) and the corresponding markers x' of the second series (4), and their position T'; the values of the absolute rotation angles encoded by said markers x, x' and their positions T, T' having been previously recorded in the database (9) during a preliminary calibration phase consisting of rotating the the shaft (1) of at least one turn, without resisting torque applied to the shaft (1);
    - from the marker x identified in the database (9), to note the value of the absolute angle of rotation encoded by the corresponding marker x' and of the corresponding position T';
    - to subtract from the value of the absolute angle of rotation encoded in said marker x'+S, the value of the absolute angle of rotation encoded in the marker x', recorded in the database (9), to deduce the torque; And
    - to subtract from the position T'+TT of said marker x'+S, the position T' recorded in said database (9) to deduce the thrust.
  7. Programme produit d’ordinateur comportant des instructions pour l’exécution des étapes du procédé selon la revendications 6.Computer produced program comprising instructions for carrying out the steps of the method according to claim 6.
  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 5.Propulsion system (2) comprising a propeller (HEL) mechanically coupled to a motor (MOT) by a shaft (1); said system (2) comprising a measuring device according to one of claims 1 to 5.
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