La présente invention a pour objet une méthode de mesure dynamique et sans contact du déplacement d'une matière conductrice par rapport à un capteur capacitif constitué de deux plaques conductrices parallèles, superposées, isolées électriquement l'une de l'autre, et alimentées par un siqnal haute fréquence à une tension prédéterminée, le capteur capacitif étant relié a un dispositif capable de détecter une valeur de courant, ainsi qu'une méthode de mesure dynamique et sans contact de la permittivité d'un diélectrique entre une pièce conductrice et un capteur capacitif du type décrit précédemment.

L'invention se rapporte plus particulièrement à une méthode de mesure dynamique et sans contact de déplacement qui peut être avantageusement utilisée pour mesurer de façon permanente et relativement simple le déplacement axial d'un arbre de machine tournante au niveau d'un joint d'accouplement ou pour mesurer le niveau d'un réservoir, ainsi qu'à une méthode de mesure dynamique et sans contact de la permittivité d'un diélectrique qui peut être avantageusement utilisée aussi pour mesurer le niveau d'un réservoir ou pour surveiller de façon permanente et relativement simple le changement éventuel de composition d'un corps circulant à travers un conduit.

Le brevet canadien No. 1,191,261 émis le 30 juillet 1985 au nom d'HYDRO-QUEBEC décrit un appareil ainsi qu'une méthode de mesure dynamique et sans contact de la distance séparant les surfaces d'une première pièce qui peut être conductrice faiblement espacée de la première

et reliée à la masse, tels que le sont le stator et le rotor d'une génératrice électrique, lesquels appareils et méthodes peuvent être utilisés de façon permanente sans modification importante ni encombrement excessif et ce avec des résultats précis et fiables même en présence de champs magnétiques intenses et de variations de température.

L'appareil mentionné ci-dessus est constitué d'un capteur fait de deux pièces conductrices parallèles, superposées et isolées électriquement l'une de l'autre, et alimentées par un signal haute fréquence entre 100 KHz et 10 MHz à une tension prédéterminée entre 5 et 100 Volts, reliées à un dispositif capable de détecter une valeur de courant qui lui-même est relié à un dispositif pouvant effectuer un traitement sur la valeur de courant détecté, tel un ordinateur.

Ce capteur lorsqu'il est utilisé forme un condensateur avec la pièce conductrice reliée à la masse, de sorte que la capacité soit déterminée par l'équation connue suivante:

_r _ à (1)

^U D

dans laquelle:

K = eoer, eo étant la permittivité du vide (8.854 pF/m) et er étant la permittivité relative du diélectrique entre la plaque du capteur la plus proche de la pièce conductrice et celle-ci;

Ar est la surface de recouvrement de la pièce conductrice sur la plaque du capteur; et D est la distance entre la surface de la plaque du

capteur la plus proche de la pièce conductrice et celle-ci.

Lorsque le condensateur ainsi formé est soumis à un signal haute fréquence, un courant mesurable est induit dans les plaques du capteur, dont l'intensité répond selon l'équation suivante:

i = ωCV (2)

ω = 27rf, f étant la fréquence du signal émis;

V est la différence de potentiel entre la plaque du capteur la plus proche de la pièce conductrice et celle-ci; et

C est la capacité mentionnée précédemment. L'équation (1) montre que pour une valeur diélectrique K et une surface de recouvrement Ar constantes, la capacité C, et donc le courant i de l'équation (2), varie selon l'inverse de la distance D séparant le capteur de la pièce conductrice, donnant lieu à la méthode mentionnée pour la mesure dynamique et sans contact de la distance entre la plaque d'un capteur capacitif la plus proche d'une pièce conductrice et celle-ci.

Comme on peut aisément le constater, l'appareil peut servir si ilairement pour effectuer la mesure d'un autre paramètre variable de l'équation (1), soit la permittivité K ou la surface de recouvrement Ar, pourvu que les autres paramètres soient fixes.

Un premier objet de la présente invention est donc de proposer une nouvelle méthode faisant appel à l'appareil mentionné précédemment pour permettre d'effectuer une mesure dynamique et sans contact du déplacement d'une matière conductrice reliée à la masse

par rapport à un capteur capacitif, cette première méthode étant caractérisée en ce que:

(a) on positionne le capteur capacitif à une faible distance fixe de la matière conductrice, les plaques du capteur capacitif étant parallèles au plan dans lequel s'étend la matière conductrice, de sorte qu'un déplacement de cette matière dans le plan mentionné modifie sa surface de recouvrement sur le capteur capacitif; (b) on détecte le courant induit par le signal haute fréquence dans le capteur capacitif, ce courant détecté variant de façon directement proportionnelle à la surface de recouvrement de la matière conductrice sur le capteur capacitif; et

(c) on détermine la valeur du déplacement de ladite matière conductrice par rapport au capteur capacitif en fonction de la valeur du courant détecté. Cette méthode n'est pas restreinte aux machines à turbine ou aux réservoirs puisqu'elle permet de mesurer le déplacement de toute matière conductrice par rapport au capteur, pourvu que la surface de recouvrement de la matière conductrice sur le capteur varie lors du déplacement.

Un deuxième objet de la présente invention est de proposer une nouvelle méthode faisant aussi appel à l'appareil mentionné précédemment pour permettre d'effectuer une mesure dynamique et sans contact de la permittivité d'un diélectrique entre une pièce conductrice reliée à la masse et un capteur capacitif, cette deuxième méthode étant caractérisée en ce que:

(a) on positionne le capteur capacitif à une

faible distance fixe de la pièce conductrice de sorte que le diélectrique dont la permittivité est à mesurer se trouve entre la pièce conductrice et le capteur capacitif; (b) on détecte le courant induit par le signal haute fréquence dans le capteur capacitif, ce courant détecté variant de façon directement proportionnelle à la permittivité du diélectrique entre la pièce conductrice et le capteur capacitif; et

(c) on détermine la valeur de la permittivité du diélectrique entre la pièce conductrice et le capteur capacitif en fonction de la valeur du courant détecté. Là encore, cette méthode n'est pas restreinte aux réservoirs ou à la détection d'un changement de composition d'un corps dans un conduit puisqu'elle permet de mesurer la permittivité d'un diélectrique entre un capteur capacitif et n'importe quelle pièce conductrice. L'invention ainsi que ses divers avantages ressortiront mieux à la lecture de la description non- restrictive de réalisations possibles faites en référence aux dessins annexés dans lesquels:

- la figure 1 montre un schéma de principe des méthodes selon l'invention

- la figure 2 est un schéma illustrant la première méthode selon l'invention pour la mesure du déplacement d'une matière conductrice plus large que le capteur capacitif; - la figure 3 montre une courbe caractéristique de la valeur du courant mesuré pour une réalisation de l'invention selon la figure 2;

- la figure 4a illustre la première méthode selon

l'invention pour la mesure du déplacement d'un joint d'accouplement entre une turbine à vapeur et un alternateur;

-la figure 4b est une vue détaillée de côté du joint d'accouplement montré à la figure 4a;

- la figure 4c est une vue détaillée de dessus du joint d'accouplement montré à la figure 4a;

- la figure 5 illustre la première méthode selon l'invention pour effectuer une mesure de déplacement à l'aide de plusieurs capteurs;

- la figure 6a illustre la première méthode selon l'invention pour effectuer la mesure de niveau d'un liquide conducteur ou fortement polaire dans un réservoir électriquement conducteur; - la figure 6b illustre la première méthode selon l'invention pour effectuer la mesure de niveau d'un liquide conducteur ou fortement polaire dans un réservoir électriquement isolant;

- la figure 6c illustre la deuxième méthode selon l'invention pour effectuer la mesure de niveau d'un liquide isolant dans un réservoir électriquement conducteur;

- la figure 6d illustre la deuxième méthode selon l'invention pour effectuer la mesure de niveau d'un liquide isolant dans un réservoir électriquement isolant;

- la figure 7 illustre la deuxième méthode selon l'invention pour la détection d'une contamination d'eau dans de l'huile circulant dans un conduit;

- la figure 8 montre un schéma du circuit du dispositif d'alimentation et de détection utilisé dans le cadre de la présente invention; et *

- la figure 9 est un schéma bloc montrant les principales fonctions de l'appareil utilisé par les

méthodes selon l'invention.

Se référant à la figure 1 des dessins annexés, l'appareillage 1 utilisé pour la mise en oeuvre des méthodes selon l'invention comprend au moins un capteur capacitif 3 constitué de deux plaques 5 et 7 qui sont conductrices, superposées et isolées électriquement l'une de l'autre par un isolant 9 approprié, un dispositif d'alimentation et de détection 11 pour alimenter les deux plaques 5 et 7 de chaque capteur avec un même signal haute fréquence à une même tension et pour détecter la valeur du courant induit dans les plaques 5 et 7 par le signal haute fréquence, et un câble 13 reliant les plaques 5 et 7 de chaque capteur au dispositif 11. Celui-ci génère un signal électrique S, en fonction du courant détecté, permettant d'apporter un traitemert à l'aide d'un appareil tel un ordinateur par exemple, pour effectuer la mesure relative aux méthodes selon l'invention.

Le signal haute fréquence alimentant les plaques 5 et 7 du capteur doit de préférence avoir une fréquence se trouvant dans la bande de 100 KHz à 10 MHz et une tension se situant entre 5 et 100 volts crête à crête, ceci dans le but d'éviter les problèmes éventuels de bruit parasite, d'impédance de retour ou d'isolation. On peut aussi diminuer l'effet du bruit parasite en "jouant" sur la dimension des plaques 5 et 7 et sur la distance les séparant.

L'appareil de traitement doit tenir compte de la non-linéarité due à la construction et aux paramètres physiques du capteur capacitif 3, donc être préalablement calibré pour réaliser une conversion précise du courant mesuré en fonction du paramètre désiré à mesurer pour les méthodes selon l'invention.

Dans la première méthode selon l'invention, soit celle de la mesure dynamique et sans contact d'un déplacement, le capteur capacitif 3 est positionné par un moyen approprié à une faible distance fixe D de la matière conductrice 15 de sorte que ses plaques 5 et 7 soient parallèles au plan dans lequel s'étend la matière conductrice 15. Dans ce plan, la surface commune à la matière conductrice 15 et au capteur capacitif 3 constitue une surface de recouvrement 17. Il est essentiel selon la présente méthode que l'aire de la surface de recouvrement 17 varie lors d'un déplacement de la matière conductrice 15 par rapport au capteur capacitif 3 puisque le courant mesuré est directement proportionnel à cette aire et que ce ^" courant mesuré fait précisément l'objet de la mesure du déplacement.

La figure 2 montre une réalisation de la première méthode selon l'invention, soit celle de la mesure d'un déplacement dans laquelle la matière conductrice 15 est plus large que le capteur capacitif 3 et celui-ci de forme rectangulaire. Bien que cette forme ne soit pas essentielle, elle procure dans la présente réalisation des caractéristiques particulièrement intéressantes qui sont représentées à la figure 3 sous forme graphique.

La figure 3 montre la linéarité qui découle de la réalisation représentée à la figure 2, entre le déplacement dans le sens de la flèche 19 de la matière conductrice 15 par rapport au capteur capacitif 3 et le signal électrique S généré par le dispositif 11. Cette caractéristique vient du fait que la surface de recouvrement 17 augmente linéairement par rapport au déplacement mentionné. La courbe 21 est de forme principalement linéaire mais subit une déflexion 23 et 25 à chaque extrémité lorsque l'arête 27 de la matière

conductrice 15 franchit le rebord 29 du capteur capacitif 3.

Tel qu'illustré à la figure 4a, la première méthode selon l'invention de mesure d'un déplacement peut être utilisée pour mesurer l'élongation d'un arbre tournant 31 reliant une turbine à vapeur 33 à un alternateur 35. Le joint d'accouplement 37 agit comme matière conductrice et doit donc préalablement être relié à la masse. Comme montré dans les agrandissements 4b et 4c, le capteur 3 est positionné à une distance fixe D' du joint d'accouplement 37, parallèlement à celui-ci de façon à mesurer un déplacement éventuel du joint 37 dans le sens de la flèche 39, représenté par les pointillés 41. Il est nécessaire que la distance D'' entre le capteur capacitif 3 et l'arbre 31 soit suffisamment grande par rapport à la distance D' de sorte que l'arbre 31 ait un effet capacitif négligeable vis-à-vis le capteur 3 et ne vienne pas affecter la mesure du déplacement. Puisque la largeur B' du capteur capacitif 3 est plus petite que la largeur B'' du joint d'accouplement 37 et du fait que ce capteur est de forme rectangulaire, la relation entre le déplacement et le signal S est donc linéaire, diminuant ainsi la complexité du traitement subséquent de ce signal. Se référant maintenant à la figure 5, lorsque le déplacement dans le sens de la flèche 43 de la matière conductrice 15 est trop grand pour n'être mesuré que par un capteur, il est possible de recourir à plusieurs capteurs capacitifs 3 positionnés adéquatement conformément à la première méthode selon l'invention de mesure d'un déplacement, et de manière à ce que le déplacement de la matière conductrice 15 modifie la surface de recouvrement d'au moins un capteur 3,

changeant ainsi la valeur du courant mesuré. Une façon simple d'obtenir ce résultat est de positionner les capteurs 3 linéairement les uns à la suite des autres. Tel qu'illustré à la figure 6a, la première méthode selon l'invention de mesure d'un déplacement est mise en pratique pour mesurer le niveau 45 d'une solution 47 électriquement conductrice ou fortement polaire, comme de l'eau dans certaines conditions ou du mercure par exemple, se trouvant dans un réservoir 49 également électriquement conducteur. Cette solution agit alors comme matière conductrice et peut être reliée à la masse 51 par le biais du réservoir 49 lui aussi conducteur. Le capteur capacitif 3 peut être positionné à même la paroi intérieure 53 du réservoir 49 par simple collage ou par un moyen approprié, et doit être obligatoirement recouvert d'une couche protectrice isolante et étanche. Pour pouvoir mesurer un niveau 45 quelconque de solution 47 dans le réservoir 49, il suffit que le capteur 3 soit aussi long que la hauteur de la paroi 53 du réservoir 49. Dans le cas où le réservoir 49 est électriquement isolant, tel qu'illustré à la figure 6b, la solution 47 électriquement conductrice ou fortement polaire est reliée à la masse 51 à l'aide d'une électrode secondaire de masse 55, pouvant être constituée d'une simple plaque métallique par exemple, disposée au fond du réservoir 49 à l'intérieur ou à l'extérieur.

Se référant maintenant à la figure 6c, l'appareil 1 (montré à la Figure 1) est maintenant utilisé pour la mise en oeuvre de la deuxième méthode selon l'invention de mesure dynamique et sans contact de la permittivité d'un diélectrique pour mesurer le niveau 45 d'une solution 47 électriquement isolante et de constante diélectrique relative plus grande que celle de l'air (1

unité) tel que celle de l'huile, de l'essence ou d'autres dérivés du pétrole, par exemple. Dans cette réalisation, le signal de courant détecté comporte une composante constante non-nulle (offset) qui peut être adéquatement corrigée ou compensée lorsque le réservoir est vide. Cette composante non-nulle est d'autant plus importante que la constante diélectrique de la solution approche celle de l'air. Une électrode secondaire de masse 55 au moins aussi longue que le capteur 3, constituée d'une simple plaque métallique par exemple, est reliée à la masse 51 et disposée à proximité du capteur capacitif 3, lui-même disposé sur la paroi intérieure 53 du réservoir 49. La protection du capteur 3 n'est pas nécessaire mais souhaitable. Dans le cas où le réservoir 49 est électriquement isolant, tel qu'illustré à la figure 6d, le capteur 3 peut être disposé sur la paroi intérieure ou extérieure du réservoir 49.

Dans la figure 7, la deuxième méthode selon l'invention est mise en pratique pour détecter la composition d'un corps (schématisé par la flèche 57) , possiblement altéré par une contamination, à l'intérieur d'un conduit 59 électriquement isolant. Le capteur 3 est positionné à même la paroi du conduit 59 de sorte que le corps 57 passe inévitablement entre une électrode 61 reliée à la masse 63 et ce capteur, changeant la permittivité auparavant mesurée lors d'une contamination. Connaissant la valeur de la permittivité du corps 57 ou en effectuant des tests pour la déterminer, il serait possible de relier le dispositif d'alimentation et de détection 11 à un système d'alarme préalablement ajusté pour signaler un changement de composition du corps 57 lorsqu'il est détecté.

La figure 8 donne un schéma du circuit du dispositif

d'alimentation et de détection 11 de l'appareil 1 (montré à la Figure 1) utilisé selon l'invention. Sur ce schéma, on retrouve un générateur de signal haute fréquence 65. Ce générateur alimente la plaque 5 du capteur 3 qui forme une capacité fixe Cf avec l'ambiant. La plaque 7 du capteur 3 forme, avec la surface de la matière conductrice 15, une capacité variable Cv. Il existe enfin une capacité parasite propre à chaque type de capteur. Cette capacité parasite est désignée par le symbole Cp. Un détecteur de courant 67 comprend une faible impédance 69 montée en série entre le générateur 65 et la plaque 7 du capteur. Le détecteur de courant 67 comprend également un circuit d'isolation relié à l'impédance 69 pour mesurer de façon isolée le signal de tension haute fréquence aux bornes de celle-ci et pour extraire de ce signal ainsi mesuré un signal proportionnel au courant de mesure. Ce circuit peut comprendre un transformateur d'isolation 71 relié, d'un côté, aux bornes de l'impédance 69 et, de l'autre côté, à un amplificateur à gain ajustable 73. Cet amplificateur est à son tour relié à un démodulateur d'amplitude de type connu 75 qui reçoit le signal de l'amplificateur via un filtre 77. La sortie du démodulateur 75 qui fournit le signal requis proportionnel au courant de mesure est reliée à des moyens de traitement appropriés 89 décrits ci-après plus en détail. Pour permettre une correction automatique de dérive de l'appareil, le détecteur 67 peut également incorporer des moyens de vérification 79 pour remplacer momentanément la capacité variable Cv. Ces moyens de vérification branchables à l'aide d'un interrupteur 81, sont constitués de deux impédances connues 83 et 85 permettant d'obtenir deux signaux repères (vérification

haute et basse). Ces impédances 83 et 85 sont commutées par un relais 87.

Il convient de mentionner que l'utilisation de tels moyens de vérification 79 est facultative. Dans certains cas, elle permet, avant chaque prise de données, de tenir compte des dérives des amplificateurs ainsi que du générateur, en plus de permettre une détermination facile du gain et des offsets.

Tel qu'illustré sur la figure 9, les moyens de traitement 89 sont reliés au détecteur de courant 67.

Selon un premier exemple possible de réalisation, ces moyens de traitement 89 peuvent être constitués par un circuit de traitement incluant un micro-processeur 91 dont le but est d'assurer un traitement et un emmagasinage des signaux de courant détectés par le détecteur de courant 67 jusqu'à ce qu'ils soient requis. Lorsque l'information est requise, les signaux peuvent alors être transmis par le micro-processeur 91 à un ordinateur 93 qui peut être pourvu de moyens d'emmagasinage externe 95 (disques ou autres) et de moyens de visualisation 97 (imprimantes ou autres). Dans le cas où plusieurs capteurs 3 sont utilisés, l'ordinateur 93 peut être relié à un micro-processeur 91 associé à chaque capteur 3 de façon à pouvoir traiter individuellement des signaux mémorisés dans chacun des micro-processeurs 91 associés à chacun des capteurs 3. Des lignes plus larges illustrées sur la figure 9 montrent, à titre d'exemple, des connexions possibles vers d'autres micro-processeurs 91. L'introduction des données qui fournit la relation courant-déplacement ou courant-permittivité pour chaque type de capteur est faite une fois pour chaque type de capteur en laboratoire. Tel que précédemment indiqué, il peut être

nécessaire d'effectuer une vérification avant chaque prise de données pour tenir compte des dérives de l'amplificateur et du générateur.

Selon un autre exemple possible de réalisation, les moyens de traitement 89 peuvent être constitués par un circuit d'alarme 99. Ce dernier peut être monté à la place du circuit de traitement ou conjointement avec celui-ci. Le but de ce circuit d'alarme 99 est d'immédiatement fournir un signal d'alarme si la valeur du courant détecté correspond à un déplacement ou une permittivité critique prédéterminé. Ce circuit d'alarme

99 peut être connecté en permanence, ce qui le rend très avantageux notamment dans le cas de la surveillance continue et permanente d'une machiné tournante, niveau d'un réservoir ou contamination d'un corps à l'intérieur d'un conduit.