Comprendre les sondes de proximité (capteurs à courants de Foucault)
A sonde de proximité — également appelé sonde à courants de Foucault ou un capteur de déplacement — est un capteur sans contact qui mesure la distance entre sa pointe et une cible conductrice, presque toujours un arbre en rotation. Lorsqu’un accéléromètre est fixé au boîtier et détecte les vibrations de la structure, tandis qu'un capteur de proximité surveille à travers le boîtier de palier et indique le mouvement réel de l'arbre par rapport à son palier. Cette particularité en fait le capteur principal pour la protection et la surveillance des machines critiques à grande vitesse fonctionnant avec des paliers à film fluide, et constitue la base de la mesure relative à l'arbre surveillance des vibrations dans le domaine des turbomachines à l'échelle mondiale.
1. Définition : qu'est-ce qu'un capteur de proximité ?
La caractéristique principale d'un capteur de proximité est qu'il mesure déplacement relatif — la position de la surface de l'arbre par rapport au support de la sonde — directement, en micromètres ou en mils. Cela diffère fondamentalement d'un capteur sismique tel qu'un transducteur de vitesse ou un accéléromètre, qui mesure le mouvement absolu de la pièce à laquelle il est fixé. Sur une grande machine dotée d'un carter lourd et rigide et d'un arbre relativement léger tournant sur un film d'huile, le carter ne bouge pratiquement pas tandis que l'arbre peut effectuer une rotation importante à l'intérieur de son palier lisse. Dans ce cas, seul un capteur à observation de l'arbre perçoit la situation réelle, ce qui explique pourquoi les capteurs de proximité sont les plus répandus protection des machines sur les turbines et les compresseurs.
2. Le système de capteurs de proximité : trois composants compatibles
Une chaîne de mesure complète pour capteur de proximité se compose de trois éléments parfaitement adaptés les uns aux autres, étalonnés ensemble en tant qu'ensemble :
- Sonde : un capteur à corps fileté muni d'une pointe étanche renfermant une bobine de fil métallique plate. Il est installé en respectant un écart physique précis par rapport à l'arbre et verrouillé en place.
- Câble d'extension : un câble coaxial d'une longueur définie qui relie la sonde au circuit d'excitation. Sa longueur fait partie intégrante du réglage électronique du système ; il ne s'agit pas d'un simple câble arbitraire.
- Proximitor / driver : un module électronique qui génère un signal radiofréquence (RF) à haute fréquence, le transmet à la bobine de la sonde et démodule le signal de retour afin de produire une tension de sortie proportionnelle à l'écart.
Comme ces trois éléments sont calibrés ensemble — généralement selon le facteur d'échelle standard de l'industrie, soit 200 mV par mil (environ 7,87 mV/µm) — ils sont pas interchangeables avec les composants d'un autre système. Le fait de combiner une sonde d'un kit avec un driver ou un câble d'une longueur différente fausse l'étalonnage et les mesures. L'erreur de longueur électrique totale est corrigée par compensation de câble, et la chaîne assemblée devrait être livrée avec un certificat d'étalonnage en documentant son facteur d'échelle traçable.
3. Comment ça marche : le principe des courants de Foucault
Le Proximitor envoie son signal RF vers la bobine de la pointe, qui émet un faible champ magnétique. Lorsque la pointe est approchée d'un arbre conducteur, ce champ induit de minuscules courants de circulation — courants de Foucault — dans la couche superficielle du matériau de l'arbre. Les courants de Foucault génèrent leur propre champ magnétique opposé, et l'énergie qu'ils absorbent alimente la bobine. La quantité d'énergie perdue dépend de la proximité de la surface conductrice : plus l'arbre est proche, plus les courants de Foucault sont intenses et plus l'alimentation est importante.
Le proximitor mesure cette charge et génère deux signaux de sortie superposés : un tension continue proportionnel à moyenne espace, et un tension alternative proportionnel à dynamique mouvement de l'arbre lorsqu'il vibre.
Comme cette technique repose sur les courants induits dans le métal plutôt que sur un contact mécanique ou la lumière, elle est insensible à la présence d'huile, de saleté et à la pression dans la cavité du roulement, mais elle est sensible à l'uniformité électrique et magnétique de la surface de l'arbre — un point qui sera abordé plus loin dans le cadre du faux-rond. Les mêmes principes physiques sous-tendent la famille plus large de sondes à courants de Foucault utilisé pour la mesure de déplacement sans contact.
4. Ce que mesurent les capteurs de proximité
Une seule sonde — et surtout une paire — fournit une quantité remarquable d'informations sur l'état et le comportement du rotor :
- Vibration radiale : une paire de capteurs X-Y disposés à 90° l'un de l'autre détecte le mouvement de l'arbre dans deux dimensions, que l'analyseur combine en un orbite de l'arbre — une représentation directe de la trajectoire suivie par la ligne médiane à chaque tour.
- Position axiale (poussée) : une sonde placée à l'extrémité de l'arbre mesure le jeu axial, première ligne de défense contre palier de butée défaillance.
- Position de l'axe central : la composante continue indique la position moyenne du journal dans son jeu de roulement, révélant usure des roulements, les variations de charge et le axe de l'arbre , et la dérive thermique à mesure que la machine chauffe.
- Vitesse de rotation et phase : une sonde qui détecte une rainure ou une encoche se déclenche une fois par tour, ce qui en fait un système extrêmement fiable Keyphasor ou tachymètre qui fournit le phase référence pour l'équilibrage et le diagnostic.
- Faux-rond : une lecture à défilement lent, effectuée à faible vitesse, permet de quantifier l'effet combiné faux-rond mécanique et électrique de la surface de l'arbre, qui est ensuite soustraite des mesures en temps réel afin d'isoler le mouvement dynamique réel.
5. Avantages et domaines d'application
Les capteurs de proximité constituent le choix par défaut pour la protection des turbomachines de grande taille et critiques, et ce pour plusieurs raisons liées entre elles :
- Sans contact : rien ne vient en contact avec l'arbre, ce qui évite toute usure et ne limite pas la vitesse par le capteur — une solution idéale pour les applications à grande vitesse.
- Observation directe de l'arbre : ils voient ce que fait l'arbre à l'intérieur du roulement, ce qui, sur une machine à châssis lourd, est bien plus important que le mouvement du châssis.
- Réponse jusqu'à 0 Hz (courant continu) : Ils permettent de mesurer à la fois les vibrations dynamiques et la position moyenne, ce qu'un accéléromètre — qui ne peut pas mesurer un déplacement constant — est fondamentalement incapable de faire.
- Haute fiabilité : étanche, robuste et conçu pour les environnements difficiles, chauds et huileux, ainsi que pour un fonctionnement en continu.
C'est pourquoi ils sont presque omniprésents sur les grandes turbines à vapeur et à gaz, les compresseurs centrifuges et axiaux, les turbogénérateurs, ainsi que sur les grosses pompes et les gros moteurs fonctionnant avec des paliers lisses ou à manchons, où leur installation est imposée par des normes telles que API 670. Sur les machines équipées de roulements à éléments roulants, leur complément naturel est l'accéléromètre monté sur le carter, et de nombreux surveillance en ligne Ces systèmes utilisent les deux. Lorsqu'une machine à film fluide produit déséquilibre, la paire de sondes X-Y permet de l'observer sous la forme d'une orbite 1× en expansion, et la correction de champ peut être effectuée sur place à l'aide d'un analyseur portable à deux canaux tel que le Balanset-1A, qui lit l'amplitude et la phase 1× fournies par les sondes et calcule la valeur requise poids de correction.
6. Pièges à éviter
- Faux-rond électrique : Les variations locales de la perméabilité de l'arbre ou du magnétisme résiduel génèrent un faux signal de vibration qui n'a aucun rapport avec le mouvement réel. Une soustraction du faux-rond par rotation lente permet de l'éliminer.
- Matériau cible incorrect : Le facteur d'échelle calibré est basé sur un alliage spécifique pour l'arbre (généralement de l'acier AISI 4140). L'utilisation d'un autre matériau modifie la sensibilité et nécessite une nouvelle caractérisation.
- Écart hors limites : La sonde doit se situer dans sa plage linéaire — généralement centrée autour de −10 V CC. Si elle est trop proche ou trop éloignée, la réponse devient non linéaire ou présente des écrêtages.
- Rayures et revêtement : Tout défaut de surface ou revêtement présent sur la bande observée de l'arbre est interprété comme un mouvement ; cette bande doit donc être lisse, ronde et uniforme.
