Brevet FR2042466A1 — publié le 19710212

La présente invention concerne les équipements électroniques de test, et, de façon plus spécifique, un dispositif de mesure à pastille dynamométrique perfectionné. On connaît des dispositifs transducteurs comportant une impé-5 dance électrique caractéristique, telle' qu'une résistance, variant en fonction d'une condition d1 environnement particulière ou d'un paramètre physique tel que la température, la pression, ou similaires. le'moyen qui est sans doute le plus généralement employé pour déterminer la valeur instantanée du paramètre particulier qui est 10 sous examen est d'insérer lé transducteur dans un circuit en pont de Wheatstone, tel que celui représenté par la figure 1 à titre d'exemple, le pont comprend quatre noeuds 10, 20, 30 et 40 et des résistances R-j , , Rj et R^, chacune d'elles étant connectée entre une paire différente de noeuds. l'élément R^ comprend le transduc-15 teur à résistance variable, qui est relié par deux conducteurs 15 et 16 aux noeuds 30 et 40. Une source de tension 25 d'alimentation du pont -est appliquée entre une paire de noeuds diamétralement opposés de celui-ci, par exemple les noeuds 10 et 40. Après équilibrage du pont, la diffé- 20 rence de tension E entre les deux autres noeuds diamétralement o opposés, c'est-à-dire entre les noeuds 20 et 30, fournit une mesure directe de la condition d'environnement ou du paramètre physique sous examen. .. • Cependant, le transducteur R4 est souvent situé à une distance 25 considérable du reste du circuit du pont composite, et les conducteurs 15 et 16 sont donc souvent relativement longs. La résistance de ces conducteurs est sujette à changer, par exemple sous l'effet de la température. L'importance de cette variation de résistance dépend directement de la longueur des conducteurs 15 et 16. 30 Ainsi, du fait que les conducteurs 15 et 16 sont tous deux dans la même branche 30-40 du pont, les variations de résistance dans les conducteurs 15 et 16 sont-additives et perturbent son état véritable ; ils introduisent ainsi une composante d'erreur dans la tension de sortie Eq définissant le paramètre observé. 35 C'est pourquoi un objet de la présente invention est de réali ser un dispositif de mesure à pastille dynamométrique perfectionné pour déterminer la valeur d'une force de compression. Plus précisément, un objet de la présente invention est de 70 16686 2 2042466 prévoir une disposition perfectionnée associant un circuit de mesure et une pastille dynamométrique, dans laquelle sont réduits ou éliminés les effets parasites associés, lorsque la pastille est située à une certaine distance du.reste du circuit, à l'utilisation 5 de conducteurs de liaison relativement longs. * Selon une particularité essentielle du dispositif "de mesure à pastille dynamométrique conforme à l'invention, au moins une jauge de contrainte associée à la pastille et trois résistances additionnelles sont connectées dans un circuit en pont. Une source de ten-10 sion est reliée à une première paire de noeuds diamétralement opposés du pont. la jauge de contrainte est conçue pour comporter un conducteur additionnel à l'une de ses extrémités, placées à une certaine distance de la connexion à la source d'alimentation du pont ; ce con-15 ducteur est relié à l'entrée d'un amplificateur différentiel possédant une impédance d'entrée élevée, le noeud restant du pont, entre les résistances de la branche fixe, est également relié à l'amplificateur différentiel ; celui-ci fournit un signal de sortie appliqué à un appareil de mesure et dont l'amplitude dépend de ia diffé-20 rence des deux signaux d'entrée qui lui sont appliqués. le conducteur de la jauge de contrainte qui transporte le signal de sortie a électriquement pour effet de faire de l'une des extrémités du transducteur un noeud effectif du pont, en plaçant ainsi l'un des deux conducteurs reliant le transducteur au pont 25 dans chacune de deux branches adjacentes de celui-ci. Selon les valeurs données aux résistances des branches du pont par rapport à l'impédance nominale de la jauge de contrainte, tous les signaux électriques parasites susceptibles de prendre naissance au niveau des conducteurs du transducteur seront sensi-30 blement ou totalement exclus de la tension constituant le signal de sortie du pont. - L'invention sera maintenant décrite à titre d'exemple non , limitatif en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - La figure 1 est un schéma illustrant un circuit en pont 35 selon l'art antérieur, tel que considéré ci-dessus - La figure 2 est le schéma d'un dispositif selon l'invention, dans lequel une pastille dynamométrique est associée â un circuit de mesure du type quart-de-pont ; 70 16686 3 2042466 - La figure 3 est le schéma d'un autre dispositif selon l'invention, dans léquel une pastille dynamométrique est associée à un circuit de mesure du type demi-pont. La figure 2 montre un montage en pont 5 comportant les noeuds 5 10, 20 et 40 auxquels ou entre lesquels sont connectées les résistances R La quatrième "branche du pont - comprend au moins une jauge de contrainte 72 montée à la périphérie 70 d'une pastille 60 de d'Amérique mesure de forces décrite en détail dans le brevet des Etats-Unis/ 10 ri- 3 461 715. Sommairement, la pastille dynamométrique 60 est une rondelle de forme annulaire standard, mis elle est fraisée sur les deux tiers environ de la surface de ses faces. On voit que chacune des régions plates 61 et 61' de la rondelle constitue environ 30 à 40 fo de la section horizontale totale de la rondelle ; 15 elle peut cependant en constituer jusqu'à 60 $ ou plus. Cette forme particulière permet aux forces de compression" s'exerçant sur la rondelle d'être supportées entièrement par les deux régions annulaires plates 61 et 61', et elle permet en conséquence une mesure précise de la contrainte de compression s'exerçant sur la rondelle 20 au moyen d'une ou plusieurs jauges de contrainte 72 à la périphérie 70 de la rondelle. Cette forme permet aussi une mesure plus précise de la contrainte de compression car la contrainte est proportionnellement plus élevée- sur la surface réduite qu'elle le serait pour une rondelle complètement plate. 25 La pastille dynamométrique 60 (en plus du fait qu'elle possède un trou de diamètre légèrement plus grand que celui du boulon en conjonction avec lequel son utilisation est prévue, et que son diamètre maximum est égal à la largeur comprise entre les plats de la tête de boulon ou écrou sous lequel elle est normalement 30 disposée) possède des surfaces fraisées 62, 62', et des fraisages supplémentaires 64, 64' dont le but est expliqué dans le brevet déjà cité ci-dessus. La jauge de contrainte unique 72 à la périphérie 70 de la pastille dynamométrique (ou une pluralité de" jauges de contrainte 35 disposées de la même manière et reliées en série afin d'augmenter l'amplitude du signal de sortie et l'impédance caractéristique) comporte deux conducteurs 15^ et 152 reliés"à l'une de ses bornes, et un conducteur 16 unique relié à l'autre borne de la jauge. 70 16686 4 2042466 L'impédance de la jauge de contrainte entre les conducteurs 15^ et 15g d'une part et le conducteur 16 d'autre part dépend de la contrainte de compression appliquée à la pastille 60, celle-ci étant par exemple une fonction de la force de serrage entre le boulon 80 5 et la rondelle supérieure 83 d'une part, et la rondelle inférieure 84 et l'écrou 85 d'autre part. Une borne de la jauge de contrainte 72 est reliée par le conducteur 16 au noeud 40 du pont. L'autre borne est reliée par le conducteur 15^ à la résistance Rg ; elle est éjs^lement reliée par 10 le conducteur 15g à l'une des bornes d'entrée/d'un amplificateur différentiel 45. Les conducteurs 15j, 152 et 16 sont d'une longueur sensiblement voisine, chacun d'eux couvrant la distance entre la pastille dynamométrique 60, où. qu'elle se trouve, et le reste du circuit de mesure, qui peut être placé dans une armoire d'instru-15 ments unitaire située à une distance de plusieurs mètres, voire de plusieurs kilomètres. Une source de tension 25 d'alimentation du pont est reliée aux noeuds 10 et 40, et le noeud 20 est relié à une seconde borne d'entrée 46 de l'amplificateur différentiel 45, Le dispositif comprend enfin un potentiomètre de tarage 43 relié en parallèle à la source de tension 25, et dont le curseur est relié au noeud 20 du pont par l'intermédiaire d'une résistance 35 44 de limitation de courant montée en série. Les valeurs nominales des éléments résistants R , R , R et de la jauge de contrainte 72 - sont choisis de façon telle que le pont soit équilibré (signal de sortie nul) pour un certain état 70 16686 5 2042466 de contrainte nominal ou. de base de la jauge 72. le curseur du potentiomètre 43 est réglé pour obtenir un ajustement exact au zéro pour l'état de base de la jauge de contrainte 72 afin de corriger toute destruction de l'équilibre. 5 On peut observer qu'un quatrième noeud 30 requis dans la disposition en pont de la figure 2 est situé à la jonction des conducteurs 15^ et 15g à l'une des bornes de la jauge de contrainte 72. Cette localisation avantageuse du noeud 30 résulte du mode de connexion à l'amplificateur différentiel 45, qui est sensible à la 10 différence entre la tension au noeud 20 et la tension à celle des bornes de la jauge de contrainte 72 constituant le noeud 30. Ainsi, les conducteurs 15-] êt 16 reliant la jauge de contrainte 72 au pont 5 sont respectivement insérés dans les branches 10-30 et 30-40 du pont. Au contraires dans la disposition en pont selon l'art anté-15 rieur qui est représentée par la figure 1 , les deux conducteurs du transducteur sont insérés dans la même branché 30-40 du pont. On examinera ci-après l'amélioration des effets électriques qui résulte de ce que le conducteur 15^ passe dans la branche 10-30 du pont de la figure 2. 20 Après en avoir précisé la structure, on examinera maintenant le fonctionnement du dispositif de la figure 2. La pastille dynamométrique 60 est d'abord soumise à un état de contrainte de base ou de référence, et le potentiomètre 43 est réglé de façon telle que . le signal de sortie des amplificateurs 45 et 50 soit nul, ce dont 25 on s'assure par lecture de l'appareil de mesure 52. La jauge de 72 contrainte/est ensuite soumise à un état de contrainte donné différent de l'état de base, et on ajuste le gain de l'amplificateur 50 de façon à en lire la valeur exacte sur l'appareil de mesure. Cet 'aj.ustement (réglage de gain) de l'amplificateur 50 constitue ulté-30 rieurement le facteur associé à la jauge, et il est utilisé chaque fois que la pastille dynamométrique particulière 60 est en service (on peut connecter sélectivement une pluralité de tels éléments en lecture dans le dispositif de la figure 2). La pastille dynamométrique 60 est ensuite mise en service pour mésurer une contrainte 35 de compression particulière a évaluer. La source de tension 25 fournit des courants qui circulent •sêlon les chemins 10 - 20 - 40 et 10 - 30 - 40 du circuit du pont, et font apparaître lès tensions correspondantes aux noeuds 20 et 30 70 16686 6 2042466 du pont. Lors d'un changement de la contrainte appliquée à la pastille 60, la résistance de la jauge 72 change d'une façon correspondante. Ceci déséquilibre le pont, en faisant apparaître une différence de potentiel entre les noeuds 20 et 30. Celle-ci est 5 amplifiée par les organes 45 et 50 du circuit et est :affichée en tant que mesure de la contrainte de compression par l'appareil de mesure 52 et l'enregistreur 54. Le mode de fonctionnement ci-dessus décrit pour l'affichage des valeurs de la contrainte à laquelle est soumise la jauge de 10 contrainte 72 procède d'une façon tout à fait analogue à celui du dispositif selon l'art antérieur représenté par la figure 1. Cependant, on va voir que, contrairement à l'appareil selon.l'art antérieur y les dispositions du circuit de la figure 2 réduisent ou éliminent les erreurs de mesure causées ,par les problèmes associés 15 aux conducteurs 15^ ou 16, qui peuvent être passablement longs. Supposons par exemple que la résistance de chacun de ces deux conducteurs change, en raison de leur exposition à des variations de température. Le conducteur 16 introduit une variation de résistance dans la branche 30-40, et le conducteur 15^ introduit une 20 variation de résistance correspondante dans la branche 10-30 du pont. Ces deux variations de résistance voisines agissent en 70 16686 7 2042466 L'impédance d'entrée élevée de l'amplificateur différentiel 45 masque complètement tout facteur d'impédance associé au conducteur 152» L'amplificateur 45 délivre ainsi une image exacte amplifiée de la différence effective de tension apparaissant aux noeuds 5 physiques 20 et 30 du pont. On a ainsi montré dans ce qui précède que le dispositif de la figure 2 permet une mesure et un affichage précis de la contrainte à laquelle est soumise la jauge de contrainte 72, tout en étant relativement ou totalement insensible aux problèmes associés 10 aux conducteurs reliant le transducteur au circuit de mesure. Le circuit de mesure de la figure 2 est du type quart-de-pont, c'est à dire que le signal y est injecté dans une seule branche du pont. Les principes de la présente invention peuvent être également applicables à une disposition en. demi-pont, représentée par 15 la figure 3, dans laquelle deux jauges de contrainte 12 et 72' (ou une combinaison de deux ensembles de jauges de contrainte en série) associées à la pastille dynamométrique 60 sont respectivement reliées par les conducteurs 15^, 15^, 16 et 15^', 15^' et 16' à des branches opposées du pont et aux entrées 46 et 47 de l'am-20 plificateur différentiel 45. Dans cette configuration en demi-pont, le signal de sortie représentant la contrainte à laquelle est soumise la pastille 60 a une valeur effective double en raison de la polarité opposée des variations de tension résultant, au niveau des noeuds 20 et 30, de la variation correspondante de la contrain-25 te appliquée. La sensibilité et le rapport signal-sur-bruit du circuit de mesure sont donc améliorés dans le cas de la configuration en demi-pont. Il est entendu que les réalisations ci-dessus décrites n'ont été données qu'à titre d'exemples illustrant la mise en oeuvre de 30 la présente invention, et que de nombreuses variantes peuvent être imaginées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, on pourrait utiliser un commutateur à deux pôles et deux circuits pour inverser les connexions reliant les noeuds 20 et 30 du pont aux bornes d'entrée 46 et 47 de l'amplifi-35 cateur 45• Ceci est nécessaire dans un pont alimenté en courant continu, dans lequel l'amplificateur 45 peut amplifier un signal de différence d'une seule polarité, et dans lequel l'impédance de la jauge de contrainte 72 peut varier dans les deux sens par rapport à sa valeur nominale ou de base, ce qui est le cas, par exemple, lors-40 que la pastille dynamométrique 60 est utilisée pour contrôler à la fois des contraintes de compression et des contraintes de traction. 70 16686 8 2042466 KETEHDIOATIOITS 1 . Dispositif de mesure, caractérisé en ce qu'il comprend une pastille dynamométrique comportant au moins une jauge de contrainte périphérique à impédance variable, ladite jauge de contrainte ayant 5 deux bornes électriques, un premier, un second et un troisième éléments résistants formant chacun une branche de pont, un premier conducteur reliant l'une desdites bornes de ladite jauge de contrainte audit premier élément résistant, un second conducteur reliant l'autre borne de ladite jauge de contrainte audit second 10 élément résistant, ledit troisième élément résistant reliant les-dits premier et second éléments résistants pour former un trajet conducteur incluant ladite jauge de contrainte et lesdits premier, second et troisième éléments résistants, des moyens d'alimentation en tension reliés à la jonction desdits second et troisième élé-15 ments résistants et à la jonction dudit premier élément résistant et dudit premier conducteur, un élément récepteur de différence de sortie comportant une première et une seconde bornes d'entrée, ladite première borne d'entrée étant reliée à la jonction desdits premier et troisième éléments résistants, et un troisième conduc-20 teur reliant ladite autre borne de ladite jauge de contrainte à ladite seconde borne d'entrée dudit élément récepteur. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément récepteur comprend un amplificateur différentiel à haute impédance d'entrée. 25 3. Dispositif de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un amplificateur à gain variable est relié audit amplificateur différentiel. 4. Dispositif de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un organe d'affichage de sortie est relié audit amplifi- 30 cateur à gain variable. 5. Dispositif de mesure selon la revendication 4, caractérisé en ce que la résistance électrique desdits premier, second et troisième éléments résistants et la résistance électrique nominale de ladite jauge de contrainte ont des valeurs sensiblement voisines. 35 6. Dispositif de mesure selon la revéndication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un organe ajustable pour conférer un état de pont équilibré à l'ensemble desdits premier, second et troisième éléments résistants et de ladite jauge de contrainte. 70 16686 9 2042466 7. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit troisième élément résistant comprend au moins une jauge de contrainte additionnelle disposée à la périphérie de ladite pastille dynamométrique, ladite jauge de contrainte addi- 5 tionnelle comportant deux bornes, et un troisième et un quatrième conducteurs reliant respectivement lesdites bornes de ladite jauge de contrainte additionnelle auxdits premier et second éléments résistants, et un sixième conducteur reliant ladite jauge de contrainte additionnelle à ladite première borne d'entrée dudit 10 élément récepteur. 8. Dispositif de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit élément récepteur comprend un amplificateur différentiel à haute impédance d'entrée. 9. Dispositif de mesure selon la revendication 8, caractérisé 15 en ce qu'un amplificateur à gain variable est relié audit amplificateur différentiel.