Brevet FR2031418A1 — publié le 19701120

i 2031418 L'invention se rapporte à un gravimètre qui permet de mesurer la pesanteur sur un lieu de montage soumis à des fluctuations, de préférence appartenant à des véhicules marins ou des aéronefs parcourant une certaine route, grâce à un système de 5 mesure gravimétrique qui est, selon le principe de la compensation automatique des forees, à contre-réaetion. Ce gravimètre comporte une masse mobile avec un degré de liberté dans un bottier à position stabilisable, le long d'une trajectoire plane qui contient le vecteur pesanteur et à l'encon-10 tre de forces de rappel, ainsi qu'un dispositif qui coopère avec cette masse pour convertir en signal électrique de mesure sa position par rapport à des parties fixes du boîtier. Il comporte aussi un organe recevant ce signal pour commander un courant électrique qui, variant avec ledit signal, 15 pilote lui-rêne un système électromagnétique réagissant sur la ■asse pour compenser les forces extérieures qui s'exercent sur elle* On peut raccorder au chemin emprunté par le signal dans la boucle de compensation, par l'intermédiaire de filtres passe-bas, 20 tui dispositif de mesure destiné à indiquer, enregistrer bu à la fois indiquer et enregistrer la pesanteur. Un organe de transmise sion à transformation Intégrale est Inséré dans le chemin emprunté par le signal dans la branche de contre-réaction, entre le dispositif de conversion et l'électroaimant. 25 Dans un gravimètre antérieur à mode de construction analogue, le signal électrique de mesure traverse un filtre passe-bas, est amplifié au moyen d'un amplificateur proportionnel et alimente, sous forme de courant continu, un enroulement qui appartient à un électroaimant permanent.- La chute de tension dans cet enrou-30 lement agit sur tan dispositif de mesure qui enregistre la pesanteur. La caractéristique de fréquence ou réponse parasite, qui prévaut pour le dispositif de mesure, de la branche de contre-réaction assurant la compensation de force sur la masse gravimétri-que baisse alors fortement vers les hautes fréquences. Cette dimi-35 nution est nécessaire pour permettre de supprimer de l'indication fournie par le dispositif de mesure les forces perturbatrices qui, s'exerçant sur le système de mesure, sont dues au déplacement de son lieu de montage et se superposent à l'accélération de la pesanteur; il faut alors éliminer de l'indication toutes les forces dont 40 les fréquences sont supérieures à une limite donnée. Cette fréquen 6939741 2 2031418 ce limite est, dans les cas pratiques, d'environ 0,1 Hz, car celles des forces parasites sont normalement supérieures à cette valeur et les variations de la pesanteur, à la vitesse normale du véhicule et pour des courbes de pesanteur d'allure normale, entraî-5 nent des fluctuations de la grandeur mesurée à fréquence inférieure à cette limite. Satisfaire à cette exigence n'est qu'imparfaitement possible avec les gravimètres antérieurs, car la chute en fréquence de la réponse du circuit régulateur de leur dispositif compensateur 10 ne peut pas tomber, pour permettre d'en conserver la stabilité, au-dessous d'une certaine limite quand il y a amplification prédéterminée dans le circuit de contre-réaction. Ce dispositif antérieur a en outre le défaut suivant t le filtre passe-bas disposé dans la branche à contre-réaction agit 15 comme organe retardateur et compromet la régulation en position fournie par la rétroaction sur la masse gravimétrique. L'invention a donc pour but de supprimer selon la fréquence, dans les gravimètres du type précité, les forces d'&aoélé-ration parasites dans un certain intervalle de fréquence, de 20 façon que toutes les composantes parasites soient rapidement étouf- ; fées au-dessous d'une certaine limite de fréquence. Selon l'invention, on veut aussi donner à ces gravimètres une configuration telle que les forces parasites horizontales, lorsqu'est améliorée la suppression des forces parasites qui 25 s'exercent en sens vertical sur le système de mesure, soient sans effet sur l'indication de la pesanteur. De plus, on' veut perfectionner la qualité de la régulation susceptible d'être obtenue dans l'appareil antérieur, malgré l'usage d'un filtre passe-bas associé au dispositif indi-30 eateur. A cet effet, selon l'invention, on crée un gravimètre du type précité qui offre les caractéristiques suivantes : pour permettre de supprimer des données fournies par le dispositif indicateur les forces d'accélération à courte période qui s'exercent 35 sur le système gravimétrique, ce dispositif indicateur, avec le filtre passe-bas, est connecté en aval de l'organe à transformation intégrale au circuit que suit le signal dans la branche à contre-réaction; un signal proportionnel à la position de la masse est tiré dudit circuit de signal en amont de l'organe à transforma-40 tion intégrale pour être transmis par un chemin de transmission 6939741 3 2031418 parallèle à un système électromagnétique qui réagit sur la masse, pour compenser les forces de mesure à la manière d'une contre-réaction» La description qui va suivre, en regard des dessins 5 annexés à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être mise en pratique. La figure 1 représente en perspective,schématiquement, la constitution du système de mesure du gravimètre conforme à l'invention, qui s'utilise de préférence pour mesurer la pesan-10 teur depuis un navire qui avance sur une route géographique» La figure 2 représente un schéma de montage des constituants électriques qui appartiennent à ce système de mesure. La figure 3 est un schéma résumé du système des figures 1 et 2. 15 La figure 4 représente en échelles logarithmiques la caractéristique de réponse amplitude-fréquence du gravimètre selon l'invention» On voit sur la figure 1 une plaque de base 1 et une plaque de tête 2 qui, liées rigidement entre elles par des colon-20 nés 3, 4 et 5, sont montées dans un boîtier non représenté, qui renferme le système envisagé et se trouve fixé rigidement à la plaque de base 1. L'intérieur du boîtier est réglé en température à une valeur constante par un thermostat et il est au reste isolé de l'extérieur pour être sensiblement étanche à la pression. Le 25 boîtier lui-même peut être monté sur une plate-forme stabilisée en position par des appareils gyroseopiques, pour prendre en permanence la même position par rapport à tin plan horizontal, indépendamment des oscillations du vaisseau qui porte la plate-forme. Une masse en métâl ou alliage léger 6, sous forme de 30 tube, est suspendue à la plaque de tête 2 au moyen d'un ressort hélicoïdal 7 intérieur; celui-ci est fixé d'une part à une vis 7a montée réglable en hauteur dans la plaque de tête et il est attaché d'autre part à l'extrémité de la masse 6 qui est opposée à la vis 7a. 35 On prévoit, pour obliger la masse 6 à suivre un mouve ment linéaire, cinq bandes ou fils de serrage métalliques 8, 9, 10, 11 et 12, qui se rattachent chacun tangentiellement en bout à l'enveloppe du tube 6 et sont fixés à l'autre bout à l'une ou l'autre des colonnes 3, 4 et 5. Ces cinq fils sont tendus solide-40 ment par deux ressorts de traction 13 et 14 qui se rattachent 6939741 4 2031418 aussi tangentiellement à l'enveloppe du tube 6 et sont fixés à la colonne 3 ou à une partie 3A du boîtier, en assujettissant ainsi la masse 6 à une course qui coïncide avec son axe longitudinal. Les fils de serrage 8 et 9 sont pour cela disposés dans un plan, 5 les fils 11 et 12 dans un autre plan qui lui est parallèle et le fil 10 dans un troisième plan, parallèle aux deux autres et intermédiaire entre eux. Les bouts des fils 8, 9, H et 12, de mtme que ceux des ressorts 13 et 14, sont fixés tant à la masse 6 qu'aux colonnes 10 3 et 4 ou à la partie 3A du boîtier de façon à en être électriquement isolés. L'extrémité inférieure de la masse 6 est assemblée à une armature 15 de bobine, mobile dans l'entrefer 16 d'un aimant permanent 17 en forme de pot. L'armature 15 porte deux enroulements 15 dont les extrémités sont connectées aux fils de serrage 8 et 9 ou respectivement aux ressorts de tension 13 et 14. L'un des deux enroulements peut être relié par les connexions 15A et 15AA et l'autre enroulement par les connexions 15B et 15BB à une source de courant respective. v 20 L'extrémité supérieure de la masse 6 est assemblée rigidement à une plaque métallique 20 qui lui est fixée avec isolation électrique. La plaque métallique 20 est mobile dans l'intervalle situé entre les deux plaques d'armatures métalliques 21 et 22 qui constituent un condensateur fixe dans le boîtier. La plaque 25 20 est reliée au fil de serrage 11 de manière à conduire le courant électrique et ce fil-, à son tour, est raccordé à une sortie 23 pour servir d'alimentation électrique isolée à la plaque 20. Les plaques 20, 21 et 22 forment un condensateur différentiel dont les capacités, fournies par les plaques 20 et 21 et 30 respectivement 20 et 22, varient en sens inverse de la même quantité quand la masse 6 se déplace. Les plaques 21 et 22 sont raccordées par leurs connexions 24 et 25, comme on le constate sur la figure 2, aux bornes d'un transformateur 30 qui les alimente en opposition de phase, à 35 partir d'un générateur 31, avec une tension alternative à haute fréquence fixe. La tension produite par influence sur la plaque 20 est prélevée à sa connexion 23 et amenée à un amplificateur 32. Son amplitude est approximativement proportionnelle à la position de la plaque 20 et sa phase change de 180° en position moyenne de 40 la plaque 20, c'est-à-dire pour la position zéro de la masse 6. 6939741 5 2031418 Elle alimente, au moyen d'un transformateur 33* un redresseur 34 sensible à la phase. Le redresseur 34 est alimenté, en même temps que par le transformateur 30, avec la tension sortant du générateur 31 5 grâce à un amplificateur 35 et un étage inverseur de phase 36, par des tensions auxiliaires qui permettent de redresser de façon ordinaire en phase la tension qui sort de l'amplificateur 32. La tension continue prélevée du redresseur 34 par le conducteur 37 et amenée à l'entrée d'un amplificateur 38 est à 10 grandeur proportionnelle à la position de la masse 6 et change de signe pour la position zéro de cette masse. On ajuste cetté position zéro en réglant la vis 7a. L'amplificateur 3@ alimente par son courant continu do sorti* un enroulement 15a âe X8armature de bobine 15 et pilote, 15 en wÊm temps que la chute de tension dans l'onroulement iga, wa. amplificateur 39 à transformation intégrale. L'organe 39 est constitué de manière connue par un amplificateur opérationnel à eentre-réaetion qui présente* dans sa boucle de rétroaction, un condensateur, ZI alimente le deuxième enroulement 15b de 1'armait ture 15 avec un courant continu qui vari%4vèe 1 'intégrale de temps de sa tension d'entrée. On joint à la sortie de l'amplificateur 39, par l'intermédiaire d'un filtre électrique passe-bas 40, constitué par des amplificateurs opérationnels à contre-réaction dépendant de la 25 fréquence, un instrument de mesure 4l en courant continu destiné à l'indication analogique de la pesanteur, un voltmètre digital 42 qui permet d'afficher en chiffres la pesanteur et une imprimante 43 qui exprime l'indication du voltmètre 42. Sur la figure 3," on a indiqué schématiquement en 50 30 l'équipage de mesure de la figure 1 à caractéristique de fréquence P^, soumis à l'influence de forces extérieures W. On désigne par y le signal sortant de l'amplificateur 38, 51 le dispositif 39 à caractéristique de fréquence Pg, 52 le chemin emprunté par le signal et comprenant l'enroulement 15a de la bobine, à caractéris-35 tique de fréquence F^, et 53 le dispositif 40 à caractéristique de fréquence F^. Les signaux x^ et xg qui sortent des dispositifs 51 et 52 sont sommés et ramenés à l'entrée de l'équipage de mesure 50, en contre-réaction. Si l'on prend x^+x2=x et W-x=xM-, il s'ensuit 40 pour la caractéristique de fréquence FQ du circuit de régulation BAD ORIGINAL .6939741 6 2031418 ouvert que s F^x/x^ = F^*(Fg+F^). Pour la caractéristique de fréquence en succession FZ=Z/W, où Z désigne la grandeur sortant du dispositif 39 à l'entrée du filtre 40, il s'ensuit immédiatement : Fz=Z/W^ ¥ F1 Fa Xw w Fx Fg Vx (i) 1 F1 F2 10 V P1P2 SjlÇ ~ On constate tout de suite,, d'après l'équation (l), qu'on peut choisir aussi petite que l'on veut la caractéristique Fg quand la fréquence croît, pour autant qu'on veille à ce que reste suffisamment grande dans ce domaine» 15 Si l'on suppose donc par exemple que le système de mesure 50 présente une amplification r^ * 106 et ne se trouve pas soumis à des retards, ce qui a lieu éventuellement par manfia* «u faiblesse d'amortissement de l'équipage de mesure représenté figure 1, on peut par exemple choisir F,,*pour supprimer toutes les »? —1 20 forces parasites a H-^l s * telle que : (2) P3 - l1? aveo r13-1000' •' r03-1 " Cl r r-lg/]" 1 + Ti2 ? 25 r__^2 et T^g pouvant par exemple être choisis avec les valeurs r_12 = 0,01 s"1 et T12 = 100 s. On a désigné dans les équations (l), (2) et (3) par Fl' F2 et F3 les Gara°téi'istiques de fréquence représentables dans le diagramme de Bode (fonctions de transfert) des dispositifs 30 50, 51 et 52, avec j «V-ï, w étant la pulsation des forces qui s'exercent sur la masse gravimétrique. On choisit alors Fg comme élément à transformation intégrale et F^ comme élément à retard de premier ordre à élément à transmission constante monté en parallèle, en écriture usuelle (voir par exemple W. Oppelt s Kleines 35 Handbuch technischer RegelvorgSnge, Verlag Chemie GmhH, Weinheim, 1956). Ces valeurs, qu'on peut obtenir aisément, permettent BAD ORIGINAL 6939741 7 2031418 d'amortir toutes les oscillations parasites à fréquence supérieure à 0,1 Hz, à raison de plus de 20 db/décade, cet amortissement pouvant pratiquement s'élever à 150 db/décade et plus sans compromettre la stabilité de la contre-réaction (voir figure 4). 5 Grâce à l'invention,on peut donc parvenir pratique ment à supprimer presque parfaitement toutes les forces parasites, les retards produits par le filtre passe-bas 53, ou 40 sur la figure 2, étant désormais sans aucun effet sur la régulation. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation 10 décrit à titre d'exemple. C'est ainsi qu'on peut remplacer les enroulements 15a et 15b par un seul enroulement parcouru en commun par deux courants et qu'on peut choisir différemment le comportement en transmission du chemin 52 que suit le signal; on peut aussi par exemple insérer au surplus uii autre chemin de signal, notamment 15 à comportement différentiel en transmission, dans le circuit de contre-réaction. On peut aussi envisager de transmettre par l'intermédiaire du dispositif 39, de surcroît,un signal proportionnel. D'autre part, ën variante, on peut notamment remplacer le générateur électromagnétique de la force de compensation par un 20 générateur de force électrostatique ou condensateur commandé par une tension électrique, avec réduction correspondante de la masse gravimétrique. 6939741 8 2031418 - REVENDICATIONS - 1. Gravimètre qui permet de mesurer la pesanteur sur un lieu de montage soumis à des fluctuations, de préférence appartenant à des véhicules marins ou aériens parcourant une certaine 5 route, grâce à un système de mesure gravimétrique qui est, selon le principe de la compensation automatique des forces, à contre-réaction, gravimètre comportant une masse mobile avec un degré de liberté dans un boîtier à position stabilisable, le long d'une trajectoire plane qui contient le vecteur pesanteur et à l'encon-10 tre de forces de rappel, un dispositif capteur qui coopère avec cette masse pour convertir en signal électrique de mesure sa position par rapport à des parties fixes du boîtier, un organe recevant ce signal pour commander un courant électrique qui, variant avec ledit signal, pilote lui-même un système électromagnétique 15 réagissant sur la masse pour compenser les forces extérieures qui s'exercent sur elle, gravimètre où l'on peut raccorder au chemin emprunté par le signal dans le circuit de compensation, par l'intermédiaire de filtres passe-bas, un dispositif de mesure destiné à indiquer, enregistrer ou à la J'ois indiquer et enregistrer 20 la pesanteur,avec insertion dans le chemin de signal, entre le dispositif capteur et le système électromagnétique, d'un organe de transmission à transformation intégrale, gravimètre caractérisé par le fait que, pour supprimer des données fournies par le dispositif indicateur (4l) les forces d'accélération à courte période 25 qui s'exercent sur le système gravimétrique (l, 2, 6, 7), on relie ce dispositif indicateur,avec le filtre passe-bas (40), en aval de l'organe à transformation intégrale (39) au circuit de signal (32, 38, 15a, 15b) de la branche à contre-réaction, un signal proportionnel à la position de la masse (6) étant tiré dudit cir-30 cuit de signal en amont de l'organe à transformation intégrale pour etre transféré par un chemin de transmission parallèle (l5a_) au système électromagnétique (15, 16, 17) qui réagit sur la masse, pour compenser la force mesurée à la manière d'une contre-réaction. 35 2. Gravimètre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le chemin de transmission supplémentaire (15a) est à transmission sensiblement proportionnelle. 3. Gravimètre selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé par l'affectation,pour chaque chemin 6939741 9 2031418 de transmission au système électromagnétique (15, 16, 17)* d'un enroulement propre (15a, 155.) de son aimant. 4. Gravimètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3» caractérisé par le fait que le système de mesure 5 (6, 7) est par conformation exempt de moyens amortisseurs. 5. Gravimètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par l'assujettissement de la masse (6) à une course linéaire. 6. Gravimètre selon l'une quelconque des revendiea-10 tions 1 à 5, caractérisé par le fait qu'on y prévoit, au lieu du système électromagnétique (15* 16, 17)* un générateur de force agissant par voie électrostatique.