Brevet FR2096941A1 — publié le 19720303

La présente invention est relatif à un procédez et à un dispositif pour mesurer de façon précise des contraintes, des efforts ou des pressions dont la valeur est susceptible de va- rier dans des proportions importantes e On sait que les matériels de mesure connus actuellement ont une précision relative donnée, le plus souvent, en pourcen- tage, mais toujours considérée sur la valeur maxima possible de l'instrument ; de ce fait, si l'utilisateur emploie un capteur pour mesurer des efforts ou des pressions dont la grandeur se situe priez de la valeur maxima du capteur, l'erreur relative par rapport à l'effort ou à la pression lue est petite.Par contre, si l'utilisateur emploie ce manie capteur pour mesurer des efforts ou des pressions dont la grandeur se situe près de la valeur minima, erreur relative par rapport à effort ou à la pression lue devient très grandet La fig. 1 illustre ce phénomène connu ; en abcisse sont portées les valeurs de la grandeur F à mesurer et, en ordonné, le pourcentage d'erreur relatif #F. F Sur la courbe n 1 de la fig. 1 apparaissent, à titre exemple, les variations d'erreur relative pour un capteur dont la précision est 0,5 % et dont l'étendue de mesure se situe entre O et 100 daN. Sur la courbe n 2 de la fig. 1 apparaissent les variations erreur relative pour un capteur dont la précision est 0*5 % et dont l'étendue de mesure as situe entre O et 50 daN0 Sur la courbe n 3 apparaissent les variations d'erreur relative pour un capteur dont la précision est 0,5 % et dont l'étendue de mesure se situe entre O et 25 daN. On voit donc que, si l'on utilise le capteur dont la carac éristique correspond à la courbe n 1, ai sa précision nominale P est de 0,5 % pour l'effort maxima de 100 daN, par contre l'erreur relative dépasse le maximum toléré E, par exemple 1 %, dès que la valeur de l'effort à mesurer devient inférieure à 50 daN. La valeur de cette erreur relative atteint rapidement un niveau tout à fait inacceptable dès que l'effort mesuré devient faible (par exemple de tordre de 6 daN sur la fig. 1). On rencontre ce problème de mesure en particulier dans les industries de pointe, telles que l'aéronautique, lIaérospatiale, l'automobile ou ISénergie nucléaire. Les laboratoires de mesure et de contrôle ont des difficulté pour mesurer en continu, avec une grande précision (par exemple de l'ordre de +5llOOOème), des efforts ou des pressions variant dans le temps et dans ds fortes proportions0 La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients en réalisant à partir de capteurs en eux-mmes connus, un montage permettant la mesure d'efforts dans une gamme tout au long de laquelle l'erreur relative de mesure reste pratiquement constante, tout au moins inférieure à un taux maximum prédéterminé0 Le procédé selon l'invention pour la mesure d'efforts sua- ceptibles de varier entre une limite inférieure et une limite supérieure est caractérisé en ce qu'on utilise plusieurs capteurs de mesure en eux-m & es connus, choisis suivant des valeurs nominales croissantes et montés l'un à la suite de l'autre de façon que la réaction sur l,un devienne traction sur l'autre et ainsi de suite, un système de liaison étant prévu entre chaque capteur et le suivant à valeur nominale plus élevée, de façon à lire la valeur affichée pour l'effort sur celui des capteurs dont la valeur nominale maxima est immédiatement supérieure à cette valeur instantanée de effort. En d'autres termes, le procédé selon 19invention consiste à étager le long de la gamme de mesure, plusieurs capteurs dont, à chaque instant, on lise que celui qui offre la meilleure précision pour la valeur de l'effort à cet instant0 Bien entendu, chaque capteur peut être de tout type connu par exemple à fonctionnement mécanique, hydraulique, pneumatique, optique, électrique, ou électronique. Le dispositif de mesure selon l'invention pour la mise en oeuvre du procédé qui vient autre décrit, est caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs capteurs d'effort choisis suivant des valeurs nominales croissantes et montés à la suite l'un de l'autre de façon que la réaction sur l'un devienne l'action sur l'autre et ainsi de suite1 le premier de la série recevant l'ef- fort à mesurer, tandis que le dernier prend appui sur un point fixe.Chaque capteur est utilisé dans la zone où sa précision de mesure correspond à une erreur relative inférieure au maximum prédéterminé0 Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, on monte chaque capteur à coulissement à l'intérieur d'un boîtier rigide, un ressort taré étant intercalé entre le fond de ce bottier et la face arrière du capteur qui se trouve ainsi repous sé contre une butée fixe dont est pourvue l'autre extrémité du bottier, l'effort étant appliqué à l'extrémité correspondante du capteur alors que le fond du boitier transmet cet effort à l'entrée du capteur suivant et ainsi de suite0 Suivant une autre caractéristique de ltinvention, les moyens d'application de l'effort à chaque capteur comprennent une collerette rigide susceptible de venir buter contre l'avant du boîtier, la largeur de l'intervalle qui sépare au repos cette collerette et l'avant du bottier étant ltune des caractéristiques du fonctionnement du capteur, à savoir celle qui définit la portion de la gamme de mesure pour laquelle ce capteur sera utile. Enfin, dans le cas particulier de capteurs fournissant une information sous la forme d'une micro-tension électrique, on adjoint au dispositif un montage électronique particulier permettant d'obtenir à la sortie et pour ltensemble du dispositif, une courbe de tension continue (et non pas en dents de scie)0 Le dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, permettra de mieux comprendre les caractéristiques de l'inven- titre Fig. 1 est un diagramme illustrant à la fois le problème posé par les systèmes de mesure connus à ce jour, et le principe de fonctionnement du dispositif selon l'inventionO Fig. 2 est un diagramme indiquant l'évolution de la tension de sortie fournie sur les deux capteurs d'un dispositif selon l'invention0 Fig0 3 montre ltévolution de la tension affichée sur l'ap pareil final de lecture, après transformation par le montage électronique de la fig. 11. Fig0 4 à 6 sont des vues en coupe illustrant les phases de fonctionnement d'un dispositif selon l'invention à deux capteurs, prévus pour mesurer des efforts de compression. Figo 7 représente une variante à deux capteurs logés côte à cote. Fig. 8 montre une autre variante à deux capteurs, avec un système de réglage intermédiaire. Fig. 9 montre une variante à trois capteurs pour la mesure d'efforts de compression. Fig0 10 montre une variante d'un dispositif selon l'inven- tion comportant deux capteurs et prévu pour mesurer des efforts de traction. Fig. 11 est un schéma de montage du système électronique utilisé pour la commutation des tensions de sortie des capteurs, dans le cas d'un système à deux capteurs. Comme indiqué au début de la présente description, on a tracé sur la fig. 1 les courbes caractéristiques 1, 2 et 3 de trois capteurs de type connu prévus pour des valeurs nominales échelonnées, = savoir 100 daN pour la courbe 1, 50 daN pour la courbe 2 et 25 daN pour la courbe 3. Chacun de ces appareils étant vendu pour une pression de 0,5 $ calculée sur la valeur nominale, on voit que l'erreur relative #F devient supérieure F au maximum E acceptable ( par exemple 1 %) dès que les efforts deviennent inférieurs à 50 daN sur le capteur nO 1, 25 daN sur le capteur nO 2, et environ 12,5 daN sur le capteur nO 3. La présente invention a pour but de combiner le fonctionnement dé ces capteurs en effectuant la mesure successivement avec chacun d'eux, en le prenant dans la zone où il fournit une erreur relative inférieure au seuil E prédéterminé. Autrement max dit, dans le cas d'un dispositif à trois capteurs, la caractéristique sera constituée par la courbe en dents de scie a-b-cd-e-f- dessinée en traits forts sur la fig. 1. Le dispositif selon l'invention consiste à disposer des capteurs d'un type connu quelconque, choisis selon des valeurs nominales croissantes, de façon à ce que la réaction sur l'un devienne l'action sur l'autre, et ainsi de suite. Le dispositif comprend au minimum deux capteurs, et au maximum n capteurs dont la différence des valeurs nominales entre deux capteurs consécutifs dépend de la précision absolue et de l'erreur relative souhaitées sur la mesure à effectuer. Lorsque la valeur maxima du premier capteur est atteinte, le suivant prend immédiatement le relais0 Si l'on utilise par exemple deux capteurs électriques, correspondant à des valeurs maxima telles que 50 et 100 daN (fig. 2), pour lesquelles est fourw nie une tension de sortie maxima de 400 mV, on voit que le prend mier capteur fournit une courbe de tension de sortie U , alors que le second fournit une tension de sortie U v Si lton utilisait 2 ces tensions directement sur un appareil de lecture ou d'enre gistrementt on voit qu'on observerait une discontinuité pour le passage de la courbe U à la courbe U2, au niveau de la valeur 50 daN.Pour éviter cet inconvenient, ctest-à-dire pour obtenir à l'entrée de appareil de lecture ou d'enregistrement, une tension U qui varie de façon continu. tout au long de la gamme 3 des efforts, on utilise le montage électronique illustré sur la fig. 11, destiné à assurer la continuité au moment de la commu- tation, c'est-à-dire lorsqu'on passe du capteur 1 au capteur 2. Ce montage électronique comprend - le capteur 1, taré par exemple de O à 50 daN " le capteur 2, taré par exemple de O à 100 daN, mais utilisable seulement dans la gamme de 50 à 100 daN * un amplificateur à résistance de sortie variable 4 - un pont duilibre 5 - un amplificateur classique 6 - un déphaseur 7 un thyristor de commutation 8 " un relais de commutation 9 dont 1'organe commutateur 10 se branche sur l'un ou l'autre des piles de sortie 11 et 12 des capteurs 1 et 2 - une source de tension 13 produisant 9ne tension additifs nelle stabilisée sur l'entrée du capteur 2 la valeur de cette tension stabilisée étant telle que l'on retrouve le signal de sortie du capteur 1 lorsque celui-ci est arrivé au maximum de son échelle. La tension de sortie du capteur n 1 qui a la capacité de charge minima, est reliée par l'intermédiaire du relais de commutation 9, 10 à un appareil enregistreur ou éventuellement à un indicateur de tableau, monté entre des bornes 14 et 15 où apparat t la différence de potentiel U Ce mtme capteur 1 commande par lQintermédiaire de l'ampli- ficateur à résistance variable 4, le déséquilibre du pont 5 qui reçoit, par ltintermédiaire du déphaseur 7, deux signaux en opposition de phase.Cela permet d'appliquer le signal de sortie de l'amplificateur 6 en phase avec l'entrée. Cet amplificateur 6 entre en oscillation, et les signaux qu'il fournit sont mis en forme par des dispositifs connus, pour provoquer la conduction du thyristor 8 actionnant le relais de commutation 9. A cet insr tant, le deuxième capteur 2 entre en fonction, après avoir appliqué en série sur celui-ci la tension additionnelle 13 qui permet de retrouver le signal de sortie du capteur 1 après que celui-ci ait atteint le maximum de son échelle. Par conséquent si l'on enregistre les tensions de sortie des deux capteurs au niveau des bornes 14 et 15, la courbe correspondante U3 est continue (fige 3). Ce qui précède illustre le procédé selon l'invention pour conserver la précision relative de mesure des efforts tout au long d'une gamme de variation très large. On va maintenant dé" crire à titre exemple quelques variantes de réalisation possibles pour la réalisation pratique de l'assemblage des capteurs. Dans l'exemple des fige 4 à 6, on a représenté le capteur 1 monté à l'intérieur d'un manchon rigide 16 où il est mobile entre une butée d'entrée constituée par exemple par un circlip 17, et le fond 18 du manchon0 Entre ce fond 18 et l'arrière du capteur 1 est placé un ressort de compression taré 19. Le capteur 1 fournit une indication lorsqu'un effort de compression est appliqué entre sa face avant 20 et sa face arrière 21. La face avant reçoit l > effort d'un poussoir 22 muni d'une collerette ou plateau 23 susceptible de venir en butée sur le bord avant 24 du manchon 16 lorsque le ressort 19 est compriQév Au repos, la collerette 23 et le bord avant 24 sont séparés par un interstice 25. Le capteur 2 est monté de façon analogue à l'intérieur d'un manchon 26 qui, lui, est fixe. Sur le fond de ce manchon est comprimé un ressort taré 27 qui tend à repousser le capteur 2 contre un circlip de butée 28 équipant l'entrée du manchon 26. Le bord avant 29 de ce manchon est normalement séparé du fond 18 du manchon 16 par un interstice ayant, au départ, la valeur 30. Si l'effort transmis est suffisant pour comprimer le ressort 27 le fond 18 peut venir directement en appui sur le bord 29 du manchon 26. Enfin l'avant du capteur 2 reçoit l'effort à mesurer à partir du fond 18 par ltintermédiaire d'un poussoir 31. On supposera, comme dans les exemples précédents, que le capteur 1 est prévu pour fonctionner entre O et 50 daN, alors que le capteur 2 fonctionne de O à 100 daN, mais ne fournit une précision suffisante qutentre 50 et 100 daN0 Dans ces conditions, l'interstice 25 et le ressort 19 sont calculés de façon à laisser la collerette 23 venir en butée contre le bord 24 dès que l'ef- fort F appliqué au poussoir 22 atteint ou dépasse 50 daN. De mOrne, l'interstice 30 et le ressort 27 sont calculés pour que le fond 18 vienne en butée sur la face fixe 29 dès que la valeur de l'effort F atteint ou dépasse 100 daN. Dans ces conditions, on comprend que le capteur 1 reste en service tant que l'effort F est inférieur à 50 daN0 Dans cette zone, on lit l'indication fournie par le capteur 1 et on ne tient pas compte de celle du capteur 20 Par contre, dès que l'effort F dépasse 50 daN, le capteur 1 se trouve mis hors circuit, la collerette 23 occupant une position fixe en butée sur le bord 240 Désormais c'est l'indication du capteur 2 qui est prise en considération (fig. 5). Enfin, si la valeur de l'effort F vient à dépasser 100 daN c'est-àdire la valeur nominale maxima du capteur 2, celui-ci se trouve automatiquement mis hors circuit, le fond 18 du manZ chon 16 venant en butée sur l'avant 29 du manchon 26. Le ressort 27 Joue donc un r81e de protection pour éviter la détérioration du matériel. On a représenté sur la fig. 7 une variante de réalisation où les deux capteurs 1 et 2 sont montés côte à catie, par exemple pour des questions dtencombrement. Le manchon 16 est alors disw posé à l'intérieur d'un système de douille coulissante à billes 32 d'un type en lui-meme connu. Le fond 18 du manchon 16 prend appui par l'intermédiaire d'une butée d'écartement réglable 33, sous l'une des extrémités d'un culbuteur 34 susceptible de basculer autour d'un axe fixe 35. L'autre extrémité du culbuteur 34 agit par un poussoir 36 sur l'entrée du capteur 2, lequel est monté comme précédemment à l'intérieur du manchon fixe 26. Une butée réglable 37 prenant appui sur le fond du manchon 26 par une vis de réglage 38 permet d'ajuster le tarage du ressort de protection 27. Enfint le poussoir 36 est pourvu lui aussi d'un plateau ou collerette de butée 39 susceptible de venir en appui sur la face avant 29 du manchon 26 quand l'intensité de l'effort d'entrée F dépasse la valeur maxima permise. On a représenté sur la fig0 9 une variante de l'invention comportant trois capteurs 1, 2 et 40 montés l'un derrière l'auts. Chacun prend appui par un ressort 19 27 ou 41 sur une butée réglable 42 43 ou 44 équipant le fond de son manchon 16, 26 ou 45. Comme précédemment, l'effort F est appliqué sur le poussoir 22 du capteur lo Quand la collerette 23 de ce poussoir est en butée sur l'avant du manchon 16, le fond de celui-ci transmet l'effort au poussoir d'entrée 31 du capteur 2. Lorsque le fond 18 du manchon 16 vient à son tour en butée sur un épaulement 46 équivalent à la face avant 29 de l'exemple précédent, l'effort est transmis au capteur 40 par le fond 47 du manchon 26.Enfin9 quand l'effort F atteint la valeur nominale maxima du capteur 40 le fond 47 vient en butée sur un épaulement 48 prévu à l'avant du manchon 45 dans lequel sont montés le capteur 40 et son reste sort de sécurité 41. On a représenté sur la fig0 8 une autre variante à deux capteurs 1 et 2 où un poussoir de longueur réglable comportant un écrou à lanterne 50 intercalé entre le fond 18 et le poussoir 31 du capteur 2, permet de régler la valeur de l'interstice 30, c'est-à-dire de faire varier le point de commutation assurant le passage de l'un à autre des capteurs 1 et 2. La fig. 10 illustre une variante de réalisation pour mesurer des efforts de traction0 Dans ce cas, le capteur 1 au plus faible tarage est soumis à l'effort F qui lui est transmis par un tirant 22. La traction s'effectue à l'encontre du ressort de compression 19. Dès qu'elle atteint la valeur maxima de tarage du capteur 1 (par exemple 50 daN dans l'exemple précité), la collerette 23 du tirant 22 vient en butée sur un anneau intérieur 17 du manchon 16 à l'intérieur duquel se trouve le capteur 1. Ensuite, le mouvement est transmi-s par le fond 18 à un tirant 31 qui y est fixé, jusqu'au capteur 2 prenant appui sur son ressort de sécurité 270 REVENDICATIONS 1- Procédé pour la mesure précis. d'efforts susceptibles do varier entre une limite inférieure et une limite supérieure ca caractérisé en ce quton utilise plusieurs capteurs de mesure en eux-mêmes connus, choisis suivant des valeurs nominales croise santes et montés l'un à la suite de l'autre de façon que la réaction sur l'un devienne l'action sur autre et ainsi de sui tet un système de liaison étant prévu entre chaque capteur et le suivant à valeur nominale plus élevée, de façon à lire la valeur affichée pour l'effort sur celui des capteurs dont la valeur nominale maxima est immédiatement supérieure à cette valeur instantanée de l'effort. 2- Procédé de mesure suivant la revendication 1 caractéri- sé en ce qu'à chaque instant, on n'utilise parmi les capteurs, que celui qui offre la meilleure précision pour la valeur de l'effort à cet instant. 3- Dispositif de mesure pour la mise en oeuvre du procédé suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qugil comprend plusieurs capteurs d'efforts choisis suivant des valeurs nominales croissantes et montés à la suite l*un de l'autre de façon que la réaction sur l'un devienne l'action sur l'autre et ainsi de suite, le premier de la série recevant effort à mesurer, tandis que le dernier prend appui sur un point fixe. 4- Dispositif de mesure suivant la revendication 3, carac- térisé en ce que chaque capteur est monté à coulissement à l'intérieur d'un boîtier rigide, un ressort taré étant intercalé entre le fond de ce bottier et la face arrière du capteur qui se trouve ainsi repoussé contre une butée fixe dont est pourvue autre extrémité du bottiers l'effort 4tant appliqué à l*extré- mité correspondante du capteur alors que le fond du bottier transmet cet effort à l'entrée du capteur suivant et ainsi de suite. 5- Dispositif de mesure suivant les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les moyens d'application de l'effort à chaque capteur comprennent un fond ou collerette rigide sus cet tible de venir buter contre l'avant du bottier, la largeur de l'intervalle qui sépare au repos cette collerette et l'avant du bottier étant l'une des caractéristiques du fonctionnement du capteur, à savoir celle qui définit la portion de la gamme de mesure pour laquelle ce capteur sera utiles 6- Dispositif de mesure suivant l'une quelconque des revenu dications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des capteurs de compression. 7- Dispositif de mesure suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des cupteurs de traction0 8- Dispositif de mesure suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les capteurs sont montés alignés l'un derrière l'autre. 9- Dispositif de mesure suivant l'une quelconque des revenu dications précédentes, caractérisé en ce que les capteurs sont montés parallèlement côte à côte, l'effort de sortie de l'un étant transmis à l'entrée de l'autre par l'intermédiaire d'un culbuteur0 10" Dispositif de mesure suivant les revendications 3, 4 et 5, caractérisé en ce que des moyens de réglage sont prévus pour ajuster la valeur de la largeur de l'intervalle séparant au repos une collerette et l'avant du bottier correspondant0 11- Dispositif de mesure suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des capteurs électriques fournissant une information sous la forme d'une mirroZtension électrique, alors qu'à ces capteurs est adjoint un montage électronique particulier permettant d'obtenir à la sortie et pour l'ensemble du dispositif, une courbe de tension continu * 12- Dispositif de mesure suivant la revendication 11, caractérisé en ce que ce montage électronique comprend, outre les deux capteurs, un amplificateur à résistance de sortie varia- ble, un pont d'équilibre 5 monté en réaction sur un amplificateur classique, un déphaseur, un thyristor de commutation, un relais de commutation dont ltorgane commutateur se branche sur 1 *un ou l'autre des piles de sortie des capteurs, et enfin une source de tension produisant une tension additionnelle stabilisée sur l'entrée de celui des capteurs qui correspond au tarage nominal le plus élevé, la valeur de cette tension stabilisée étant telle que l'on retrouve à l'entrée du capteur le plus fort, la valeur du signal de sortie du capteur le plus faible lorsque celui-ci est arrivé au msximum de son échelle0