Brevet FR2156476A1 — publié le 19730601

La présente invention concerne les capteurs électriques de grandeurs non électriques, et plus particulièrement les capteurs de vitesse angulaire d'un élément tournant. On connait déjà bien des capteurs de vitesse angulaire d'un élément tournant dans le boîtier duquel est logé un diapason, un dispositif d'excitation des oscillations sur les branches du diapason, et un dispositif situé au pied du diapason pour mesurer les oscillations de torsion du diapason engendrées pendant la rotation du capteur, en commun avec l'élément, autour de l'axe de symétrie du diapason. Le dispositif d'excitation des oscillations de ces capteurs est constitué par deux ou plusieurs convertisseurs électromagnétiques et un amplificateur à réaction. Le dispositif de mesure des oscillations de torsion peut comporter en soi un ou deux convertisseurs électromagnétiques. Les capteurs mentionnés disposent d'une sensibilité relative et d'une faible précision de mesure. La nécessité de disposer d'un amplificateur entraîne un accroissement du degré de difficulté et du volume du capteur. le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus.. Dans cette invention l'on se propose de mettre au point un capteur de vitesse angulaire pour élément tournant dont l'éxécution constructive du dispositif d'excitation des oscillations du diapason et de mesure des oscillations de torsion permettrait d'améliorer notablement la sensibilité et la précision de mesure du capteur, ainsi que de simplifier sa construction. L'objectif proposé est résolu par le fait que, dans le capteur de vitesse angulaire d'un élément tournant, dans le boîtier duquel est disposé un diapason, un dispositif d'excitation des oscillations des branches du diapason et un dispositif disposé au pied du diapason pour la mesure des oscillations de torsion du diapason engendrées pendant la rotation du capteur, en commun avec l'élément, autour de l'axe de symétrie du diapason, conformément à l'invention, au moins l'un des dispositifs mentionnés est réalisé sous forme d'un convertisseur électro - mécanique, avec électrode commandée mécaniquement. Dans le cas d'exécution du dispositif d'excitation des oscillations sur les branches du diapason de capteur sous forme d'un convertisseur électro-mécanique, il sera préféra ble d'utiliser, comme électrode mécaniquement commandée de ce dernier, les branches du diapason formant l'anode de ce convertisseur, et à proximité directe desquelles se trouve au moins un enroulement avec noyau engendrant les excitations d'oscillation des branches du diapason, tandis qu'entre les branches du diapason se trouve la cathode du convertisseur considéré. Dans le cas d'exécution du dispositif de mesure des oscillations de torsion du diapason de capteur sous forme d'un convertisseur électro -mécanique, il sera également préférable d'utiliser, comme électrode commandée mécaniquement de ce dernier, au moins une plaquette, rigidement fixée sur la patte du diapason, constituant l'anode du convertisseur considéré et se déplaçant, par rapport à la cathode de ce même convertisseur, lorsque sont engendrées des oscillations de torsion du diapason entraînant une variation périodique de l'intensité anodique à la fréquence des oscillations propres du diapason et avec l'amplitude de la composante variable du courant proportionnelle à la vitesse angulaire de l'élément tournant, la surface de service de la cathode étant alors parallèle au plan de l'anode. Dans le cas d'exécution du dispositif d'excitation des oscillations des branches du diapason de capteur sous forme d'un convertisseur électro-mécanique, il est préférable que soit utilisé comme électrode mécaniquement commandée de ce dernier, une grille mécaniquement reliée au branches du diapason, des deux côtés duquel, parallèlement à son plan, sont disposées les cathodes et les anodes planes de ce même convertisseur, tandis qu'à proximité directe des branches du diapason est disposé au moins un enroulement avec noyau engendrant les oscillations des branches du diapason. Dans le cas d'exécution du dispositif de mesure des oscillations de torsion du diapason de capteur sous forme d'un convertisseur électro-mécanique, il sera avantageux d'utiliser, comme électrode mécaniquement commandée de ce dernier, une grille mécaniquement reliée à la patte du diapason et se déplaçant, par rapport à la cathode et à l'anode de ce convertisseur, lorsque sont engendrées des oscillations de torsion du diapason, ce qui provoque des variations périodiques de l'intensité anodique à la fréquence des oscillations propres du diapason, et avec l'amplitude de la composante variable du courant proportionnelle à la vitesse angulaire de l'élément tournant, les surfaces de service de l'anode et de la cathode étant alors parallèles au plan de la grille. Le capteur de vitesse angulaire proposé, prévu pour la conversion de la vitesse de rotation en signal électrique variable avec amplitude proportionnelle à la vitesse angulaire, dispose d'une sensibilité élevée par rapport au paramètre à mesurer, ce qui permet d'étendre notablement sa gamme d'application. Le capteur est également caractérisé par une précision de mesure élevée, conditionnée en particulier par la faible liaison entre le diapason et le dispositif d'excitation des oscillations dans les branches du diapason lui permettant d'obtenir un signal de sortie de grande amplitude; sa construction particulièrement simple admet une unification poussée et un montage aussi simple qu'économique pour l'alimentation de son électrode. Dans l'exposé qui suit, l'invention est expliquée par des versions d'exécution concrètes avec références aux dessins annexés, sur lesquels: Les figures 1 à 3 représentent la vue d'ensemble du capteur de vitesse angulaire d'un élément tournant conforme à l'invention,respectivement en élévation avec portions arrachées, en coupe suivant II-II de la figure 1 et en coupe suivant III-III de la figure 1. La figure 4 montre le schéma de principe du capteur proposé. La figure 5 montre le schéma de principe de la deuxième version d'exécution du capteur, dans laquelle l'électrode mécaniquement commandée du convertisseur électro-mécanique, constituant le dispositif de mesure des oscillations de torsion, est exécutée sous forme de deux plaquettes; La figure 6 montre le schéma de principe de la troisième version d'exécution du capteur avec deux convertisseurs électro-mécaniques à triodes. La figure 7 montre le schéma de principe de la quatrième version d'exécution du capteur dans lequel l'électrode mécaniquement commandée du convertisseur électro-mécanique, constituant le dispositif d'excitation des oscillations des branches du diapason, est exécutée sous forme d'une grille. La figure 8 montre le schéma de principe de la cinquième version d'exécution du capteur dans lequel ltélectrode mécaniquement commandée du convertisseur électro-mécanique,cons tituant le dispositif de mesure des oscillations de torsion du diapason, est exécutée sous forme d'une grille. Le cafteur de vitesse angulaire de l'élément tournant est constitué, conformément à l'invention, par un tube électronique comportant un diapason 1 (figure 1) en matériau fer- romagnétique, un dispositif d'excitation des oscillations dans les branches du diapason 1 et un dispositif pour la mesure des oscillations de torsion du diapason 1 exécuté sous forme .de deux convertisseurs électro-mécaniques à diodes avec électrode commandée mécaniquement. Ltélectrode mécaniquement commandée du convertisseur électro-mécanique, constituant le dispositif d'excitation des oscillations, est formée par les branches du diapason 1 constituant simultanément l'anode du convertisseur considéré. Entre les branches du diapason 1, symétriquement par rapport à ces dernières est disposée une cathode oxydée autonome 2 ainsi qu'un enroulement 3 avec noyau 4. Le convertisseur électro-mécanique constituant le dispositif de mesure des oscillations de torsion du diapason i est formé par une diode à électrodes planes parallèles. Son anode 5 (figure 2), conçue sous forme de plaquette, formant l'électrode mécaniquement commandée du convertisseur considéré, est rigidement fixée, par l'intermédiaire de l'isolateur en céramique 6 et des viroles 7 (figure 1), sur la patte 8 du diapason 1, avec possibilité de déplacement par rapport à la cathode autonome de chauffage 9 lorsque sont engendrées des oscillations de torsion du diapason 1. Afin d'améliorer la sensibilité du capteur gra- ce à la réduction de la rigidité de torsion de la patte 8 du diapason 1, cette dernière est exécutée sous forme d'un tube creux avec des ouvertures débouchantes 10 disposées le long de l'axe de la patte 8 au-dessus du secteur de fixation de l'anode 5. Pour l'équilibrage, à la patte 8 du diapasonl,par l'intermédiaire de l'isolateur 6 et des viroles 7, est fixée une plaquette Il similaire à l'anode 5 et symétriquement disposée de l'autre côté de l'axe longitudinal de la patte 8. La connexion électrique de l'a- node 5 s' opère par un ressort souple 12 (figure 2). La cathode autonome 9 (figure 1) est rigidement assemblée à l'aide des plaquettes de mica 13, de la traverse 14 et des viroles 15, de façon à former un organe séparé monté et fixé dans l'armature du tube au cours de son montage. Dans le cas où il faudra améliorer la sensibilité du dispositif de mesure des oscillations de torsion du diapason ila plaquette 11 peut être utilisée comme deuxième anode en regard de laquelle sera alors disposée encore une cathode analogue à la cathode autonome 9. La version mentionnée du capteur sera considérée plus bas. Le couplage des éléments essentiels du capteur en un seul paquet (armature) s'opère par l'intermédiaire des plaquettes de mica 16-20, des traverses d'appui 21 et des viroles 22. Afin de renforcer la rigidité du paquet, le nombre de traverses d'appui 21 peut être augmenté et les plaquettes de mica 16-20 remplacées par des isolateurs en céramique plus rigides et plus résistants. La fixation du diapason 1 s'opère par soudage de sa patte 8 dans le dôme en verre 23, et ce dernier, à son tour, est soudé pendant le montage du tube au bottier du capteur réalisé sous forme d'un ballon à vide en verre 24. La connexion électrique de l'anode du convertisseur électro-mécanique, constituant le dispositif d'excitation des oscillations des branches du diapason 1, est formée par le capuchon 25 qui est soudé à la partie de la patte 8 du diapason 1 dégagée au-dessus du dôme 23. La cathode oxydée autonome de chauffage 2 est directement assemblée aux connexions 26 du culot 27 du tube. Toutes les autres électrodes du tube et l'enroulement 3 sont accouplés aux connexions 26 du culot 27 par l'intermédiaire des traverses 21 et 28 (figure 3). Le montage stable de l'armature de tube installée dans le ballon à vide 24 (figure 1) est assuré par le ressort de butée 29. le tube utilise un absorbeur de gaz pulvérisé 30. Le schéma de principe du capteur de vitesse angulaire de l'élément tournant et d'alimentation des électrodes est représenté sur la figure 4. Le convertisseur électro-mécanique constituant le dispositif d'excitation des oscillations dans les branches du diapason 1 comporte une source d'alimentation anodique 31. A la borne négative de la source 31 est branchée la cathode oxydée autonome 2, et à la borne positive est raccordée la résistance 32 constituant la charge anodique. En série avec la résistance 32 est branché l'enroulement 3 avec noyau 4 et le diapason 1 dont les branches constituent l'anode du convertisseur électro-mécanique considéré. Le convertisseur électro-mécanique formant le dispositif de mesure des oscillations de torsion du diapason 1 comporte une anode 5 fixée à la patte 8 du diapason 1. Par l'intermédiaire de la résistance 33, l'anode 5 est branchée à la source d'alimentation 34 dont la borne négative est accouplée à la cathode autonome 9.La source d'alimentation 34 peut être commune pour les deux convertisseurs électro-mécaniques Le signal électrique de sortie U1, proportionnel suivant son amplitude à la vitesse de rotation angulaire à mesurer, est prélevé à la résistance 33 par l'intermédiaire du condensateur de découplage 35. Pour améliorer la sensibilité du capteur, l'électrode mécaniquement commandée du convertisseur électro-mécanique constituant le dispositif de mesure des oscillations de torsion du diapason 1 (figure 5), formant l'anode du convertisseur mentionné, est exécutée sous forme deux parties disposées symétriquement par rapport à la patte 8 du diapason 1. Une partie est formée par l'anode 5, tandis que pour l'autre anode on utilise la plaquette 11. En regard de la plaquette Il on dispose alors une cathode 36 analogue et symétriquement disposée par rapport à la cathode autonome 9. Le convertisseur électro-mécanique considéré comporte une source d'alimentation anodique 34 dont la borne négative est raccordée aux cathodes 9 et 36 par l'intermédiaire des résistances 33 et 33' auxquelles on prélève le signal de sortie électrique U2. Le convertisseur électro-mécanique de cette version d'exécution du capteur, formant le dispositif d'excitation des oscillations des branches du diapason 1, et l'alimentation de ses électrodes sont analogues à ceux de la description donnée plus haut. Le schéma de principe du capteur, comportant deux convertisseurs électro-mécaniques constituant les dispositifs d'excitation et de mesure des oscillations de torsion du diapason 1, conçus sous forme de triodes avec électrodes mécaniquement commandées formant es anodes, et l'alimentation de ses électrodes sont représentés sur la figure 6. Le schéma considéré est analogue à celui de la figure 4. La seule différence réside dans le fait que le convertisseur électro-mécanique constituant le dispositif d'excitation des oscillations dans les branches du diapason 1 (figure 6) est doté d'une grille fixe 37 à laquelle est dé livré un potentiel de 0,5 à 10 V issu de la source de tension de grille 38, qu'on modifie à l'aide de la résistance variable 39. Le convertisseur électro-mécanique constituant le dispositif de mesure des oscillations de torsion est également doté d'une grille fixe 40 à laquelle, par l'intermédiaire de la résistance variable 42, est délivrée la tension de la source de tension à la grille 41. On peut envisager une version d'exécution du capteur suivant laquelle l'électrode mécaniquement commandée de l'un des convertisseurs électro-mécaniques mentionnés plus haut, formant le dispositif d'excitation des oscillations dans les branches du diapason 1 et le dispositif de mesure de ses oscillations de torsion, est une grille. Dans le cas d'exécution de l'électrode mécaniquement commandée du convertisseur électro-mécanique, constituant le dispositif d'excitation des oscillations dans les branches du diapason 1, sous forme de grille 43 (figure 7), ce dernier est rigidement fixé sur les branches du diapason 1. La grille 43 est alors exécutée en deux parties, chacune étant fixée à l'une des branches du diapason 1. L'anode plane 44 du convertisseur électromécanique est également exécutée en deux parties établies chacune devant la grille 43, parallèlement à son plan. L'exécution du convertisseur électro-mécanique constituant le dispositif de mesure des oscillations de torsion des branches du diapason 1, ainsi que l'alimentation des électrodes des deux convertisseurs électro-mécaniques, sont analogues à celles du capteur représenté sur la figure 6. On peut envisager également une autre version d'exécution du capteur suivant laquelle le convertisseur électromécanique, constituant le dispositif de mesure des oscillations de torsion du diapason 1 (figure 8), utilise comme électrode mécaniquement commandée la grille 45 rigidement fixée à la patte 8 du diapason 1. Parallèlement au plan de la grille est alors disposée 1' anode plane 46. La différence du schéma d'alimentation des électrodes dans cette version d'exécution du capteur, en comparaison avec le schéma illustré par la figure 6, consiste en ce que dans le convertisseur électro-mécanique, constituant le dispositif d'excitation des oscillations dans les branches du diapason 1,la tension à la grille 37 est directement appliquée à partir de la source de tension à la grille 38, tandis que la tension à la grille 45 du convertisseur électro-mécanique, constituant le dispositif de mesure des oscillations de torsion du diapason 1,est délivrée par la source de tension à la grille 41. Le principe de fonctionnement du capteur de vi tesse angulaire d'un élément tournant consiste en ce qui suit. Lorsque la source de tension 31 (figure 4) est enclenchée t toute déviation accidentelle, des branches du diapa- son 1 par rapport à la position d'équilibre, provoquera une modification du courant dans le convertisseur électro-mécanique constitué par la cathode oxydée autonome 2 et les branches du diapason 1, donc également la modification du courant dans l'enroule- ment 3 avec noyau 4. La variation du courant dans l'enroulement 3 provoque une ddviation encore plus sensible des branches du diapason 1. Définitivement il s'établira un régime d'oscillation stationnaire à la fréquence des oscillations propres du diapason 1. Etant donné que dans le diapason équilibré 1, en 1' absence de rotation du capteur, il ne se produit pas d'oscillations de torsion, le signal de sortie du dispositif de mesure des oscillations de torsion sera également absent. Pendant la ro tation du capt2urdo' égabmt dl diapason 1, conformément à la loi de conservation du couple de rotation, seront engendrées des oscillations de torsion du diapason 1 à la fréquence de ses oscillations propres et avec amplitude proportionnelle à la vitesse an angulaire. les oscillations de torsion provoqueront un rap prochesent périodique de l'anode 5 vers la cathode 9, ainsi,lorsque la source d'alimentation 34 zest enclenchée, la modification du courant du convertisseur électro-mécanique constituant le dis- positif de mesure des oscillations de torsion et la modification de la chute de tension à la résistance 33 à partir de laquelle, par l'intermédiaire du condensateur de découplage 35, le signal de sortie U1 est délivré à la charge. Le' capteur de vitesse angulaire de l'élément tournant représenté sur la figure 5 fonctionne d'une façon analogue, avec la seule différence qu'au moment où l'anode 5 se rapproche de la cathode 9, la plaquette 11 constituant l'anode s'éloigne de la cathode 36, et inversement. Il en résulte que les composantes variables des tensions aux résistances 33 et 33' sont d'une valeur égale, mais de phase opposée. Le signal de sortie U est alors deux fois supérieur au signal U1 (figure 4). Il en résulte que le capteur se distingue par une sensibilité plus élevée. Le capteur représenté sur la figure 6 comporte des convertisseurs électro-mécaniques à triodes avec grilles fixes 37 et 40 commandant le courant anodique des convertisseurs ment ion- nés. Le fonctionnement de l'ensemble du capteur est analogue à celui du capteur représenté sur la figure 4, avec la seule différence que l'amplitude de la tension du signal U3 à la sortie du capteur augmente, et qu'on améliore la mise en accord de l'enrou- louent 3 à résistance ohmique élevée et du convertisseur électromécanique formant le dispositif d'excitation des oscillations dans les branches du diapason 1. l'utilisation d'une grille 43 (figure 7), comme électrode mécaniquement commandée du convertisseur électro-mécanique constituant le dispositif d'excitation des oscillations dans les branches du diapason 1, facilite la mise en oscillation des branches du diapason considéré. Pour le reste le fonctionnement du capteur est analogue à celui du capteur représenté sur la fi gure 6. Le fonctionnement du capteur représenté sur la figure 8 est analogue à celui de la figure 6. L'utilisation de la grille 45, comme électrode mécaniquement commandée du convertisseur électro-mécanique constituant le dispositif de mesure des oscillations de torsion du diapason 1, permet d'améliorer notablement la sensibilité du capteur en tension. Les tensions U4 et U5 correspondent aux signaux de sortie des capteurs respectivement représentés sur les figures 7 et 8. Le capteur proposé présente une sensibilité élevée par rapport au paramètre à mesurer, une bonne précision de mesure, sa construction est simple et l'alimentation de ses électrodes économique. Le capteur permet également d'obtenir un signal de sortie de forte amplitude. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu a ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiqués; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. -REVENDICATIONS- 1.- Capteur de vitesse angulaire d'un élément tournant dans le boîtier duquel sont prévus, un diapason, un dispositif d'excitation des oscillations sur les branches du diapason, et un dispositif disposé au pied du diapason pour la mesure des oscillations de torsion des branches du diapason engendrées pendant la rotation du capteur en commun avec l'élément autour de 1'axe de symé-trie du diapason, caractérisé par le fait que l'un au moins des dispositifs mentionnés est exécuté sous forme d'un convertisseur électro-mécanique avec électrode mécaniquement commandée. 2.- Capteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que, dans le cas d'exécution du dispositif d'excitation des oscillations sur les branches du diapason sous forme d'un convertisseur électro-mécanique, l'électrode mécaniquement commandée de ce dernier est constituée par les branches du diapason formant l'anode du convertisseur mentionné, et à proximité directe desquelles se trouve au moins un enroulement avec noyau engendrant les oscillations sur les branches du diapason, tandis qu'entre les branches du diapason est située la cathode de ce même convertisseur, 3.- Capteur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que, dans le cas d'exécution du dispositif de mesure des oscillations de torsion du diapason sous forme d'un convertisseur électro-mécanique, l'électrode mécaniquement commandée de ce dernier est constituée par au moins une plaquette, rigidement fixée à la patte du diapason, formant l'anode de ce convertisseur et se déplaçant par rapport à la cathode de ce même convertisseur lorsque sont engendrées des oscillations de torsion du diapason provoquant des variations périodiques du courant anodique à la fréquence des oscillations propres du diapason, avec une amplitude de la composante variable du courant proportionnelle à la vitesse angulaire de l'élément tournant, la surface des services de la cathode étant disposée parallèlement au plan de l'anode. 4.- Capteur suivant la revendication 1 ou selon les revendications 1 et 3 caractérisé par le fait que, dans le cas où le dispositif d'excitation des oscillations sur les branches du diapason est réalisé sous forme d'un convertisseur électro-mécanique, l'électrode mécaniquement commandée de ce dernier est constituée par une grille mécaniquement reliée aux branches du diapason, sur les deux côtés duquel, parallèlement à son plan, sont disposées la cathode et l'anode planes de ce même convertisseur, tandis qu'à proximité directe des branches du diapason est placé au moins un enroulement avec noyau engendrant l'oscillation des branches du diapason. 5.- Capteur suivant la revendication 1 ou selon les revendications 1 et 2 ou selon la revendication 4, caractérisé par le fait que dans le cas où le dispositif de mesure des oscillations de torsion du diapason est exécuté sous forme d'un convertisseur électromécanique, l'électrode mécaniquement commandée de ce dernier est constituée par une grille mécaniquement reliée à la patte du diapason et se déplaçant par rapport à la- cathode et à l'anode de ce même convertisseur lorsque sont engendrées des oscillations de torsion du diapason, ce qui provoque la variation périodique du courant anodique à la fréquence des oscillations propres du diapason avec une amplitude de la composante variable du courant proportionnelle à la vitesse angulaire de l'élément tournant, les surfaces de service de la cathode et de l'anode étant alors disposées parallèlement au plan de la grille.