Brevet FR2142802A1 — publié le 19730202

La présente invention concerne un accéléromètre pour mesurer l'accélération angulaire, et en particulier un accéléro mitre pour l'utilisation sur des navires. Une bonne stabilisation du mouvement de roulis nécessite de connattre d'une façon continue les valeurs de l'angle de roulis, de la vitesse de roulis et de l'accélération de roulis. Les amplificateurs intégrateurs permettent de déterminer la vitesee do roulis et l'angle de roulis par des intégrations successives à partir de mesures de l'accélération de roulis. I1 suffit par suite d'obtenir une mesure satisfaisante de l'accélération de roulis. Dans un accéléromAtre connu, un rotor est monté li brement --dans un stator fixé à la structure dont l'accélération angulaire doit être mesurée. Quand le stator est soumis à une accélération, l'inertie du rotor provoque son déplacement par rapport au stator. Un détecteur détecte le déplacement et par l'intermédiaire d'un circuit asservi et d'un appareil générateur de couple provoque un couple appliqué au rebord pour le maintenir dans une position repère par rapport au stator. Le couple est proportionné à l'accélération angulaire et par suite la valeur du couple représente l'accélération angulaire. Malheureusement, les accéléromètres connus de ce type ont des inconvénients pratiques et par suite la présente invention a pour objet un accéléromètre réduisant ces difficultés. Conformément à l'invention, un accéléromètre pour la mesure des accélérations angulaires comprend un rotor supporté pour pouvoir tourner dans un stator, un détecteur à induction combiné pour détecter les déplacements du rotor à partir d'un point de référence par rapport au stator, et un générateur de couple à induction comportant deux enroulements, le détecteur et le générateur de couple étant montés sur le stator et permettant une rotation limitée du rotor par rapport au stator, le détecteur et le générateur de couple étant tous deux disposés transversalement par rapport à une partie coopérante du rotor, le détecteur étant associé à une source de flux oscillant, de façon que la rotation du rotor par rapport au stator fasse varier la réluctance entre la source et le détecteur, et étant couplée à travers un détecteur sensible k la phase au générateur de couple pour faire varier de façon différentielle les courants traversant les deux enroulements pour qu'ils produisent sur le rotor un couple proportionnel à l'accélération angulaire du stator pour maintenir le rotor sensiblement dans sa position de référence, une sortie -Pournissant un signal proportionnel au couple, et l'espace- ment entre le générateur de couple et la partie coopérante du rotor étant supérieure à l'espacement entre le détecteur et la partie coopérante de façon qu'il n'y ait pratiquement aucun changement de la réluctance entre les enroulements du générateur de couple et la partie du rotor pour un changement de l'accél- ration angulaire du stator. le rotor est de préférence supporté par un palier à coussin d'air pour que la résistance du rotor aux accélérations en rotation autour de son axe soit extr8mement faible. Le détecteur peut titre un détecteur électromagnétique. Suivant un mode de mise en oeuvre, une barre matière ferromagnétique est montée transversalement au rotor. Un premier enroulement et un second enroulement sont montés sur le stator sur le même cEté de la barre dans des positions sur les c8tés opposés, à l'axe au rotor et équidistantes de cet axe. Un troisième enroulement alimenté en tension oscillante est placé à égale distance du premier et du second enroulement. Le premier et le second enroulements sont de préférence identiques. Quand la barre est équidistante de deux enroulements, les tensions induites dans ces enroulements sont égales. Quand le rotor et la barre sont déplacées, les tensions induites dans les enroulements varient différentiellement.Quand les tensions aux bornes des enroulements sont combinées différentiellement, elles produisent un signal représentant le déplacement. Le générateur de couple peut comporter deux enroulés ment s disposés sur le stator du mdme cOté par rapport à la barre dans des positions équidistantes de l'axe du rotor et sur les cb- tés opposés de cet axe. Ces enroulements peuvent titre alimentés par des courants dont la somme est constante, les courants varient différentiellenent en fonction du signal du détecteur. Des résistances peuvent etre connectées en série avec des enrou lenents, les sorties étant connectées aux résistances de façon aucun signal proportionnel à la différence des tensions sur les résistances apparaisse à la sortie. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels la figure l est une coupe axiale d'un accéléromètre selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, la figure 2 est une vue par une extrémité de l'accé- léromètre de la figure 1, la figure 3 est le circuit du détecteur du générateur de couple de l'accéléromètre de la figure 1, la figure 4 représente des formes d'ondes apparaissant en différents points du circuit de la figure 3, la figure 5 représente schématiquement le générateur de couple de la figure 1, et la figure 6 est le schéma général d'un dispositif pour la stabilisation d'un navire, ce dispositif comportant l'accéléromètre des figures 1 à 5. Un accéléromètre-comporte un rotor équilibré dynamiquement ll supporté à la fois radialement et axialement dans le stator 12 par un palier à coussins d'air 13. Une barre rectangulaire équilibrée 14 en fer doux est fixée au rotor 11. La barre 14est située entre d'une part un détecteur 15 monté sur le stator et qui détecte les déplacements du rotor par rapport au stator et d'autre part un générateur de couple 16 monté aussi sur le stator et qui exerce un couple sur la barre 14, et par suite sur le rotor 11. Le balancement, la poussée de la houle et la levée sont des accélérations linéaires et l'embardée, le tangage et le roulis sont des accélérations angulaires. La rigidité du palier réaliste aux accélérations angulaires d'embardée et de tangage. La rigidité axiale et radiale du palier peut dépasser 18.000 kg/cm. La résistance du rotor aux accélérations en rotation autour de son axe est extrêmement faible du fait des frottements très faibles dans le palier à coussin d'air. L'accéléromètre est par suite très sensible. Le détecteur 15 comporte un noyau en forme de E sur les branches duquel sont enroulés trois enroulements 17, 18 et 19. Le noyau est symétrique par rapport à la branche du milieu et les enroulements 17 et 19 sont identiques. Le signal sortant d'un oscillateur 20 est appliqué à l'enroulement 18. Quand la barre 14 est parallèle aux faces polaires des branches, les réluctances des circuits magnétiques entre les enroulements 18, 17 et 18, 19 et les flux dans les branches portant les enroulements 17 et 19 induisent des tensions identiques dans les enroulements. Quand la barre 14 est déplacée par rapport au stator, les flux dans les branches deviennent inégaux en raison des réluctances inégales entre les enroulements 18, 7 et 18, 19. De ce fait, des tensions différentes sont induites dans les enroulements 17 et 19. Les enroulements sont combinés pour que les tensions soient en phase avec l'oscillateur. Les enroulements 17 et 19 sont connectés à l'entrée d'un amplificateur différentiel 21. Le'signal sortant de l'amplificateur différentiel est soit en phase, soit en opposition de phase avec le signal sortant de l'oscillateur 20, selon que la tension induite est supérieure dans lrenroulement 19 ou dans ltenm ulement 17 et par suite selon le sens de rotation de la barre 14. L'amplitude du signal sortant de l'amplificateur différentiel dépend de l'amplitude du déplacement de la barre 14. La sortie de l'amplificateur différentiel 21 est connectée au collecteur d'un transistor 22 qui fonctionne en détecteur synchrone. La base 23 du transistor 22 est connectés à l'une des bornes de l'osciliateur 20 par une résistance 24. Pendant la demi-période positive du signal sortant de l'oscilla- teur, la jonction base-émetteur du transistor 22 est polarisée dans le sens direct et le circuit collecteur-émetteur du transistor est conducteur. Pendant la demi-période négative du signal de l'oscillateur, la jonction base-émetteur du transistor 22 est polarisée dans le sens inverse et le circuit collecteur-émetteur est rendu non conducteur. Par suite, le transistor ne laisse passer le signal sortant de l'amplificateur différentiel que pendant les demi-périodes positives du signal de l'oscillateur. Pour une rotation dans un sens, c'est la demi-période positive du signal sortant de l'amplificateur différentiel qui passe par le transistor et pour une rotation dans le sens opposé, c'est la demi-périoue négative qui passe par le transistor. le signal sortant du transistor est appliqué à un circuit filtre comportant une résistance 25 et un condensateur 26 de capacité portante. Le circuit filtre produit un signal sortant en courant continu filtré- dont l'amplitude dépend de l'amplitude du déplacement du rotor et dont la polarité dépend du sens du déplacement. Le signal sortant filtré est appliqué à un amplificateur 27 qui introduit une fréquence dépendant de l'avance de phase pour stabiliser la commande d'une façon asservie normale. le signal sortant de l'amplificateur 27 est appliqué à un amplificateur de puissance push-pull 28 sous la forme d'une paire de transistors à émetteurs couplés avec un circuit à courant constant 29 connecté au circuit commun des émetteurs. La sortie de l'amplificateur 27 est connectée à la base du transistor 30 et la base du transistor-34 est connectée à la masse. Le générateur de couple 16 comporte un noyau en E avec trois enroulements 31, 32,-35 enroulés autour des trois branches du noyau. Des enroulements 31 et 32 sont identiques et sont connectés respectivementdans les circuits des collecteurs des transistors 30 et 34, En raison du circuit à courant constant 29, la somme des courants I1 et I2 dans les circuits des collecteurs est constante. Des résistances 35 et 36 sont respectivement connectées en série avec les enroulements 31 et 32 dans les circuits des collecteurs. Les résistances 35, 36-sont égales et par suite Les chutes de tension à travers ces résistances sont proportionnelles aux courants I1 et I2. l'enroulement 33 est connecté directement aux bornes de la source d'alimentation en courant continu 37, et par suite il est parcouru par un courant constant 13. La figure 5 représente le générateur de couple 16, la barre 14 et les lignes de forces provoquées par les courants I1, I2 et 13. Comme l'entrefer entre la barre et le générateur de coupe est important par rapport aux mouvements éventuels de la barre, la réluctance des circuits magnétiques entre les enroulements est pratiquement constance. La densité des flux dans la branche centrale peut être représentée par l'expression. ss3 = 33 + 32 + # 31 dans laquelle #31 est le flux dans la branche entourée par l'en- roulement 33 du fait du courant I1 dans l'enroulement 31 et 32 est le flux dans la branche entourée par l'enroulement 33 du fait du courant 12 dans l'enroulement 32, etc. 3 K'I3 + K1I2 + K111 = ' + Ki (I2 + I1) expression dans laquelle K1 est une constance dépendant de la réluctance des circuits magnétiques entre les enroulements 31, 33 et 32, 33 et K' est une constance. Comme 13 et I1 + I2 sont constants, ss3 est constant. La barre ne subit aucun couple du fait de la branche centrale. La densité de flux dans la branche entourée par l'elroulement 31 est donnée par ss1 = # 11 + # 12 + # 13 = K2I1 - K3I2 + K1I3, K2 et K3 étant des constantes. De même, la densité de flux dans la branche entourée par l'enroulement 32 est donnée par ss2 = ss 22 + 21 + 23 - K2I2 - K3I1 + K1 13. La force exercée sur la barre par la branche 1 entou 2 rée par l'enroulement 31 est proportionnelle à ss12 et la force exercée par la branche entourée par l'enroulement 32 est proportionnelle à ss22 . Le couple T sur la barre est ensuite proportionnel à ss12-ss22. T=K4 g ru + #ss1+ ss2 # # ss g 2 J =K4 # 2K1 13 + K2 I2 12 + K211 - K3I1 - K312 7 x #K2I1+K3I1-K3I2-K2I2# = K4 # 2K1I3 + (K2 - K3)(I1+I2)J(K2+K3)(I1 - I2) étant une constante et E étant une constante parce que I1 + I2 est constant. Deux bornes de sortie 40 et 41 sont connectées respectivement aux résistances 35 et 36. Comme les chutes de tension à travers les résistances 35 et 36 sont proportionnelles à et et I2, la différence de potentiel entre les bornes de sortie 40 et 41 est proportionnelle à li - I2 et par suite au couple appliqué à la barre. Le couple L et l'accélération angulaire # sont liés par la relation T=Q dans laquelle J est le moment dtinertie du rotor 11 et de la barre 14 autour de l'axe de rotation. Par suite, comme J est constant li - I2 = La différence de potentiel entre les bornes 40 et 41 et par suite proportionnelle à l'accélération angulaire du rotor résultant du générateur de couple. En raison de la bouche fermée établie par le circuit décrit, le générateur de couple 16 produit un couple qui maintient pratiquement la barre et par suite le rotor à sa position de référence en provoquant une accélération proportionnelle et opposée à-l'accélération provoquée par les mouvements de roulis. la figure 6 représente un dispositif dans lequel l'acc6ldromètre des figures 1 à 5 est utilisé pour stabiliser un navire. 'accéléromètre désigné par la référence 50 est connecté à un amplificateur intégrateur 51 dont la sortie est connectée à un autre amplificateur intégrateur 62. Les signaux sortants des amplificateurs intégrateurs 51 et 52 sont respectivement proportionnels à la vitesse de roulis et à l'angle de roulis.Les signaux sortants de l'accéléromètre 50 et des amplificateurs intégrateurs 51 et 52 sont appliqués à travers des résistances variables 53, 54 et 55 à un amplificateur de somma- tion 56. la valeur des résistances est réglée pour obtenir des performances nécessaires. le signal sortant de l'amplificateur de sommation est utilisé pour coriwander une servoyance 57 qui commande une pompe hydraulique entraînant un moteur hydraulique 50 qui à son tour actionne un aileron 59 stabilisateur. L'aileron dépasse du navire dans l'eau et peut être tourné par le moteur hydraulique pour établir à un moment de redressement sur lenatze. Un transducteur 60 de l'aileron produit un signal sortant proportionnel à l'angle de roulis, et ce signal est envoyé en réaction à l'amplificateur de sommation pour fermer une boucle de réaction négative. Les amplificateurs intégrateurs réduisent les signaux de bruit produits par l'accéléromètre en réduisant ainsi leur effet sur les performances du stabilisateur. En plaçant l'axe du rotor parallèle à l'axe central du navire, ce rotor peut titre déplacé en n'importe quel endroit du navire sans modification du signal sortant de 'accéléromètre parce que l'aceqlératìon angulaire reste constante dans tous le navire. L'accéléromètre peut résoudre des accélérations de roulis ne dépassant pas 0,001 radians/s2. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. REVEND I OÂTI0S 1) Âccéléromètre pour la mesure des accélérations angulaires comportant un rotor supporté pour pouvoir tourner dans un stator, un détecteur à induction combiné pour détecter le déplacement du rotor par rapport à une position de référence relativement au stator, et un générateur de couple à induction comportant deux enroulements combinés pour établir sur le rotor un couple proportionnel à l'accélération angulaire du stator pour maintenir le rotor pratiquement en position de référence, l'accéléromètre comportant une sortie fournissant un signal proportionnel au couple, caractérisé en ce que le détecteur ainsi que le générateur de couple sont montés sur le stator en permettant une rotation limitée du rotor par rapport au stator, le détecteur et le générateur de couple étant chacun disposés transversalement à une partie coopérante du rotor, le détecteur étant couplé au générateur de couple pour faire varier différentiellement les courants passant à travers deux enroulements du générateur de couple et l'espacement entre le générateur de couple et la partie coopérante du rotor étant substantiellement supérieure à l'espacement entre le détecteur et la partie du rotor coopérant avec le détecteur. 2) Accéléromètre selon la revendication 1 caractérisé en ce que le détecteur et le générateur de couple coopèrent avec la meme partie de rotor, cette partie du rotor étant une barre ferromagnétique montée transversalement à l'axe de rotation du rotor. 3) Accéléromètre selon la revendication 2 caractérisé en ce que le détecteur et le générateur de couple sont situés sur les cOtés opposés de la barre ferromagnétique. 4) Accéléromètre selon l'une des revendications 1 à-- caractérisé en ce que le détecteur comporte deux enroulements montés sur le stator à des distances égales de l'axe de rotation du rotor, ces enroulements étant connectés à une source de flux oscillant comprenant un troisième enroulement monté sur le stator à des distances égales des deux enroulements de détection et connecté à un oscillateur. 5) Accéléromètre selon la revendication 4 caractérisé en ce que les deux enroulements détecteurs sont montés sur les branches extérieures d'un noyau ferromagnétique en forme de E et le troisième enroulement est monté sur la branche centrale du noyau. 6) Accéléromètre selon l'une des revendications 4 et 5 caractérisé en ce que les enroulements détecteurs sont couplés par un amplificateur différentiel à un détecteur sensible à la phase. 7) Accéléromètre selon la revendication 6 caractérisé en ce que le détecteur sensible à la phase est un détecteur syn chrono 8) Accéléromètre selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les deux enroulements du générateur de couple sont montés sur le stator à des distances égales de l'axe de rotation du rotor. 9) Accéiéromètre selon la revendication 8 caractérisé en ce que les enroulements du énérateur de couple sont montés à des distances égales 'un troisième enroulement du générateur de couple monté sur le stator. 10) Accéléromètre selon la revendication 9 caractérisé en ce que deux des enroulements du générateur de couple sont montés sur les branches extérieures d'un noyau magnétique en forme de E et le troisième enroulement du générateur de couple est monté sur la branche centrale du noyau. 11) Accéléromètre selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que les enroulements du générateur de couple sont connectés à un amplificateur push-pull comportant des transistors dont les émetteurs sont connectés à un circuit de courant constant 12) Accéléromètre selon l'une des revendications 1 à i1 caractérisé en ce que le rotor est supporté dans le stator par un palier à coussin d'air.