Brevet FR2209931A1 — publié le 19740705

L'invention concerne un appareil de mesure à cordes, comprenant un support mobile de charge et au moins deux cordes sous traction initiale qui exécutent des vibrations transversales. Ces appareils sont destinés par exemple à la mesure d'une force ou d'une masse ou également à la mesure d'une longueur cu d'un allongement, la variation de la fréquence d'oscillation des cordes en fonction de la variation de la charge (et donc de la traction des cordes) en représentant la mesure. Une condition préalable essentielle à l'exactitude de la mesure est le bon découplage des cordes de manière à leur éviter de subir des vibrations parasites (découplage passif) et de manière à éviter que de l'énergie s'en échappe, par exemple par l'emplacement de leur extrémité par lequel elles subissent l'excitation (découplage actif). Il a été suggéré antérieurement de coupler les cordes dans ce but par des organes spéciaux de fixation, par exemple constitués d'articulation croisées à fléchissement, d'une part à la partie fixe et d'autre part à la partie mobile (de mesure) de l'appareil. Cette disposition améliore notablement les résultats, mais laisse toutefois encore à désirer, en particulier en ce qui concerne le découplage des cordes de la partie mobile de l'appareil.Par tailleurs, des essais ont montré qu'il est très important de découpler les vibrations des différentes cordes dans un système qui en comprend plusieurs. Selon une particularité essentielle de l'invention qui permet d'éviter de manière simple les inconvénients mentionnés, au moins un organe élastique relie individuellement chaque corde au support de charge. L'organe élastique est de préférence un ressort hélicoidal. Bien qu'ex principe d'autres éléments élastiques tels que des ressorts coniques, des ressorts travaillant au flambage ou des lames de ressort, etc. conviennent également, les ressorts hélicoi- daux offrent en général les meilleure possibilités, car ils sont les plus faciles à dimensionner. Les appareils de mesure à cordes et à ressorts sont certes connus. Toutefois, les ressorts des dispositions antérieures sont tous montés de manière à relier les deux cordes au support de charge par un élément commun de couplage (voir par exemple les brevets suisses N 447 653 et 492 9615. L'unique ressort amortisseur repré senté dans le brevet suisse NO 474 752 et attaquant une corde est des tiné uniquement à amortir les mouvements du plateau de la balance. Les essais effectués sur les systèmes à deux cordes ont montré que les découplages selon l'invention stabilisent notable- ment les fréquences. Ils permettent aussi un gain de temps car, meme lorsque les oscillations transitoires du support de charge, par exemple d'un dynamomètre, ne sont pas encore terminées, le résultat de la mesure est stable dès la fin d'un temps bref. Les meilleurs résultats s'obtiennent en général lorsque les organes élastiques sont reliés directement à l'une des extrémités de chacune des cordes. Le découplage est en principe d'autant meilleur que les ressorts sont plus mous. En première approximation, le taux de découplage croit proportionnellement avec le rapport de la constante d'élasticité de la corde à celui de l'organe élastique correspondant Âu moins l'un des organes élastiques comporte de préférence un dispositif de réglage de sa constante d'élasticité. Il est ainsi possible de régler la modulation des cordes, c'est-h,dire la répartition de la force sur les différentes cordes. Les conditions sont particulièrement favorables lorsque les cordes sont aussi placées sous traction préalable au moins partiellement par des forces élastiques, car ainsi l'influence gênante des oscillations parasites est notablement plus faible que lorsque des masses assument la mise sous traction initiale. Il peut Outre avantageux qu'au moins l'un des ressorts, en particulier lorsque ceux-ci sont he'licodaux, soient divisés en deux. Il est possible ainsi d'exécuter un réglage particulièrement pré cis de la sensibilitd du dispositif ainsi que du rapport de trPnst1s sion de l'effort subit par les cordes (modulation des différentes cordes) . Lorsqu'une très grande précision est exigée de l'appareil, il faut tenir compte aussi des effets perturbateurs que la température exerce sur la fréquence des cordes (bien que l'influence des perturbations thermiques sur la tenue des ressorts de couplage soit relativement faible en particulier lorsque le fonctionnement de l'appareil est basé sur le quotient de deux fréquences de cordes). Les possibilités de compensation sont particulièrement simples et efficaces dans les appareils du type particulier, c 'est-à-dire ceux à couplage élastique des cordes et du support de charge. Ainsi, selon une autre particularité avantageuse de l'invention, les cordes sont combinées avec dca organes complémentaires, de préférence élastiques, de correction destin6. à compenser l'effet parasite de la température sur leur fonctionnement. D'autres variantes de l'invention concernent par exemple leur application à la mesure de masses et se caractérisent Far la division er deux systèmes partiels couplés par exemple par des organes élastiques ou un système magnétique. L'invention sera décrite pus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels les éléments qui n'entrent pas dans le cadre de l'invention sont pra tiquement toù supprimés, car l'homme de l'art les connais bien. Ainsi, par excmple, le circuit électrique des appareils (circuits d'-excitation et de détection des oscillations et circuits d'analyse et d'affichage) ni le boiter ou les détail de fixation des différents éléments ne scnt représentés. I;es exemples adoptés sont des appareils de mesure de force ou de masse sous forme de balances à plateau supérieur et à guide en parallélogramme. Sur les dessins la figure 1 est un schéma d'un premier mode de réalisation simple destiné à l'explication du principe de l'invention ; et les figures 2 à 7 sont des schémas d'autres variantes avantageuses de réalisation de.l'invention. Les mêmes éléments ou ceux dont le principe est le mme portent les mimes références sur les dessins. La balance de la figure 1 comporte de manière connue un plateau10 fixé à'm support 11. Un guide en parallélogramme comprend deux brefs oscillants 12 et 12' qui relient le support 11 à la partie fixe de la balance (appelée par la suite : console, pour sim plifier). Les bras oscillants sont par exemple des lames de ressort comportant des lignes 12a dé fléchissement. Un ressort F1 de traction, à l'extrémité supérieure duquel une corde S1 est fixée, est monté sur un bras 13 en porte-à-faux. L'extrémité supérieure de cette corde est fixée à la console (le dessin na représente aucune des masses éventuellement disposées sux points nodaux ri aucun des éléments de fixa L'on). Un montage analogue attaquant un second bras 14 en porte-3-faux se compose d'un ressort F2 de traction et d'une corde cette dernière étant également fixée à la console. L'extrémité supérieure d'un autre ressort 15 de traction' pouvant être monté sur le bras 13 en porte-3-faux comporte un dispositif permettant d'augmenter ou d'abaisser la force de traction par élévation ou abaissement de la traction du ressort (indiquée par une flèche verticale double). Le ressort 15 est destiné à supporter la charge initiale et éventuellement à compenser une tare. Lors d'une pesée, la traction exercée sur la corde augmente et celle qui est exercée sur la corde S2 diminue de manière connue. Les ressorts F1 et F2 sont destinés non seulement à transmettre la force aux cordes et à absorber élastiquement la déflexion de la balance (10 et il) sous charge, mais également à assurer le découplage mentionné des vibrations des cordes l'une vis-à-vis de l'autre et vis à-vis des éléments mobiles (10 à 14)de la balance. Ils permettent par ailleurs, selon leur constante adoptée, de modifier la modulation des deux cordes, c'est-h,dire la répartition de la charge.Ils permettent finalement le réglage de la force initiale de traction et le choit convenable de leur caractéristique constitue un moyen auxiliaire de commande de la fréquence propre des cordes. La différence des deux fréquences des cordes (f - f ) 1 2 ou leur quotient (f 1/f2) est en général utilisé pour l'analyse. Lorsque l'analyse s'effectue par la différence des fréquences, deux ressorts identiques de couplage (r1 et F2) donnent automatiquement le rapport de transmission de -1 qui est en général préféré, pour raisons de {nnéarité. Lorsque l'analyse s'effectue par le quotient des fréquences, le rapport préféré de transmission est en général de -1/3 pour les mêmes raisons que ci-dessus. Dans ce cas, le rapport des constantes de ressort c et c2 doit etre de 3 : 1. Lorsque la modulation des cordes doit être variable ou réglable avec précision, par exemple une-tête de vis montée dans l'un des deux ressorts de couplage et permettant d'en faire varier la constante d'élasticité de manière connue est particulièrement avantageuse lorsque les rapports diffèrent de -1 (différence) ou de -1/3 (quotient). ires cordes utilisées sont de préf erence en alliages à module constant, donc dont les variations de température n'influent pas notablement sur la fréquence de vibration. Si toutefois par exemple le module d'élasticité de la matière constituant les cordes a un fort coefficient de température, il est préférable que la charge initiale soit pratiquement absorbée par le ressort 15 de tarage ainsi, l'exactitude de la mesure est moins mauvaise dans la plage de travail. Le ressort F2 du mode de réalisation de la figure 2 est divisé en deux ressorts élémentaires F21 et F22 (en principe, le ressort F1 pourrait être celui qui est divisé ,au lieu du ressort F2, ou dans certains cas particuliers, les deux ressorts pourraient autre divisés). Un levier 16 oscillant sur la console d'une part accouple la corde S2 au ressort élémentaire F21 et d'autre part assure la liaison avec l'une des extrémités du ressort élémentaire F22 dont l'autre extrémité est accrochée au bras 14 en porte-à-faux. Les deux extrémités du ressort F22 sont réglables hcrizontalement par des moyens connus sur le bras 14 en porte-à-faux et sur le levier 16 (variation du rapport de modulation).Par ailleurs, 1' eltrésité supérieure de ce ressort comporte un dispositif 14a qui n'eat pas non plus représenté en détail et qui est destiné à en faire varier l'allongement (flèche double verticale) pour le réglage précis de la sensibilité. Les constantes de ressort c21 et c22 adoptées par exemple dans le rapport d'environ 8 : 1 donnent un dimensionnement avantageux dans le cas où l'analyse s'effectue par le quotient des fréquences, le rapport des constantes d'élasticité cl à (c21 + c22) étant également fonction du rapport de transmission (par exemple -1/3). Cette disposition a l'avantage notable que la division de l'un des ressorts de couplage en un ressort élémentaire dur et un ressort élémentaire mou permet de procéder facilement au réglage précis de la sensibilité et du rapport de modulation. La variation du bras de levier permet aussi de régler le rapport de modulatior. lorsque le ressort F2 n'est pas divisé. Le mode de réalisation de la figure 3 diffère de celui de la figue 2 essentiellement par la disposition doncentri- que des deux. ressorts élémentaires F21 et F22, le montage ayant ainsi ul 'jiicnnbrcme-n t particulièrement faible. Le ressorts élémentaires ont également des duretés différentes dans le rapport d'environ 8 : 1 (c21:c22). Une tette 17 de vis permet de régler le rapport de 22' modulation par variation de la constante d'élasticité du ressort élémentaire F22. Un dispositif 18 permet de régler la hauteur de la ête de vis - et donc de l'extrémité supérieure du ressort F22 - pour le réglage précis de la sensibilité Une vis 19 d'arrêt fixe le ressort sur la tête dé vis. Ce mode de réalisation diffère aussi du précédent par un dispositif de compensation des effets de la température. Une lame de ressort rigide 22 est vissée sur un bras 20 en porte-à-faux fixé au support 11. Un fléau 21 oscille sur cette laie de ressort (ligne de fléchissement 22a). L'extrémité supérieure du ressort F21 est accrochée à ltune des extrémités du fléau 21 à l'autre extrémité duquel est fixé un fil 23 dont l'extrémité inférieure est reliée au brise rigide 13 en porte-à-faux. Un autre fil 24 est fixé d'une part b la lame de ressort 22 et d'autre part au support 11 par l'intermé- diapir d'un bras 25 en porte-à-faux.Les points 26 de fixation des fils 23 et 24 sont riglables et donc leur distance au centre de rotation (ligne de flexion 22@) au fléau 21 peut Outre réglée. Les fui 23 et 24 constituent des organes de couplage qui coopbrent avec les ressorts F1 ainsi que F21 et F22 de couplage 22 pour compenser l'influence des fluctuations de température sur les cordes et sur la traction de ces dernières. Cette compentation a lieu aussi tien aani les conditions stationnaires de température que sou l'effet des perturtationi dynamiques (dues aux différences d'inertie thermique dea différents composants).Les premières et les dernières peuvent Outre à peu près totale eut compensées par le dimension- nement corresponant et par le choix relatif des natièrea (par exemple en fonction de l'allongement linéaire BOUS l'effet des variations de température) des fils 23 et 24 et des ressorts F1 et F2 de couplage ainsi que par le réglage de leurs distances efficaces. Une autre possibilité de correction des perturbations dues à l'influence des températures consiste à utiliser pour la compensation l'allongement des éléments de la console sur lesquels les cordes S1 et S2 sont fixées. Lorsque par exemple le rapport de modulation des deux cordes est de -1/3, correspondant à un rapport des constantes d'élasticité des ressorts de couplage F1 et F2 (c :C2) de 3:1 et lorsque le rapport de l'allongement des éléments correspondants de la console dans le sens de la longueur des cordes est réglé å 1 : 3 par dimensionnement et choix des matériaux, les variations de température ne perturbent pas le rapport des fréquences des cordes ni leur rapport de modulation : les forces perturbatrices dues aux variations de température et s'exerçant sur le support de la charge (dans le cas particulier : le guide en parallélogramme) se compensent et le support de charge ne subit aucun décalage. Les deux derniers modes de réalisation décrits (com- prenant des organes de correction 23 et 24 et/ou mettant en oeuvre le décalage des points de fixation des cordes sur la console) sont aussi applicables à un ressort de tarage (par exemple 15 sur la figure 1), car une variation de la force exercée par le ressort de tarage provoque la modulation des deux ressorts de couplage et donc des deux cordes. Ainsi, le point neutre du système peut être stabilisé par rapport aux variations de température. Le mode de réalisation de la figure 4 diffère de ceux décrits précédemment par la superposition directe-des deux par ties S1, F1 et S2, F2 du système qu'un bras commun 27 on porte-à- faux relie au support 11 (la disposition pourrait aussi en principe être horizontale). Par ailleurs, deux éléments auliliaires 28, 28' et 29, 29' de couplage sont disposés entre les deux cordes : deux lames de ressort 28, 28' sont reliées par leur centre aux-points de couplage S1- F1 et S2 ~ F2 et sont reliées à proximité de leurs extrémités par des fils 29 et 29' qui sont de préférence en matériau à faible allongement aux variations de température (dans la plage qui est intéressante en pratique). Les points de fixation des fils sont ré glables dans la direction des flèches doubles pour permettre le réglage des constantes d'élasticité des ressorts. L'augnentation des forces intérieures des ressorts F1 et F2 de couplage due a' à ltéchauffemerlt et le déplacemer.t con- sécutif des points de fixation des cordes sur la console sont par exemple accessoirement amplifids dans le cas particulier par l'élévation des forces internes des lames 28 et 28' de ressort. Il est ainsi possible de compenser la chute de fréquence, duc à l'échauffement, des cordes St S2 2 et la sensibilité du dispositif est pratiquement stabilisée car la force auxiliaire d'amplificat-ion produite par les laces de ressort 28 et 28' sur les aeux cordes est la me me. En variante - non représentée - dont l'effet est analogue, les organes 28 et 28' sont des barres rigides et les fils 29 et 29' sont remplacés par des ressorts à faible dilatation linéaire correspondante (par exemple des ressorts travaillant au flambage, des ressorts hélicoSdaux ou des lames de ressort). La disposition décrite permet de procéder à des corde rections quelconques des forces extérieures s'exerçant sur les cordes en les élevant ou en les abaissant aux variations de température, selon chaque cas particulier. La figure 4a illustre une autre variante dans laquelle une bilame 37 constituant un élément élastique de correction est disposée à la jonction 36 du guide en parallélogramme et des ressorts de couplage. La bilame 37 se compose d'un ruban 37a à faible allongement thermique et a'un ruban 37b à fort allongement thermique. En cas dséchauf- fement, la force résultante de correction augmente la traction des cordes. L'exemple de réalisation de la figure 5 se rapporte à un appareil de mesure d'une masse. I1 est essentiel dans ce cas que la traction initiale des deux cordes S1 et S2 soit produite exclusivement par des masses (masse N de mise sous traction initiale ou masse de la partie mobile de la balance - c'est-à-dire du plateau 10, du support il, etc-). La masse N de mise sous traction initiale est guidée parallèlement par des bras oscillants 30 et 30' fixés d'un côté, de manière analogue au plateau 10. Un ressort 31 de traction, qui accouple les deux parties du système, est accroché d'une part à un bras 32 en porte-3-faux du support 11 et d'autre part par un levier 33. Celui-ci est monté élastiquement sur un joint articulé 34 de flexion et comporte à l'autre extrémité un organe 33a de suspension. Celui-ci est relié au levier 33 par un support 34a à flexion et son extrémité supérieure forme le point d'accouplement entre la corde S2 et le ressort F2.Le ressort 31 est réalisé dans ce cas de la meme manière que le ressort F1 et ses points de fixation sont do préférence réglables de la manière indiquée par la floche double (se rapporter aux explications données en regard de la figure 2). Lorsque les ressorts F1 et 31 ne sont pas les mmes, le rapport voulu de transmission peut se régler sur le levier 33 (qui travaille pratiquement sans course) pour la modulation des cordes. La conception du mode de réalisation de la variante de la figure 6 est analogue à celle du mode de réalisation précédent, mais toutefois son encombrement est plus faible, car les deux cordes sont disposées du meme côté du support 11. Ce mode de réalisation se caractérise par ailleurs par l'absence de couplage mécanique entre les deux parties du système : le couplage est établi par deux aimants permanents 35 et 35' qui font varier la modulation des cordes. Les piles de meme signe, tournés l'un vers autre, exercent l'un sur l'autre une force de répulsion qui augmente de la position neutre avec l'accroissement convenablement limité de la déflexion du support 11. La composante verticale de la force magnétique, utilisée dans le cas particulier pour le couplage, se superpose à la charge de la balance. Il peut ventre avantageux que le réglage du guide du support de charge soit neutre, donc par exemple d'éliminer la cone- tante d'élasticité d'un guide en parallélogramme. I1 est possible de faire ainsi en sorte que ce dernier n'influe plus du tout sur les forces des ressorts de couplage lorsque les températures fluctuent et donc que ces forces varient exactement dans la niAme mesure. I1 en est de meme pour la constante d'élasticité d'un ressort éventuel de tarage.Une possibilité offerte dans ce cas consiste à utiliser un ressort sinusoïdal tel que celui représenté sur la figure 7, c'est bruire une lame de ressort 38 mise sous contrainte initiale sous forme sinusoIdale, ses deux\extrémités étant fixées dans la console et son milieu étant relié au support 11. Ce ressort a une constante négative d'élasticité qui est capable de compenser juste celle du guide 12, 12' en parallélogramme et celle du ressort 15 de tarage (les autres détails de la figure 7 correspondent à ceux des autres figures et sont donc supprimées). Une autre possibilité non représentée consiste par exemple à'utiliser un système d'aimants destinés à éliminer les constantes de ressort. L'appareil de l'invention se caractérise par l'absence pratique ment totale de résonances pa-rasites ou secondaires et de battements que de faibles difr"érences peuvent faire apparaître aux mimes fréquences notirlales lorsque le découplage mutuel des deux cordes est mauvais. Le découplage obtenu par l'invention a pour résultat une stabilité des fréquences qlji est un multiple de celle des dispositions an térieures. Par ailleurs, l'invention permet de créer par des moyens simples des forces compensatrices des fluctuations de température en tirant parti des caractéristiques des ressorts de couplage. Bien qu'en général les appareils utilisés soient à deux cordes vibrantes, les avantages de l'invention sont aussi valables en principe pour les appareils par exemple à trois cordes. Les cordes et ressorts des exemples représentés sont tous verticaux, comme dans les réalisations pratiques classiques. Toutefois, les dynamomètres,par exemple, peuvent être réalisés de la m8me manière horizontalement si nécessaire. D'autres domaines d'application de l'appareil de l'invention sont par exemple les cellules de mesure de ponts à bascule ou les appareils de mesure d'un couple de rotation. Il va de soi que les appareils décrits et représentés peuvent subir diverses modifications sans sortir du cadre de l'inven- tion. RFVENDICATIONS 1. Appareil de mesure à support mobile de charge et à au moins cotes cordes placées sous traction initiale et exécutant des vibrations transversales, caractérisé en ce qu'au moins un organe élastique relie individuellement chaque corde au support de charge. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce- que l'organe élastique est un ressort hélicoïdal sollicité à la traction. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe élastique est relié directement à une extrémité de la corde correspondante. 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'un des organes élastiques comporte un dispositif de réglage de sa constante d'élasticité. 5. Appareil selon la revenlication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'un des organes élastiques est divisé en plusieurs organes élémentaires. 6. Appareil de mesure selon la revendication 5, caractérisé en e que les organes élastiques álémentaires sont dimen sionnés différemment. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que les organes élastiques élémentaires sont des ressorts hélicoidaux eoncezltriques. 8. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qutil comprend deul parties dont chacune comporte une corde et qui sont couplées par des éléments élastiques. 9. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux parties dont chacune comporte une corde et qui sont couplées par un système magnétique. 10. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cordes et, le cas échéant ou en variante, un ressort de tarage éventuellement présent sont associés à des organes auxiliaires de correction destinés à compenser l'effet perturbateur des températurcs sur le fonctionnement des cordes. 11. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par gcs organes de réglage de la sensibilité de l'appareil par variation de la forte exercée par les organes élastiques 12. Appareil selon la revendication 1 dans lequel le support de charge comprend un guide élastique en parallélogramme, caractérisé par des organes de compensation de la constante d'élasticité du guide en parallélogramme et d'un ressort de tarage éventuellement présent de manière que les forces des organes élastiques varient dans la meme mesure sous l'effet des variations de température. 13. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'un des organes élastiques attaque un bras de levier raglable.