Brevet FR2203972A1 — publié le 19740517

Appareil destiné au pesage de masses par l'intermédiaire de leviers usuels de bascules, dans lequel les poids connus,ajoutés,retranchés ou déplacés,sont remplacés par une balance de force électromagnétique. Cette demande de brevet consiste en une application du brevet principal nO 71 17911 du 18/5/71 et du certificat d'addition n072 04955 du 15/2/72. Il ne semble pas y avoir de dispositif de pesage utilisant actuellement cette technique. Les techniques les plus proches existant actuellement utilisent,soit des systèmes à jauge de contrainte basés sur l'élasticité d'une éprouvette en métal au coefficient d'élasticité bien défini et constant,soit des dispositifs de télétransmission d'une balance mécanique usuelle. L'information fournie par l'ensemble des jauges d'un dispositif de pesage est usuellement obtenu par recopie de la variation de résistance des jauges par l'intermédiaire d'un poten tiomètre asservi électroniquement.Cela entrain un ensemble relativement complexe soumis à plusieurs causes de dérive : fluage de l'éprouvette,distorsion des jauges ou évolution de celles-ci et en particulier leur moyen de fixation sur l'éprouvette Le procédé utilisant la balance mécanique conventionnelle supporte difficilement les chocs au niveau des couteaux et l'usure de la chaine cinématique d'entratnement du contrepoids ainsi que celle du téléaffichage. En outre lorsque la solution d1équilibrage par contrepoids asservi est retenue,il intervient les constantes de temps du servo-mécanisme chargé de déplacer le contrepoids. L'autre procédé du type balance mécanique asservis présente les m8mes inconvénients. La balance de force selon l'invention vise à supprimer ces divers inconvénients. L'avantage de cette balance de force réside dans le fait que la mesure s'effectue au moyen d'un organe pseudo-statique,sans frottement ni retour élastique de grandeur comparable à la précision de la mesure. Un autre avantage de l'invention réside dans la conversion directe de la force mécanique en grandeur électrique à travers une loi fondamentale de l'électro- magnétisme. Ce résultat est obtenu selon l'invention au moyen d'une bobine de dimensions invariables,plongée dans l'entre-fer d'un système magnétique dont le champ est maintenu constant par les procédés suivants: Cas usuels: Aimant permanent de haute qualité,préalablement stabilisé et vieilli. La dérive thermique du champ de cet aimant est compensée par un court-circuit partiel en alliage magnétique, dont la perméabilité varie rapidement en fonction de la température. D'autre part la réaction de la bobine sur le champ principal est compensée par un enroulement dont le nombre d'ampére tour est calculé exactement en fonction des caractéristiques du circuit magnétique choisi. Cas particuliers: Pour certaines applications où l'on craint une dérive à long terme de l'aimant,le flux magnétique est créé par une bobine de. champ dont le courant est stabilisé à partir d'un moteur force de même principe,mais dans lequel la référence est constituée par g (force de gravité). Ce 2ème moteur force reçoit les mêmes perfectionnements d'enroulement de compensation de champ que le moteur force de l'exemple précédent. Ce moteur force devra être disposéssparfaiX, selon la verticale du lieu et devra être réglé pour la valeur de g au lieu le a considéré. De plus le système devra être flotté de façon à le rendre auto-amorti. Dans certains cas où les dimensions du circuit magnétique du moteur force seraient telles que le calcul ferait apparaître une possibilité de perturbation du champ par variation dimensionnelle des pièces,un choix précis du matériau constituant le circuit magnétique,devra autre effectué,par exemple des alliages de ferronickel. D'autres objetsJcaractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui suit,d'exemples non limitatifs,faite en regard des dessins annexés dans lequels - La fig.1 montre un module de moteur force électromagnétique simple. - La fig.2 montre un module de moteur force électrodynamique. - La fig.3 montre le module de la fig.2 sur lequel est ajouté un plongeur. - Lesfig.4 et 5 montrent le schéma de principe du servo-mécanisme numérique d'équilibrage. La fig.1 représente un module de moteur force électromagnétique simple. Il comporte le module d'assemblage 1,relié aux autres modulés composant l'appareil par la tige filetée 2 et les entretoises 3,l'armature 4 rendue solidaire de 1 par une couronne de vis 6,la bobine mobile 7 centrée par le flector 8 est solidaire de ltéquipage mobile 9,la pièce polaire 10 fixée sur aimant permanent 11 par la vis 12. Pour des mesures de grande précision,on adjoint la bague "shunt" 13 en alliage thermo-magnétique et la bobine fixe 14. La fig.2 représente un module de moteur force électrodynamique.Il comporte le nodule 1 ,la bobine mobile 7 centrée sur le flector 8 et solidaire de l'équi- page mobile 9 ,la pièce polaire 10,1'armature 4,le noyau-'15,la vis d'assemblage 12,la bobine fixe 16 et éventuellement la bobine de compensation d'hystérésis 17. La figure 3 montre un moteur force utilisant comme référence la valeur g de la pesanteur.Ce moteur est identique à celui représenté sur la fig.2,mais avec en plus un micro-plongeur d'amortissement 18.La dimension et la masse du plongeur 18 sont établies en fonction de la sensibilité de la balance ainsi constituée par le moteur force. Tel qu'il est représenté,le moteur force fonctionne de la façon suivante:la bobine mobile,placée sur un axe vertical,lestée d'une masse connue,reçoit un appendice amagnétique 18 qui plonge dans une cavité remplie partiellement d'un fluide non volatil, tel que par exemple de l'huile silicone visqueuse,sans ten sion de vapeur mesurable à la température ambiante;;sans cet appendice,l'appareil décrit serait un moteur force pur dont le déplacement serait théoriquement infl- ni pour un courant donné dans la bobine.En position d'équilibre entre le poids de l'équipage mobile et la poussée électromagnétique engendrée par cette bobine,, la position de l'ensemble est indéterminée,pour autant que l'on ne sorte pas des limites de l'entrefer,celles-ci étant constituées par de simples butëes.Cet état particulier est en tout point comparable au fléau d'une balance dans laquelle le centre de gravité serait confondu avec l'axe de suspension ou de pivotement. Ce système à stabilité indifférente ne permet pas d'effectuer une mesure proprement dite puisque le point d'équilibre exact ne peut être défini.Dans le cas du moteur force il existe bien un point d'équilibre défini par le détecteur d'écarts,mais le déphasage du servo-mécanisme est très difficile à compenser,ce qui rend aléatoire le fonctionnement du système (absence de boucle interne de retour). Par contre,le plongeur 18,dont le volume et le poids sont calculés en fonction du poids de l'équipage mobile et de la sensibilité désirée,a pour but de créer le retour interne indispeisable à la stabilité du servo-mécanisme et facilite l'obtention d'un point zéro.En effet,pour un courant donné dans la bobine mobile, la variation d'immersion du plongeur crée une variation de poids apparent de 1' équipage mobile,qui ne permet qu'une position d'équilibre pour l'ensemble. Un étalonnage en fonction du g du lieu dé mise en service de l'appareil s'effectue par variation de la réluctance du moteur force étalon .Cette variation,suivant les facilités d'usinage,consiste soit à placer un shunt magnétique réglable ,en parallèle sur les pôles de l'électro-aimant,soit à aménager une cavité dans la pièce polaire 15,dans laquelle se déplace une pièce filetée mobile permettant un réglage de la réluctance de cette pièce polaire. Les figures 4 et 5 montrent le schéma de principe du servo-mécanisme numérique d'équilibrage comportant:un détecteur d'écart 19,un amplificateur 20,un générateur d'impulsions 21, une porte"compte" 22 et une porte "décompte" 23,un compteur binaire 24 (14 bits pour plus de 10.000 points) ,un décodeur 25,un dispositif d'affichage numérique 26.I1 comporte en outre (fig.5) une source de référence 27, un ensemble de prises constituant une échelle de tension 28,autant de sources de courant 29 que de bits (14) dans le compteur,un nombre de commutateurs 30 en quantité égale à celle des sources de courant 29,une bobine de moteur force 31 ,fractionnée en 14 éléments binaires,dans le cas de l'exemple,éche- lonnés selon les poids des puissances croissantes de 2. Le servo-mécanisme numérique fonctionne de la façon suivante: il est supposé que le circuit magnétique du moteur-force est conçu pour présenter un champ constant,quelles que soient les variations de température et les variations des ampère-tours parcourant la bobine mobile. L'enroulement de la bobine mobile 7 est disposé de manière à présenter ue ensem- ble de bobines partielles juxtaposées 31 ,chaque élément représentant une puissance de 2 d'un rang déterminé. Par exemple,pour obtenir une définition de 1/10.000e, il faudra que la bobine soit constituée de 14 éléments juxtaposés correspondant chacun à la puissance de 2 considerée, 214 =16.384 .Ce fractionnement en 14 éléments en puissance croissante de 2, permet d'obtenir effectivement 16.384 points.Chaque élément est alimenté à partir d'une source d'intensité constante,dont le pcincipe est bien connu de l'homme de l'art,la référence d'intensité étant une tension obtenue à partir d'un étalon plu::s stable que la précision demandée à l'appareil.Dans l'état actuel de la technique,il est possible d'obtenir une stabilité de la tension au moins égale à 1.10 Chaque référence de tension correspondant,rappelons-le, aux puissances croissantes de 2,est mise en service par l'état correspondant des bascules d'un ensemble compteur-décompteur binaire 24.I1 est à noter qu'il peut titre fait usage d'une seule tension de référenceten définissant les résistances des sour ces individuelles homogènes à la puissance de 2 considérée.Un soin particulier devra être pris pour que la commutation de ces références de tension n'introduise pas de variations erratiques de la tension de référence effectivement appliquée aux sources élémentaires de courant constant 29.L'état du compteur binaire 24 est sous la dépendance d'un programme de comptage-décomptage,luimême soumis à l'amplificateur d'erreur 20 du capteur.Pour ce faire, les impulsions de comptage ou de décomptage appliquées,sont fournies par le système d' horloge 21, bien connu des utilisateurs d'horloges numériques, mais appliquées au compteur seulement en cas de discordance entre la poussée développée par le moteur force et la pression exercée par exemple dans la capsule de mesure du capteur. Supposons que la poussée du moteur force soit inférieure à celle nécessitée pour-ltéquilibrage,l'amplificateur présente alors une erreur,que nous appellerons positive,qui ouvre la porte 22 au passage des impulsions "compte",l'état des compteurs se modifie dans le sens de I'aug-mentation åusqutà ce que la somme et l'ordre des courants dans les éléments bobines du moteur force par viennent à annuler l'erreur.A ee moment,l'amplificateur 20 ne délivre plus aucun- signal et l'état des compteurs correspond exactement,au coefficient près de l'appareil, à la mesure de la poussée exercée sur l'équipage mobile 9.Par les procédés bien connus de décodage,l'état des compteurs est aisément affixe chable en grandeur numérique usuelle 26,ce qui constitue la lecture-directe de la grandeur mesurée par le système. Le fonctionnement inverse (décomptage 23) s'effectue d'une manière rigoureusement semblable.Cependant ce procédé, qui fait passer l'état du servo-mécanisme par une valeur numérique, fournit une information directe,donc par définition/ précise;il n'est pas fait usage de convertisseur analogique numérique,toujours-- source d'une certaine imvrécision. On peut appliquer le même principe dans le cas où une seule source de courant constant est utilisée,il suffit pour cela de placer les résistances étalon 32 en parallèle sur l'entrée d'un amplificateur unique et de combiner leur valeur pour que le dispositif de commutation 30 crée des valeurs selon des puissances croissantes de 2 ou leur inverse.Dans ce cas,la bobine mobile ne possède qu'un seul enroulement. REVENDICATIONS 1 - Balance de force électromagnétique de précision destinée au pesage de masses,par l'intermédiaire de leviers usuels de bascules,caractérisée par le fait que les poids connus ajoutés,retranchés ou déplacésrsont remplacés par une balance de force électromagnétique comportant en combinaison: - un ensemble de pièces mécaniques assurant la cohésion des divers éléments de la balance, - un moyen de détection d'écart par rapport au zéro de la balance, - un moyen moteur force comprenant un équipage mobile composé essentiellement d'une bobine mobile suspendue librement dans l'entrefer d'un champ magnétique invariable, - un moyen servo-mécanisme numérique. 2 - Balance de force selon la revendication 1,caractérisée par le fait que le moteur force est électromagnétique,dont le champ est entretenu par un aimant permanent. 3 - Balance dé force selon la revendication 1,caractérisée par le fait que le moteur force est électrodynamique,son champ est produit par une bobine parcourue par un courant électrique constant. 4 - Balance de force selon la revendication 1,caractérisée par le fait que le moteur force électrodynamique est alimenté à courant invariable par l'tintez médiaire d'un 2ème moteur force semblable dont l'axe de l'équipage mobile est placé verticalement pour permettre la référence sur g : le courant de la bobine mobile de ce 2ème moteur sert à la fois de courant d'excitation du moteur force de mesure et du moteur force de référence. 5 - Balance de force selon lès revendications 1 et 4 prises séparément,ca- ractérisée par le fait que la bobine mobile placée verticalement dans le cas de l'utilisation de la référence sur g,est munie d'un appendice amagnétique 18, de volume et de poids appropriés à la sensibilité désirée pour la référence. 6 - Balance de force selon les revendications 1,4 et 5,prises séparément, caractérisée par le fait qu'un moyen connu est prévu pour faire varier la ré luctance du circuit magnétique du moteur force lorsque celui-ci est utilisé comme référence sur g. 7 - Balance de force selon les revendications de 1 à 6 prises séparément caractérisée par le fait que le moyen servo-mécanisme comporte une bobine fractionnée selon des puissances croissantes de 2 pour utiliser avec les compteursdécompteurs usuels basés sur la numération binaire,un autre système de numéra tion entrains une progression basée sur la numération choisie. 8 - Balance de force selon les revendications 1 et 7,caractérisée par le fait que les sources élémentaires de courant constant alimentant les éléments fractionnaires de la bobine mobile délivrent les courants croissants selon une puissance croissante de 2 en système binaire et selon la base choisie dans le cas d'une autre numération. 9 - Balance de force selon les revendications 1,7 et 8 caractérisée par le fait qu'elle conprend une source unique de courant constant dans laquelle celui-ci est défini par une tension unique de référence agissant sur une série de résistances talon groupées selon une puissance croissante de 2 en système binaire. 10 - Balance ae force selon les revendications 1 et 9,caractérisée par le fait que la bobine mobile du moteur force est constituée d'une bobine unique alimentée par la source de courant régulé.