Brevet FR2220076A1 — publié le 19740927

La présente invention est relative a- un dispositif pernettant ae convertir une grandeur physique quelconque en une fréquence mécanique aisément mesurable, cette fréquence étant proportionnelle à la racine carrée d'une fonction linéaire de cette grandeur. On sait que tout système mécanique à un degré de liberté présente une équation de mouvement du second ordre. Ainsi, le mouvement d'un solide autour d'un axe fixe est régi par l'équation différentielle: dans laquelle 8 mesure l'élongation angulaire du solide autour de l'axe de rotation, t le temps, X la somme algébrique des nioments par rapport à l'axe des forces extérieures appliquées au solide et I le moment d'inertie de ce solide par rapport à cet axe. Si les forces appliquées sur le solide sont telles que le moment a soit proportionnel à e et de signe opposé, soit: = e Ke (2) l'équation différentielle caractérisant le mouvement du solide est celle d'un mouvement d'oscillation périodique autour de l'axe, dont la pulsation a pour expression: ce qui correspond à la fréquence Si l'on suppose alors que K est de la forme: =aG+b = a G + b (5) où G représente la grandeur physique considérée et a et b sont des constantes, on voit que F est proportionnelle à la racine carrée d'une fonction linéaire de- la grandeur G. Le terme aG de l'expression (5) exprime l'action cie la grandeur G sur le solide, tandis que le terme b correspond au couple par rapport à l'axe supposé horizontal exercé par le poids Mg du solide appliqué au centre de gravité r de celui-ci, distant de l'axe d'oscillation de la distance algébrique ss (Fig. 1).On a pour de faiblesvaleurs de l'angle e avec la verticale b = Mg4 (6) Si à titre indicatif et non limitatif, on applique la aémonstration précédente à un système de mesure du débit d'un fluide de masse volumique constante comportant un organe déprimogène placé dans la veine fluide en écoulement et un instrument de mesure de la différence de pression Ap entre l'amont et l'aval de cet organe, le débit-masse a pour expression: Or, certains manomètres différentiels de précision actuels, notamment du type à balance de forces, transforment la pression différentielle à mesurer en un courant électrique i selon l'équation linéaire: xn portant (8) dans l'équation (7), on a donc:: On sait enfin qu'une bobine de fil conducteur de l'électricité parcourue par un courant i, montée mobile autour d1un axe parallèle au plan des spires et disposée dans une induction magnétique b dont les lignes de force sont uniformes et perpendiculaires à cet axe, est soumise à un couple dont le moment, conformément à la loi de Laplace, est égal, pour de faibles valeurs de l'élongation angulaire e et pour un sens convenable de X, : ou n est le nombre de spires de la bobine de rayons R. On réduit des équations (2), (5), (6), (10): On en déduit selon la relation (4): in plaçant le centre de gravité de l'ensemble mobile au Doint r d'abscisse négative 2 telle aue: on a, en portant dans la relation (9) q = k2 . F (14) La quantité de fluide Q débitée entre les instants O et t se mesure donc par la relation: où F(t).dt est la différentielle du nombre de périodes d'oscillation. On a donc en définitive: Q|t = k2| nombre de périodes|t (16) o o La quantité de fluide débitée Q peut ainsi-être mesurée par le nombre de périodes d'oscillation de l'ensemble mobile comportant la bobine parcourue par le courant i rçprésentatif de la pression différentielle. La présente invention est relative à un dispositif qui permet une application pratique des considérations théoriques exposées ci-dessus. A cet effet, ce dispositif se caractérise en ce qu'il comporte: - un ensemble mobile constitué d'un fléau de balance oscillant autour d'un axe, de deux masses identiques symétriques par rapport à l'axe d'oscillation du fléau, montées aux extremités de celui-ci et déplaçables sur le fléau pour faire varier son moment d'inertie par rapport à- l'axe, d'un doigt s'etendant perpendiculairement au fléau à partir de l'axe d'oscillation, et d'une masselotte pesante montée sur le doigt et mobile sur celui-ci pour ajuster la position du centre de gravité de l'ensemble mobile, - une source d'induction magnétique dans un entrefer où est placée une bobine cylindrique portée par le fléau les lignes de force du champ créé s'étendant horizontalement et perpendiculairement à l'axe d'oscillation du fléau, - un appareil de mesure fournissant un courant dont l'intensité est une fonction linéaire de la grandeur à m - et un système de comptage des périodes d'oscillation de l'ensemble mobile. Avantageusement, la source d'induction magnétique est constituée par les deux pâles d'un aimant permanent. D'autres caractéristiques d'un dispositif de mesure établi conformément à l'invention apparaîtront encore à travers la description qui suit d'un exemple de réalisation, donné à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la Fig. 1 illustre un solide de forme quelconque, oscillant autour d'un axe horizontal sous l'effet d'un ensemble de forces extérieures appliquées à ce solide. - la Fig. 2 est une vue schématique en coupe d'une bobine magnétique cylindrique, montée mobile autour d'un axe et placée dans les lignes de force d'un champ magnétique créé par un aimant permanent; - la Fig. 3 est une vue en perspective d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Sur la Fig. 1, la référence l désigne un solide de forme quelconque monté mobile autour d'un axe horizontal O et animé autour de cet axe d'un mouvement d'oscillation dont l'amplitude est repérée par l'élongation angulaire e mesurée entre la verticale 2 et un axe de référence 3 porté par le solide. Sur l'axe de référence 3 passant par l'axe O, le point r désigne le centre de gravité du solide auquel est appliquée une force verticale Mg, représentant le poids du solide, la distance algébrique OP étant mesurée par 1. La Fig. 2 montre, disposée entre les pôles 4 et 5 d'un aimant permanent, une bobine cylindrique 6, apte à être parcourue par un courant électrique i, cette bobine étant montée oscillante autour d'un axe, la position de la bobine par rapport à la verticale 2 étant repérée par l'angle e. Conformément aux considérations exposées précédemment, les périodes d'oscillation de cette bobine dans l'entrefer délimité entre les pôles 4 et 5 de l'aimant permanent sont représentatives de la racine carrée d'une fonction linéaire du courant qui la parcourt, ce courant pouvant être dans l'exemple plus spécialement considéré, fourni par un manomètre différentiel. La Fig. 3 illustre le dispositif de l'invention. La bobine 6 est rendue solidaire par l'interlflédiaire d'un bras-support 7 d'un fléau transversal 8 aux extrémités duquel sont disposées deux masses 9 et 10, identiques l'une à l'autre et symétriques par rapport au point milieu du fléau 8 sur lequel se raccorde le bras-support 7. L'ensemble précédent est monté oscillant sur deux couteaux verticaux 11 et 12, définissant ensemble un axe d'oscillation horizontal, la bobine 6 étant montée entre les pôles 4 et 5 fournissant une induction magnétique dont les lignes de force sont perpendiculaires à l'axe d'oscillation. Le fléau 8 comporte également un doigt vertical 13 sur lequel est disposée une masselotte 14 dont la position peut être rendue variable de manière à ajuster la position du centre de gravité de l'ensemble mobile et notamment la distance 1 entrant dans la formule (11); de même les masselottes 9 et 10 peuvent être déplacées le long du fléau de manière à faire varier le moment d'inertie I de l'ensemble. Enfin, le dispositif se complète au moyen d'un appareil de mesure 15, placé sur l'axe d'oscillation du fléau, cet appareil permettant de compter le nombre des oscillations de cet axe en application de la formule (16). On réalise ainsi un appareil de conception et de réalisation très simples qui présente notamment l'avantage de fournir une grande précision de mesure, correspondant à celle d'un pendule ou d'une balance. Par ailleurs, cet appareil permet l'élaboration directe d'un signal de sortie en basse fréquence, utilisable par un compteur mécanique ou électromécanique. Enfin, des possibilités de réglage par variation du moment d'inertie et de la position du centre de gravité ou par diminution de l'entrefer de l'aimant sont immédiatement envisageables, sans entraîner de modifications dans la réalisation pratique de l'appareil. Bien entendu, il va de soi que l'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation plus spécialement considéré ci-dessus; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. notamment et dans cet exemple, les considérations exposées s'appliquent lorsque la masse volumique du fluide dont on mesure le débit est constante. Si cette masse volumique varie, il est également possible de traduire cette masse volumique en fréquence, l'équation (14) devenant de la forme: q = K' . F(Ap) . F(p) (17) où p est la masse volumique. Dans ce cas, les deux fréquences sont multipliées par un montage multiplicateur classique, la fréquence résultante étant intégrée comme dans l'exemple précédent. En variante, la mesure de la fréquence due à la masse volumique peut être transformée en un courant servant à alimenter directement une bobine auxiliaire fournissant, aux lieu et place de l'aimant permanent, l'induction magnétique nécessaire. Enfin, une autre solution peut consister à produire un courant proportionnel au produit de deux courants proportionnels à la pression différentielle et à la masse volumique et à utiliser ce courant pour alimenter la bobine comme dans le premier exemple de réalisation. REVENDICATIONS 1. Dispositif calculateur-intégrateur de la racine carrée d'une fonction linéaire d'une grandeur physique, par conversion de cette grandeur en une fréquence mécanique, caractérisé en ce qu'il comporte: - un ensemble mobile constitué d'un fléau de balance oscillant autour d'un axe, de deux masses identiques symétriques par rapport à l'axe d'oscillation du fléau, montées aux extrémités de celui-ci et déplaçables sur le fléau pour faire varier son moment d'inertie par rapport à l'axe, d'un doigt s'détendant perpendiculairement au fléau à partir de l'axe d'oscillation, et d'une masselotte pesante montée sur le doigt et mobile sur celui-ci pour ajuster la position du centre de gravité de l'ensemble mobile, - une source d'induction magnétique dans un entrefer où est placée une bobine cylindrique portée par le fléau, les lignes de force du champ créé s'détendant horizontalement et perpendiculairement à l'axe d'oscillation au fléau, - un appareil de mesure fournissant un courant dont l'intensité est une fonction linéaire de la grandeur à mesurer, - et un système de comptage des périodes d'oscillation de l'ensemble mobile, 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'induction magnétique est constituée par les deux pôles d'un aimant permanent. 3 Application du dispositif selon les revendications I et 2, à la détermination d'une quantité de fluide de masse volumique constante ou variable, au moyen d'un organe déprimogène monté dans la veine de fluide en écoulement et d'un instrument de mesure de la pression différentielle entre l'amont et l'aval de cet organe, transformant cette pression en une fonction linéaire d'un courant électrique alimentant la bobine de l'ensemble mobile.