Brevet FR2308093A1 — publié le 19761112

La présente invention a pour objets de nouveaux moyens de mesure de la fréquence de résonance propre (c' est-à-dire en oscillation libre) d'un barreau de matière magnétostrictive fait, par exemples d'un acier à 42 % de nickel, pouvant également contenir des traces de chrome et de molybdène, et vibrant longitudinalement. On sait que de tels barreaux sont utilisés pour la réalisation de filtres mécaniques employés dans certains systèmes téléphoniques multiplex à courants porteurs à voies étagées en fréquence. Pour la réalisation pratique d'un tel filtre, dont la bande passante de fréquences serait de 128-132 kHz, il peut Outre nécessaire, par exemple, d'obtenir plusieurs barreaux ayant une fréquence de résonance propre de 129,850 kHz avec nrue précision de + 1 Hz.Le réglage de la fréquence propre à la valeur désirée se faisant par raccour cissement du barreau, il est nécessaire, pour assurer l'exécution rapide de ltusinage correspondant, de pouvoir lire directement sur un dispositif automatique ne nécessitant que quelques secondes de fonctionnement la valeur nuîérique de cette fréquence, primitivement comprise par exemple entre 127,9 et 130,1 z. Bien que les valeurs de fréquence sus-mentionnées ne soient données qu'à titre d0e:iples non limitatifs, on supposera pour simplifier l'expose que ces valeurs sont celles adoptées dans la réalisation ci-après décrite de l'invention. De manière connue, le barreau magnétoutrictit dont on veut mesurer la fréquence propre est couplé à une bobine servant alternativement, soit à exciter sa vibration lorsqu'elle est parcouru par un courant fourni par un oscillateur ayant une fréquence très voisine de ladite fréquence propre, soit comte bobine réceptrice lorsque le barreau vibre en escillation libre. Cette bobine n'est que très faiblement couplée au barreau, afin de ne pas modifier les caractéristiques propres de vibration de celui-ci. Cette dernière condition exclut la mesure, selon l'art connu, de la fréquence cherchée par inclusion du barreau dans un ensemble osc X ateur à tubes électroniques ou à transistors, car le fonctionnement d'un tel ensemble exige un couplage ralativement important entre le barreau et les antres éléments de l'installation, ce qui a pour conséquence qae la fréquence de l'oscillation entretenue diffère sensiblemont de la fréquence d'oscillation libre du barreau seul. Dans le procédé de l'invention, la bobine est alternativement utilisée, pendant une suite de périodes de temps alternées et de durés constantes connues, colle excitatrice alimentée par un oscillateur dont la fréquence est automatiquement réglée jusqu'8 une valeur très voisine de la fréquence propre cherchée et comme réceptrice influencée par l'oscillation libre du barreau. On compte alors le nombre total d'oscillations simples effectuées pendant une fraction donnée de l'ensemble des périodes où le barreau oscille librement et où la bobine est réceptrice, et l'on affiche le résultat du comptage, qui est donc proportionnel au nombre total desdites oscillations simples effectuées pendant la durée totale desdites périodes où la bobine est réceptrice. Le principe même d'une telle méthode exigerait donc des durées d'excitation assez longues pour que, malgré la faible valeur du couplage, le barreau puisse atteindre une amplitude d'oscillation suffisamment grande à la fin de chaque période d'excitation. Ce principe exigerait également des durées assez grandes de fonctionnement de la bobine en réceptrice, afin d'obtenir la précision désirée par le comptage d'un nombre suffisant dwoscillations libres. Ainsi, par exemple, en supposant la fréquence propre du barreau égale à 130 kHz et chacune des périodes alternées égale à 10 millisecondes, durée correspondant à un amortissement dans le rapport de 2 à 1 de l'oscillation libre (facteur de qualité de l'ordre de 1300), il faudrait, si l'erreur sur chaque comptage élémentaire était de + i Hz, envisager une durée de comptage de l'ordre de 100 secondes pour obtenir une précision de + 1 Hi sur la fréquence de 130 kHz, la réduction statistique de l'erreur ntayant lieu qpeproportionndLeo ment i la racine carrée du nombre des comptages élémentaires Selon un procédé connu, on peut aussi utiliser un harmonique élevé de la fréquence des oscillations libres pour augmenter la précision du comptage et réduire proportionnellement l'erreur sur la fréquence comptée, mais ce procédé entratne l'emploi d'appareils multiplicateurs de fréquence de rapports très élevés, dont le fonctionnement présente des risquons accrus d'instabilité. Le procédé de l'invention emploie une méthode mixte, utilisait une multiplication dans un rapport relativement peu élevé de la fréquence des escillations libres, suivie du comptage pendant un temps relativement court du nombre des oscillations de la fréquence multipliée. A titre d'exemple non limitatif, et pour simplifier l'exposé, on supposera ci-aprbs que les barreaux étudiés ont tne longueur d'environ 20 nin et un diamètre de 4,5 mm, ce qui correspond, pour l'oscillation longitudinale en demi-onde, à une fréquence voisine de 130 kHz. L'amortissement sera supposé tel que l'oscillation libre perde la moitié de son amplitude en 10 miflisecondes environ. Toujours à titre non limitatif, on supposera encore ci-après que les périodes alternes sus-mentionnées ont chacune une durée de 10 millisecondes et que la durée totale de la suite desdites périodes alternées est de 1 seconde. De plus, on supposera que, pendant chacune des périodes réceptrices, le comptage des oscillations libres du barreau n'est effectué que pendant une fraction de cette période apperée ci-après 1période de lecture" d'une durée de 5 il- lisecondes, afin de réserver, près de chacune des extrémités d'une telle période de lecture, un temps porte non utilisé en raison des phénomènes transitoires pouvant se produire, d'une part pendant la transition de l'état excité du barreau à son état d'oscillation libre et d'autre part en raison de l'amortissement déjà important de l'oscillation libre à la fin de la période réceptrice. Le fait que, pour un barreau de fréquence propre de 130 kHz, l'amplitude des oscillations libres peut être réduite de 50 % toutes les lOmil- lisecondes, montre l'intére^t qu'il y a à limiter la durée de la période de lecture sus-entionnée & 5 millisecondes, par exemple. A cet égard, on peut remarquer que l'emploi d'un grand nombre de périodes de lecture successives, avec comptage total des oscilla- tions libres, n'augoenterait pas nécessairement la précision de la mesure de la fréquence propre de cell-s-ci. En effet, une erreur de comptage d'une unité sur une durée de 10 milliscondes correspond à une erreur de 100 Hz en fréquence. Si, au commencement de chaque période de lecture, il existait toujours la même relation entre la phase de l'oscillation libre et le début de cette période, les erreurs correspondantes s'additionneraient pendant toute la durée du comptage, en sorte que l'augmentation de cette dernière durée n1 augmenterait pas la précision de la mesure. Au contraire, s'il n' exiat. entre la susdite phase et le début de la période de lecture qu'une relation aléatoire, les erreurs ne s'ajoutent que statistiquement et l'on peut obtenir une augmentation de la précision avec la durée du comptage, mais cette durée doit alors être assez longue pour qu'une précision élevée soit atteinte.Le procédé de l'invention fait appel à une technique intermédiaire permettant dtatteindre une précision de l'ordre de 0,1 Hz avec un temps de comptage de l'ordre de t seconde, L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée d'un exemple de réalisation donnée ci-après, avec l'aide des dessins annexés, dans lesquels - la Fig0 1 montre la répartition des périodes d'excitation, réceptrices et de lecture sus-définies ; et - la Fig. 2 montre le schéma de principe d'un dispositif mettant en oeuvre le procédé de l'invention. Se référant d'abord à la Fig. 1, la période totale (P+Q) est formée d'une période d'excitation P du barreau et de la période réceptrice consécutive Q, et la durée de chacune des périodes P et Q est de 10 millisecondes Les amplitudes A de l'oscillation du barreau, en fonction du temps t, pendant les périodes P et Q, ne sont pas représentées en vraie grandeur relative pour la facilité du dessin.La période Q est elle-même divisée en trois périodes successives, la première de 1 milliseconde, la seconde R de 5 milii- secondes qui est la période de lecture, et une troisième de 4 millisecondes, dont la seconde moitié, ici désignée par S, est seule effectivement utilisée et dont le rôle sera expliqué plus loin0 Se référant maintenant à la Fig. 2, la répartition en temps des diverses opérations effectuées pendant les périodes P, Q, R et S de la Fig. 1 est défineà à partir d'une base de temps définie par us oscillateur 1 à quartz, dont la fréquence de 1 MHz est définie avec une précision relative meilleure que 10-6.On sait que des résonateurs à quartz présentant cette précision, dans les limites courantes de condition d'emploi ( par exemple vis-à-vis des mmiations usuelles de température), sont couramment disponibles dans le commerce, où ils sont connus sous la désignation wTCXOtt Ltoscillateur 1 est suivi d'un ensemble 2 de diviseurs de fréquence successifs fornant une base de temps, qui délivre à l'une de ses sorties un signal de forme d'onde rectangulaire, de fréquro 50 Hz, formé de deux moitiés successives chacune d'une durée de 10 millieecondes distinctes par exemple par leurs valeurs respectives 1 et O (ou bien +1 et -1, ou toute autre paire de valeraa distinctes), La sortie 3 de l'ensemble diviseur de fréquence 2 alimente ainsi un second diviseur 4 de fréquence par 100 qui fournit à sa sortie un signal d'une durée totale de 2 secondes. Deux sorties appropriées 5 et 6 du diviseur 4 commandent 1' ouverture et la fermeture du tompteur d'impulsions avec affichage 7, qui est ainsi admis à compter pendant une durée de 1 seconde. Les impulsions à compter par le compteur 7 sont appliquées à l'entrée 8 de 7, à partir de circuits dont le fonctionnement sera expliqué ci-après. Une autre sortie 9 du diviseur 2 alimente une porte 10 de façon & M ne l'ouvrir, à chaque période de 20 millisecondes du signal fourni par 2, que pendant les 5 millisecondes de la partie de cette période représentée par R sur la Fig. 1. Cette porte 10 a une sortie reliée à l'entrée 8 sus-mentionnée du compteur 7, tandis que l'entrée de 19 reçoit, par ies moyens qui seront expliqués plus loin, des signaux représentant les oscillations libres du barreau magnétostrictif pendant la même période de temps R. La sortie 3 de 2 commande encore une porte "excitation-mesure" Il admettant par son entrée 12, pendant le temps P de la Fig. 1, les signaux d'excitation de la bobine contenue avec le barreau dans le bloc 13, tandis que, pendant le temps Q de la Fig. 1, la sortie 3 de 2 est reliée à l'entrée de commande 14 d'un circuit de porte 15 dont l'entrée de signal 16 reçoit de la bobine contenue dans le bloc 13 les oscillations libres fournies par cette dernière bobine pendant le temps Q de la Fig. 1.La sortie 17 du circuit do porte 15 est reliée à l'entrée 18 d'un multiplicateur de fréquence 19 (ici supposé multipliant par 40 la fréquence des signaux reçus à son entrée), tandis que les signaux obtenus à la sortie 20 de 19 sont appliqués à l'entrée de la porte 10. Le multiplicateur de fréquence 19 peut comporter, soit un dispositif à seuil, soit un confornateur d'impulsions. La porte 10 est agencée de façon que, sous l'action du signal fourni par la conn-wion 9 (venant de 3) à son entre de commande, on ne conserve à la sortie 8 de la porte 10 que les signaux fournis par 19 pendant le temps R de la Fig. 1 boit pendant 5 millisecondes). Ces derniers signaux soit appliqués à l'entré 8 du compteur 7 comme d4Jà mentionné. Sur la Fig. 2, en remarque encore Poscillateur asservi 21 et le diviseur de fréquence par deux 22 frurnissant à la porte 11, pendant les temps P de la Fig. 1, les oscillations nécessaires à la mise en vibration du barreau contenu dans le bloc 13. Comme déjà vu , ces oscillations sont transmises au bloc 13 pendant les teqs P de la Fig0 1, tandis que, pendant les temps Q de la Fig. 1, la bobine couplée au barreau contenu dans le bloc 13 se trouve isolé due 11 et est reliée à l'entrée de la porte 15, qui ne laisse ainsi passer vers le multiplicateur 19 que les oscillations libres vexant de 13. Les oscillations obtenues à la sortie 20 du multiplicateur 19 qui est directement relie à l'entrée de la porte 10, sont dirigées d'une part, pendant les temps R de la Fig. 1, vers le compteur 7, et d'autre part vers un ensemble de circuits qui va être décrit ci-après et dont la fonction est d'assurer l'ajustement automatique de la fréquence de l'oscillateur 21 à une valeur très voisine de la fréquence propre du barreau contenu dans le bloc 13. A cet effet, les signaux obtenus à la sortie 20 du multiplicateur 19 sont également dirigés par la connexion 23 vers une porte 24 commandée également par la connexion 25 venant de la base de temps 2 de manière à notre conductrice que pendant les temps S de la Fig. 1. Ces derniers temps étant situés vers la fin de la période Q de la Fig. 1, et correspondant donc à la fin de la période Q d'oscillation libre du barreau, il n'y existe d'oscillations d'amplitude appréciables que si le barreau a été excité à une fréquence très voisine de la sienne propre. Lorsque les oscillations en qucstion,reçues à la sortie 26 de 25 et appliquées à l'entrée du circuit 27, ont atteint une amplitude suffisante, elles déclenchent à la sortie 28 de 27 un signal d'arrêt dont le rôle va maintenant outre expliqué. En l'absence de ce dernier signal, l'oscillateur 21 est soumis à une tension électrique de commande de fréquence variant par échelons, qui lui est fournie à partir du compteur à 6 chiffres binaires 29, dont le mouvement de comptage est mis en route par l'interrupteur à commande manuelle 30. Une tension électrique variant en échelons en fonction du temps est ainsi obtenue à la sortie du décodeur analogique 31, dont l'entrée reçoit six connexkms venant de 29 et correspondant respectivement aux chiffres binaires de celui-ci. Lorsqu'un signal d'amplitude suffisante apparat à la sortie 28 du circuit 27 le compteur 29 est automatiquement arrêté, ce qui arrête en même temps la fréquence fournie par ltoscillateur 21 à la valeur correspondant à la tension reçue à la sortie 32 du décodeur 31. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de mesure de la fréquence de résonance propre d'un barreau magnétostrictif vibrant longitudinalement, comprenant une bobine couplée audit barreau et pouvant, pendant des périodes de temps alternées P et Q répétées périodiquement, astre respectivement raccordée à un générateur d(aseillations et à un circuit de mesure, caractérisé par l'emploi d'un premier circuit de porte (15) recevant les oscillations induites dans ladite bobine et ne les laissant passer que pendant lesdites périodes Q, par un circuit multiplicateur de fréquence (19) recevant les oscillations issues du circuit de porte (15) et les dirigeant vers un second circuit de porte (10) ne laissant passer lesdites oscillations issues de (ils) que pendant une fraction R prédéterminée de chaque période Q, et par un compteur afficheur(0 recevant les oscillations issues de (io) et fonctionnant pendant une période de temps définie par une base de temps (2) stabilisée par un oscillateur å quartz (1), lesdites périodes (P,Q) et la fraction R étant réglées par ladite base de temps (2). 2 - Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé par l'addition d'un membre déterminé d'éléments de mesure de durée R et permettant d'atteindre la sensibilité désirée dans le temps de mesure choisi, limitant ainsi le coefficient de multiplication du multiplicateur (19), et permettant l1affichage de la fréquence en lecture directe. 3 - Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé par 1' remploi d'un montage de régulation automatique de la fréquence variable dudit générateur d' oscillations (21), comprenant une porte (24) recevant les oscillations issues du nultiplicateur (19) et ne les laissant passer que pendant une fraction définie (S) de chaque période Q, tandis que les oscillations issues de la porte 24 arr8tent, dès qu'elles ont une amplitude suffisante, la variation de la fréquence dudit générateur d'oscillations (21). 4 - Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite base de temps est constituée par un oscillateur (1) stabilisé par quartz suivi de diviseurs de fréquence. 5 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit multiplicateur de fréquence (19) comporte un conformateur d'impulsions et/ou un dispositif à seuil.