Brevet FR2298788A1 — publié le 19760820

La présente invention due aux travaux de M. Georges FOURETIER concerne un dynamomètre à jauges extensométriques et plus précisément un dynamomètre à barreau travaillant en compression ou traction et sur lequel sont collées des jauges extensométriques électriquement résistantes et montées en pont de Wheatstone, à raison de deux jauges longitudinales ou groupes de telles jauges dans deux cotés opposés du pont et deux jauges transversales ou groupes de telles jauges dans les deux autres c8tés également opposés du pont, On sait le gros progrès apporté par les jauges dites à trame pelliculaire, réalisées par une pellicule d'alliage métallique d'une épaisseur d'environ 2 pm sur support en résine époxy d'une épaisseur de l'ordre de 20 à 30 ym, puisque par rapport aux jauges à fil enrobé, elles permettent d'atteindre une plus grande précision, tout en étant plus courtes (par exemple dune longueur de 6 mm au lieu de 40 mm) et ne nécessitant pas d'ancrages d'extrémités. Le. comportement d'une jauge à trame pelliculaire collée sur un corps d1 épreuve est étudié notamment par Jean AVRIL, dans son Manuel d'Analyse Expérimentale des Contraintes édité par la Société dite BUDD, Neuilly, France 1967, pages 17 à 19. Une jauge à trame est caractérisée, en considérant comme élastiques le support isolant et la trame (c'est-à-dire en négligeant les phen'ome'nes d' hystérésis et de fluage) par deux coefficients K et E , tels que x y R = R ( 1 + Ex 8 K r r o x yy en appelant R et R les valeurs ohmiques de la trame respectivement sous o charge et sans charge. x etE les allongements relatifs algébriques, qu'on appellera plus brièvement déformations, du corps d'épreuve sur lequel la jauge est collée, dans les directions respectivement parallèle et perpendiculaire aux brins de la jauge. L'auteur précité montre en particulier - que K est très petit vis-à-vis de K y x - que la jauge suit très bien les déformations #x grâce à l'effet d'ancrage des boucles d'entrémité, très longues en direction de par rapport à l'épaisseur de la trame - que la jauge ne suit qu'imparfaitement les déformations , car la largeur de chaque brin en direction#y n'est que de 50 à 100 y fois l'épaisseur de la trame. Mais l'invention s'intéresse spécialement à des mesures de déformations, pouvant être maintenues au delà d'1 heure, voire de plusieurs heures, de barreaux dynamométriques travaillant en compression ou traction, ce qui fait intervenir des phénomènes d'hystérésis et de fluage de chaque support de jauge et de la colle interposée S'il est vrai que la déformation longitudinale gtx de l'alliage d'une jauge à trame se maintient sensiblement égale à la déformation #x de matériau constitutif du corps d'épreuve, il n'en est pas de mame de la déformation transversale ( & x)brin de l'alliage d'un brin de trame, ni de la déformation transversale (#ty)boucle de l'alliage d'une boucle de la trame, qui tendent toutes deux assez rapidement vers leur valeur naturelle=- gt txt t tx' où 9 t désigne le coefficient de Poisson de l'alliage de la trame, t Il faut donc s'attendre à ce que la valeur ohmique d'une jauge à trame sous charge évolue de façon capricieuse avec le temps quand le corps d'épreuve est le siège de déformations e sy maintenues xy longtemps, sauf si ces deux déformations vérifient la relation La présente demanderesse a étudie expérimentalement la dérive de jauges à trame collées sur un corps d'épreuve soumis à des déformations connues.Il s'agissait d'une lame épaisse en bronze dit U Be 2 (cuivre à 4 de beryllium) travaillant en flexion circulaire, à température constante et sous effort constant (poids). On a observé l'évolution dans le temps de la flexion par un dispositif optique approprié. Sur la lame étaient collées d'une part quatre jauges à trame longitudinales (par rapport à la lame) et groupées en un premier pont de Wheatstone, d'autre part quatre jauges à trame transversales (par rapport à la lame) et groupées en un second pont.Toutes ces jauges à trame pelliculaire étaient en alliage dit constantan (cupronickel à 55% de cuivre et 45% de nickel)0 On a obtenu les résultats suivants lorsque la lame était maintenue déformée à environ ± 1,6/1000, la température restant voisine de 25 C - par rapport à sa valeur au bout de 1 minute, la flexion de la lame augmente de 1/10.000 de ladite valeur en 24 heures - le signal donné par le pont des jauges longitudinales augmente en 24 heures de moins de 1/10.000 de sa valeur au bout de 1 minute;; - le signal donné par le pont des jauges transversales diminue en 24 heures d'environ 23/100000 de sa valeur au bout de 1 minute (de 5/10.000 de cette valeur en 3 minutes, de 11/10.000 en 15 minutes) e Si on fait de plus varier la température ambiante de + 10iC la dérive du barreaw (fluage et relaxation du frottement interne) varie très peu, alors que la dérive du signal fourni par les jauges transversales est notablement modifiée par rapport à la précédente. Dans le cas des jauges longitudinales, le faible écart des coefficient, de Poisson entre le bronze U Be 2 du barreau et le constantan des jauges explique la stabilité constatée. Dans le cas des jauges transversales, la stabilité (absence de dérive) du signal fourni exigerait que les coefficients de Poisson # au barreau et #t de l'alliage de la trame satisfassent la relation ##t= 1 ce qui est rigoureusement impossible à obtenir car les coefficients de Poisson sont toujours inférieurs à 0,5. La présente invention a pour but de surmonter ces difficultés. A cette fin elle part d'un dynamomètre à barreau travaillant en compression ou traction et sur lequel sont collées des jauges extensométriques électriquement résistantes, dont d'une part quatre jauges à trame pelliculaire à brins orientés en direction longitudinale du barreau, disposées aux extrémités de deux diamètre orthogonaux du barreau et constituant deux côtés opposés d'un pont de Wheatstone chacun de ces côtés opposés du pont étant constitué des deux jauges opposées d'un diamètre correspondant du barreau, cela pour permettre la correction connue de sensibilité à la fle xion - d'autre part des jauges orientées en direction transver- sale du barreau Aux fins de résoudre le problème posé ci-dessus, ce dynamomètre se caractérise suivant 1'invention en ce que lesdites jauges de direction transversale sont deux jauges à fil enrobé, enroulés en hélices parallèles d'un angle On voit q.i le problème posé est résolu par 1'emploi comme jauges transversales de jauges à fil enrobé, longues et munies d'ancrages, qui suivent la déformation du barreau en direction du fil et sont parfaitement insensibles à la déformation en direction perpendiculaire à la précédente.D'un autre côté les légères erreurs susceptibles d'être entraînées par ces jauges à fil enrobé en hélices, savoir celles dues à l'auto-inductance ou à la sensibilité aux champs magnétiques environnants d'une part, à la sensibilité à la torsion suivant l'axe du barreau d'autre part, sont supprimées comme il a été indiquée L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'une forme préférée de réalisation et à l'examen des dessins annexés correspondants, dans lesquels - la Fig. 1 est une vue par côté d'un dynamomètre roulant autostable répondant aux données de l'invention - la Fig. 2 est un ensemble de deux vues schématiques montrant un groupement en pyramide de 9 dynamomètres suivant la Fig0 I - la Fig. 3 est une vue développée de la surface cylindrique centrale du barreau du dynamomètre de la Fig. 1, montrant 1 'ensem- ble des quatre jauges longitudinales à trame et des deux jauges transversales à fil enrobé ainsi que leurs interconnexions en pont - la Fig. 4 est un schéma simplifié du pont constitué par les six jauges détaillées à la Fig. 3 - la Fig. 5 est une vue simplifiée en perspective d'un barreau de dynamomètre permettant d'exposer le mode de calcul de la correction de flexion suivant deux plans diamétraux X,Y ;; et - les Figs. 6a et 6B sont des schémas d'un seul côté de pont renfermant deux jauges transversales à trames x1, x2 respectivement en série et en parallèle, accompagnées de résistances de correction Rg , R" x z Tel qutil est représenté à la Figo 1 s un dynamomètre auto- roulant auto stable de grande précision présente comme corps d'épreuve un barreau 1 travaillant en compression et comprenant essentiellement une partie centrale cylindrique 10, encadrée de deux parties cylindroconiques 11, 12, se raccordant à la précédente et terminées par des surfaces sphériques 13, 14, de rayons R1, R2 respectivementavec billes de centrage 15, 16, la hauteur hors tout du barreau étant désignée par Il ( CR1+R2). Des poussoirs 17, 18 sont plans et en alliage au moins aussi dur que celui du barreau. Les dynamomètres de la sorte sont très faciles à grouper par trois pour servir d'étalons de transfert permettant de multiplier par 3,3 ,...,3n (groupement dit en pyramide, voir Fig. 2) la capacité d'étalonnage à poids d'un laboratoire. La Fig0 2 représente une pyramide à deux étages et à neuf dynamomètres 11 à 19. Sur le barreau 1 sont collées quatre jauges longitudinales à trame pelliculaire en elles-mêmes connues 21, 22, 23, 24, disposées dans une même zone de la partie cylindrique 10 du barreau , à raison de deux 21, 22 aux extrémités d'un premier diamètre de cette zone et de deux 23, 24 aux extrémités d'un second diamètre, perpendiculaire au précédent, dans la même zone. Sur le barreau 1 sont collées en outre deux jauges transversales 31, 32, à fil enrobé, enroulées en hélices, dans une zone voisine de la précédente, dans la partie cylindrique 10 du barreau. Ces deux hélices sont ici monofilaires et elles sont en tout cas parallèles, ce qui veut dire qu'elles font le même angle L'angle &alpha; peut être entrômement faible (inférieur au demi-degré dans le cas d'hélices monofilaires) bien que cet angle ait été exagéré-sur les figures, pour plus de clarté. On se reportera maintenant aux Figs. 3,- 4 pour la description plus précise qui suit des jauges transversales-à fil. Les deux hélices 31, 32 comportent chacune pour réaliser leur valeur ohmique nominale un nombre entier de spires.augmenté d'une fraction de spire (tronçons T1 T; T T en trait plein à la Fig.3) et comploté à un nombre entier de spires par un tronçon de fil de résistance électrique négligeable (tronçons T'1 T"1 , T'2 T"2 en trait gras à la Fig. 3). Les deux hélices monofilaires 31, 32 sont disposées alternées et symétriques par rapport à l'axe du barreau, en ce sens que les extrémités T1, T2 des parties resistantes des enroulements sont diamétralement opposées sur le barreau et qu'il en est de même pour les autres extrémités T'1, T'2 des mimes parties résistantes, ceci afin de réduire la sensibilité au cisaillement de l'ensemble. Les extrémités T1, T2, T1, T2 sont en réalité des barrettes ou rubans connectant les partes résistantes des enroulements et constituant des ancrages suffisants des fils de ces jauges. Quant aux retours en équerre T"1, T"2 de fils non résistants ils ne nécessitent pas de véritables ancrages. Dans la forme de réalisation de la frigo 4, les jauges sont insérées dans un pont dé Wheatstone de façon telle que - les jauges longitudinales à trame soient disposées 21, 22 en série dans un premier côté du pont, 23, 24 en série dans le c8té opposé (toutes jauges par exemple de 3501chacune) - les jauges transversales à fil 31, 32 soient disposées suivantles côtés opposés restants du pont (jauges par exemple de 70011chacune). Comme on l'a déjà dit les deux hélices 31, 32 sont égales et alternées, elles sont de plus insérées dans le pont (voir Fig.4) de façon à être toujours parcourues par des courants de sens contraires, ce qui permet d'une part de supprimer parfaitement les forces électromotrices d'induction et les déphasages qui en résultent, soit que le pont soit alimenté en courant variable, soit qu'il soit plongé dans un environnement a cXnzllps magnétiques variables ou errants, Dans les deux cas les forces électromotrices induites dans les deux hélices sont parfaitement égales et appliquées dans le même sens aux deux extrémités de la diagonale de signal, de manière à se compenser parfaitement. L'inclinaison d'angle odes hélices provoque une légère sensibilité à la torsion suivant l'axe du barreau. Pour l'annuler on incline systématiquement toutes les jauges longitudinales à trame de façon que leurs brins fassent un angle -o(avec les génératrices du barreau. De petits défauts de parallélisme des appuis ou des imperfections des surfaces d'appui ont pour conséquence un moment de flexion qui modifie la réponse du dynamomètre en raison des défauts d'homogénéité du matériau constitutif du corps de référence et des dissymétries de toutes sortes des jauges à trame. En disposant dans un meme c8té de pont les deux jauges à trame se trouvant aux deux extrémités d'un même diamètre du barreau, on a la possibilité connue d'annuler pratiquement la sensibilité au moment de flexion, en ajoutant dans chacun des deux côtés du pont constitués par ces jauges à trame, des résistances d'appoint permettant d'obtenir des dynamomètres vraiment industriels, c'est à-dire préréglés et indéréglables. Pour annuler la sensibilité en flexion dans chaque plan diamétral des jauges longitudinales, on suit la méthode simple et pro- cise que l'on se propose de décrire maintenant (Figs. 5 et 6A, 6B). A la construction du barreau supposé cylindrique on fait sur une face frontale quatre empreintes X1 XZ Y1. Y2 à 90e l'une de l'autre et près du bord ainsi que sur l'autre face frontale quatre empreintes X'1 X'2 Y'1 Y'2 en face des prfeédentes empreintes également visibles à la Fige 1.Les jauges longitudinales sur le barreau ont leurs centres dans les plans diamétraux X et Y, soit 21 de valeur ohmique x1 en X1, 22 de valeur ohmique z2 en X2, 23 de valeur ohmique y1 en Y1, 24 de valeur ohmique y2 en Y20 À laide d'un dispositif simple de poids et de leviers on applique une force F quelconque, mais bien reproductible, verticalement entre deux points homologues tels que X1 x'1.Le pont de jauges connecté aux organes d'alimentation et de mesure donne alors un signal, soit fx1; on peut ainsi obtenir quatre mesures différentes fx1' fx2, fy1, y2 Le calcul de la correction dans le plan X se fait à partir du terme en prenant fx1 > fx2 Si lton appelle d la distance séparant deux empreintes opposées telles que X1 X2, D le diamètre du barreau dans la zone des jauges, #0 la déformation du barreau dans le cas d'un effort axial, #x1 et#x2 les déformations correspondantes à l'emplacement des jauges, en supposant le barreau homogène on a En désignant par K1 et R1 les caractéristiques de la jauge 21 (ou x1), K2 et R2 celles de la jauge 22 ( ou 22) eten prenant Kt R1 1 + a K2 R2 1-a un calcul 9 étant le coefficient de Poisson du métal du barreau et que les résistances d'appoint à introduire (Fig. 6A) sont une résistance R'x en derivation sur la jauge à trame la plus sensible (par exemple 21 ou x1) et une résistance R"x en série avec la même jauge à trame (21 ou x1), les valeurs ohmiques de ces résistances d'appoint étant 2 a R'x = a R1 Rx = 2 R1. 2 (en négligeant les termes en a2)0 Le même calcul et la correction similaire sont à faire indépendamment dans le plan diamétral Y à partir d'un terme fy1 - fy2 fy1 + fy2 On observera (Fig. 6B) que l'on peut également concevoir le pont de façon que les jauges d'extrémités d'un même diamètre soient non en série mais en parallèle dans un même c8té du pont. il se trouve comme le montre la Fig. 6B que les résistances d'appoint par exemple R' et R" sont de mêmes valeurs ohmiques et de mimes x x positions que dans le cas précédant. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée à l'exemple décrit et représenté. Elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à lthomme de l'art en fonction des applications envisagées, mais sans s'écarter pour cela du domaine de l'invention. C'est ainsi par exemple que les deux jauges transversales à fil enrobé pourraient être constituées par des hélices bifilaires comme constituées par des fils repliés sur eux-mêmes, auquel cas il n'y a plus lieu de veiller à inverser le-s connexions d'estrémi- tés d'hélices. D'un autre côté, le dynamomètre suivant l'invention peut ôtre d'un type différent de celui de la description, par exemple de type autostable conforme au brevet français No. 1.402.926 du 10 avril 1964 ou du type instable conforme à l'article de la Revue Française de Métrologie, Paris, de février 1959, page 107, décision d'approbation de ce modèle par 1'Administration Française des Poids et Mesures. EXEMPLE0 A) Sur un barreau en bronze dit U Be 2 (cuivre allié de 2% de beryllium), barreau de 42 mm de diamètre pour une charge utile de 300 kN, hypertrempé, puis légèrement écroui et enfin soumis à revenu, appelé à travailler en compression, on a disposé - quatre jauges longitudinales, - quatre jauges transversales toutes du type M A 250 o6 B F 350 de la Société VISIIAY Micromesure SA, c'est-à-dire à trame pelliculaire en alliage dit constantan (cupronickel à 55% de cuivre et 45% de nickel) sur support en résine mince et rigide de qualité dite pour capteurs* chacune d'une valeur ohmique de 350fil et d'un encombrement des brins actifs de 6 mm en direction longitudinale du barreau. Après une demi-heure sous charge, le signal fourni par le dynamometre étant alors de 2m v/v, on a supprimé la charge : le zéro a effectué alors des oscillations désordonnées de plus de + 1 p v/v. B) Sur le meme barreau qu'en A), on a disposé - quatre jauges longitudinales à trame pelliculaire identiques aux précédentes, - deux jauges transversales à fil en alliage en cupronickel dit constantan de diamètre 25 s enroulées en hélices à pas serré, suivant les données de 1'invention, chacune d'une valeur ohmique de 700#donc d'une longueur d'environ 600 flin. La zone occupée par les deux hélices alternées avait alors un encombrement en direction longitudinale au barreau d'environ 4 mme Après une demi-heure sous charge, le signal fourni par le dynamomètre étant alors de 2 m V/V, comme à l'exemple A), on a supprimé la charge, le zéro a effectué alors des oscillations limitées nettement inférieures à + 0,1 P V/VO R E Y E N D I C A T I O N S 1 - Dynamomètre à barreau travaillant en compression ou traction et sur lequel sont collées des jauges extensométriques électriquement résistantes, dont d'une part quatre jauges à trame pelliculaire, à brins orientés en direction longitudinale du barreau, disposées aux extrémités de deux diamètres orthogonaux du barreau et constituant deux côtés opposés d'un pont de Wheatstone, chacun de ces côtés opposés du pont étant constitué des deux jauges opposées d'un diamètre correspondant du barreau, cela pour permettre la correction connue de sensibilité à la flexion, d'autre part des jauges orientées en direction transversale du barreau, caractérisé en ce que lesdites jauges de direction transversale sont deux jauges à fil enrobé, enroulées en hélices parallèles d'un angle 4 avec les génératrices du barreau, et sont d'un alliage dont le coefficient de Poisson est aussi voisin que possible de celui du matériau oonstitutlfdubarreau. 2 - Dynamomètre à jauges extensométriques selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites hélices sont unifilaires et sont connectées dans le pont de façon à être parcourues par des courants de sens opposes. 3 - Dynamomètre à jauges extensométriques selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites hélices sont bifilaires comme constituées par des fils replis sur eux-mAmesO