Brevet FR2329984A1 — publié le 19770527

La présente invention concerne un appareil électrique perfectionné de mesure des masses et des forces, du type qui comprend un premier transducteur de force destiné à transmettre un signal de sortie proportionnel à la force de gravité de la masse à déterminer, un second transducteur de force destiné à transmettre un signal électrique de sortie proportionnel à la force de gravité d'une masse connue, et un dispositif de traitement de signaux destiné à calculer et à indiquer la mesure de la masse inconnue. Lors de la mesure de quantités physiques telles que les forces, on utilise depuis longtemps des dispositifs qui transforment la quantité physique en un signal électrique. Celui-ci est alors traité de toute manière convenable afin que le résultat de la mesure puisse & re enregistré ou affiché dans un dispositif de traitement. Les appareils de pesée comportent souvent, comme dispositif de mesure, des transducteurs de force, des cellules de charge ou des transducteurs analogues, donnant un signal ou une tension analogique proportionnel à la force de gravité de la masse inconnue. Le signal analogique est amplifié et transmis à un convertisseur analogique-numérique qui donne un signal numérique de sortie correspondant à la masse de la charge. L'obtention d'une précision acceptable dans les appareils de pesée du type précité, notamment lors de la pesée sur les navires, est difficile. L'obtention d1une mesure véritable nécessite que la direction de mesure du transducteur de force coïncide avec la verticale. Lors de la mesure sur la terre ferme, l'inclinaison peut wetre compensée mais, sur les navires comprenant des dispositifs de pesée d'objets en mer, on nra pas pu tenir compte du mouvement du navire lorsque la mer est agitée. En conséquence, dans certains cas, on a dA accepter une erreur pouvant atteindre 10 96 du résultat de la mesure. L'inclinaison du support qui a un effet négatif sur le résultat de la mesure lors de la pesée en mer, ntest pas la seule source de variations. En outre, les variations de l'accélération verticale dues aux mouvements du navire en direction verticale, par exemple lors du tangage, provoquent une erreur sur le résultat de la mesure. L'invention concerne un appareil de mesure des masses et des forces dont la précision est pratiquement insensible aux mouvements du support. Selon l'invention, les directions de mesure de deux transducteurs de force sont fixées avec une très grande précision et sont parallèles, et le dispositif de traitement de signaux forme le rapport des deux signaux transmis par les transducteurs de force. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement les principaux éléments d'un appareil selon l'invention - la figure 2 est un schéma représentant les forces agissant sur un support incliné des transducteurs de force - les figures 3a à 3c représentent un dispositif mécanique convenant à la réalisation d'un appareil de mesure selon l'invention en élévation et en coupe par les plans A-A et B-B ; et - les figures 4, 5 et 6 sont des diagrammes synoptiques d'un appareil selon l'invention. La figure I représente les principaux éléments d'un appareil de mesure de masses et de forces selon l'invention. Cet appareil comprend un premier transducteur 1 de force qui transmet un signal analogique S1 de sortie proportionnel à la force de gravité appliquée par la masse m à déterminer. Le dispositif comprend aussi un second transducteur 2 de force qui transmet un signal analogique de sortie S2 proportionnel à la force de gravité d'une masse de référence M. Les deux signaux S1 et S2 parviennent à un dispositif 3 de traitement de signaux qui forme le rapport des deux signaux et et S2. Le rapport est alors enregistré de toute manière convenable ou il est affiché. La figure 2 représente la situation lorsque les directions de mesure des transducteurs de force ne sont pas parallèles à la verticale, c'est-à-dire lorsque les trans docteurs sont placés sur un support incliné. Les deux transducteurs peuvent & re par exemple du type décrit dans le brevet suédois nO 311 573, comprenant un premier barreau qui peut fléchir librement à une première extrémité et qui est fixé rigidement à un second barreau qui dépasse sur le ctté du premier et qui est plus court que celui-ci. Le premier barreau porte une jauge de contraintes qui détecte les déformations de la matière du premier barreau sous l'action des contraintes de cisaillement ët de flexion.De tels transducteurs de force sont déjà connus et on ne les décrit pas en détail. Ces transducteurs ont pour caractéristique de pouvoir supporter mécaniquement des forces transversales importantes, et de donner un signal de sortie qui ne dépend pas de ces forces transversales. La direction de mesure d'un tel transducteur coïncide alors avec la d-irection y de la figure 2. Lorsque le support 4 des transducteurs fait un angle f avec le plan horizontal 5, la direction de mesure s'écarter de la verticale d'un angle . Les deux transducteurs subissent respectivement une force de gravité F1 = m.g(t) appliquée par la masse inconnue et F2 =-M.g(t) appliquée par la masse de référence qui est connue. L'expression g(t) est composée en partie de l'accélération de la pesanteur et en partie d'une composante positive ou négative d'accélération due aux mouvements du support tel que les vibrations, cette composition variant avec le temps. Les deux forces F1 et F2 peuvent etre séparées en une composante dans la direction x et une composante dans la direction y, les composantes dans la direction y ayant la forme F1y = m.g(t).cos(t) et F2y = M.g(t).cos (t) Lorsque les transducteurs du type décrit sont insensibles aux forces transversales et aux mouvements de pression, les signaux transmis par les transducteurs ne sont affectés que par les forces F1y et F2y respectivement qui agissent dans la direction de mesure destransducteurs. Ceux-ci transmettent alors des signaux analogiques Si et S2 qui sont une mesure des forces F1y et F2y respectivement. Cependant, compte tenu du terme variant au cours du temps g(t).cos ff (t), les signaux ne représentent pas la force véritable de gravité correspondant à la masse respective. Dans le dispositif 3de traitement, le signal S formé est le rapport des signaux de sortie- î et S2. Etant donné que les deux transducteurs ont des directions de mesure parallèles, l'expression qui dépend du temps est éliminée et on obtient S s = G o~ M c M 2 Comme la masse de référence M est connue, le signal S est une mesure de la masse inconnue m qui ne dépend pas de ltangle y et du temps t. Les figures 3a, 3b et 3c représentent un mode de réalisation d'appareil selon l'invention, sous forme d'un dispositif de pesee d'une balance ayant un châssis fixe 6 et une plateforme 7 de pesée qui est mobile par rapport au chassies et sur laquelle peut etre placée la charge dont la masse doit être déterminée. La charge est transmise par un arbre 8 à un premier transducteur 9 de force rigidement fixé au chassis 6 et l'information de mesure du transducteur parvient à un dispositif de traitement de signaux par un-cable 10 de connexion. La stabilisation latérale de la plateforme 7 par rapport au chassies 6 est obtenue par guidage vertical de l'arbre 8 par quatre membranes 11-14 suspendues en diagonale et par le transducteur 9.Le dispositif de pesée comprend aussi un second transducteur 15 de force destiné à porter une masse M de référence et qui est fermement fixé au chtssis 6. L'information de mesure de transducteur est transmise au dispositif de traitement de signaux par un cible 16 de connexion. tes deux transducteurs qui sont du type précité à barreaux, sont montés afin qu'une première extrémité du barreau qui subit la flexion soit fixée à la partie inférieure du chassis et l'autre extrémité puisse fléchir librement et constitue le point d'application de la force à mesurer par-ltintermédiaire de l'autre barreau. Les deux transducteurs sont alors orientés de manière fixe l'un par rapport à l'autre afin que peurs directions de mesure soient parallèles quel que soit le déplacement du support. Le dispositif 3 de traitement de signaux est de préférence un convertisseur analogique-numérique, par exem ple du type intégrateur double décrit dans le brevet suédois nO 352 504. La figure 4 représente sous forme d'un diagramme synoptique, la transmission de l'information de mesure des deux transducteurs au convertisseur analogique-numérique. Chacun des transducteurs 1, 2 comprend 4 jauges de contraintes dont deux sont affectées par une force positive de traction et les deux autres par une force négative de traction. Les 4 jauges sont montées de manière connue dans les 4 branches d'un pont électrique classique de Wheatstone qui est relié à une alimentation extérieure de tension E Le déséquilibre du pont fait apparattre un signal analogique de sortie des transducteurs, ce signal étant amplifié par un amplificateur 17, 18 et transmis au convertisseur analogique-numérique 19.Le signal de sortie du transducteur qui mesure la force de gravité associée à la masse inconnue m parvient alors à la borne 20 d'entrée de signaux du convertisseur alors que le signal du transducteur qui mesure la force de gravité de la masse de référence M parvient à la borne 21 d'entrée de tension de référence du convertisseur. Celui-ci comprend un intégrateur 22 qui intègre les deux signaux si bien que le signal de la borne d'entrée de référence a une polarité opposée à celui de la borne d'entrée de signaux du convertisseur. Le signal intégré parvient à l'une des entrées diune porte intersection 23 dont la seconde entrée est reliée à un générateur 24 d'impulsions d'horloge qui parviennent à un compteur 25. La commutation entre les signaux des bornes 20 et 21 est réalisée comme décrit dans le brevet suédois précité nO 352 504. Le nombre dtimpulsions enregistrées par le compteur représente alors la relation entre les signaux d'entrée des bornes 20 et 21, le nombre N étant k1 et k2 étant les constantes de transmission des transducteurs I et 2 et F1 et F2 étant les gains des amplificateurs 17 et 18 respectivement.On peut mettre lrexpression sous une forme plus simple Le réglage des gains F1 et F2 à des valeurs convena bles permet facilement la détermination du facteur d'écheBe afin que N représente directement la masse m dans l'ensemble de mesure, par exemple en kilogrammes. Ainsi, le nombre transmis par le compteur est proportionnel à la masse inconnue m et peut être conservé dans un registre afin qu'il donne une indication visuelle sur une unité 26 de lecture numérique. La formation du rapport entre les signaux assure l'indépendance du résultat par rapport aux variations de la tension d'alimentation E. L'obtention d'une valeur véritable lors de la formation du rapport nécessite que le signal électrique du transducteur soit égale à 0 lorsque le transducteur n'est pas chargé. A cet effet, chaque transducteur comporte un circuit d'équilibrage qui comprend une résistance 27 et un potentiomètre 28, reliés au pont comme représenté sur la figure 4. Le potentiomètre 28 permet le réglage du signal de sortie du transducteur de force afin qu'il soit égal à 0 lorsque la force appliquée est nulle. Lorsque l'appareillage de pesée comprend une charge MT de tare, par exemple le poids de la plateforme 7 de pesée sur la figure 3, le dispositif peut comprendre un ensemble de tarage. L'opération peut être réalise de deux manières, numérique ou analogique. La figure 4 représente un exemple de tarage numérique dans lequel le dispositif 3 de traitement de signaux comprend aussi un circuit 29 de soustraction qui soustrait numériquement le poids de la tare du nombre parvenant à la borne de sortie du convertisseur. Le circuit de soustraction reçoit aussi des signaux d'un circuit 30 de tare qui correspond à la tare placée sur le transducteur. Le circuit de tarage peut etre réglé automatiquement ou manuellement et il peut même etre déconnecté. La figure 5 représente à titre illustratif comment le tarage peut être réalisé. Dans ce cas, le tarage est réalisé avant formatzon du rapport à l'aide d'un circuit de tarage qui-comprend un diviseur de tension comportant un potentiomètre 31 monté entre la borne de sortie de Itamplificateur 18 et l'une des bornes d'entrée d'un troi sime amplificateur 32 dont la seconde borne d'entrée re çoit le signal amplifié de sortie du premier transducteur. Le reste du circuit est identique à celui de la figure 4. Lramplificateur 32 transmet un signal U4 de sortie qui est proportionnel à la différence entre les signaux U et U3, ce dernier étant la partie du signal U2 qui est fixéepar le potentiomètre 31. Le réglage du potentiomètre afin que U3 soit égal à la partie du signal U1 correspondant au poids MT de la tare permet l'élimination de ce dernier poids. En pratique, le réglage est réalisé afin que le potentiomètre soit tourné jusqu'à ce que le nombre affiché soit égal à 0000, lorsque le dispositif de pesée n'est pas chargé, c'est-à-dire lors que m = 0. La figure 6 représente un mode de réalisation -dans lequel la formation du rapport est réalisée par traitement de signaux analogiques. Dans ce mode de réalisation, m désigne la masse à mesurer, M la masse de référence et MT la masse de la tare. Les signaux de sortie des deux trans ducteurs 1 et 2 sont amplifiés par les amplificateurs 17, 18 de gain F1 et F2 respectivement.Le signal de sortie U2 de l'amplificateur 18 parvient à la borne d'entrée négative d'un amplificateur opérationnel 33 dont l'autre borne d'en- trée positive est reliée à l'alimentation de tension de réfé rence UO. La borne de sortie de l'amplificateur opération -nel est reliée au pont 2 de résistancesainsi qu'au pont 1 de résistances.Le signal U1 de sortie de l'amplificateur 17 parvient à une borne d'entrée dtun autre amplificateur 34 de gain F3 et dont l'autre entrée est reliée à -un circuit 35 de tare. Les différents signaux du circuit peuvent entre exprimés sous la forme U1 = (m + MT).k1.F1eg(t) cos g(t).UE U2 = M.k2F2.g(t) cos yft).UE U2 A UO étant donné l'amplification élevée dans I'amplificateur opé rationnel 33 qui, dans le cas considéré, fonctionne de manière tout à fait classique, c'est-à-dire que le signal de sortie UE prend un nivéau tel que le signal différence U2 - UO à la borne d'entrée de l'amplificateur est égal à 0. Lorsque UE et U2 sont éliminés des équations, on obtient ctest-à-dire que le facteur qui dépend du temps g(t).cos (t) est éliminé et le signal de sortie U1 est proportionnel au rapport des masses. La partie du signal U1 qui correspond à la masse MT de la tare est éliminée par le potentiomètre 35. Un signal U est obtenu à partir du potentiomètre 35 et il est sous 3 trait de U1 dans l'amplificateur 34. Le potentiomètre 35 est réglé afin que le disposi tif. 26 de lecture indique 0 lorsque le dispositif de pesée n'est pas chargé, c'est-à-dire m = 0. Le signal U4 est alors proportionnel à la masse inconnue m, c'est-à-dire UO est utilisé comme référence pour le convertisseur analogique-numérique 19, et l'indication est alors proportionnelle au rapport U4/Uo, c'est-à-dire proportionnelle à m. il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Appareil électrique de mesure de masses et de forces, du type qui comprend un premier transducteur de force destiné à transmettre un signal électrique proportionnel à la force de gravité de la masse à déterminer, un second transducteur de force destiné à transmettre un signal électrique proportionnel à la force de gravité d'une masse connue, et un dispositif de traitement de signaux destiné à calculer et indiquer la mesure de la masse inconnue, ledit appareil étant caractérisé en ce que les deux transducteurs de force ont des directions de mesure déterminées très précisément et sont montés afin que leurs directions de mesure soient parallèles, et le dispositif de traitement de signaux forme le rapport des deux signaux de mesure transmis par les transducteurs de force. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de traitement de signaux comporte un convertisseur analogique-numérique dont la borne d'entrée de signaux reçoit le signal du premier transducteur qui a été amplifié par un premier amplificateur et dont la borne d'entrée de référence reçoit le signal du second transducteur de force qui a été amplifié par un second amplificateur. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le nombre enregistré dans le compteur du convertisseur est transmis à un circuit qui soustrait un signal provenant d'un circuit de tarage. 4. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qupil comprend un potentiomètre de tarage analogique monté entre la borne de sortie du second amplificateur et l'une des bornes entrée d'un troisième amplificateur qui reçoit, à sa seconde borne d'entrée, le signal du premier amplificateur. 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des transducteurs de force comprend un circuit d'équilibrage permettant le réglage des transducteurs afin que les signaux transmis soient nuls lorsque les transducteurs ne sont pas chargés. 6. Appareil selon-la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de traitement de signaux comprend un dispositif destiné à former un rapport analogique sous forme d'un amplificateur opérationnel dont une entrée reçoit le signal amplifie du second transducteur et l'autre entrée reçoit une tension de référence provenant d'une alimentation, la borne de sortie transmettant un signal renvoyé à la borne dientrée de référence du second transducteur ainsi qu'à la borne d'entrée de référence du premier transducteur. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un potentiomètre de tarage analogique est monté entre la source de tension de référence et l'une des deux entrées d'un amplificateur dont la seconde entrée reçoit le signal amplifié provenant du premier transducteur. 8. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux transducteurs sont montés sur un châssis commun et ont des orientations fixes l'une par rapport à -l'autre. 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que les deux transducteurs sont du type à barreaux et comprennent un premier barreau dont une première extrémité peut fléchir librement et dont l'autre extrémité est fixée rigidement à un second barreau qui dépasse latéralement du ctté du premier barreau, le second barreau étant plus court que le premier, le premier barreau du premier transducteur étant fixé au chassis alors que l'autre barreau est relié par un arbre à une plateforme de pesée. 10. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que le premier barreau du second transducteur est fixé au ch ssis et son autre barreau est affecté par la masse connue.