Brevet FR2328186A1 — publié le 19770513

L'invention, due à Valentin Nikhailovich KARPOV, fladimir Rezhevich SÂRTO, Viktor Yakovlevich IBOVEEY, Anatoly Ivanovich NIERAIIOT et Mikhail Fedorovich BELYAEVs se rapporte au domaine des convertisseurs de mesure de force, plus spécialement elle concerne les convertisseurs de mesure de force avec signal fréquentiel de sortie. Elle peut stappliquer notamment dans des dispositifs électroniques de pesage de précision pour traduire un poids en un signal de sortie modulé en fréquence. Actuellement sont employés des convertisseurs de mesure dont les éléments sensibles sont des corps vibrants tels que cordes, barreaux ou membranes. Ia fréquence des vibrations de tels corps est fonction de leurs dimensions géométriques, des propriétés physiques des matériaux constituant ces corps et aussi de la valeur des charges appliquées. Pour 11 excitation des vibrations des éléments sensibles des convertisseurs en question ces derniers comportent un généra tenr d'oscillations auto-entretenues dans lequel l'organe vibrant mentionné recevant la charge fait office de résonateur. Le haut facteur de qualité que possèdent les résonateurs mécaniques et la stabilité de fréquence du générateur d'oscillations auto entretenues qui en découle déterminent une transformation précise, ce qui en combinaison avec les méthodes modernes de mesure électronique discontinne de la fréquence assure aux convertisseurs en question des caractéristiques métrologiques élevées. Parmi les convertisseurs indiqués les plus connus sont ceux dont le résonateur a la forme de cordes tendues. En Union Soviétique parallèlement aux convertisseurs ayant des résonateurs sous forme de cordes l'on a mis au point et l'on applique aussi des convertisseurs sous forme de barreaux prismatiques. La rigidité transversale desdits barreaux fait qu'ils peuvent vibrer de façon stable sans être tendus au préalable. Cela est un avantage de tels résonateurs par rapport à ceux ayant la forme de cordes devant être tendues au préalable, leur tension variant dans le temps en causant des erreurs de mesure. Un des convertisseurs h résonateur e berrssu est le convertisseur de mesure de force avec signal fréquentiel de sortie. Il comprend, monté dans un bottier, un corps élastique qui est une poutre en console. C-elle-ci a une base et une partie active de travail. La base est munie d'une bride par laquelle on fixe le convertisseur sur la surface de montage. La partie active recevant l'action de la force est liée à un élément vibrant jouant le r81e de résonateur d'un générateur électromécanique d'oscillations auto- entretenues et dont la fréquence d'oscillations est déterminée par l'action de la force. Un barreau prismatique faisant corps avec ladite poutre sert d'élément vibrant. Outre le résonateur le générateur d'oscillations auto-entretenues comporte deux électro-aimants polarisés installés des deux c8tés du barreau prismatique.Un des électroaimants polarisés, l'adaptateur, est raccordé à ltentrée d'un amplificateur et sert à traduire les vibrations mécaniques du résonateur en oscillations de tension électrique. Le deuxième électro-aimant polarisé, l'excitateur, est connecté à la sortie de l'amplificateur, il sert à transformer les oscillations de courant électrique en force électromagnétique entretenant des vibrations du résonateur. Le bottier de convertisseur abrite une poutre en console élastique et protège le convertisseur contre les actions extérieures Le corps est emmanché à force et fixé sur la base de la poutre de telle sorte qu'un jeu existe entre lui et la partie active de travail de la poutre. Par la surface de la bride la base de la poutre s'appuie sur la surface de montage et est en contact également avec le bottier. Lorsque le convertisseur fonctionne sous certaines charges simultanément avec les vibrations du barreau prismatique il apparaît des vibrations de résonance dans la poutre élastique toute entière ou dans ses éléments. De telles vibrations aux endroits de contact de la base de la poutre avec le bottier et avec la surface de montage subissent une atténuation sensible, ce qui perturbe le régime du résonateur et déforme la caractéristique de sortie du convertisseur, caractéristique présentant la variation de la fréquence du résonateur en fonction de la force appliquée. Les résultats des mesures en sont affectés. Dans le convertisseur mentionné, en boulonnant la bride de la poutre en console sur la surface de montage il peut se produire un décrochage d'oscillations du résonateurr lorsque les boulons sont trop serrés ou qu'ils ae desserrent. Ceci amène également des erreurs lors des mesures de la force. L'invention vise la mise au point d'un convertisseur de mesure de force avec signal fréquentiel de sortie dans lequel il soit possible d'augmenter la précision de mesure de la force en excluant l'influence des oscillations de résonance de ses éléments ainsi que l'influence du mode de fixation du corps élastique dans le bottier sur le régime d'oscillations du résonateur. Ce problème est résolu du fait que, dans le convertisseur de mesure de force avec signal fréquentiel de sortie comprenant monté dans un bottier un corps élastique dont la base est fixée au boîtier et où la partie active de travail recevant l'action de la force est associée à un élément vibrant servant de résonateur d'un générateur électromécanique d'oscillations auto-entretenues ayant une fréquence de vibrations déterminée par l'action de la force, selon l'invention, le corps élastique est monté dans le boîtier avec un certain jeu, la base dudit corps élastique étant fixée par au moins trois tiges dont chacune a une pointe butant contre la surface de la base et ltextré- mité, opposée, fixée au boîtier. I1 est avantageux que le convertisseur de mesure comporte à la surface des évidements de profil triangulaire tels que l'angle entre les parois des évidements dépasse l'angle de conicité des pointes de tiges de fixation, ces pointes venant s'engager dans lesdits évidements. Il est aussi avantageux que, dans le convertisseur de mesure, au moins une tige de fixation soit attachée par un bout au boîtier au moyen d'un ressort dont l'effort est orienté le long de la tige, et que les autres tiges de fixation soient fixées rigidement par un bout au boîtier. Le convertisseur ci-dessus offre une précision de mesure de la force plus grande que les convertisseurs connus. La précision de mesure est augmentée grtce au mode de montage et de positionnement décrites du corps élastique dans le boîtier du convertisseur. Le corps élastique est fixé dans le boîtier par trois tiges de telle sorte que le contact des tiges avec le corps élastique est localisé en trois endroits, les surfaces de contact étant presque ponctuelles; ceci réduit non#idErablemert l'atténlation des vibrations du corps élastique. Ainsi dans le convertisseur la perturbation du régime d'oscillations auto-entretenues du résonateur ne se produit pas et par conséquent la précision de mesure est élevée.En outre la présence du ressort qui relie une des tiges de fixation au bolier détermine un effort constant de fixation du corps élastique dans le bottier. Le fait que le corps élastique est monté dans le boîtier avec un certain jeu sans toucher aux parois du boîtier diminue aussi l'amortissement des vibrations du corps élastique et augmente la précision de mesure. D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront mieux en considérant un exemple de sa réalisation et les dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une coupe longitudinale d'un convertisseur de mesure de force avec signal fréquentiel de sortie selon l'invention la figure 2 une coupe suivant II-II sur la figure 1 tournée d'un angle. Le convertisseur de mesure de force avec signal fréquentiel de sortie comprend, monté dans un boîtier 1 (figure 1) avec un certain jeu, un corps élastique. Le boîtier 1 est de forme cylindrique. Le corps élastique 1 est une poutre en console 2. La poutre 2 possède une base 3 et une partie active de travail 4 reliées entre elles par suspensions élastiques en 5. La partie de travail 4 de la poutre 2 est un levier d'angle destiné à recevoir l'action de la force P. La partie de travail 4 comporte une tête réceptrice de force 6 munie d'une gorge de section triangulaire. la distance de l'axe des suspensions élastiques 5 à la gorge de la tête réceptrice 6 détermine la dimension À ou le grand bras du levier. La dimension B donne la longueur du petit bras du levier. La présence des suspensions élastiques 5 incorporées entre la partie de travail 4 et la base 3 rend régulière (monotone) la caractéristique de sortie du convertisseur et augmente la précision de mesure de force. La base 3 de la poutre en console 2 est fixée dans le boîtier 1. À omette fin la surface de la base comporte suivant son pourtour une gorge circulaire 7 de section triangulaire. Dans le boîtier 1 (figure 2) sont placées en cercle et espacées de 1200 trois tiges 8. Chacune des tiges 8 a une pointe 9 (figure 1) et l'extrémité opposée 10. les pointes 9 ont la forme de prismes triangulaires ou de cônes. Elles butent contre la gorge circulaire 7. Les parois de la gorge de section triangulaire 7 font entre elles un angle dépassant angle de conicité des pointes 9 des tiges 8. De ce fait est assuré un contact ponctuel des tiges 8 avec la surface de la base 3.Grâce au contact ponctuel des tiges 8 et de la base 3 l'stténuation des vibrations de la poutre en console 2 est sensiblement diminuée et la précision de mesure est augmentée. Les extrémités 10 des tiges 8 sont reliées au boîtier 1. Les extrémités 10 de deux tiges 8 sont liées rigidement au boîtier 1, l'extrémité 10 de la troisième tige 8 étant liée au boîtier I par l'intermédiaire d'un ressort plat il. L'effort de ee ressort est orienté le long de la tige 8. Par deux boulons 12 et 13 le ressort il est attaché au boitier 1. La présence du ressort Il assure un effort constant de fizationde la poutre 2 dans le boîtier 1. Le convertisseur de mesure contient en plus un générateur électromécanique d'oscillations auto-entretenues 14-. Celui-ci comprend un résonateur, deux aimants polarisés 15, 16 et un amplificateur 17. Le résonateur est un barreau prismatique 18 possédant sa propre rigidité à la flexion propre. Une des extrémités du barreau 18 est en liaison avec le petit bras 3 du levier d'angle, son autre extrémité étant reliée à la base 3 de la poutre en console 2. Le barreau 18 fait corps avec la poutre en console 2 dont il constitue une partie. La fréquence de vibrations du résonateur dépend de l'action de la force sur la tête réceptrice 6 de la partie de travail 4. Les électro-aimants polarisés 15 et 16 sont montés des deux côtés du résonateur. L'électro-aimant 15 ou adaptateur est connecté à l'entrée de l'amplificateur 17 et sert à traduire les vibrations mécaniques du résonateur en oscillations de tension électrique. L'électro-aimant 16, ou excitateur, est branché sur la sortie de l'amplificateur 17, il a pour rôle de transformer les oscillations de courant électrique en force électromagnétique entretenant les vibrations du résonateur. L'amplificateur 17 est assemblé d'après un schéma connu en utilisant des éléments transistorisés, il fonctionne au régime de limitation d'amplitude. Le signal de sortie du convertisseur est relevé sur l'amplificateur 17 à travers des étages complémentaires qu'il contient. Pour limiter la charge, une vis 19 est vissée dans le corps 1 et est fixée de telle sorte qu'en présence de surcharge le grand bras À du levier puisse venir buter contre la face en bout de la vis 19. Le boîtier 1 du convertisseur est fixé dans un support 20 de telle sorte que l'axe des suspensions élastiques 5 fait un angle a avec le plan horizontal (figure 2). La constitution du support 20 permet de faire pivoter le convertisseur jusqu'8 obtenir la valeur prédéterminée de sensibilité requise à charge nominale. À cette fin le support 20 porte des traits et des signes (+) et (-) et le boîtier 1 un indice montant le sens de rotation du convertisseur pour augmenter ou diminuer la sensibilité. Par des chapes prévues sur le support 20 (non représentées sur les figures) le convertisseur est fixé sur la surface de montage (non représentée sur les figures). Une telle disposition du support 20 donne la possibilité de régler la sensibilité du convertisseur car la force effective déterminant la valeur de la sensibilité est une composante de la force P mesurée, perpendiculaire à l'axe des suspensions élastiques 5 et égale Péf = P.cos a, ot a est l'angle réglable entre l'axe des suspensions élastiques 5 et le plan horizontal. Le convertisseur de mesure de force avec signal de sortie sur fréquence fonctionne comme suit. Lors du branchement du générateur électromécanique d'oscillations auto-entretenues 14 (figure 1) l'électro-aimant 16, ou excitateur, transforme les oscillations de courant électrique en force électromagnétique d'excitation des vibrations du résonateur. Les vibrations mécaniques qui apparaissent dans le résonateur sont transformées par l'électro-aimant 15, ou adaptateur, en oscillations de tension électrique. Ainsi est maintenu le régime d'oscillations auto-entretenues du résonateur. La forte P que l'on mesure agissant sur le brand bras À du levier d'angle donne naissance dans le barreau prismatique 18 servant de résonateur à des contraintes longitudinales modifiant la rigidité transversale du barreau 18 et donc sa fréquence de vibrations. On juge de la valeur de la force mesurée P suivant la variation de la fréquence de vibrations du résonateur. Le signal de sortie portant l'information sur la variation de la fréquence de vibrations du résonateur est relevé sur l'amplificateur 17 et transmis à un fréquencemètre (non représenté sur les figures). Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus particulièrement envisagés elle en embrasse, an contraire, toutes les variantes. RERsNvICAXIONS 1. Convertisseur de mesure de force avec signal fréquentiel de sortie comprenant, monté dans un bottier, un corps élastique dont la base est fixée au boîtier et où la partie de travail recevant l'action de la force est liée à un corps vibrant servant de résonateur d'un générateur électromécanique d'oscillations auto-entretenues et ayant une fréquence de vibrations déterminée par l'action de la force, caractérisé en ce que le corps vibrant est monté dans le boîtier avec un certain jeu, sa base étant fixée par au moins trois tiges dont chacune a une extrémité pointue butant contre la surface de la base et l'autre extrémité, opposée, attachée au boîtier. 2. Convertisseur de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que sur la surface de la base on a pratiqué des évidements de section triangulaire et l'angle entre les parois des évidements dépasse l'angle de conicité des extrémités pointues de tiges, ces extrémités étant en contact avec lesdits évidements. 3. Convertisseur de mesure selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'au moins une des tiges a une de ses extrémités liée au boîtier par l'intermédiaire d'un ressort dont l'effort est dirigé le long de la tige, les extrémités respectives des autres tiges étant fixées au boîtier rigidement.