Brevet FR2374621A1 — publié le 19780713

Laprésente invention-concerne une balance d compensation électromagnétique comportant un aimant permanent et un système de compensation de fluctuations de température au voisinage de cet aimant. La compensation électromagnétique des forces est bien connue et généralisée en tant que système de mesure dans la construction de balances. L'action de la force d'un conducteur dispose dans le champ magnetique, le plus souvent d'un aimant permanent, et parcouru par un courant électrique, est utilisée en tant que force antagoniste fl celle due d la gravité, c 'est--dire due au poids de ce qui est pesé.Avec des précisions et des résolutions croissantes il se pose cependant des problèmes dans le cas d'aimants permanents; en particuliery le flux magnétique d'un aimant permanent dépend, entre autres influences, feulement de la temperature. C'est ainsi que les matériaux actuels des aimants permanents présentent un coefficient de température réversible de la remanence dont l'ordre de grandeur est de -0,2 pour mille par degré Cel ius. Cela signifie que la valeur du flux utile d'un ai niant permanent et par conséquent de l'induction magnétique qui existe dans l'entrefer du système magnétique dans-lequel l'aimant permanent est installé diminue de 2 dix-milliemes par degré d'élé- vation de température. La force de mesure enendrée, et par conséquent l'indication donnée par la balance, se trouvent ainsi faussées. Une balance & affichage-numérique jusqu'à 10 000 afficherait donc 2 unités de moins par degré d'élévation de température lorsqu'elle supporte sa charge maximale. Etant donné que d'une p2rt-les circuits électriques dans la balance et la bobine compensatrice de force engendrent de la chaleur lorsque-passe du courant (chaleur inhérente), il se forme autour du système magnétique, réparti dans l'espace, un champ de température qui peut être considéré comme étant la superposition d'un champ de température en général homogène du à la température ambiante et d'un ciiamp de tempErature inhomogène relativement fort eausé par la chaleur inhérente.Ce champ de température est soumis S des fluctuations dans le temps, causées par les variations dans le temps de la température ambiante (refroidissement, réchauffement) et en outre par la variation de l'échauffement propre par suite de fluctuations de la charge (bobine de force) ainsi que de la tension du réseau, et notamment par le champ de température qui se forme par échauffement propre lors de la mise sous tension électrique de la balance. On connaît des compensations de température constituées dans le système magnétique par des dérivations '"shunts") magnétiques de matériaux dont la conduction magnétique est fonction de la température, par exemple en Thermoflux (marque commerciale). Ces matériaux conducteurs magnétiques ont une conductibilité magnEti- que qui varie en fonction de la température de manière telle que leur résistance magnétique augmente avec la température. L'effet compensateur résulte du fait que par la dérivation magnétique qui décroit a mesure que la température augmente le flux effectif de l'aimant permanent qui décroît lorsque la température augmente se trouve maintenu constant.Ces matériaux dont la conductibilité magnétique varie en fonction de la température sont installés autour de l'aimant permanent sous forme de plaques, de barreaux ou encore d'anneau fermé. On cannage aussi des sondes thermiques, par exemple sous forme d?enroulements de cuivre autour du systdme magnétique ou de l'aimant permanent, ainsi que des sondes NTC (NTC r Negative Tem- perature Coefficient). Ces deux types de sonde modifient, en fonc- tion de la température, leur résistance électrique. Cette modification influe dans le sens d'une compensation l'électronique qui se trouve dans la balance et qui forme la valeur mesurée. Toutes ces compensations de température connues ont pour inconvénient de n'opérer avec une précision suffisante que dans un champ homogbne de température. Lorsque le champ de température varie dans le temps, ou lorsque les champs de température ne sont pas honogbnes, il se produit de grands écarts Étant donné que les matériaux magnétiques qui causent terreur sont a d'autres temps ratures que la dérivation magnétique compensatrice ou que la sonde de température (ou prennent, en présence de champs variant dans le temps et par suite des différentes constantes de temps thermiques, des températures temporairement différentes). Le but de l'invention est alors d'améliorer notablement cette compensation thermique en tenant mieux compte des circonstances décrites ci-dessus. Pour atteindre ce but l'invention prévoit essentiellesent que le système de compensation comprend au moins deux organes correcteurs opérant indsspendamment l'un de l'autre et affectés a l'aimant permanents au moins un de ces organes étant disposé sur une surface extérieure de 1'aimant permanent tandis qu'au moins un autre de ces organes est disposé sur une surface intérieure de cet aimant. Diverses formes d'exécution avantageuses de l'invention apparaîtront dans la description d'exemples de réalisation faite ci-apres avec référence au dessin, sur lequel - la figure 1 est une vue en coupe d'un système magnétique c'assique en forme de pot, - la figure 2 illustre une allure de température suivie par loa .aant selon la fig.1, - la figure 3 montre un aimant permanent en plusieurs pièces - la figure 4 montre une forme particuliere d'organe correcteur, et - la figure 5 illustre une autre forme d'organe correcteur. On-voit A la fip. 1, en coupe, un système-magnétique classique. il consiste en un aimant permanent cylindrique 1 comme portant un évidemént 2, une plaque polaire 4 et une jupe cylindrique (pot) 5. Dans l'entrefer 3 est disposée une-bobine de force 6 qui, par l'intermédiaire d'un guidage parallèle non reprE- sente, ne peut se-déplacer-que dans le sens vertical. A la paroi extérieure de 1'aimant permanent cylindrique sont disposés des barreaux ou bandes 7 et 8 en Thermoflux (marque de ca rce) le long de génératrices du cylindre, entre la plaque polaire 4 et le pot 5. il peut également s 'agir d'une bague fermée entourant l'aimant permanent. Ces éléments 7 et 8 en Thermoflux agissent comme dérivation (shunt) magnétique sur le flux effectif de l'aimant permanent 1. Ils réduisent un peu l'induction magnétique dans l'entrefer 3 du systeme magnétique. En outre, un barreau 9 en Thermoflux est disposé dans la cavité 2, entre la plaque 4 et le pot 5. Ce barreau a lui aussi un effet de shunt magnétique et réduit l'induction magnétique dans l'entrefer 3.La forme et les dimensions de ces dérivations magnétiques 7, 8 et 9 sont telles que le flux magnétique effectif conserve la menine valeur lorsque croît la température et que par conséquent diminue le flux princi pal de l'aimant permanent 1 par suite du coefficient de tempéra- ture négatif du matériau dont est constitué cet aimant, en meme temps que diminue 12 dérivation magnétique et qutaugmente la ré- sistance magnétique des éléments 7, 8 et 9 en Thermoflux.Lorsoue la température décroît, c'est l'inverse qui se produit pour que le flux magnétique effectif conserve-la meme valeur. Grince a l'invention, l'induction magnétique dans l'entrefer 3 reste donc au moins a peu près constante en cas de variation de la température. L'effet compensateur est réparti sur les dérivations magnétiques 7, 8 et 9.Par le choix des matériaux et par un dimensionnement approprié il est possible d'assurer de trds bonnes compensations dans une large gamme de températures (environ de ao à 504 C), et ce meme lorsque, comme représenté a la fig.2, les temps pératures sont différentes en différents points du système magnE- tique. En faisant l'hypothèse qu'il rogne dans le sens radial de l'aimant 1 une diminution linéaire (courbe T) de la température, on voit sur cette figure que dans la partie extrême de gauche rogne la température T i, dans la partie centrale la température T 2 et dans la partie extreine de droite la température T 3.Les dérivations magnétiques 7, 8 et 9 sont elles aussi a des températures différentes T a, T 2 et T 3. Etant donné que l'aimant 1 est d des températures différentes, les influences sur le flux magnd- tique sont elles aussi différentes. Si l'on considère la dérivation magnétique 7 située a la température relativement élevée T 1 et exerçant de ce fait un fort effet de compensation sur le flux magnétique, on s'aperçoit que cette grande influence est nécessai- re, car une partie de l'aimant 1 se trouve elle aussi, dans la zone de gauche, a cette température relativement élevée.D'un autre coté, lE où l'aimant 1 est a une température moins élevée (zone moyenne T 2), l'effet compensateur de la dérivation magnE- tique 9 est lui aussi moins grand. En d'autres termes, l'effet cowpensaveur des dérivations magnétiques 7, 8 et 9 correspond aux températures régnant d l'aimant. L'effet d'ensemble de toutes ces compensations 7, 8 et 9 et l'effet d'ensemble du champ de températures -La précision de la compensation thermique du système ma- gnétique lorsque la température présente une allure de champ non linéaire peut encore être améliorée lorsque des compensations opèrent indépendamment les unes des autrès en plusieurs endroits de l'aimant permanent. On a représenté à la fig.3 un-système d'aimant dans lequel, pour cette raison, l'ensemble de l'aimant permanent actif est subdivisé en plusieurs (dans cet exemple en deux) aimants partiels 10 et 11, tandis qu'à gauche et à droite et au milieu--sont disposées des dérivations-magnétiques 12, 13 et 14 sous forme de petits barreaux ou plaquettes.Ces dériva- tions exercent un effet compensateur sur le flux principal de l'aimant permanent 10 et 11. Cet effet compensateur est d'autant meilleur-(lorsque l'allure des températures n'est pas linéaire) que le nombre de ces dérivations réparties sur le matériau magné- tique ! compenser est plus grand. Etant donné que, par suite des dispersions des constantes de matériau et des tolérances dans les dimensions cette com- pensation d'ensemble est elle-même-soumise, en tant que somme de compensations individuelles, 9 certaines dispersions, il est avant tageux qu'en un endroit du système L'effet de l'une de ces compX- sations individuelles soit variable; c'est ce qui a été représente aux fig. 4 et 5. La fig. 4 montre un aimant permanent cylindrique 15 comportant des dérivations magnétiques intérieures supplément aires non représentées. Cet aimant porte à l'extérieur comme compensa tion partielle deux bagues 16 et 17 en Thermoflux. La bague en Thermoflux 16 est fixée Pour l'aimant permanent cylindrique 15 sans possibilité de déplacement, tandis que la bague en Thermoflux 17 peutma a our de son axe 18 dans un sens ou dans l'autre- (flèche 19). On peut ainsi régler l'effet magnétique de cette compensation partielle composée des bagues 16 et 17 en augmentant ou en diminuant la distance 20 entre ces deux bagues, par rotation de la bague 17 vers la gauche ou vers la droite. Une autre variante a été représentée à S la fig. 5. Dans l'aimant permanent cylindrique 21 est disposée une compensation partielle extérieure 22. La compensation partielle intérieure 23 et 24 se compose, ici encore, de la partie fixe 23 en Thermoflux et d'une vis 24 réglable en hauteur par rotation. Avec cette vie on peut modifier la distance 25 entre ces deux parties 23 et 24 et, du même coup, l'effet de la dérivation magnétique. Tous les exemples de compensation décrits jusqu'ici font usage de dérivations magnétiques par du theroflux (marque commerciale) ou autres matériaux analogues. Il est bien évident toutefois que certaines de ces compensations partielles, ou même toutes, peuvent être assurées par une ou plusieurs sondes therv miques disposées le plus prés possible de l'eimant. I1 est favorable de prévoir des enroulements de cuivre sur l'aimant perma- nent; ceux-ci, par suite de leur répartition en surface, opèrent une détection intégrale de température.Pour des mesures ponctuelles de la température, notamment afin de détecter la rEpar- tition spatiale en différents endroits du matériau de aimant, des sondes NTC (t Negative Temperature Coefficient) peuvent etre disposées dans des évidements ou alésages appropriés. Toutes ces sondes thermiques influencent de façon connue en soi, soit l'exploitation du courant qui traverse la bobine de force 6 > en fonction de la grandeur des signaux de chaque sonde soit une bobine d'intensité disposée en supplément dans le sys teme magnétique et dont le champ se superpose au flux principal de l'aimant permanent. Avec un dimensionnement approprié on peut également dans ce cas, rendre l'induction dans l'entrefer 3 indépendante de la fluctuation de teiripérature. Enfin, ces sondes peuvent agir aussi directement sur le circuit d'exploitation des signaux, dans le sens d'une correction de la valeur mesurée. Dans certains cas il peut etre avantageux d'effectuer une compensation combinée en prévoyant d'une part une compensation partielle avec un ou plusieurs organes correcteurs en Thermoflux (par exemple d l'extérieur de 1'aimant, sur lui), d'autre part qu'une autre compensation partielle (par exemple d l'int6- rieur de l'ainant) sot assurée par une sonde thermique (par exemple une résistance NTC). REVENDICATIONS 1. Balance a compensation Electromagnétique comportant un aimant permanent et:un système de compensation de fluctuations de température dans la zone de l'aimant, cette balance étant remarquable en ee que le systdme de compensation comprend au moins deux organes correcteurs opérant indépendamment l'un de l'autre et affectés a l'aimant permanent, au moins un de ces organes étant disposé sur une surface extérieure de l'aimant permanent tandis qu'au moins un autre de ces organes est disposé sur une surface intérieure de cet aimant. 2. Balance selon la revendication i, remarquable en ce qu'au moins un organe correcteur est constitué par un élément en un matériau dont la conductibilité magnétique varie en fonction d a température, cet élément dtant.affecté V l'aimant perma- nent conçu sous forme d'un corps cylindrique creux. 3. Balance selon la revendication 2, remarquable en ce que l'un des éléments est constitué par une bague en plusieurs parties en contact avec l'extérieur de l'aimant permanent, au moins l'une de ces parties pouvant, par rapport t une-autre, hêtre déplacée afin de faire varier, au moins sur une fraction du pourtour de cette autre partie, l'entrefer qui separe ces deux parties l1une de l'autre. 4. Balance selon la revendication 2 ou 3,-remarquable en ce que l'un des éléments est constitué par une tige en deux parties disposée a l'intérieur de l'aimant permanent, l'une de ces parties pouvant etre- déplacée par rapport d l'autre afin de modifier un entrefer existant entre ces deux parties. 5. Balance selon la revendication 4, remarquable en ce que les extrémités se faisant face des deux parties de la tige forment un couple cône mle + cone femelle. 6. Balance selon la révendication i, remarquable en ce que l'aimant permanent est en plusieurs parties et en ce qu'un organe correcteur est disposé entre deux parties succéssives de l'aimant ainsi qu'à chaque extrémité de celui-ci. 7. Balance selon la revendication 1, remarquable en ce qu'au moins l'un des organes correcteurs est une sonde NTC (Negative Temperature Coefficient). 8. Balance selon la revendication 1, remarquable en ce qu'au moins l'un des organes correcteurs est un enroulement en cuivre.