Brevet FR2381299A1 — publié le 19780915

Les jauges de contrainte sont des instruments connus pour déterminer la grandeur et la distribution des contraintes et des efforts dans toutes sortes de constructions. Parmi les divers types qui ont été adoptés et qui sont utilisés par les ingénieurs, on peut mentionner les jauges de contrainte à fil vibrant et à résistance électrique. Ces dernières, qui sontgénéralement très minces, lorsqu'elles sont utilisées pour mesurer des contraintes de surface, peuvent être collées au moyen d'un adhésif ou d'un ciment directement à la surface de mesure et présentent ainsi un profil relativement bas et peu apparent.Toutefois, les jauges de contrainte à résistance présentent certains inconvénients : c'est ainsi que leurs frais dtinstallation sont relativement élevés; on a pu noter des erreurs et des écarts importants qui tendent à restreindre leur utilisation aux installations de courte durée;- de plus, elles sont sujet- tes à la corrosion et la fragilité des connexions pose également des problèmes.D'autre part, les jauges de contrainte à fil vibrant ne posent généralement pas de problème de connexion et, telles quelles sont fabriquées couramment, ne sont généralement pas sujettes aux erreurs et aux écarts de mesure; elles ont une précision à long terme relativement élevée, maisj par contre, présentent un profil relativement élevé qui, quand elles sont installées, place lTélément vibrant à une distance relativement importante de la surface de mesure. De plus, l'installation de jauges de contrainte à fil vibrant demande des soins extrèmes en ce qui concerne ltorientation et le montage. L'utilisation des jauges de contrainte à fil vibrant (aussi appelées parfois "jauges de contrainte acoustiques") stest très fortement répandue ces dernières décades. Elles sont utilisées à distance pour indiquer de nombreux facteurs physiques dans certaines structures métalliques fabriquées et dans des constructions en pierres ou en béton. Les facteurs mesurés comprennent les contraintes superficielles et internes, les flexions, les déplacements, les niveaux de liquide, les variations angulaires et de température. En tant que transducteur, la jauge à fil vibrant est particulièrement plaisante, car elle est généralement la jauge de contrainte la plus 9viable et la plus précise. Du fait que son principe de fonctionnement consiste à mesurer une grandeur mécanique, la jauge à fil vibrant n'est pas influencée, à la différence des jauges à résistance électrique, par les variations de grandeurs électriques telles qu'un courant, une tension, une résistance ou une capacité. Les signaux de la jauge à fil vibrant qui sont prélevés directement au moyen d!un système d'nnduction et qui sont constitués par les signaux électriques ayant une fréquence spécifique, peuvent être transmis sur de grandes distances sans interférence et sans variation de fréquence.Toutefois, jusqutà présent, les jauges de contrainte à fil vibrant avaient des dimensions excessives, de sorte que leur fil tétait pas situé à proximité immédiate de la surface de mesure. Une jauge de contrainte à fil vibrant comprend essentiellement un petit fil métallique, fixé à ses deux extrémités, sous une tension prédéterminée. Les éléments d'ancrage des extrémités du fil sont fixés à ltobjet soumis à la charge et tendent à s'écarter et à s'approcher l'un de l'autre quand cet objet est expose à des variations de force. En général, le fil est à une distance appréciable de la surface de mesure. Quand on procède à des essais d'un élément structural ainsi équipé, on soumet le fil tendu à des vibrations artIficielles en lui imprimant des impulsions électromagnétiques. On détecte la fréquence de résonance du fil vibrant au moyen d'un capteur électromagnétique disposé à proximité immédiate du fil.Le signal électrique produit dans le capteur est dirigé vers un appareil de lecture généralement situé à une certaine distance, où il est amplifié et traité pour obtenir un signal qui actionne un dispositif de comptage de fréquence comportant normalement un affichage numérique. Dans la plupart des installations, sinon dans toutes5 les dispositifs d'excitation et de détection sont associés en perma nenee à la jauge Des conducteurs d'entrée et de rétroaction s'étendent de la jauge à un site central où un opérateur utilise l'appareil de lecture pour ltexécution de ses essais. Les distances séparant les jauges et la station d'essais ou de lecture peuvent etre grandes, pouvant atteindre plusieurs centaines de mètres, dans certains cas; dans d'autres cas, ou les jauges sont facile- ment ascesswbles, l'opérateur applique manuellement son excitateurdétecteur à celles-ci et effectue ses lectures sur place. Pour réaliser des j-auges de contrainte à fil vibrant ayant toutes les qualités demandées, c'est-à-dire qui restent précises pendant les longues périodes de temps, tout en étant étanches à liteau, les bureaux d'études antérieurs ont produit des jauges dont les dimensions et les configurations semblent maintenant inu tilement compliquées, volumineuses et, surtout eoûteuses. En effet les jauges de contrainte à fil vibrant du commerce ont une longueur comprise entre environ IO et 35cm et dépassent de la structure sur laquelle elles sont fixées de 2,5 à IO cm du fait de la pratique courante de monter cers jauges sur des piliers ou sur des blocs d'extrémité.Habituellement le montage de ces anciennes jauges à fil s'effectue au moyen d'un gabarit d'alignement qui établit et maintient une orientation déterminée et qui tient le pilier ou le support pendant qu'on le fixe en place. Le but principal de la présente invention est de réaliser une jauge à fil vibrant qui ne nécessite aucun pilier ou bloc de montage. Un autre but de l'invention en relation avec l'élimination des blocs et des piliers de montage est de supprimer la nécessité d'utiliser des gabarits d'alignement, tout en évitant les difficultés qui résultent des défauts d'alignement. Dans le cas de jauges montées à la surface d t éléments de construction, tels que des poutres ou des colonnes, les piliers d'extrémité ou autres supports sont généralement soudés ou vissés en place avec un espacement et un alignement convenables, de sorte que la jauge peut, par la suite, y être mise en place. L'installation de piliers ou de supports prend généralement de I5 à 70 minutes par jauge. Cette procédure de montage qui exige beaucoup de soin et d'adresse est nécessairement longue et coûteuse. Un but important de 1 invention est de fournir une jauge de contrainte à fil vibrant ayant un profil exceptionnellement bas qui peut etre installé en 5 ou IO minutes en ayant recours à des techniques de soudage par points simples et rapides. Dans les jauges de contrainte dont l'installation nécessite des supports d'extrémité, le fil sous tension est normalement enfermé dans un tube scellé de protection. Les extrémités de ce tube sont généralement étroitement serrées ou fixées dans le support. Le résultat de cette procédure de montage est que le fil est,nécessairement, à une distance appréciable de la surface de l'élément auquel il est fixé. Lorsque la surface de mesure située sous le fil est soumise à une flexion, les mesures de contrainte peuvent être incorreetes puisqu'elles proviennent d'un fil vibrant dont lzaxe est sensiblement décalé de la surface de mesure. A cela s'ajoute que la flexion des supports introduit de nouvelles causes d'imprécision et aggrave les effets d'hystérésis.Pour toutes ces raisons et d'autres, les jauges de contrainte à fil vibrant ne sont pas utilisées fréquemment et en autant d'endroits que les ingénieurs procédant aux essais l'aimeraient. En conséquence, un autre but important de l'invention est de fournir une jauge de contrainte à fil vibrant dont le fil n'est écarté due la surface de mesure que de quelques millimètres, et qui évite d'utiliser des supports d'extrémité, augmentant ainsi la précision des mesures. Dans le cas des jauges montées sur piliers ou sur blocs, la pratique courant est d'appliquer la tension finale au fil après que celui-ci et le tube dans lequel il est habituellement enfermé, ont été montés sur les piliers ou les blocs. Il ne semble pas qu'un préréglage de la tension du fil ait été accompli avant le montage dans ces jauges. Ceci implique que sur le terrain, des déterminations de la tension et de la fréquence initiales du fil doivent être effectuées jauge par jauge, souvent dans des eonditions très difficiles.En conséquence, l'invention a également pour but, non seulement de produire une surface de montage pour une jauge à fil vibrant qui peut être expédiée sur les lieux d'utilisation avec une tension de fil pratiquement uniforme, c'est-à-dire avec une fréquence pratiquement uniforme, mais qui, de plus, conservecette tension initiale pendant l'installation et longtemps après. A la lumière de ce qui précède, il est clair que les divers objectifs de l'invention ont été atteints en réalisant une jauge de contrainte à fil vibrant simple à fabriquer et qui peut être réalisée avec d'étroites tolérances de fabrication en ce qui concerne la tension du fil qui permet de disposer le fil à proximité immédiate de la surface de mesure et qui élimine les piliers de montage et les dispositifs de montage et de protection volumineux de la technique antérieure, tout en pouvant être facilement installée sans avoir recours à des gabarits ou à des ouvriers hautement spécialisés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif en référence au dessin annexé, dans lequel Fig. I est une vue latérale d'une jauge de contrainte à fil vibrant conforme à l'invention, Fig. 2 est une vue en perspective à plus grande échelle d'une jauge telle qutelle apparaît quand elle est installée, cer taines parties ont été arrachées pour plus de clarté. Fig. 3 est une vue en coupe suivant la ligne 3-3 de la figure I, Fig. 4 est une vue partielle en plan par dessous d'une jauge, Fig. 5 est une coupe longitudinale à travers l'une des extrémités d'une jauge en un stade intermédiaire de fabrication, Fig: 6 est aussi une coupe longitudinale de l'extrémité d'une jauge dans un stade plus avancé de sa fabrication et, Fig. 7 est une vue en élévation en bout correspondant à la figure 6. En se référant aux figures I et 3, on voit une jauge de contrainte à fil vibrant IO montée sur la surface de mesure I2 d'un élément de base I4 qui peut faire partie d'un élément structural ou de construction quelconque soumis à des contraintes ou à des efforts qui doivent être déterminés. La jauge IO comprend un tube allongé I6. Des brides de montage I8 appartenant à une bande I7, sont disposées de chaque côté du tube I6 pour permettre de monter la jauge sur l'élément de base 14, Comme on le voit sur la figure 2, les brides I8 sont de préférence fixées à la surface de mesure I2 par une série de points de soudure 20 produite par un dispositif non représenté le longdes brides I8, de part et d'autre du tube I6. La bande de métal I7 est fixée sur toute sa longueur au tube I6 par une série ininterrompue de points de soudure 24 qu'on voit clairement sur la figure 4. On a constaté qu'une liaison satisfaisante pouvait être obtenue entre le tube 16 et la bande I7 en appliquant environ 30 Points de soudure par 25mm. Quand elle est correctement soudée, la bande I7 raidit le tube I6 et s'oppose à la tendance de celui-ci de se cambrer ou de se déformer d'une autre manière dans des conditions normales. Le tube I6 entoure le fil 22 lequel s'étend tout au long de celui-ci et audelà. Pour fabriquer la jauge IO, on fixe d'abord le,tube I6 à la bande de métal I7, comme il a été expliqué. Ensuite on enfile le fil 22 dans le tube I6 en le faisant ressortir des extrémités de celui-ci et en le faisant passer dans une virole 26 à chaque extrémité. A ce stade, chaque virole 26 est dimensionnée pour recevoir librement l'une desextrémités du fil et elle peut être glissée dans l'extrémité du tube, comme on le voit sur la figure 5. Le fil n'est pas serré à ses extrémités pendant qu'on le tend. Normalement, le fil 22 est un fil d'acier traité à chaud, ayant une grande résistance à la traction. Il est préférable que ses coefficients de dilatation et de contraction soient étroitement adaptés à ceux de l'élément structural auquel elle est appelée à être fixée. Le fil n'étant pas encore tendu, on place une première extrémité du tube- 16 avec une virole 26 et le fil 22 entre les extrémités opposées concaves d'une matrice. Quand la matrices ferme les extrémités du tube et la virole qui y est logée sont écrasées et serties comme représenté en 29 sur la figure 2. Le tube et la virole se resserrent ainsi étroitement l'un contre l'au tre en enserrant l'extrémité du fil, la virole 26 assurant le centrage du fil 22 le long de l'axe du tube I6. L'excès de matière du tube forme des ailettes 32 sur les cotés de l'extrémité sertie de celui-ci.Ensuite, on présente la seconde extrémité du tube aux cavités de la matrice et on la sertit de la meme façon, ce qui a pour résultat de placer le fil 22 sous tension. La tension ainsi produite peut facilement être controlée par voie électronique à ce moment. Ordinairement, à ce stade, on constate que la tension du fil 22 correspond à une constance égale ou légèrement inférieure à environ 2200 Hz. Quand la tension est trop faible, on retourne la jauge à la matrice et à la pince légèrement en avant du premier sertissage afin d'augmenter la tension.Un excès de tension occasionnel peut être divisé en frottant l'extrémité de la jauge fortement ce qui tend à la comprimer très légèrement dans le sens lon gitudinal Il est préférable que la bande de base 17 et le tube 16 soient faits d'ure alliage acier inoxydable ayant une ductilité raisonnable afin de conférer à la jauge des propriétés de résistance à la corrosion D'autre part, pour des raisons de résistance et de stabilité, il est préférable que le fil 22 soit fait d'un acier traité par la chaleur ayant une résistance à la tract ion élevée. Du fait que, dans certaines installations, les extrémités découvertes du fil 22 risquent d'être exposés à la corrosion par l'eau, par l'air salin etc.. Il s'est révélé avantageux d'appliquer un petit capuchon 48 en résine époxique à celles-ci, comme représenté sur la figure 4. Ce capuchon, outre qu'il protège l'extrémité du fil, isole, au besoin, les extrémités 29 du tube serti et la viro7e 26 qui s y trouve. La fixation de la jauge 10 à la surface de mesure I2 par des points de soudure comme décrit a pour résultat d'immobiliser celle-ci. Ceci exclut tout risque de "fluage" qu'on constate souvent lorsqu'une jauge est fixée à la surface de mesure par un adhésif. La jauge de contrainte à fil vibrant de l'invention offre de nombreux avantages parmi lesquels - elle a un profil relativement bas facilitant la protection, - son fil virant est disposé tout près de la surface de mesure, - elle peut être facilement rendue étanche à l'eau, - elle est simple et économique à fabriquer, - la tension du fil est stable ce qui assure un service prolongé et - elle présente tous les avantages des jauges à fil vibrant connues plus encombrantes. Dans certains cas, il s'est révélé pratique et utile de placer les extrémités serties du tube entre deux électrodes de soudage 26 et d'appliquer un courant afin de produire un point de soudure par fusion 28. L'excès de fil 22 s'étendant au-deld de l'ex- trémité réduite 29 peut être coupé. Pour utiliser la jauge IO, on la place à l'emplacement choisi, sur la surface de mesure 12 de la base métallique 14. Au moyen d'un appareil de soudage par points classique, on soude solidement les brides I8 à la base 14 par une multitude de points de soudure 20, comme le montre la figure 2. La jauge peut ensuite mesurer les contraintes, soit en tension, soit en compression de l'élément sur ou dans lequel elle est montée. On place un excitateur 40, de type classique, au milieu de la jauge IO. En excitant l'enroulement 42 du dispositif 40, une vibration métallique est imposée au fil sous tension 22. La fréquence de cette vibration est détectée par la bobine d'induction 44 d'un capteur électromagnétique qui convertit les oscillations mécaniques du fil en signaux électriqueq. Le courant d'alimentation de la bobine d'excitation 42 et le courant d'induction de la bobine 44 sont transportés au moyen d'un câble 46. Dans un appareil de mesure, les signaux induits sont traités aux fins d'affichage et d'observation, sont visualisés, par exemple, au moyen d'un compteur numérique ou par voie acoustique.L'excitateur 40 peut être associé en permanence à la jauge IO en étants par exemple, noyé dans une masse de béton ou bien il pourrait être placé à un endroit éloigné et pratiquement inaccessible. Il pourrait aussi, au eontraire, ne pas être relié à la jauge et son utilisation pourrait être appliquée à celle-ci manuellement dans le cas d'une jauge facilement accessible. Les caractéristiques physiques d'une jauge de contrainte à fil vibrant préféree, conforme à l'invention, sont les suivantes Fil vibrant (22) 0,254 mm Longueur du tube (16) 67,31 mm Diamètre du tube (16) 1,575 mm Largeur de la bande de base (17) 7,62mm Epaisseur de la bande de base (17) 0,178 mm Longueur de la bande de base (T7) 63,5 mm Fréquence initiale du fil 2200 Hz + ION HO Poids de la jauge environ I,2 gr Sensibilité environ I Espace entre la surface de mesure et le fil au repos environ 0,762 mm Distance entre la surface de mesure et le sommet de l'excitateur environ 15,875 mm Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté, on pourra y apporter de nombreuses modifications de détails sans sortir, pour cela, du cadre de l'invention R E V E N D I C A T I. O N S '0 - Jauge de contrainte à fil vibrant caractérisée en ce qu'elle comprend une bande de base métallique allongée adaptée à être fixée invariablement à un élément structural, un tube de métal dont l'un des côtés est soudé invariablement à ladite bande le long de sa longueur, un fil vibrant s'étendant coaxialement dans ledit tube, à une certaine distance de sa paroi intérieur, chaque extrémité dudit tube étant sertie de façon à enserrer l'extrémité du fil et ledit fil ayant une tenson prédéterminée qui est maintenue par ledit sertissage. 20 - Jauge de contrainte selon la revendication I, caractérisée en ce que la bande ae base et le tube soudés ont un module d'élasticité comparable à celui de l'élément structural auquel ladite jauge est fixée aux fins de détermination de contrainte 30 - Jauge de contrainte selon la revendication I, caractérisée en ce que l'espacement de l'axe dudit fil sous tension par rapport au coté inférieur de ladite bande de base est compris entre environ 0,8 et environ O,3 mm. 40 - Sauge de contrainte selon 1 revendication In caractérisée en ce qu'une virole. entoure chaque extrémité dudit fil dans ltune des extrémités du tube et en ce que chaque extrémité dudit tube et ladite virole sont serties de façon à entourer l'extrémité du fil. 50 - Jauge de contrainte selon la revendication 4 > caractérisée en ce que chaque extrémité du tube sertie et la virole qui s y trouve sont soudées ensemble. 60 - Jauge de contrainte selon la revendication I, caractérisée en ce que ledit tube est plus long que ladite bande de base et en ce que chaque extrémité du tube s'étend au-delà de I'extrémité correspondante de ladite bande.