Brevet FR2356918A1 — publié le 19780127

La présente invention concerne un transducteur force mécanique-intensité électrique du genre comprenant une bobine mobile parcourue par un courant et disposée dans l'entrefer d'un circuit magnétique à force magnétomotrice De tels transducteurs trouvent notamment application dans les balances de force où la force exercée sur un équipage mobile lié à la bobine est compensée par la force électromagnétique exercée sur ladite bobine, cette force pouvant autre représentée par l'intensité du courant circulant dans celle-ci. Les balances basées sur ce principe sont classiquement équipées de transducteurs semblables aux moteurs électrodynamiques usuels notamment dans le domaine des haut-parleurs. Or, les performances métrologiques susceptibles d'étire atteintes dans ces conditions laissent à désirer du point de vue tant de la fiabilité que de la stabilité des mesures. Les défauts constatés sont attribuables à diverses causes : perturbation de la force magnétomotrice du circuit magnétique par les effets de réaction de la bobine mobile, action des champs magnétiques extérieurs, variations dues aux échauffements, imperfections des systèmes de suspension. La présente invention a pour objet un transducteur forceintensité permettant une suppression ou une compensation pratiquement totale de ces diverses causes de contre performances. Elle vise également un dispositif de suspens ion à un seul degré de liberté particulièrement simple et efficace pour le montage d'une balance de force équipée d'un tel transducteur à hautes performances métrologiques. L'invention a aussi pour objet une balance de force équipée d'un transducteur et d'un système de suspension tels que décrits et capable de développer des forces relativement importantes, de plusieurs centaines de grammes par exemple, avec une excellente stabilité. Un transducteur selon l'invention est remarquable notamment par le fait que son circuit magnétique présente deux entrefers alignés entre les faces terminales affrontées de deux aimants de section rectangulaire en forme de "C" disposés de part et d'autre d'un plan de symétrie et limités par deux faces latérales, tandis que la bobine mobile qui est de forme générale rectangulaire, présente deux cOtés actifs opposés respectivement disposés dans les deux entrefers et s'étendant de part et d'autre des faces latérales du circuit magnétique, et deux cOtés de liaison situés en dehors du circuit magnétique. L'expérience montre qu'avec une telle organisation, il est possible d'obtenir une compensation quasi-totale des perturbations dues tant aux champs magnétiques extérieurs qu'à la réaction de la bobine mobile. Selon une caractéristique importante de l'invention la bobine mobile est constituée par l'enroulement à spires jointives et superposées d'un conducteur plat sous forme de ruban ; cette disposition permet d'obtenir une répartition uniforme des lignes de force magnétique dans les zones actives de la bobine. Elle est également favorable du point de vue thermique par une bonne dissipation de la chaleur susceptible d'étire développée par effet Joule dans la bobine. Le dispositif de suspension selon l'invention se caractérise par une combinaison particulière de quatre lames élastiques d'égales longueurs groupees en deux paires disposées dans deux plans parallèles, les lames d'une paire étant placées en équerre et celles de l'autre en croix mais respectivement parallèles à celles de l'autre paire. Une telle suspension permet un guidage particulièrement robuste et précis d'un équipage mobile de balance avec un seul degré de liberté. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est un schéma de principe de balance de force la figure 2 est une vue en élévation d'une balance selon l'invention la figure 3 est une vue de détail du dispositif de suspension la figure 4 est une vue à plus grande échelle du transducteur proprement dit en demi-coupe la figure 5 est une vue en coupe partielle selon la ligne V-V de la figure 4 la figure 6 est une vue en coupe partielle selon la ligne VI-VI de la figure 4 Suivant la forme de réalisation choisie et représentée 1' invention est mise en oeuvre dans le cadre d'une balance de force organisée selon le schéma connu de la figure 1. La force F à mesurer est appliquée à un équipage mobile 10 lié à une bobine mobile ll parcourue par un courant I et placée dans le champ d'intensité B d'un circuit magnétique. La force électromagnétique proportionnelle au produit BI tend à équilibrer la force F à mesurer. Un transducteur de déplacement 12 disposé à une distance d en regard de l'équipage mobile 10 est adapté à délivrer un signal électrique proportionnel à ladite distance et qui est comparé à une valeur de référence xO dans un comparateur 13 suivi d'un intégrateur 14. Toute variation dF de la force F tend à modifier le signal x et entraine une modification telle du courant I que la distance d se trouve maintenue constante. La valeur du courant I mesurée en 15 constitue dans ces conditions une représentation proportionnelle de la force F à mesurer. Un tel système est réalisé selon la figure 2 dans une balance 20 dont le b ti 21 est monté de manière usuelle sur un jeu de trois pieds réglables 22. Un plateau de balance 23 est monté sur une équerre de transmission 24 portée par un dispositif de suspension, dispositif comportant une paire de lames de suspension supérieure croisées 25, 26 (voir aussi figure -3) et une paire de lames de suspension inférieure 27, 28 respectivement parallèles aux précédentes. Un cadre-support 30 monté par ailleurs sur le bAti 21 porte, d'une part, le circuit magnétique en deux parties 31, 32 sur lequel on reviendra plus en détail ci-après, et, d'autre part, le transducteur de déplacement ou détecteur de proximité 12. La référence 33 désigne la bobine mobile qui est portée par 1' intermédiaire d'une suspension 34, par un premier levier 35. Celui-ci est articulé au moyen d'un jeu de lames 36 à l'aplomb d'un point fixe 37 du cadre support 30, et attelé par un jeu de lames de liaison 38 sur un second levier 40, L'extrémité libre 39 du premier levier 34 forme une armature disposée en regard du transducteur 12 et adaptée à coopérer avec celui-ci. Le second levier 40 est attelé enfin par une lame de tirage 41 à un attelage 42 ménagé à cet effet sur l'équerre de transmission 24. En référence à la figure 3, on notera la structure particulière du dispositif de suspension de l'équipage mobile, structure ayant pour effet de ménager aussi rigoureusement que possible un seul degré de liberté aux déplacements de l'équipage mobile comportant l'équerre de transmission 24 par rapport au bâti 21.Ce résultat est obtenu grâce aux dispositions suivantes: - les quatre lames élastiques 25 à 28 ont toutes une même longueur active - elles sont implantées dans des plans parpendiculaires à la direction de l'unique degré de liberté recherchée ; - le jeu de lames inférieures 27, 28 foré une équerre or- thogonale ayant pour base le bâti 21 et pour sommet l'élément libre 24 ; - les lames supérieures 25, 26 sont croises entre deux paires de fixations respectivement ménagées sur les Eléments fixe et mobile - les fixations sont assimilables à des encastrements, On est assuré ainsi que les forces transmises par -i'é1 mobile 24 se trouvent toujours orientées dans la seule di-rectinn perpendiculaire aux plans parallèles définis par l'implantation des lames de suspension.Les composantes perpendiculaires à la direction de translation imposée à l'élément mobile 24 se trou- vent entièrement reportées sur l'élément de référence constitué par le bâti 21. Les figures 4 à 6 montrent enfin les détails de structure du transducteur force-intensité électrique selon l'invention. Chacune des deux parties 31, 32 du circuit magnétique est constituée par un aimant permanent de section transversale ree- tangulaire et de profil en C. Ces deux aimants sont disposés de part et d'autre d'un plan de symétrie face à face fun mode at- tractif de sorte que deux entrefers alignés 44, 45 se trouvfl formés entre leurs faces terminales affrontées. Le circuit magnétique ainsi constitué se trouvelimité, d'autre part, entre deux faces latérales planes 46, 47 ( re 6) parallèles à la direction des déplacements de l'équipage bile. Les deux aimants peuvent être fixés sur la branche a cente du cadre support 30 au moyen de boulons 48, 49, par exel- ple, Ils sont avantageusement shuntés au moyen de plaquettes ta- les que 51, 52 appliquées sur leurs faces latérales précités. Ces plaquettes sont adaptées à dériver une fraction pouvant ållPr jusqu'à 20% par exemple du flux magnétique et elles sont consti- tuées en un matériau magnétique ayant un coefficient de tempéra- ture complémentaire à celui des aimants. Les aimants étant par exemple en TICONXh ayant un coefficient de température de l'ordre de -2.10 , les plaquettes de shunt pourront titre enalliage fer-nickel (ferrite ou mu-métal) ayant un coefficient de température de l'ordre de Cette disposition permet de conserver une induction constat te dans les entrefers indépendamment des variations éventuelles de la température ambiante. Les faces terminales des aimants qui délimitent les entrefers sont avantageusement rev8tues d'une mince feuille réf lé- chissante en aluminium par exemple comme indiqué en 53, 54 cette disposition a pour effet de réduire les échanges thermiques avec la bobine mobile 33 que l'on va considérer maintenant. La bobine mobile 33 est formée sur un noyau 55 de forme générale rectangulaire en matériau non magnétique ; ce noyau peut etre,par exemple, une pièce moulée en matière plastique sous forme de voile 56 entouré d'une bordure périphérique 57 de largeur légèrement inférieure à celle des entrefers. Sur le noyau ainsi constitué est formée la bobine elle-meme par enroulement à spires jointives et superposées d'un conducteur plat de largeur sensiblement égale à celle de la bordure précitée, par exemple un ruban d'aluminium portant une isolation sur l'une au moins de ses faces. En variante, ce conducteur pourra étre un ruban isolant portant un dépit métallique sur l'une de ses faces. Vue de face, la bobine comporte deux cotés actifs opposés 58, 59 (figure 5) respectivement disposés dans les deux entrefers 44, 45 et s'étendant de part et d'autre des faces latérales 46, 47 du circuit magnétique, ainsi que deux cOtés de liaison 60, 61 situés en dehors dudit circuit. La bobine est prise dans un cadre support 62 auquel se rattache la suspension 34 au premier levier 35. Cette suspension se présente sous la forme d'un étrier adapté à assurer la transmission des forces d'interaction entre la bobine et le levier.Le cadre 62 est porté enfin par une paire de lames élastiques 63, 64 adaptées à assurer le centrage de la bobine dans les entrefers tout en lui ménageant la possibilité du débattement nécessaire dans le sens transversal, c'estia-dire d'une translation parallèle au plan médian des entrefers, donc selon la droite passant par les centres volumiques des entrefers. L'enroulement peut comporter une ou plusieurs spires en court-circuit ayant pour effet de créer un amortissement par dissipation d'énergie. Le transducteur ainsi constitué offre un comportement patticulièrement satisfaisant du point de vue des performances métrologiques souhaitables. Ceci peut s'expliquer notamment par les considérations suivantes. La structure à spires jointives et superposées de ruban conducteur permet de réaliser dans la bobine une répartition excellente des lignes de force magnétiques. La géométrie adoptée permet par ailleurs, de soustraire le circuit magnétique aux effets de la force magnétomotrice de réaction que la bobine tend à développer, effets qui se développent pleinement dans les circuits magnétiques à disposition toroïdale, classiques notamment dans les haut-parleurs. En tout cas le champ magnétique susceptible d'étire développé par la bobine se répartit symétriquement par rapport au circuit magnétique de sorte que son effet sur les parties actives est pratiquement annulé t l'écart de flux qui pourrait se produire dans l'un des entrefers est compensé par l'écart de signe opposé dans l'autre entrefer. I1 en est de meme pout l'action éventuelle du champ magnétique terrestre ou d'un quelconque autrè champ perturbateur extérieur. REVENDICATIONS 1) Transducteur force-intensité électrique, notamment pour balance de force, du genre comprenant une bobine mobile parcourue par un courant et disposée dans l'entrefer d'un circuit magnétique à force magnétomotrice, caractérisé en ce que le circuit magnétique présente deux entrefers alignés entre les faces terminales affrontées de deux aimants de section rectangulaire en forme de "C" disposés de part et d'autre d'un plan de symétrie et limités par deux faces latérales, tandis que la bobine mobile qui est de forme générale rectangulaire, présente deux cOtés actifs opposés respectivement disposés dans les deux entrefers et s'étendant de part et d'autre des faces latérales du circuit magnétique, et deux cotés de liaison situés en dehors du circuit magnétique. 2) Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bobine mobile est emboîtée dans un cadre support associé à un dispositif de suspension à un seul degré de liberté de translation dans ledit plan de symétrie, parallèle à la droite passant par les centres volumiques des entrefers. 3) Transducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite bobine est constituée par l'enroulement sur un noyau non magnétique d'un ruban conducteur isolé sur l'une au moins de ses faces. 4) Transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit ruban est un ruban isolant portant un déport métallique sur l'une de ses faces. 5) Tr sducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par la disposition d'un revêtement réfléchissant sur les faces terminales affrontées des aimants du circuit magnétique. 6) Transducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par la disposition d'au moins un shunt sur chacun des deux aimants du circuit magnétique, ces shunts étant réalisés en un matériau magnétique ayant un coefficient de température de signe opposé à celui du circuit magnétique. 7)Balance de force équipée d'un transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée par un dispositif de suspens ion à un seul degré de liberté comprenant quatre lames élastiques d'égales longueurs groupées en deux paires, les lames d'une paire formant une équerre dans un plan et les lames de l'autre paire étant croisées de part et d'autre d'un plan prallèle au précédent et respectivement parallèles aux lames de autre paire