Brevet FR2421385A1 — publié le 19791026

La présflte invention se rapporte à des dispositifs de mesure à inertie et concerne plus particulierement un accéléromètre électrostatique comportant des moyens pour ramener une masse inerte à sa position neutre ou de repos et pour déterminer le déplacement de cette masse par rapport à cette position de repos. Le principe du rééquilibrage des forces est largement utilisé dans le domaine des instruments de mesure. C 'est ainsi, par exemple, -qu'il est utilisé dans les instruments destinés à mesurer des forces ou des quantités s'y rapportant, com- me c1 est le cas dans un accéléromètre. Dans un accéléromètre, on mesure le déplacement d'une masse inerte suspendue par des moyens optiques, mécaniques ou électriques. La fonction du détecteur de position est de déterminer tout déplacement de la masse par rapport à un point de référence ou à une position neutre ou de repos et de produire des signaux pour des moyens destinés à exercer une contre-force pour rappeler cette masse à sa position de repos. Dans le brevet américain nO 3 877 313, cédé à la Demanderesse de la pré sente invention, est décrit un accéléromàtre dans lequel le déplacement de la masse inerte et son rappel à sa position de repos sont accomplis en utilisant les armatures alimentées séparément d'un condensateur pour le rappel, et en utili sant deux plaques de mesure pour détecter l'angle de déplacement. Plus préci sément, selon les enseignements du brevet précité, deux électrodes de mesure séparées des électrodes de rappel sont nécessaires. De plus, une tension d'exci tation sinusoldale à phase bloquée, à la cadence d'échantillonnage, est neces saire et doit être appliquee à une partie séparée électriquement du pendule.De plus, des amplificateurs de mesure et un amplificateur différentiel sont néces saires pour traiter les signaux de mesure. L'un des défauts du dispositif qui vient d'être décrit est qu'il exige des électrodes de mesure séparées, ce qui complique le montage et demande deux connexions électriques supplémentaires pour l'accéîérometre. De plus, l'aire des électrodes de mesure est soustraite de l'aire totale disponible, limitant ainsi l'aire qui reste pour les électrodes de rappel. Un second inconvénient de la technique antérieure est que le pendule a une structure composite comprenant une céramique isolante sur laquelle sont appliquées Xires distinctes coopérant respectivement avec les électrodes de rappel et de mesure. Etant donné que la partie articulée ou "étranglée" du pendule antérieur est métallique, cette structure composite exige deux connexions électriques établies à l'extérieur de l'accéléromàtre, une pour chacune des deux aires pla quées. Un troisieme défaut de la technique antérieure est que la tension sinusoldale d'excitation doit être appliquée à une partie du pendule opposée aux électrodes de mesure. De plus, des circuits électriques sont nécessaires pour engendrer la tension sinusoldal-e. Enfin, cette tension d'excitation, quand elle est appliquée au pendule, peut produire des forces indésirables affec tant les performances de l'accéléromàtre. L'accéléromètre électrostatique qui fait l'objet de la présente invention a l'avantage, sur la technique antérieure, de ne pas nécessiter deux électrodes de mesure séparées pour détecter les déplacements du pendule autour de sa position de repos. C'est là une particularité nouvelle de la présente invention qui découle de la découverte que la grandeur de la tension des électrodes de rappel, quand elles ont été chargées par une source électrique à intensité constante, contient des informations relatives à la position du pendule. En conséquence, une seule paire dtélectrodes est utilisée dans la présente invention à la fois pour détecter la position du pendule et pour développer la force de rappel de celui-ci. De plus, la présente invention a l'avantage d'utiliser un pendule ayant une structure unitaire et qui-est conducteur. Ceci supprime les problèmes de placage et d'isolement des connexions et améliorela structure de l'articulation. Enfin, l'élimination de la source électrique sinusoidale d'excitation rend improbable que des forces indésirables puissent agir sur le pendule. En conséquence, l'un des buts de l'invention est de fournir un accéléromètre électrostatique dans lequel les électrodes de rappel sont utilisées à la fois pour détecter les déplacements de la masse inerte autour de sa position neutre ou de repos et pour rappeler cette masse à ladite position. Un autre but de l'invention est de fournir un pendule ou une masse inerte conductrice, ayant une. structure unitaire, ce qui élimine la nécessité d'une masse inerte composite. D'autres caractéristiques et avantagesdel'invention ressortiront de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est un schéma par blocs d'unoecéléromàtre électrostatique conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe du pendule et des électrodes - la figure 3 est un schéma par blocs des circuits logiques et de mesure de I'accéléromètre de l'invention ; et, - la figure 4 est une table de vérité représentative de la fonction logique de commutation. En se référant à la figure 1, on voit un accéléromètre conforme à l'invention qui comprend quatre éléments essentiels qui sont reliés au montage électronique par des broches. Ces éléments sont un pendule 10, deux électrodes capacitives 11, 12 et une électrode de protection 13. Les forces d'accélération extérieures agissant du fait de la suspension du pendule 10 font tourner celui-ci autour du cea- tre de flexion 14. Le sens de la rotation par rapport à la position de centrage du pendule 10 est périodiquement déterminé à une certaine fréquence d'échantillon nage en comparant les tensions des électrodes 11 et 12 à une tension de référence, dans un boc de mesure 16.Selon que le pendule 10 est plus près de l'électrode 11 ou de l'électrode 12, le bloc logique 17 sélectionne et rend actif pendant l'intervalle de charge suivant le circuit de commutation et de dissipation (CCSS)18 ou 19 afin de provoquer le rappel du pendule à sa position neutre. Juste avant le commencement de l'intervalle de charge, l'électrode capacitive précédemment active, qui avait été chargée à une tension de l'ordre de 400 V, est déchargée par l'action des circuits 18, 19 qui operent tous deux en commutation. Pendant cette période initiale qui dure environ 6 A seconde, tous les éléments de l'accéléromàtre sont portés au potentiel de la source de tension de référence de précision (PVR) 20, qui est d'environ 7 V continus, et ainsi initialement la différence de potentiels entre tous les éléments est nulle.Au commencement de l'intervalle de charge, le bloc logique 17 libere les circuits (CCSS) 18, 19 associés a l'électrode capacitive qui doit être active et les fait passer de la position de commutation à la position de commande, maintenant l'autre circuit (CCSS) en position de commutation. Ainsi, l'une des électrodes commence a se charger à partir de la source électrique à intensité constante (FCS) 20 ou 21' à laquelle elle est associée. Le circuit de charge passe par la capacité entre le pendule et ltelectrode active et par la résistance d'échantillonage (CSR) 22 vers la masse en produisant une chute de tension égale au produit du courant de déplacement de l'électrode et de la valeur de la résistance de (CSR).Dans l'amplificateur d'erreur (EA) 23, la grandeur de la chute de tension appliquée à sa borne négative est comparée avec la tension de référence de précision appliquée-à la borne positive et la différence entre ces deux tensions est maintenue égale à zéro. De cette manière, le courant de déplacement de l'électrode est maintenu constant et égal à la valeur de la tension de référence deprécision divisée par la valeur de la résistance (CSR). Etant donné que la tension de référence de précision et la résistance (CSR) sont toutes deux très stables en fonction de la température et du temps, le courant de déplacement de l'électrode reste lui aussi pratiquement constant. I1 est important que seul le courant de déplacement de l'électrode active circule dans la résistance (CSR). Dans la mise au point de l'instrument, cette condition exige un excellent isolement entre les conducteurs aboutissant aux électrodes Il et 12 et ceux conduisant au pendule 10. Un isolement efficace ne peut pas être réalisé par une simple séparation physique mais exige un blindage et une protection très efficaces. A l'intérieur de l'instrument, il faut utiliser une électrode de protection maintenue au potentiel de la tension de référence de précision. Etant donné que les électrodes inactives 10 et 13 sont toutes deux-maintenues à un même potentiel, aucun courant necirculeentre elles. C'est de cette manière qu'on peut s'assurer que le courant quittant le pendule 10 est en fait le courant de déplacement seul. De même, dans le montage électronique, des techniques similaires doivent être utilisées. C'est ainsi, qu'il est utile de placer la partie des circuits associée au conducteur connecté au pendule 10 près de l'instrument, ou de s'arranger pour qu'elle fasse partie de celui-ci en la maintenant bien isolée des circuits restants par des blindages. Quand l'électrode active se charge, sa tension s 'élève selon une courbe en pente. Si le pendule était contraint de rester à sa position neutre par des moyens mécaniques, sa tension s 'élèverait selon une rampe parfaite ayant une pente constante vers une valeur de pointe atteinte juste avant le commencement de l'intervalla initial. Nais puisque le pendule se déplace et que, de ce fait, il modifie la capacité associée à l'électrode active, on conçoit que la tension de pointes'élève à une valeur inférieure ou supérieure à celle qu'elle aurait atteinte si le pendule 10 avait été maintenu à sa position neutre, cette tension étant plus petite lorsque le pendule 10 est plus près de l'électrode 11 et plus grande lorsqu'il en est plus éloigné. Le bloc de mesure 16 utilise la grandeur de la tension de l'électrode capacitive pour déterminer vers quel côté le pendule 10 s'est déplacé. Cette information est fournieau bloc logique 17, lequel sélectionne l'électrode qui doit être active pendant l'intervalle de charge suivant. Le bloc logique 17 délivre aussi des impulsions d'incrément de vitesse (t ) à un ordinateur (non représenté) et reçoit de celui-ci des impulsions d'horloge très précises quidéterminent la durée de l'intervalle initial (temps pendant lequel les impulsions d'horloge sont hautes) et de l'intervalle de charge (temps pendant lequel les impulsions d'horloge sont basses). La source de fixation de niveau 24 élève la tension de lasourcede tension de référence de précision 20 d'une chute de tension de diode polarisée en sens direct. Pendant la période initiale des électrodes Il et 12, les diodes en série connectées à la source de fixation de niveau 24, sont utilisées de façon que le potentiel initial total des électrodes capacitives soit égal à celui de la source de tension de référence de précision 20 seule. Le bloc 25 constitue un moyen pour introduire, par voie électronique, des courants de compensation dans la boucle de commande. En considérant maintenant la figure 2, qui est une représentation schématique simplifiée montrant la section du pendule 10 et des électrodes Il et 12, on voit que le principe physique utilisé dans cette invention est que pour une charge constante Q, la tension V aux bornes d'un condensateur C varie en fonction inverse de sa capacité. Autrement dit, on a V : QC (I) C Dans le cas de l'accéléromètre électrostatique de l'invention, les électrodes 11 et 12 constituent respectivement l'une des armatures d'un condensateur variable, l'autre étant le pendule 10. Le diélectrique qui les sépare est le vide ou le fluide interposé. Or, cette capacité varie avec l'espacement entre le pendule 10 et les électrodes, ledit espacement variant du fait du mouvement du pendule 10 en réponse à des forces électrostatiques et d'inertie.La charge augmente avec le temps du fait qu'une source électrique a été intercalée en série avec ce condensateur. Des éléments de capacité du11 et dC12 peuvent être construits et écrits comme suit En intégrant entre les limites Xl et 22 les capacitives Cll et C on obtient Ces équations sont l'expression exacte des capacités entre les électrodes et le pendule, en négligeant les effets pelliculaires et peuvent être réécrites sous la forme suivante et en exécutant les divisions indiquées dans les équations (4a) et (4b) on obtient dans lesquelles L : 2 2 1. En développant en série le premier terme de l'équation on a Le terme est la valeur de la capacité qui existerait si 9 = 0. De plus, il exlste un angle limite #F qui empêche toute nouvelle excursion du pendule.Le signe de cet angle est approximativement égal à En substituant sin #F = go et et en utilisant également l'hypothèse d'un petit angLe, on peut ecrlre : Par l'action de la boucle de rééquilibrage, au courant de charge est établi soit dans Cll, soit dans C12 pendant une période fixe TS. A la fin de l'intervalle de charge, l'électrode active aura par rapport au pendule un potent où ITS = Q est la charge accumulée pendant l'intervalle. Lorsque l'électrode C11 est active on a et lorsque C12 est active on a I1 est à noter que le terme QC indique la grandeur à laquelle la tension C se serait élevée si le pendule avait tété maintenu à sa position neutre. En remplaçant Q par Vo on obtient Co En différenciant V11 et V12 par rapport à 0 , on obtient Ces expressions représentent le facteur d'échelle des circuits de mesure. En comparant la grandeur de la tension V11 ou V12 (ou une fraction atténuée de cette tension comme c'est le cas dans la réalisation pratique de ce principe) avec la tension V (ou avec une fraction atténuee de celle-ci) on détermine o la position du pendule, tant en grandeur qu'en direction. En se référant à la figure 3, on voit que les niveaux logiques CR2 et CRI commandent l'activité des électrodes 11 et 12. Quand les commutateurs occupent les positions représentées sur la figure 3, le niveau CR2 est bas et l'électrode 12 est active, chargeant C2 à partir de la source électrique 21'. CRI est haut, appliquant une masse sur l'électrode 11, en court-circuitant la source électrique 21, empêchant ainsi Cl de se charger. Les états de CR2 et de CRI sont déterminés par les états de CP et de Q de la bascule 31, comme l'expriment les équations 13a et CR2 = Q + CP (13a) CRI - W + CP (13b) En examinant ces équations logiques, il est évident que quand CP = 0 (intervalle de charge) les états de CR2 et de CRI sont déterminés par l'état de Q ; quand Q = 1, l'électrode Il est active et quand Q = 0, c'est l'électrode 12 qui est active. Pendant l'intervalle initial (CP = 1), CR2 et CRI sont tous deux élevés, indépendamment de l'état de Q. Il y a quatre conditions possibles qui peuvent exister à la fin de l'intervalle de charge, comme l'indique le tableau 1 ci-après TABLEAU l ETATS POSSIBLES CAS ELECTRODE: ACTIVE ELECTRODE DEVANT ETRE PENDANT CETTE ACTIVE PENDANT LA PERIODE PERIODE SUIVANTE Il > 0 il 12 III 40 12 11 IV > 0 12 12 Ce tableau indique aussi l'électrode qui doit être active pendant l'intervalle de charge suivant pour satisfaire à la condition exigeant que le pendule soit toujours appelé vers sa position neutre. La tension de sortie kV est une réplique atténuée de la tension apparaissant sur l'électrode Il ou sur l'électrode 12, selon que l'une ou l'autre est active. Le facteur d'atténuation K est donné par La grandeur de k est environ 0,01 et a pour résultat une tension en dents de scie ayant une amplitude de pointe d'environ 4V. On compare cette tension en dents de scie avec une tension continue ayant une valeur kVo où Vo est la valeur de pointu à laquelle la tension de l'une ou l'autre électrode se serait élevée si le pendule avait été immobilisé à sa position neutre (e =0). A la sortie du comparateur 30 apparat un niveau logique P qui est un niveau logique "1" tant que la tension d'entrée kV est inférieure à la tension de référence kVo qui est appliquée à l'entrée non-inversante. La tension d'entrée kV est inférieure à la tension de référence kVo quand le pendule 10 est plus près de l'électrode qui est active que de celle qui est à la masse, autrement dit on a P = Q9±Q e (15a) et son complément p = Q g + Q g (15b) ou est redéfini comme une variable logique qui est "1" pour # > O 0 et "O" pour 89O, Autrement dit on a :: e = "1" pour 9 > o (16a) e = "0" pour ç C O (16b) On voit que l'action pendant l'intervalle de charge suivant, tend toujours à rappeler le pendule 10 vers sa position neutre. Le niveau logique correct doit être présent à l'entrée "D" de la bascule 31 avant la réception de l'impulsion d'horloge CP qui transfère ce niveau logique à la sortie Q. L'action voulue (ou nécessaire) peut donc simplement être exprimée par pour O = O, D = 1 (17a) pour 9 =.î, D = 0 (17b) On va considérer la fonction du circuit OU-NON exclusif pour lequelune table de vérité est représentée sur la figure 4. En écrivant l'expression se rapportant à D en fonction de P et de Q, d'après la figure 3, on a D = PW + PQ (18) En substituant P et P en utilisant les équations 15a et 15b, on obtient D = (Q# + Q #) Q + (Q 9 + Q e Q =We + Q e = (Q + Q) W = e qui satisfait aux conditions exigées par l'équation 17. Les erreurs communes d'un montage de ce genre sont petites puisque le courant de signal circule dans des éléments communs, à l'exception de Cl et C2 (figure 3) qui sont des condensateurs NPO stables La jonction entre Cl et C2 est une point de masse virtuel de sorte que les pertes à la masse n'affectent pas la stabilité du gain de k. Les impulsions de sorties représentatives des incréments de vitesse (+ ss V) sont engendrées en déclenchant les bascules à l'aide des impulsions d'horloge. Une autre paire de signaux de sortie (COMP et COMP) sont des tensions de bascule tamponées qui sont appelées à être utilisées pour des compensations dans le réseau de résistance d'échantillonnage et aussi pour faire varier le niveau de référence kVo du comparateur, de manière à produire pour le pendule une position moyenne de zéro en charge. Il ressort de ce qui précède que l'invention apporte un accéléromètre électrostatique dont le fonctionnement est basé sur le principe que la grandeur de la tension présente sur les électrodes capacitives, quand elles sont chargées par une source électrique à intensité constante, contient des informations indiquant la position du pendule par rapport à sa position de repos et combine les fonctions de mesure et de rappel. Bien que l'utilisation de ce dispositif ait été décrite dans son application à un accéléromètre électrostatique, il est bien évident qutil se prête aussi bien à d'autres applications. En conséquence, il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à ltexemple de réalisation représenté et décrit, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. RETTENDICATIONS i.- Accéléromètre électrostatique, caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens montés pour pouvoir se déplacer d'une position neutre ou de repos le long d'un axe de mesure, en réponse à une accélération ; - des moyens qui en réponse au déplacement des dits moyens répondant à une accélération produisent un signal indiquant la direction du déplacement de ceux-ci ; et - deux éléments capacitifs disposés de part et d'autre desdits moyens répondant à une accélération afin de produire un signal indiquant l'amplitude et la direction du déplacement desdits moyens et pour forcer ces derniers à revenir à leur position neutre ou de repos. 2.- Accéléromètre électrostatique selon la revendication 1, caractérisé en ce qutil comprend une masse pendulaire conductrice pouvant pivoter autour d'un point d'articulation, ledit pendule répondant à ladite accélération le long d'un axe de mesure. 3.- Accéléromètre électrostatique selon la revendication 2, caracterisé en ce qu'il comprend - deux électrodes capacitives disposées de part et d'autre de ladite masse pendulaire ; - des sources électriques à intensité constante connectées auxdites électrodes capacitives afin de développer une charge sur celles-ci et pour permettre auxdites électrodes de rappeler ladite masse pendulaire à sa position de repos ; et - des moyens qui en réponse auxdits moyens capacitifs mesurent l'amplitude et la direction du déplacement de ladite masse pendulaire par rapport à sa position de repos. 4.- Accéléromètre électrostatique selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'il comprend - un amplificateur différentiel à gain élevé, ladite masse pendulaire étant connectée à une première entrée dudit amplificateur ; - une source de tension de référence connectée à une seconde entrée dudit amplificateur ; et, - une résistance branchée entre la masse et la premiere entrée de -l'amplifi- cateur, ce qui fait que ledit amplificateur est capable de maintenir une différence de potentiels nulle entre ladite première et ladite seconde entrées par fraction desdites sources électriques à intensité constante, connectées comme des boucles de commande. 5.- Accéléromètre électrostatique selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour comparer périodiquement les potentiels desdites électrodes capacitives avec un potentiel de référenee afin de déterminer la direction du déplacement de ladite masse pendulaire autour de sa position de repos ou neutre. 6.- Accéléromètre électrostatique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens qui en réponse auxdits moyens de comparaison sélectionnent l'électrode capacitive devant etre chargée pour rappeler ladite masse pendulaire vers sa position de repos ou neutre. 7.- Accéléromètre électrostatique selon la revendication 6, caractérisé en ce qu il comprend des moyens pour établir une première période pendant laquelle tous les éléments électriques sont ramenés à un potentiel de référence et pour établir une secon période pendant laquelle l'électrode capacitive sélectionnée est chargée afin de rappeler ladite masse pendulaire à sa position de repos ou neutre. 8.- Instrument de mesure de force, caractérisé en ce qu'il comprend - une enceinte étanche aux gaz - un pendule conducteur ayant une structure unitaire contenu dans ladite enceinte, ledit pendule étant monté pour pouvoir pivoter autour d'une position de repos ou neutre - deux électrodes montées de part et d'autre dudit pendule ; - une électrode de protection dont le potentiel est égal à celui dudit pendule, afin de protéger ce dernier des signaux parasites - une source électrique à intensité constante reliée auxdites électrodes ; - un circuit de mesure pour comparer la charge de chacunedesdites electrodes avec un potentiel de référence et pour déterminer la direction du déplacement dudit pendule de sa position de repos ; ; - un comparateur de tension ayant une première entrée connectée à la jonction de deux condensateurs dont chacun est connecté respectivement auxdLtes électrodes, et une seconde entrée pour un potentiel de référence, ledit comparateur produisant un signal de sortie indiquant l'amplitude du déplacement dudit pendule de ladite position de repos ou neutre ; et, - des circuits logiques pour sélectionner lTélectrode devant être chargée pour rappeler ledit pendule à sa position de repos. 9.- Instrument selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend une charnière de flexion sur ledit pendule afin de permettre un mouvement de pivotement autour de ladite position de repos ou neutre.