Brevet FR2409519A1 — publié le 19790615

La présente invention concerne, d'une façon générale, la mesure des grandeurs électriques telles que les tensions, les courants, etc, et elle a trait, plus particulièrement, a un appareil de mesure permettant d'obtenir une indication ou évaluation, de forme quelconque appropriée, de la grandeur électrique à mesurer. On sait que appareil de base universellement connu pour la mesure de grandeurs électriques est le galvanomètre à cadre mobile.-Bien que cet instrument se soit perfectionné considerablement au fil des années, il continue à présenter des inconvénients. En effet, si l'on veut obtenir une précision satisfaisante, un galvanomètre est fragile et couteaux. De plus, du fait de sa conception même, il consomme nécessairement de l'énergie dans sa bobine de mesure, énergie que l'on ne peut négliger et que l'on ne peut diminuer qu'au prix d'une augmentation de sensibilité qui rend le galvanomètre encore plus fragile. Enfin, le galvanomètre est un instrument relativement lourd en particulier en raison de son circuit magnétique. L'invention a pour but de fournir un appareil de mesure de grandeurs électriques ayant une sensibilité et une précision comparables à celles d'un galvanomètre classique, mais qui soit d'une construction nettement plus robuste, qui soit bon marché et d'un poids comparativement très faible. Elle a donc pour objet un appareil de mesure de grandeurs électriques caractérisé en ce qu'il comprend au moins un bilame piezo-électrique auquel est connecté un dispositif permettant de lui appliquer une tension électrique représentant la grandeur à mesurer, des moyens pour maintenir dans une position fixe une première zone dudit bilame, des moyens pour exploiter la déformation du bilame piezo-électrique à la suite de l'application de ladite tension et des moyens de couplage agencés entre une seconde zone dudit bilame électrique et lesdits moyens d'exploitation pour assurer le couplage mécanique avec ledit bilame. Etant donné qu'un bilame piezo-électrique ne nécessite pour sa déformation pratiquement aucune énergie, seule la tension élec trique provoquant cette déformation, la consommation propre en énergie de l'appareil de mesure suivant l'invention, tel que défini ci-dessus est pratiquement négligeable même pour une haute précision de mesure. Par ailleurs, la construction mécanique est des plus simples. Grâce aux caractéristiques ci-dessus, on obtient donc un instrument de mesure qui pour une précision relativement élevée, est d'un prix de revient et d'un poids faibles. D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels - La Fig.l est une vue en perspective partielle d'un bilame piezo-électrique, utilisé dans l'appareil de mesure suivant l'invention et représenté dans sa configuration de repos; - La Fig.2 est une vue analogue de ce bilame, une tension lui étant appliquee pour en provoquer sa déformation; - La Fig.3 montre une vue en perspective schématique d'un appareil de mesure suivant l'invention, utilisé en tant qu'instrument indicateur à affichage visuel de la grandeur à mesurer; - La Fig.4 montre l'appareil de la Fig.3, une certaine tension lui étant appliquée;; - La Fig.5 montre, en tant que variante un autre bilame piezo-électrique utilisable dans un appareil de mesure suivant l'invention, et représenté dans sa configuration de repos; - La Fig.6 montre le bilame de la Fig.5 dans une configuration de travail; - La Fig.7 est une vue en perspective schématique d'un bilame piezo-électrique utilisable pour doter un appareil de mesure de plusieurs échelles de mesure de la grandeur électrique; et - Les Fig.8 à 10 montrent trois modes de réalisation différents d'un appareil de mesure suivant l'invention. Avant d'examiner en détail divers modes de réalisation de l'appareil de mesure de l'invention, il est utile de se reporter tout d'abord aux Fig.l et 2. Ces figures représentent un exemple d'un bilame piezo-électrique 1 dont le principe de fonctionnement est connu des spécialistes. I1 s'agit d'un empilage formé d'une première lame 2 de matière piezo-électrique, d'une seconde lame 3 qui peut être en une matière piezo-électrique ou en une matière neutre (métal isolé, matière plastique ou autres, d'une électrode intermédiaire 4 réalisée à partir d'une feuille de métal bon conducteur de l'électricité et interposée entre lesdites lames 2 et 3 et de deux électrodes extérieures 5 et 6 fixées respectivement sur les faces exposées de ces lames 2 et 3 et constituées également par des feuilles minces d'un métal bon conducteur de l'électricité.Les éléments du bilame peuvent être assemblés par tout moyen approprié et notamment par collage. L'invention est basée sur le fait que lorsqu'une tension électrique est applt quée aux bornes 7 et 8 d'un tel bilame piezo-électrique, ce dernier subit une déformation (Fig.2) dont l'ampleur est une fonction de la valeur de la tension appliquée, cependant que lorsque la tension électrique est supprimée, le bilame retrouve sa configuration initiale (Fig.l). Dans le cas représenté, qui n'est pas limitatif, le bilame 1 présente une forme générale allongée, c'est-à-dire qu'il est constitué par une barrette composite de section transversale rectangulaire à peu près constante sur toute sa longueur, forme de bilame qui convient particulièrement bien pour l'application à laquelle l'invention se rapporte. Il est à noter que l'invention ne se limite pas au type de, bilame que l'on vient de décrire. En effet, il est également possible d'utiliser, pour la mise en oeuvre de l'invention, un bilame formé d'une première lame en matière piézo-électrique, d'une seconde lame en matière piézo-électrique ou neutre, d'une couche intercalaire également neutre réalisée en une matiere quelconque et de deux électrodes latérales auxquelles on applique la tension à mesurer. Les Fig.3 et 4 montrent un premier mode de réalisation de l'invention, dans lequel on retrouve un bilame 1 du type représenté aux Fig.l et 2. Ce bilame 1 est maintenu fixe par l'une de ses extrémités dans un étrier 9 qui est solidaire du boitier 10 de l'appareil. L'extrémité opposée du bilame 1 porte une patte d'actionnement 11 prolongeant le bilame 1. Cette patte est en contact avec un levier 12 en forme de L couché qui est monté sur un axe 13 monté à rotation dans deux paliers 14. Ces derniers sont montés fixes dans le boitier 10. Un couple de rotation appliquant constamment le levier en L 12 contre la patte d'actionnement 11 est engendré grâce à un ressort spiral 15 fixé par l'une de ses extrémités à l'axe 13 et par son autre extrémité au boitier 10. Une aiguille indicatrice 16 est solidaire en rotation de l'axe 13 et coopère avec une échelle graduée 17 fixée dans le boitier îG. Si une tension électrique continue constitue le paramètre à mesurer, on peut l'appliquer directement aux bornes 7 et 8 de l'appareil. Sinon, l'invention prévoit également la mesure d'autres paramètres même non électriques, qui sont alors convertis convenablement dans un dispositif convertisseur 18 présentant une entrée de mesure 18a a laquelle la grandeur a mesurer est appliquée. A titre d'exemple, le dispositif 18 peut être une résistance électrique parcourue par un courant a mesurer engendrant à ses bornes une tension fonction de ce courant.Toutefois, il est a noter que 11 appareil de mesure de l'invention peut être utilisé dans de nombreuses applications a l'image de celles qui sont, de façon classique, mises en oeuvre a l'aide d'un galvanomètre conventionnel. La Fig.3 représente l'appareil de mesure, lorsqu'aucune tension n'est appliquée aux bornes 7 et 8. Dans ce cas, le bilame piezo-électrique I se trouve dans sa configuration de repos, son extrémité libre limitant la rotation de l'axe 13 de telle manière que l'aiguille indicatrice 15 est placée devant le zéro de lté- chelle graduée 16. Par contre, lorsque les bornes 7 et 8 regoi- vent une tension (Fig.4), l'extrémité libre du bilame I se déplace car du fait des contraintes internes du bilame 1, ce dernier s'incurve pour faire tourner l'axe 13 par l'intermédiaire de la patte 11-à l'encontre de l'action du ressort spiral 15. Bien entendu, le sens de la courbure du bilame 1 est lié a la polarité de la tension appliquée. Comme le bilame s'incurve en sens inverse lorsque cette polarité est inversée, il est possible d'utiliser l'appareil de mesure en tant qu'indicateur de zéro, la valeur zéro se trouvant alors par exemple au milieu de l'échelle 17, et l'axe 13 étant convenablement couplé a un dispositif élastique de rappel approprié. Par ailleurs, il est évident que l'appareil peut mesurer des tensions ou courants alternatifs en aménageant convenablement le dispositif convertisseur 18 comme il est connu dans la technique de la mesure par galvanomètre. A titre d'exemple non limitatif, les dimensions du bilame 1 peuvent être les suivantes : longueur 50 mm, épaisseur 0,6 mm, largeur 8 mm. Dans ces conditions et en tant que voltmètre, l'appareil est alors capable de mesurer une plage de tensions allant de o a 600 volts pour une excursion de l'aiguille 16 d'un angle de 400. Le bilame est réalisé de préférence en des matières piézoélectriques céramiques telles que le titanatede baryum, de calcium, de strontium ou de tantale et le zirconate de plomb, mais d'autres matières piézo-électriques sont possibles. On a représenté sur les Fig. 5 et 6, une variante de l'inve tion qui permet d'obtenir une excursion plus grande du bilame. Dans ce cas, ce dernier comporte deux bilames élémentaires lA et lB, de même constitution que le bilame 1 des Fig.l à 4 et assemblés par l'une de leurs extrémités à l'aide d'une pièce d'entretoisement 19. L'extrémité opposée de l'un des bilames (1A) est fixée dans un étrier 20 analogue à l'étrier 9 representé aux Fig.3 et 4. Les bilames élémentaires lA et 1B sont connectés élec triquement en parallèle et assemblés de telle façon que lors de l'application d'une tension à leurs bornes, leurs courbures s'ajoutent en doublant l'excursion de l'extrémité libre du bilame élémentaire 1B. Sur la Fig.7, on a représenté une variante de bilame utilisable dans un appareil de mesure suivant l'invention. Dans ce cas le bilame 1C comporte deux lames piezo-électriques 2 et 3 qui, comme dans les précédentes figures, sont accolées avec interposition d'une électrode centrale 4. Toutefois, dans ce cas, le bilame 1C comporte deux électrodes latérales formées chacune de plusieurs sections 20a,20b,20c, au nombre de trois ou plus, alignées longitudinalement sur le bilame 1C.Du point de vue électrique, ces sections sont raccordées en parallèle par paire et peuvent sélectivement être mises en circuit à l'aide d'interrupteurs 21 et 22. I1 en résulte qu'un appareil de mesure équipé d'un tel bilame présente plusieurs sensibilités dont la plus faible correspond à une ouverture des interrupteurs 21 et 22 et dont la plus élevée correspond la fermeture de ces derniers. Selon une autre variante qui nsest pas réprésentée sur les dessins, il est possible de faire varier la position dans l'espace du point de fixation (étrier 9) du bilame piezo-électrique par translation et par rotation autour d'un axe parallèle à l'axe 13 des Fig.3 et 4 afin d'obtenir plusieurs calagesde l'échelle de l'appareil de mesure, l'un des calages correspondant à zéro et l'autre à la pleine échelle. La Fig.8 représente un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel le bilame 1 comporte à son extrémité libre un doigt de poussée 23 agissant sur une lame à ressort 24 serrée dans un support 25 solidaire du boitier de l'appareil. La lame à ressort 24 est prolongée par une aiguille indicatrice 26 s'éterr dant parallèlement au bilame piezo-électrique 1. La Fig.9 montre un autre mode de réalisation dans lequel le bilame 1 est agencé de la même façon que dans le cas des Fig.3 et 4 en agissant sur un dispositif d'affichage quelque peu différent. En effet, la patte d'actionnement 11 du bilame 1 est en prise avec une pièce cylindrique 27 fendue axialement et calée sur l'axe 13, la patte 11 pénétrant dans la fente 28 de la pièce cylindrique 27. L'agencement du mode de réalisation de la Fig.10 permet d'obtenir un affichage optique du résultat de la mesure. A cet effet, le bilame 1, monté dans un étrier fixe 9 par l'une de ses extrémités, porte à son extrémité opposée et latéralement un miroir 29 dont la face réfléchissante est oblique par rapport aux faces longitudinales du bilame 1. Une source de lumière 30 produit un faisceau lumineux 31 frappant la face du miroir 29 Ce faisceau est réfléchi par un miroir fixe 32 et parvient, après plusieurs réflexions sur les deux miroirs, à un écran d'affichage 33 portant une échelle graduée. L'agencement de la Fig.10 permettant d'obtenir un affichage optique n'est décrit qu'a titre d'exemple. En effet, on peut y apporter de nombreuses variantes. Par exemple, il est possible d'utiliser à la place de miroir oblique 29 un miroir droit et de donner au faisceau 31 une incidence oblique par rapport à cette face. Par ailleurs, le miroir fixe 32 peut etre rendu mobile en le montant également sur un bilame piézo-électrique, dont les électrodes sont montées soit en série soit en parallèle avec celles du bilame 1. I1 est également possible de monter plusieurs miroirs "en série" de telle manière qu'ils puissent être sélectivement placés dans le faisceau lumineux ce qui permet d'obtenir une variation de sensibilité et d'échelle uniquement par effet optique. D'une façon générale, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation représentés et décrits. Les spécialistes appre cieront qu'elle peut, au contraire, être appliquée dans toute configuration de mesure dans laquelle le résultat de la mesure est affiché au moyen d'un système électrique de mesure du type galvanomètre ou autre système de mesure électrique analogue. Par ailleurs, le bilame 1 utilisé dans un appareil de mesure suivant l'invention n'a pas nécessairement une forme allongée comme représenté sur l'ensemble des figures. En effet, on peut obtenir une déformation d'une partie d'un bilame maintenu par ailleurs dans une position fixe quelque soit sa forme, triangulaire, circulaire ou autre, par exemple. Enfin l'invention ne se limite pas à un mode d'affichage par ticulier. En dehors des modes représentés et décrits, on peut prévoir un affichage électronique réagissant à la déformation du bilame, par l'intermédiaire d'un générateur de tension tel qu'un potentiomètre par exemple dont le curseur serait en contact avec l'extrémité libre du bilame et dont la tension engendrée servirait à commander un montage électronique approprié. REVENDICATIONS 1 - Appareil de mesure d'une grandeur électrique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un bilame piezo-électrique (1, lArlB;lC) auquel est appliquéeune tension représentant la gran- deur à mesurer, des moyens (9) pour maintenir dans une position fixe une partie dudit bilame, des moyens (13 a 17;24 a 26; 27,28; 32,33) pour exploiter l'excursion d'une autre partie du bilame provoquée par une déformation du bilame par suite d'une application de ladite tension et des moyens de couplage (1i,12;23;29,30, 31) agencé entre ladite autre partie du bilame et lesdits moyens d'exploitation. 2 - Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit bilame piezo-électrique (1;1A,lB;1C) est de forme allons géie, l'une de ses extrémités étant montée fixe tandis que son extrémité opposée coopère avec lesdits moyens de couplage (11,12; 23;29,30,31). 3 - Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit bilame (l;lA,lB;lC) est formé par au moins une barrette de section rectangulaire ou carrée constante. 4 - Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit bilame (lA; lB) est composé de deux bilames élémentaires fixés l'un à l'autre par l'une de leurs extrémités, un premier (1A) de ces bilames élémentaires étant monté fixe par son extrémité opposée, tandis que l'extrémité opposée du second bilame élémentaire est libre, l'agencement étant tel que les déformations des deux bilames élémentaires s'ajoutent au niveau de ladite extrémité libre. 5 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens d'exploitation de l'excursion d'une partie du bilame comprennent un système d'affichage a aiguille (16;26) se déplaçant devant une échelle (17). 6 - Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de couplage comprennent une patte d'actionnement (11) agissant par l'intermédiaire d'un levier (12) sur un axe (13) dont ce dernier est solidaire en rotation, ladite aiguille (16) étant montée fixe sur l'axe (13), ce dernier étant rappelé par un organe élastique, tel qu'un ressort spiral (15) tendant à s'opposer à la déformation du bilame (1). 7 - Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de couplage comprennent un doigt de poussée (23) agissant sur une lame élastique (24) montée fixe à l'une de ses extrémités et prolongée à son autre extrémité par une aiguille (26). 8 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens d'exploitation comprennent un système d'affichage optique composé d'une source lumineuse (30), d'au moins un miroir (32) et d'une échelle (33) et en ce que lesdits moyens de couplage comprennent un miroir (29) qui est monté sur l'extrémité libre dudit bilame (1) et sur lequel est dirigé le faisceau provenant de ladite source (30) pour le diriger par l'intermédiaire du miroir (32) sur ladite échelle (33). 9 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bilame piezo-électrique (1C) comporte au moins une électrode divisée en sections (20a,20b 20c) alignées le long de la ligne de courbure du bilame et pouvant être sélectivement mises en circuit par l'intermédiaire d'interrupteurs (21,22) pour le règlage de la sensibilité de l'api pareil. 10 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (18, 18a) pour convertir une grandeur à mesurer en une tension électri- que adaptée pour provoquer une deformation dudit bilame (lA,lB,lC, 1).