Brevet FR2461242A1 — publié le 19810130

L'invention a pour objet un appareil de mesure de masses et de forces lié par son système de mesure, comprenant un bâti, un support de charge et un système de transmission de la charge ayant un rapport de transmission fonction de la charge dont un des éléments au moins est un levier basculant. Une balance à cordes vibrantes constitute un tel appareil. On appelle appareil lié à son système de mesure un appareil dans lequel le système de mesure supporte la charge et ne permet que des mouvements virtuels des éléments du système de transmission de cette charge. Un exemple typique de ce genre d'appareils est constitué par les balances dont le système de mesure est formé par deux cordes vibrantes sollicités par une force de référence connue et par la charge à mesurer. De tels appareils sont connus, par exemple par les brevets suisses no 492 961 et 541 799. Leur système de transmission est dit non-linéaire car la force de sortie du système agissant sur les cordes, appelée force de mesure, n'est pas une fonction linéaire de la force d'entrée, c'est-à-dire de la force ou du poids de la masse à mesurer. Cette propriété est voulue et sert à compenser la non-linéarité du système de mesure, c'est-à-dire des deux dynamomètres qui le constituent. Les appareils connus présentent un levier dont la longueur d'un des bras varie sous l'effet de la force d'entrée. Bien que leur caractéristique soit linéaire, il est indispensable dans ces appareils que le support de charge fasse des déplacements relativement longs comparés aux variations de longueur du bras de levier. Les petites variations de longueur du bras de levier ne peuvent être obtenues qu'au prix d'un long mouvement en direction de la force d'entrée, ce qui est très indésirable. Les possibilités de correction de la caractéristique non-linéaire du système de mesure sont limitées aux fautes du 3ème degré et de plus accompagnées d'une mauvaise justification. L'invention a pour but de créer un appareil de mesure dans lequel les nonlinéarités du système de mesure et celles de groupes d'éléments du système de transmission de la force d'entrée peuvent être entièrement compen- sées par un système de transmission à caractéristique non-linéaire, ce système de transmission ayant par ailleurs une complaisance mécanique inférieure à celle des appareils connus. De plus, l'appareil doit permettre un ajustement aisé des paramètres provoquant une non-linéarité et une justification facile de la variance de ces paramètres. L'appareil selon l'invention est principalement caractérisé en ce que ce levier est accouplé à au moins un élément adjacent de ce système de transmis- sion au moyen d'un élément raccord encastré dans ledit levier, flexible au 246 1 242 moins dans plusieurs zones et monté de manière à ne pas coïncider au moins partiellement avec la droite d'action de la force transmise. Des modes de réalisation de l'objet de l'invention donnés à titre d'exemples non-limitatifs sont représentés au dessin ci-annexé. - la figure 1 est un premier mode de réalisation; - la figure 2 est une représentation schématique de la figure 1 - la figure 3 est une courbe caractéristique de la transmission de la force; - la figure 4 est un second mode de réalisation - la figure 5 est une courbe caractéristique de la transmission de la force dans l'appareil selon la figure 4; - la figure 6 est un troisième mode de réalisation - les figures 7 et 8 sont des réalisations de l'élément de raccord. L'appareil représenté schématiquement en figure 1 est destiné à la mesure des masses. Un support de charge 2 est fixé à un bâti 1 au moyen de guides 3 de manière à ne se déplacer que verticalement et parallèlement à sa position de repos. Une plateforme 4 est fixée au support de charge 2. L'appareil comprend de plus un système de mesure 5 et un dispositif d'affi- chage 6. Le poids de la charge 7 est transmis par une tringle 8 au bras hori- zontal d'un levier 9 monté à pivot en 25 sur le bâti 1. La tringle 8 est munie à ses deux extrémités d'articulations élastiques 10. Le bras vertical du levier 9 transmet la force reçue, le cas échéant démultipliée ou multipliée, à l'élément d'entrée 12 du système de mesure 5 par l'entremise d'un élément de raccord 11. L'élément d'entrée 12 est monté sur deux guides 13 de sorte que seules des forces de traction sont transmises au système de mesure 5 et que tout moment est dévié sur le bâti 1 par les guides 13. L'élément de raccord 11 est constitué par une tringle de section quadra- tique divisé en quatre segments rigides 17, 18, 19 et 20 par trois sections réduites 14, 15 et 16. Le segment 17 présente un trou dans lequel l'extrémité du bras vertical du levier 9 est enfoncée et bloquée, il en résulte que tant forces que moments sont transmis à l'élément de raccord 11. Le segment 20 est de forme cyclindrique, il est donc le seul à ne pas avoir de section quadra- tique, il est enfoncé et bloqué dans un trou de l'élément d'entrée 12, de sorte que là aussi forces et moments sont transmis, ces derniers étant toute- fois, comme indiqué plus haut, déviés sur le bâti 1 et n'étant ainsi pas trans- mis au système de mesure 5. Les sections 14, 15 et 16 forment des articulations élastiques sollicitéespar les forces et moments transmis par le levier 9 au segment 17. Cet élément de raccord 11 est ainsi conçu que ces sections 14, 15 et 16 ne s'étendent pas le long du même axe. Les sections 15, 16 sont considéra- 246 1242 blement plus minces que la section 14 de sorte que la force de rappel qu'elles engendrent lorsqu'elles sont sollicitées peut, en première approximation, être négligée. Cet élément de raccord 11 fonctionne de la manere suivante: Lorsque la plateforme 4 est vide, la ligne d'action 21 de la force agissant sur l'élément d'entrée 12 est pratiquement confondue avec l'axe du segment 19. Elle coupe l'axe du bras vertical du levier 9 en un point 22. En ce point le moment agissant sur le levier 9 est transformé en une force de traction agissant sur le segment 19. Lorsque la charge 7 est déposée sur la plateforme 4, l'élément de raccord Il s'allonge du fait des forces et moments agissant sur lui et le point 22 s'abaisse. La force agissant sur l'élément d'entrée 12 ne grandit donc pas proportionnellement au poids de la masse à mesurer, au contraire elle est augmentée d'un terme correspondant à la réduction de la longueur du bras de levier vertical effectif. La figure 2 n'est qu'une représentation schématique du levier 9 et des éléments 11 et 12 de la figure 1 servant à en expliquer le fonctionnement. Une tringle 26 de longueur L pivotant en 25 symbolise le levier 9 de la figure 1. Son extrémité supérieure est munie d'une articulation 27 dans laquelle une tringle de traction 65 est montée de manière à ne subir aucun moment. Cette tringle 65 transmet une force de traction Fe à l'élément 11. Cette force Fe correspond à la force exercée par le levier 9 sur le segment 17 en figure 1. Une tringle 28 est également montée dans l'articulation 27, qui correspond au segment 18 de la figure 1. La section réduite 14 de la figure 1 est remplacée par une tringle 28 et un ressort 29, qui maintient la tringle 28 en position pointillée lorsque Fe = 0. La longueur de la tringle 28 en tant que bras de levier est indiquée par a et la hauteur au-dessus de l'articulation 27 d'une articulation 30 montée à l'extrémité de la tringle 28 est indiquée par c. Une tringle 31 remplace le segment 19 de la figure 1. Elle est fixée d'une part dans l'articulation 30 o elle ne subit pas de moment et d'autre part dans l'articulation 32 de l'élément 12 du système de mesure 5 auquel elle transmet une force de traction Fa. La longueur b de la tringle 31 est beaucoup plus grancd que la longueur a, de sorte que, en première approximation, on peut considérer que la tringle 31 reste toujours horizontale. Il en résulte que la force Fa agit sur l'articu- lation 30, la direction de cette force passant par le point 22 dans le prolon- gement de l'axe de la tringle 26. Les moments agissant sur cette tringle 26 sont: Fe. L = Fa (L + c) (1) En admettant que l'angle de la tringle 28 avec l'horizontale est petit et qu'il ne varie que peu, la variation de l'inclinaison de cette tringle est: Ct. X CO - C C a (2) Soit k la dureté (moment par unité d'angle) du ressort 29, on a pour l'articulation 27: k Fa C(3) k Co -c = Fa À c(3 a Soit a = e, on a: k C eF, C(4) Des équations (1) et (4) il résulte: Fe = Fa (1 + 1C/ eFa Fa i( + 1 +/eFe d'o Fa Co/L Fe 1 + eFe Des équations (4) et (5) il résulte: _ C _ -i Fa - Fe cO 1 + eFe Co/L.Fe (6) Ainsi le déplacement relatif de l'articulation 30 est une mesure directe de la diminution de la force de traction agissant sur l'élément d'entree 12. En figure 3, on a représenté c/co en fonction de eFe. En choisissant judicieusement la complaisance e de l'articulation 27 la caractéristique d'égalisation de la figure 3 peut être modifiée de manière affine et s'adapter à la correction désirée. La relation de eFe et de c/co est repré- sentée par une branche d'hyperbole 33 située dans le 4ème quadrant seule- ment. La quantité de force manquante Fa - Fe est la plus grande quand co/L.Fe Fe est petit, mais elle perd rapidement d'importance dès que Fe croît. La différence Fa - Fe est compensée dans l'articulation 25 comme force de 246 1242 réaction parallèle à Fe. La partie pointillée de la courbe dans le 3ème quadrant représente le comportement de l'élément Il lorsque Fe est négatif, une situation qui n'entre pas en ligne de compte pour l'appareil de la figure 1. Un autre mode d'exécution est représenté schématiquement sur la figure 4. Le bâti 1 présente un bras fixe 45 auquel est fixé un levier 46 par une articulation élastique. Le support de charge 2 présente également un bras fixe et rigide 47, et une tringle de traction 48 transmet le poids de la masse 7 au bras le plus court du levier 46. Une tringle 49 sollicitée à la pression transmet la force de traction exercée sur ce bras au levier 9 monté sur le bâti 1. Cette tringle 49 est formée par une baguette cylindrique présentant trois sections réduites 50, par exemple fraisées, faisant office d'articulations élastiques. La tringle 49 est encastrée à ses deux extré- mités dans le levier 9 et dans le levier 46. Elle transmet ainsi non seulement le poids démultiplié de la masse 7 mais aussi des moments. Cette tringle 49 est arquée de manière que les trois sections réduites 50 ne soient pas orientées le long de la même droite. Lorsque la charge augmentela tringle 49 ploie encore plus vers la gauche, la ligne d'action de la force transmise en est déplacée d'autant vers la gauche également. Le rapport de transmission du levier 9 est ainsi plus fortement modifié en fonction de la charge que ne l'est celui du levier 46 qui présente un bras horizontal plus long. La section réduite 50 proche du levier 9 peut être plus épaisse donc plus rigide que les deux autres. Dans ce cas la direction de la force transmise change aussi lorsque la charge augmente. L'élément de raccord 11 est encastré dans le levier 9. Il est représenté comme une pièce allongée, légèrement courbe sans sections réduites. La fonction d'égalisation de cet élément Il correspond à celle des figures 1, 2, 3 et 5a. Il s'y superpose celle de la tringle 49 dont la fonction d'égalisation est celle de la figure 5 b. Il en résulte une fonction de transmission de la force dans laquelle le terme du 2ème degré prédomine, comme on peut le voir sur la figure 5 c au terme constant près. L'élément 11 agit sur le système de mesure 5 qui ne tolère que des forces de traction, moments et forces obliques étant dérivés sur le bâti 1. La figure 6 est une variante de la figure 4. La tringle 49 est remplacée par une baguette rigide 51 dont les extrémités sont fixées par des articulations élastiques. Elle transmet le poids de la masse 7 démultiplié par le levier 46 au levier 9. L'élément 11 est encastré dans le levier 9. Lorsque la charge est petite la partie courbe tournée vers le bas de l'élément Il s'allonge, il en résulte que la ligne d'action de la force Fa qui agit 246 1242 sur le système de mesure 5 se rapproche du pivot 25 du levier 9. Lorsque la charge augmente encore la partie de l'élément 11 encastrée dans le levier 9 se redresse de sorte que cette ligne d'action s'éloigne à nouveau du pivot 25. Pour la clarté du dessin, on a représenté l'élément 11 comme forte- ment courbé par rapport à la droite qui relie l'extrémité du bras vertical du levier 9 à l'élément d'entrée 12. Dans la réalisation pratique, le dépla- cement de cet élément Il par rapport à cette droite ne représente que quelques pourcents de sa longueur totale. La rotation ilevier 9 due à l'allongement de l'élément 11 est très petite et de l'ordre de grandeur de la complaisance du système de mesure 5. La figure 7 représente un exemple d'exécution de l'élément 11 selon la figure 1. La figure 7a est une élévation en-coupe, la figure 7b une vue en plan. L'élément de raccord 11 de la figure 7 comprend une tête d'encastre- ment 53, une partie médiane courbe 59 et une partie terminale 60 constituée par un ruban plat et rectiligne. La tête d'encastrement 58 présente une collerette plate 54 et un col cylindrique 55. Une goupille légèrement conique 57 est encastrée dans le col 55 et dans un trou 56 du bras vertical du levier 9 de la figure 1. Cette goupille 57 est en un matériau isolant de haute résistivité, par exemple en saphir. Cette liaison col 55 - trou 56 - goupille 57 permet la transmission de forces et de moments. La partie médiane 59 est relativement large, le ruban 60 est plus étroit et environ huit fois plus long. Son extrémité 61 est fixée à l'élément d'entrée du système de mesure 5. On pourrait aussi donner à ces deux parties la même longueur et prévoir une réduction de section entre elles qui formerait une articulation élastique. Sur la figure 8, une variante de la figure 7 est représentée. L'élé- ment de raccord Il est formé par une ièce estampée puis pressée pour lui donner la forme représentée. Les différentes parties 53, 59 et 60 sont les mêmes que sur la figure 7. La différence entre les deux exécutions réside dans le fait que la partie constituant la tête d'encastrement s'étend en direction opposée à celle de la force transmise. L'élément de raccord étant recourbé d'environ 1800 la partie médiane 59 et la partie terminale 60 s'étendent elles dans la même direction que la force transmise. La forme de l'élément 11 engendre près de la tête d'encastrement 53 ainsi que dans la zone 62 une articulation élastique dure. Les autres parties, en particulier le ruban terminal, sont beaucoup plus élastiques, de sorte qu'il en résulte la courbe de la figure 5c. REVENDICATIONS 1.- Appareil de mesure de masses et de forces lié par son système de mesure, comprenant un bati (1), un support de charge (2), et un système de transmission de la charge ayant un rapport de transmis- sion fonction de la charge dont un des éléments au moins est un levier basculant (9, 46), caractérisé en ce que ce levier (9, 46) est accouplé à au moins un élément adjacent de ce système de trans- mission au moyen d'un élément de raccord (11, 49) encastré dans ledit levier (9, 46), flexible au moins dans plusiers zones et monté de manière à ne pas coïncider au moins partiellement avec la droite d'action de la force transmise. 2.- Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de raccord (11) est un élément de traction. 3.- Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de raccord (49) est une tringle soumise à pression. 4.- Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de traction (11) est constitué par une baguette présentant trois sections réduites définissant quatre segments rigides (17, 18, 19, 20) et trois articulations élastiques (14, 15,16), la rigidité de la première section réduite (14) en direction de la force transmise étant plus grande que celle des deux autres (15, 16). 5.- Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de traction (11) est constitué par un ruban plat présentant une tête d'encastrement (53), une partie médiane et une partie ter- minale allongée (60). 6.- Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'entre la partie médiane (59) et la partie terminale (60) se trouve une section plus étroite. 7.- Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément de raccord (49) est formé de deux baguettes rigides liées l'une à l'autre ainsi qu'aux parties adjacentes par un ruban élas- tique mou. 8.- Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément de raccord (49) est formé de deux baguettes rigides liées l'une à l'autre ainsi qu'aux parties adjacentes par des rubans élas- tiques durs. 9.- Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le raccord (49) est formé de deux baguettes rigides liées l'une à l'autre et à l'une des parties adjacentes par un ruban élastique mou et à l'autre partie adjacente par un ruban élastique dur. 10.- Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie (53) de l'élément de raccord (11) proche dudit levier (9) s'étend en direction opposée à celle de la force transmise et que ses parties suivantes (59, 61) s'étendent dans la même direction que celle de cette force. 11.- Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'élément de raccord (11) est recourbé de 180 a l'une de ses ex- trémités. 12.- Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de traction (11) est constitué par un ruban d'épaisseur constante.