Brevet FR2468891A1 — publié le 19810508

La présente invention se rapporte à un équipement destiné à la mesure des très faibles poids. La mesure des poids constitue l'une des opérations de mesure les plus fréquemment exécutée?. On a inventé pour leur exécution dispositifs les plus variés. L'un des types de balances les les plus anciens utilise le principe de la balance à bras égaux ou à bras inégaux. Dans ces balances, on établit l'équilibre en chargeant les bras avec des poids ou en déplaçant un poids sur eux. Le nombre exprimant le résultat de la mesure de la masse mesurée est déterminé par le comptage des poids utilisés ou par la mesure de leur dé- placement. On utilise depuis peu plusieurs phénomènes phy- siques nouveaux pour la mesure des poids. Ces phénomènes sont l'allongement et la torsion provoquées par des défor- mations élastiques et, par ailleurs, les modifications des propriétés mécaniques, électriques, magnétiques, optiques, etc... engendrées sous l'effet de forces. A la suite des progrès de l'électronique, on utilise maintenant d'une façon générale des procédés de mesure électriques basés sur le phénomène de piézorésistivité. Les jauges de contraintes réalisées sur cette base sont capables de mesurer des poids et autres forces dans une plage de valeurs s'étendant de quelques milligrammes à plusieurs centaines de tonnes. Toutefois, quel que soit celui des principes de mesure mentionnés cidessus que l'on met en oeuvre, on doit nécessairement faire intervenir un dispositif méca- nique à l'aide duquel on puisse mettre en équilibre la force à mesurer et les paramètres utilisés pour la mesure. Dans la plupart des cas, dans la position d'équilibre, la ligne d'action de la force à mesurer ne coïncide pas avec la ligne d'action de la force qui l'équilibre. C'est le cas, par exemple, pour les balances construites sur le principe du levier. Toutefois, si l'on doit créer un champ de contraintes mécaniques internes dans une pièce de l'instrument pour atteindre l'équilibre, c'est-à-dire si le résultat de la mesure est obtenu au moyen des propriétés des matériaux, le poids à mesurer et le champ de contraintes développé pour l'équilibre doivent coïncider avec là ligne d'action de la résultante prise sur une surface donnée. On connaît par ailleurs un procédé de mesure dans lequel les lignes d'action se coupent mutuellement. C'est le cas lorsque les deux points d'application et le point d'appui ne sont pas alignés ou encore, par exemple, lorsqu'on utilise un pendule. Dans ces dispositifs, la mesure est rendue possible par le fait qu'on connaît les conditions géométriques et les forces qui établissent l'équilibre. Toutefois, on utilise toujours une seule force pour la mesure. Il existe également des opérations de mesure dans lesquelles le nombre exprimant la force à mesurer est cal- culé à partir de deux ou plusieurs forces. C'est par exemple le cas pour la mesure exécutée avec l'aide de la poutre sur deux supports. Les principes de mesure et'les solutions pratiques qui décrits ci-dessus sont applicables à la mesure des petites forces aussi bien qu'à celle des grandes. Cependant, avec les progrès de la technique, on observe une demande crois- sante de procédés précis de mesure des très petites forces qui mettent en oeuvre des procédés mécaniques et électriques. La généralisation de l'application des procédés électriques n'est limitée que par le fait que le poids dis- ponible n'est pas capable de développer une contrainte mé- canique suffisamment élevée pour créer une déformation mesurable des matériaux ou une transformation mesurable de leurs propriétés caractéristiques. Il est donc néces- saire de prévoir un dispositif capable de multiplier la force disponible à mesurer. Ce type de dispositif multi- plie la force à mesurer dans l'appareil de mesure à la façon d'un transformateur. Il peut s'agir, par exemple, d'un levier à bras inégaux, qui multiplie la force à mesu- rer dans la proportion du rapport des longueurs des bras. Ceci signifie que, plus grande est la force à créer, moins long doit être le bras choisi qui sépare cette force du point d'appui. Dans ce type de solution, la précision qu'il est possible d'atteindre est limitée par les tolérances de fabrication, de sorte que, dans unecertaine plage de mesure, il n'est plus possible d'obtenir une mesure pré- cise. Par ailleurs, dans l'utilisation de ces dispositifs, la constante de temps et les autres caractéristiques du système sont affectées de variations préjudiciables. L'invention vise à réaliser un appareil pour la mesure de petites forces dans lequel on puisse réaliser une multiplication de la force à mesurer par un facteur de à 100 et o les variations dimensionnelles résultant des techniques de fabrication n'influencent pas notable- ment les résultats de la mesure, de manière que l'appareil soit ainsi capable d'exécuter des mesures précises. Suivant l'invention, ce problème est résolu par un appareil comprenant. deux ensembles dont chacun contient au moins trois bras de mesure et dans lequel les points d'ancrage de tous les bras de mesure sont fixés à un même élément rigide, dans une disposition telle que les points de liaison entre les bras de mesure des deux ensembles se trouvent en dehors des plans définis par les extrémités fixées audit élément rigide. Les bras de mesure et les barres de prolongation de de l'appareil suivant l'invention sont avantageusement cons- titués par des tiges travaillant à la traction. Les bras de mesure peuvent être agencés dans une disposition symétrique ou dans une disposition asymétrique. Dans le cas de la disposition symétrique, les bras de mesure de l'ensemble supérieur sont décalés de 1800 par rapport aux bras de mesure de l'ensemble inférieur. La ligne d'application de la force à mesurer coïncide de préférence avec l'axe géométrique de la barre prolongatrice afin de permettre d'effectuer l'addition d'une façon simple. Les bras de mesure et la barre-prolongatrice de l'appareil peuvent être équipés d'un dispositif de réglage servant à créer une précontrainte afin d'éliminer les défauts de précision. Des capteurs dynamométriques, avantageusement des résistances sensibles à l'allongement, sont incorporées dans les bras de mesure. Ces résistances sensibles à l'allongement sont connectées dans un demi-pont ou dans un pont complet et, de cette façon, le signal de sortie obtenu est proportionnel à la force à mesurer. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, - la Fig. 1 est un schéma de l'idée de base de l'invention; - la Fig. 2 est un schéma montrant le chevalet classique; - la Fig. 3 est un schéma d'une forme appropriée de réalisation de l'appareil suivant l'invention; - la Fig. 4 montre un détail d'une forme con- crète de réalisation de l'appareil suivant l'invention - la Fig. 5 est un montage des résistances de mesure; - la Fig. 6 est un diagramme montrant la mesure effectuée lorsqu'on utilise des résistances de mesure. L'invention est basée sur les idées suivantes. La mécanique enseigne que, pour tendre.une corde honrizon- talement, on doit lui appliquer des forces infinies. La Fig. 1 montre que la force F agissant en un point D de la corde fixée aux points A et B est équilibrée par des forces de réaction Ra et Rb qui, suivant la valeur de l'anglec le point D et de rendre ainsi le système instable. On peut éviter cette instabilité en fixant le point D aux points C et E, la direction CE ne coïncidant pas avec la direction AB. De cette façon, cet état stable facile à détruire peut être maintenu avec l'aide de forces exercées dans les directions CD et DE. Toutefois, même dans ce cas, le système de forces est encore statiquement incertain. On ne peut obtenir un état statique fixe qu'en utili- sant un ensemble de points A, B et C et un point D commun et dans lequel des barres ou cordes sont disposées dans les directions AD, BD et CD. Cet ensemble est connu depuis longtemps-en mécanique sous le nom de chevalet ou tripode (Fig.2). Par l'application conjointe du principe de la corde et de celui du chevalet, il est possible de créer un système permettant la détermination d'une force positivement active par la mesure des forces de barres et dans la connaissance des conditions géométriques du sys- tème. Les conditions d'équilibre du chevalet représenté sur la Fig. 2 peuvent être examinées suivant la formation des liaisons entre le point D et les points A, B et C. L'ap- pareil suivant l'invention peut être réalisé par l'assem- blage de deux chevalets de la façon représentée sur la Fig. 3. Dans la solution représentée sur la Fig. 3, l'ap- pareil est constitué par une structure de noeuds et de barres dans laquelle les noeuds, situés aux points A, B et C, sont disposés à égale distance les uns des autres. De même, les noeuds L, M et N sont disposés sur un même cercle. Les extrémités libres des barres des chevalets sont réunies aux points S 1 et S2. Les points S1 et S2 sont reliés à une barre prolongatrice. Lorsqu'une force G agit sur ce système alors que ce dernier se trouve en état d'équilibre, les points S1 et S2 situés aux extrémités des chevalets se déplacent d'une distance L, les barres de l'ensemble supé- rieur s'allongeant et les barres de l'ensemble inférieur étant comprimées. Après la déformation, le système est à nouveau en équilibre. Si l'on connaît les caractéristiques (géométrie et grandeur des forces exercées dans les barres) du système avant l'action du poids G, on peut déterminer la valeur du poids G inconnue à partir de la nouvelle valeur des forces qui s'exercent dans les barres. Dans la pratique, on peut mesurer la valeur des forces qui s'exercent dans les barres au moyen de jauges de contraintes. On- a représenté sur la Fig. 4 un appareil utilisant de telles jauges de contraintes. Ici, pour simplifier, on n'a représenté qu'une seule des barres formant bras de mesure dans chacun des en- sembles supérieur et inférieur. Le schéma montre les cap- teurs dynamométriques 1 incorporés dans les bras de mesure. De plus, tous les bras de l'appareil de mise sous mesure sont munis d'un dispositif de réglage 2 destiné à assurer la précontrainte. En raison de la production d'ondulations, de jeux de réglage et de l'incertitude de la ligne d'action des forces à mesurer, il est souhaitable de créer une certaine précontrainte dans le système pour éliminer ainsi les incertitudes précitées. Dans la solution représentée, les bras de mesure des unités sont connectés à un joint 3 dont on peut faire varier la position à l'aide d'un - dispositif de réglage fileté cependant que, de même, un dispositif de réglage fileté 2 est incorporé dans la barre qui relie les deux unités. Pour effectuer la mesure avec l'appareil suivant l'invention, on procède de la façon suivante; après avoir établi une précontrainte appropriée, on établit l'état P=O sur les capteurs 1, puis on applique la charge G à l'appareil. Dans ce cas, les barres de l'appareil s'al- longent ou se raccourcissent et il s'exerce dans les noeuds correspondants des forces de réaction qui sont en équilibre avec les forces mesurées dans les capteurs 1. On peut facilement déterminer la force de charge inconnue G par une addition vectorielle des valeurs des forces lues. Il est souhaitable de construire l'appareil de telle manière que la ligne d'action de la force de charge G à mesurer coïncide avec l'axe géométrique de la barre de prolongation, parce que le calcul est alors plus facile. Bien entendu, l'addition peut être effectuée dans n'importe quel autre cas. Etant donné que, dans l'appareil suivant l'invention, il s'établit un état d'équilibre entre des vecteurs force, la mesure est effectuée en réalité par une addition ou soustraction vectorielle. Ce problème peut être résolu simplement par addition de tensions électriques, auquel cas on peut produire directement un signal de sortie propor- tionnel à la charge. Il est souhaitable d'utiliser un nombre suffisant de résistances formant capteurs d'allongement pour former un pont complet ou demi-pont dans les éléments de mesure. La Fig. 5 montre l'agencement des résistances R dans les éléments de mesure lorsque les résistances forment un pont complet. On peut répondre à un besoin de mesure de haute précision des forces en mesurant les composantes de forces PA' PB' PC ou PL' PM' PN avec des dynamomètres séparés. A cet effet, on construit un pont complet comme indiqué sur la Fig. 6, avec les quatre résistances R1, R2, R3, et R4 sur -les éléments de mesure. Les cellules de mesure du pre- l-5 mier et du deuxième ensembles sont connectées en parallèle et les deux signaux de sortie sont ajoutés. De cette façon, on obtient un signal de sortie proportionnel à la force à mesurer. Il ressort de ce qui précède que la solution sui- vant l'invention permet de transformer avec agrandissement la valeur de très petites forces avec un facteur de multi- plication choisi à volonté et, de cette façon, d'obtenir une mesure précise de ces petites forces. Bien que, dans l'exemple décrit et considéré, chaque unité comporte trois barres, il est tout aussi possible d'utiliser plus de trois barres dans chaque unité. En utilisant des membranes comme unités reliées à la barre de traction, on obtient une construction contenant un nombre infini de bras de mesure. La mesure et le calcul peuvent aussi bien être effectués dans un appareil de ce type dans lequel les barres ne sont pas disposées symétriquement. Il est également possible de construire un dispositif de mesure dans lequel les barres sont remplacées par des poutres encastrées mais, dans ce cas, on aura à prendre en considération les moments qui s'y exercent. Si l'on adopte cette solution, il est recom- mandé d'utiliser des barres de même résistance mécanique. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Appareil pour la mesure des faibles poids, carac- térisé en ce qu'il comprend deuxensembles dont-chacun comprend trois bras de mesure réunis entre eux en un point, en ce que les points de réunion (S1, S2), des bras de mesure de chaque unité sont fixés à une-barre prolongatrice et les extrémités libres de tous les bras de mesure sont ancrées à un élément rigide unique de telle manière que les points de réunion des bras de mesure dans les unités se trouvent en dehors des plans définis par-les extrémités ancrées à cet élément rigide. 2. Appareil suivant là revendication 1, caractérisé en ce que les bras de mesure sont constitués par des tiges travaillant à la traction. 3. Appareil suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que la barre prolongatrice est constituée par une tige travaillant à la traction. 4. Appareil suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que les bras de mesure sont réunis à l'élément rigide. 5. Appareil suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que la-liaison des bras de mesure à l'élément rigide sont réalisés sous la forme d'organes reyenus par serrage. 6. Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les bras de mesure sont constitués par des élé- ments de même résistance mécanique. 7. Appareil suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que les bras de mesure sont disposés suivant un agencement symétrique. 8. Appareil suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les bras de mesure de l'ensemble supérieur sont décalés de 1800 par rapport aux-bras de mesure de l'ensemble inférieur. 9. Appareil de mesure suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les bras de mesure sont disposés suivant un agencement asymétrique. 10. Appareil de mesure suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'un des deux ensembles est muni d'un nombre infini de bras de mesure réalisés sous la forme de membranes.. 11. Appareil de mesure suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la ligne d'application de la force (G) à mesurer coïncide avec l'axe géométrique de la barre prolongatrice. 12. Appareil de mesure suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les bras de mesure sont munis d'un dispositif de réglage (2). 13. Appareil de mesure suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la barre prolongatrice est munie d'un dispositif de réglage (2). 14. Appareil de mesure suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend des capteurs dynamométriques (1) incorporés dans les bras de mesure. 15. Appareil de mesure suivant la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte des résistances capteurs d'allongement utilisées en qualité de capteurs dynamomé- triques (1). 16. Appareil de mesure suivant la revendication 15, caractérisé en ce que les résistances capteurs d'allonge- ment R1, R2, R3 et R4 sont connectées en un demi-pont. 17. Appareil de mesure suivant la revendication 15, caractérisé en ce que les résistances capteurs d'allonge- ment sont connectées en un pont complet.