Brevet FR2479464A1 — publié le 19811002

La présente invention concerne un perfectionnement aux systèmes de mesure de forces par l'utilisation de jau- ges de contrainte, et elle se rapporte,plus particulièrement, au domaine des procédés et appareils de pesage utilisant les jauges de contrainte. Dans les systèmes de mesure de forces, et notamment de pesage,par jauges de contrainte, l'on utilise des capteurs constitués,dans leur principe,par une résistance électrique solidement fixée, par exemple par collage,sur une pièce en métal ou autre, en général un barreau d'acier, présentant des caractéristiques particulières d'élasticité, d'hystérésis, etc... La force à mesurer,telle que le poids d'une charge â peser, agit sur cette pièce,suivant un mode variable : traction, compression, flexion, torsion, ....La résistance électrique "suit ' les dEfor- mations de la pièce sur laquelle agit l'effort, et subit des variations correspondantes de sa valeur de résistance, à partir desquelles on déduit la valeur de la force appli quée. Dans la pratique, on utilise un groupe de résistances, en général branchéesen pont de wheatstone, des résistances additionnelles pouvant autre insérées dans le montage électrique utilisé,pour réaliser des compensations de température, etc... Ce système de mesure est déjâ appliqué aux appareils de pesage électronique. Les jauges de contrainte donnent une indication de la charge soas une forme analogique,qui est en général convertie sous une forme numérique,utili- sée pour permettre un affichage de la mesure,une impression des valeurs mesurées, ou encore un traitement auto mastique de l'information. Ce genre de système, maintenant bien connu et utilisé depuis de nombreuses années,présente encore les inconvénients suivants 1. Sa précision de mesure et sa fiabilité sont limitées par un certain nombre de facteurs, en particulier par les caractéristiques mécaniques du barreau employé(élasticité, hystérésis, etc...), par les caractéristiques mécaniques et électriques des résistances employées, et surtout de leur moyen de fixation ou collage,par l'influence des conditions extérieures (température et humidité),... 2.La mesure est n aveugle n et le seul moyen de la contrôler est d'appliquer,à la place de la force inconnue & mesurer, des forces étalonnées,par exemple des massesétalons, ce qui constitue une opération coûteuse.En outre, rien ne permet, contrairement aux balances romaines ou aux balances avec indicateur de poids à cadran, de suivre directement l'évolution du poids et la marche générale de l'appareil. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients, et elle vise donc à obtenir une amélioration de la fiabilité,par des moyens augmentant la sécurité de la mesure et permettant un contrôle de la marche de la jauge de contrainte et des circuits associés. A cet effet, l'invention a essentiellement pour objet Un perfectionnement aux systèmes de mesure de forces,en particulier de poids,par jauges de contrainte,consistant à fixer de manière indépendante,sur la pièce déformable de la jauge de contrainte à laquelle est appliquée la force à mesurer, au moins deux résistances, ou groupes de résistances, de valeurs égales ou ajustées pour autre égales,et à comparer et/ou combiner les valeurs fournies par les différentes résistances, ou groupes de résistances, un résultat de mesure unique, mais tenant compte des écarts entre les valeurs comparées,étant délivré. Selon une possibilité de mise en oeuvre,les différentes résistances,ou groupes de résistances,fixées sur la même jauge, sont commutées suivant un séquencement déterniné, chaque indication analogique correspondant à une résistance est convertie en valeur numérique et mémorisée, les valeurs correspondant aux différentes résistances sont comparées entre elles et leurs écarts sont déterminés, ces écarts sont eux-mêmes comparés avec des valeurs admissibles, et en fonction de cette dernière comparaison, un résultat est affiché et/ou une alarme est déclenchée. La valeur finale affichée peut autre la moyenne arithmétique, ou une moyenne calculée d'une autre façon, e toutes les valeurs fournies à partir des différentes résistances. On peut aussi prendre, comme valeur finale affichée, la moyenne de (n-a) valeurs, n étant le nombre tetal de résistances et a le nombre de valeurs considérées, après comparaison, comme s'écartant trop du groupe de valeurs admissibles; ce nombre pout être lui-même fixé (par exemple : élimination des 2 valeurs extrêmes) ou bien variable et dépendant du nombre de valeurs se si- tuant à l'extérieur d'une certaine plage, un système électrouique approprié pourant rendre cette plage régla ble. Si les divergences constatées automatiquement sont telles que la jauge doit être considérée comme ne fonctionnant pas correctement, le déclenchement de l'alarme en avertit l'utilisateur. En variante, les opérations de contrôle et de conparaison pourront aussi s'effectuer dans les parties analogiques des circuits, eu par une combinaison de cir- cuits de traitement analogique et de circuits de traitement numérique. L'invention fait jouer la loi statistique dite des grands nombres, et elle permet ainsi, d'une part,d'obte- nir avec beaucoup plus de chances une valeur de mesure affichée présentant un écart/faible possible par rapport à la valeur de force réelle, et d'autre part, d'augmenter la fiabilité de la mesure, sans avoir à intervenir d'une façon quelconque pour effectuer un contrtle, la mesure et son affichage restant immédiats comme dans l'utilisa- tion d'une jauge classique. Le système objet de ltinven- tion reste peu coateux, au regard de l'amélioration appor- tée, car l'addition de résistances sur un barreau est simple et ne modifie pas la conception générale de la jauge, et par ailleurs les circuits électroniques de contrôle et de comparaison ne sont que des éléments simples, et actuellement devenus très courants,s'ajoutant aux circuits de mesure existants.Pour chaque résistance, on utilisera les circuits et éléments de réglage-du point zéro et de tare, d'ajustage de sensibilité, de compensation, d'alimentation,... connus pour les jauges de contrainte classiques; dans le cadre de la présente invent ion, ces circuits auxiliaires ont un r81e supplémen- taire, qui est d'égaliser au départ les valeurs des différentes résistances fixées sur le mime barreau. Âvantageusenent, le commutateur analogique relié aux différentes résistances fixées sur la même jauge est relié en outre,par une voie de contrtle, à une résistance ajustable, ou un groupe de résistances, servant de valeur de référence,qui est également convertie en valeur numé- rique, une comparaison étant effectue entre cette valeur de référence et un nombre -prédéterminé affiché,ceci à chaque mesure, le résultat de cette comparaison provoquant l'autorisation de la conversion ou du traitement des mesu- res issues des différentes résistances, ou an contraire le déclenchement d'une alarme.Ce système de contrtle sup plémentaire permet de s'assurer du bon fonctionnement de tout ou partie des circuits électroniques de conversion et de traitement de la mesure;il déclenche de préférence une alarme distincte de celle indiquée précédemment, ce qui permet de dissocier le mauvais fonctionnement des jau- ges elles-mêmes, du fonctionnement défectueux du bloc électronique. On pourra prévoir,en outre, un commutateur électrique ou électronique permettant soit de faire une mesure à partir de plusieurs résistances, ou groupes de résistances, donnant des valeurs qui sont comparées et/ou combinées,comme défini plus haut, soit de faire une mesu- re en n'utilisant qu'une seule résistance, ou un seul groupe de résistances, permettant ainsi de suivre l'état de fixation des différentes résistances. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui soit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, quelques formes d'exécution de ce système de mesure de forces, en particulier de poids,par jauges de contrainte Figures 1,2 et 3 sont des vues très schématiques montrant les implantations des résistances1pour la mise en oeuvre de l'invention, sur divers types de barreaux dé- formants; Figure 4 est un schéma synoptique des circuits élec troniques permettant les mesures et contrbles à partir de ces résistances. La figure 1 représente une jauge de contrainte travaillant en compression, avec un barreau déformant I lié à une surface d'appui 2, la force F à mesurer s'appliquant sur ledit barreau 1 en direction de ladite surface d'ap- pui 2. Sur le barreau 1 sont fixées,par exemple par col lage, trois résistances électriques A, B et C, ou encore trois groupes de résistances que l'on peut considérer comme représentés schématiquement, chacun, sons la forme d'une résistance unique. La référence S indique,dans leur ensemble,les sorties électriques pour la mesure de chaque résistance, la comparaison et autres traitements. De même, la figure 2 représente une jauge de contrainte travaillant en traction, toujours avec un barreau 3 supportant trois résistances, ou groupes de résistances, A, B et C. Une extrémité du barreau 3 est liée à un point d'attache 4, la force F à mesurer s'exerçant sur ce bar eau 3 vers l'opposé du point d'attache 4. Dans le cas de la figure 3, la jauge de contrainte comprend un barreau 5 travaillant en flexion, une extrémi- té de ce barreau 5 étant liée à un support fixe 6,tandis que la force F à mesurer s'exerce a l'autre extrémité du barreau 5s perpendiculairement à la direction longitu dinale de celui-ciO Comme précédemment, A, B et C dési- gnent les trois résistances,ou groupes de résistances, fixées sur le barreau 5. La figure 4 représente, à titre d'exemple,les cir- cuits électroniques de comparaison reliés aux sorties S des trois groupes de résistances A, 3 et C, montées en pont de Wheatstone sur un m8me barreau comme décrit cidessus. Chaque groupe de résistances A,B et C, ou "pont de jauge ", possède son circuit d'alimentation,respectivement 7a, 7b, 7c, son circuit de réglage de pente,respectivement 8a, 8b, 8c, et son circuit de réglage du point zéro, respectivement 9a, 9b, 9c Les ponts de jauge A, B et C, avec leurs circuits annexes, fournissent trois indications de valeurs mesurées, sous forme analogique,qui sont lues sélectivement au moyen d'un commutateur analogique 10, réalisant les fonctions de siéquencement et de sélection des voies.Les valeurs transmises sont amenées à un convertisseur anal on gique 11 avec détecteur d'équilibre et réglage de tare morte ou de zéro, puis à un convertisseur analogique-numérique 12. les valeurs ainsi converties en données numéri- ques sont introduites dans une mémoire 22, qui enregistre le résultat de chaque mesure,pour chaque pont de jauge A, B, C; une liaison 14 assure le séquencement synchrone entre le commutateur 10 et la mémoire 13. Les valeurs de mesure, correspondant aux différents ponts de jauge A, B et C, sont comparées entre elles dans un premier circuit comparateur 15, qui donne les divergences des résultats; ces divergences sont elles-mêmes comparées avec une valeur limite admissible,dans un second circuit comparateur 16, qui selon le résultat de la comparaison excite soit une liaison 17, soit une liaison 18. La liaison 17, excitée si l'état des divergences est reconnu " bon ", commande un dispositif 19 d'afficha- ge des résultats,par exemple un dispositif affichant la moyenne des résultats en cas de divergences constatées mais admissibles, ou le résultat commun unique en cas d'absence totale de divergence. Tout autre dispositif de traitement ou d'exploitation des résultats peut être commandé par la liaison 17. A l'inverse, si l'état des divergences est reconnu "mauvais ", c'est la liaison 18 qui est excitée. Celle-ci commande alors le déclenchement d'une alarme principale 20, indiquant le mauvais fonctionnement de l'appareil. Le non-déclenchement de l'alarme, laissant supposer que l'appareil est en état de fonctioner correctement, autorise une nouvelle série de mesures. Pour contrôler la bonne marche de l'ensemble commutation et conversion analogique 10, 11, 12, des circuits cemplémentaires sont prévus, comprenant une voie de contrôle D, reliée au commutateur 10 ainsi qu'à un pent de résistances étalonnées 21, avec son circuit d'alimentetion et avec des moyens 22 pour ajuster la valeur de référence ainsi obtanue. Le montage est tel que la mesure de cette résistance de référence pusse se faire en passant par le commutateur 10 et par els convertisseurs 11 et 12. A la sortie du convertisseur analogique-numérique 12,la valeur de référence obtenue est comparée avec un nombre prédéterminé affiché, dans un circuit comparateur supplémentaire 23, ce nombre étant bien entendu en correspondan ce avec l'ajustage effectué en 22. Si cette comparaison est Il bonne ", elle autorise9 par une liaison 24,la pour suite des opérations de lecture de la mesures et d'abord la mise en mémoire en 13.Si cette comparaison est"mauvai- se ", une autre liaison 25 provoque le déclenchement de l'alarme 20 déjà mentionnée, indiquant qu'il faut remédier à un défant du système. La liaison 25 comporte une dérivation vers une alarme auxiliaire 26, déclenchée uniquement par le circuit comparateur 23, en cas de comparaison " mauvaise ".On distinguera de cette façon un fonctionnement défectueux des ponts de jauge A,B,C, d'un fonctionnement défectueux du bloc de commutation et de conversion. L'ensemble des circuits permet ainsi de contrôler la marche des ponts de jauge et des circuits de mesure, donc d'augmenter la fiabilité de la lecture définitive. Le système de mesure de forces décrit précédemment s'applique à tous types de jauges de contrainte,travaillant en traction, en compression, en flexion (comme illuF tré par les figures 1 à 3), ou encore en torsion.... Le nombre des résistances, ou groupes de résistances, qui est de trois dans les exemples ici considérés, peut autre choisi librement.Ainsi l'invention peut être mise en oeuvre de la manière la plus simple en utilisant seulement deux résistances, ou groupes de résistances, donc eneffectuant deux mesures : si ces mesures coïnci- dent, il y a de fortes chances que le fonctionnement soit correct, et la valeur commune est retenue;si les deux mesures ne coïncident pas, l'alarme est déclenchée, indiquant qu'il convient de remédier à un fonctionnement défectueux.Toutefois, comme cela se comprend,la-fia- bilité est augmentée avec le nombre de résistances.En utilisant trois résistances, si deux résistances sur trois donnent sensiblement la même indication, il y a beaucoup de chances que la valeur moyenne de ces deux résistances donne la mesure correcte.En prévoyant quatre résistances, la coïncidence des valeurs données par trois d'entre elles permet de penser que la fiabilité de la mesure est encore plus forte, et ainsi de sui te... L'invention permet donc d'éliminer en grande partie les erreurs de mesure dues à divers facteurs et,en particulier,aux moyens de fixation des résistances sur le barreau déformant,qui actuellement constituent encore le point délicat de la fabrication des jauges de contrainte. Le système de mesure selon l'invention est également applicable au cas ds plusieurs barreaux équipés chacun d'une résistance, ou d'un groupe de résistances, la force à mesurer étant appliquée simultanément et de façon égale sur les dii9krents barreaux par un montage mécanique approprié couplant ces barreaux. La comparaison électronique des différentes mesures, en théorie égales, données par les résistances,ou groupes de résistances,associées aux différents barreaux1 est alors identique en tous pointus au processus décrit plus haut. Comme il va de soi, et comme il résulte déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce système de mesure de forces par jauges de contrainte qui ont été décrites ci-dessus,à titre d'exemples;elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application conçues sur le même principe. REVENDICATIONS 1.- Perfectionnement aux systèmes de mesure de forces,en particulier de poids, par jauges de contrainte,caractérisé en ce qu'il consiste à fixer de manière indépendante, sur la pièce déformable (1,3,5) de la jauge de contrainte à laquelle est appliquée la force (F) à mesurer, au moins deux résistan^es (A,B,C), ou groupes de résistances,de valeurs égales ou ajustées pour être égales, et à comparer et/ou combiner les valeurs fournies par les différentes résistances, ou groupe de résistances,un résultat de mesure unique, mais tenant compte des écarts entre les valeurs comparées, étant délivré. 2.- Système de mesure de forces selon la revendication 1,caractérisé en ce que les différentes résistances (A,B,C), ou groupes de résistances, fixées sur la même jauge,sont commutées suivant un séquencement déterminé, chaque indication analogique correspondant à une résistance étant convertie en valeur numérique et mémorisée, en ce que les valeurs correspond-ant aux différentes résistances sont comparées entre elles et leurs sécarts sont déterminés, en ce que ces écarts sont eux-memes comparés avec des valeurs admissibles, et en ce que, en fonction de cette dernière comparaison, un résultat est affiché et/ou une alarme (20) est déclenchée. 3. Système de mesure de forces selon la revendication 2,caractérisé en ce que la valeur finale affichée est la moyenne arithmétique, ou une moyenne calculée d'une autre façon, de toutes les valeurs fournies à partir des différentes résistances (A,B,C). 4.- Système de mesure de forces selon la revendication 2,caractérisé en ce que la valeur finale affichée est la moyenne de (n-a) valeurs fournies à partir des résistances (A,B,C), n étant le nombre total de résistances et a étant le nombre de valeurs considérées,après comparaison, comme s'écartant trop du groupe de valeurs admissibles. 5. Système de mesure de forces selon la revendica tion 1, caractérisé en ce que les opérations de contrôle et de comparaison s'offectuent dans les parties analogi- ques des circuits, ou par une combinaison de circuits de traitement analogique et de circuits de traitement numérique. 6.- Système de mesure de forces selon la revendication 2, caractérisé en ce que le commutateur analogique (10), relié aux différentes résistances (A,B,C) fixées sur la même jauge, est relié en outre, par une voie de contrôle (D), à une résistance ajustable (21), ou un groupe de résistances, servant de valeur de référence, qui est également convertie en valeur numérique, une comparaison étant effectuée (en 23) entre cette valeur de référence et un nombre prédéterminé affiché, ceci à chaque mesure, le résultat de cette comparaison provoquant l'antorisation de la conversion ou ou du traitement des mesures issues des différentes résistances (A,B, C), ou au contraire le dé clenchement d'une alarme (20,26). 7- Système de mesure de forces selon la revendication 6, caractérisé en ce que le comparateur supplémentai- re (25), effectuant la comparaison entre la valeur de référence convertie sous forme numérique et un nombre prédéterminé affiche'., est relié a une alarme auxiliaire (26) distincte de celle (20) déclenchée par la comparaison des valeurs issues des différentes résistances (A, B, C). 8.- Système de mesure de forces selon l'une queloon- que des revendications à & 7, caracrérisé en ce qu'il com- prend, en outre, un commutateur permettant soit de faire une mesure à partir de plusieurs résistances (A, B, C), on groupes de résistances, donnant des valeurs qui sont comparées et/ou combinées,soit de faire une mesure en n'utilisant qu'une seule résistance, ou un seul groupe de résistances. 9.- Système de mesure de forces selon l'uns quelcon- que des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est appliqué à pluseure barreaux équipés chacun d'une résis tance, ou d'un groupe de résistances, la force à mesurer étant appliquée simultanément et de façon égale sur les différents barreaux couplés mécaniquement. 10.- Appareil de pesage électronique à jauges de contrainte,caractkrisé en ce qu'il comporte application d'un système de mesures de poids selon l'une quelconque des revendications précédentes.