Brevet FR2491213A1 — publié le 19820402

La présente invention concerne les rhéomètres et, en particulier, la mesure dans le temps de la déformation d'échantillons soumis à des contraintes diverses, principalement pour des corps non linéaires. Des phénomènes courants comme la gélification, la solidifi ae cation et la viscoélasticiti/nombreux produits alimentaires sont encore mal connus et nécessitent un grand nombre d'essais dans des conditions de mesure très diverses et souvent délicates. Un type connu de rhéomètre a donné des résultats satisfai- sants pour l'étude de la viande mais il ne permet d'appliquer que des forces relativement importantes sur les échantillons étudiés qui ne conviennent pas pour l'analyse de corps plus complexes. Dans certains cas, il peut en effet être nécessaire d'étudier un corps soumis à des forces relativement faibles ou qui varient rapidement dans le temps, dans des plages étendues. I1 peut être intéressant, dans certains cas, de pouvoir suivre l'évolution complète dans le temps d'un corps soumis à des contraintes, pour suivre, en particulier, les régies transitoires. on peut vouloir aussi soumettre un corps à des contraintes diverses telles que le poinçonnage, le cisaillement, la compression, l'extrusion, l'étirement. Dans les rhéomètres classiques, le mécanisme permettant d'exercer ces contraintes est souvent soumis à des jeux, à des frottements qui rendent les mesures peu précises et non rapides. En outre, un réglage manuel demande du temps et ne perm t-peF de faire certaines mesures en dynamique comme il est souhaitable pour des corps non linéaires ou évoluant avec le temps. Ils ne permettent pas non plus de tenir compte de façon précise des forces parasites (inerties, frottements). Un objet de la présente invention est un rhéomètre permettant de soumettre un échantillon à des sollicitations mécaniques de forme et d'amplitude diverses. Un autre objet de l'invention est un rhéomètre permettant de suivre de façon fiable l'évolution complète d'un corps soumis à des contraintes déterminées. Un autre objet de l'invention est un rhéomètre permettant d'effectuer des mesures dans des conditions quasi-statiques avec de grandes dynamiques en force et en déplacement, ainsi que dans des conditions dynamiques rapides. Un autre objet de l'invention est un rhéomètre permettant d'effectuer des mesures rapides, précises et simples à partir de contraintes "riches" en informations, particulièrement applicables à des corps non linéaires. Un autre objet de l'invention est un rhéomètre permettant de compenser les forces parasites dues à des inerties et à des frottements de la partie mécanique de l'appareil. On notera aussi que dans les rhéomètres classiques, la force exercée par le mobile en mouvement qui imprime une déformation à l'échantillon étudié est mesurée par un dispositif spécial de détection ou capteur de force. Pour des raisons de commodité, ce capteur pourrait être placé, non sur le mécanisme de déformation, mais sur le plateau supportant l'échantillon. En effet, en plaçant le capteur sur le mécanisme de déformation, il se pose des problèmes délicats à résoudre. Etant donné.que le capteur se déplace avec le mécanisme, son volume et sa masse doivent être faibles, son raccordement électrique et mécanique aisé, sa tenue aux vibrations importantes. Par ailleurs, les mesures fournies par le capteur sont entachées d'erreurs dues à la masse des accessoires qui lui sont raccordés. I1 est donc nécessaire de prévoir un circuit électronique de compensation. Mais si on place le capteur de force sur le plateau, on n'obtient qu'une valeur approximative de la force. On sait en effet que lorsqu'un corps se déforme sous l'effet d'une force, les caractéristiques de cette dernière ne sont pas transmises intégralement par le corps (seule la quantité de mouvement est conservée) ; d'où la nécessité de mesurer la force à l'endroit où elle est appliquée. Un autre objet de la présente invention est un rhéomètre permettant de mesurer la force exercée sur un échantillon à l'endroit même où elle est exercée sans avoir recours à un capteur spécifique Un autre objet de l'invention est un rhéomètre permettant d'exercer une force sur un échantillon par un moyen qui limite les jeux, les inerties, les frottements et les usures de la partie mécanique de l'appareil. Selon la présente invention, un rhéomètre pour mesurer la déformation et la contrainte imposées à un échantillon est cpractérisé en ce qu'il comprend 1) un b8ti dans lequel est placé l'échantillon et qui comporte un moyen de positionnement de l'échantillon et un ensemble mobile comprenant - un mobile et un moyen de guidage associé pour soumettre l'échantillon à une force déterminée, - un moyen assurant la suspension et la mise en mouvement linéaire du mobile et permettant une mesure directe de la force exercée par ce mobile sur l'échantillon, - un capteur de déplacement du mobile ;; 2) un dispositif électronique conçu pour piloter automatique- ment l'ensemble mobile et pour mesurer la contrainte et la déformation de l'échantillon en fonction du temps pendant lequel la force est exercée, ce dispositif comprenant - un circuit d'asservissement de position du mobile, - un circuit d'asservissement de force exercée par le mobile sur l'échantillon, - un moyen de commutation automatique pour faire fonctionner alternativement les deux circuits d'asservissement, - un moyen pour faire varier de façon déterminée la force exercée et la position en fonction du temps, - au moins un moyen pour enregistrer les valeurs de contrainte et de déformation de l'échantillon soumis à ladite force en fonction du temps. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mis en évidence dans la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels Figure 1 est un schéma de principe d'un bâti d'un rhéomètre selon la présente invention, Figure 1-1 est un schéma de principe d'un autre bâti selon l'invention, Figure 2 est un schéma fonctionnel d'un dispositif électronique d'un rhéomètre selon la présente invention, Figures 3a, 3b et 3c sont une représentation graphique d'exemples d'enregistrements obtenus par le rhéomètre des Figures 1 et 2 pour des contraintes "riches" imposées à un échantillon. Sur la Figure 1, on a représenté de façon schématique l'ensemble du bâti 10 dans lequel un porte-échantillon 11 supporte l'échantillon 12 à étudier. Un mobile 13 dont la forme est adaptée (comme le porte-échantillon 11) à liétude déterminée qui doit être faite sur l'échantillon et au type de contrainte que l'on désire faire subir à celui-ci (poinçonnage, cisaillement, compression, etc...), est suspendu au bout d'une tige rigide 14 qui lui transmet le mouvement pour se déplacer conformément à la commande du dispositif électronique de la Figure 2. L'autre extrémité de la tige 14 est reliée à un chariot de guidage 15 qui se compose, dans l'exemple de réalisation préféré de la présente invention, d'une cage prismatique triangulaire rigide et ultra légère comportant des roulements miniatures disposés aux sommets des triangles équilatéraux, le guidage étant assuré par trois rails verticaux à 1200, parallèles aux ar8tes du prisme dont l'un, réglable, assure le centrage rigoureux des éléments mobiles avec le minimum de frottement. Un deuxième système de guidage représenté sur la Figure 1-1 pourrait consister L déplacement axial du mobile est mesuré à l'aide dlun cap- teur de déplacement 17 qui est constitué sur la Figure 1 par un transformateur différentiel à noyou 18 coulissant, sans contact, selon l'axe principal XX' suivant lequel le centrage du mobile est également réalisé par le chariot de guidage. Le transformateur différentiel 18 est relié au dispositif électronique 20, représenté sur la Figure 2, qui délivre une tension proportionnelle à la position du noyou et donc à celle du mobile 13 solidaire de l'ensemble moteur-capteur 16, 17. Le guidage du chariot par trois rails verticaux sur lesquels peuvent prendre appui les roulements du chariot, ne constitue en fait qu'un système de sécurité limitant les déplacements radiaux de l'ensemble mobile dus essentiellement aux manipulations accidentelles du mobile et aux réactions du produit étudié. C'est le moteur lui-même, quand il est mis sous tension, qui assure la sustentation et le centroge de l'ensemble des parties mécaniques solidaires. Le moteur 16 se comporte en outre comme un moteur-balance électromagnétique qui permet de connaître la valeur de la force à l'endroit où elle est exercée par le mobile, cette force étont proportionnelle au courant électrique traversant le bobinage du moteur.Ce type de moteur-balance permet de cumuler les avantages du moteur linéaire (absence de jeu axial) et de la balance électromagnétique (sensibilité). De réalisation simple et de faible coût, ce moteur présente aussi l'avantage d'éviter l'endommagement des parties mécaniques de l'appareil par des frottements. L'ensemble solidaire des parties mécaniques mobiles mis en mouvement par le moteur-balance permet de limiter les jeux, les inerties, les frottements et les usures qui sont incompatibles avec la précision et la rapidité souhaitées pour certaines mesures. Le dispositif électronique 20 de la Figure 2 comprend un circuit d'asservissement de position déduit de l'ensemble moteur-balance 16 et capteur de déplacement ou position 17 de la Figure 1. Ce circuit d'asservissement de position se compose, sur la Figure 2, d'un circuit de chaîne directe 21 et d'un circuit de chaîne de retour 22. Le circuit de chaîne directe 21 comprend un correcteur de précision statique 23 relié à l'ensemble moteur 16 et capteur de position 17. La sortie du capteur de position 17 est reliée au circuit de chaine de retour 22 qui est un correcteur de stabilité et de précision dynamique. Ce correcteur 22 est relié à la chat- ne directe du circuit d'asservissement de position par un commutateur 24 en état de "position". Un circuit de réglage de coefficients de correcteurs 25 permet d'effectuer le réglage convenable pour obtenir en sortie du capteur de position 17 un signal de réponse assimilable à un premier ordre en série avec un retard. Le dispositif électronique 20 de la Figure 2 comprend aussi un circuit d'asservissement de force qui comporte le même circuit de chaîne directe 21 que le circuit d'asservissement de position et un circuit de chaîne de retour 26 qui est un correcteur de force. Le correcteur de force 26 est relié d'une part au moteur-balance 16 et d'autre part à la sortie du capteur de position 17. La sortie du correcteur de force 26 est reliée au circuit de chaîne directe 21 par le commutateur 24 mis en état de "force". Par un réglage convenable réalisé par le circuit de réglage de coeffi cients de correcteurs 25, le dispositif 20 délivre en sortie du correcteur de force un signal de réponse représentant la force strictement utilisable.En effet, le correcteur de force 26 se compose de deux correcteurs, l'un statique et l'autre dynamique, agissant sur les composantès de force F1 et Fp qui représentent respectivement la force nécessaire pour vaincre l'inertie et les forces parasites. La composante de forces parasites Fp est constituée par les forces d'attraction sur les roulements de guidage, les frottements, la raideur des fils de liaison du bobinage-moteur, les imperfections des champs magnétiques du moteur 16 et du transformateur 17.Le correcteur de force 26 a pour fonction d'extraire la composante de force strictement utilisable FU de la force totale FT résultant des trois composantes Fu, FI, Fp. Ainsi, le cou rant traversant le bobinage moteur représente la force utilisable par l'ensemble mobile et non la force totale de F T liée au courant I par la relation FT-K.I ou K est un coefficient déterminé. Le correcteur statique du correcteur de force 26 est conçu pour annuler les forces FI et FP au repos, pour normaliser le courant dans l'échelle des forces (I kg/IA) et pour linéariser le montage en rendant la force FU indépendante de la position du mobile. Le correcteur dynamique du correcteur de force 26 est conçu pour compenser la force FI due à l'inertie de l'ensemble mobile et pour diminuer la force Fp en corrigeant une partie des forces de frottement. Les deux circuits d'asservissement constitués par les circuits de chaîne directe 21 et de chaînes de retour 22 et 26 sont complétés par un autre circuit correcteur d'entrée qui a pour fonction de traiter les signaux d'entrée envoyés aux deux circuits d'asservissement. Ce circuit correcteur d'entrée est un filtre 27 réglable normalisateur qui tient compte des performances limitées en course, fréquence-puissance, des circuits d'asservissement. Le filtre choisi est un deuxième ordre possédant la pulsation, l'amor tissement et la dynamique de sortie rdglables. Le circuit de réglage de coefficients 25 est relié au circuit de chaîne directe 21 par un commutateur 28 soit à l'état de "position" soit à l'état de rorce, selon le mode d'asservissement en cours. Les deux modes d'asservissement de position et de force qui correspondent respectivement à un mode de déformation imposée et à un mode de contrainte imposée pour l'échantillon étudié, sont sélectionnés par un circuit logique de contrôle 29 relié aux deux commutateurs 24 et 28 qui sont de préférence des commutateurs électroniques. Le circuit logique de contrôle 29 dont une partie est un sélecteur de mode d'asservissement comprend aussi une autre partie pour conditionner les signaux d'entrée envoyés aux circuits d'asservissement de position et de force par le filtre 27. Le conditionneur de signaux d'entrée est constitué par des générateurs 30 et un multiplexeur 31 associés à une partie du circuit logique de contrôle 29. Les générateurs de signaux d'entrée 30 permettent de définir des références de tension aSustables, des signaux alternatifs réglables en fréquence, amplitude, valeur moyenne, et des temps analogiques. Le multiplexeur 31 est un multiplexeur analogique piloté par le circuit logique 29 ayant pour principales entrées des détenteurs de seuil ou comparateurs. Le sélecteur de mode permet d'associer à chaque voie du multiplexeur la possibilité de fonctionnement en mode d'asservissement de position ou en mode d'asservissement de force. Par une logique et un programme appropriés aux es sais envisagés, il est possible de réaliser avec l'appareil, selon la présente invention, une très grande variété d'essais automatiques difficilement réalisables par un pilotage manuel. De plus, il permet de choisir en cours d'essai automatique le mode d'asservissement susceptible de fournir l'information la plus significative. Dans l'exemple de réalisation préféré de rhéomètre, selon la présente invention, il a été également prévu de visualiser la force et la position à l'aide d'une échelle lumineuse facilitant la mise en place de l'échantillon et le suivi de leur évolution dans le temps. En outre, il est prévu à la sortie du dispositif électronique 20 de la Figure 2 soit un moyen d'enregistrement graphique des signaux de contrainte et de déformation, soit un moyen d'enregistrement numérique des mêmes signaux en vue d'un traitement informatique. Les Figures 3a, 3b et 3c représentent des exemples d'enregistrements réalisés avec le rhéomètre de l'invention. Ces figures montrent les possibilités de l'appareil dans le cas de contraintes "riches" imposées à un échantillon.L'appareil permettant une caractérisation rapide et globale du corps en essais pour de telles contraintes riches, il est principalement destiné à l'étude des corps non-linéaires. A titre d'exemple des performances d'un rhéomètre selon l'invention, en mode d'asservissement de position on obtient comme valeurs de course, 15 mm, de finesse de posi tionnement, i 3 pu, de bande passante, 0-50 Hz et de force maximum. + 10 N. En mode d'asservissement de force, on obtient les valeurs de force maximum, i 10 N, de force mini mum, # 10-3 N de bande passante, 0-15 Hz, de course utilisable, 15 mm et de précision de la position, + 3 Mm. En affichant les valeurs de force et de déplacement sur des voltmètres 20 000 points, on a une résolution théo- rique pleine échelle de 1 rm pour 10 mm de déplacement et de 10-N pour 10 N de force. Sous forme analogique, basse impédance, la force et le déplacement sont donnés respectivement avec + 10 N pour + 10 V et avec + 10 mm pour + 10 V, c'està-dire qu un signal d'entrée de + 10 V provoque un déplace- ment de + 10 mm et une force de + 10 N. On remarquera que l'inertie de l'ensemble mobile étant compensée en mode d'asservissement de position et en mobile d'asservissement de force, les informations de déformation et de contrainte imposée à l'échantillon étudié sont directement exploitables. Avec un rhéomètre selon l'invention, on obtient des dynamiques de déformation et de contrainte très élevées en une seule gamme : quelques microns à plusieurs centimètres et de 10-3N à 10 N. REVENDICATIONS 1. Rhéomètre pour mesurer la déformation et la contrainte imposées à un échantillon, caractérlsé en ce qu'il comprend :) un bâti (10) dans lequel est placé l'échantillon (12) et qui comporte un moyen (11) de positionnement de l'échantillon (12) et un ensemble mobile (15) comprenant - un mobile (13) et un moyen de guidage (14) associé pour soumettre l'échantillon (12) à une force déterminée, - un moyen (16) assurant la suspension et la mise en mouvement linéaire du mobile (13) et permettant une mesure directe de la force exercée par ce mobile sur l'échantillon (12), - un capteur de déplacement (17) du mobile (13) 11) un dispositif électronique (20) conçu pour piloter automatiquement l'ensemble mobile et pour mesurer la contrainte et la déformation de l'échantillon (12) qui résultent de la force exercée par le mobile (13) en fonction du temps pendant lequel la force est exercée, ce dispositif comprenant -'n circuit d'asservissement (21,22) de position du mobile, - un circuit d'asservissement de force exercée par le mobile (2t,26), - un moyen de commutation automatique (24) pour faire fonctionner alternativement les deux circuits d'asservissement, - un moyen pour faire varier de façon déterminée la force exercée et la position en fonction du temps, - au moins un moyen pour enregistrer les valeurs de contrainte et de déformation de l'échantillon soumis à ladite force en fonction du temps. t , Rhéomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen pour assurer la suspension, la mise en mouvement linéaire du mobile (13) et la mesure directe de la force exercée par ce mobile Fur l'échantillon (12) est un moteur électromagnétique linéaire (15). 3. Rhéomètre selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit dispositif électronique (20) comprend en outre un circuit logique de contrôle (29) pour conditionner le moyen pour faire varier de façon déterminée la force et la position en fonction du temps, et pour sélectionner un-mode-d'asserv-5-ssement déterminé par ledit moyen de commutation. 4. Rhéomètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit capteur de déplacement (17) est un transformateur différentiel à noyau (18) coulissant, solidaire du moteur (16) et auquel est associé le dispositif électronique (20). 5. Rhéomètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits circuits d'asservissement de force et de position du dispositif électronique (20) comportent un circuit de channe directe commun (21). 6. Rhéomètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif électronique (20) comprend en outre un circuit de réglage (23) en mode d'asservissement de force et en mode d'asservissement de position pour régler ledit circuit de chatne directe commun (el) en fonction du mode d'asservissement sélectionné.