Brevet FR2492969A1 — publié le 19820430

La présente invention concerne les moyens de mesure des grandeurs non électriques et a notamment pour objet un capteur de déformations et un circuit électrique pour son réglage et son étalonnage. L'invention peut être utilisée notamment dans les dispositifs automatiques de traitement et d'enregistrement des déformations ou des contraintes mécaniques apparaissant dans les éléments de construction importants sous l'effet de surcharges variables et de températures prolongées au cours de leur exploitation. On connaît des capteurs de déformations comportant un élément sensible, par exemple un extensomètre à fil résistant, cooperant avec un appui mobile à travers lequel le capteur est attaqué par un signal correspondant à la déformation mesurée. Ce signal est transformé par l'élément sensible en un signal électrique capable d'être ultérieurement traité dans des dispositifs automatiques de traitement et d'enregistrement des déformations mécaniques. Cependant , quand on utilise ces capteurs, ainsi que des capteurs analogues d'autres conceptions, on est confronté au problème de la compensation thermique du signal, du fait de la modification de la déformation en fonction des conditions thermiques du milieu ambiant. Ce problème est résolu de différentes façons dans les différents capteurs. On connaît l'utilisation d'éléments de compensation qui sont des résistances thermosensibles coupléesen série à des éléments sensibles extensométriques. On connatt également l'application d'éléments thermocompensateurs mécaniques, réalisés en matériau possédant à peut près le même coefficient de dilatation thermique linéaire que le matériau de la pièce dont on mesure la déformation. En particulier, les éléments mécaniques de thermocompensation peuvent être réalisés avec le même matériau que la pièce à étudier. Dans de tels capteurs, l'élément mécanique de compensation thermique est relié rigidement à un second appui et, à travers un élément extensométrique à fil résistant, est raccordé au premier appui, qui est un appui mobile Les capteurs connus sont contrôlés et étalonnés avant leur montage sur la pièce à étudier. Après le montage du capteur, son étalonnage et son contrôle deviennent impossibles, ou bien nécessitent des dépenses de temps considérables. Par exemple, le contr8le d'un capteur de déformation peut être réalisé en raccordant une résistance de référence à l'un des bras d'un circuit de mesure en pont du capteur de déformations et en comparant le signal apparaissant dans la diagonale de mesure avec le signal préalablement obtenu de ce même capteur. Cependant, dans ce cas, on ne contrôle que le circuit électrique et on ne réalise pas le contrôle total de toute la voie de mesure comprenant les sous ensembles mécaniques de ce capteur. La présente invention vise donc un capteur de déformation et un circuit électrique pour son réglage et son calibrage, permettant de réaliser son étalonnage et son calibrage après son montage sur la pièce à étudier. Ce problème est résolu à l'aide d'un capteur de déformations, comportant un élément sensible extensométrique à fil résistant, qui coopère avec un appui mobile, à travers lequel arrive au capteur un signal correspondant à la déformation mesurée, un élément compensateur thermorésistant et un élément mécanique de compensation thermique, réalisé en matériau possédant à peu près le même coefficient de dilatation thermique linéaire que le matériau de la pièce dont on mesure la déformation, et relié rigidement à un second appui, en étant par ailleurs relié par l'intermédiaire de l'élément sensible extensométrique audit appui mobile, caractérisé selon l'invention en ce qu'il comporte un élément intermédiaire séparant l'élément extensométrique à fil résistant d'avec l'élément mécanique de compensation thermique et réalisé en un matériau dont le coefficient de dilatation thermique linéaire est sensiblement inférieur à celui du matériau de l'élément mécanique de thermocompensation, et en ce que sur ce dernier sont disposés des éléments de chauffage et des résistances thermosensibles prévus pour une variation programmée de la déformation de l'élément mécanique de compensation thermique au cours du réglage et du calibrage du capteur après son montage sur la pièce à étudier et au cours de son exploitation. L'élément intermédiaire peut se présenter sous la forme d'une plaque fixée sur le second appui. En cas de réalisation de l'élément mécanique de com pensation thermique en acier, en alliage d'aluminium ou en titane, il est avantageux de réaliser l'élément intermédiaire en invar, en quartz ou en saphir. Pour la fixation de la base à mesurer du capteur et du capteur lui-même après son réglage et son calibrage, le capteur peut comporter un étrier de montage reliant rigidement les deux appuis du capteur. Pour le réglagepréalable de 11 élément sensible extensométrique, le capteur peut comporter deux appuis intermédaires installés sur l'élément intermédiaire et portant chacun une plaque mobile. Le problème exposé plus haut est résolu également du fait que le circuit électrique de connexion des éléments du capteur de déformations proposé, du type formé par montage en demi-pont de deux éléments sensibles extensométriques à fil résistant, à chacun desquels est raccordé en série un élément à résistance thermosensible de compensatisn et caractérisé selon l'invention, en ce que à l'un des sommets du montage en demi-pont est raccordé un élément chauffant relié à une source d'alimentation autonome par l'intermédiaire d'un commutateur, et qu' à l'autre sommet du montage en demi-pont est raccordé à un élément à résistance thermosensible, sur lequel apparstt un signal électrique dû à une variation de la température de l'élément mécanique thermosensible par suite de son échauffement pour le calibrage et le réglage du capteur et correspondant au programme de variation de la déformation de calibrage ainsi assigné. Le capteur de déformation conçu de cette façon peut être réglé et calibré après son montage sur la pièce à étudier, ainsi qu'en cours d'exploitation. L'invention sera mieux comprise et d'autres bub détails et avantages de celle-ci apparattront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs avec références aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente le schéma de principe du capteur de déformations selon l'invention; - la figure 2 illustre une variante de réalisation du capteur de déformation selon l'invention, avec le couvercle déposé et l'étrier enlevé; - la figure 3 représente le shéma électrique de connexion des éléments du capteur de déformation selon l'invention; - la figure 4 représente le circuit équNXDnt du capteur de déformation conforme à l'invention expliquant son fonctionnement. Le capteur de déformatiors comporte un élément sensible 1 ( figure 1) sous la forme d'une plaque 2 sur laquelle sont collés les extensomètres à fil résistant 3 et 4 ainsi que des éléments compaBateurs à résistance thermosensiblea la forme de deux résistances 5 et 6, pour compenser les accroissements thermiques de la résistance des extensomètres à fil résistant 3 et 4. L'élément 1 est fixé à l'une de ses extrémités à un appui mobile 7, et à son autre extrémité par l'intermédiaire d'un isolant thermique 8, à un élément utermédiaire 9. Le capteur comporte également un élément mécanique de compensation thermique 10, se présentant sous la forme d'une plaque dont une extrémité est reliée par l'intermédiaire d'un isolant thermique 11 à un appui 12, et l'autre extrémité, par l'intermédiaire d'un isolant thermique 13, à l'élément intermédiaire 9. L'élément mécanique de compensation thermique 10 est réalisé en un matériau possédant un coefficient de dilatation thermique linéaire à peu près identique à celui du matériau de la pièce 14 dont la déformation est à mesurer, ce qui assure la compensation de l'allongement thermique de la partie de la pièce 14 située entre les appuis 7 et 12. Le plus souvent, l'élément 10 est réalisé avec le même matériau que la pièce 14. Si les capteurs sont utilisés pour mesurer la déformation de pièces métalliques, par exemple en n'importe quel alliage d'aluminium, en acier, en titane etc, pour lesquels ce 5 (5 à 22).10-6 1/OC, l'élément 10 est réalisé avec les mêmes matériaux. L'élément intermédiaire 9, à son tour, est constitué par un matériau possédant un coefficient de dilatation thermique linéaire 1 sensiblement inférieuràonidu mMtau de l'élément 10. Par exemple, l'élément intermédiaire 9 est réalisé en invar (alliage ferromagnétique fer- nickel), en quartz, en saphir, dont le coefficient de dilatation thermique linéaire ne dépasse pas (0,5 à 2). 10 6 1/oc. Sur l'élément mécanique 10 se trouvent un élément chauffant 15 et un élément à résistance thermosensible 16, qui sont prévus pour une assignation programmée de la déformation de calibrage de l'élément mécanique de compensation thermique 10. L'élément intermédiaire 9 se présente sous la forme d'une plaque liée rigidement, par l'intermédiaire de l'élément 10, au second appui 12, et par l'intermédiaire de l'élément 1, à l'appui 7. L'élément intermédiaire, dans ce cas, transmet à l'élément sensible 1 la défongdionXassignée par programme, pour le calibrage de élément sensible 1, lors de la dilatation linéaire de l'élément mécanique- de compensation thermique sous l'effet du réchauffement. La figure 2 représente une variante de réalisation du capteur de déformations, dans laquelle l'élément sensible en matériau extensosensible sous la forme de fils 17 et 18 est fixé sur des appuis intermédiaires 19 et 20, chacun desquels comporte une plaque mobile, respectivement 21 et 22 et qui sont fixés respectivement sur les extrémités mutuellement opposées de l'élément intermédiaire 9, sur lequel est appliqué un isolant thermique 23. Pour permettre leur déplacement, les plaques 21 et 22 sont disposées avec un jeu 24 par rapport aux appuis intermédiaires 19 et 20 et comportent des vis 25 et 26. L'élément mécanique de compensation thermique 10 est placé de manière à ne pas être relié à l'élément 9, et est fixé rigidement en porte-à-faux sur l'appui 12 et sur un appui central 27 à son autre extrémité. Sur l'élément 10 est installé un élément chauffant 15 filiforme et une résistance thermosensible 16. Le capteur comporte un couvercle 28 qui, pour plus de clarté est représenté séparément (c'est-à-dire déposé du capteur). De plus le capteur est doté d'un étrier 29 enfichable au moyen de broches 30 et fixé dans des ouvertures 31 des appuis 7 et 12, en fixant ainsi en position la base de mesure et tout le capteur. Tous les éléments du capteur de déformations sont raccordés électriquement entre eux et forment un circut électrique, qui est représenté sur la figure 3. Les extensomètres à fil résistant 3 et 4 de l'élément sensible 1 sont branchés dans un montage et demi-pont. En série avec chacun d'eux est inséré l'une des résistances 5 et 6 de l'élément compensateur à résistance thermosensible. Au sommet 32 du montage en demi-pont est raccordé l'élément chauffant 15; sa borne 33 et la borne 34 du sommet 32 sont raccordées à travers un commutateur 35 à une source 36 de courant continu pour le chauffage de l'élément 15. Au sommet 37 du montage en demi-pont est raccordé l'élément 16 à résistance thermosensible; sa borne 38 et la borne 39 du sommet 37 sont raccordées à travers un commutateur 40 à un bloc 41 de mesure de l'accroissement de température. Pour la réalisation des mesures le réglage et le calibrage du capteur, ses élément montés en demi-pont sont raccordés à un autre montage en demi-pont constitué de résistances 42 et 43 en formant ainsi un montage en pont de mesure avec un indicateur de zéro 44 dans sa diagonale. Le réglage et le calibrage du capteur conforme à l'invention sont réalisés de façon suivante. L'élément mécanique de compensation thermique 10 remplit sa fonction principale au cours du réchauffement programmé. Par "réchauffement programmé" on entend le réchauffement rapide de lteRément 10 jusqu'à une température de 100 à 1500C, avec relevé des indications à des intervalles égaux d'accroissement de la température. L'échauffement est réalisé par l'élément chauffant 15 branché par l'intermédiaire du dispositif de commutation 35 sur la source d'alimentation 36. Simultanément, au moyen du commutateur 40, l'élément à résistance thermosensible 16 est relié au bloc 41 de mesure de l'accroissement de la température. A l'instt correspondant à l'accroissement assigné de la température de l'élément mécanique de compensation thermique 10 se produisent l'ouverture des commutateurs 35 et 40, et la connexion du capteur, par l'intermédiaire d'un bloc spécial (non représenté) au dispositif de mesure. On relève alors les indications de déformation correspondant à l'accroissement 4 T de la température de l'élément 10. Sur les figures 1,4 la flèche A représente conventionnelement le sens de la dilatation linéaire de l'élément mécanique de thermoolnsabon 10,dilatation qui est proportionnelle à l'accroissement de la température de l'élément 10 : #l = l0.&alpha;.#T, où l0 est la longueur initiale de l'élément 10,&alpha;, le coefficient de dilatation linéaire du matériau de l'élément 10, et S T, l'accroissement de la température de l'élément 10. L'élément 1(17,18) est alors déformé proportionnellement à On a ainsi la possibilité à n'importe quel moment précédant les essais l'exploitation, d'effectuer l'étalonnage du capteur de deonEtiou monté sur la pièce et, avec lui, de toute la voie de mesure. Il est à noter que l'étalonnage du capteur monté sur la pièce conformément à l'invention permet de rendre cette opération indépendante de la qualité du positionnement du capteur sur la pièce, ainsi que de l'action d'appui de la part de la pièce essayée. Le traitement des résultats "y" des essais de graduation est effectué selon la méthode des moindres carrés pour obtenir une relation fonctionnelle sous forme d'un polynome y=aO + a1x + a2x2 +..., à l'aide d'un dispositif de calcul faisant partie des moyens de mesure (non représenté sur les dessins ) ou, x est la valeur de la déformation conventionnelle de calibra ge, directement proportionnelle à 1'accroissement QT de la température de l'élément mécanique de compensation thermique 10, a0 , a1 , a2 sont les coefficients du polynome. Vu que, pour obtenir la relation fonctionnelle précSib les résultats des mesures sont relevés à des intervalles égaux d'accroissement de la température ( T constant), qui sont pratiquement en relation linéaire avec la déformation de l'élément sensible 1 (17,18), la valeur initiale de la température ambiante, de la température du dispositif, n'influe- pratiquement pas sur le résultat du calibrage. Après avoir réalisé le calibrage fonctionnel du capteur on débranche au moyen du commutateur 35 la source de courant continu 36 du circuit de mesure pour toute la durée des mesures de déformations. Le capteur de déformations fonctionne comme tout capteur analogue largement connu. Il est monté sur la pièce à essayer 14 en utilisant le collage rigide des appuis 7, 12 à la surface de la pièce 14. La déformation mesurée de la surface de la pièce 14 modifie la distance initiale de base entre les appuis 7 et 12, de sorte qu'il se produit une déformation de lvéleinent sensible 1 (17,18), qui est mesurée à l'aide d'un montage en pont largement connu. L'effet économique qB procure l'application du dispositif décrit ci-dessus est du à plusieurs facteurs. D'abord une nouvelle possibilité de principe apparat pour effectuer l'attestation métrologique de l'appareillage de mesure, y compris celui du capteur de déformation, déjà monté sur la pièce. L'amélioration de la précision des mesures, surtout lors des essais de durée de vie des constructions, est équivalente alors à une augmentation de 10-20% de leur durée de vie. Ensuite, on prolonge la durée d'exploitation des capteurs, ce qui réduit sensiblement les dépenses en rapport avec leur montage et leur graduation sur la pièce. I1 devient possible alors, au cours des essais de longue durée, d'apprécier également les propriétés de la jonction par collage entre les appuis et la pièce étudiée. On peut également alors apprécier le fonctionnement de tous les éléments du capteur, des canaux de mesure et du dispositif de mesure, car en qualité de source d'information de référence on utilise l'élément sensible du capteur. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. REVENDICATIONS 1. Capteur de déformations comportant un élément sensible extensométrique à fil résistant coopérant avec un appui mobile par l'intermédiaire duquel le capteur reçoit un signal correspondant à la déformation mesurée, un élément compensateur à résistance thermosensible et un élément mécanique de compensation thermique réalisé en un matériau possédant un coefficient de dilatation theque linéaire à peu près égal au coefficient thermique de dilatation linéaire du matériau de la pièce dont on veut mesurer la déformation et lié rigidement à un second appui en étant par ailleurs relié par l'intermédiaire de l'élément extensométrique à fil résistant à l'appui mobile, caractérisé en ce qu'il comporte un élément intermédiaire séparant l'élément sensible extensométrique à fil résistant d'avec l'élément mécanique de compensation thermique et réalisé en un matériau dont le coefficient thermique de dilatation linéaire est sensiblement inférieur à celui du matériau de 11 élément mécque de compensation thermique et en ce que sur ce dernier se trouvent un élément chauffant et un élément à résistance thermosensible prévus pour l'assignaton programmée de la déformation de élément mécanique de compensation thermique au cours du reglage et du calibrage du capteur après son montage sur la pièce à étudier. 2. Capteur de déformations selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément intermédiaire se présente sous la forme d'une plaque fixée sur 1dt' second appui. 3. Capteur de déformations selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, l'élément mécanique de compensation thermique étant en acier, en alliage d'aluminium ou en titane, l'élément intermédiaire est réalisé en alliage ferromagnétique fer - nickel possédant un coefficient de dilatation thermique linéaire très faible, en quartz ou en saphir. 4 Capteur de déformations selon l'une des revendications 1 , 2, et 3 caractérisé en ce qu'ilcomporte un étrier de montage reliant rigidement les deux appuis précités et fixant en position la base mesurée du capteur et le capteur lui-même lorsque le réglage est achevé. 5. Capteur de déformations selon l'une des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce qu'il possède deux appuis intermédiaires installés sur l'élément intermédiaire et portant chacun une plaque mobile pour le réglage préalable de l'élément sensible extensométrique à fil résistant. 6. Circuit électrique de réglage et de calibrage du capteur de déformations faisant l'objet de l'une des revendications 1 à 5 du type constitué par un montage de mesure en pont, dans chacun des deux bras adjacents duquel sont branchées une résistance extensométrique de l'élément extensométrique à fil résistant et, en série avec elle, la résistance de l'élément de compensation à résistance thermosensible, en formant ainsi un montage en demi-pont caractérisé en ce qu'à l'un des sommets du montage en demipont est raccordé un élément chauffant relié par l'inter- médiaire d'un commutateur à une source d'alimentation indépendante tandis qu'à l'autre sommet du montage en demipont est raccordé un élément à résistance th sensible, sur lequel apparat un signal électrique dû à la variation de la température de élément mécanique de compensation thermique par suite de son réchauffement pour le calibrage du capteur et qui correspond ai progamme de variation de la déformation de calibrage assigrié de cette façon.